Radios definidos por Software
| Radio Definido por Software
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Radio Definida por Software (SDR). Son los equipos de radio definidos por software o "radios software", en siglas SDR (Software Defined Radio), en los que la parte hardware (circuitería) es mínima, y la mayor parte de las funciones que definen un equipo de radio se ejecutan a través de software (programas) en un ordenador PC o de otro tipo, dotado de tarjeta de sonido (requisito necesario).
Sumario
Antecedentes
Tradicionalmente los equipos receptores y transceptores de radiocomunica ciones son equipos constituidos por multitud de componentes electrónicos, los cuales forman circuitos sintonizadores, etapas de frecuencia intermedia, detectores, amplificadores de baja frecuencia, etc..., es decir, están constituidos por "Hardware". Posteriormente, en los años 1980´s y 1990´s se introdujeron microprocesadores en estos equipos para el control de funciones internas (contoles desde teclados y pulsadores) y para añadir nuevas prestaciones (relojes, pantallas informativas, programadores, etc...), y también se introdujo la posibilidad de controlar los equipos de radio desde un ordenador, añadiendo al equipo de radio puertos de comunicación o interfaces para la conexión al ordenador. En estos casos, y usando el software adecuado, es posible controlar desde el ordenador numerosas funciones del equipo de radio, igual o mejor que desde los controles del propio equipo. También en la década de los 1990´s comenzó la introducción en los modernos equipos de radio de los chips DSP o "Procesadores Digitales de Señal", los cuales permiten mediante técnicas digitales realizar filtros de paso de banda y de supresión de ruidos, entre otras posibilidades, muy eficaces, mejor que los realizados tradicionalmente con circuitos analógicos.
En cualquier caso, siempre se trata de equipos de radio realizados enteramente con componentes electrónicos, o sea, en términos informáticos se definirían como "radios hardware". Pero desde principios de la década del 2000 un grupo de radioaficionados están investigando y desarrollando un nuevo concepto de equipos de radiocomunicaciones, los equipos de radio desarrollados por programa o "radios Software", en siglas SDR (Software Defined Radio).
Los usos del procesamiento digital de señales (DSP) en radio son múltiples y no son recientes; aplicaciones destinadas a operar con modos digitales (CW, RTTY, SSTV, Packet y otros) utilizando la placa de sonido de la PC han estado disponibles en grado creciente de sofisticación por al menos una década en la mayor parte de las plataformas de PC (Windows y Linux mayormente).
Básicamente todos estos usos implican tomar la señal de audio del receptor y procesar la codificación contenida en esta para reconstruir el mensaje digital originalmente codificado en este por el proceso, a menudo inverso, en el otro extremo de la comunicación.
Concepto
¿Que es entonces Software Defiined Radio. Hay varias definiciones formales pero coloquialmente se trata de tomar una señal de RF (Radio Frecuencia) en bruto, digitalizarla y realizar todo el proceso de demodulación de la misma mediante técnicas de DSP (procesamiento digital de señales).
Básicamente todos estos usos implican tomar la señal de audio del receptor y procesar la codificación contenida en esta para reconstruir el mensaje digital originalmente codificado en este por el proceso, a menudo inverso, en el otro extremo de la comunicación.
Radio Definida por Software (Software Defined Radio SDR) es, entonces, un aspecto del dominio de procesamiento digital de señales (Digital Signal Processing, DSP) donde señales de radio son digitalizadas y procesadas para obtener modulación o demodulación de los distintos modos.
Abundando en el tema
Idealmente, en los SDR, se tomaría la señal directamente desde la antena al dispositivo que digitaliza y de ahí en adelante todo el procesamiento es digital. Si bien esto es teóricamente posible y en algunos casos a los costos correspondientes también factible en la práctica el enfoque tiene una serie de problemas relacionados con los niveles de señales involucrados (en transmisión por altos y en recepción por bajos).
Los equipos de radio actuales que tienen la posibilidad de procesar digitalmente las señales funcionan como cualquier receptor superheterodino, pero en lugar de utilizar filtros a cristal en la última frecuencia intermedia, digitalizan la señal y la procesan digitalmente. De este modo, todo tipo de filtros, aún los que son imposibles de fabricar con componentes tangibles, pueden ser creados en software. Debido a que la señal eventualmente será escuchada por un humano, se la deberá convertir nuevamente en su representación analógica antes de enviarla al amplificador de audio.
Ahora bien, la mayoría de los transceptores existentes en el mercado que incorporan DSP sólo pueden operar en banda lateral única, CW, AM o FM. El DSP sólo se utiliza para filtrado y eliminación de ruido. Si pudiéramos utilizar el DSP para también demodular la señal, entonces obtendríamos lo que se llama Radio Definida por Software, o SDR por sus siglas en inglés. La idea detrás de las SDR es que el modo de operación sea definido por el software que la radio utiliza. Por ejemplo, un transceptor viene de fábrica con los modos clásicos tales como SSB, AM y FM. Unos años más tarde, se desarrolla un modo nuevo, tal como el DRM (Digital Radio Mondiale), que se utiliza para transmisiones de onda corta comercial. Lo único que tenemos que hacer con el transceptor para poder recibir el nuevo modo es cambiar el software; el hardware sigue siendo el mismo. Esto constituye una verdadera SDR.
La ventaja principal de las SDR radica en la versatilidad. La misma plataforma de hardware podría ser utilizada para casi cualquier equipo de comunicación, no importa el ancho de banda o el modo de emisión/recepción
Problemas y soluciones
Cuando tratamos de implementar la definición “teórica” de SDR enfrentamos un número de problemas; los dos principales son la velocidad de muestreo y la capacidad de manejo de señales (altas o bajas) del dispositivo digitalizador; ya se há visto que el procesamiento digital de señales introduce sus propios problemas y distorsiones en la señal que no existen en su contrapartida analógica.
Ya que una placa de sonido standard puede procesar una frecuencia de muestreo de 48Khz y por lo tanto manejar señales que tengan hasta unos 24 Khz de ancho de banda y algunas placas de sonido especiales pueden muestrear a 96 Khz o incluso más la capacidad de manejar anchos de banda termina siendo del orden de los 50 Khz. Para solucinar esto se hace necesario una etapa mezcladora de RF, que puede llevar la frecuencia de la banda base desde niveles inmanejables para el digitalizador hasta frecuencias que le son manejables; por ejemplo, si a una señal de CW disponible en 7.020 Mhz la mezclamos con una señal de oscilador local de 7.000 Mhz obtenemos una señal de 14.020 Mhz (suma) y otra de 20 Khz (diferencia), filtrando la primera la segunda está dentro de la gama que un digitalizador económico tal como una placa de sonido común de una PC puede procesar.
La solución para el nivel de señales es agregar etapas de amplificación de RF, sea de señal débil en recepción como de alta potencia en transmisión (si bien es más común usar SDR en recepción puede utilizarse tanto para demodular una señal como para modularla!).
Tipos de SDR
En este momento hay varias radios definidas en software disponibles para los radioaficionados. Entre ellas, podemos contar las siguientes:
SDR1000
Fabricado por Flex-Radio. Este transceptor cubre todas las bandas desde 160 a 6 metros. Utiliza un hardware analógico, y una PC con tarjeta de sonido para el procesamiento digital de la señal. El software para la PC puede obtenerse en el sitio de Internet de Flex-Radio, y el código fuente es de dominio público.(http://www.flex-radio.com).
SDR-14
Fabricado por RFSpace. Este receptor cubre todas las bandas de HF y necesita una PC para controlarlo. A diferencia del SDR1000, la señal es procesada íntegramente en forma digital (el muestreo se realiza directamente con la señal captada por la antena, previa amplificación). (http://www.rfspace.com/sdr14.html).
Soft-Rock 40
Kit distribuido por el club AMQRP.
Es un receptor que cubre una sola banda de HF. Necesita una PC con tarjeta de sonido para el procesamiento de la señal.. Hay continuamente nuevos kits con bandas adicionales. (http://www.amqrp.org/kits/softrock40/index.html)
Varios radioaficionados han desarrollado software alternativo a los ofrecidos por algunos fabricantes. Por ejemplo, el receptor Soft-Rock puede operarse prácticamente con el mismo software utilizado con el SDR1000, o software desarrollado por VE3NEA
(http://www.dxatlas.com/rocky/) o M0KGK (http://www.m0kgk.co.uk/sdr/index.php).
Fabricando un SDR
TinySDR(1) para la banda de 80 metros
Una primera mirada a la tecnología SDR, el FlexRadio SDR-1000, realmente no impresiona por ser muy complicado de construir y muy caro de comprar.
Sin embargo el SoftRock, por ejemplo, es otra historia. Simple, principios de funcionamiento claros y fácil de construir.
Por lo que este primer proyecto realmente básico viene de la experiencia con receptores de conversión directa.
Esquema
L1C2 es el más simple filtro pasa banda posible y está sintonizado en la frecuencia necesaria.
Para alcanzar mejor selectividad sería mejor tener un filtro pasa banda más complejo de los que hay muchas variantes en Internet para elegir.
Es interesante que es posible hacer un receptor (con esta tecnología SDR) sin ningún filtro pasa banda incluso, pero por razones de simplicidad esto no es recomendado.
La señal de la antena va al mezclador doble (diodos D1-D4); al mismo tiempo la señal del VFO es provista con diferentes fases (0° y 90°).
Justo después del mezclado la señal va a la placa de sonido de la PC. No hay
amplificadores de baja frecuencia antes de la conexión a la PC. La amplificación de audio es realizada completamente en la placa de sonido de la PC por lo que es recomendado utilizar la entrada MIC y no la LINE-IN.
El VFO es hecho usando el circuito más simple posible. El transistor T1 es cualquiera de tipo p-n-p, lo único que importa es su máxima frecuencia de trabajo.
Materiales
Los diodos pueden ser de cualquier tipo como los 1N4147, 1N4148, 1N4154 y
también es posible utilizar los modelos de la ex USSR KD503, DK522 o KD521
L1 tiene 4+10 vueltas de alambre de cobre de 0.15 mm, las 4 espiras desde el lado de masa.
L2 tiene 16 vueltas del mismo alambre, L3 tiene 3 vueltas de alambre de 0.25 mm por encima de L2.
El valor de C1 depende de la antena utilizada y debe experimentarse con su valor para mayor performance, en algunas configuraciones puede incluso eliminarse totalmente.
El transformador de fase depende de la frecuencia de recepción y debe ser calculado con la siguiente fórmula cuyos valores están presentados para 80 metros en el diagrama:
Donde f – La frecuencia del VFO
R – R2 dividido 2.
La clave para la performance de este receptor es la placa de sonido de la PC. Las placas recomendadas para el modelo Flexradio SDR-1000 M-Audio Delta 44 y Delta 66, deberían ser las que mejor comportamiento tengan así como varios productos de Creative Labs deberían ser aceptables también.
En este caso se probo el receptor con varias placas de sonido en el motherboard (mayormente los modelos tipo AC97) funcionando bien.
Uno de los aspectos principales es si la placa de sonido es de 16 bits o 24 bits, las placas de 16 bits permiten un ancho de banda de 48 Khz mientras que las de 24 bits permiten 96 Khz, una porción significativa de la banda de 40 mts con el mismo VFO.
Sintonía
Es necesaria alguna sintonía. Al principio con la ayuda de un osciloscopio sintonice el filtro pasa banda a la que sería su frecuencia de centro de banda. Esos ajustes no son críticos y puede sintonizarse el receptor a máximo ruido y luego con estaciones como paso siguiente.
Como segundo paso es necesario lograr que el transformador provea la diferencia de fases necesaria. Conecte un osciloscopio de doble entrada en los puntos A y B cambiando el valor de R2 hasta que tenga un círculo en la pantalla. Un círculo perfecto significa 90° de diferencia de fase. Fuentes en Internet y en revistas significan que es imposible hacer SDR basado en dispositivos analógicos porque 90° con menos de 1° de diferencia no es posible conseguirlo. Esto puede ser verdad para receptores de alta performance (Este no es el caso) y hoy se dispone de software que puede corregir esas diferencias de fase.
En la foto se puede ver el primer prototipo que funcionó.
Se recomienda la utilización del software Rocky debido que tiene mecanismos para compensación o PowerSDR por la misma razón, pero cualquier otro seguramente también funcionara bien.
Agregados
Para recepción normal con este receptor su PC debe tener entrada de micrófono stereo. Esto no es usual con las PC modernas con el chipset AC97 pues muy pocas tienen esta opción. Usualmente las notebooks IBM Thinkpad y algunas notebooks con el sonido integrado, algunos motherboards Intel y motherboards con el sonido integrado SoundMAX, algunas otras placas de sonido avanzadas proveen input stereo también.Si su máquina no tiene esta opción Ud seguirá recibiendo pero tendrá recepción simultanea de la USB y la LSB al mismo tiempo a ambos lados de la frecuencia del VFO.
También puede ser que la entrada LINE-IN pueda utilizarse para recibir señales de este receptor, pues usualmente son stereo. Al efecto se provee un esquema simple con amplificadores operacionales para amplificar la señal y utilizar el puerto mucho más común LINE-IN.
Además para máxima compensación de fase sintonice Rocky a la estación más fuerte, manténgala así y el programa se ajustará a si mismo para la mejor opción.
Para mantener el receptor lo más simple posible se han probado diferentes VFO. Si tiene motherboards de PC viejos puede que tengan un oscilador de clock en 14.318 Mhz lo que le permitirá un VFO en la banda de 20 mts. El siguiente esquema muestra como conectarlo.
TR2 es 10 vueltas de primario con alambre 0.25 mm y 2 o 3 vueltas de secundario, el oscilador puede ser de cualquier tipo y compañía, solo la frecuencia importa.
ZetaSDR para 40 metros Este receptor es más sofisticado pero se ha tratado aún así de mantenerlo lo más simple posible. De cualquier forma es también una forma simple de poner SDR en funcionamiento.
El mezclador principal esta hecho con un 74HC4052.
Construcción Finalizada
El PCB es 50x66mm, simple faz. Si no comete errores conecté y disfrute!!
Agregados
Existen reportes que el 74HC4052 es bueno hasta frecuencias de 10 Mhz. Si se lo usa en frecuencias más altas se deteriora la capacidad de rechazo de la imagen.
Los valores de los capacitores en los esquemas están en microfaradios (μF) si el número tiene un punto, por ejemplo 0.022 es 0.022 μF (o lo que es lo mismo 22nF) mientras que los otros están en picofaradios (pF) de tal manera que 330 significa 330 pF.
La frecuencia del oscilador no es crítica, puedes seleccionar cualquier oscilador
disponible cuya frecuencia dividida por 4 caiga en bandas de aficionado. A menudo se usa un oscilador en 14.318 Mhz que puede ser encontrado y permite escuchar la banda de 80 mts (14318/4=3.5798 Mhz). Estos osciladores pueden ser encontrados en motherboards viejos, placas de video o incluso hard drives.
Lista de Partes
ANT A1944 con-coax (2.5 1.95) R90
C1 0.1 C050-030X075 rcl (0.55 2.8) R90
C2 0.022 C050-030X075 rcl (1 2.15) R180
C3 0.022 C050-030X075 rcl (1 2.4) R180
C4 0.022 C050-030X075 rcl (1 1.9) R180
C5 0.022 C050-030X075 rcl (1.95 1.85) R0
C6 100 C050-030X075 rcl (1.95 2.1) R180
C7 0.1 C050-030X075 rcl (0.8 1.35) R270
C8 0.1 C050-030X075 rcl (1 1.7) R180
C9 330 C050-030X075 rcl (1.25 1.35) R270
C10 330 C050-030X075 rcl (2.1 1.35) R270
C11 10x16V E3,5-8 rcl (0.55 2.4) R270
IC1 74HC74N DIL14 74xx-eu (1.3 2.85) R0
IC2 LM358N DIL08 linear (1.7 1.4) R270
IC3 74HC4052 DIL16 40xx (1.45 2.15) R90
QG2 28.322Mhz DIL14S crystal (2.1 2.8) R180
R1 1K 0204/5 rcl (1.95 2.45) R0
R2 1K 0204/5 rcl (1.95 2.3) R180
R3 5.1K 0204/5 rcl (1 1.35) R90
R4 5.1K 0204/5 rcl (2.3 1.35) R90
X1 PN87520 con-berg (0.15 2.5) R270
X2 PG203J PG203J con-hirschmann (0.3 1.6) R0
Conclusiones
El procesamiento digital de señales y la aparición en el mercado de computadoras con tarjeta de sonido que pueden procesar señales de varios KHz, sumado a los últimos microprocesadores, ha abierto la posibilidad de desarrollar todo tipo de radios implementadas en software por varios radioaficionados. El modo de operación de una radio definida en software no está dado por el hardware, sino por el software que se utiliza. Una actualización de software permitiría, en teoría, la operación en nuevos modos quizás no existentes en el momento de la fabricación de la radio.
El procesamiento digital de señales permite obtener en forma relativamente sencilla ciertas prestaciones que eran prácticamente imposibles de implementar con circuitos analógicos, como por ejemplo filtros pasabanda de fase lineal, respuesta en frecuencia plana, y excelente factor de forma. Otro campo donde el procesamiento de señales digital sobresale es en la eliminación de ruidos (noise blankers) e interferencia.
Fuente
- http://www.ea1uro.com/sdr1/sdr.htm SDR (software defined radios) EQUIPOS DE RADIO DEFINIDOS POR SOFTWARE. Fernando Fernández de Villegas
- Pedro E. Colla Ing.Apuntes sobre Radio Definida por Software. Radio Club Córdoba Córdoba-Argentina
- http://www.ea1uro.com/sdr.html Emisoras de radio definidas por Programas.
- Viviano Moyano Trujillo MsC. Folleto “La Radio Definida por Software una alternativa para el Radioaficionado Cubano”. Radio Club Majagua Ciego de Ávila-Cuba.
