SDR: EQUIPOS DE RADIO DEFINIDOS POR SOFTWARE

Tradicionalmente los equipos receptores y transceptores de radiocomunicaciones 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 la década de 1980 se comenzaron a introducir microprocesadores en estos equipos para el control de funciones internas (controles 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 1990 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, con mejores características que los realizados tradicionalmente con circuitos analógicos.

Un chip DSP es básicamente una especie de CPU en miniatura, un chip microprocesador con un juego de instrucciones pequeño, pero capaz de ejecutarlas a una velocidad muy superior a la velocidad de una CPU corriente, gracias a una estructura simplificada y al reducido juego de instrucciones.

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 radioaficionados como Gerald Youngblood (AC5OG), comenzaron a investigar y desarrollar un nuevo concepto de equipos de radiocomunicaciones, los equipos de radio desarrollados por programa o "radios definidos por software", en siglas SDR (Software Defined Radio), en los que la parte hardware (circuitería) es mínima, y la mayor parte de las etapas físicas y funciones que definen un equipo de radio se definen por software (programas) en un ordenador PC o de otro tipo, dotado de tarjeta de sonido o de un procesador DSP (requisito necesario).

LO QUE SDR NO ES

Como se ha dicho, SDR supone realizar la mayor parte de las funciones de un equipo de radio, incluso las más importantes, mediante el software (programación) implementado en un ordenador. Por tanto, y antes de profundizar más en lo que es una radio SDR, se puede explicar de qué no se trata.

En primer lugar hay que decir que hay una enorme diferencia entre una radio definida por programas (SDR) y otra controlada por programas. Casi todos los equipos de radio modernos dotados de interfaces informáticos son equipos que tienen la opción de ser controlados por ordenador, permitiendo que desde este último se gobiernen y visualicen parte o todas las funciones y parámetros que normalmente están presentes en el frontal del equipo: frecuencia, elección de modo de operación (AM, FM, CW, SSB...), control automático de ganancia (CAG), etcétera. Incluso hay equipos de radiocomunicaciones que ni siquiera tienen un panel frontal de mandos e indicadores, siendo controlados totalmente desde el ordenador, el cual realiza todas las funciones del panel de mando del equipo, mostrando además éste en la pantalla del ordenador. Pero el equipo de radio en sí sigue siendo un equipo de radio convencional.

Tampoco la SDR se refiere al uso de las sofisticadas técnicas de procesado digital de señal, mediante la introducción de chips DSP, implementadas a nivel de las etapas de audio de un equipo de radio convencional, para mejorar la inteligibilidad y calidad de las señales. Las técnicas DSP permiten realizar filtros de audio mediante técnicas digitales que son mucho más efectivos que los tradicionalmente realizados con componentes electrónicos analógicos, e incluso se puede programar sus características por software. Y aunque las técnicas DSP se usan principalmente a nivel de las etapas de audio de los equipos de radiocomunicaciones, procesando digitalmente las señales de audio, también hay equipos de radio que introducen el procesado digital de señales DSP a nivel de la frecuencia intermedia (FI), aunque en estos casos siempre se hace sobre una última frecuencia intermedia de valor muy bajo, sobre los 40 kHz, lo que permite manejarla casi como una señal de audio, y por tanto al alcance de los chips DSP más comunes.

Las técnicas DSP comenzaron a ser introducidas en la década de 1990 para implementar funciones eficaces de filtrado y de redución de ruido en las etapas de audio, y actualmente se usan también para las etapas de FI de los receptores de radio más modernos, con mejores prestaciones que las clásicas etapas de FI de filtros resonantes sintonizados a la FI. Pero en cualquier caso, tanto unos como otros no dejan de ser al fin y al cabo equipos de radio convencionales, a pesar de los "añadidos avanzados" que estas técnicas puedan introducir.

Una radio software (SDR), en cambio, tiene casi todos sus "componentes" definidos y funcionando en forma de programas en un ordenador, a excepción de un mínimo de componentes físicos necesarios, externos al ordenador, que no pueden ser definidos por software en el ordenador (como es la etapa conectada a la antena). Y mientras no sea activado ese software o conjunto de programas, el equipo de radio no será tal, sino que será un simple conjunto de una o varias placas electrónicas externas, incapaces de hacer nada práctico. Es el software SDR que se haga funcionar en el ordenador el que define aspectos como el esquema de modulación a emplear (AM, FM, SSB...), el tipo de silenciador (squelch), cómo actua el CAG, y, en fin, define todo el equipo de radio. Y aunque las radios SDR funcionan con el software SDR que se hace funcionar en el ordenador, la mayor parte del trabajo no la hace en sí la CPU del ordenador, sino el dispositivo DSP equipado en éste, que, como veremos, habitualmente es la tarjeta de sonido.

Además una radio SDR es muy flexible, ya que modificando o reemplazando sus programas de software, o añadiendo nuevos programas, se consigue modificar sus funcionalidades, como es añadir nuevos modos (modulaciones) o mejorar sus prestaciones. Ello permite también acomodar el SDR a las necesidades de cada tipo de usuario (radioaficionados, servicios de emergencias, etc...).

La SDR es algo novedoso que supone un importante cambio respecto a la tecnología anterior de los equipos de radio, y representa un concepto que puede no ser fácil de asimilar. Para entenderlo se explicará a continuación, aunque describiendo el proceso de recepción, ya que el de transmisión es muy similar aunque a la inversa.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RECEPTOR SDR

Gerald (AC5OG), uno de los radioaficionados que comenzaron a investigar y desarrollar la tecnología SDR a principios de la década de 2000, diseñó una etapa frontal de radiofrecuencia (RF) cuya función es convertir la señal de radio recibida, trasladándola a frecuencias muy inferiores, en la banda de audio o baja frecuencia. Esta etapa es un detector un tanto especial de conversión directa (es decir, de frecuencia intermedia cero o muy baja), a la cual se la ha añadido unos filtros de banda seleccionables en el paso de antena.

Con esta etapa frontal, la señal de radiofrecuencia es bajada al rango de las frecuencias de audio, pero sigue siendo una señal sin demodular. El siguiente paso es demodular la señal, y para ello se hace uso de un ordenador con tarjeta de sonido y el programa adecuado. Esto es lo que se muestra en el diagrama de la siguiente figura:

No debe confundirse esta conversión directa con el proceso de demodulación que permite extraer la señal de voz (moduladora) de la señal de RF, pues ello es lo que se hace en el ordenador con el programa SDR adecuado. La etapa de conversión directa lo que hace es trasladar las señales de RF a otras frecuencias muy inferiores, pero aunque las señales obtenidas en la conversión son señales en el rango de las frecuencias de audio, no significa que sean señales ya demoduladas (aunque para varios tipos de modulación, como la telegrafía o la banda lateral única, sí lo pueden ser a todos los efectos).

Dicha señal ya desplazada en frecuencia a la banda de audio (pero todavía sin demodular) ocupa un margen de frecuencias que entra dentro del rango que acepta en sus entradas analógicas la tarjeta de sonido. Dependiendo de la calidad de la tarjeta empleada, una tarjeta de sonido puede aceptar señales de hasta 20 a 40 kHz, y más altas en las de mejor calidad.

La tarjeta de sonido incluye unos conversores analógico-digital (A/D) que digitalizan las señales presentes en las entradas de la tarjeta, generando un flujo continuo de bits que representan digitalmente las señales analógicas de entrada. A este respecto, se puede decir que el conversor A/D está conectado casi directamente a la antena. La tarjeta de sonido además proporciona todas las funcionalidades DSP (procesamiento digital de señales) que van a ser necesarias para manejar la señal entrante ya digitalizada.

En la digitalización de las señales de entrada, se transforman las señales analógicas de entrada, que son "continuas en el tiempo " (y con un número de valores posibles de amplitud teóricamente infinitos), en una secuencia de señales "discretas en el tiempo ", esto es, que se presentan a intervalos de tiempo determinados, y que se denominan "muestras". Una vez digitalizadas estas muestras de la señal analógica (transformando laamplitud de cada muestra en un número fijo de bits), las señales eléctricas que las componen (los bits) tendrán un número de valores posibles de amplitud fijo y determinado, dos en el caso de las señales digitales binarias (denominados "0" y "1" lógicos).

El proceso por el que las señales analógicas de entrada se transforman en señales discretas en el tiempo se denomina "muestreo". A este respecto, en 1933 Harry Nyquist estableció que cuando se digitalizan señales analógicas, para que posteriormente se pueda recuperar la señal analógica original mediante el proceso inverso (Conversión Digital-Analógica), la señal analógica debe ser muestreada a una velocidad como mínimo igual al doble de la frecuencia más alta presente en la señal analógica (Esto implica que establecida una frecuencia de muestreo dada, la máxima frecuencia analógica que se puede muestrear es igual a la mitad de la frecuencia de muestreo). Es el Teorema de Nyquist.

En efecto, si Fm es la frecuencia máxima de recepción (ya a nivel de bajas frecuencias), la frecuencia de muestreo Fs que se ha de emplear ha de ser como mínimo Fs = 2×Fm. En esas condiciones, cada dos muestreos sucesivos de la frecuencia Fm, uno corresponderá a la semionda positiva de la frecuencia Fm y el otro a la semionda negativa, por lo que las dos muestras obtenidas representan bien la información completa de un periodo de la frecuencia Fm, y ésta puede reconstruirse posteriormente cuando se aplique las muestras digitalizadas un conversor digital-analógico. Para frecuencias inferiores a Fm, el muestreo asegurará que para cada periodo de la señal muestrada se habrán obtenido dos o más muestras, por lo que habrán muestras de ambas semiondas de cada periodo, y por tanto también representan bien a la información de un periodo de la frecuencia muestrada.

La frecuencia máxima Fm de la señal analógica de entrada es recomendable que sea limitada mediante el empleo de un filtro de pasobajo, denominado "filtro antialiasing ". Ello evita el efecto de "aliasing ", por el cual, al recuperar por el proceso inverso la señal analógica original, ésta puede aparecer distorsionada o con interferencias. El aliasing aparece cuando en el proceso de digitalización, la señal analógica de entrada tiene componentes cuyas frecuencias son superiores a la mitad del valor de la frecuencia de muestreo (Fm), y no son suprimidas antes de realizar el muestreo. Estas frecuencias al ser muestreadas generan muestras que interfieren a las muestras de las frecuencias útiles de la señal (aquellas que no superan la mitad de la frecuencia de muestreo). De ahí la necesidad de un efectivo filtro pasobajo que atenúe o elimine las frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de muestreo.

Así, por ejemplo, el oído humano puede llegar a percibir frecuencias en el rango de 20 Hz a 20 kHz (en el mejor de los casos), y por ello la digitalización de las señales de audio de alta fidelidad requiere que sean muestreadas al menos a 40 kHz (40.000 muestras por segundo). De hecho, en el caso de los CD's de audio el muestreo empleado es de 44,100 kHz (lo cual previene también el aliasing). Esta velocidad de muestreo la soporta actualmente también cualquier tarjeta de sonido para sus conversores A/D. Además, muchas tarjetas de sonido incluyen un filtro antialiasing interno con una frecuencia de corte próxima a los 20 kHz.

Las muestras obtenidas son muestras analógicas con el valor instantáneo de amplitud de la señal analógica en el momento de ser muestreada. El siguiente paso es digitalizar las muestras, y dicho proceso se conoce con el nombre de "cuantificación". En la cuantificación básicamente lo que se hace es comparar la amplitud de cada muestra analógica con una serie de valores de amplitud ya preestablecidos (niveles de cuantificación), y asignar a cada muestra el valor preestablecido más próximo. Cada valor preestablecido tiene asignado un valor binario de un determinado número de bits, por lo que la cuantificación transforma cada muestra en una palabra digital de n bits. Así, por ejemplo, si la cuantificación empleada es de 8 bits, se podrán definir hasta 2⁸ = 256 niveles de cuantificación con los que comparar la amplitud de las muestras analógicas, siendo 128 de ellos para las amplitudes negativas (por ejemplo, del 00000000 al 01111111 en los valores digitales correspondientes) y los otros 128 para las amplitudes positivas (del 10000000 al 11111111). Con 10 bits por muestra, se pueden definir 2¹⁰ = 1024 niveles de cuantificación.

Una vez la señal ha sido muestreada, cuantificada y digitalizada por la tarjeta de sonido, podemos procesarla como queramos, por ejemplo para demodularla: en modulación de amplitud (AM) se haría detectando la amplitud de la envolvente de la señal, en modulación de frecuencia (FM) habría que seguir las variaciones de frecuencia de la señal... Todos estos procesos se realizan mediante los cálculos matemáticos adecuados realizados por software, pues al fin y al cabo las señales digitales son señales discretas que representan valores numéricos (en formato binario) y por tanto (éstos) se pueden tratar matemáticamente con el software adecuado para realizar algo. Los resultados numéricos de estos tratamientos matemáticos son también representados por señales digitales, las cuales se llevan internamente a unos conversores Digital-analógicos (D/A) implementados en la propia tarjeta de sonido, para convertirlas a señales de audio equivalentes, que a continuación son amplificadas y conducidas a las salidas de altavoz o de auriculares de la tarjeta de sonido (caso de las modulaciones de fonía: AM, FM, SSB), o que son procesadas para mostrar la información en la pantalla del ordenador (caso de los modos digitales: Telegrafía, PSK31, RTTY, etc...).

Uno de los posibles procesos de la señal de audio digitalizada es su demodulación, y éste es un proceso relativamente simple que incluye procesos de filtrado, desplazamiento de nivel y algunas otras operaciones que se pueden realizar sin muchos problemas por software. Cualquier proceso al que queramos someter la señal de audio digitalizada se puede hacer por software, usando el programa adecuado en el ordenador, y usando la tarjeta de sonido como digitalizador de la señal analógica de audio.

LA CONVERSIÓN DE FRECUENCIA

Las tarjetas de sonido son capaces de operar con señales de audio analógico de hasta unos 20 kHz como mínimo (hasta 48 Khz y más, si la tarjeta es de calidad), y la queremos emplear para procesar las señales de RF de varios MHz de frecuencia recibidas por la antena. Dado que la tarjeta de sonido no puede manejar frecuencias tan elevadas, es necesario convertir las señales de RF a señales de frecuencias muy inferiores, en el rango de frecuencias que puede aceptar la tarjeta de sonido (es decir, en el rango de las bajas frecuencias), manteniendo éstas el mismo esquema de modulación de las señales de RF recibidas.

El sistema más habitual para convertir una señal de una banda de frecuencias a otra es mediante el uso de un mezclador, el cual combina dos señales, la que recibimos en antena, con la procedente de un oscilador local, la cual será una señal pura sin modular, y muy estable en frecuencia. Esto es típico en los tradicionales receptores de radio superheterodinos para convertir las señales recibidas a la frecuencia intermedia (FI).

En la salida del mezclador tendremos señales cuyas frecuencias serán la suma y la resta de las frecuencias aplicadas en ambas entradas del mezclador, esto es, la de la señal de antena fa, y la generada en el oscilador local fo. Además siempre aparece algo de estas dos señales a la salida del mezclador.

Un ejemplo: si recibimos una señal modulada de 28 MHz (no importa cuál sea el tipo de modulación) y la mezclamos con la señal pura de 20 MHz suministrada por un oscilador local, en la salida del mezclador obtendremos varias "versiones" de la señal recibida, una centrada en 8 MHz (28-20), y otra en 48 MHz (28+20), y también se tendrá algo de las señales originales de 28 y 20 MHz (dependiendo de la calidad del mezclador). Al decir que estas señales resultantes de la mezcla son "versiones" de la original significa que mantienen la misma modulación que la señal original (la de 28 MHz), sólamente difiere la frecuencia, que es diferente a la de la señal original (es decir, ha habido un cambio de frecuencia, sin modificar el esquema de modulación).

En un receptor que funciona mediante conversión de frecuencias, se debe introducir un filtrado adicional a la salida del mezclador, para dejar pasar la señal que nos interese (por ejemplo, la de 8 MHz), y elimine las demás (las de 48, 28 y 20 MHz en el ejemplo). Eliminar por filtrado las señales no deseadas es fácil, pero supone una pérdida de energía respecto a la señal original, lo que perjudica el rendimiento del receptor en cuanto a la relación señal/ruido (eso es así porque la potencia de la señal de entrada útil, la de antena en este caso, se distribuye entre sus dos "versiones" cambiadas de frecuencia, además que el mezclador introducirá pérdidas adicionales en el proceso de conversión de frecuencia).

Los tradicionales receptores de radio, como son los receptores superheterodinos, funcionan con esta técnica: La señal recibida en antena es convertida a una "Frecuencia Intermedia" (FI) de un valor fijo dado mediante el uso de un oscilador local y un mezclador, y la FI obtenida a la salida del mezclador es filtrada y amplificada en una etapa de varios pasos sintonizados a la frecuencia de la FI, de manera que sólo ésta, y no las otras señales que se obtienen a la salida del mezclador, es suficientemente filtrada y amplificada antes de entregarla al demodulador. Dependiendo de la calidad de los pasos sintonizados a la FI, la selectividad del receptor será mejor o peor, esto es, tendrá mejor o peor rechazo a frecuencias adyacentes a la sintonizada. Valores típicos de FI en los receptores superheterodinos ordinarios son 455 kHz (receptores de frecuencias bajas: Onda Media, Onda Larga y también Onda Corta) y 10,7 MHz (para frecuencias más altas, como es la banda de radiodifusión en FM y los buenos receptores de Onda Corta).

Pero los receptores superheterodinos tienen un problema: Si la frecuencia del oscilador local es fo, y la frecuencia intermedia que emplea es FI, el receptor recibirá la frecuencia fo+FI , pero también recibirá la frecuencia fo–FI , ya que en ambos casos ambas dan lugar en el mezclador al valor de la frecuencia intermedia FI. Si se considera que la frecuencia útil que se quiere recibir es, por ejemplo, fo+FI, la otra frecuencia que puede recibir, fo–FI, es una frecuencia perturbadora, que se conoce como Frecuencia Imagen. La frecuencia útil y la frecuencia imagen están distanciadas en un valor de frecuencias de dos veces el valor de la FI.

Normalmente, con un buen filtro sintonizado en la etapa de entrada del receptor se puede rechazar la frecuencia imagen y realzar la frecuencia útil. Así, en un receptor de Onda Media (530-1600 kHz), que usa una FI típicamente de 455 kHz, la frecuencia imagen estará a 910 kHz de la frecuencia sintonizada, y usando un circuito sintonizado en la entrada del receptor a la frecuencia útil, suele ser suficiente para rechazar suficientemente las señales que puedan haber en la frecuencia imagen. Pero a frecuencias más altas, la selectividad del paso de entrada del receptor es claramente insuficiente para rechazar las frecuencias imágenes, y por ello los receptores de Onda Corta de calidad media o baja captan claramente las señales de frecuencia imagen junto con la señal sintonizada.

En efecto, supongamos que la frecuencia intermedia de un receptor superheterodino de Onda Corta es de 455 kHz. Significa que el oscilador local del receptor deberá oscilar 455 kHz por encima o por debajo de la frecuencia que se desea recibir. Si se desea recibir la frecuencia de 10.455 kHz, el oscilador local deberá oscilar a 10.000 kHz (o a 10.910 kHz), pero con esta frecuencia del oscilador también podrá recibir la frecuencia de 10.000 - 455 = 9.545 kHz, la cual sería la frecuencia imagen de 10.455 kHz. Dependiendo de la calidad del circuito de sintonía del receptor, esta frecuencia imagen será mejor o peor rechazada, pero en este caso, la relativa proximidad entre ambas frecuencias, y la baja selectividad de los circuitos de sintonía a esas frecuencias, hace que la frecuencia imagen sea normalmente poco rechazada, con lo que se escucharían en el mismo punto de sintonía del receptor señales que se transmitan en ambas frecuencias, 10.455 kHz y 9.545 kHz.

Para evitar estos inconvenientes, se usan una frecuencia intermedia mucho más alta, por ejemplo, 10,7 MHz, lo que implica que la frecuencia imagen estará a 21,4 MHz de la frecuencia sintonizada (el doble del valor de la FI), y esta gran diferencia de frecuencias ya permite que el circuito de sintonía de la señal de antena atenúe notablemente la frecuencia imagen.

Sin embargo hay un tipo de receptores que usan un mezclador de señales, pero no emplean ninguna FI; al contrario, convierten la señal directamente a audio, y son los llamados Receptores de conversión Directa. Estos permiten la demodulación de señales de CW (telegrafía) y de SSB por simple conversión de frecuencias. En efecto, supongamos que se tiene una señal de CW en 14.001 kHz y se emplea un oscilador local oscilando a 14.000 kHz. Si ambas señales se combinan en un mezclador, en la salida del mezclador se tendrá, entre otras señales, una señal de CW en audio, con una frecuencia de 1 kHz, señal que corresponde a la diferencia entre la señal captada por la antena (14.001 kHz) y la del oscilador local (14.000 kHz). Y dado que la CW se opera transmitiendo impulsos de portadora, a la salida del mezclador se tendrán impulsos de 1 kHz, que al ser audibles (tras la correspondiente amplificación de audio) corresponderán a la señal telegráfica demodulada.

Pero en este tipo de receptores hay un gran problema: si hubiera otra señal transmitiéndose en 13.999 kHz, demasiado cercana en frecuencia a la de 14.001 kHz como para poderla rechazar eficazmente mediante filtrado en el paso de antena del receptor, esta señal también daría lugar a la salida del mezclador a una señal de audio de 1 kHz, e interferiría a la señal de CW de 1 kHz correspondiente a la señal transmitida en 14.001 kHz. Es por tanto una frecuencia imagen de la frecuencia que realmente nos interesa. Es más, incluso aunque no hubiesen señales en la frecuencia imagen de 13.999 kHz, el ruido de fondo en dicha frecuencia aparecería en la salida del receptor, empeorando la calidad de la señal útil de CW recibida.

Otro problema añadido es que si la señal a recibir en 14.001 fuera de SSB (Banda Lateral Unica) en lugar de telegrafía, el oscilador local debería oscilar también a 14.001 kHz para conseguir demodular las bandas laterales (ya que éstas están separadas de la frecuencia central de 14.001 kHz en el valor de la frecuencia de audio moduladora), pero el receptor sería incapaz de diferenciar si la modulación empleada es USB o LSB, ni podría separar y suprimir todas las señales recibidas en el ancho de banda de la banda lateral opuesta para evitar que interfieran.

La conversión directa también adolece de otros inconvenientes: El nivel de ruido en la señal demodulada tiende a aumentar por diversos factores a medida que la frecuencia de la señal demodulada se aproxima a los 0 Hz, empeorando la calidad de ésta. Contribuyen a ello ruidos de diversos orígenes: ruidos de zumbido de red eléctrica (50 o 60 Hz) inducidos, ruidos mecánicos microfónicos, el propio ruido generado por los semiconductores (que depende de 1/f ), e incluso el propio ruido de fase que incluye la señal generada por el oscilador local si éste está controlado por PLL o por síntesis directa.

LA CONVERSIÓN DE FRECUENCIA EN UN RECEPTOR SDR

El simple procedimiento de conversión de frecuencia en un receptor de conversión directa no es el adecuado para un receptor SDR por los problemas anteriormente mencionados (sobre todo, de frecuencia imagen). El tipo de conversión utilizada en un receptor SDR elimina estos problemas, y se basa en el procedimiento que en los primeros días de la SSB se utilizó para conseguir la modulación de Banda Lateral Unica (BLU), eliminando en el proceso de modulación la banda lateral que no interesaba, sin el uso de los filtros a cristal de paso-banda estrecho (2,5 - 3 kHz) que se usan hoy en día para dejar pasar la banda lateral deseada y eliminar la otra.

Dicho método, conocido como "Método de fase", consistía en usar un doble mezclador balanceado al cual se aplicaban dos versiones de la frecuencia del oscilador local, una en fase y la otra desfasada 90 grados, y dos versiones de la señal recibida en antena, una en fase y otra desfasada 90 grados. Si ésta última estaba desfasada exactamente +90 grados respecto a la otra, a la salida del mezclador se obtenía la banda lateral superior, cancelando la banda lateral inferior, mientras que si estaba desfasada -90 grados, la que se cancelaba era la banda lateral superior, obteniéndose la banda lateral inferior.

Este procedimiento puede aplicarse a un receptor de conversión directa, y funcionaría exactamente igual, teniendo como ventajas que no habría problemas de frecuencia imagen, aunque ésta estuviera muy próxima a la frecuencia sintonizada (en los moduladores de BLU según el procedimiento del método de fase, cada banda lateral única es frecuencia imagen de la otra). En el ejemplo anterior, si el oscilador oscila a 14.000 kHz, podría recibir limpiamente una señal de frecuencia 14.001 kHz como un tono de 1 kHz (diferencia de frecuencias) sin que fuera perturbada por la presencia de señales en 13.999 kHz. Si se cambiara el desfase de +90 grados de la señal recibida en antena (y que es desfasada) por -90 grados, se recibirían las señales de 13.999 kHz sin que fueran perturbadas por señales presentes en 14.001 kHz.

Este procedimiento, empleado tanto para la modulación como para la demodulación, se denomina Mezcla en cuadratura, Detección de SSB por giro de fase, o Mezcla con rechazo de imagen. El doble mezclador empleado se denomina Mezclador de cuadratura o Mezclador IQ. Esta última denominación se debe porque a la señal convertida correspondiente a la original no desfasada se denomina Señal en Fase o Señal I ("In phase signal"), mientras que la señal convertida correspondiente a la señal original desfasada +90 (o -90) grados se denomina Señal en Cuadratura o Señal Q ("Quadrature signal").

A la salida de los dos mezcladores se obtienen las señales I y Q, que están en Cuadratura de Fase. Ambas señales son exactamente iguales, pero desfasadas 90 grados (en el caso ideal). Llevando estas señales a un circuito sumador adecuado, se obtendría a la salida de éste la señal deseada, libre de la frecuencia imagen. Es en el circuito sumador donde, dependiendo de la fase de la señal Q respecto a la señal I (+90º ó -90º), se suprime como frecuencia imagen las frecuencias recibidas que estén por encima o por debajo de la frecuencia del oscilador local, reforzandose la otra.

Este procedimiento, como se ha dicho, fue empleado con éxito en multitud de equipos de SSB en los primeros años de este nuevo modo de modulación que supliría a la AM (hacia mitad de los 1950's), hasta la aparición de los equipos de SSB con filtros de banda de cristal a principios de los años 1960's. Pero el problema de este sistema era que para que fuera realmente efectivo, las dos señales I y Q debían estar bien balanceadas en amplitud y fase, ya que incluso mínimas inexactitudes en el desfase de 90 grados de la señal Q, o en la igualdad de amplitud de las dos señales I y Q, da lugar a que no desaparezca totalmente la banda lateral (frecuencia imagen) que debía suprimirse, perjudicando el rendimiento del equipo. Conseguir implementar mediante circuitos analógicos (lo que había entonces) un desplazador de fase de +90 grados, que fuera preciso y uniforme en amplitud y en desplazamiento de fase en todo el ancho de banda de las señales de audio moduladoras (300 a 3400 Hz), era muy difícil de conseguir, y por ello nunca se conseguía una supresión elevada de la banda lateral no deseada. Alcanzar supresiones de 40 dB para la banda lateral no deseada con este procedimiento requería componentes analógicos de calidad y era bastante caro y difícil de conseguir. No obstante, de poderse conseguir desfases precisos de 90 grados, la modulación y demodulación eficaz de la SSB (y del resto de modulaciones) se vuelve fácil, y esto es mucho más fácil de conseguirlo digitalizando las señales I y Q. De hecho, actualmente muchos circuitos integrados de RF emplean exclusivamente las señales I y Q para realizar diversos procesos.

De hecho los equipos SDR se basan en este principio, como se ve en la siguiente figura, que muestra el principio de funcionamiento de un mezclador en cuadratura: La señal de RF de frecuencia fc es llevada a dos mezcladores idénticos en paralelo. El oscilador local genera la frecuencia de mezcla, flo, que es inyectada directamente al mezclador inferior (señal "seno" ) para obtener la señal I a la salida del mezclador. Una parte de la señal flo pasa por un desfasador de 90 grados para obtener una señal del oscilador local desfasada 90 grados (señal "coseno" ) que es llevada al mezclador superior, obteniéndose a su salida la señal en cuadratura Q. Las señales I y Q pasan por sendos filtros de banda (LPF) para eliminar las frecuencias no deseadas que aparecen en los procesos de mezclado de las señales, filtrando la señal deseada, y a continuación, son muestreadas (a la frecuencia de muestreo fs) y digitalizadas individualmente en sendos conversores analógico-digitales (A/D) para obtener las señales I y Q digitalizadas (It, Qt, discontinuas en el tiempo).

Igual que ocurría con los antiguos equipos de SSB que usaban este principio, en un receptor SDR, si las señales de antena se somenten a desfases de 90 grados precisos para obtener señales de la misma amplitud y desfasadas 90 grados exactamente, y si se emplean mezcladores idénticos, la supresión de las frecuencias imagen sería total. En la práctica, en un buen receptor SDR de conversión directa, se llegan a obtener supresiones de frecuencias imagen de hasta 40 dB y más.

Construir un receptor SDR para ser usado con el ordenador es bastante sencillo: Sólo hay que realizar una "etapa frontal " que incluya el paso de antena y el mezclador de conversión directa en cuadratura, capaz de entregar en sus dos salidas las señales I y Q (señales idénticas pero desfasadas 90 grados) a nivel de bajas frecuencias, y entregar ambas señales a los canales izquierdo y derecho de una de las entradas de la tarjeta de sonido del ordenador (la cual ya incorpora los conversores A/D que permiten muestrear y digitalizar ambas señales). Una vez realizado esto, el software SDR instalado en el ordenador se encargará de todo lo demás, obteniéndose el resultado del procesado de las señales en los altavoces conectados a la salida de la tarjeta de sonido.

EL DETECTOR DE TAYLOE

El esquema empleado por Gerald (AC5OG) en su equipo SDR para obtener las señales I y Q es el llamado Detector por muestreo en cuadratura (QSD). Gerald se inspiró en un detector patentado por Dan Tayloe (N7VE, radioaficionado y técnico que trabaja para Motorola), que es un elegante detector por muestreo que toma muestras de la señal de RF cuatro veces por ciclo de su portadora, dando lugar a cuatro salidas de la señal de RF con desfases respectivos de 0, 90, 180 y 270 grados. Y al tratarse de un circuito muestreador y no de un mezclador, se obtienen las señales I y Q, pero sin las pérdidas y otras problemáticas propias de los mezcladores. Dicho detector se conoce también como "Detector Tayloe" (en honor a su desarrollador). Veamos su funcionamiento.

Imaginemos un conmutador rotativo conectado al circuito de entrada o de antena, (ver Figura 3) de cuatro posiciones, que gira a la frecuencia de portadora (Fc) de la señal de RF que queremos detectar. En cada contacto hay un pequeño condensador a masa. Durante el giro del conmutador, cada contacto, al ser "tocado" por el conmutador, recibirá la tensión de la señal de RF entrante, durante exactamente un cuarto de ciclo de portadora. El nivel de tensión de RF presente en la entrada del conmutador es aplicado al condensador, el cual quedará cargado con un valor de tensión promediado entre los valores de la tensión de la señal de RF entrante en ese cuarto de ciclo de la portadora. El condensador mantiene esta tensión de carga un cierto tiempo, y un ciclo de portadora después el conmutador volverá a tocar el mismo contacto y se repetirá el mismo proceso. Las tensiones adquiridas así por cada condensador, al ser integradas (promediadas) a lo largo de las sucesivas muestras, dan lugar a una señal audio en bornes de cada condensador.

El proceso es una especie de conversión directa, donde el audio se obtiene en cada contacto del conmutador rotatorio por detección síncrona en un punto determinado de la fase del ciclo de la señal de entrada: en C1, a 0 grados; en C2, a 90 grados; en C3, a 180 grados; y en C4, a 270 grados. Esto es totalmente correcto si la frecuencia de giro del rotor es exactamente igual a la frecuencia de RF entrante.

Se obtienen así cuatro señales de audio con distintos desfases en las salidas del conmutador rotatorio. A partir de estas cuatro señales se obtienen las señales I y Q necesarias para realizar la demodulación mediante SDR. Las señales con desfases de 0 y 180 grados se aplican en las dos entradas de un amplificador operacional, obteniéndose en su salida la componente en fase I, mientras que las señales con desfases de 90 y 270 grados se aplican a las entradas de otro amplificador operacional, obteniéndose en su salida la componente en cuadratura Q.

Si la frecuencia de la señal entrante difiere de la frecuencia de rotación del conmutador, la suma de las fases invertidas que generan las señales I y Q será menor a medida que la diferencia de frecuencias sea mayor (pues la detección de la señal entrante ya no es síncrona en fase), y las frecuencias de audio obtenidas dependerán de dicha diferencia de frecuencias.

Las señales obtenidas en las detecciones síncronas son filtradas por la red RC de pasobajo que conforman la impedancia de la antena (Rant) y el condensador de muestreo (C) de cada punto del conmutador rotatorio, con lo que el ancho de banda BW de las señales de audio obtenidas en cada punto del conmutador será:

Es obvio que los cuatro condensadores de muestreo del detector Tayloe deberán ser exactamente iguales para obtener las mejores características de este tipo de detector.

El detector Tayloe opera similarmente a un filtro de conmutación digital, y ello significa que opera como un filtro seguidor de muy alto Q. El ancho de banda de la señal que entrega a su salida depende del número total de condensadores de muestreo, 4 en total (uno por posición del conmutador rotatorio), por lo que el ancho de banda de la señal de salida será:

El detector por muestreo en cuadratura (QSD) así definido es un detector lineal con una salida de audio de cuatro fases, que se emplean para generar las componentes I y Q. Cuando las fases son sumadas dos a dos para obtener las componentes I y Q, al ser sumadas diferencialmente en un amplificador operacional de alta impedancia de entrada, el detector QSD entrega las señales I y Q con una ganancia de conversión de tensión de 6 dB y prácticamente libre de ruido de conversión.

Lo interesante del circuito detector Tayloe o QSD es su rechazo a señales de frecuencias diferentes a la de rotación del conmutador. Aunque éstas también son convertidas en muestras de audio de baja frecuencia, aparecerán en la banda de audio desplazadas de frecuencia respecto a las señales útiles. Esto permite que mediante un buen filtrado de las señales de audio se puedan eliminar las señales no deseadas, y obtener una buena selectividad.

El detector de Tayloe es elegante, con muy buenas características, y puede ser realizado uno completamente (sin el oscilador local) con tres o cuatro circuitos integrados comerciales adecuados. La Figura 4 muestra un ejemplo de detector Tayloe realizado con pocos circuitos integrados. Este consiste en un demultiplexor FET 1:4 de alta frecuencia tipo PI5V331, que realiza la función de conmutador rotatorio de la señal de antena sobre los cuatro condensadores de muestreo. Dos chips flip-flops duales tipo 74AC74 están conectados como divisor por cuatro tipo divisor Johnson, el cual genera a partir de una señal de reloj (generada por el oscilador local) las dos señales de reloj desfasadas 90 grados que gobiernan el conmutador rotatorio PI5V331. Las salidas de este conmutador, conectadas a los respectivos condensadores de muestreo, son llevadas a las entradas de un par de amplificadores operacionales de instrumentación, de muy bajo ruido, tipo LT1115, para formar por suma diferencial de fases las señales I y Q, las cuales serán llevadas a alguna entrada analógica de la tarjeta de sonido para su digitalización.

Dado que la impedancia de antena Rant es conectada el 25 % de cada ciclo de rotación del conmutador rotatorio a alguna entrada de los amplificadores operacionales, será la resistencia de entrada de ambos amplificadores operacionales, por lo que si Rf es la resistencia de realimentación de cada amplificador operacional, la ganancia de éstos será:

Como en caso de antenas resonantes típicamente Rant = 50 ohmios, entonces G = Rf / 200 .

Dado que la impedancia de la antena puede variar significativamente sobre un gran margen de frecuencias, se usan amplificadores operacionales de instrumentación (de alta impedancia de entrada) para minimizar las variaciones de ganancia de éstos con la impedancia de antena.

LA DEMODULACIÓN

Hasta ahora hemos descrito cómo se traslada la señal de RF a frecuencias de audio (es decir, a la “Banda base”), y la generación de las componentes en cuadratura de fase I y Q ; falta todavía filtrar y demodular las señales, además de otros procesados en audio que se deseen. Ello se realiza digitalmente, por lo que hay que primero hay que digitalizar las señales I y Q y luego procesarlas digitalmente. Por ello el diseño de AC5OG emplea una tarjeta de sonido común para digitalizar las señales I y Q y para proporcionar todas las funciones del receptor, sacando partido a la potencia del DSP implementado en la tarjeta de sonido y usando el software adecuado.

Sin emplear más que los programas adecuados, casi todas las tarjetas de sonido pueden ser programadas para actuar como un CAG, demodular una señal, eliminar señales no deseadas (como en los equipos más caros con DSP), reducir el ruido (NB), silenciar (squelch),... absolutamente todo lo que puedan hacer los equipos de radio, más algunas cosas de las que éstos son incapaces; y todo ello en el ordenador. Desafortunadamente, los detalles de cómo se hace todo eso son demasiado extensos para describirlos aquí. Los mismos principios rigen en el otro sentido en transmisión, desde el micrófono que capta la voz hasta la señal enviada hacia la antena.

Sólo como ejemplo, se expondrán los principios de la demodulación en un receptor de este tipo, uno de los procesos básicos de cualquier receptor.

Cuando tenemos una señal modulada en amplitud (AM), lo único importante de la señal es la amplitud de la envolvente de la señal de RF (no la amplitud instantánea de la onda, sólo la de pico o cresta de cada semiciclo de la onda). Un detector de AM a diodo simplemente responde a la amplitud de la envolvente, que es la señal moduladora de BF que interesa obtener.

En un receptor que maneje señales I (In Phase) y Q (In Quadrature), al estar ambas desfasadas 90 grados entre sí, si se representan vectorialmente sus amplitudes y fases en un gráfico de ejes de abcisas y ordenadas (x,y), la representación será del siguiente tipo (es un diagrama de fases en el plano complejo):

donde la longitud de los vectores I y Q representan las amplitudes de dichas señales. Dichas amplitudes dependen de la amplitud de la señal de entrada, mutiplicada vectorialmente por la función seno o coseno de la señal del oscilador local. La diferencia de fase entre ambas señales será lógicamente de 90º, de ahí que sean señales ortonormales (perpendiculares) entre sí. En este tipo de diagramas vectoriales, los ángulos de fase se giran en sentido antihorario.

Con este tipo de diagramas, el conjunto de las dos componentes I y Q se puede representar por un único vector resultante R, con un ángulo de fase ß. Dado que las componentes I y Q de este diagrama son "ortonormales", esto es, perpendiculares entre sí (desfasadas 90 grados entre sí), el valor de la amplitud instantánea del vector R se calcula fácilmente por el teorema de Pitágoras, ya que R es la hipotenusa del triángulo recto formado por I y Q como lados catetos:

Las señales I y Q representan a la envolvente de la señal de antena, por lo el conocimiento del valor de la amplitud de cualquiera de ellas a lo largo del tiempo indica cómo es la forma de la envolvente, y por tanto la forma de la señal moduladora, y ello permite establecer la demodulación de amplitud. Pero como la señal Q sigue las mismas variaciones de amplitud que la señal I, la amplitud del vector R representa la amplitud instantánea de la señal de RF de entrada, y basta conocer cómo varía el valor de amplitud del vector R a lo largo del tiempo para conocer la forma de la envolvente de la señal de RF de antena, y por tanto ello permite demodular en amplitud ésta, y además demodulándola con ganancia, ya que el valor de amplitud del vector R será siempre igual o mayor al del vector I.

Sin embargo, en las modulaciones de fase, como son la FM (modulación de frecuencia) o la PM (modulación de fase), la modulación del ángulo de fase de la portadora varía con la amplitud de la señal moduladora (y en el caso de la FM ello conduce a la apariencia que la frecuencia de la portadora varía con la amplitud instantánea de la señal moduladora), y por ello la demodulación depende de las variaciones de la fase instantánea de la señal de RF. Esto a nivel de las señales I y Q implica que las amplitudes de estas dos componentes no varían de la misma forma en cada instante, y por tanto el ángulo de fase ß del vector R variará con el tiempo. El ángulo ß representa la fase de la señal de RF de entrada, y de cómo varía este ángulo de fase con el tiempo dependerá la forma de la señal moduladora, y por tanto, el conocimiento del valor de este ángulo de fase con el tiempo permite conocer si es una señal modulada en fase o en frecuencia, y permite con ello su demodulación. Si conocemos las amplitudes instantáneas de las componentes I y Q, el ángulo de fase ß se puede deducir mediante las siguientes expresiones:

donde la función arcotangente (Arctang) es la función trigonométrica inversa a la función tangente de un ángulo.

El detector de Tayloe entrega las señales I y Q a nivel analógico. Estas son entregadas a la tarjeta de sonido, la cual en un primer paso las muestrea y las digitaliza. Al digitalizar las señales I y Q, se obtienen una sucesión de conjuntos de bits discretos en el tiempo, que codifican numéricamente el valor de amplitud de ambas señales. Es decir, la digitalización de las señales I y Q da lugar a una sucesión de números binarios que indican las amplitudes instantáneas de ambas señales a intervalos regulares en el tiempo. Y como números que son, ya pueden ser manejados matemáticamente, por lo que ya se pueden aplicar las fórmulas anteriores para conocer los valores del vector R y de su ángulo de fase ß, que permitirán conocer los valores de amplitud de la envolvente, en el caso de las modulaciones de AM, y de los desplazamientos de fase y frecuencia de la señal recibida, en el caso de las modulaciones FM y PM. Es decir, empleando el cálculo numérico adecuado, permite la demodulación de las señales de RF moduladas en AM, FM y PM. Los resultados de estos procesos matemáticos son también valores binarios, que al ser aplicados a un conversor digital-analógico (también incluido en la tarjeta de sonido), permite obtener la señal moduladora ya a nivel analógico, la cual una vez amplificada es llevada a las salidas de altavoz de la tarjeta de sonido.

Para el caso de las modulaciones de banda lateral única (SSB), el proceso de demodulación es algo más complicado, ya que el cálculo numérico sobre los valores digitales de las componentes I y Q requiere de más pasos de cálculo que para la AM y la FM, pero conociendo las expresiones matemáticas que se han de aplicar para determinar la forma de la señal moduladora a partir de los valores de amplitud de R y del ángulo de fase ß, tampoco es mucho problema realizar la demodulación de SSB. Y lo mismo se puede decir para cualquier otro tipo de modulación que se haya aplicado a la señal recibida en antena para poder demodularla.

Por ello, dado que en los receptores SDR hay muy poco procesado analógico de la señal, el método de conversión de frecuencia y detección empleado, y la posibilidad de gobernar muchos parámetros, es de esperar que un equipo de estas características alcance y supere las prestaciones de los mejores transceptores convencionales disponibles hoy en día.

LAS TRANSFORMADAS RÁPIDAS DE FOURIER (FFT)

Una de las herramientas más potentes de los dispositivos DSP es el uso de las Transformadas Rápidas de Fourier, FFT (Fast Fourier Transform), una herramienta matemática que permite realizar muy diversos tratamientos de las señales digitalizadas (filtrados, demodulaciones, ecualizaciones, etc...), y que se emplea por ello en los receptores SDR para el tratamiento de las señales I y Q entregadas por el hardware del equipo SDR (la etapa frontal). En este tipo de receptor se emplean las FFT y su función inversa, IFFT (Inversa de la Transformada Rápida de Fourier) para las funciones de modulación y demodulación en banda lateral única (SSB) y para funciones de filtrado de señales.

Matemáticamente lo que hace una FFT es transformar señales en el dominio del tiempo a señales equivalentes en el dominio de la frecuencia, esto es, dada una señal cuya forma de onda es conocida a lo largo del tiempo (dominio del tiempo), es analizada para conocer cuál es su composición espectral, esto es, para conocer el conjunto de frecuencias que la componen y sus amplitudes respectivas (dominio de la frecuencia). Cualquier señal está compuesta por una o más componentes de distintas frecuencias, y los análisis matemáticos de Fourier permiten deducir las distintas frecuencias y sus amplitudes que componen una señal cualquiera en función de la forma de la onda de la señal.

Así, una señal senoidal pura está constituida por una única frecuencia (tono puro), mientras que si la forma de la onda senoidal se distorsiona, aparecen junto con la frecuencia fundamental f otras frecuencias adicionales y con ciertos niveles de amplitud, como pueden ser frecuencias armónicas de la fundamental (2f, 3f, 4f,...), bandas laterales junto a la frecuencia fundamental, frecuencias aleatorias que representan al ruido, etc..., todo ello dependiendo de la forma de onda de la señal.

La forma de la onda de la señal en el tiempo es conocida, ya que se deduce de los sucesivos valores instantáneos de amplitud de ésta en el tiempo, y dado que al ser digitalizada la señal los valores de amplitud se codifican en valores numéricos binarios a intervalos de tiempo regulares (determinados por la frecuencia demuestreo), se pueden aplicar a estos las fórmulas matemáticas de Fourier para conocer la composición espectral de la señal analógica original (las frecuencias que la componen y las amplitudes de éstas).

El resultado de analizar una señal mediante la FFT equivale a hacer pasar la señal analógica original a través de un banco de filtros de paso de banda muy estrechos en paralelo que cubren toda la banda de paso, y obtener a la salida de estos filtros por separado las distintas componentes espectrales de la señal. Los distintos filtros tienen el mismo ancho de banda. Todo este proceso se realiza digitalmente.

A cada filtro de paso de banda muy estrecho se denomina "Bin", y en realidad la banda de paso de cada bin se solapa algo con la del bin anterior y posterior, tal como se muestra en la siguiente figura, donde se muestran los Bins solapados. Si el solapamiento entre bins consecutivos es en puntos a -3 dB, la respuesta de la FFT es lineal.

Al realizar la FFT de una señal (que ha sido digitalizada) se obtiene la composición espectral de la señal. Si una componente espectral está en el centro de uno de los bins, se tomará solamente el valor de amplitud de señal en ese bin. Pero si no coincide con el centro del bin, se asigna parte de la amplitud de la componente al bin donde está ubicada, y algo de amplitud en el bin vecino más próximo. Así, si la componente espectral está justamente ubicada en el punto medio entre los centros de dos bins consecutivos, se asignará la mitad de la amplitud de la componente espectral a cada uno de los dos bins.

Así pues, el análisis matemático mediante las FFT analiza la composición espectral de una señal cualquiera, y además determina cómo se reparte la energía (amplitud) de cada componente (frecuencia) de la señal en los distintos bins, de acuerdo a lo explicado en el párrafo anterior. La siguiente figura muestra un ejemplo de análisis espectral mediante FFT de 4096 bins de una señal modulada en AM, donde se aprecia la frecuencia portadora fc y las bandas laterales (USB, LSB) a ambos lados de ésta.

Cuando se manejan las señales I y Q procedentes de un detector de cuadratura (o un detector Tayloe), se puede aplicar en la FFT las conocidas expresiones

Si en una FFT se emplean N bins (N es el "tamaño" de la FFT), y la señal está digitalizada con una frecuencia de muestreo fs, el ancho de banda de cada bin, BWbin, será:

Dado que los equipos de radio SDR se basan en el uso de tarjetas de sonido, si asumimos que la velocidad de muestreo del digitalizador de la tarjeta de sonido normalmente es de 44,1 kHz (44100 muestras por segundo), si se emplea una FFT de 4.096 bins, se tendrá que:

Es decir, la FFT introduce en el equipo de radio SDR 4096 filtros de paso de banda de casi 11 Hz de ancho de banda cada uno. Esto permite crear filtros digitales de señal con anchos de banda desde 11 Hz hasta aproximadamente 40 kHz, en pasos de casi 11 Hz.

Al tener descompuesta la señal I+Q original en sus componentes espectrales mediante FFT, podemos actuar sobre los distintos bins para amplificar o atenuar las distintas componentes espectrales (multiplicando el valor binario de las muestras digitales de las señales por un valor fijo) en función de su frecuencia, o realizar otras manipulaciones, por lo que mediante el software adecuado se pueden construir diversas funciones matemáticas que operan en el dominio de la frecuencia, tales como las siguientes (sin entrar en detalles matemáticos):

Una vez la señal ha sido completamente procesada en el dominio de la frecuencia, es fácil convertirla de nuevo al dominio del tiempo, es decir, a una única señal equivalente definida como sucesión de valores de amplitud en el tiempo. Para ello se usa la operación matemática conocida como "Inversa de la Transformada rápida de Fourier", IFFT (inverse FFT). Con la señal ya procesada y devuelta al dominio del tiempo, pueden realizarse algunas funciones adicionales en un receptor SDR, tales como la función de Control automático de ganancia (AGC), que se basará en la lectura de los valores de pico (máximos) de la señal a lo largo del tiempo, para controlar un amplificador o atenuador digital de ganancia variable que maneja la señal.

Finalmente la señal puede ser llevada a un conversor digital-analógico (D/A) para convertirla de señal digital a señal analógica, ser amplificada y enviada a un altavoz para su escucha.

FUNDAMENTO DE UN EMISOR SDR

Conocidos los principios de funciomiento de un receptor SDR, a continuación se explicarán los principios de funcionamiento de un emisor da radio basado en SDR, concretamente un emisor de banda lateral única.

Como se comentó anteriormente al hablar de la conversión de frecuencia en un receptor SDR mediante el método de fase, en un emisor de SSB se va a usar este método para generar la banda lateral única tal como se realizaba en los primeros años de la implantación de la SSB, pero controlado por el software SDR. El proceso de generación de la SSB es similar, pero en sentido inverso, al empleado en un receptor SDR que emplee el método de fase para demodular una u otra banda lateral única. Esto se ve en el siguiente diagrama.

Como se puede ver, una vez digitalizada la señal de audio captada por el micrófono (y limitada a 3 kHz como máximo), en este caso conectado a la tarjeta de audio del PC, se obtienen dos versiones de ésta, con un desfase de 90º de una de ellas, señal q0, respecto a la otra, señal i0. Bastaría un único circuito desfasador de 90º para ello (implementado por software en la tarjeta de sonido), no obstante la señal en fase i0 se ha hecho pasar por un retardador de la señal cuya única misión es compensar el retardo que introduce el desfasador de 90º sobre la señal q0, para conseguir que ambas señales estén exactamente desfasadas 90º.

Ambas señales pasan a continuación por sendos procesos de conversión digital/analógico (D/A), para obtenerlas a nivel analógico en las salidas de audio de la tarjeta de sonido (en los canales derecho e izquierdo de la salida de altavoz o de línea de la tarjeta), señales i1 y q1.

En el hardware del emisor, externo ya al PC, un oscilador local de RF genera la frecuencia de transmisión, y utilizando un desfasador de 90º, se obtienen dos versiones de ésta, desfasadas 90º.

En sendos mezcladores analógicos se combinan las señales de audio i1 y q1 con las correspondientes señales del oscilador local, realizándose así la modulación en cuadratura de la portadora de RF por las señales de audio. Se obtienen las componentes moduladas en cuadratura de fase i2 y q2, que son llevadas a un sumador adecuado de señales de RF, y la señal final obtenida i3 es finalmente amplificada en potencia y enviada a la antena transmisora.

La señal i3 resultante del circuito sumador es ya la señal de banda lateral única (SSB). Dependiendo si el desfase de las señales q respecto a las señales i es de +90º o -90º, se obtendrá a la salida del circuito sumador la banda lateral superior (USB) o la banda lateral inferior (LSB) respectivamente.

UN EJEMPLO: EL TRANSCEPTOR SDR-1000

El equipo desarrollado por Gerald AC5OG es un transceptor denominado SDR-1000, de arquitectura SDR, y fue desarrollado en los primeros años de la década de 2000, siendo uno de los primeros equipos de radio SDR prácticos. Su diagrama de bloques se mostró anteriormente en la Figura 1. La parte física de este equipo consta de tres placas de circuito impreso apiladas una encima de las otras (ver Figura 7), cuyas funciones son:

Este equipo es capaz de cubrir en recepción desde 12 kHz a 65 MHz, en cobertura continua, y en transmisión sólo dentro de todas las bandas de radioaficionados de 160 a 6 metros, todo ello en sus primeras versiones.

Su oscilador de síntesis digital directa DDS es capaz de cubrir ese margen de frecuencias en pasos de 1 Hz, y está basado en el chip AD9854, controlado a través de un microcontrolador PIC desde el software SRD del ordenador. Genera una frecuencia 4 veces mayor a la requerida por el mezclador QSD o Tayloe, y es dividida por 4 por un contador Johnson para generar las dos frecuencias de mezcla para el detector, desfasadas 90 grados.

Un mezclador bidireccional maneja las señales I y Q tanto para la recepción como para la transmisión. Y en el caso de la recepción, las señales I y Q pasan por un circuito de control automático de ganancia (AGC) cuya función es prevenir que la recepción de una señal fuerte pueda sobrecargar la entrada del conversor A/D de la tarjeta de sonido.

Las funciones de modulación y demodulación en AM, FM, SSB, RTTY, PSK (y otros modos que se deseen implementar), filtrado DSP y supresión de ruidos, AGC, control de frecuencia (control del DSS), etc..., están implementadas en el software SRD que funciona en el ordenador.

Para evitar los inconvenientes de la conversión de las señales de entrada de antena directamente a banda base de BF (nivel de ruido mayor en frecuencias próximas a 0 Hz, típico de las conversiones directas), el receptor SDR no hace una conversión de frecuencia directa a banda base de 0 Hz, sino que hace una conversión a banda base de 11,025 kHz. Es decir, la frecuencia del oscilador local controlado por DDS aplicada al detector Tayloe ha de estar desplazada en 11025 Hz respecto a la señal sintonizada. Ello ayuda a reducir el efecto de los ruidos de fase de la señal generada por el oscilador-generador de frecuencias, y los ruidos próximos a 0 Hz. Una vez que la señal en banda base de 11025 Hz es digitalizada, es fácil usando el software adecuado pasarla a banda base de 0 Hz, antes de continuar con el resto de procesos de tratamiento digital de la señal (filtrados de ruidos, demodulación, etc...).

La Figura 8 muestra el esquema en bloques de la parte física o hardware del receptor SDR-1000, mientras que la Figura 9 muestra la arquitectura software básica del receptor, esto es, el tratamiento digital de las señales I y Q en el ordenador con el software SDR adecuado para obtener la señal de baja frecuencia final, que se llevará al altavoz conectado a la tarjeta de sonido.

La arquitectura software básica del receptor consiste en lo siguiente: Las señales I y Q presentes en la entrada de la tarjeta de sonido son muestreadas, digitalizadas y sometidas a un proceso de Transformada Rápida de Fourier FFT complejo de 4096 bins, por lo que son convertidas al dominio de frecuencias. Un generador calcula unos coeficientes de filtro pasabanda (BPS) y mediante otro proceso FFT son convertidos también al dominio de frecuencias. Ambas señales, en el dominio de frecuencias (señal útil y señal de filtrado) son multiplicadas digitalmente (mediante una función de mezcla digital) para proporcionar el ancho de banda del filtrado máximo de la señal útil y procesarla adecuadamente, por ejemplo para demodularla. La señal filtrada es procesada a continuación por una transformada rápida inversa de Fourier IFFT para convertirla de nuevo al dominio del tiempo. Y ya en este dominio, la señal es sometida a procesos de filtrado adaptativo de ruido (LMS noise), filtro de muesca (Notch filter), y control automático de ganancia (AGC) basado en la detección de los valores de pico de la señal. La señal resultante de todos estos procesos es la señal ya demodulada y filtrada (digitalizada), que llevada al conversor D/A de la tarjeta de sonido, es convertida a señal analógica para su amplificación y salida a altavoz.

Los requisitos mínimos de ordenador que requería este equipo en aquellos años eran un PC de 600 MHz o más rápido, dotado de tarjeta de sonido compatible SoundBlaster, y con sistema operativo Windows 95 o superior (versiones posteriores del software SDR se han desarrollado para otras plataformas informáticas).

El software SDR original desarrollado por Gerald incluye muchas otras prestaciones adicionales. Es un software de "código abierto" (está publicado todo su código de programa, escrito en Visual Basic), por lo que está abierto a que cualquier usuario con conocimientos de programación pueda modificarlo para mejorar aspectos de éste o introducir nuevos modos y nuevas prestaciones.

Como ejemplos de características adicionales del software SDR original (y que practicamente las incorpora cualquier software SDR actual) están las siguientes:

La siguiente imagen muestra un ejemplo de presentación en pantalla (la consola) de un software SDR donde se aprecian los distintos mandos y controles de un receptor SDR, donde destaca el el analizador gráfico de espectro, a través del cual se observan las señales presentes dentro del ancho de banda que es capaz de procesar la tarjeta de sonido, y a través del cual se puede sintonizar una de ellas.

El desarrollo de los softwares DSP que constituyen el software de los equipos de radio DSR es relativamente sencillo para cualquier programador, ya que Intel tiene publicado y disponible un conjunto de librerías software para las funciones DSP, lo que facilita el desarrollo de programas para ordenador destinados a dispositivos DSP, como son las tarjetas de sonido.

El equipo SDR-1000 goza de muy buena selectividad, y una sensibilidad de recepción buena, aunque al principio no era equiparable a la de un receptor de alta gama (podía ser necesario añadir un preamplificador de antena para mejorar este aspecto). Sin embargo, actualmente utilizando una buena tarjeta de sonido estos equipos definidos por software ya tienen prestaciones que no envidian a los transceptores de radio convencionales de alta gama. Y es que una buena tarjeta de sonido es fundamental para obtener un receptor SDR de altas prestaciones, como se verá un poco más adelante.

Este equipo, el SDR-1000, es comercializado por FlexRadio System, empresa de Austin (Texas) a la que pertenece su diseñador, Gerald Youngblood (AC5OG), y en la página web de la empresa se indica incluso cuál es la tarjeta de sonido oficialmente recomendada por los diseñadores del SDR-1000 para obtener las mejores prestaciones de este equipo. A finales de 2005 esta tarjeta era la tarjeta profesional Delta-44 de la firma M-Audio, tarjeta PCI dotada de 4 canales de entrada analógicos, que puede muestrear a 96 kHz y 24 bits de resolución por muestra, y para la que sus fabricantes informan que tiene un rango dinámico de 98 dB para su conversor A/D de entrada, y de 103 dB para el conversor D/A de salida.

Para los interesados, la arquitectura de los equipos SDR está escrita por Gerald Youngblood, AC5OG, en diversos números de la publicación QEX del año 2002 (QEX es una publicación regular de la ARRL).

IMPORTANCIA DE LA TARJETA DE SONIDO

Las prestaciones de un receptor SDR dependen totalmente de las prestaciones del chip DSP que procesa las señales I y Q, y en consecuencia, de que la tarjeta de sonido empleada en el ordenador contenga un chip DSP de mejores o peores prestaciones.

En efecto, usando una muy buena tarjeta de sonido, las prestaciones que proporciona al equipo SDR son elevadas, en cuanto a sensibilidad, selectividad e intermodulación, siempre que se ajusten los parámetros del software proporcionado para el equipo SDR a valores óptimos (lo cual puede ser un poco complicado). Debe tenerse en cuenta que la tarjeta de sonido procesa el audio entregado por el hardware o circuitería física del receptor SDR, y es una banda de audiofrecuencia que es digitalizada por un conversor A/D, procesada digitalmente por el DSP de la tarjeta y por el software SDR, y convertida de nuevo a sonido analógico mediante un conversor D/A, para escucharla en los altavoces conectados a la tarjeta de sonido.

La calidad del chip DSP, y por tanto, de la tarjeta de sonido, depende fundamentalmente de dos parámetros:

Resolución del chip DSP:

La resolución del chip DSP (o de la tarjeta de sonido que lo soporta) indica el número de bits por muestra de señal analógica digitalizada (por tanto, depende del número de niveles utilizados en el proceso de cuantificación de las muestras). Cuanto mayor sea esta resolución, mayor será el rango dinámico del equipo SDR.

Un rango dinámico muy alto hace que la tarjeta tenga una tendencia a la intermodulación y bloqueo por señales fuertes mucho menor y se equipare en este aspecto a los mejores equipos de radio convencionales. Los muestreos a una tasa de bits por muestra más alto permite que la tarjeta pueda muestrear eficazmente señales mucho más débiles, aumentando la sensibilidad del SDR.

Las primeras tarjetas de sonido tenían una resolución de 8 bits. Actualmente, la mayoría de las tarjetas de sonido para ordenador son de 16 bits de resolución, lo que proporciona una calidad de sonido bastante buena para las aplicaciones normales de audio. Pueden diferenciar 2¹⁶ = 65.536 niveles de señal de audio. También existen tarjetas de sonido de 24 bits de resolución, que son empleadas para aplicaciones de sonido profesional, y por ello no se fabrican tarjetas de sonido de mayor resolución (32 bits o más) ya que es innecesario en el campo del sonido profesional. Una tarjeta de 24 bits pueden diferenciar 2²⁴ = 16.777.217 niveles de audio. Las tarjetas SoundBlaster de gama alta son de esta resolución.

Para una tarjeta de sonido o dispositivo DSP, su rango dinámico viene dado por:

que corresponde a 98 dB para resoluciones de 16 bits, y 144 dB para resoluciones de 24 bits. Esto es, con 16 bits se pueden distinguir señales con diferencias de nivel de -98 dB, y con 24 bits, se pueden distinguir diferencias de señales de -144 dB. Ello es teórico, ya que en la práctica la cuantificación de las muestras no es uniforme y se asignan algunos bits más para digitalizar señales muy débiles que tengan un aspecto mínimamente sinusoidal, lo que significa que el número de bits de resolución es en realidad inferior: Si suponemos que se emplean 4 bits para digitalizar señales muy débiles, quedan 12 bits de resolución real para las tarjetas de 16 bits, y 20 bits para las tarjetas de 24 bits, lo que corresponde respectivamente a rangos dinámicos de unos 74 dB para tarjetas de 16 bits (lo que es bastante corto para un equipo de radioaficionado), y de unos 120 db para tarjetas de 24 bits (lo cual ya está bastante bien y está a la altura de los buenos receptores de radioaficionado).

A la práctica, las tarjetas de sonido de 16 bits ordinarias (incluidas las que están incorporadas en las placas base de los ordenadores personales actuales) proporcionan un rango dinámico real de unos 68-75 dB (frente a los 98 dB teóricos), lo que haría que la calidad del receptor SDR fuera mediocre y poco operativo, mientras que para las tarjetas de 24 bits el rango dinámico real es de unos 90-100 dB.

Además, una mayor resolución de la tarjeta de sonido mejora la relación señal-ruido en las señales digitalizadas, lo que es importante cuando se está tratando con señales de nivel muy bajo. En efecto, cuando se digitalizan las muestras de una señal, en el proceso de cuantificación se introduce un cierto nivel de ruido denominado "ruido de cuantificación". Este ruido es debido al error que se produce al asignar cada muestra al nivel de cuantificación más próximo: Lo normal es que la amplitud de cada muestra no coincida exactamente con alguno de los niveles de cuantificación, sino que esté comprendido entre dos niveles de cuantificación consecutivos. Equipar entonces cada muestra al nivel de cuantificación más próximo equivale a modificar ligeramente la amplitud original de cada muestra analógica, y ello conduce a introducir un cierto nivel de ruido al distorsionar levemente el valor de amplitud de las muestras. Al aumentar en un bit la resolución de la cuantificación (bits por muestra), se dobla el número de niveles de cuantificación, con ello se reduce a la mitad la distancia entre niveles de cuantificación contiguos, y con ello el ruido de cuantificación disminuye en 6 dB. Ello también hace más sensible al receptor SDR, ya que permite diferenciar y muestrear señales de nivel mucho más bajo.

La frecuencia de muestreo:

La frecuencia de muestreo va a determinar el ancho de banda máximo que podrá filtrar, monitorizar y procesar simultáneamente la tarjeta de sonido o el dispositivo DSP.

En efecto, el ancho de banda monitorizado corresponde como máximo a la mitad de la frecuencia de muestreo empleada, tal como vimos en el teorema de Nyquist:

Para una frecuencia de muestreo de 48 kHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 24 kHz, esto es, ±12 kHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión.

Para una frecuencia de muestreo de 96 kHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 48 kHz, esto es, ±24 kHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión.

Para una frecuencia de muestreo de 192 kHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 96 kHz, esto es, ±48 kHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión (agunas bandas de radioaficionado de HF tienen asignados segmentos para la práctica de la telegrafía de sólo 100 kHz, por lo que con una tarjeta o dispositivo DSP de 192 kHz de frecuencia de muestreo, prácticamente se puede monitorizar y trabajar la casi totalidad del segmento sin cambiar la sintonía del oscilador de conversión, que incluso puede ser un oscilador de frecuencia fija a cristal de cuarzo).

Las tarjetas de sonido de altas prestaciones actuales (tarjetas para aplicaciones profesionales, denominadas como tarjetas "pro" ), incluyen más entradas de audio, pueden muestrear a velocidades más elevadas que las tarjetas más convencionales (pueden llegar a los 192 kHz de velocidad de muestreo), y con una mayor tasa de bits para las muestras (muestras de 24 bits, por ejemplo), y sus conversores A/D y D/A pueden responder a frecuencias desde 0 a incluso 96 kHz, y garantizan un rango dinámico en audio que casi alcanza los 100 dB o lo superan.

OTRAS OPCIONES PARA OPERAR SDR

Los programa SDR actuales además de demodular la señal de radio entregada por la etapa frontal como señales señales I y Q (en el caso de un receptor SDR), dependiendo de las prestaciones del software, puede permitir la decodificación de las señales moduladas por diversos modos digitales como pueden ser el RTTY, CW, FAX, PSK31 y otros.

Sin embargo, si el software SDR es un poco pobre, y se limita a realizar una demodulación básica de las señales recibidas (demodulación de AM, CW, SSB) o no contempla la decodificación de algún modo digital que el usuario pueda querer utilizar, existe la posibilidad de utilizar un programa específico para ese modo digital que se puede utilizar empleando una segunda tarjeta de sonido en el ordenador.

La idea consiste en este caso en emplear una de las dos tarjetas (la de mayores prestaciones) para demodular la señal de radio, esto es, será la tarjeta que funcione con el software SDR, mientras que la segunda tarjeta se empleará para decodificar la señal de audio que entregue la primera tarjeta, enmpleando para ello el software decodificador adecuado.

Para ello, la señal demodulada por la primera tarjeta se ha de llevar a la entrada de la segunda tarjeta, que sería con la que operaría el programa decodificador. Para esta segunda tarjeta, su entrada de audio simplemente estaría conectada a la salida de audio de un receptor de radio cualquiera, que en este caso sería el receptor SDR del cual forma parte la primera tarjeta.

Para ello basta llevar la salida de audio de la primera tarjeta a la entrada de audio de la segunda tarjeta. Lógicamente hay que configurar los programas empleados para que el software SDR funcione sobre la primera tarjeta, y para que el programa decodificador de modos digitales opere sobre la segunda tarjeta.

Mientras que la tarjeta que funciona con el software SDR ha de ser una tarjeta de sonido de calidad (por todo lo expuesto anteriormente), la segunda tarjeta no requiere tantos requisitos de calidad, no se le pide mucho desde el punto de vista técnico.

Si no se dispone de una segunda tarjeta equipada en el ordenador, una buena solución es emplear una tarjeta de sonido USB. Este tipo de tarjeta se conecta a un puerto USB del ordenador que esté libre, y es reconocida inmediatamente por el sistema operativo empleado (si no es antiguo), quedando en servicio inmediatamente. Normalmente las tarjetas de sonido USB funcionan sin problemas bajo el sistema operativo Windows XP y posteriores.

También existe la posibilidad de prescindir de la tarjeta de sonido adicional y emplear un denominado "cable virtual de audio" (VAC). El cable virtual de audio es un programa software que permite intercambiar flujos de audio digital entre distintos programas. Es como un cable virtual que conecta dos programas dentro del ordenador. Configurando adecuadamente este cable virtual, podemos hacer que el flujo de audio generado por la tarjeta de sonido demoduladora SDR sea enviado a través de este cable virtual al programa decodificador de modos digitales que, de otra manera, debería funcionar en una segunda tarjeta de sonido.

Actualmente los programas de cable de audio virtual no suelen ser programas gratuitos, y además pueden no funcionar bien en todos los casos, por lo que es recomendable antes de adquirir uno de estos programas descargar la version de pruebas del programa de cable de audio virtual elegido y comprobar que funciona correctamente en nuestra instalación, con los hardwares de audio equipados y con los programas que se van a emplear.

Actualmente incluso hay dispositivos DSP con elevadas frecuencias de muestreo, de varios megahertzios, lo que permite que el receptor DSP pueda cubrir un ancho de banda de varios megahertzios (o por ejemplo, toda la banda de HF, onda corta), lo que permite incluso emplearlos como analizadores de espectro.

Hay pequeños kits SDR que utilizan una frecuencia de conversión fija controlada por un cristal de cuarzo, y que conjuntamente con la tarjeta de sonido del ordenador, permite cubrir un pequeño segmento de alguna banda de HF, como es el caso de los kits del grupo SoftRock Radio. Son receptores SDR monobanda de bajo ancho de banda (ya que queda limitada por la resolución de la tarjeta de sonido empleada), sólo unas decenas de kilohercios, pero que para más de un radioaficionado le es suficiente si se dedica principalmente, por ejemplo, a la telegrafía o a otras modalidades cuya asignación en el espectro es de unos pocos kilohercios en las distintas bandas de radioaficionado.

Mientras, los equipos SDR más potentes disponen de un oscilador local DSS (de síntesis directa), cuya frecuencia de oscilación (y por tanto, la sintonía del equipo DSS) es controlada desde el ordenador a través del software SDR. La conexión para control del equipo SDR desde el ordenador es normalmente a través de conexión USB, y más raramente mediante conexión serie RS232, ya que ésta ya es obsoleta y prácticamente ya no se equipa en los modernos ordenadores de sobremesa actuales, y prácticamente ha desaparecido en los ordenadores portátiles actuales (si bien existen adaptadores USB que proporcionan un puerto serie RS232 a través del puero USB).

Como ejemplos de radios SDR de grandes prestaciones que ya estaban disponibles en 2007-2008, y que muestran la potencialidad de lo que se puede lograr con las radios SDR, se pueden citar el transceptor FLEX-5000A de FlexRadio System, y el receptor Perseus SDR, de la firma italiana Microtelecom.

El transceptor FLEX-5000 fue un novedoso transceptor de la firma FlexRadio System, que permite la operación en las bandas de HF y de 6 metros, con una potencia de transmisión de hasta 100 watios en el modelo FLEX-5000A, o 300 watios en el modelo FLEX-5000D. Incluye su propia unidad DSP, lo que evita tener que funcionar a través de la tarjeta de sonido del ordenador, y la conexión a éste es a través de un interface de alta velocidad Firewire (IE-1394). Dispone también de una CPU Intel Core A con sistema operativo Windows XP instalado, lo que significa que tiene integrado un ordenador, e incorporan conexión para ratón y teclado inalámbrico. Incluso en los modelos de la serie D, incorporan una pantalla táctil integrada. Dispone de varias tomas de antenas, tomas de micrófono, altavoz y manipulador telegráfico, y todo ello dentro de una única caja.

Pero este equipo, como la mayoría de los equipos SDR de aquellos años, se controla desde un ordenador externo en el cual funciona el programa SDR que lo maneja. A través de la conexión Firewire, el programa SDR del ordenador externo controla la frecuencia del oscilador de conversión del equipo, y por tanto, su sintonía, así como la selección de modos, filtros de banda, etc... Aunque todo el trabajo de procesamiento de las señales I y Q lo realiza la unidad DSP incorporada en el transceptor, haciendo innecesario el concurso de la tarjeta de sonido del ordenador externo, el transceptor envía muestras de las señales I y Q a través de la conexión Firewire al ordenador externo para que el programa SDR pueda realizar las funciones de visualización del espectro y de sintonía de señales. No emplea una conexión USB 2.0 en lugar de la conexión Firewire ya que la conexión USB no es suficientemente rápida para estos propósitos y presenta algunos problemas de funcionamiento.

En cambio, el receptor Perseus SDR es un receptor que se apoya en la tarjeta de sonido del ordenador, pero que tiene la característica de poder realizar muestreos de señales a una velocidad de muestreo muy elevada, de hasta 80 MHz, con 14 bits de resolución, y ello permite que cubra perfectamente y digitalice todo el ancho de banda de 0 a 40 MHz simultáneamente, con un rango dinámico en torno a los 100 dB (que sin ser de lo mejor, comparado con los buenos equipos de radioaficionado, es bastante bueno). Este equipo SDR envía al ordenador las señales digitalizadas I y Q a través de una conexión de alta velocidad USB 2.0 (capaz de realizar transferencias de hasta 480 Kbits/s), donde el software SDR específico para este equipo, el software Perseus, se seleccionan y envían las muestras a la tarjeta de sonido, y se procesan. Además, es un receptor de pequeño tamaño, más pequeño que una caja de puros.

Lo interesante de este receptor es la capacidad de poder digitalizar simultáneamente un ancho de banda tan elevado, de hasta 40 MHz (por lo que es un receptor para las bandas de VLF, LF, Onda Media y HF), y ello es gracias al uso de un potente chip digitalizador que incorpora que permite frecuencias de muestreo de hasta 80 MHz, lo que evidentemente está muy por encima de las mejores tarjetas de sonido. El software original de este receptor permite ver en pantalla un ancho de banda de 800 kHz, o bien todo el espectro entre 0 y 30 MHz (por lo cual puede utilizarse incluso como analizador de espectro).

Sin embargo, el chip digitalizador sólo puede digitalizar con una resolución de 14 bits, lo que le da un rango dinámico teórico de unos 78-80 dB, un poco mediocre para un buen receptor de comunicaciones. Sin embargo el fabricante afirma que su rango dinámico es de 96 dB, y es aumentado en base a un proceso que denomina "decimación", que básicamente consiste en tomar una muestra de cada 10 para su envío a través de la conexión USB al ordenador (conexión que admite como máximo unos 480 kbits/s), lo que implica que se envíe un chorro de bits al ordenador de unos 100 Kbits/s, permitiendo enviar señales I y Q digitalizadas de 24 bits a través de la conexion USB con destino a la tarjeta de sonido dek ordenador. Este procedimiento mejora mucho el rango dinámico del receptor.

El uso de mejores chips DSP con mayores velocidades de muestreo y mayores resoluciones puede llevar a la construcción de receptores SDR capaces de explorar simultáneamente muy elevados márgenes de frecuencia y con un buen margen dinámico, pero serían chips DSP muy caros y seguramente para aplicaciones militares, al menos cuando surgió este modelo de receptor SDR.

El receptor está montado en una placa única, en el que hay 9 filtros paso-banda que se seleccionan mediante pequeños relés (controlados a través de la conexión USB por el software SDR del ordenador), el circuito de muestreo y digitalización de elevada velocidad, y de comunicación a través del enlace USB 2.0. En el panel frontal dispone de algunos leds indicadores y pulsadores que controlan atenuadores de señal y si han de actuar o no los preselectores de banda. En el panel trasero están la conexión de antena, de alimentación (+5 Volts), y un conector USB estándard.

Equipos SDR más modernos. Submuestreos.

Los equipos SDR más modernos y avanzados son equipos SDR autónomos, ya que incorporan todo el procesamiento de señales, lo que evita la necesidad de un ordenador con tarjeta de sonido para realizar este procesado, e incluso incorporan una pequeña pantalla LCD donde poder mostrar la frecuencia de sintonía, modos de operación, filtros aplicados, etc..., En todo caso disponen de algún interfaz USB para conexión a un ordenador PC externo que es empleado para presentar el espectro de frecuencias recibido en pantalla, modificar la configuración del equipo SDR, o para actualización del firmware (software interno) SDR que hace funcionar el equipo. Más modernos los hay que incorporan una pantalla LCD mayor que haga innecesaria la conexión a un ordenador externo. Todo esto va va más allá de lo que permite el equipo FLEX-5000A mencionado anteriormente, el cual aunque incorpora el procesado digital de señales, sigue necesitando un ordenador externo para poder manejarlo y para presentación en pantalla de sintonías y espectro de las señales recibidas.

Y como ocurre en el caso del receptor Perseus, los receptores SDR técnicamente más avanzados incluyen velocísimos chips digitalizadores de señal que pueden muestrear anchos de bandas de varias decenas de MHz, lo que permite que puedan muestrear y digitalizar práctica y casi directamente las señales recibidas por la antena dentro de un elevado ancho de banda (40 MHz en el caso del receptor Perseus), lo que implica que se eliminen todos los ruidos propios de las conversiones de frecuencia y la existencia de frecuencias imágenes (típico de los receptores superheterodinos). El ancho de banda que puede muestrear y digitalizar dependerá de la frecuencia de muestreo, ya que, según indica el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo ha de ser como mínimo el doble de la máxima frecuencia que se desea recibir para que la señal digitalizada sea una muestra fiel de la señal analógica original.

Como se comentó al hablar del teorema de Nyquist, esto es así porque si Fm es la frecuencia máxima de recepción, la frecuencia de muestreo Fs a emplear ha de ser Fs=2×Fm. En esas condiciones, cada dos muestreos sucesivos de la frecuencia Fm, uno corresponderá a la semionda positiva y el otro a la semionda negativa que le sigue, por lo que los dos muestreos representan bien la información completa de un periodo de la frecuencia Fm, y ésta puede reconstruirse posteriormente si se aplica un conversor digital-analógico. Para frecuencias inferiores a Fm, el muestreo asegurará que en cada periodo de la señal muestrada habrá dos o más muestras de la frecuencia muestrada, por lo que habrán muestras de ambas semiondas de cada periodo, y por tanto también representan bien a la información de un periodo de la frecuencia muestrada.

Pero si la frecuencia de muestreo Fs fuera inferior a 2×Fm, cada dos muestreos sucesivos tomarían muestras de distintos periodos de la frecuencia Fm, y las muestras obtenidas no representarían correctamente a la señal muestrada, y entonces se dice que Fm está submuestrada. Sin embargo, el teorema de Shanon explica que el submuestreo de señales permite muestrar con eficacia señales de frecuencias más altas que la frecuencia Fs/2 establecida por el teorema de Nyquist, lo que permite extender el rango de muestreo en las señales de entrada. Esto, aprovechado en un moderno receptor SDR, permite muestrar y digitalizar frecuencias de bandas más elevadas que la máxima establecida por la frecuencia de muestreo Fs. Dicho de otro modo, si en un receptor SDR que emplee una frecuencia de muestreo de 80 MHz (como es el caso del receptor Perseus) la frecuencia maxima que puede muestrear según Nyquist es de 40 MHz, con técnicas de submuestreo se pueden muestrear señales de frecuencia mucho más elevadas y procesarlas digitalmente, como por ejemplo la banda de radiodifusión de FM comercial (88-108 MHz) o la banda de radioaficionados de 2 metros (140-160 MHz), siempre que el circuito de muestreo y digitalización pueda funcionar correctamente a velocidades tan elevadas.

En efecto. Supongamos un ejemplo: empleando una frecuencia de muestreo Fs de 8 kHz, si se muestrea una señal de entrada de 2 kHz, se obtiene al muestrar la señal de 2 kHz la siguiente secuencia de muestras: 0,1,0,-1,0,1,0,-1,0,... , donde 1 y -1 representa amplitudes positivas y negativas de la señal muestrada, y 0 representa a la señal muestrada con valor de amplitud 0 (por coincidir el muestreo con el paso por cero de la onda muestreada). Para cada ciclo de la señal de 2 kHz se obtendrán 4 muestras. Pero si se muestrea una señal de 10 kHz con la misma frecuencia de muestreo (8 kHz), curiosamente se obtiene la misma secuencia de muestras en el tiempo, aunque las distintas muestras corresponden en este caso a distintos periodos de la señal de 10 kHz. Esto significa que al muestrear una señal de 10 kHz la secuencia de muestras queda igual que la obtenida al muestrear una señal de 2 kHz. Ambas secuencias de muestras se pueden tratar digitalmente de la misma manera, por lo que un procesador DSP las procesaría exactamente igual, las demodularía correctamente, aunque la señal de 10 kHz ha sido submuestrada mientras que la de 2 kHz ha sido muestrada correctamente.

Según el teorema de Shanon aplicado a las señales de banda ancha, una señal de paso de ancho de banda B podrá reconstruirse cuando la frecuencia de muestreo sea superior a 2×B (ahora se está hablando de anchos de banda B y no de frecuencia máxima que puede ser muestreada). En concreto, si Fs es la frecuencia de muestreo empleada, se pueden recibir y demodular las frecuencias de valor n×Fs ± (Fs/4) , y esto es eficaz siempre que las señales a muestrear estén debidamente limitadas dentro de una banda de paso B (hay que aplicar eficaces filtros de paso de banda). Así, para nuestro ejemplo, para el caso de un muestreo a Fs = 8 kHz se podran muestrear y demodular señales de frecuencias Fs de 2 kHz, 10 kHz, 18 kHz, 26 kHz... , y también 6 kHz, 14 kHz, 22 kHz, 30 Khz, etc... (según el valor de n y del signo ± de la expresión anterior).

Las técnicas de submuestreo, pues, permite a los receptores SDR la recepción y demodulación de señales de frecuencias mucho más altas que las permitidas por el teorema de Nyquist, que las limita como máximo a la mitad de la frecuencia de muestreo Fs, siempre que se dispongan de los filtros de banda adecuados en la entrada del receptor. La alternativa clásica sería realizar conversiones de frecuencia, como las que se realizan en receptores de radio más convencionales, que trasladen la banda de radio que se desea recibir a la banda que puede recibir el receptor SDR).

El hecho de que estos receptores SDR tan avanzados puedan muestrear directamente de la toma de antena elevadoas anchos de banda gracias al uso de velocísimos chips muestradores y digitalizadores, permite la posibilidad de que un mismo equipo receptor SDR pueda mostrar al usuario en la pantalla de monitorización (propia o del ordenador de apoyo conectado al equipo) varias ventanas de recepción en distintas bandas, que el usuario puede definir y cerrar cuando lo crea oportuno, igual que se hace con las ventanas de cualquier aplicación informática. Estas ventanas de recepción son especies de receptores independientes (que en Flex Radio denominan "Slice receivers"), completos y que se crean dinámicamente, y que pueden enviar sus señales sobre el altavoz del equipo (tras la conversión Digital/Analógica correspondiente) o a otra salida de audio, o bien las transforman en cadenas de datos digitales que pueden ser enviadas (empleando por ejemplo un cable de audio virtual) a otras aplicaciones para que las procesen. Usado junto con un transmisor (que puede ser incluso un transmisor SDR incorporado en el propio equipo), permite al radioaficionado estar operando en una banda de frecuencias a la vez que pueden estar vigilando la actividad en otras bandas de frecuencias, algo muy útil para los radioaficionados "concurseros".

Otras opciones de los equipos SDR más avanzados es la posibilidad de incorporar conexiones en red Ethernet, de manera que puedan ser utilizados y gobernados a distancia a través de una red local (LAN) e incluso desde cualquier parte del mundo a través de Internet. Incluso si el receptor permite el uso de varias ventanas de recepción independientes, el receptor puede ser operado a distancia por varios usuarios al mismo tiempo, asignándose a cada uno de ellos una ventana de recepción (que cada usuario verá como una pantalla propia).

CONCLUSIONES Y RESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS SDR

Como se puede ver con estos ejemplos, las radios SDR se han convertido en una alternativa muy seria a los equipos de radiocomunicaciones clásicos, y más baratos, ya que gran parte de la circuitería física es sustituida por el software SDR que los hace funcionar, y con las ventajas añadidas de que las prestaciones de las radios SDR dependen principalmente del software SDR: Añadir nuevos modos de modulación/demodulación, modos digitales actuales y futuros, etc... se consigue a través del software SDR, mejorando y ampliando éste, mientras que en una radio de formato convencional puede ser necesario añadir circuiterías electrónicas extras. El tratamiento mediante DSP de las señales mejora los filtros de señales, muy por encima de los filtros analógicos (frecuencia intermedias, filtros de audio, etc..) de los radios convencionales.

A continuación se resumen las características de los equipos de radio SDR, que muestran sus ventajas sobre los equipos de radio convencionales (y tomando como base los modelos de FlexRadio System disponibles a principios de la década del 2010). Las siete primeras son las más importantes, las 8 restantes son adicionales y podrán estar implementadas o no en el software SDR empleado:

Como se puede ver, todo son ventajas con los equipos SDR frente a los equipos de radio convencionales, sin embargo los SDR presentan algunos pequeños inconvenientes. Uno de ellos es que el procesado de las señales recibidas y transmitidas requieren un cierto tiempo, denominado "latencia ", y esta latencia hace casi imposible al radioaficionado poder operar en telegrafía en "full-break", modo de operación que permite escuchar las señales recibidas entre las señales (puntos y rayas) que se transmiten.

EL PROYECTO HPSDR

HPSDR (High Performance Software Defined Radio, Radio Definido por Software de Altas Prestaciones) es un proyecto que surgió en 2005 con la aparición de la tecnología SDR para la creación de una nueva generación de equipos de radio de HF de altas prestaciones basados en la tecnología SDR, para su uso por los radioaficionados y los radioescuchas de la Onda Corta (SWL's).

Los equipos HPSDR son de característica modular, y su desarrollo incluye tanto la parte física o hardware, que es de tipo modular, como el software o programas que lo hacen funcionar, software que es de licencia "open source", esto es, software de código abierto, y por tanto, el código de los programas es de conocimiento público, y de libre uso incluso para su estudio y modificación por el usuario.

El desarrollo del proyecto HPSDR lo iniciaron en 2005 tres entusiastas radioaficionados norteamericanos de la nueva tecnología SDR, Phil Covington N8VB, Phil Harman VK6APH y Bill Tracey KD5TFD, cuando decidieron combinar sus propios proyectos de desarrollo de equipos de tecnología SDR, y formaron el HPSDR Group (Grupo HPSDR). Pronto se unieron otros destacados radioaficionados entusiastas de esta tecnología, como Ray Anderson WB6TPU, Steve Bible N7HPR, Rick Hambly W2GPS, Lyle Johnson KK7P y Ulrich Rohde N1UL, entre otros. El proyecto está abierto a todo aquel de todo el mundo que quiera colaborar, y comenzó a debatirse en foros de discusión de Internet en marzo de 2006. Muy pronto surgieron las primeras ideas prácticas, y el 20 de mayo de 2006 el proyecto fue presentado por Lyle Johnson KK7P ante una gran audiencia en la convención anual de radioaficionados norteamericanos de Dayton del 2006.

El desarrollo hardware de un equipo HPSDR es de tipo modular: El equipo estaría constituido por una serie de módulos, cada uno de los cuales es diseñado para realizar una función determinada, y la interconexión entre los distintos módulos del equipo es a través de un bus de datos común soportado en una placa base pasiva (placa Atlas), la cual dispone de los conectores necesarios para enchufar los distintos módulos. Físicamente esto es bastante similar a la estructura de un típico ordenador PC de escritorio, donde hay una placa base o "motherboard", con una serie de conectores a los cuales se enchufan distintas tarjetas de ampliación de funciones del sistema (tarjeta de vídeo, de sonido, módem telefónico, tarjeta de red, etc...).

Esta estructura modular permite que el usuario incorpore en su equipo HPSDR los módulos que le sean de interés, lo que le permite construir desde un receptor de HF hasta un transceptor completo de HF basados en la tecnología SDR, y a los desarrolladores, les permite desarrollar variantes de cada módulo buscando mejorar las características y prestaciones de éstos, y que pueden reemplazar a los ya existentes. Los módulos pueden son de distinta complejidad, desde sencillos módulos de filtro de paso-banda o de interfaces I/O (entrada/salida), hasta módulos mucho más complejos, como módulos de funciones DSP.

Los distintos módulos desarrollados para este proyecto son denominados cada uno con un nombre para su fácil identificación cuando se hable o escriba acerca de ellos. Algunos módulos han sido diseñados para ser utilizados conjuntamente con otros para realizar su función, mientras que otros tienen un funcionamiento más independiente. Cada módulo está realizado en una placa impresa rectangular de tamaño 100 mm por 120 a 220 mm, a excepción de la placa base donde son enchufados. Los conectores empleados para los módulos y la placa base son conectores de tipo DIN41612 de 64 ó 96 pines de conexión. Cada módulo está programado con el firmware (software interno) necesario para hacerlo funcionar, firmware que está almacenado en algún chip lógico del módulo (algún microcontrolador).

A fecha de octubre de 2008 ya estaban desarrollados un número importante de módulos, mientras que otros estaban en proyecto o en versiones de prototipos, y también se necesitaba desarrollar nuevos módulos para desarrollar completamente un equipo HPSDR. El desarrollo es llevado a cabo por el grupo HPSDR, en cuyo sitio web tienen una página dedicada a cada módulo desarrollado o en desarrollo. A fecha de 2020, este proyecto sigue activo.

El esquema de bloques de un equipo HPSDR básico consta de 4 módulos, además de la placa base de soporte e interconexión de los módulos (nota: el esquema presentado corresponde a las primeras versiones de un equipo HPSDR). En el proyecto HPSDR hay desarrollados más módulos, así como otros que, externos al propio equipo HPSDR, complementan a éste. Los módulos que estaban en desarrollo en octubre de 2008 son los siguientes:

Por entonces (octubre de 2008), faltaban por desarrollar módulos como filtros pasabanda, un convertidor I/Q de banda estrecha para complementar al convertidor A/D Mercury, y un módulo de transmisión de baja potencia, entre otros.

A fecha de diciembre de 2012, además de los módulos anteriores, también se habían desarrollado los siguientes módulos:

y por supuesto, habían nuevos módulos en desarrollo. Colaborando con el HPSDR Group, el Tucson Amateur Packet Radio (TAPR) puede proporcionar todos los módulos mencionados a quien los solicite.

Como ejemplo de todo esto se muestra a continuación el transceptor HPSDR que realizó el radioaficionado australiano Phil Harman (VK6APH) en 2007, con el que realizó sus primeros contactos el 7 de octubre de ese año, coincidiendo con su 40 aniversario de obtener su licencia de radioaficionado. Los módulos que lo constituyen son, de izquierda a derecha, un prototipo Mercury constituido por una placa Ozy y una placa de evaluación del chip LT2208 (chip convertidor A/D de 16 bits), una placa Penelope (con su conector de RF), y una placa Ozy, montadas sobre una placa de bus Atlas.

Una configuración mucho más actual (año 2020) de un equipo HPSDR se muestra en este esquema de bloques, mucho más moderno que el mencionado anteriormente de 4 módulos básicos (más primitivo).

LOS DONGLES RTL-SDR

Como hemos visto anteriormente, la tecnología SDR se inicia a principios de la década de 2000 gracias a los trabajos de algunos radioaficionados como Gerald Youngblood (AC5OG), trabajando con las capacidades DSP de las tarjetas de sonido de los modernos ordenadores personales y usando una sencilla etapa frontal de RF externa al ordenador. La etapa frontal básicamente lo que hace es bajar la frecuencia recibida en antena a una frecuencia muy baja (mediante un mezclador de frecuencias adecuado, de tipo “conversión directa”), del orden de las bajas frecuencias, que es aplicada a la entrada de micrófono o de línea de la tarjeta de sonido del ordenador. Las señales recibidas (que para la tarjeta de sonido son señales de audio) son procesadas por el software SDR instalado en el ordenador utilizando el circuito DSP (Procesador Digital de Señal), que incorpora cualquier tarjeta de sonido. Todo esto ya lo hemos visto anteriormente.

Posteriormente surgieron diseños de dispositivos frontales más complejos, que se pueden conectar a un puerto USB del ordenador en lugar de a la tarjeta de sonido, a la vez que la tecnología SDR se va extendiendo a aplicaciones de radio fuera del ámbito de la radioafición. Y así, por ejemplo, en la misma década del 2000 se desarrollaron y se comercializaron unos pequeños dispositivos sintonizadores para la televisión digital terrestre (TDT) según la norma europea DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial), dispositivos que podían conectarse a un puerto USB del ordenador (y a una antena de recepción), similares en apariencia a un “pendrive” o memoria USB, y que con el software suministrado por el fabricante, permiten ver la TDT (norma DVB-T) en el ordenador.

Estos dispositivos, a los que se han denominado dongles USB (ver algunos aquí), fueron una solución para recibir la televisión digital terrestre (TDT norma DVB-T) en los ordenadores personales cuando la TDT comenzó a ser implementada a partir de la década del 2000 para sustituir los antiguos sistemas de TV analógica terrestre (PAL, SECAM, NTSC). Estos dongles son, pues, dispositivos especializados para la recepción de la TDT, actuando como sintonizadores y decodificadores de las señales de TDT recibidas, entregándolas al ordenador a través de la conexión USB, y utilizando en el ordenador el software suministrado por el fabricante del dongle para manejar las señales entregadas por el dongle, procesarlas y reproducirlas en pantalla (vídeo) y en los altavoces (sonido) del ordenador. Pero de momento, aún no vemos donde interviene la tecnología SDR aquí, lo vemos a continuación.

Algunos de estos dongles equipan el chipset RTL2832U de la firma Realtek Corporation, el cual además de ser un decodificador especializado de las señales de TDT DBV-T y su digitalización para transferirlas al ordenador a través de interface USB, incluye la capacidad de recepción de la radio comercial analógica de FM y de radio digital DAB/DAB+, esta vez sí, mediante la técnica SDR, lo que lo consigue muestreando las señales de radio recibidas y generando muestras I y Q digitales, que son enviadas al ordenador a través del interface USB para su demodulación mediante software SDR adecuado y su reproducción sonora en los altavoces conectados al ordenador host.

En marzo de 2010 el desarrollador de hardware para Linux Eric Fry (que no es radioaficionado) comenzó a trabajar en el desarrollo de algún software para el sistema operativo Linux que permitiera la recepción de la FM/DAB/DAB+ con el dongle DVB-T que había adquirido, ya que el fabricante del dongle sólo suministraba los softwares correspondientes para el sistema operativo Windows, no proporcionando ningún soporte para Linux. Al año siguiente consiguió desarrollar el primer software SDR para Linux para recibir la FM con dicho dongle. Pronto otros desarrolladores como Antti Palosaari, Steve M., etc... comenzaron a explorar el uso de estos dongles de TDT para su uso como receptores de radio utilizando softwares SDR adecuados.

Así se consiguió que estos dongles USB se puedan utilizar como receptores de radio de banda muy amplia, capaces de cubrir cientos de megaciclos (y no sólo la banda de UHF empleada por la televisión digital y las bandas de VHF de radiodifusión de FM y DAB). Así, con el software SDR adecuado, se consigue habilitar el dongle de TDT como un barato receptor de radio multibanda. Pero esto sólo funciona con los dongles basados en el chipset RTL2832U y sus sucesores, otros chips decodificadores de TDT no disponen de estas características SDR.

Nace así el concepto de RTL-SDR, esto es, es una radio definida por software en el que utilizamos un dongle sintonizador de TV digital basado en el chipset RTL2832U (de ahí lo de RTL) y un programa SDR adecuado en el ordenador. Por poco precio se obtiene así una radio multibanda, ya que los dongles USB para TDT son bastante baratos (los hay por precios inferiores a los 30 euros), y aunque no pueden ser comparados a un buen receptor de radio multibanda comercial (no fueron diseñados para ello), son un medio muy barato para disponer de un sencillo equipo de radio multibanda. Ello ha hecho muy populares el uso de estos dongles USB entre radioaficionados y aficionados a la radio, y ello motivó que algunas empresas diseñaran y construyeran dongles USB basados en dicho chipset ya pensados para su uso como receptores de gran cobertura de frecuencias de radio para los aficionados (y no sólo restringidos a la recepción de la TDT y la FM), y con prestaciones superiores a los desarrollados originalmente para la recepción de la TDT.

El sitio web de referencia donde se puede encontrar todo acerca de los RTL-SDR es RTL-SDR.COM, donde podrá encontrar una introducción al RTL-SDR, listas de dongles USB DVB-T que son válidos para RTL-SDR, cómo adquirirlos, lista de programas SRD que pueden utilizarse con estos dongles, documentaciones y guías de uso, etc.. (Nota: todo en inglés). También otro sitio web de referencia es la Wiki RTLSDR, un sitio donde se recoge todo tipo de información dispersa acerca de RTL-SDR.

El chip RTL2832U

El chipset RTL2832U fue desarrollado por Realtek Corporation como demodulador de las señales de DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial, estándard europeo de la Televisión Digital Terrestre) y transferirlas al ordenador host a través de conexión USB (el cual es un interface de 4 líneas: +V, Data-, Data+, y masa). Para realizar la demodulación, el chipset incluye un decodificador CODFM (Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, que es la modulación multiportadoras empleada por DVD-T).

RTL2832U es un chip demodulador de altas prestaciones para DVB-T COFDM que dispone de un interface USB 2.0. Cumple con las especificaciones NorDig Unified 1.0.3, D-Book 5.0, y EN300 744 (especificación del ETSI europeo). Por tanto, puede manejar señales de vídeo, audio y datos comprimidos “transport streams” (TS) según las normas MPEG2 y MPEG4 (H.264) empleadas en el sistema de televisión digital terrestre europeo DVB-T. Los esquemas de modulación incluyen 4QAM (o QPSK), 16QAM, y 64QAM. Soporta los modos DVD-T 2K y 8K, con anchos de banda de 6, 7 y 8 MHz (anchos válidos para los canales de TV en UHF). En el modo 2K las transmisiones DVB-T emplean 1705 portadoras, con un espaciado entre portadoras contiguas de 4464 Hz. En el modo 8K se emplean 6817 portadoras con espaciado de 2232 Hz. Con ambos modos la tasa de muestreo (code rate) es de 18,284544 MHz y la frecuencia final de salida es la cuarta parte de esta tasa, esto es, 4,571136 Mhz (low-IF). Los parámetros de modulación, como el “code rate” y el intervalo de guarda, los detecta el chip automáticamente. Todo esto es para la recepción de la DVB-T.

Sin embargo, el chip RTL2832U no dispone de ninguna etapa de sintonía de RF, por lo que debe ser complementado con un chip sintonizador adecuado para poder utilizarlo como receptor. RTL2832U soporta sintonizadores con una FI (Frecuencia Intermedia) de salida de 36,125 MHz, de 4,57 MHz (low-IF), y de salida FI-cero (sintonización mediante conversión directa) usando un cristal de 28,8 MHz. Incluye un convertidor A/D avanzado de 8 bits para digitalizar las señales recibidas en antena (entregadas por el chip sintonizador) y enviarlas a continuación a su interface USB 2.0 con destino al ordenador host.

Pero lo que nos interesa del chipset RTL2832U no es esto, sino el modo adicional desarrollado por el fabricante para la recepción de la radio comercial en la banda de FM y de radio digital DAB/DAB+. En este modo, lo que hace el chipset es muestrear las señales de radio (entregadas por el sintonizador) generando muestras I,Q, que son enviadas “en bruto” al ordenador host para su demodulación y reproducción sonora, utilizándose para ello en el ordenador el software desarrollado oficialmente por el fabricante del dongle.

Este modo adicional no estaba bien documentado por el fabricante del chip (Realtek) y fue el que investigó Eric Fry (que no es radioaficionado, sino un desarrollador de Linux), mientras escribía un driver Linux para dongles que usaran este chip. Todo esto sirvió para que otros experimentadores pudieran desarrollar otros drivers alternativos al proporcionado por el fabricante del dongle, para poder usarlo con programas SDR ya existentes, como el software HDSDR. Con ello se consigue utilizar los dongles USB para TDT equipados con este chip como baratos receptores de radio SDR. Además, estos dongles tienen un rango de sintonía muy amplio (típicamente de 64 MHz a 1,7 GHz de forma continua), por lo que son muy flexibles.

Muchos dispositivos se han desarrollado con este chip, pero no todos son adecuados para su uso como receptor SDR, por lo que se deberá consultar si un dispositivo elegido sirve para tal propósito (Hay listas en Internet donde se informa de los dispositivos con este chip que se sabe son aptos para SDR).

El modo SDR del chip RTL2832 teóricamente es capaz de capturar y muestrear (en su convertidor A/D) a una velocidad máxima de 3,2 MS/s (millones de muestras por segundo), lo que supone un flujo de datos de 25,600 Mbps (ya que cada muestra es de 8 bits), aunque la mayor velocidad de muestreo que proporciona sin pérdidas de muestras es de 2,8 MS/s. Comparativamente, una tarjeta de sonido de altas prestaciones para el PC puede muestrear a 192 kHz y 32 bits, esto es, unos 6,144 Mbps, por lo que el chip RTL2832 tiene una capacidad de muestreo unas 4 veces superior a la de una muy buena tarjeta de sonido, lo que permite muestrear al mismo tiempo un rango de frecuencias de radio mucho mayor que con las tarjetas de sonido. Sin embargo, debido a que el proceso de muestreo digital que realiza el chip RTL2832U es a sólo 8 bits, el rango dinámico que proporciona este modo SDR del chip es un poco pobre (60-70 dB), bastante inferior al que proporciona una muy buena tarjeta de sonido.

El chip Realtek RTL2832U en un chip de tecnología SMD (de montaje superficial) de 48 patillas que se fabrica en encapsulado cuadrado (QFN) de 6 mm de lado con 12 patillas por lado. Funciona con una alimentación de 3,3 V (que se obtiene a partir de los 5 V suministrado por el ordenador a través de la conexión USB utilizando un sencillo chip regulador de tensión de baja caída de tensión, LDO), y requiere un cristal externo de 28,8 MHz, que determina su frecuencia de reloj. Además, dispone de 8 puertos input/output de propósito general y un puerto para control remoto por mando de infrarrojos. También dispone de un interface serie (SCL/SDA) para una memoria EEPROM externa de baja capacidad que almacene algunos datos de programación del chip (canal de TV sintonizado, etc...). Ver algunas características del chip en este documento (enlace local, documento en inglés).

Sintonizadores de los dongles DVB-T USB

En un dongle TVB-T USB equipado con el chip Realtek RTL2832U, se equipa otro chip, un sintonizador controlado digitalmente. Típicamente equipa el chip sintonizador Elonics E4000, el cual es un sintonizador controlado digitalmente (con un filtro de paso-banda de RF programable) que selecciona una banda de frecuencias alrededor de una frecuencia central dada, generando una frecuencia intermedia (que es amplificada con 6 etapas de FI, cada una con ganancia digitalmente programable) y la demodula a banda base. En estos dongles, el chip RTL2832U se utiliza como convertidor A/D de 8 bits que muestrea la señal en banda base que le entrega el chip sintonizador E4000 y envía las muestras en bruto (“raw”) al ordenador host a través de un puerto USB 2.0. El chip sintonizador Elonics E4000 puede sintonizar frecuencias entre 52-2200 MHz.

Otros dongles TVB-T USB equipan el sintonizador Rafael Micro R820T, el cual puede sintonizar frecuencias en el rango 24-1766 MHz. Su arquitectura interna es diferente de la del chip sintonizador E4000. El sintonizador E4000 utiliza la demodulación I/Q en banda base y el muestreo. El sintonizador Rafael Micro R820T emplea una frecuencia intermedia para la demodulación, y tiene la ventaja sobre el Elonics E4000 en que sólo utiliza dos de las cuatro patillas de entrada I/Q del RTL2832U (las dos patillas no usadas, patillas Q+ y Q-, si no son puestas a masa, pueden ser empleadas para entradas de muestreo directo).

A efectos prácticos, no hay diferencias apreciables entre usar un dongle equipado con uno u otro chip sintonizador (salvo el rango de frecuencias que permite el chip sintonizador).

Otros chips sintonizadores equipados en dongles TVB-T USB son el Fitipower FC0012, Fitipower FC0013 o el FCI FC2580. En cualquier caso, es el chip sintonizador el que determina el rango de frecuencias disponible para recepción. El chip Elonics E4000 es el favorito por su gran rango de frecuencias (publicitadas: 64 - 1700 MHz ; máximas: ~30 a ~2100 MHz).

Normalmente estos dongles USB dotados del chip Realtek RTL2832U no pueden explorar las bandas de HF (onda corta) e inferiores, esto es, por debajo de 30 MHz, pero esto se puede solucionar utilizando un circuito conversor de frecuencias conectado antes de la toma de antena del dongle, un “up-converter”, que traslade toda la banda de HF a algún segmento más alto de las bandas de radio poco utilizado y que sí esté dentro del rango de sintonía del dongle.

El “up-converter” es un circuito relativamente sencillo de realizar, y por ejemplo, utilizando un oscilador a cristal de 110 MHz y un mezclador (más el filtro paso-bajo de entrada), permitiría “trasladar” toda la banda de 0-30 MHz a 110-140 MHz. O con un oscilador a cristal de 50 MHz, trasladarla al rango de 50 a 80 MHz.

RECEPTORES DE RADIO SDR EN INTERNET

El desarrollo de receptores de radio basados en la tecnología SDR, y que por tanto pueden ser manejados directamente mediante software, propició la aparición de receptores de esta tecnología que pudieran ser accesibles a través de red local (LAN) o de Internet, permitiendo que usuarios remotos puedan acceder desde sus ordenadores y dispositivos móviles a estos receptores “on line” (“en línea”) y poder manejarlos desde el navegador web. El primer receptor de este tipo fue conectado a Internet por la Universidad de Twente (en Enschede, Países Bajos) en 2008.

Anteriormente ya habían algunos receptores de radio accesibles por Internet, pero eran receptores de concepción clásica, que ofrecen menos capacidad de control a distancia, y además no permiten que dos o más usuarios puedan sintonizar distintas bandas independientemente al mismo tiempo, cosa que sí se puede hacer con buenos receptores SDR. La tecnología SDR posibilita que varios usuarios puedan conectarse y usar el receptor SDR simultáneamente y cada uno de ellos puedan sintonizar distintas bandas de frecuencias.

Desde la puesta en servicio del receptor de la universidad de Twente, numerosos radioaficionados, radioclubs, instituciones y otros aficionados a la radio, de todo el mundo, han conectado receptores SDR a Internet, haciéndolos accesibles a usuarios remotos de cualquier parte del planeta. En Internet varias páginas web publican listas o directorios públicos de receptores SDR de todo el mundo accesibles a través de Internet (cada receptor listado tiene especificado su enlace de acceso). Las más conocidas y oficiales son las siguientes:

Para la puesta de un receptor SDR en Internet, básicamente se necesita un receptor SDR o una etapa frontal conectada a la antena, capaces de muestrear al mismo tiempo un rango de frecuencias suficientemente amplio (lo que permitirá que varios usuarios puedan conectarse simultáneamente y sintonizar distintas bandas de frecuencias), un ordenador o unidad microprocesadora en la que funcione el software SDR apropiado al tipo de receptor o etapa frontal utilizado, un acceso a Internet o a red Local (típicamente una conexión Ethernet) de gran capacidad (ha de permitir un tráfico de al menos 100 kbits/segundo por cada usuario conectado), y algún tipo de software servidor web que permita establecer varias sesiones simultáneas (pero independientes entre sí) de usuarios remotos con el sistema SDR.

Actualmente (2022) hay dos importantes plataformas para dar soporte a receptores SDR en red, según el equipamiento utilizado: WebSDR y OpenWebRX. Las veremos a continuación.

WebSDR

WebSDR es un software servidor desarrollado por el radioaficionado holandés Pieter-Tjerk de Boer PA3FWM, que lo concibió inicialmente para hacer accesible a través de Internet el radiotelescopio de 25 m de diámetro (de plato parabólico) de Dwingeloo a los radioaficionados de todo el mundo que practican la modalidad del “Rebote lunar” o “EME” (Earth-Moon-Earth). Para realizar unas pruebas preliminares de este software, se instaló en navidades de 2007 este software junto con un receptor SDR para bandas de HF en el radioclub de la universidad de Twente (en la ciudad de Enschede, Países Bajos, cerca de la frontera con Alemania), y tras un cierto tiempo de desarrollo, se dio a conocer a la comunidad de radioaficionados la existencia de este receptor en abril de 2008. A partir de aquí, el interés por este proyecto fue aumentando entre los radioaficionados, y en menos de un año comenzaron a aparecer en Internet otros receptores SDR conectados a servidores WebSDR.

Un servidor WebSDR es un software servidor de Internet que ha de ser instalado en un ordenador personal que funcione con el sistema operativo Linux (no hay versión WebSDR para Windows ni MacOS) y que tenga conexión descendente rápida con Internet que garantice una capacidad de conexión del orden de un centenar de kilobits/segundo por cada usuario que acceda al servidor (esta capacidad permite transmitir al usuario conectado el audio y los datos para la vision en cascada a velocidad lenta), a lo que hay que añadir algún tipo de etapa receptora de radio conectada a una antena exterior que proporcione las señales de radio al ordenador personal. Típicamente esta etapa receptora de radio es un mezclador en cuadratura conectado a la tarjeta de sonido del ordenador, al estilo de los clásicos receptores SDR, pero pueden usarse otros tipos de receptores (por ejemplo, el propio receptor usado en la universidad de Twente es una placa experimental, y por tanto no comercial, capaz de explorar simultáneamente un ancho de banda de 29 MHz).

Una característica del software WebSDR es que cualquier instalación de un servidor WebSDR en cualquier parte del mundo se registra automáticamente en la lista de servidores WebSDR activos del sitio web mencionado anteriormente www.websdr.org, sitio que es mantenido por el creador de esta plataforma (PA3FWM). El software WebSDR no es de libre disposición, se ha de solicitar a PA3FWM, informándole cuál es el proyecto SDR que se desea realizar. Y como puede observarse en esa lista, la mayoría de los servidores WebSDR usan el puerto 8901 en su URL de acceso (en lugar el puerto 80 usado por defecto por los servidores web).

Actualmente se puede escuchar el audio de cualquier radio SDR de esta plataforma a través de cualquier navegador que soporte la especificación HTML5 WebAudio. Todas las versiones actuales de navegadores web soportan esta especificación. Para navegadores más antiguos que no soporten esta especificación (como el antiguo Internet Explorer de Windows), deben utilizar applets (complementos) de lenguaje Java para poder reproducir el sonido. Actualmente hay servidores WebSDR en los que se ha desactivado el soporte Java y funcionan sólo con HTML5 WebAudio, mientras que otros mantienen activo el soporte Java, y cuando un usuario remoto se conecta a uno de ellos, el servidor WebSDR comprueba si el navegador del usuario remoto soporta HTML5 WebAudio, y si no fuera el caso, selecciona el soporte Java para esa sesión.

OpenWebRX (Kiwi SDR)

En el caso de la plataforma OpenWebRX, de aparición posterior a la plataforma WebSDR, se trata de otro proyecto personal de otro radioaficionado, el radioaficionado húngaro Andras Retzler HA7ILM, cuyo propósito, similarmente al proyecto WebSDR, es el de proporcionar una demostración tecnológica a los radioaficionados sobre las capacidades de la tecnología Software Defined Radio (SDR), y es una plataforma 'open source' (de código abierto) que permite el acceso y uso de todo tipo de receptores SDR a través de Internet, manejándolos remotamente a través de los navegadores web. Andras ha mantenido durante varios años el sitio web www.sdr.hu, en el cual había un directorio o listado público con un buen número de receptores SDR accesibles por Internet (con sus links de acceso) que emplean la plataforma OpenWebRX. Sin embargo, en mayo de 2020 Andras dio por finalizado este proyecto (que era un proyecto personal) al considerar que había cumplido sus objetivos, y para dedicarse a otros proyectos, no dando ya soporte al directorio anterior.

No obstante el desarrollo de la plataforma OpenWebRX sigue activo, gracias al radioaficionado alemán Jakob Ketterl DD5JFK, que continúa desarrollando una versión de OpenWebRX. El sitio web de referencia del proyecto es actualmente sdr2.justjakob.de, del sitio web de Jakob Ketterl.

Otra versión personalizada de OpenWebRX fue desarrollada para el proyecto KiwiSDR, proyecto basado en el receptor SDR comercial KiwiSDR, y por tanto, restringido a este tipo de receptor (no contempla otros tipos de receptores, como los dongles RTL-SDR).

El receptor Kiwi SDR es un receptor SDR comercial considerado uno de los mejores receptores SDR del mercado, es totalmente autónomo y está especialmente preparado para funcionar tanto en operación local como remotamente a través de red local (LAN) o Internet. Esto último es lo que permite que puedan ser accesibles por cualquier usuario remoto a través de Internet (o dentro de una red LAN), similarmente a los del sistema WebSDR.

Los receptores Kiwi SDR pueden recibir en todo el rango de frecuencias de 10 kHz a 32 MHz de una sola vez y pone las señales a disposición de los oyentes a través de una interfaz web que integra, la mencionada OpenWebRX, un servidor Web integrado que permite que puedan ser accedidos y operados remotamente a través del navegador web, independientemente de la plataforma informática y sin que el usuario remoto tenga que instalar programas o controladores para ello, sólo utilizando el navegador web.

Ambas placas están preparadas para ser conectadas y ensambladas fácilmente para formar una sola unidad. La placa computadora dispone de una conexión Ethernet a través de la cual puede conectar el conjunto a un router o a la tarjeta de red de un PC mediante un cable Ethernet. A través de esta conexión, se puede dar acceso al receptor Kiwi SDR a otros usuarios en red, así como a otras funciones como la descarga (y posterior instalación) de las actualizaciones del software Kiwi. También dispone de una conexión USB para conectar a un ordenador externo (PC o similar).

La inclusión de una conexión Ethernet en la placa computadora permite que el conjunto Kiwi SDR pueda instalarse lejos del router o PC, por ejemplo, cerca de la antena receptora, disminuyendo así las atenuaciones que introduce el cable coaxial de antena. También puede ser conectado a un repetidor de red de tipo inalámbrico o a través de la instalación eléctrica, pudiendo ser recibido en operación local por un PC portátil en cualquier sitio del domicilio del usuario propietario del receptor o en el jardín.

Normalmente un conjunto Kiwi SDR permite que hasta 4 oyentes puedan acceder de forma simultánea e independiente a través de Internet y para poder escuchar la radio (o en local abriendo hasta cuatro sesiones independientes o ventanas del navegador). Para su escucha en local se requiere un servicio “mDNS” instalado en el PC, y usarse la dirección 'kiwisdr.local:8073' para poder ser accedido desde el navegador (el servicio mDNS convierte dicha dirección en la IP correcta).

Dado que el receptor Kiwi SDR tiene la capacidad de explorar todo el espectro de 10 kHz a 32 MHz al mismo tiempo, las cuatro sesiones que pueden establecerse simultáneamente sobre el receptor pueden realizarse en cualquier parte de ese espectro. Este tan amplio rango de exploración se consigue al muestrear el receptor las señales de antena con una frecuencia de muestreo de 65 MHz (lo que es conforme al teorema de Nyquist), y las muestras son digitalizadas con un convertidor ADC (Analógico a digital) real de 14 bits. Estas muestras son tratadas por el software SDR instalado en la placa computadora.

Kiwi SDR tiene un buen concepto de recepción, que a veces entra en juego con la ganancia del proceso que a menudo se describe como “diezmado”: Si se amplía la vista de una señal, puede verse el ruido de fondo bajando. Además, no muestra señales fantasmas si recibe demasiada señal de la antena, en todo caso se mostrará una indicación de “Sobrecarga”. Como inconveniente, el receptor Kiwi emite señales interferentes en el rango de 144 MHz (banda de radioaficionados de 2 metros) en ciertos modos, por lo que se recomienda alojarlo en una carcasa metálica y no en la carcasa plástica “oficial” que se suele suministrar con las placas.

La versión más actual de Kiwi SDR en el año 2020 contempla la demodulación/decodificación de los modos AM, LSB, USB, CW, NBFM y DRM, filtros de ancho de banda ajustable entre 50 Hz y 10 kHz, un filtro de entrada de paso bajo de 0 a 32 MHz, manejo de señales GPS, dos conectores de antena tipo SMA (uno para la recepción de radio y el otro para conectar a una antena activa para GPS telealimentada a 3,3 V, tal como se ven en la anterior imagen), y se alimenta a 5 V, con un consumo de al menos 400 mA.

En cuanto a directorios o listas de receptores en Internet que usan la plataforma OpenWebRX, como se ha dicho anteriormente, Andras Retzler mantuvo durante años un directorio en www.sdr.hu, pero al dejar el proyecto OpenWebRX, este directorio fue también cerrado. Actualmente hay un directorio público de receptores KiwiSDR (que usan la plataforma OpenWebRX) accesibles por Internet en las siguientes direcciones:

kiwisdr.com/public (Versión directorio o listado)
rx.linkfanel.net/ (Versión mapa mundial, con selección de los receptores a través del mapa)

A diferencia del directorio que mantuvo Andras Retzler, este directorio sólo contempla los receptores KiwiSDR conectados a Internet, y no otros tipos de receptores SDR que usen la plataforma OpenWebRX.

Fuentes principales:

Revista CQ RadioAmateur, Edición española, nº 243 (marzo 2004) y 287 (Marzo 2008)

Documento "Software defined Radio modèle SDR-1000, de Luc Favre (F6HJO-HB9ABB)

Documento "A software-Defined Radio for the masses, part 1", de Gerald Youngblood (AC5OG)

Sitio web del grupo HPSDR

Presentación de "SDR frente a equipos analógicos" de Luis del Molino EA3OG, en el Congreso de URE de Albacete de 2010.

Fernando Fernández de Villegas (EB3EMD)

Última actualización: 04 enero 2021

ÍNDICE

SDR : LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE