Aprenda los fundamentos de la radio definida por software

Desde el sector militar y aeroespacial hasta los aficionados, la promesa de la radio definida por software (SDR) es que con una sola pieza de hardware, los usuarios pueden capturar, demodular y acceder a las señales de RF a través de una amplia gama de frecuencias de radio. El ancho de una franja depende del front-end de RF del hardware, mientras que el número y los tipos de señales a las que se puede acceder dependen del software y de las capacidades de procesamiento subyacentes. Ambas son una función de los requisitos de aplicación y los presupuestos de costos y energía asociados. Para el sector militar y aeroespacial, el costo puede llegar a las decenas de miles. Para los oyentes de onda corta, los entusiastas de la radio amateur y los aficionados al bricolaje, lo que se necesita es un medio sencillo y de bajo costo para acceder a las ondas de radio utilizando computadoras de escritorio o portátiles fácilmente disponibles.

Después de una breve introducción al SDR, este artículo presenta un módulo SDR de bajo costo basado en USB de Adafruit Industries que puede recibir y demodular una amplia gama de señales, desde el simple código Morse de onda continua (CW) hasta las formas de modulación digital más complejas. Mostrará cómo los usuarios pueden utilizar el módulo y el software asociado para añadir la recepción de radio, el espectro de radiofrecuencia y el análisis de espectrograma a las computadoras.

¿Qué es la DEG?

SDR utiliza técnicas digitales para reemplazar el hardware de radio tradicional como mezcladores, moduladores, demoduladores y circuitos analógicos relacionados. Al digitalizar las señales de radio directamente mediante un convertidor analógico-digital (ADC) adecuado, un SDR puede implementar todas estas funciones en el software, de modo que se utilice el mismo hardware para múltiples modos de radio, ya sea AM, FM, CW, banda lateral única (SSB) o banda lateral doble (DSB). El resultado es una radio extremadamente flexible que puede ser rápidamente reconfigurada para manejar diferentes tecnologías de señalización (Figura 1).

Figura 1: Comparación de un receptor analógico tradicional (arriba) con un receptor basado en SDR (abajo). Todas las funciones del receptor SDR después del ADC se implementan mediante circuitos digitales programables, lo que permite cambios y actualizaciones programables. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Las radios tradicionales como el receptor superheterodino (Figura 1, arriba) se basan en hardware y se implementan con componentes analógicos. El receptor SDR utiliza un sintonizador de RF para convertir la banda de frecuencia de interés en una frecuencia intermedia (IF) dentro del rango del ADC. A partir de ese momento, todos los circuitos son digitales. El convertidor digital de bajada traduce la frecuencia de la señal a banda base, realizando una función de filtrado de bajada. El procesador de señales digitales (DSP) realiza la demodulación, la decodificación y las tareas relacionadas. Estos circuitos se basan generalmente en circuitos integrados específicos para cada aplicación (ASIC), conjuntos de puertas programables en campo (FPGA) y dispositivos DSP programables. Con el software apropiado, estos circuitos digitales proporcionan una radio muy flexible capaz de recibir una amplia gama de tipos de modulación.

Hardware SDR de bajo costo

El Adafruit Industries 1497 es un receptor SDR de bajo costo que cubre una gama de frecuencias de 24 megahercios (MHz) a 1.85 gigahercios (GHz) y se basa en un demodulador de radiodifusión de video digital terrestre (DVB-T) codificado con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (COFDM) con un CI de sintonizador independiente.

El consorcio DVB es una organización de normas con sede en Europa para la transmisión de la televisión digital terrestre. Este sistema utiliza un flujo de transporte MPEG para transmitir audio digital comprimido, video digital y otros datos, utilizando la modulación COFDM o OFDM. Estos dispositivos pueden ser reprogramados para otras aplicaciones y son ideales para aficionados y bricoladores que quieran escuchar e investigar las señales de radio de VHF, UHF y de baja frecuencia de microondas.

Por toda la potencia de procesamiento de la señal en la DEG de Adafruit, tiene un tamaño físico extremadamente pequeño de solo 22.24 milímetros (mm) x 23.1 mm x 9.9 mm (Figura 2). Se conecta con la computadora central a través de un puerto USB, y el software SDR estándar proporciona la interfaz de usuario en la computadora/portátil. El fabricante recomienda el SDR Sharp de Airspy (SDR#) en su guía de inicio. La instalación del software toma menos de cinco minutos y está bien documentada.

Figura 2: El 1497 es un receptor SDR de bajo costo que cabe en un paquete del tamaño de una moneda de 25 centavos y viene con una antena accesoria y un control remoto. Este receptor sintoniza desde 24 MHz a 1.85 GHz, conectándose con una computadora central a través de un USB. (Fuente de la imagen: Adafruit Industries)

La conexión de la antena en el receptor es a través de un conector MCX. La toma MCX del receptor acepta el enchufe montado en el cable de la antena, o la antena suministrada puede sustituirse por una antena personalizada suministrada por el usuario.

Si el usuario decide reemplazar la antena suministrada por otra diferente, puede conectarla mediante un enchufe MCX. Se pueden utilizar adaptadores coaxiales para acoplar el conector de entrada MCX en el SDR con conectores SMA o BNC, que son los más utilizados. Amphenol RF ofrece tanto un conector MCX a un conector SMA (242127) o un conector BNC a un conector MCX (242204), proporcionando las interfaces de conector más comunes.

Software de soporte de SDR

El software SDR# se conecta con el receptor y proporciona la interfaz de usuario y la pantalla visual (Figura 3).

Figura 3: La interfaz de usuario del Airspy SDR# controla el receptor SDR desde los menús desplegables de la izquierda. La pantalla del analizador de espectro se muestra en la cuadrícula superior mientras que la historia del espectro está debajo de ella. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La interfaz de usuario por defecto del SDR# tiene tres elementos principales:

• La columna de la izquierda contiene los controles para el dispositivo SDR. Hay catorce menús desplegables que controlan todos los aspectos del receptor SDR. Los controles principales son para la radio, el audio y la pantalla.
• La rejilla superior contiene la pantalla del analizador de espectro. Esto traza la frecuencia en el eje horizontal y la potencia de la señal verticalmente usando una escala logarítmica calibrada en decibeles. Los analizadores de espectro son la principal herramienta de prueba utilizada por los ingenieros de RF para medir y analizar los dispositivos de RF. La lectura numérica en la parte superior de la pantalla muestra y controla la frecuencia central del analizador de espectro. El máximo rango de frecuencia mostrado es el ancho de banda del receptor que es de unos 2 MHz. Hay un control deslizante de zoom horizontal a la derecha de la pantalla. El zoom permite una expansión horizontal de la pantalla sobre la frecuencia central.
• Debajo de la pantalla del analizador de espectro hay una pantalla de historia del espectro, a veces llamada espectrograma, que muestra la historia temporal del espectro. El eje horizontal es la frecuencia como en la pantalla del analizador de espectro; la escala vertical es el tiempo. En la figura hay marcadores de tiempo que muestran la fecha y la hora. La tercera dimensión es la potencia de la señal, que se indica por el color. La escala de colores por defecto va desde el negro, como nivel mínimo de potencia, hasta el rojo como nivel máximo de potencia. Hay una variedad de estilos y mapeos de color disponibles en los controles de visualización.

La señal que se muestra en la figura 3 es la de una emisora de FM a 105.1 MHz. Esta es una señal FM de banda ancha que tiene un ancho de banda de 200 kilohercios (kHz). Este es uno de los ocho demoduladores disponibles en el receptor SDR. Los otros demoduladores soportan FM, AM, SSB superior e inferior, DSB, CW, y componentes de señal en bruto en fase y en cuadratura. Las selecciones están en los controles de radio en la parte superior izquierda de la pantalla.

El espectro de la señal consiste en la señal analógica sobre la frecuencia central. Esto lleva el programa de radio analógico. Fuera de eso hay sub-bandas duales que contienen otro material de programas e información digital. El contenido de la información del programa se decodifica y aparece inmediatamente encima de la pantalla del analizador de espectro. Además de la visualización del espectro, los componentes de audio de la estación de radio están disponibles a través del ordenador central para su escucha.

La FM de banda ancha tiene un gran ancho de banda porque se espera que lleve música estereofónica de alta fidelidad. Un servicio de radio como el Servicio Meteorológico Nacional solo transmite voz y utiliza FM de banda estrecha (Figura 4).

Figura 4: Sintonización de una emisión meteorológica del Servicio Meteorológico Nacional en 162.471 MHz. Esta emisora usa FM de banda estrecha. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La estación del Servicio Meteorológico Nacional se recibe usando un ancho de banda de solo 11.2 kHz porque el contenido del programa es solo voz. De nuevo, el material del programa de audio está disponible, así como las pantallas del espectro. El receptor SDR añade todos estos servicios al ordenador central.

La visualización de la historia del espectro o del espectrograma es útil para ver los cambios en el espectro de las señales recibidas a lo largo del tiempo. Un ejemplo sencillo es ver el de una señal de código Morse de onda continua (CW) (Figura 5).

Figura 5: La vista del espectrograma de una señal de código Morse de CW. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Las señales de CW codifican los datos activando y desactivando una portadora RF (activación y desactivación de la tecla). En el espectrograma se indican los períodos en que la tecla está bajada y el portador se está transmitiendo mediante la pista de color azul-gris claro en la pantalla. El carácter morse "V" (di di di dah) que indica la prueba puede verse en la pista de la señal. Obsérvese que el programa informático prevé la recepción de señales de CW mediante la alimentación de un oscilador de frecuencia de latidos (BFO) denominado "CW shift" para proporcionar un tono de audio controlado por el usuario para escuchar la transmisión del código. Como las transmisiones de CW son de banda estrecha, el receptor reduce el ancho de banda a 300 hertzios (Hz) como se ve en el menú desplegable del radiocontrol. Manteniendo el ancho de banda del receptor al valor mínimo necesario para el modo que se recibe, se minimiza el nivel de ruido en el canal.

Algunas aplicaciones de medición para un receptor SDR

En un mundo cada vez más interconectado, hay muchas fuentes de radiofrecuencia que deben ser revisadas y mantenidas. Un ejemplo es la verificación del período de actualización de un módulo transmisor de una estación meteorológica remota (Figura 6).

El espectrograma muestra dos ráfagas de RF en la frecuencia portadora de 433.93 MHz del transmisor remoto. La escala de tiempo en el espectrograma indica que las explosiones de FM se producen con una diferencia de unos 50 segundos.

Figura 6: El espectrograma de un transmisor de una estación meteorológica remota a 433.92 MHz que envía datos en ráfagas. El espectrograma captura y muestra las ráfagas transmitidas con una diferencia de unos 50 segundos. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los sistemas automovilísticos de entrada remota sin llave (RKE) funcionan a 315 o 433 MHz, dependiendo de dónde se utilice el vehículo y de las normas que lo regulen. En este caso, el usuario solo necesita sostener el llavero cerca de la antena y pulsar uno de los botones para ver el tipo de modulación utilizada (Figura 7).

El espectro del llavero RKE muestra picos dobles a unos 433.9 MHz. La codificación de los datos para este dispositivo utiliza una clave de desplazamiento de frecuencia (FSK) en la que el portador se desplaza entre dos frecuencias para indicar un uno o un cero digital. Otros llaveros RKE utilizan la incrustación por desplazamiento de amplitud (ASK), en la que la amplitud de una portadora se desplaza entre dos niveles, no muy diferentes de la señal de CW.

Figura 7: El espectro de un dispositivo de entrada remota sin llave utiliza FSK de una portadora de 433.9 MHz para codificar datos digitales para controlar la entrada en un vehículo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Conclusión

El receptor Adafruit 1497 SDR abre todo el mundo de las bandas de frecuencia de VHF, UHF y microondas bajas a los aficionados y profesionales de la investigación. Permite a los usuarios utilizar un ordenador para sintonizar emisiones de FM, TV, radio amateur, banda ciudadana, meteorológicas y de onda corta. También se puede utilizar como analizador de espectro para verificar el funcionamiento de una amplia gama de dispositivos portátiles de radiofrecuencia. El 1497 también se ha utilizado para crear interferómetros para la radioastronomía, todo a bajo costo.