Se analizan las prestaciones de un innovador receptor SDR, desde el punto de vista de un aficionado a la emisión y a la escucha, y bajo diferentes paquetes de software
Receptor RFSpace SDR-IQ
Sergio Manrique Almeida
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Introducción
Los receptores de radio convencionales están formados por una etapa frontal de RF (preamplificación y filtrado), una serie de etapas de conversión de frecuencia llamadas frecuencias intermedias (filtrado y amplificación), y una etapa final de demodulación y amplificación de audio. Los equipos de radio definidos por software, o SDR, como el que nos ocupa, suponen un gran cambio de paradigma respecto este esquema: sustituyen algunas de dichas etapas por software, programas que operan unos en un ordenador y otros en “chips” en el interior del receptor.
Básicamente hay dos tipos de receptores SDR. En primer lugar están aquellos cuyo esquema genérico se observa en la figura 1: una primera etapa frontal, una etapa de conversión de frecuencia (mezcladores y filtrado), y opcionalmente otra etapa de digitalización de un margen de frecuencias de interés (los receptores SDR más simples no digitalizan, entregan el audio sin demodular directamente a la tarjeta de sonido del ordenador). Ya en el ordenador, un programa lleva a cabo el filtrado, demodulación y otros procesados de la señal de interés. En el caso de un transmisor o transceptor, en el sentido de transmisión el proceso es el inverso pero con numerosas simplificaciones.
Figura 1. Diagrama de bloques genérico de un receptor SDR de conversión directa (ver texto)
A medida que ha avanzado la tecnología y los componentes disponibles, en los receptores SDR la etapa de conversión digital ha ido aproximándose al conector de antena, como se observa en la figura 2: son equipos que no digitalizan una señal de audio, como los mencionados anteriormente, sino directamente la radiofrecuencia (RF) entrante por antena, previo paso por una etapa frontal. El equipo que aquí nos ocupa cae dentro de este grupo.
Figura 2. Diagrama de bloques genérico de un receptor SDR de conversión digital directa (ver texto)
RFSPACE es una pequeña empresa norteamericana dedicada a la producción de receptores SDR; uno de ellos, el SDR-IQ (foto A), es un receptor de bajo coste con cobertura continua entre las frecuencias de 100 kHz y 30 MHz, que requiere para funcionar un ordenador con un programa SDR, sea SpectraVue (el propio de RFSPACE) u otros programas compatibles. El SDR-IQ es capaz de entregar al ordenador, mediante una conexión USB, un ancho de banda de hasta 190 kHz dentro del mencionado margen de cobertura. El propio conector USB alimenta el receptor, que así no requiere alimentador alguno.
Foto A. El SDR-IQ, un receptor de 0,1 a 30 MHz que cabe en la palma de la mano. Fuente: RF Space
El interior del SDR-IQ
En la figura 3 se muestra el diagrama de bloques simplificado del SDR-IQ. La etapa frontal de RF incluye dos pares de filtros, que conmutan automáticamente en función de la frecuencia recibida: un paso bajo y un paso alto con frecuencia de corte en 5 MHz, y otra pareja de paso bajo/paso alto con frecuencia de corte en 15 MHz. Así, por ejemplo, para recibir en 10 MHz se conmutará al paso alto de 5 MHz y al paso bajo de 15 MHz.
Siguen dos filtros más y un preamplificador, previos al conversor analógico a digital (ADC) de Analog Devices, que toma muestras del nivel de RF entrante a una velocidad de 66,666 MHz (66,666 millones de muestras por segundo) y convierte cada muestra en 14 bits. La velocidad de muestreo mínima teórica ha de ser el doble de la máxima frecuencia a digitalizar: el SDR-IQ puede recibir hasta 30 MHz y por tanto se eligió una frecuencia de muestreo ligeramente superior al doble de 30 MHz.
Figura 3. Diagrama de bloques simplificado del SDR-IQ (ver texto)
A continuación viene el "corazón" del SDR-IQ, un conversor de velocidad digital (digital down converter, DDC). ¿Cuál es su función? El ADC le entrega todo el ancho de banda de 0,1 a 30 MHz digitalizado, pero como se pretende entregar al ordenador únicamente un margen de 190 kHz de espectro, el DDC descarta las muestras que correspondan a señales situadas fuera de dicho margen, canalizando hacia el ordenador mediante un interfaz USB sólo las muestras de interés.
El SDR-14, otro receptor SDR de RFSPACE que recientemente dejó de estar en producción, era capaz de presentar en pantalla todo el margen de 0 a 30 MHz gracias a que disponía de un DDC más complejo (y costoso) que el que incorpora el SDR-IQ, que en ciertos aspectos es una versión del SDR-14 más asequible.
Instalación
Al abrir la caja se encuentran, aparte del receptor, un breve manual de puesta en funcionamiento y un cable USB, así como un CD-ROM con drivers para varias versiones de Windows, el programa de instalación de SpectraVue, manuales en formato PDF y ficheros con grabaciones de demostración (no de audio, sino de RF).
La instalación del SDR-IQ llevó al autor menos de cinco minutos sin prisas, desde la apertura de la caja a estar recibiendo señales. Bastó con ejecutar el programa de instalación, instalar el driver y conectar el cable USB y el de antena. Cada vez que se utilice, no olvidar pulsar F12 para poner SpectraVue en marcha.
El frontal del equipo está compuesto por tres LED, que indican respectivamente la presencia de alimentación, el estado de funcionamiento (reposo/activo) y la presencia de un nivel total (0,1-30 MHz) de entrada excesivo que satura el receptor (en concreto su conversor analógico a digital). En la parte posterior se hallan los conectores de antena (BNC), USB y RS-232, éste para sincronización de frecuencia con otros equipos de radio, como transceptores.
Operación con SpectraVue
Para sacarle todo el partido, SpectraVue requiere como mínimo un Pentium II con 128 MB de RAM; la aplicación funcionará con algunas CPU más lentas, a costa de una reducción en la velocidad de la pantalla de análisis y algunas limitaciones al demodular.
La señal de entrada a SpectraVue puede proceder de un receptor de RFSPACE, de una tarjeta de sonido con las señales a demodular, o de un fichero WAVE con una grabación de RF. Sí, SpectraVue es capaz de capturar todo el ancho de banda entregado por el DDC (una "ventana" de hasta 190 kHz situada en cualquier banda entre 0,1 y 30 MHz) y reproducirlo posteriormente: la utilidad de grabar un ancho de banda es que permite su posterior reproducción y la demodulación de cualquiera de las señales captadas. Así, como ejemplo, podremos dejar el SDR-IQ y SpectraVue grabando una noche en una banda tropical o en 160 metros, y la mañana siguiente comprobar las señales registradas y demodular cualquiera de ellas. Las únicas limitaciones son el ancho de banda (hasta 190 kHz) y la capacidad del disco duro.
La ventana de SpectraVue (foto B) tiene tres áreas: el menú principal, el área de análisis espectral/temporal y una serie de controles en la parte inferior. El menú principal permite configurar una larga lista de parámetros, de los que cabe destacar la ganancia de RF (de +10 a -20 dB en pasos de 10 dB), la inclusión de un atenuador adicional de 10 dB, el ancho de banda máximo a presentar en pantalla (desde 5 kHz hasta 190 kHz), y la velocidad del análisis de espectro.
Foto B. SpectraVue recibiendo en la banda de 20 metros. Se observa la ventana de análisis espectral en dos dimensiones (mitad superior) y en cascada (mitad inferior)
Análisis de señal
Uno de los usos que se está dando al SDR-IQ es como analizador de espectro, función que se puede encontrar en transceptores de gama alta, por no mencionar costosos analizadores profesionales. Pero no sólo es capaz de analizar en frecuencia; mediante las pestañas situadas bajo la pantalla de análisis se elige entre:
- Amplitud de la señal recibida (lo más similar a un osciloscopio).
- Análisis espectral en dos dimensiones (foto B, mitad superior) o en tres (foto C)
- Análisis espectral en cascada (foto B, mitad inferior). Muy útil por ejemplo para detectar señales débiles.
- Análisis continuo (potencia total a lo largo del tiempo).
- Análisis de la fase (muy útil para modos digitales).
La velocidad de refresco de la ventana de análisis es ajustable, así como su finura en el análisis frecuencial (muy elevada si se desea), su escala vertical, etc. En la parte inferior se hallan, entre otros los siguientes controles:
- FFT Ave: muy útil para reducir las fluctuaciones del análisis espectral, al realizar un promedio de los datos presentados. Muy recomendable su uso con un valor distinto de 1.
- Smoothing: realiza un alisado del análisis espectral; en la práctica del aficionado conviene no poner una cifra alta, o no usarlo.
- FFT/BLK: determina la resolución en frecuencia. A mayor resolución, menor velocidad de refresco del análisis de espectro. La mínima resolución (2048 puntos por FFT) es suficiente, aunque para análisis espectral en cascada un valor de 8192 le pareció al autor un buen compromiso entre claridad gráfica y velocidad. La velocidad de refresco de la ventana de análisis se ajusta desde el menú principal, desde General Setup --> Skips N updates.
El botón AutoScale centra la ventana de análisis espectral automáticamente, siendo muy útil.
Foto C. Análisis espectral en tres dimensiones con SpectraVue
Control de frecuencia
Demod/Center frequency - Ins es un botón bajo el que hay un control de frecuencia. Pulsando el botón, alterna entre dos funciones:
- Center: al variar la frecuencia se cambia el centro de la porción de espectro tratada (la "ventana" de hasta 190 kHz se va moviendo entre 0,1 y 30 MHz). Es una manera de sintonizar.
- Demod: al variar la frecuencia, se cambiará la frecuencia de sintonía pero dentro de los límites de la ventana, cuya frecuencia central sólo puede ser cambiada desde la opción Center.
En otras palabras: habitualmente sintonizaremos con Center Frequency, a menos que deseemos observar un segmento determinado, caso en el que entonces emplearemos la opción Demod Frequency y elegiremos la frecuencia a demodular (dentro del ancho de banda disponible) sea cambiando el valor de frecuencia o clicando en la ventana de análisis espectral.
El control Span nos permite elegir el ancho de banda a presentar en pantalla y dentro del que moverse partiendo de la frecuencia central: desde 5 hasta 190 kHz, siendo posible demodular a partir de 50 kHz de ancho de banda. Por ejemplo: deseamos observar el segmento de fonía de la banda de 20 metros: con Center Frequency centraremos el receptor en 14,195 y ajustaremos el Span a 190 kHz. En la pantalla aparecerá el ancho de banda entre 14,100 y 14,290 kHz. Seguidamente con Demod Frequency ya podremos sintonizar la señal que nos interese entre 14,100 y 14,290 para su demodulación, incluso clicándola directamente en la ventana de análisis espectral, sin que la ventana se desplace.
Demodulación
El SDR-IQ junto con SpectraVue es capaz de recibir en AM, SSB, SSB de banda ancha, DSB (doble banda lateral), CW y FM de banda ancha y estrecha. Puede recibir DRM mediante programas de terceros (decodificador DREAM y cable virtual de audio entre SpectraVue y DREAM), aunque se puede prescindir del cable virtual si se dispone de una segunda tarjeta de sonido (llevando mediante un cable físico la salida de audio de SpectraVue a la entrada de la segunda tarjeta, a la que habremos asociado DREAM).
El medidor de señal que incorpora SpectraVue no está escalado como un Smeter. Presenta en dBm la potencia captada dentro del ancho de banda de demodulación, a elegir entre valor de pico y RMS.
Abajo a la derecha está el selector de modalidad de demodulación; pulsando en Setup podemos variar las frecuencias de corte en filtrado (el ancho de banda de demodulación) para cualquiera de las modalidades; el autor observó que el mínimo ancho de banda para CW era de 200 Hz. Contiguo se halla el botón del cancelador de ruido (NB), eficaz en ausencia de señales muy fuertes.
Con SpectraVue, el SDR-IQ es capaz de recibir en dos frecuencias diferentes a la vez, siempre dentro de la misma ventana de 190 kHz. Fue curioso escuchar dos radiodifusoras distintas por cada altavoz del ordenador, una en 6040 kHz y otra en 5970 kHz. Basta con, en el menú de SpectraVue, en Output Setup elegir Dual Channel Demod Stereo Output. En condiciones normales (una sola señal a demodular), estará marcada la opción Single Channel Demod. Tras cualquier cambio no olvidar pulsar F12 para volver a poner en marcha el receptor.
Todo receptor SDR, debido al proceso digital de las señales, introduce cierto retardo (latencia) desde que la señal entra por su conector de antena hasta que se obtiene el audio demodulado. En el caso del SDR-IQ con SpectraVue, el autor midió un retardo que en unos casos se situaba sobre los 300-400 ms (milisegundos), y en otros alcanzaba los 500 ms, respecto el receptor analógico empleado en las pruebas conjuntas.
El SDR-IQ puede ser empleado con otros programas aparte de SpectraVue. A continuación describiremos brevemente algunos de ellos.
Winrad
Un programa gratuito, cuya ventana se muestra en la foto D. Se observa que algunos de los campos son los mismos que en SpectraVue, por ejemplo el mecanismo de sintonía; ello es normal, dado que cualquier software vendrá condicionado por la arquitectura interna del SDR-IQ. Al igual que SpectraVue es capaz de grabar segmentos de RF.
La principal ventaja es que en demodulación es menos ruidoso que SpectraVue, un comentario de varios usuarios de receptores SDR que el autor pudo verificar personalmente, y que esperemos que se mejore en próximas versiones de SpectraVue. Winrad ocupa toda la pantalla del ordenador, lo que para algunos es un inconveniente.
La instalación de Winrad es muy sencilla: para la versión 1.6.1 basta con descomprimir los ficheros descargados en una carpeta llamada Winrad, y ejecutar el fichero register.bat. Las versiones anteriores (basadas en el código de I2PHD) se instalan a partir de un ejecutable. Winrad puede descargarse de http://www.winrad.org; existe una variante denominada WinradHD, elaborada por DG0JBJ, compatible con los mismos equipos que Winrad y basada en el código de ésta; las principales diferencias son relativas a la ventana interfaz de usuario. WinradHD puede descargarse de http://www.hdsdr.de.
Foto D. Recibiendo en la banda de 40 metros con un SDR-IQ y el programa Winrad. Se está demodulando una fuerte señal de SSB en 7.090; en las ventanas de análisis espectral se observan asimismo otras señales más débiles, algunas de CW, y tanto señales de AM como de SSB por encima de 7.100.
SDR-Radio
Obra de HB9DRV, quizás sea lo más parecido en su apariencia a un transceptor (foto E). También es capaz de grabar, así como de operar en remoto gracias a su arquitectura cliente/servidor. De hecho, para una primera toma de contacto con un SDR-IQ… no hace falta tener un SDR-IQ: basta con instalar SDR-Radio (descargarlo de http://www.sdr-radio.com), poner en marcha la aplicación cliente (Console) y en el menú, en Input Source, elegir Remote; en la nueva ventana elegir Browse Web, aparecerán una serie de indicativos (receptores disponibles a través de Internet), marcar el receptor de interés, pulsar Select y Connect. Seguidamente, en Input Source clicar en Start. Sin más que seguir estos pasos, mientras redacta estas líneas, el autor está conectado en remoto al SDR-IQ situado en KA2GWR, escuchando así QSO “domésticos” entre estaciones norteamericanas en la banda de 40 metros. Tan sólo hubo que esperar escasos segundos a que la conexión se estableciera.
Del mismo modo, el poseedor de un receptor SDR-IQ ó similar puede ponerlo a través de Internet a disposición de los aficionados de todo el mundo, utilizándolo en modo servidor remoto. En el momento de redactar este artículo están disponibles en remoto una serie de receptores compatibles con SDR-Radio, principalmente en Europa y Norteamérica; para más información visitar el mencionado sitio web de SDR-Radio.
Hay quien considera que los receptores SDR remotos pueden ser utilizados indebidamente para completar QSO en DX o en concursos, y hay quien plantea una posible solución: que dichos receptores añadan un retardo de unos segundos, por ejemplo unos 10 ó 15.
Foto E. Escuchando a A41MO en la banda de 20 metros en SSB, con un SDR-IQ y el programa SDR-Radio (ver texto)
Espúreas
Una característica de los receptores SDR es la aparición de señales espúreas en forma de portadoras (conocidas en la jerga como spikes), espaciadas varias decenas o centenas de kHz, la mayoría ligeramente por encima del ruido interno del receptor. Para las espúreas más potentes, algunos receptores SDR cuentan con una función llamada dither, que consiste en añadir cierto ruido para "difuminar" dichas espúreas, a costa de una ligera subida del ruido de fondo del receptor.
En el caso del SDR-IQ, con una carga de 50 ohmios en el conector de antena, el autor apreció espúreas (en todo caso pocas) por debajo de 15 MHz, la mayor parte de las cuales desaparecían al conectar la antena, sea porque quedaban por debajo del ruido recibido o bien porque el propio ruido recibido por antena hacía la función de dither, que el SDR-IQ no posee.
El autor utilizó en paralelo un receptor analógico para determinar qué espúreas eran interferencias llegadas por antena y qué otras eran realmente generadas por el SDR-IQ; el mismo procedimiento fue empleado para el análisis de los productos de intermodulación. La antena empleada en todas las pruebas realizadas fue un elemento vertical de 6 metros de altura con un plano de tierra de tres radiales, en una zona urbana.
Intermodulación
Escuchando entre 25 y 30 MHz el autor observó la aparición de lo que parecían ser señales de radiodifusoras de onda corta, especialmente tras la puesta del sol: se trataba de productos indeseados generados por el receptor, a partir de radiodifusoras emitiendo por debajo de 15 MHz. El autor intentó atenuarlas situando en la entrada del receptor un adaptador de antena sintonizado, actuando como filtro de orden tres, pero sin resultado; sí obtuvo una notable bajada en estor productos pero a costa de introducir una atenuación de 20 dB. Esto hace que en el mencionado margen de frecuencias sea aconsejable emplear antenas que no resuenen en otras bandas, o bien un filtro paso banda ó paso alto.
Para reducir estos efectos, el SDR-IQ incorpora una serie de filtros de RF previos a la conversión a digital, descritos anteriormente, y que forman un esquema de preselección bastante más simple que el de otros receptores SDR más elaborados, cuyos precios también son notablemente superiores. Las limitaciones de los dispositivos disponibles hoy en día (conversores ADC, DDC, etc.) hacen que todavía sea necesario emplear algún tipo de preselección (filtrado) en frecuencia en la entrada de los receptores SDR.
Los mencionados productos son fácilmente distinguibles, no sólo por lo impropio de sus frecuencias, sino porque siguen un patrón de desvanecimiento que no es el habitual en recepción de onda corta; la razón es que el nivel de estos productos no es proporcional al nivel de las señales que lo generan, dado que no surgen en el mundo "analógico" (como en un receptor convencional) sino en el dominio digital. Sus frecuencias estarán relacionadas con las frecuencias de las emisiones que los producen, la frecuencia de muestreo del receptor y la frecuencia del oscilador digital interno.
Hay que decir que estos productos aparecerán en mayor o menor medida en función del tamaño de la antena empleada, es decir, de su sensibilidad por debajo de 15 MHz: con una antena de dimensiones medias, como las utilizadas por la mayoría de aficionados a la escucha, habrá mucho menos problema que con, pongamos, un dipolo o hilo largo para bandas bajas.
Opinión
El autor cree que el SDR-IQ es un buen primer paso en el terreno de receptores de conversión digital directa, al alcance del aficionado y económicos. Algunas de las prestaciones del SDR-IQ igualan las de equipos mucho más costosos, mientras que en ciertos aspectos y situaciones debe ser empleado con precaución (haciendo uso de sus funciones de atenuación, antenas adecuadas y/ó filtros de RF externos) debido a limitaciones que solamente superan equipos más costosos.
Destacaría como principales ventajas del SDR-IQ, a añadir a las propias de los equipos SDR, su extrema portabilidad (mide tan sólo 12 x 12 x 3,5 cm, conectores incluidos) y la disponibilidad de varias aplicaciones SDR compatibles con él.
Gracias a ASTRO RADIO por facilitar la unidad estudiada para redactar el artículo.
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