SDR - Software Defined Radio - I : conceptos básicos

SDR ( Software Defined Radio / Radio Definida por Software) es una arquitectura para sistemas de radiocomunicación en la que parte de las funciones no se realizan mediante dispositivos físicos sino mediante software.

La arquitectura SDR puede aplicarse tanto a un emisor  o transmisor (TX),  como a un receptor (RX) o a un transceptor o "transceiver"  (RTX).que une tanto las funciones de emisión como las de recepción.

Ventajas de un SDR:

• Su bajo coste. Pues usan el mismo dispositivo hardware para todo tipo de señales independientemente de su frecuencia y tipo de modulación, lo cual abarata el coste de fabricación.
• Su pequeño tamaño. Al no requerir elementos físicos como filtros, etc. es empaquetable en un pequeñ volumen como puede ser una llave USB (Dongle)
• Su flexibilidad. Variando el software SDR podemos demodular y decodificar cualquier tipo de señal existente o futura. Es más, varios usuarios pueden acceder, por ejemplo via Internet, a un servidor web que comparta el flujo o  stream de datos  IQ recibidos y ser tratados por cada uno de ellos particularmente o podemos definir un multireceptor con varios receptores virtuales para visualizar las señales de varias bandas de frecuencia

Inconvenientes de un SDR:

• Bajas prestaciones. Las prestaciones de un dispositivo de propósito general nunca son tan buenas como las que se obtienen para un dispositivo diseñado exproceso para dicha función.
• Uso complejo. No es un electrodomestico de comprar y enchufar. Debe tener conocimientos y tiempo para poder extraer todo el potencial dado que hay que tomar muchas decisiones como que  Hardware (HW)  y Software (SW) elegir, pero luego que filtro aplicar, que sistema de muestreo, etc.

Vbestlife Transceptor Usdx + Usdr HF Qrp Sdr

Un SDR puede implementarse como:

1. Un único dispositivo que integra por una parte el el hardware de RF (Receptor de Conversión Directa) y por otra un procesador específico o de propósito general como es un  Raspberry o Arduino (p.e. uSDX es un transceptor SDR basado en un procesador  Arduino y uSDR es el clon chino del anterior)
2. Dos dispositivos uno que corresponde al hardware de RF (Receptor de Conversión Directa, p.e. un upconverter como Spyverter) y el otro es un receptor tradicional al que  que se le inyecta  la señal detectada a la entrada de RF aprovechando los sistemas de amplificación, filtrado y demodulación
3. Dos dispositivos uno que corresponde al hardware de RF (Receptor de Conversión Directa, p.e. RTL-SDR o RSP)  y un dispositivo de propósito general como  (ordenador personal, tablet o teléfono móvil) donde se ejecuta un software especifico que permite por una parte el control de hardware de RF (p.e. Bias Tee, ganancia del amplificador de RF, frecuencia de muestreo, etc.) y por otra implementa los dispositivos propios de un dispositivo de RF ( control automático de ganancia, filtrado, modulación en TX o demodulación en RX, etc.)

Por el momento nos centraremos en los receptores SDR del tercer tipo (Dispositivo hardware SDR como los dongles +  ordenadores personales), y será el hilo conductor de estos posts  

Recordemos que un dongle es un adaptador que añade una funcionalidad a un dispositivo, típicamente un dispositivo  USB enchufable a un ordenador personal.

 

MODULACION Y DEMODULACION: CONCEPTOS

Modular una onda electromagnética es incorporarle información (analógica o digital) mediante la alteración de alguno de sus parámetros (amplitud, frecuencia o fase), tras lo cual amplificamos su potencia y la radiamos o emitimos. 

Demodular una señal electromagnética es extraer la información de la señal que previamente hemos captado, filtrado (eliminar señales no deseadas) y amplificado (aumentar la señal a un valor que permita su demodulación).

Nomenclatura sobre los tipos de modulación por ejemplo lo que conocemos como AM es A3E

• (1) Tipo de modulación de la portadora
• A Doble banda lateral
• F Modulación en frecuencia
• G Modulación de fase
• H Banda lateral única (con portadora)
• J Banda lateral única (portadora suprimida)
• N Emisión de portadora sin modular
• R Banda lateral única (nivel portadora reducida o variable)
• (2) Naturaleza de la señal que está modulando la portadora
• 0 Señal sin modular
• 1 Canal único que contiene información digital/cuantifi cada de la subportadora sin modular
• 2 Canal único que contiene información digital/cuantifi cada con modulación de la subportadora
• 3 Canal único que contiene información analógica
• 9 Canales múltiples que contienen separadamente información digital/cuantificada e información analógica
• (3) Tipo de información que se transmite
• A Telegrafía (recepción oral)
• B Telegrafía (recepción automática)
• C Facsímil
• D Transmisión de datos, telemetría, telemando
• E Telefonía (incluye emisión de sonido)
• N No se transmite información
• W Telegrafía y Telefonía

BLOQUES DE UN RECEPTOR: CONCEPTOS

Un receptor de señales de radiofrecuencia dispone de las siguientes etapas o bloques funcionales:

• La antena: es el dispositivo que permite emitir o recibir una señal de RF (Radiofrecuencia). Su funcionamiento es idéntico para la RX como para la TX, la única diferencia es que en TX hay que tener en cuenta la potencia que va a soportar. Desde el punto de vista de recepción es el elemento fundamental del sistema pues cuanta más señal capte mejor será la recepción, pues las etapas siguientes serán capaces de detectarla o no (sensibilidad) y de hacerlo con mejor o peor calidad (relación señal/ ruido). Un diseño correcto de antena permite aumentar la potencia recibida mejorando su direccionalidad y su frecuencia de resonancia. Además esta etapa puede ser mejorada mediante la incorporación de filtros (atenuar las frecuencias no deseadas) y amplificadores (aumentar la potencia de la señal de las frecuencias deseadas).
• El sintonizador: es el dispositivo capar de seleccionar de entre las múltiples señales captadas por la antena, cada  una en una frecuencia, la frecuencia de la señal buscada. Esto se hace:
• directamente como se hacia en los primeros receptores tras lo cual se detectaba
• indirectamente mediante la mezcla de la señal recibida con una señal generada por oscilador local 
• Si la frecuencia del oscilador es igual a la de la señal buscada obtenemos la banda base o señal (monodinos o receptores  de conversión directa o de frecuencia intermedia 0 "zero-IF") que puede ser detectada en el siguiente paso. Se evitan los problemas de Frecuencia Imagen.
• Si la frecuencia del oscilador local mantiene una diferencia constante con la frecuencia de la señal deseada (455 kHz o 10,7 Mhz) obtendremos una señal de una frecuencia intermedia fija IF (superheterodinos de simple conversión, doble conversión, etc.)
• El filtrado/ amplificado: es el dispositivo que permite atenuar las señales de frecuencias próximas a la deseada sin afectarla (eliminar interferencias)y amplificar señal la deseada hasta un nivel que permita su demodulación, se hace en las etapas de IF, que normalmente puede ser una o dos.
• El demodulador o detector: es la dispositivo que extrae la información de la señal. La información puede ser analógica o digital (decodificar).
• El interface: es el dispositivo que permite a una persona o un ordenador procesar dicha información.

UN RECEPTOR SDR

El hardware de RF de un SDR incorpora un hardware que realiza todas las funciones que hemos visto en un  receptor menos el primero (la antena) y los  últimos  (demodulación e interface) que los realiza software que se ejecuta en un ordenador personal. 

Para ello consta de (usamos como ejemplo el SDR-RTL):

• ETAPA RF
• Un paso de RF en el que podemos  tener los siguientes bloques o pasos:
• Protección contra descargas electrostáticas (tipicamente dos diodos en inversa
• Atenuación: para el caso de señales potentes con el fin de que no sature o dañe las etapas siguientes  del receptor
• Amplificación variable (p.e.  0 a 50 dB) en banda ancha (p.e. 0 a 2 GHz) con el fin de aumentar el nivel de la señal recibida
• automatica (ACG - Control automático de Ganancia): ajusta el nivel de la ganancia al de la señal (realimentación inversa) con el fin de mantener un nivel optimo de señal
• manual
• Filtrado de RF  (Pasa banda de p.e. 0 a 2 GHz) que evita señales no deseadas fuera de la banda que se va a recibir.
• ETAPA ANALOGICA
• En el caso de un receptor con Frecuencia intermedia un mezclador con una señal de frecuencia variable (p.e. 24,7MHz a 1,7 GHz ) para obtener una frecuencia apta para la conversión por ejemplo 3,57 MHz
• Filtrado de FI  (p.e. 3,57 MHz)
• Amplificador de FI con o sin AGC
• ETAPA DIGITAL 
• Un paso de muestreo o sampling que va de 0 a 10 MHz (MS/s) siendo 2,56  MHz un valor adecuado, y codificar (8, 12 ó 14 bits) todo el ancho de bada detectado (la señal deseada y otras) para obtener una señal digital que será tratada por el software posterior
• Se mezcla la señal para obtener dos señales desfasadas I y Q que se pasan al software de demodulación /decodificación de forma que se puee elegir
• Canal I (mezcla con sin, In Phase)
• Canal Q (mezcla con cos, IN Quadrature)
• los dos canales en fase o en cuadratura.
• PROCESADO
• Demodulación y decodificación mediante un software en un ordenador personal o dispositivo móvil, mediante un microprocesador y firmware
• Reproducción o almacenamiento de la señal en forma de audio o video

    RTL-SDR permite saltarse el muestreo para poder recibir señales de frecuencia menor a  la frecuencia de mezcla 28,8 MHz (DS=ON / Q / I en RTL-SDR)

Receptor SDR con IF<>0


Receptor SDR con IF=0 (Zero-IF)

Esquema clásico de un superheterodino de doble conversión que se ha venido utilizando durante más de un siglo. Las conversiones permiten amplificar y filtrar las señales de una forma solida y economica. Fuente: Rohde & Schwartz 


Diagrama de bloques de un receptor DSP Fuente: Rohde & Schwartz 

Términos

• SDR - Software Defined Radio:  Radio Definida por Software
• DSP - digital signal processor: Procesado digital de la señal, por contraposición del procesado tradicional mediante filtros
• FW - Firmware: software almacenado en memoria que permite su ejecución directa por parte del procesador
• Bootloader : gestor de arranque que permite al hardware cuando se enciende cargar y ejecutar el firmware
• RF - Radio Frecuency : radio frecuencia
• TX: transmisión
• DUC - Digital Up Convert : para TX
• DAC -  Digital Analog Convert : conversión de digital a analógico,  para TX
• PA  - Power Amplifier : Amplificador de Potencia
• PEP - Potencia de Pico
• RX: recepción
• DDC - Digital Down Convert:  para RX
• ADC - Analog Digital Convert : converrsión de analógico a digital, para RX
• Rate Sampling: Frecuencia de muestreo
• Bits de codificación
• LNA  - Low Noise Amplifier: Amplificador de bajo ruido

Para saber más:

• uSDX vs uSDR
• EECS 242:Receiver Architectures
• Radio receiver architectures
• https://www.analogictips.com/radio-receiver-architectures-part-1-trf-superhet/ 
• https://www.analogictips.com/radio-receiver-aarchitectures-part-2-zero-sdr/ 
• What is Software Defined Radio 
• ARRL
• https://www.qsl.net/z33t/sdr_eng.html
• SDR DRFSA Rx - Direct RF Signal Acquisition Receiver And Alternative SDR Architectures
• SDR for Engineer
• Exploring the World of Software-Defined Radio with RTL-SDR Dongles

Continua en: SDR - Software Defined Radio - II

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