domingo, 20 de noviembre de 2011

SDR Softrock Ensemble II - Parte 1: Montaje y puesta en marcha

Aunque yo personalmente prefiero la radio al estilo tradicional, es decir, dar vueltas manualmente al dial y esperar tranquilamente a ver qué aparece por el altavoz, creo que los receptores SDR son muy interesantes desde el punto de vista tecnológico y merece la pena experimentar con ellos.

De los muchos kits disponibles en el mercado me he decantado por el Softrock Ensemble II porque es bastante económico, resulta muy educativo y realmente funciona (aunque lógicamente no podemos esperar el mismo resultado que con un SDR que cueste 10 veces más).

Estos kits se pueden conseguir en la web de Tony Parks http://kb9yig.com/ y hay que decir que el precio y el servicio son magníficos, por poco más de 40 euros tienes el kit en tu casa en menos de una semana. Lo malo es que los kits se preparan en cantidades limitadas y sólo los tienen de vez en cuando, así que hay que estar atento a la web (o al foro de URE dónde hay colegas que suelen avisar).

Montaje

Para instrucciones sobre el montaje os remito a dos estupendas web dónde viene todo muy bien explicado:
El montaje combina componentes de inserción con componentes SMD y un montón de transformadores de RF e inductancias que hay que bobinar a mano. Los componentes SMD no son demasiado pequeños y pueden soldarse sin problemas con un soldador de los finitos de 14W, aunque si no se ha hecho nunca recomiendo practicar primero con un circuito de prueba. Lo más tedioso es el bobinado de transformadores e inductores y en mi caso me llevó el 50% del tiempo, no es difícil pero hay que estar muy atento para no confundirse.

En todo caso os recomiendo seguir las instrucciones paso a paso de los enlaces anteriores, que explican el montaje por etapas con pruebas de cada etapa antes de pasar a la siguiente. Si se monta todo de una vez es fácil que nos equivoquemos en algo y luego nos cueste encontrar el problema.

Este es el resultado final de mi montaje:


Funcionamiento y señales


Para construir el circuito con éxito no es necesario más que un polímetro y un receptor de HF o simplemente el transceptor de radio que casi todos tendremos en casa. Sin embargo, para estudiar bien cómo funciona el circuito resulta muy útil disponer de un osciloscopio. En mi caso dispongo del osciloscopio más limitado que hay en el mercado, el UNI-T UT-81B (un low-cost chino), pero vamos a ver cómo con este equipo también es posible ver algunas cosas interesantes.

El circuito no es más que un receptor de conversión directa con la particularidad de que en vez de generar una señal de audio como resultado de "sustraer" a la señal de RF la señal del oscilador local, éste genera dos señales desfasadas entre sí 90º. Estas dos señales se conocen como I (in phase) y Q (quadrature) y caen en el rango de las audiofrecuenicas, de manera que pueden ser digitalizadas con la tarjeta de sonido del PC para posteriormente ser procesadas por un software que reconstruirá una porción del espectro de RF y realizará las tareas de demodulación.


Este es el esquema de SDR más simple que puede haber y aunque otros equipos más avanzados puedan funcionar de otro modo, como por ejemplo digitalizando directamente la señal de RF, al final todos los algoritmos de software se basan en las señales I y Q. De hecho, casi todas las radios modernas profesionales ya se basan en este principio y esto permite que el mismo equipo pueda utilizarse para modulaciones analógicas, digitales, modos mixtos, multiprotocolos, etc.

Oscilador local:
Volviendo al softrock, el oscilador local esta basado en el chip Si570, un generador de reloj controlable por software que puede generar señales entre 3,5 MHz y 1,4 GHz y al cuál se le pueden encontrar muchísimas aplicaciones en el mundo de la radioafición. Esta traza muestra una señal de 4 MHz generada en el circuito:


La señal realmente es cuadrada, pero el osciloscopio no puede reproducirla debido a su limitado ancho de banda (el AB máximo es de 8 MHz para una señal sinusoidal y para una cuadrada es aproximadamente una décima parte), no obstante, la lectura de frecuencia sí que es bastante aproximada. Evidentemente, no es una representación fiel de la realidad, pero sí que nos sirve para saber si el circuito esta funcionando como debe.

El interfaz del oscilador con el PC esta realizado con un microcontrolador AVR ATTINY85-20PU el cuál nos permite hacer el control desde un puerto USB. ¡OJO! porque puede dar algúnos problemas en Windows Vista, ya que confunde este dispositivo con otros tipo ratones o teclados que estén conectados al PC. En mi caso no reconoce el dispositivo si al conectarlo tengo también conectado un teclado usb determinado. La solución es desconectar el teclado y volverlo a conectar una vez que el AVR ya haya sido conectado y reconocido, todavía tengo que investigar si hay una solución más permanente.

Divisor de reloj y generador de cuadratura:
Para que el rango de señales generado por el oscilador sea más aprovechable en HF y LF se hace pasar la señal por un divisor de reloj, que en el caso de montar el circuito para las bandas de HF hace una división entre 4. Esto se consigue con una pareja de contadores 74AC74 que además generan dos señales de reloj desfadas 90º que servirán para generar las señales I/Q en el mezclador. Aquí podemos ver la señal de antes dividida entre 4 en la salida QSD CLK 0:


La señal QSD CLK 1 es exáctamente igual pero desfasada 90º, con un osciloscopio de dos canales podríamos ver las dos a la vez y medir el desfase. Como mi osciloscopio sólo tiene un canal, las dos señales aparecen exáctamente igual. Más adelante explicaré un método para comprobar el desfase.

Con el frecuencímetro del UT-81B podemos comprobar que se generan señales para sintonizar desde la banda de 80m hasta la banda de 10m.

Entrada de antena y filtros de banda:
El circuito dispone de cuatro filtros paso banda para cuatro "subbandas" de HF que se seleccionan con unos integrados multiplexores FST3253 controlados por el microprocesador. Para comprobar el funcionamiento de esta etapa lo que he hecho ha sido inyectar señales de RF en diferentes frecuencias y comprobar que se genera salida de audio (o no) según la frecuencia a la que sintonice el receptor. Las señales podemos generarlas con un transceptor de HF pero hay que tener mucho cuidado con la potencia, si transmitimos a 5W como mínimo hay que insertar un atenuador de 90 dB para estar tranquilos. En mi caso lo he hecho utilizando el analizador de antenas SARK100 como generador de RF y con atenuación externa de 10 dB.

 

Mezclador y amplificador de audio:
La última etapa realiza la mezcla en cuadratura de la señal (o mejor dicho, señales) de RF y las dos señales de oscilador en cuadratura. Adicionalmente amplifica las dos señales I/Q con sendos operacionales para que tengan un nivel adecuado para atacar a la tarjeta de sonido.

Las señales I/Q serán iguales a la f_entrada - f_oscilador, por ejemplo si sintonizamos el SDR en 7,000 MHz e inyectamos una portadora de RF de 7,010 MHz, las señales I/Q serán dos señales de 10 KHz desfasadas 90º. Con el UT-81B podemos verlas individualmente:


Como ahora estamos en el rango de audio, también podemos ver las señales en el PC con un programa de "Osciloscopio a través de la tarjeta de sonido" y con los canales izquierdo y derecho podemos ver las señales I y Q simultáneamente:


Aprovechando este software, podemos representar las dos señales en el modo X-Y del osciloscopio (las famosas figuras de Lissajous) y si de verdad están desfasadas 90º aparecerá una circunferencia:


Como veréis, las señales no son sinusoides ni circunferencias perfectas porque estamos utilizando señales que son "más o menos cuadradas" y las capacidades de los instrumentos son limitadas, sin embargo aún con estos errores, podemos comprobar que el circuito funciona según lo esperado.


Puesta en marcha

Una vez que tenemos el circuito terminado, tenemos que instalar en el PC el software correspondiente. Exísten infinidad de programas gratuitos para SDR, pero yo de momento me he centrado en el HDSDR porque es el más sencillo para hacer pruebas y el SDR-RADIO que tiene mejor interfaz gráfica y funciones, aunque es más complicado de manejar.

En esta arquitectura de SDR la tarjeta de sonido realmente es una parte del receptor y por lo tanto las características de la misma van a condicionar su rendimiento. Lo primero es la velocidad de muestreo, una tarjeta típica tendrá una velocida máxima de 48 Kbit/s y por lo tanto el "trozo" de espectro que podremos ver será de 48 KHz máximo. Si tenemos una tarjeta mejor, podremos ver hasta 96 o hasta 192 KHz, lo cuál no esta nada mal. Por cierto, he comprobado que el circuito softrock da una salida bastante lineal con señales de hasta 200 KHz de separación respecto a la frecuencia de sintonía con lo que teóricamente tendríamos acceso 400 KHz de ancho de banda de espectro si tuviésemos un conversor A/D de 800 KHz de tasa de muestreo.

Otros aspectos de la tarjeta de sonido que influyen en el resultado son el margen dinámico, ruidos internos y la diferencia de fase entre canales. Sobre este último se puede realizar un ajuste con los diferentes software SDR para compensar el desfase entre canales. Para ello, inyectamos una señal de RF separada 10 KHz de la frecuencia de sintonía y ajustamos hasta minimizar la frecuencia imagen que se genera. Por ejemplo, sintonizamos 7,000 MHz, inyectamos señal a 7,010 MHz y ajustamos para minimizar la portadora imagen que aparece en 6,990 MHz.


Creo que mi tarjeta de sonido no debe de ser muy buena (es la integrada de un portátil) porque no he conseguido los 70 dB de atenuación teórica para la portadora imagen, aunque sí se minimiza bastante. Por otro lado en el centro de la banda aparece un ruido en forma de campana que sospecho que debe ser generado internamente por la tarjeta o por algún otro elemento porque varía en función de las bandas. De todos modos, una vez conectada la antena, si las señales de RF son fuertes este ruido queda enmascarado. Más adelante investigaré con otros ordenadores y tarjetas de sonido.


Funcionamiento

Por ahora no he hecho muchas pruebas, pero sí que he podido sacar algunas conclusiones preliminares:

  • La sensibilidad es comparable a la de un receptor de HF tipo DEGEN 1103 (que no esta mal).
  • La selectividad es magnífica porque sólo depende del sofwtare.
  • El procesado DSP del sofware es muy efectivo para eliminar el ruido.
  • Con señales fuertes de radiodifusión aparecen señales fantasma por toda la banda fruto de la intermodulación, con señales de radioaficionados no lo he observado.
  • Con la arquitectura de conversión directa, creo que el resultado es fuertemente dependiente del tipo de antena que estemos utilizando (tengo que investigar más en esta línea).
 Ejemplo de recepción se señales CW y digitales:


Ejemplo de recepción de señales LSB en 40m:


Las figuras anteriores muestan lo que para mí es lo más interesante del SDR y es la capacidad de representar una porción del espectro de radiofrecuencia en tiempo real. Sin duda, el poder analizar las formas espectrales y variación en el tiempo de las diferentes señales es lo que marca la gran diferencia entre el SDR y un receptor convencional. Para estar escuchando durante horas resulta muy aburrido estar frente al ordenador, sin embargo para realizar pruebas de todo tipo y análisis de señales este SDR resulta una herramienta muy, pero que muy valiosa.

 


Espero que haya sido de interés, voy a seguir haciendo pruebas y en el próximo artículo relizaré un análisis más detallado sobre el rendimiento, incluyendo vídeos, capturas y una compartiva con el FT-897.

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