¿Necesito un ordenador?

¿Por qué necesito un ordenador? ¿No hay otra solución? Muchas de las SDR actuales, basan la parte de su proceso de señal en un ordenador personal. Esta solución es cómoda para quien debe desarrollar la aplicación, ya que dispone de un medio de enlace con el usuario que es muy cómodo: pantalla color, teclado completo, salida de sonido... además de medios que facilitan el desarrollo como un procesador potente y un entornod e programación cómodo.

Para el operador de una estación fija, esta es una buena solución. Un ordenador personal puede además servir de centro de control de los diferentes equipos de la estación. Sin embargo, para quien gusta de salir al campo puede no ser una solución tan cómoda ¿o sí? He observado que hay operadores que precisan el "interfaz" clásico de numerosos botones especializados en cada una de las funciones del equipo, mientras que comienza a aparecer una minoría que se siente más cómoda con los mandos "virtuales".

Pero volvamos a la cuestión esencial: ¿Es necesario un ordenador?. Por supuesto, es necesario un proceso que debe ser realizado por un procesador adecuado. Pero este procesador no tiene porqué ser el de un ordenador personal. Puede ser un ordenador de bolsillo en forma de PDA o teléfono móvil avanzado.

La gran ventaja de una radio digital es que todas las operaciones se efectúan en software. El ordenador puede sustituirse por un panel frontal que tenga los mandos que el usuario desee. La ganancia de RF en recepción, por ejemplo, ya no requiere un potenciómetro conectado a una circuitería específica. En su lugar es un comando software. Si se quiere recuperar el potenciómetro como forma de control se debe conectar a un procesador, de forma que traduzca su movimiento en las órdenes correspondientes. Mejor aún se puede emplear un codificador óptico mucho más duradero. Lo podemos poner a la derecha o a la izquierda del panel de mandos, ya que deja de ser un elemento sensible al ruido.

De hecho, muchos equipos comerciales, sin ser totalmente SDR ya funcionan así. Pongamos como ejemplo el IC-706 cuyos mandos son separables del cuerpo del transceptor. Gracias a ello se podría concebir un panel de mandos para el IC-706 (mejor aún para cualquier SDR) como el del IC-7800 del mismo fabricante.

Conseguir un sistema "universal" de comunicación entre la radio y su control es la vía para tener soluciones que se adapten a cualquier gusto. Ya se han hecho algunas incursiones en este campo y haré algunas menciones en otro momento, pero por ahora me gustaría saber su opinión ¿Es usted de los que opinan que las radios siempre tendrán botones, o que algún día todo se operará desde unas gafas virtuales? Recuerde que en todo caso, la SDR satisfará sus gustos.

Una clasificación SDR

Ya he hecho mención con anterioridad a los diferentes conceptos a los que se aplcia el término SDR, y mi opinión al respecto. Hoy quiero traer aquí una clasificación exahustiva y detallada.

Christophe (F4DAN) clasifica los SDR en su página. Me parece una clasificación interesante sobre la que me gustaría hacer algunos comentarios. Si clasificación se basa en seis conceptos clave que incluyen desde el método de muestreo al control de la radio.

A partir de estos conceptos ha elaborado una lista -actualizada el 13 de diciembre de 2008- que clasifica los SDR en varios tipos de realización. A la vista de esta lista, las realizaciones más abundantes se basan en la digitalización de una señal en cuadratura (I/Q) en banda base empleando los dos canales "estéreo" de una tarjeta de sonido. Esta es la realización que puede encontrarse en el SDR-1000, o en su hermano pequeño SoftRock-40. Le siguen de cerca las realizaciones en las que el convertidor A/D es externo.

Obviamente, la conversión necesaria para obtener la señal I/Q previa a la digitalización puede tomar diferentes formas, generalmente analógicas y con diferentes resultados.

El uso de un convertidor externo, evita las diferencias de recepción debidas a las diferencias de calidad entre los conversores de los diferentes ordenadores, así como el acoplamiento de la señal analógica -niveles, impedancias...-

Debo hacer mención a los dispositivos que el colega F4DAN clasifica como soluciones del tipo IV-a y IV-b: Digitalización mediante ADC dedicado de la señal RF en antena. La diferencia entre los dos es el método empleado en la conversión de frecuencia. Estos son los dispositivos más aproximados a un SDR "de los pies a la cabeza", ya que la señal de antena apenas sufre tratamiento antes de su conversión A/D, comenzando desde ese momento el tratamiento digital y no volviéndose a una señal analógica hasta que debe pasarse a una señal de audio -lo que con modos digitales no es necesario-.

Merci Christophe!

SDR de los pies a la cabeza

Las siglas SDR son un acrónimo de "Software Defined Radio", es decir: radio definida por software.

El proceso de digitalización de las radios no es nuevo y yá comenzó cuando se las dotó de circuitos que podían controlarse remotamente a través de comunicaciones. Este primer paso, si bien podía permitir cambiar remotamente la frecuencia o el modo de recepción, era una mera sustitución de algunos de los componentes mecánicos de control por componentes controlables electrónicamente. En realidad, la tecnología de la radio en sí cambiaba poco o nada. El recorrido de la señal desde la antena al altavoz y desde el micrófono a la antena no sufría cambios en estos equipos respecto a sus predecesores.

Aprovechando las ventajas que oferecía el proceso digital de señales, en algunos equipos avanzados se sustituyó parte del proceso de audio por digital. Con anterioridad estos procesos se colocaron en dispositivos externos a la radio. EL proceso de la señal de audio es de los más simples en una radio, ya que el ancho de banda y las frecuencias de las señales tratadas se sitúan en valores muy bajos. Esto ya comienza a presentar uno de los aspectos que definen una SDR: Es posible alterar mediante el software en estos procesadores el comportamiento de los mismos. Filtros, compresores, vox... y otros procesos de audio se pueden modificar simplemente cambiando un software.

A medida que la frecuencia de trabajo de los componentes de proceso digital aumenta, se pueden hacer más y más cosas con ellos. En el siguiente paso de integración de proceso digital en radio, se incluye como parte de éste la generación y demodulación de los diferentes modos. Así, incorporar a un transceptor un modo poco habitual DSB (Dual Side Band) no sólo es factible sino que se convierte en una simple cuestión de software. Y si se quiere añadir un modo de voz digital, como el AMBE propuesto en el clásico artículo "Practical HF Digital Voice" de Charles Brain y Andy Talbot (G4GUO y G4JNT) sólo es cuestión de modificar el software.

Ni que decir tiene que el elemento que ejecuta el software debe disponer de la potencia suficiente para ejecutar todos los algoritmos necesarios en tiempo real. Podemos pensar ya, que puesto que podemos procesar la señal de cualquier modo, ya tenemos todos los modos, pero no es así. Esta estructura funciona con la señal obtenida/generada sobre una frecuencia intermedia cuyo ancho de banda está prefijado por el resto de la radio, la parte analógica. Si este ancho de banda es de, pongamos, 3KHz, no se podrá construir un modulador o un demodulador efectivo de modulación DRM (Digital Radio Mondiale) que ocupa entre 4,5 y 10 KHz. Peor aún sería la situación si se quiere emplear un modo Spread Spectrum basado en saltos rápidos de frecuencia.

Una radio SDR debe cubrir TODOS los aspectos necesarios mediante software y dentro de su ancho de banda. Así, si se trata de una radio de HF, debe ser capaz de reconfigurarse completamente mediante software y el único modo es que TODA su circuitería -excepto la de transición entre medios analógicos y digitales- sea digital.

El siguiente paso es el que está afrontando la tecnología en este momento: La conversión directa al mundo digital o la generación directa de señales a frecuencias de decenas de MHz. Para proceder a este asalto se precisa disponer de convertidores analógico/digitales con velocidades de muestreo adecuadas y resolución suficiente. La segunda parte precisa el empleo de componentes de proceso digital capaces de funcionar a la velocidad de estas frecuencias de muestreo. Ambas necesidades se pueden satisfacer con los componentes actuales.

Aunque ya existen equipos que funcionan de este modo, es un momento de intensos estudios y debates. La tecnología analógica se ha desarrollado durante décadas por lo que está muy madura, mientras que la tecnología digital en este campo acaba de llegar. ¿Se impondrá la tecnología digital?. Debe decir que YA se ha impuesto. Prácticamente todos los equipos de comunicación digital, tales como teléfonos móviles y estaciones base para los mismos, TDT, TETRA y otros ya se basan en buena parte en proceso digital. Así convertir una estación móvil de telefonía desde 3G hasta 4G es una cuestión de... ¡software!

En este punto nos encontramos con lo que yo considero una verdadera SDR: Conversión analógico a digital lo más próxima posible a la antena y conversión digital a analógico -si es necesaria- lo más próxima posible a la oreja. Si todos los componentes intermedios son digitales todos pueden ser reprogramables y la construcción de una radio "a medida" será cada vez más sólo cuestión de software. Una radio que es casi en su totalidad cálculo matemático.

El ordenador personal como DSP

Cualquier componente capaz de efectuar cálculos matemáticos resulta adecuado para implementar DSP. El procesador de cualquier ordenador de sobremesa es capaz de hacer cálculos, por lo tanto es adecuado como DSP.

El ordenador personal dispone además de medios de interacción con el usuario (pantalla, teclado, altavoces…). Si se quiere diseñar un sistema DSP, el empleo de un ordenador personal simplifica la tarea. Tal es así que podemos encontrar el ordenador como elemento de proceso en gran número de soluciones.

PERSEUS, SDR-14 o FLEX-1000 son algunos ejemplos de SDR que están apareciendo recientemente y que precisan un ordenador personal para funcionar correctamente. El proceso de la señal para obtener audio en diferentes modos, efectuar filtrajes… y otras operaciones relacionadas con el proceso de señal se hace en el ordenador. El proceso de cálculo necesario para observar el espectro de la señal también se hace a partir de las muestras. El control de la radio, tal como selección de frecuencia no tiene nada que ver con el proceso digital dentro del ordenador.

Existe, sin embargo, una diferencia entre los dos primeros dispositivos y el tercero. En los dos primeros las muestras digitales se obtienen directamente de la radio, mientras que en el tercero las muestras las obtiene el propio ordenador. La señal que entra en el ordenador es analógica y se introduce a través de la entrada de audio. Los dispositivos de entrada de audio de los ordenadores son convertidores analógico/digitales que convierten la entrada analógica en muestras procesables.

La calidad de un proceso digital (el que se efectúa después de haber obtenido las muestras) depende de dos factores: La precisión en el cálculo y el número de cálculos. Cualquier ordenador puede hacer cualquier número de cálculos con cualquier precisión, sólo es cuestión de tiempo. Pero en radio digital no se tiene tiempo. La entrada de datos para ser procesados es constante, por lo que la precisión y número de cálculos se ven limitados en función del procesador empleado.

Por un lado, el ritmo de entrada de datos depende del ancho de banda de la señal que se va a tratar (Como mínimo el doble de muestras por segundo que el ancho de banda de la señal en Hz, tal y como se demostró mediante el teorema de Nyquist). Así, si se quiere una visión panorámica de, pongamos, la parte de CW de la banda de 10m se precisarán al menos (desde 28000 a 28070 KHz) 140000 muestras por segundo (160000 es un valor práctico que evita las limitaciones prácticas de aproximarse al límite teórico).

El número de cálculos que pueden hacerse se suelen estimar por cada nueva muestra. A la velocidad del ejemplo anterior, se obtiene una nueva muestra cada 6,25 microsegundos. El número de cálculo que pueden hacerse entre muestra y muestra será mayor cuanto mayor sea la velocidad del procesador, y mayor cuanto menor sea la precisión en los mismos.

Algunos cálculos requieren un proceso en “tiempo real”, y no admiten pérdida de muestras, si se quiere obtener una salida correcta. Un ejemplo de tal proceso es la conversión audio de una señal con modulación USB. Sin embargo el anteriormente mencionado de visión panorámica, aunque maneja muchos datos no precisa una visión en tiempo real.

El ancho de banda de una señal USB es de 3 KHz, así que, siguiendo el criterio anterior, podemos estimar que basta con una muestra cada 125 microsegundos (a 8 KHz) para tratar la señal lo que amplía la capacidad de cálculo.

El proceso digital de señales se basa en una cuidadosa selección de técnicas de cálculo y su implementación en un sistema determinado para obtener el mejor resultado posible. La selección de ritmos de muestras, algoritmos y precisión de los cálculos junto con otras técnicas para el máximo aprovechamiento de los recursos del procesador empleado y del entorno disponible son la finalidad de este trabajo.

La figura muestra una parte de un menú del programa Spectravue, en su ventana de configuración del receptor SDR-14. Aquí puede apreciarse cómo el sistema es capaz de demodular (ya que funciona en tiempo real) con anchos de banda de 50 KHz, de 100 Khz y de 150 KHz. A 190 KHz ya “avisa” de que no puede funcionar con todos los PC. En el resto de anchos de banda (entre 1 y 4 MHz en la imagen) no es posible la demodulación, pero sí la visualización del espectro (que no precisa tiempo real o TODAS las muestras).

Lo analógico y lo digital ¿Cuánto vale “pi”?

“El mundo es analógico” dicen entre otros los melómanos que prefieren un disco de vinilo o una cinta magnética a un CD. Sin entrar en disquisiciones relacionadas con la física de partículas aceptaremos que es así. Al menos hasta donde somos capaces de apreciarlo con nuestros sentidos y nuestros instrumentos. Los matices con los que un violinista puede tocar su instrumento son infinitos. La fuerza con la que aprieta la cuerda contra su violín puede tomar cualquier valor y producirá un resultado diferente en cada caso. Infinitas posibilidades.

Podemos decir que la velocidad con la que mueve el arco sobre las cuerdas de su violón puede cambiar en valores inapreciables para el oído humano. Ahí precisamente está la clave: ¿Cuánto es “inapreciable”?

Pregunto a un estudiante de bachillerato: ¿Cuánto vale pi?: y obtengo como respuesta: “Tres catorce dieciséis”. ¡Pues no!, le comento, ese valor no es exacto. “Espera, pi vale: (dirigiéndose a su ordenador) 3,1415926535897932384626433832795” Le debo contestar de nuevo: ¡Pues no! “Es que es imposible, pi tiene infinitos decimales, pero con estos es más que suficiente”.

¡Más que suficiente! De nuevo escuchamos el término clave. Efectivamente, para nuestros cálculos prácticos hemos tomado el número pi, y lo hemos “digitalizado”, es decir lo hemos pasado a un valor “aproximado”. Si bien la segunda respuesta es mejor que la primera (más precisa), en muchos casos nos puede valer con la primera. En otros no. Pero siempre existirá un límite práctico.

Aunque sobre el papel lo analógico es más preciso que lo digital, en la práctica debido a diferentes limitaciones no siempre es así. Creo que a lo largo de este viaje tendremos ocasiones para discutir cuándo es realmente mejor una sobre otra, y cuándo se trata simplemente de una percepción “romántica”.

¡Ah!, por cierto, el valor exacto pi no se puede representar en forma digital. Para un matemático se representa simplemente como: “π”. Este no es un valor cómodo para un proceso digital. Para quien quiera un valor numérico algo más preciso que los anteriores, puede encontrar un póster (para comprar impreso o para descargar en formato PDF) con el valor de los 350349 primeros decimales en: http://unihedron.com/projects/pi/index.php además del código fuente para generarlo.

¿Otro blog sobre radio digital?

Pues sí. No puedo resistirme a dar mi punto de vista sobre este fenómeno que desde hace unos años es importante tema de debate.

En primer lugar quiero dejar claro qué es lo que yo considero radio digital. En un sentido estricto, no existe (al menos actualmente) ninguna radio digital, si por radio digital se entiende un dispositivo en el que todos sus componentes funcionen en base a procesos digitales.

Sin embargo, la tecnología digital avanza constantemente de forma que cada vez más circuitos de radio “clásicos” se pueden sustituir por procesos digitales.

Trataré en este blog de analizar las tecnologías empleadas, mantenernos al día en los dispositivos nuevos que aparecen, y comprender cómo estas técnicas pueden sustituir ventajosamente (o no) a las clásicas.

Pero especialmente, trataré de aclarar los conceptos para poder comprender todo lo que subyace dentro de estos (no tan nuevos) conceptos de proceso digital.

Debo explicar algo sobre el título. El título actual es: “DSP, SDR, RADIO… Y MÁS”. DSP y SDR son dos términos que a veces se usan separados pero que deben in juntos. Intentaré aclararlo en mi próxima entrada. El término RADIO está porque cuanto aquí se hable estará en torno a la radio. ¿Y MÁS? Pues también quiero hablar de otras cosas relacionadas con la radio moderna, y que de momento me reservo. Sin duda serán mis posibles lectores lo que sugieran el camino a seguir en función de sus sugerencias y de mis conocimientos.

Todo el proceso digital se fundamenta en esa asignatura que (casi) todo el mundo odia en la escuela: las matemáticas. Pero la radio se fundamenta en esos extraños dispositivos, muchas veces aparatosos, que son capaces de convertir energía eléctrica en electromagnética capaz de viajar por el éter o una parte de esta última de nuevo en eléctrica para nuestra satisfacción cuando apretamos con las manos los auriculares nuestros oídos para.

Por eso he subtitulado el blog “Un viaje de ida y vuelta entre las matemáticas y las antenas”.

Espero vuestros comentarios y críticas, y… ¡comenzamos el viaje!