lunes, 27 de abril de 2009

Más bits... mejor SDR ¿no?

Pues me parece que puede que sí puede que no. ¿Más "mexapixels" mejor cámara? ¿Más Megabytes mejor ordenador? ¿Más caballos mejor coche?...

La tendencia natural de nuestra mente es la de efectuar modelos simples de todo. Ver la mejora de una SDR desde el punto de vista del número de bits en la conversión es simplificar mucho las cosas. Cuando se efectúa un modelo teórico inicial de un proceso digital se parte de muestras tomadas a intervalos regulares. Normalmente se analiza a fondo la resolución del convertidor, pero no la irregularidad en la toma de muestras. Además, se habla de bits de salida del convertidor, sin tener en cuenta los fenómenos internos que hacen que la medida no sea totalmente exacta.

Al analizar un convertidor A/D debemos tener en cuenta su resolución real -una vez descontados los errores debidos a la no linealidad y al ruido entre otros factores-. Este es un parámetro que se define como ENOB en algunas hojas de datos -"Effective Number Of Bits" o número efectivo de bits-. Pero este factor no expresa la distorsión debida a los defectos de diseño del circuito final.

El convertidor A/D es un cirucito en buena parte analógico y debe tratarse con el cuidado de cualqueir circuito analógico. Una alimentación mal filtrada en un circuito digital puede limitar su velocidad máxima de funcionamiento, pero no la precisión de los cálculos. En un circuito analógico afecta al nivel de ruido. Así, aspectos como el acoplo de impedancias, la linealidad de la circuitería entre otros afectan a la respuesta global.

Pero uno de los aspectos más delicados es el derivado del "temblor" -jitter en inglés- de la señal de reloj para la toma de muestras. Si la muestra no está tomada en su instante preciso, sino en otro momento anterior o posterior, por preciso que sea el convertidor y libre de ruido que sea la señal al tener un valor diferente, este valor se puede considerar como ruido.

Así, para mejorar el rendimiento del equipo SDR, antes de aumentar la resolución del convertidor A/D posiblemente nos tengamos que plantear si nuestro oscilador maestro permite al dispositivo tomar las muestras con el mínimo desplazamiento. En frecuencias de audio esto no suele ser un problema, pero en frecuencias altas -por ejemplo, receptores HF directos a frecuencias de muestreo entre 60 y 80 MHz es un serio problema-.

Si piensa que a su receptor de conversión directa a I/Q -SoftRock o similar- no le afecta este problema porque la conversión se efectúa a frecuencias de audio, reconsidere su postura: ¿Cómo es el reloj de su convertidor?. Porque los errores del oscilador maestro pasará a audio. Ya no es problema del A/D o de su reloj de referencia. Simplemente, el problema se ha trasladado a otro punto.

Por otra parte, si cree, que al final un poco más o menos -unos pocos dB- tienen poca importancia, pregúntele a alguiente que trabaje rebote lunar, VLF o algunos modos digitales en HF.

Los diseñadores incorporan constantes mejoras a los dispositivos convertidores A/D de alta velocidad para mejorar su ENOB, y su propio ruido interno. Nosotros debemos ayudar a que el conjunto no degrade estas características. En el diseño de un convertidor A/D uno de los mayores retos es el de evitar que el elevado ruido producido en la parte digital del circuito no afecte a la parte analógica del mismo. Colaborar para que este aspecto no empeore es la tarea del diseñador del sistema que emplea el componente.

Finalmente señalar que dependiendo del tipo de convertidor, y especialmente en los de audio y en los de alta velocidad, en lugar de ENOB se da el dato del SINAD -Signal to Noise and Distortion , es decir, la relación entre la energía de la señal y la del ruido más la distorsión -. A partir de esta es fácil deducir un ENOB. No presento la ecuación, para hacernos una idea, diremos que 48 dB equivalen a 8 bits, 72 dB a 12 bits y 96 dB equivalen aproximadamente a 16 bits. El convertidor AD6644, que se emplea en el receptor SDR-14 declara una SINAD entre 73 y 74dB en diferentes condiciones, lo que equivale aproximadamente a 12 bits efectivos. Como contraste, un jitter de un 1% en la señal de reloj (A 80 MHz son 125 ps. rms) degrada la señal en el equivalente a 3 bits.

Para saber más y tener un punto de vista más técnico y preciso, el siguiente documento de Analog Devices efectúa un análisis detallado: "Phase Systems and the Effect of clock phase noise and jitter". Analog Devices tiene numerosos estudios dedicados a esta cuestión.

viernes, 24 de abril de 2009

No dejo de sorprenderme

Internet es, sin duda para mí, el medio de comunicación más potente que ha desarrollado el hombre. Tal es así, que al contrario que en la vida real, a internet sólo le salen por todas partes "padres" que en muchas ocasiones poco o muy poco tuvieron que ver en su desarrollo. Con tantos padres putativos no cabe duda de que el hijo debe ser guapo.

En realidad quería comenzar diciendo que a pesar de las búsquedas, cruces de datos y la organización permanente de la información que voy encontrando en internet sobre SDR, siempre aparece algo nuevo que me sorprende. Y es que hoy quiero escribir sobre el trabajo de alguien a quien debía haber llegado antes, pero que reconozco que acabo de descubrir: James Ahlstrom (N2ADR).

He tenido acceso a su página y a su artículo en QEX de Mayo/Junio de 2008. Aunque los principios para la transmisión mediante SDR son conocidos, este trabajo supone una excelente introducción práctica a las técnicas empleadas. Lo único que podría criticar, es que el sistema no emplea la "última tecnología". Pero sin duda, expresa con absoluta perfección algumos de los conceptos que se manejan en SDR.

Una de las ideas que se puede extraer de este artículo es que las comunicaciones, especialmente las comunicaciones modernas como internet, permiten la distribución del proceso software en puntos muy separados físicamente. Parte se puede hacer aquí, parte allí, parte en ordenadores distribuidos por el mundo. En este caso, parte del proceso de señal se hace en un ordenador personal, parte en un microcontrolador -comunicándose ambos elementos a través de protocolos IP, y pudiendo estar muy separados físicamente- parte en una FPGA.

Otra de las ideas que se extrae del artículo es el concepto del software como descripción del hardware. La FPGA es también un elemento programable. Por lo tanto, también puede considerarse un elemento software de una SDR. La diferencia es que en su programación no se define una secuencia de operaciones mediante un programa, sino una serie de acciones y un comportamiento que se traducirá en un "hardware". Una FPGA se puede configurar para efectuar operaciones simples a altas velocidades frente a un procesador general que puede efectuar procesos complejos a velocidades menores.

En este ejemplo, la señal que se va a transmitir se genera mediante métodos digitales a una frecuencia baja mediante un procesador -el de un PC- que se especializa en tareas complejas a baja velocidad -de ahí la baja frecuencia de salida-. Una vez se tiene la señal en banda base, la labor de generación de la frecuencia portadora y traslado de frecuencia de la señal (up-conversion) se gestiona adecuadamente mediante una FPGA ya que esta tarea es más simple pero requiere mayor velocidad. La salida digital se pasa a analógica mediante un convertidor D/A -él enlace entre el mundo digital y el analógico-y el resto es circuitería clásica: amplificadores, filtros...

Trabajando sobre el proceso en banda base, es posible añadir nuevas formas de modulación, analógicas o digitales, simplemente desarrollando nuevo software.

Sin duda una gran fuente de inspiración para seguir adelante. El software está disponible para su estudio -incluyendo el código de la FPGA-. Por si fuera poco, James también nos obsequia con un receptor SDR a partir de señales I/Q escrito en lenguaje python por lo que sirve para diferentes sistemas operativos, y otros proyectos y comentarios. Ante tal abundancia de información no sólo podemos decir: Many Thanks James!

jueves, 23 de abril de 2009

El comunicador universal

Áyer me llegó el número de Abril de 2009 de "ieee spectrum" una publicación del IEEE. En el se incluye un artículo titulado "The Universal Handset" que he traducido libremente como "el comunicador universal".

En él se menciona la tendencia a disponer de un dispositivo que cabe en un bolsillo o en la palma de la mano y que basado en las técnicas SDR puede adaptarse -como dispositivo terminal de una red celular y perdón por el rollo para definir lo que llamamos habitualmente "teléfono móvil"- a WiFi, 3G, WiMax entre otros modos de comunicación.

También en el artículo se hace referencia a los orígenes de la radio digital, a los que no he dedicado aún ningún comentario. Un nombre ligado a esta tecnología es Joseph Mitola III, quien acuñó el término SDR, al timepo de estar implicado en el desarrollo de lo que hay podemos considerar la primera SDR completa: "SPEAKeasy". Esta radio, que ocupaba un armario de dos metros de altura y algo de su historia se puede encontrar aquí.

Pero lo que me ha parecido más interesante es un simple gráfico que detalla la evolución histórica de la de la radio hasta el SDR:
  • Radio hardware: Solamente es modificable mediante intervención física.
  • Radio controlada por software: Un ordenador selecciona la circuitería que se usa
  • Radio definida en software: El software se encarga de la demodulación, selección de frecuencia...
  • Radio definida en software "ideal": TODO excepto la conversión analógico/digital y opcionalmente una amplificación previa, se efectúa en software.

Me alegro de haber coincidido con los autores (Peter Koch y Ramjee Prasad) en la visión de lo que debe ser una SDR.

Por su parte, Mitola está dedicado al siguiente paso en radio. La "radio cognitiva". Pero de eso y su relación con la SDR hablaremos otro día.

viernes, 17 de abril de 2009

SDR en uso militar

Las técnicas SDR se usan profesionalmente en numerosos dispositivos radio. Hay en día resulta difícil encontrar, por ejemplo, un equipo de radio en una célula de telefonía móvil que no las emplee. Los receptores Inmarsat D+ de hace unos años aún pueden reconfigurarse y mejorarse por estar basados en tecnologías SDR. Todos estos equipos suelen estar basados en tarjetas montadas en armarios, situadas en salas protegidas frente a cambios bruscos de temperatura y pérdidas de alimentación.

Cuando un radioaficionado piensa en una radio, piensa en un equipo que pueda colocar sobre su mesa, en su coche o llevar colgado del cinturón. Hay un tipo de cliente aún más exigente en este campo: el militar. Además de la robustez exigible a un equipo militar, se requiere cada vez más una simplificación en cuanto a su uso.

La familia de radios tácticas Harris RF-7800 dispone de dispositivos fuertemente basados en tecnologías SDR para ofrecer equipos muy flexibles. Esta familia comprende al menos los equipos RF-7800B, RF-7800I, RF-7800M y RF-7800MP que ofrecen diferentes soluciones de radios (personal, vehicular, fija...) totalmente interoprables en modos que pueden cubrir desde transmisiones de voz a comunicaciones de datos hasta 5Mb por segundo -lo que permite video en tiempo real-.

Aunque estas radios carecen de modulaciones clásicas (USB, NFM...) debido a que están diseñadas para las necesidades militares, no me cabe ninguna duda de que un simple cambio de su firmware interno las permitiría funcionar con estas modulaciones. Y además, si en el futuro se decide cambiar por cualquier razón las modulaciones, estos será posible con una simple conxión de unos segundos a un ordenador personal.

Esta es la flexibilidad exigible a una SDR. ¿Se imaginan la formación necesaria para manejar la radio de la fotografía respecto a una RF-7800S? Para un militar, un soldado no debe ser un ingeniero de telecomunicación. Aunque tal vez hace 50 años casi lo fueran.

miércoles, 15 de abril de 2009

Control de las interioridades de una SDR

"Lo digital es más simple que lo analógico" podemos escuchar frecuentemente. Al fin y al cabo se basa en ceros y unos. LO analógico es complejo, ya que todo es sutil -infinitamente sutil-. ¿Seguro?.

Hace años, cuando aparecieros los primeros sistemas CAE para diseño de circuitos impresos, hablando con un profesional del diseño de los C.I. me cometo: "Yo comencé dibujando los circuitos impreos con plumilla. Entonces, irrumpió en el mercado el "Rotring". En aquel momento todo el mundo creyó que era capaz de diseñar circuitos. No fue así. Para simplificar aún más el proceso aparecieros los transferibles. Ahorá sí que cualquiera podría diseñar circuitos. Tampoco fue así. Ahora comienzan a aparecer los programas. Todo el mundo se cree capaz de diseñar circuitos. Pero tampoco será así".

Igual que un editor de textos no convierte a su usuario en escritor, ninguna máquina es capaz de convertir a un usuario esporádico en experto. Una nueva radio puede facilitar el uso a un usuario poco experto, pero un usuario conocedor de sus interioridades SIEMPRE será capaz de obtener mejores resultados.

Venga esto a cuenta de los SDR. Los SDR son equipos relativamente simples, en los que la mayor parte de los mandos son "todo o nada", mientras que en un receptor analógico avanzado los mandos manipulan aspectos sutiles del proceso de señal.

Voy a tomar al azar un transceptor moderno y potente: el IC756 Pro3. Solamente analizando el control de la recepción se dispone de numerosos mandos: RF gain, Squelch control, AF gain, preamp, attenuator, AGC, IF Shift, NR, NB, filter, RIT... Tomemos ahora un Flex-5000 y su pantalla de control, sin duda un control sofisticado. Para la recepción se tiene: AF, AGC, SQL, Filter (audio), NR, NB... ¿Que ha pasado, por ejemplo, con el IF-Shift?. Se trata sin duda de un control que requiere un cierto conocimeinto del funcionamiento interno del receptor para ser usado. En un SDR completo se puede emular bien este mando, pero resulta más práctico rehacer la cadena de recepción con nuevos filtros. En un SDR la gestión de rechazo de frecuencia imagen es una cuestión importante que requiere una reconfiguración completa del conversor digital a banda base. Sin embargo, es raro encontrar un mando que lo controle. Y si existe, ni siquiera está con ese nombre. Pero sería de gran utilidad para quien comprenda su funcionamiento.

La conclusión que yo obtengo es que un receptor digital puede automatizar ciertas tareas y simplificar el uso, pero que el final el operador es siempre quien puede extraer el máximo de un equipo. Y para que extraiga el máximo hay que cederle el control de los detalles y explicarle cómo funcionan. Y sin duda su experiencia servirá para mejorar los procesos automáticos y descubrir nuevas técnicas de operación que estarán pendientes de automatizar en el futuro.

sábado, 11 de abril de 2009

SDR... "OnLine"

Estos días de Semana Santa, como muchos fines de semana, me he trasladado. Dado que en otras ocasiones no pude hacer nada de radio después de cargar con equipos esta vez he decidido no llevarlos conmigo. Pero el tiempo no ha acompañado, así que he aprovechado para estar un rato conectado y escuchando a través de receptores SDR "online".

Quizá el más espectacular es el radioclub de la universidad de Twente, en Holanda. La página se accede a través de este enlace. El equipo dispone de tres entradas de señal I/Q analógicas en banda base, sobre convertidores A/D estereo, obtenidas a través de sendos mezcladores de muestreo en cuadratura, conocidos como "Tayloe mixer". Este es el tipo de mezclador que se utiliza en muchos diseños de convertidor simples, como el SDR-1000 o el SoftRock entre otros.

Puede verse fácilmente que la velocidad de muestreo es de 48 KHz para cada una de las tres bandas (el ancho de banda que puede verse en los espectros que aparecen). Por otra parte he podido ver hasta 43 usuarios accediendo al sistema de forma simultánea.

Lo que me interesaba más era la tecnología implicada. Para que las muestras obtenidas por el equipo servidor (48000*3 pares de muestras por segundo) sean trasladadas a información (espectro y audio) en el ordenador remoto (cliente) que accede al sistema se podrían emplear dos técnicas: Una consistiría en trasladar las muestras al ordenador cliente y hacer que éste efectúe las operaciones necesarias. Otra consiste en procesarlas en el mismo ordenador que recoge las muestras (servidor) y enviar únicamente información sobre el audio y el espectro. Esta es la que se ha escogido. Una tercera consistiría procesar una parte en cada extremo, pero en este caso no ofrece ninguna ventaja.

El primer caso requiere un ancho de banda hacia internet de unos 48000*3*2*16=4608000 -casi 5 Mbits/s- por cada acceso. Atender a 50 accesos simultáneos, supone un ancho de banda de algo más de 230Mbits/s. Si se aplica el segundo sistema, se deben enviar datos relativos al espectro y el sonido. Con un análisis rápido se puede concluir que el ancho de banda empleado es de aproximadamente 400000 bits/segundo por enlace, es decir, unas 11 veces menor. A la vista de los datos presentados en los espectrogramas y la calidad de vox, podemos deducir que algo más de la mitad -unos 250000 bits/segundo- se dedican a la presentación del espectro, mientras que el resto -unos 150000 bits por segundo- se dedican al audio. Estas cifras se deben tomar como una estimación.

Eligiendo la segunda opción se ha conseguido simplificar el tráfico de red, pero el proceso debe hacerse en el servidor. Para cada usuario debe incluirse el proceso de un receptor. En este sistema el receptor es siempre de USB o LSB con un filtro adaptado para el ancho de banda deseado. El hecho de añadir un nuevo proceso para cada nuevo receptor/usuario del sistema limita el número de usuario en función de la capacidad de cálculo. Esta es una cuestión analizada por los autores. Se ha llegado a conseguir mantener acceso a 100 usuarios (100 receptores) sobre seis bandas simultáneas bajo Linux en un Pentium-4.

Este equipo es experimental y presenta algunos problemas. Puede notarse, por ejmplo, que el centro de las bandas no recibe bien. Ello es debido a que las tarjetas de audio no funcionan en freceuncias muy bajas. La conversión I/Q traduce el centro de la señal recibida a frecuencias muy bajas. Sin embargo nos da una idea de lo que el proceso digital puede hacer.