Leif, y el universo Linrad

Si alguna vez le ha picado la curiosidad sobre SDR y ha "gugleado" (nuevo verbo para simplificar la acción expresada por la frase "buscar en google") SDR y otros términos relacionados se habrá topado tanto directamente como a través de numerosas referencias con el indicativo SM5BSZ.

Se trata de Leif Asbrink, un enamorado del CW y las comunicaciones EME además de un verdadero pionero de la SDR para aficionados. Sus primeras pruebas declaradas se remontan a 1995 pasando después por ordenadores personales bajo MSDOS y finalmente Linux en el año 2000.

Su serie de artículos de 2002 y 2003 en QEX bajo el título "Linrad: New possibilities for the Communications Experimenter" es todo uin detallado tratado sobre el tema. A estas alturas ya habrá adivinado que se trata del autor del programa Linrad (a pesar del nombre, también hay una versión reciente para Windows).

El programa Linrad, aunque menos usado que otros debido a su "incomodidad" de uso (la interfase de usuario no es la más moderna que podemos encontrar) es muy potente y supera a muchos otros más modernos, en la precisión y el detalle con el tratamiento de la señal, lo que compensa la curva de aprendizaje.

Si el trabajo en QRSS (CW de muy baja velocidad) o QRPp forma parte de sus actividades la ayuda del proceso digital de una SDR resulta de inestimable valor y el trabajo de Leif una fuente inagotable de ideas.

El uso de su propia tecnología le ha permitido situarse en los primeros lugares (varias veces en el primero) de los concursos EME con una estación modesta dentro de esta especialidad.

Su web está llena de información para quien desee conocer prácticamente todos y cada uno de los detalles referentes a una radio digital. Aunque su web puede resultar un tanto difícil de seguir, merece la pena invertir tiempo en escudriñarla hasta el más mínimo detalle.

Muchos de los que estamos en la tarea de desarrollar una SDR nos hemos inspirado o basado en mayor o menor medida en el trabajo de este simpático sueco barbudo que prácticamente nació con una radio bajo el brazo y así lo reconocemos.

Tack så mycket Leif!

De la importancia de lo analógico.

Aunque este es un tema que ya he tratado en otras ocasiones, debo volver a él tras constatar (en la práctica) su importancia.

Quien haya hecho sus pinitos con la SDR y PC sabe de la importancia que tiene la calidad de la conversión A/D en el proceso. La diferencia de unas tarjetas de audio a otras puede ser la diferencia entre un recepción agradable o una imposible (sin hablar aún de la transmisión).

Avanzando en mis experimentos ha llegado el momento de pasar por el mundo analógico. Ayer, dos conversiones de este tipo debían realizarse: La primera, una conversión D/A mediante el codec del KIT OMAP y la segunda una conversión A/D en mi ordenador portátil. Tras varias simplificaciones, un experimento simple: Generar una portadora en formato I/Q a través de una salida analógica estéreo y analizarla mediante una aplicación PowerSDR a través de una entrada de audio. El resultado: una banda lateral no deseada, a -36 dB de la deseada, y eso ajustando el nivel de salida a un valor "óptimo".

Por si fuera poco, al aumentar el volumen para escuchar la señal, aparecían nuevos espúreos aparentemente debidos al acoplamiento entre la señal de audio de salida y la entrada y un zumbido de 50Hz rayando lo insoportable.

Y ahora... ¡a localizar el problema! ¿Qué parte de la culpa es del convertidor digital a analógico?, ¿Qué parte de la culpa es de la circuitería analógica que sigue? ¿Qué parte de la circuitería analógica y den convertidor analógico a digital? ¿Qué parte del cableado, del acoplamiento de niveles e impedancias? ¿Qué parte...?. Sin duda no es un solo problema sino muchos, y habrá que analizar el problema en cada paso de forma separada.

Como si no estuviese bien aprendida, la lección reaparece: aunque el proceso digital sea repetible, siempre existirán en el diseño elementos analógicos que pueden influir en el resultado final de forma importante. Sólo si te tienen en cuenta todos los detalles del diseño se obtendrá el máximo rendimiento. De otro modo el rendimiento lo fijará el peor de los componentes de la cadena, sea cual sea éste.

Para aclarar algo: Una desviación de amplitud (error de equilibrio) de un 1% entre los dos canales I/Q que se produzca entre la entrada al convertidor D/A y la salida del convertidor A/D (todo el camino analógico) es suficiente para que aparezca el espúreo descrito.

El fonómeno es tan común que prácticamente todas las aplicaciones SDR incluyen algún medio para compensarlo en la medida de lo posible. Pero esta nunca es una buena solución. Es como decir que podemos excedernos con la comida porque existen los antiácidos. ¿Es lo mismo que no haber necesitado el antiácido?.

Los principios básicos

Me encontraba ayer desarrollando un demodulador de banda lateral para el DSP que incorpora el OMAPL137 y decidí documentar el trabajo. Como parte de la documentación quería incluir un esquema del proceso. En lugar de dibujarlo pensé en copiarlo de cualquiera de los muchos documentos en los que se incluye. Sólo era cuestión de encontrar uno que me gustara.

Acudí al disco duro en el que guardo los documentos que tengo en formato electrónico y las referencias a mis libros de papel y busqué todo lo que contuviera "DSP". Muchas referencias, tantas que buena parte de ellas ni recordaba que las tenía. Así que en lugar de dedicarme a lo que me llevó allí, comencé a ojear libros sin buscar nada concreto, solamente viendo el tratamiento que se daba en cada uno de ellos. Después busqué por "SDR" y continué afanado en mi tarea.

Tras invertir un par de horas volví a lo que realmente me ocupaba: la búsqueda del dichoso dibujo. Mi sorpresa fue que en la mayor parte de los libros dedicados a comunicaciones, DSP y SDR no existía tal dibujo. Bueno, me dije, sé donde encontrarlo inmediatamente: En la serie de artículos publicados en QEX en 1998 por KF6DX/7 -Dough Smith- bajo el título "Signals, Samples and Stuff: A DSP Tutorial" (En este enlace hay mucho material relacionado con DSP). Y allí estaba. La calidad era suficiente, pero me dije ¿no habrá uno más moderno? También sabía dónde buscar: En la versión edición 2009 del ARRL Handbook. El capítulo 16 está dedicado a DSP y SDR y seguro que tiene algo. Como incluye el libro en CD seguro que tiene más calidad.

Una de las cosas que resultó evidente es que no tengo tiempo para leer todos los libros y artículos que compro o caen en mis manos. Cual fue mi sorpresa al comprobar que prácticamente todo el capítulo era la serie de artículos que he mencionado antes con pequeñas correcciones en el orden de presentación y algún pequeño añadido.

De vez en cuando se encuentran libros y artículos en lo que el autor refleja claramente los conocimientos que son fundamentales y demuestra una comprensión completa y una elevada capacidad en la presentación de estos conocimientos. Demos las gracias a quines hacen este esfuerzo y en esta ocasión al preclaro Isaac Asimov, quien me introdujo durante mi infancia y juventud en el conocimiento de la ciencia.

¿Cómo funciona un QDC?

El QDC (Quadrature down converter) también llamado a veces "Tayloe Detector o Tayloe Mixer" es una de esas ideas simples que parece que no pueden funcionar debido a lo sencillas que son.

La idea detrás de un QDC es la misma que nay detras de cualquier mezclador analógico: La multiplicación de un señal por otra de frecuencia fija para trasladar la primera.

Desde un punto de vista analógico podemos considerar el QDC un mezclador doble en el que la señal de mezcla con una señal cuadrada en lugar de una sinusoide. La señal cuadrada tiene componentes de frecuencia superior (armónicos). El efecto producido por la presencia de armónicos se reduce de dos formas: Los armónicos son de amplitud inferior a la fundamental y la entrada de señal al QDC se filtra para que no llegue la señal correspondiente. Por ejemplo, si la portadora empleada es de 7 MHz, el primer armónico visible será de 7*3=21 MHz. Así pues, el QDC trasladará a baja frecuencia las señales alrededor de 7MHz, pero también las de 21 MHz. La forma de resolver esto es poner un filtro en la entrada que rechaze los 21 MHz.

Desde un punto de vista digital lo podemos considerar como un muestreo de señal a velocidad de cuatro muestras por portadora. En un ciclo completo, los valores de la portadora para esas cuatro muestras serían:

• cos(0)=1, cos(pi/2)=0, cos(pi)=-1, cos(3*pi/2)=0

Así pues, nos basta con tomar la primera y la tercera invertida.

Como el convertidor es "en cuadratura" para obtener un formato I/Q, se emplea otra portadora en cuadratura, es decir, obtenida del seno del siguiente modo:

• sen(0)=0, sen(pi/2)=1, sen(pi)=0, sen(3*pi/2)=1

Analizando el problema desde un punto de vista digital el problema de la señal indeseada no cambia. De hecho, la frecuencia de Nyquist es 2*portadora, y el primer "alias" se sitúa en 3*portadora, es decir, en el tercer armónico.

Así a intervalos regulares, a una velocidad de 4x la frecuencia de portadora se toman cuatro valores del siguiente modo:

• Primer valor: Se pasa a la salida I [cos(0)=1]. La salida Q no se saca [sen(0)=0]
• Segundo valor: Se pasa a la salida Q [sen(pi/2)=1]. La salida I no se saca [cos(pi/2)=0]
• Tercer valor: Se invierte y se pasa a la salida I [cos(pi)=1]. La salida Q no se saca [sen(pi)=0]
• Cuarto valor: Se invierte y se pasa a la salida Q [sen(3*pi/2)=1]. La salida I no se saca [cos(3*pi/2)=0]

Esto se implementa en la práctica mediante un conmutador analógico que escoge por qué salida (I/Q) saldrá la señal además de si saldrá tal cual o invertida. En la práctica esto plantea algunos problemas pero la teoría es sorprendentemente simple y los dispositivos que se basan es esta teoría también lo son.

A pesar de su simplicidad resulta difícil de ver si no es en forma gráfica. Hay numerosos recursos con gráficos en internet, pero siempre me ha gustado la descripción que se hace en la propia patente de Daniel Richard Tayloe.

PMSDR. Ya está el kit.

Según anuncia la WEB de RF-SYSTEM el KIT del PMSDR estará disponible el próximo 13 de Julio.

PMSDR es una SDR (sólo receptor) basada en tecnología QDC. La diferencia con otros dispositivos similares, tal como la SoftRock 40, es el hecho de disponer de un oscilador local para la recepción de toda la banda de HF.

De hecho, variantes de la SoftRock como la SoftRock XTALL ya incorporaban un oscilador local.

Pero la verdadera novedad está en el hecho de que incorpora una pequeña pantalla LCD sobre la que se presenta el estado del receptor. Esta pantalla se gestiona desde un microcontrolador local. Este microcontrolador local gestiona también los generadores de portadora y podría (no se ha incluido en el kit) conectarse a él un pequeño encoder un otros accesorios para su manipulación local. Lo que sí se incluye es un interfaz USB para el control desde un ordenador.

Por desgracia, "manipulación" no incluye la decodificación de señales, por lo que no puede ser un receptor autónomo completo. De nuevo, el proceso de las señales I/Q, que se entrgan en forma analógica, debe efectuarse tras la conversión en una tarjeta de audio de un ordenador a través de un programa adecuado. El recomendado es WinRad (¡Forza Italia!) pero podría ser cualquier otro capaz de aceptar este formato de señales (cosa que por otra parte hacen casi todos).

Para los más osados, se dispone de toda la documentación necesaria para el montaje, incluyendo el firmware del procesador. Sólo dos limitaciones: El firmware está sólo en código objeto, por lo que no puede alterarse (en teoría sí hay código fuente, pero no he logrado encontrarlo) y no hay planos del circuito impreso, que debe realizarse a partir del esquema y de las fotografías.

En todo caso, bienvenida sea y larga vida a este nuevo trabajo.

Friedrichshafen

Hace unos días estuve en la HamRadio de Friedichshafen. Uno de mis intereses con esta visita era el de sondear el estado y novedades e impresiones respecto a la tecnología SDR.

Tuve ocasión de asistir a la interesante conferencia pronuncada por DK7XL (Klaus Lohmann) y titulada: "SDR: Proyectos y soluciones comerciales y domésticas". A pesar de que mi alemán se limita a cuatro términos básicos para no pasar hambre ni sed en un restaurante alemán, creo que pude captar la esencia de la presentación. Apoyado por la internacionalización al inglés de los términos técnicos y por las diapositivas de fondo puede extraer información interesante.

Quizá lo que más me interesaba era saber si había algún otro proyecto similar a lo que yo pretendo. Y no vi ninguna novedad a este respecto. Hay novedades hardware, básicamente mejoras de equipos existentes y diferentes implementaciones de convertidores QDC, pero el funcionamiento se sigue basando en el código y aplicaciones ya conocidos para PC.

Hice algunos contactos interesantes para sondear el interés en este proyecto, y para pensar en cómo orientar en el futuro mis actuaciones respecto al mismo, y espero que las conclusiones se vean en breve en algún artículo.

Por cierto, aproveché la feria para adquirir una de mis "radio-fetiche". Aunque muy lejos de la SDR, la AN-PRC6 me animará a seguir trabajando sin perder de vista los orígenes y la historia de la radio. Y me quitará tiempo para la SDR mientras preparo una fuente de alimentación para comprobar su estado de funcionamiento.