Dando forma a un proyecto SDR

Este pasado fin de semana se ha celebrado el "MercaHAM 2009" la feria de radioafición más importante de España. Gracias a la amabilidad de Luis (EA3OG, en la fotografía en plena disertación) y Sergi (EA3DU) que me permitieron "colarme" en su conferencia, tuve la ocasión de presentar la idea en la que estoy trabajando.

El objeto de la presentación, además de mostrar las ideas que guían este proyecto, era el de buscar colaboradores. Creo que sin ellos resultará muy difícil, podemos decir imposible, que el proyecto llegue a demostrar una parte de sus numerosas posibilidades.

El interés mostrado por los asistentes y sus comentarios me han llevado a corregir la presentación para reflejar mejor las dudas e indicar el estado actual del proyecto. El resultado se puede descargar desde este enlace.

Quiero agrecer la calurosa acogida que recibí por parte de todos, tanto de quienes conocía como de quienes tuve ocasión de conocer. Y por supuesto, felicitar a los organizadores del evento... al resto de conferenciantes y a todos los que hacen posible que esta afición siga adelante.

¿Qué es eso de la ZERO-IF y el I/Q?

Diversos receptores utilizan una técnica de conversión de frecuencia en la que la señal se mezcla con una frecuencia igual a la del centro de su ancho de banda.

Imaginemos que se tiene una señal de 7,050 MHz. Si se mezcla con 7,050 MHz se obtendrá una señal de frecuencia 0 -Corriente continua- en la salida. Esto es un convertidor ZERO-IF -Frecuencia intermedia cero-Veamos ahora qué ocurre con dos frecuencias de señal de 7,051 y 7,049 MHz. Al mezclarlas, ambas aparecen como 1 KHz, siendo indistinguibles entre sí. La solución clásica a este problema de frecuencia imagen es la de filtrar una de las dos antes de atacar al mezclador.

Para separar una señal por encima de la frecuencia de otra por debajo de la frecuencia portadora en un convertidor ZERO-IF se emplean dos mezcladores. Uno de ellos emplea una portadora de una determinada frecuencia, mientras que el segundo emplea la misma frecuencia pero con un desfase de 9o grados respecto a la primera. El resultado son dos señales en lugar de una que procesadas adecuadamente permiten eliminar las frecuencias superiores a la portadora o las inferiores -mediante operaciones de desplazamiento de fase y una simple suma o resta de ambas señales-.

No sólo eso. El formato I/Q es más cómodo en la implementación de procesos DSP. Tal es así que muchos procesadores dedicados DSP incluyen núcleos de cálculo doble en los que las mismas operaciones se efectuan de forma simultánea sobre dos valores.

Este efecto, poco fácil de visualizar intuitivamente pero relativamente fácil de comprender matemáticamente ya se había empleado en la era pre-digital para generación detección de señales en banda lateral -por ejemplo en el clásico R2-, pero el proceso digital empleado en SDR y DSP supera muchas de las limitaciones y problemas prácticos que aparecen en su implementación analógica. Por cierto en el anterior artículo sobre el R2 -QST enero 1993- ya se menciona la posibilidad de usar un DSP en un receptor "del futuro" (Fig. 7).

Ahora se puede comprender porqué muchos receptores SDR emplean la entrada estéreo de una tarjeta de sonido para la recepción SDR: Dos canales, uno para la salida de un corvertidor(I=In phase), y otro para la salida del segundo (Q=Quadrature).

Los productos de intermodulación son independientes del nivel (Contra la intuición: 3)

Hace unos días tuve el inmenso placer de pasar unas horas con Luis del molino, EA3OG en su QTH de Vilassar de mar. Estuvimos hablando de radio digital y en la conversación me llamó la atención sobre un artículo publicado en QEX, Noviembre de 2006: "IMD in digital receivers". En él se hace notar que la distorsión de intermodulación de tercer orden (IM3) medida mediante un test de dos tonos está a unos -100dBm independientemente del nivel de señal de prueba sobre un SDR-14 (Figura 4 del artículo).

Estamos tan acostumbrados a nuestros receptores "clásicos" en los que la intermodulación empeora con el aumento en el nivel de señal que esto puede parecer contrario a la intuición. La explicación es, sin embargo, bastante simple. En un receptor "clásico" la amplificación de la señal se produce mediante métodos físicos: por ejemplo, un transistor. Pero el comportamiento de un transistor nunca es completamente lineal. Es decir, si se introduce 1 microvoltio para obtener 100 en la salida, al introducirse 10 microvotios la salida no sera 1000 microvoltios sino, 1001 o 1000,1 pero siempre habrá una pequeña distorsión.

A pequeños niveles de señal la linealidad es mayor que a niveles elevados. De ahí que la distorsión aumente. La amplificación en un receptor digital se hace mediante procesos digitales, que no añaden distorsión (el producto 10*100 es perfectamente lineal respecto a 1*100). Solamente debe cuidarse la linealidad del convertidor A/D. Desde luego, el convertidor A/D está basado en componentes que tampoco son estrictamente lineales.

En el desarrollo de un convertidor A/D los diseñadores incluyen métodos y circuitos que compensan la linealidad para distribuir los errores a lo largo de toda la escala y hacerlos independientes del nivel de señal. De este modo, los productos de intermodulación no cambian con el nivel de señal. Las limitaciones debidas a la resolución limitada de los cálculos y de la propia conversión A/D aparecen en forma de ruido.

¡Ojo! Si se añade un preamplificador antes de la conversión A/D la señal sufrirá distorsiones debidas a la no linealidad que pueden hacer que el efecto aparezca de nuevo con un aspecto más "clásico".

La medida del IP3 no suele ser relevante en un receptor digital. Los valores del propio convertidor A/D y de cualquier circuitería que lo preceda sí son relevantes. Nos acostumbraremos a incorporar nuevos términos como "No-linealidad integral (INL) o diferencial (DNL), rango dinámico libre de espúreos (SFDR) y otros. Deberemos adoptar nuevas medidas para la comparación. Y cuando no sea posible acudir a los números... ¡dejaremos que una "oreja de oro" decida!