L’SDR (Software Defined Radio), ovvero radio definita dal software, è una tipologia di radio nella quale è il software ad occuparsi della modulazione / demodulazione del segnale. Questo genere di sistemi è da tempo ampiamente utilizzato in ambito professionale, ma solo da pochi anni si è diffuso nel settore radioamatoriale, principalmente con l’introduzione di kit a basso costo (come la serie SoftRock) e l’utilizzo del PC quale sistema di acquisizione ed elaborazione.
Per ulteriori approfondimenti teorici si consiglia la lettura della serie di articoli, pubblicata sul periodico QEX dell’ARRL, a firma di Gerald Youngblood AC5OG [1] e facilmente reperibile in rete.

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento è semplice: i segnali captati dall’antenna sono convertiti dal ricevitore SDR in banda audio e trasferiti al PC, tramite campionamento con scheda audio, quindi elaborati dal software. Il flusso procede nella direzione opposta quando si trasmette.

SDR - Schema di principio

Schema di principio

L’SDR opera in down-conversione diretta DDC, trasferendo l’intero contenuto spettrale presente in banda al software di elaborazione, che ne effettua la demodulazione. Come si evince le funzioni demandate all’hardware sono molto poche, rispetto a quanto accade in un ricevitore tradizionale, questo spiega l’acronimo di SDR.

Affinché sia possibile ricostruire in modo appopriato la scena spettrale ed effettuare analiticamente la demodulazione dei differenti modi operativi, si utilizzano segnali in quadratura IQ, ovvero segnali rappresentati tramite le due componenti in fase I e in quadratura Q. In termini matematici esse equivalgono alla parte reale ed immaginaria di un numero complesso. Per quanto concerne quest’ultimo argomento si segnala la trattazione riportata in [2].

La nuova frontiera dei ricevitori SDR vede l’impiego di convertitori A/D veloci per il campionamento diretto dei segnali a radiofrequenza, logica FPGA per la down-conversione IQ ed interfaccia dati USB, garantendo un’ampia bandwidth, alta risoluzione e dinamica eccellente. Non mancano ricetrasmettitori SDR completi che vantano una nutrita schiera di OM estimatori.

Hardware

In seguito verrà descritto il funzionamento di un ricevitore SDR tradizionale, ovvero basato su conversione diretta (con QSD) e campionamento con scheda audio. Soluzione che meglio e più facilmente si presta alla realizzazione pratica a livello hobbystico e sperimentale.

SDR - Block diagram

Schema a blocchi

In figura è rappresentato lo schema a blocchi tipico di un SDR. Il segnale RF, captato dall’antenna, attraversa uno stadio front-end analogico, quindi viene convertito in banda base dal QSD, producendo in uscita le due componenti I e Q, che, opportunamente amplificate, raggiungono l’ingresso audio del PC. L’oscillatore locale e il phase shifter generano i necessari clock di pilotaggio per il mixer QSD.

Esaminiamo ora in dettaglio i singoli blocchi funzionali:

Front-end

Il front-end di un SDR è analogo a quello di un ricevitore classico. E’ essenzialmente costituito da un array di filtri passa-banda (uno solo nel caso di SDR monobanda), amplificatore ed attenuatore RF.
Molto spesso vengono adottate soluzioni circuitali più semplici con l’utilizzo del solo filtro antialiasing, costituito da un passa-basso con taglio alla frequenza massima sintonizzabile dall’SDR, così come lo stadio di amplificazione / attenuazione viene omesso nei ricevitori meno complessi.

Local oscillator

L’oscillatore locale è a frequenza fissa o variabile, a seconda che il ricevitore sia monobanda o a copertura continua. Nel primo caso si ricorre generalmente ad un oscillatore quarzato, la cui frequenza di risonanza ricade al centro della banda d’interesse. Nel secondo caso si possono utilizzare oscillatori analogici variabili, ma più diffusamente oscillatori DDS o clock programmabili (ad es. l’Si570 della Silicon Labs) che possono essere controllati via software. Inoltre, poiché i circuiti pilotati sono digitali, la forma d’onda generata deve essere quadra, altrimenti si ricorre ad uno stadio squadratore.
L’utilizzo successivo di un phase shifter comporta spesso la divisione per due o per quattro della frequenza dell’oscillatore locale, ne consegue che questa dovrà essere due o quattro volte la frequenza di ricezione. Ciò implica una dovuta attenzione nella scelta dei componenti utilizzati: ricevere a 30 MHz vuol dire gestire un clock di 120 MHz.

Phase shifter

Come si vedrà successivamente, la necessità di pilotare il QSD con più segnali di clock sfasati tra loro, richiede la presenza di uno stadio di phase shift. Nei ricevitori monobanda si può ricorrere ad una rete di ritardo realizzata con componenti passivi, negli altri casi si utilizza un sistema di divisori.
La soluzione più frequente è il Johnson counter, una rete di flip-flop tipo D (chip 74AC74) che, dividendo per quattro il segnale dell’oscillatore locale, fornisce un’uscita su quattro quadranti, con il clock di riferimento a 0° più quello sfasato di 90° (1/4 di ciclo) ed i rispettivi negati, ovvero con sfasamento di 180° e 270°. La relazione che intercorre tra questi segnali è visibile nella figura seguente, nella quale sono rappresentate nel tempo le forme d’onda dell’oscillatore locale e dei quattro clock.

SDR - Clock

Clock

Quadrature Sampling Detector

Il Quadrature Sampling Detector QSD è il cuore dell’SDR, in pratica sostituisce il mixer di un ricevitore analogico, trasponendo il segnale RF sulla frequenza IF o banda base, nelle due componenti in quadratura.
La soluzione più utilizzata è quella ideata e brevettata da Dan Tayloe N7VE [3] e pertanto conosciuta come Tayloe detector. Tale QSD è estremamente semplice e allo stesso tempo fornisce prestazioni eccezionali.
La versione base del Tayloe detector si compone di due interruttori digitali S1 ed S2, che agiscono su due rami ed in tempi diversi sul segnale RF in ingresso RF(t), generando rispettivamente le componenti I(t) e Q(t) del segnale d’uscita in banda base. Il controllo degli switch richiede due segnali di clock ad onda quadra, Clk_0(t) e Clk_90(t), sfasati tra di loro di 90°. L’interruttore S2 viene quindi azionato con un ritardo di 1/4 di ciclo di clock rispetto ad S1.

SDR - QSD

QSD singolo

La teoria di funzionamento è accuratamente descritta da Giancarlo Moda I7SWX in [4]: ogni ramo funge da circuito di sample & hold, ovvero di campionamento e tenuta, o ancor meglio potremmo dire che si tratta di un integratore a commutazione. I clock pilotano la chiusura ed apertura degli switch S1 o S2. Quando lo switch è chiuso, la RF in ingresso, attraverso la resistenza R1, carica il condensatore, C1 per il ramo I o C2 per il ramo Q, ad una tensione pari al valor medio del segnale durante lo stato di on (fase di sample o integrazione). Quando lo switch si apre, il condensatore mantiene ai suoi capi il valore di tensione raggiunto (fase di hold), fino al prossimo ciclo. Il risultato finale è quello di riportare in banda base il segnale in ingresso in una forma pseudo digitalizzata.
Si supponga, ad esempio, di voler ascoltare la banda dei 40 metri e che sia presente un segnale CW a 7.040 MHz. Se si sintonizza l’SDR su 7.020 MHz, in uscita dal QSD si ritrova il segnale CW riportato a frequenza 7.040 – 7.020 = 0.020 MHz, ovvero 20 kHz. Il comportamento è, quindi, simile a quello di un mixer caratterizzato da perdite di conversione molto ridotte, circa 1 dB rispetto ai 3 – 7 dB di un sistema classico, nonché un elevato IP3, tipicamente intorno a 30 dBm.
Inoltre le reti RC costituiscono un filtro passa basso con banda passante (a -3 dB) data dalla formula: BW = 1 / (pi * n * R1 * C). Con R1 equivalente alla serie formata dalla resistenza dell’antenna, dello switch e da eventuali altri contributi, mentre le capacità di sampling C vengono scelte per ottenere la banda passante desiderata. Il fattore n è pari a 4 e tiene conto del fatto che ogni capacità vede il segnale in ingresso solo per 1/4 del periodo dell’oscillatore locale. La banda passante viene scelta pari a quella di campionamento della scheda audio, ma per una migliore selettività si può anche decidere di ridurla a qualche decina di Hz. Da notare che il filtro è automaticamente centrato sulla frequenza dell’oscillatore locale e, pur avendo un solo polo, puo’ intrinsecamente assumere un Q elevato: a seconda della BW scelta e dalla frequenza sintonizzata si può andare da valori di qualche decina fino a qualche migliaia.

Come si è visto poc’anzi, nel QSD singolo ogni interruttore viene azionato solo per 1/4 di ciclo e per i rimanenti 3/4 il segnale in uscita è costante e pari al valore di tensione memorizzato sul condensatore. Pertanto si preferiscono topologie di poco più complesse, ma con migliori prestazioni di conversione. Difatti si sfrutta la possibilità di utilizzare i due ingressi non-invertente e invertente degli amplificatori operazionali che seguono, per generare anche le componenti I e Q negate. Da questa riflessione nascono le seguenti varianti del QSD (per semplificare e mettere in evidenza la sola configurazione degli switch, sono stati omessi dagli schemi i componenti delle reti RC):

SDR - QSD

QSD bilanciato

Qui si sfruttano i due clock a 180 e 270 per azionare gli switch che, per conversione diretta, danno in uscita le componenti negate di I e Q. Queste si vanno a sommare alle altre tramite gli ingressi invertenti degli amplificatori operazionali che seguono.

SDR - QSD

QSD doppio – configurazione 1

SDR - QSD

QSD doppio – configurazione 2

Il QSD doppio si può realizzare con due diverse configurazioni. Nella prima la mancanza delle componenti aggiuntive di clock viene risolta utilizzando il segnale negato della RF in ingresso. Al contrario di quanto accade nel QSD bilanciato, gli switch aggiuntivi S3 ed S4 dei rami negati sono azionati contemporaneamente ad S1 o S2. Nella seconda configurazione si utilizzano sia i segnali di clock aggiuntivi sia la RF negata, che si ricava generalmente inserendo un trasformatore sbilanciato/bilanciato tra antenna e ingresso QSD. Questa è una buona via di mezzo tra il QSD bilanciato ed il doppio bilanciato.

SDR - QSD

QSD doppio bilanciato

Il QSD doppio bilanciato richiede ben otto switch, ma è la migliore configurazione che si possa realizzare, pertanto viene preferito nella maggior parte delle realizzazioni.

A livello circuitale, si utilizzano chip in logica CMOS tipo 74HC4066, che contiene quattro switch, o il multiplexer duale 1:4 FST3253 della Fairchild, prodotto anche da altre case come 74CBT3253. Il 3253 contiene otto switch in un unico package ed è l’ideale per la costruzioni di QSD nella configurazione doppio bilanciato.

Amplificatori

Gli amplificatori audio sono gli unici elementi che forniscono guadagno alla catena e generalmente sono richieste le seguenti caratteristiche: ingressi ad alta impedenza, basso rumore, alto guadagno. Per ricevitori sulle bande HF, rumore e guadagno non sono parametri stringenti, su queste frequenze è accettabile rumore un po’ più alto e non è necessario un guadagno molto elevato, un fattore di 20 è più che sufficiente. Al contrario, poiché preferibilmente si utilizzano QSD di tipo bilanciato, è molto importante che entrambi gli ingressi siano ad elevata impedenza. Nei normali amplificatori operazionali op-amp ciò non si verifica per l’ingresso invertente, quindi si utilizzano amplificatori per strumentazione di misura “instrumentation amplifier” o configurazioni a più stadi. Quella tipica prevede l’impiego di tre op-amp, due in ingresso con funzione di buffer non invertente ed uno in uscita che funge da sommatore/inversore.
Il guadagno dello stadio di amplificazione è dato dalla formula G = R2 / (n * R1). Con R2 resistore di feedback dell’op-amp, mentre degli altri termini si è già parlato in precedenza. In figura è stato inserito soltanto lo stadio amplificatore relativo alla componente I, omettendo per semplicità quello relativo a Q. Notare come si possa fare a meno delle resistenze d’ingresso nell’amplificatore operazionale, sfruttando quella di sistema (R1), seppure non sempre costante al variare della frequenza, a tutto vantaggio però della riduzione di rumore e delle perdite.

SDR - Amplificatore

Amplificatore

Solitamente per le HF si scelgono guadagni di 10 – 20 volte, ma sono possibili configurazioni più complesse, ad esempio con un secondo stadio di amplificazione inseribile quando necessario o circuiti di AGC.

Gli integrati più utilizzati sono gli OP27 per strumentazione, gli NE5532, gli LT1115 a bassissimo rumore. Ma qualunque op-amp per applicazioni in audio frequenza può dare risultati soddisfacenti.

Scheda audio

Sebbene la scheda audio non sia parte integrante di un ricevitore SDR, è uno degli elementi fondamentali della catena di conversione. Dalle capacità della sound card dipende l’ampiezza spettrale che può essere visualizzata, ma soprattutto la corretta elaborazione del segnale ricevuto. Una scheda con scarsa separazione tra i due canali stereo e con limitato range dinamico inficia tutto il lavoro svolto dall’SDR, generando falsi segnali immagine e prodotti d’intermodulazione. Schede con noise floor molto alto nascondono i segnali più deboli, impedendone la demodulazione.
Ne consegue che schede audio di fascia bassa sono assolutamente da evitare, così come prodotti di fascia più alta ma dedicati ad applicazioni di gioco e intrattenimento che in genere hanno un gran numero di canali ed effetti surround, ma caratteristiche non idonee. Quasi sempre inutilizzabili quelle installate di serie su PC portatili e netbook, solitamente provvisti del solo ingresso mono per microfono. Le schede migliori sono quelle professionali da studio di registrazione, tanto per fare qualche esempio: M-Audio Audiophile 192 o E-MU 0204, la prima per slot PCI, la seconda con interfaccia USB, campionamento a 192 kHz su 24 bit e oltre 100 dB di range dinamico!

Campionamento audio

Il compito della scheda audio è quello di convertire in formato numerico (campionare) il segnale in banda base proveniente dall’SDR, perché possa essere successivamente elaborato dal PC. Visto che si dispone di due canali stereo, destra e sinistra, a questi vengono associate le due componenti I e Q. Poiché il segnale in banda base è la trasposizione di ciò che viene ricevuto in RF nell’intorno della frequenza sintonizzata, ne consegue che maggiore è la frequenza di campionamento della scheda audio, più è ampia la fettina di spettro visualizzabile con un rapporto uno a uno. Ad esempio una scheda con campionamento a 96 kHz consente di visualizzare quasi 100 kHz di altrettanta banda RF. In tal caso se l’SDR fosse sintonizzato a 7.050 MHz, si riceverebbero contemporaneamente tutti i segnali da 7.000 a 7.100 MHz. In prima battuta questa assunzione sembrerebbe fare a pugni con il fondamentale teorema del campionamento o di Nyquist, il quale enuncia che, dato un segnale con banda limitata ad una certa frequenza massima, esso può essere univocamente ricostruito a partire dai suoi campioni presi a frequenza almeno il doppio della massima. Questo vuol dire che se abbiamo un segnale a frequenza massima 22 kHz dobbiamo campionarlo ad almeno 44 kHz, come si fa ad esempio per i CD audio. Nel caso di un SDR si dispone di una certa ridondanza di dati, le due componenti in fase e quadratura, e proprio la valutazione dello sfasamento in anticipo o ritardo consente di collocare correttamente sulla scena spettrale due segnali apparentemente uguali. Tornando all’esempio visto nel QSD, un segnale a 7.040 con ricevitore sintonizzato a 7.020, viene visto dalla scheda audio come un tono a 20 kHz, ma lo stesso accade per un segnale a 7.000, infatti -7.000 + 7.020 MHz = 20 kHz. Tuttavia la relazione di fase tra le due componenti IQ sarà diversa, nel primo caso Q è in anticipo rispetto ad I, nel secondo in ritardo. Ciò motiva la necessità di disporre di una buona scheda audio che non introduca sfasamenti e sbilanciamenti indesiderati tra i due canali audio.

Software

Una volta che il segnale ricevuto sia stato reso disponibile in forma numerica al PC, tramite il campionamento effettuato dalla scheda audio, il software SDR lo trasforma dal dominio del tempo a quello della frequenza utilizzando la trasformata veloce di Fourier FFT, visualizzandone lo spettro con risoluzione sotto la decina di hertz e rendendo possibili operazioni di filtraggio, riduzione del rumore e demodulazione. L’operazione avviene quasi in real-time grazie alle elevate capacità elaborative dei computer odierni. La demodulazione AM o FM avviene in modo semplice, ricavando rispettivamente modulo o fase del segnale dalle due componenti IQ. Per la demodulazione SSB è necessaria qualche elaborazione aggiuntiva con l’utilizzo del “phasing method”. Per approfondimenti si segnala l’articolo in [5]. Per i modi digitali si utilizzano software esterni, ai quali viene trasferito in ingresso l’audio demodulato.

Sono molti i software disponibili per applicazioni SDR e per i diversi sistemi operativi, la maggior parte freeware o opensource. Alcuni hanno un’interfaccia semplice ed essenziale e pertanto richiedono poche risorse, altri con grafica complessa ed accattivante restituiscono una precisa visualizzazione dello spettro, molteplici funzioni di filtraggio e demodulazione di svariati tipi di segnale. Diversi software hanno la possibilità di essere interfacciati allo specifico hardware in uso, consentendo ad esempio la sintonia e la commutazione dei filtri di banda. Per una lista completa consultare il link indicato di seguito.

Riferimenti e Bibliografia

  1. Gerald Youngblood AC5OG, “A Software-Defined Radio for the Masses”, QEX Jul/Aug 2002, Sep/Oct 2002, Nov/Dec 2002 e Mar/Apr 2003;
  2. Rick Lyons, “Quadrature Signals: Complex, But Not Complicated”;
  3. Dan Tayloe N7VE, “Ultra low noise, high performance, zero IF quadrature product detector and preamplifier”;
  4. Giancarlo Moda I7SWX, “I pugni di Fourier, le software defined radio spiegate”, RadioRivista 1, 2, 3 e 4 2011 (traduzione da Pete Goodmann NI9N “Fists of Fourier: Software Defined Radios Explained”);
  5. Doug Smith KF6DX/7, “Signals, Samples and Stuff: A DSP Tutorial (Part 1)”, QEX Mar/Apr 1998.

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Pubblicato su: RadioRivista (ARI) n.06 del 2014


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