Nozioni di base sulla radio definita da software

Dall'esercito all'esplorazione dello spazio, fino agli hobbisti, la promessa di una radio definita da software (SDR) è che con un unico hardware gli utenti possano acquisire, demodulare e accedere ai segnali RF attraverso un ampio campo di frequenze radio. L'ampiezza dipende dal front-end RF dell'hardware, mentre il numero e il tipo di segnali accessibile dipende dal software e dalle capacità di elaborazione sottostanti. Entrambi sono una funzione dei requisiti applicativi, dei costi e della potenza disponibile. Per i settori militare e aerospaziale, il costo può lievitare a decine di migliaia di dollari. Per gli ascoltatori di onde corte, i radioamatori e gli hobbisti, ciò che serve è un mezzo semplice e a basso costo per accedere alle onde radio utilizzando un normale PC desktop o un laptop.

Dopo una breve introduzione all'SDR, questo articolo presenta un modulo SDR a basso costo basato su USB di Adafruit Industries che può ricevere e demodulare una vasta gamma di segnali, dal semplice codice Morse in onda continua (CW) alle più complesse forme di modulazione digitale. Mostrerà come gli utenti possono usare il modulo e il software associato per aggiungere ai computer ricezione radio, lo spettro delle radiofrequenze e l'analisi dello spettrogramma.

Che cos'è l'SDR?

L'SDR utilizza tecniche digitali per sostituire l'hardware radio tradizionale come mixer, modulatori, demodulatori e i relativi circuiti analogici. Digitalizzando i segnali radio direttamente mediante un opportuno convertitore analogico/digitale (ADC), un SDR può implementare tutte queste funzioni nel software in modo che lo stesso hardware sia utilizzato per più modalità radio - AM, FM, CW, singola banda laterale (SSB), doppia banda laterale (DSB). Il risultato è una radio estremamente flessibile che può essere riconfigurata rapidamente per gestire diverse tecnologie di segnalazione (Figura 1).

Figura 1: Confronto tra un ricevitore analogico tradizionale (in alto) e un ricevitore basato su SDR (in basso). Tutte le funzioni nel ricevitore SDR dopo l'ADC sono implementate utilizzando i circuiti digitali programmabili, che consentono modifiche e aggiornamenti programmabili. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Le radio tradizionali come il ricevitore supereterodina (Figura 1, in alto) sono basate su hardware e implementate con componenti analogici. Il ricevitore SDR utilizza un sintonizzatore RF per convertire la banda di frequenza di interesse in una frequenza intermedia (IF) all'interno del campo dell'ADC. Da quel momento in poi, tutti i circuiti sono digitali. Il downconverter digitale traduce la frequenza del segnale in banda base, eseguendo una funzione di filtraggio passa-basso. Il processore di segnali digitali (DSP) esegue la demodulazione, la decodifica e i relativi compiti. Questi circuiti sono generalmente basati su CI specifici per l'applicazione (ASIC), gate array programmabili sul campo (FPGA) e dispositivi DSP programmabili. Con il software appropriato, questi circuiti digitali forniscono una radio molto flessibile in grado di ricevere un'ampia gamma di tipi di modulazione.

Hardware SDR a basso costo

1497 di Adafruit Industries è un ricevitore SDR a basso costo per il campo di frequenza da 24 MHz a 1,85 GHz e si basa su un demodulatore di trasmissione video digitale terrestre (DVB-T) con multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (COFDM) dotato un CI di sintonizzazione separato.

Il consorzio DVB è un'organizzazione normativa europea per la trasmissione televisiva tramite il digitale terrestre. Questo sistema utilizza un flusso di trasporto MPEG per trasmettere audio digitale compresso, video digitale e altri dati, utilizzando la modulazione COFDM o OFDM. Questi dispositivi possono essere riprogrammati per altre applicazioni e sono ideali per gli hobbisti interessati ad ascoltare e studiare i segnali radio VHF, UHF e a bassa frequenza a microonde.

Nonostante la potenza di elaborazione del segnale, l'SDR di Adafruit ha una dimensione fisica molto ridotta, di soli 22,24 x 23,1 x 9,9 mm (Figura 2). Si interfaccia con il computer host tramite una porta USB e il software SDR di serie fornisce l'interfaccia utente sul computer/laptop. Il produttore consiglia SDR Sharp (SDR#) di Airspy nella guida introduttiva. L'installazione del software richiede meno di cinque minuti ed è ben documentata.

Figura 2: 1497 è un ricevitore SDR a basso costo in un contenitore di dimensioni pari a una moneta da 1 euro, fornito con un'antenna accessoria e telecomando. Questo ricevitore si sintonizza da 24 MHz a 1,85 GHz, interfacciandosi con un computer host via USB. (Immagine per gentile concessione di Adafruit Industries)

Il collegamento dell'antenna sul ricevitore avviene tramite un connettore MCX. La presa MCX sul ricevitore accetta la spina montata sul cavo dell'antenna oppure si può sostituire l'antenna in dotazione con una personalizzata a propria scelta.

Se l'utente decide di sostituire l'antenna in dotazione, la nuova può essere collegata con un connettore MCX. Gli adattatori coassiali possono essere utilizzati per accoppiare il connettore di ingresso MCX sull'SDR con connettori SMA o BNC, che sono di uso comune. Amphenol RF offre sia una spina MCX per la presa SMA (242127) sia una presa BNC per la spina MCX (242204), che sono le interfacce per connettore più comuni.

Software di supporto SDR

Il software SDR# si collega al ricevitore e fornisce l'interfaccia utente e la visualizzazione (Figura 3).

Figura 3: L'interfaccia utente SDR# di Airspy controlla il ricevitore SDR dai menu a discesa a sinistra. Il display dell'analizzatore di spettro è mostrato nella griglia superiore, mentre la cronologia dello spettro è sotto. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'interfaccia utente predefinita di SDR# ha tre elementi principali:

• La colonna di sinistra contiene i comandi per il dispositivo SDR. Ci sono quattordici menu a discesa che controllano tutti gli aspetti del ricevitore SDR. I comandi principali sono per la radio, l'audio e il display.
• La griglia superiore contiene il display dell'analizzatore di spettro. Questa traccia la frequenza sull'asse orizzontale e la potenza del segnale in verticale utilizzando una scala logaritmica calibrata in decibel. Gli analizzatori di spettro sono il principale strumento di prova utilizzato dagli ingegneri RF per misurare e analizzare i dispositivi RF. La lettura numerica sulla parte superiore dello schermo visualizza e controlla la frequenza centrale dell'analizzatore di spettro. Il massimo campo di frequenza visualizzato è la larghezza di banda del ricevitore, pari a circa 2 MHz. A destra del display è presente un cursore per lo zoom che consente di espandere orizzontalmente la visualizzazione sulla frequenza centrale.
• Sotto il display dell'analizzatore di spettro c'è un display lo storico dello spettro, a volte chiamato spettrogramma, che mostra la storia temporale dello spettro. L'asse orizzontale è la frequenza come nel display dell'analizzatore di spettro, la scala verticale è il tempo. Nella figura, i marcatori temporali indicano la data e l'ora. La terza dimensione è la potenza del segnale, indicata a colori. La scala di colore predefinita va dal nero, come livello di potenza minima, al rosso come livello di potenza massima. Sotto i controlli di visualizzazione vi sono una varietà di stili e mappature di colori disponibili.

Il segnale visualizzato nella Figura 3 è quello di una stazione di trasmissione FM a 105,1 MHz. Si tratta di un segnale FM a banda larga con una larghezza di banda di 200 kHz. Questo è uno degli otto demodulatori disponibili nel ricevitore SDR. Gli altri demodulatori supportano componenti di segnale a banda stretta FM, AM, SSB superiore e inferiore, DSB, CW e componenti di segnale grezzi in fase e in quadratura. Le selezioni si trovano nei radiocomandi in alto a sinistra del display.

Lo spettro del segnale è costituito dal segnale analogico sulla frequenza centrale che trasporta il programma radio analogico. Al di fuori di questo ci sono due sottobande contenenti altro materiale di programma e informazioni digitali. Il contenuto informativo del programma viene decodificato e appare immediatamente sopra il display dell'analizzatore di spettro. Oltre alla visualizzazione dello spettro, i componenti audio della stazione radio sono disponibili per l'ascolto attraverso il computer host.

La FM a banda larga ha un'ampia larghezza di banda perché ci si aspetta che trasporti musica stereofonica ad alta fedeltà. Un servizio radio come il servizio meteo trasporta solo la voce e utilizza la banda stretta FM (Figura 4).

Figura 4: Sintonizzazione del servizio meteo trasmesso a 162,471 MHz. Questa stazione utilizza la banda stretta FM. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La stazione del servizio meteo viene ricevuta con una larghezza di banda di soli 11,2 kHz perché il contenuto del programma è solo vocale. Anche in questo caso sono disponibili il materiale del programma audio e le visualizzazioni dello spettro. Il ricevitore SDR aggiunge tutti questi servizi al computer host.

Lo storico dello spettro o la visualizzazione dello spettrogramma è utile per vedere i cambiamenti nello spettro dei segnali ricevuti nel tempo. Un semplice esempio è quello di un segnale in codice Morse in onda continua (CW) (Figura 5).

Figura 5: Lo spettrogramma di un segnale in codice Morse in CW. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

I segnali in CW codificano i dati attivando e disattivando una portante RF (polarizzazione on-off). Sul display dello spettrogramma i periodi in cui viene trasmessa la portante sono indicati dalla traccia grigio-azzurro. Il carattere Morse "V" (• • • —) che indica il test è visibile nella traccia del segnale. Si noti che il software prevede la ricezione di segnali CW mediante un oscillatore di frequenza di battimento (BFO) etichettato "CW shift" per fornire un tono audio controllato dall'utente per ascoltare la trasmissione del codice. Poiché le trasmissioni in CW sono a banda stretta, il ricevitore riduce la larghezza di banda a 300 Hz, come si vede nel menu a tendina del radiocomando. Mantenendo la larghezza di banda del ricevitore al valore minimo necessario per il modo di ricezione si riduce al minimo il livello di rumore nel canale.

Alcune applicazioni di misurazione per un ricevitore SDR

In un mondo sempre più connesso, sono molte le fonti RF che devono essere controllate e sottoposte a manutenzione. Un esempio è la verifica del periodo di aggiornamento di un modulo trasmettitore di una stazione meteorologica remota (Figura 6).

Lo spettrogramma mostra due burst RF alla frequenza portante di 433,93 MHz del trasmettitore remoto. La scala temporale sullo spettrogramma indica che i burst FM avvengono a circa 50 secondi di distanza l'uno dall'altro.

Figura 6: Lo spettrogramma del trasmettitore di una stazione meteorologica remota a 433,92 MHz che invia i dati in burst. Lo spettrogramma acquisisce e visualizza i burst trasmessi a circa 50 secondi di distanza l'uno dall'altro. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

I sistemi di accesso remoto senza chiave (RKE) per autoveicoli funzionano a 315 o 433 MHz, a seconda del luogo di utilizzo del veicolo e delle normative vigenti. In questo caso, l'utente deve solo tenere il portachiavi vicino all'antenna e premere uno dei tasti per vedere il tipo di modulazione utilizzato (Figura 7).

Lo spettro del portachiavi RKE mostra doppi picchi a circa 433,9 MHz. La codifica dei dati per questo dispositivo utilizza la modulazione digitale di frequenza (FSK) in cui la portante viene spostata tra due frequenze per indicare un uno o zero digitale. Altri portachiavi RKE utilizzano la modulazione digitale di ampiezza (ASK) in cui l'ampiezza di una portante viene spostata tra due livelli, non troppo diversi dal segnale CW.

Figura 7: Lo spettro di un dispositivo di accesso remoto senza chiave utilizza FSK di una portante a 433,9 MHz per codificare i dati digitali e controllare l'accesso a un veicolo. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Conclusione

Il ricevitore 1497 SDR di Adafruit spalanca le porte sul mondo delle bande di frequenza VHF, UHF e basse microonde per gli hobbisti e i professionisti. Consente agli utenti di utilizzare un computer per sintonizzarsi su FM, TV, radio amatoriali, banda cittadina, meteo e trasmissioni a onde corte. Può anche essere usato come analizzatore di spettro per verificare il funzionamento di un'ampia gamma di dispositivi RF portatili. 1497 è stato utilizzato anche per creare interferometri per la radioastronomia, il tutto a basso costo.