DIEXISMO

 

1.-DIEXISMO MEDIANTE RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE (SDR).-

 

Está uno cayendo de viejo casi, y cada día que pasa la tecnología nos da nuevas sorpresas. Hace 35 años, si querías ser radioaficionado necesitabas una licencia para transmitir en banda ciudadana, y un equipo que podía llegar a ser costoso para aquellos tiempos, a poder ser con una buena antena, que te brindase una buena calidad de señal, una emisora para la modulación, transmisión y recepción, un radiogoniómetro para detectar la dirección de la que procede la onda que sintonizas, y un escáner de frecuencia para poder barrer el espectro. No era barato. Lo que son las cosas. Hoy he pasado casi toda la tarde conectándome mediante algunas aplicaciones cliente a distintos servidores en los que una red de radioaficionados, a nivel global, comparten de manera digitalizada la integridad del espectro que reciben sus antenas. Puedes ir sintonizando y demodulando por software todas las señales que son captadas en las distintas bandas, e ir adaptando la demodulación y todos los parámetros del filtro de frecuencia intermedia, que son simulados por software, para tener en tu ordenador, por ejemplo, las señales que un radioaficionado puede sintonizar en su estación en Groenlandia. Todo un universo en tu ordenador gracias a Internet.

Comparto el enlace de la aplicación web que permite practicar el diexismo de manera online, sin necesidad de descargar ningún programa.

 

Enlace para acceder a la web de diexismo online

 

 

¿Qué mecanismo se emplea para que desde una estación de un radioaficionado se pueda transmitir la señal captada en una de sus antenas o bien simplemente servir las muestras de señal recibida al ordenador para que éste las procese y podamos sintonizar las emisoras? Este mecanismo es una radio definida por software (SDR).

 

 

En la anterior figura se representa este dispositivo. Se trata de un receptor hardware muy simplificado, conectado a una antena a su entrada. Lo primero que se hace es amplificar y filtrar paso banda la señal de radiofrecuencia. A continuación se obtienen las componentes en fase y en cuadratura de esta señal pasobanda. Para ello se multiplica la señal de RF amplificada con una señal sinusoidal, y respectivamente con una versión desplazada 90 grados de esa misma señal (podrían por ejemplo ser una señal seno y una señal coseno, de una frecuencia determinada). Las señales resultantes de ambos productos (que no son sino la traslación a banda base de ambas componentes de la señal pasobanda) son pasadas por sendos filtros pasobajo, en ambas ramas circuitales, con lo que tenemos las señales I(t) y Q(t) en forma de audio sin demodular. Para finalizar, estas señales se pasan por un conversor analógico-digital, que convierte las formas de onda continuas en muestras codificadas mediante conjuntos de bits. Ésto es lo que recibe el ordenador, que por software se encarga de hacer las operaciones matemáticas que restan, dependiendo de la señal concreta que estemos sintonizando y del tipo de modulación empleado en ella. Estas muestras codificadas también pueden ser servidas a Internet, de forma que un usuario remoto pueda abrir un flujo de paquetes de datos accesibles mediante la IP y el puerto del servidor que recibe los datos del SDR.

 

 

 

 

 

 

Pero ésto no es todo. De acuerdo con lo que comenté más arriba, en principio no es necesario que dispongamos de un SDR para sintonizar señales servidas remotamente. Sí sin embargo si lo que queremos es detectar las señales locales del entorno en el que nos hallamos (para lo que necesitamos una antena), y/o si queremos servir sus muestras correspondientes. Por lo tanto, queda explicada la simplicidad del portal web que incluí más arriba.

Ahora bien, existen paquetes de software gratuito para presentar de una manera más profesional las señales a las que nos enganchamos. Estos programas son descargables gratuitamente de Internet. Existen muchas soluciones al respecto, a cual más atractiva. Ejemplos de algunas de las aplicaciones de escritorio cuyo programa de instalación es descargable desde la world wide web son SDRSharp, QTRadio, SdrDx, SDRRadio, HDRSdr, SDRUno, …, y algunas más, aunque éstas son las más conocidas.

En los tres siguientes videos se puede apreciar la rutina a emplear para sintonizar las señales mediante la aplicación SDRRadio. Se puede observar que lo que esta aplicación muestra directamente en la pantalla es el espectro (la transformada FFT de las señales en el dominio del tiempo), presentado en el dominio de la frecuencia. La rutina usada consiste en ir recorriendo la frecuencia desde un punto determinado y reconocer en el espectro el tipo de modulación y el ancho de banda de cada señal independiente. Una vez que hemos adivinado estos datos, nos falta adecuar el filtro al ancho de banda de la señal y seleccionar la modulación, para que el programa filtre y demodule la señal. El tipo de modulación no es difícil de adivinar. La modulación más común es la modulación de amplitud (AM), que presenta un espectro de potencia par en relación a la portadora (simétrico). Es un espectro de potencia simétrico porque las señales reales tienen una transformada de Fourier de módulo simétrico respecto al punto central del ancho de banda que ocupan.

Por otra parte, las señales FM tienen un ancho de banda bastante mayor que las AM y su espectro presenta múltiples rayas espectrales equiespaciadas. Las señales CW, que se utilizan por ejemplo para transmisiones telegráficas en código Morse, tienen un ancho de banda mucho menor que las otras dos, y se escuchan según una sucesión de tonos. Los radioaficionados suelen emplear en sus transmisiones la modulación AM, o su versión reducida (USB – Banda Lateral Superior). De acuerdo con estas directrices, no resulta complicado ir escuchando las distintas transmisiones mediante el programa. A continuación incluyo los tres vídeos que antes mencioné.

 

 

 

 

2.-EDWIN ARMSTRONG Y EL RECEPTOR REGENERATIVO.-

 

 

Inventor e ingeniero en la era dorada de la radio, Edwin Armstrong fue el padre del oscilador Armstrong, caracterizado por un bucle de realimentación positiva conseguido con un circuito tanque LC; del receptor regenerativo; de la modulación de frecuencia (FM); y del receptor superheterodino, en el que se pasa la señal sintonizada desde radiofrecuencia hasta una frecuencia intermedia donde se puede filtrar y amplificar con calidad, eliminando casi todo el ruido y entregándosela al detector para la demodulación y la posterior amplificación de la señal de audio resultante.

 

 

Pero en esta ocasión me centraré en el receptor regenerativo. Este receptor fue realmente uno de los primeros, por no decir el primero, que se comercializó de una manera eficaz, con un funcionamiento razonable. Las antiguas radios a válvulas se construían inicialmente siguiendo este esquema, si bien ya más avanzado el siglo XX, pasaron a realizarse siguiendo el esquema superheterodino, que requería más válvulas, así como la presencia de los transformadores o trafos, pero ofrecía una mayor calidad en la recepción. Cuando las válvulas fueron sustituidas por los transistores, que no requieren altas tensiones para su polarización, se siguieron empleando estos esquemas. De hecho, en las radios comerciales se sigue empleando el esquema superheterodino, sólo que cada vez hay más tendencia a concentrar toda la lógica en un circuito integrado especializado para radio, sea cual sea la modulación.

 

 

La ventaja del receptor regenerativo es que, con la salvedad de unos pocos cambios, se puede emplear tanto para la demodulación de señales AM como la de señales FM. Ésto es debido a la naturaleza de los procesos que son acometidos. El primer paso es la recepción de la señal de RF. Si queremos una señal de la banda de Onda Media, lógicamente habremos de emplear una bobina de ferrita en paralelo con un condensador variable como antena y filtro de sintonía. Si sin embargo nos interesa la banda de la FM comercial, habremos de emplear una antena de FM y un circuito tanque LC con valores de L y C más pequeños para la sintonía. En cualquiera de los dos casos, una vez sintonizada la señal, se pasa a la etapa osciladora. Esta etapa es en realidad un amplificador con realimentación positiva, polarizado en la región activa y cerca de la saturación. La señal de realimentación positiva se entrega en una de las bobinas de sintonía, con lo que el transistor de esta etapa pasa a su colector y debido a la no-linealidad, tres señales cuyos espectros están centrados en la continua, en la frecuencia de RF, y en el doble de la frecuencia de RF, aunque como es lógico, aparecen algunas componentes más, dado que esta tensión de colector es de nuevo realimentada hacia la entrada. (En realidad aparecerán los espectros de la señal centrados en los armónicos de la frecuencia de RF).

Después de este paso inicial, ya tenemos en banda base el espectro de la señal, con lo que ahora interesará filtrarlo pasobajo, hacer la demodulación, y amplificar el audio. Y es aquí donde viene uno de los puntos clave del receptor. Para lograr que el receptor responda tanto a señales FM como a señales AM, a continuación se emplea un filtro RC derivador. El hecho de derivar la señal se debe a que la derivada de una señal FM es una señal AM, y la derivada de una señal AM es otra señal AM. De este modo, da igual lo que tengamos en el colector de la etapa osciladora, de seguro que tras el filtro RC tendremos una señal AM. Por lo tanto restará extraer de ella la envolvente y amplificar el resultado. Lo primero se suele hacer con un diodo de germanio, o bien con un transistor con la base al mismo potencial que el colector, que funciona como diodo. Finalmente, la amplificación de audio, en la que también se filtra pasobajo, puede realizarse con un montaje push-pull con dos transistores funcionando en clase AB en contrafase, o bien con una etapa amplificadora en clase A, o con un circuito integrado amplificador de audio LM386, nos es indiferente. La señal amplificada se presenta en unos auriculares o en un altavoz.

 

 

En el anterior video se puede observar la captura de la señal de audio (azul) y la salida del rectificador (rojo), mediante un osciloscopio de tarjeta. Cuando se observa la FFT de las dos señales, con la misma escala en el eje vertical, se puede observar que desde la rectificación a la salida hay una amplificación de 20 decibelios.

 

 

Por otra parte en el segundo video se presenta la salida de audio (azul) y la salida de la etapa osciladora (rojo). Si se comparan en el dominio de la frecuencia, se pueden advertir que entre la señal banda base de ambas hay una diferencia de 50 decibelios. Es ésta la amplificación resultante entre la señal en el colector de la etapa osciladora y el nivel de la señal de salida.

 

3.- SATURACIÓN Y DISTORSIÓN ARMÓNICA EN SEÑAL DE AUDIO DE UN RECEPTOR FM CON EL VOLUMEN AL MÁXIMO.-

 

En este video que he grabado el otro día, estuve viendo con el osciloscopio la señal de audio de un receptor de radio FM, con el volumen casi al máximo. Se puede observar perfectamente que el amplificador de audio entra en su rango de funcionamiento no-lineal, pasando a saturarse, cuando el volumen topea la máxima tensión que puede caer entre el condensador de filtro y masa.
En ese instante el sonido se distorsiona, por no ser amplificado, al alcanzar la tensión ese máximo valor que decía antes. Al final del video aumento la amplitud de la escala en el eje vertical y paso al modo combinado, mostrando abajo la transformada FFT, que es el estimador espectral empleado. Todo estimador espectral parte del concepto de que nosotros no podemos ver la señal desde menos infinito hasta más infinito en la pantalla del osciloscopio, sino que lo que vemos es la señal en tiempo enventanada con un pulso cuadrado de anchura el período de la señal de sincronismo del eje horizontal. Esto en frecuencia no da la transformada de Fourier de la señal, que es lo que idealmente querríamos obtener, sino la convolución en frecuencia de una función sin pi.w/ pi.w, o sea sinc, con la transformada de Fourier de la señal total en tiempo. Además de ello se aprecia que el espectro estimado no tiene exclusivamente las componentes banda base de la onda (algo similar a un triángulo centrado en el cero de la frecuencia) sino como cabía esperar aparece distorsión armónica, precisamente por estarse saturando el amplificador y no funcionar en su régimen lineal.

 

 

El tema de utilizar distintas transformaciones de la señal en tiempo para ver su composición en frecuencia no resulta extremadamente difícil de explicar. Una función temporal, que en definitiva es un vector en su espacio vectorial, se puede expresar según distintas bases de vectores. En este caso tenemos la base de los impulsos en tiempo, en función de los que podemos expresar con una integral el vector (una integral es un caso límite de una combinación lineal de vectores), y también tenemos la base de los impulsos en frecuencia. Cada impulso en frecuencia, que es un vector o señal, si lo expresamos en la base de los impulsos en tiempo tenemos una señal senoidal, que es una frecuencia pura. El espectro de una señal no es otra cosa que ver la señal o vector en otra base de vectores linealmente independientes distinta. Derivado de esta filosofía aparecen propiedades como el teorema de Parcival, que dice que la energía en frecuencia (La norma al cuadrado del vector en la base de la frecuencia) de una señal coincide con la energía en tiempo (La norma al cuadrado del vector en la base del tiempo). Ésto no es difícil de asimilar si tenemos en cuenta que el vector es en ambos casos el mismo y que en ambos casos usamos el mismo producto escalar, esto es, la integral entre menos infinito y más infinito del producto de la señal por el conjugado de esa misma señal, ya sea en tiempo o en frecuencia, y que arroja como resultado la norma al cuadrado o energía de la señal. En todo momento estamos hablando de un único vector que es la señal, pero a este vector lo podemos referenciar respecto a distintas bases. Lo mismo ocurre con otras transformadas matemáticas que se emplean en telecomunicaciones, como la transformada de Laplace, empleada para señales en las que existe un amortigüamiento, la transformada Wavelet, que emplea como vectores de la base las ondículas o señales chirp, y que permiten elegir la granularidad en nuestro análisis en frecuencia, o la transformada Z.

 

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