La guida definitiva alle SDR

Che cos'è la SDR?
La Software Defined Radio è la più grande innovazione tecnologica degli ultimi 20 anni nella tecnologia dei ricevitori e dei trasmettitori. Se inizialmente era solo un'applicazione specializzata, oggi praticamente tutte le radio di alta qualità si basano almeno in parte sulla tecnologia SDR. Invece di elaborare i segnali nel modo tradizionale, analogico, i segnali digitali vengono campionati a una frequenza di clock, digitalizzati (= convertiti in valori numerici) e quindi elaborati digitalmente in un computer come desiderato per l'applicazione.

Che cos'è l'SDR?

SDR è l'abbreviazione di Software Defined Radio. Si tratta di una radio - ricevitore, trasmettitore o ricetrasmettitore - le cui caratteristiche sono determinate dal software. Non si tratta di una "radio software": non è tecnicamente possibile, è necessario un hardware per trasmettere e ricevere. Tuttavia, alcune sottofunzioni che un tempo erano realizzate in circuiti cablati sono oggi gestite da hardware specializzato, opportunamente programmato: i DSP, processori di segnale digitale. Questi possono essere riprogrammati per trasformare un demodulatore FM in un demodulatore SSB, in un filtro passa-basso, in un analizzatore di spettro o in una combinazione di questi, a seconda delle necessità. In questo modo, un'intera banda di frequenza può anche essere memorizzata digitalmente e riprodotta in un secondo momento, proprio come l'ascolto dal vivo.

Quando si riproduce la registrazione, l'ascoltatore può decidere in un secondo momento, durante la riproduzione, quale frequenza viene effettivamente ascoltata e in quale modalità. Naturalmente la tecnologia SDR può anche sostituire un modulatore, perché gli strumenti software non sono limitati al solo ricevitore. La modulazione è interamente generata nel software secondo necessità. Ciò consente persino di regolare una pre-distorsione del segnale di trasmissione, per compensare le distorsioni reali introdotte dall’hardware nello stadio del trasmettitore.

Più di una soluzione per hobbisti

l fatto che la SDR non sia applicata solo ai radioamatori, ma anche nella tecnologia militare (dove anche la crittografia/decrittografia viene effettuata in SDR), nei ricevitori radio digitali e nei telefoni cellulari dimostra che si tratta di una tecnologia matura e professionale e non di una "soluzione per hobbisti". Tra l'altro, la dicitura "radio SDR" è insensata come "display LCD" - la R significa già radio.

COME FUNZIONA LA TECNOLOGIA
COME FUNZIONA LA TECNOLOGIA DI TRASMISSIONE ANALOGICA CONVENZIONALE?

Ricevitore a radiofrequenza sintonizzato (TRF)

I primi ricevitori funzionavano in modo molto semplice: Le onde radio in arrivo dall'antenna venivano dirette verso un elemento raddrizzatore a cui veniva collegata una cuffia. Questa semplice tecnologia di rilevamento è in grado di rilevare solo la modulazione di ampiezza (AM) ed è molto poco sensibile a causa della mancanza di amplificatori. Inoltre, vengono ricevuti "tutti i trasmettitori contemporaneamente": a parte l'antenna, manca qualsiasi componente per la selezione in frequenza. Questo era accettabile solo nei primi anni della tecnologia radiofonica, quando i trasmettitori erano quasi molto pochi.

Per aumentare la sensibilità in ingresso e portare il segnale in uscita al livello di un altoparlante, in vari stadi del ricevitore vengono usati degli amplificatori. Per selezionare le singole stazioni sul ricevitore, è necessario un filtro che deve essere impostato esattamente sulla frequenza del segnale ricevuto. Per ottenere una "selettività" ragionevole con l’uso del filtro, sono necessari più filtri che devono funzionare in modo sincrono. Inoltre, con l'aumento dell'amplificazione e del ritorno, l'intero sistema diventa più selettivo, ma anche instabile, oscillando facilmente e diventando così un involontario trasmettitore che interferisce con altri ricevitori. Pertanto, le capacità di un cosiddetto ricevitore diretto o sintonizzato a radiofrequenza, sono limitate.

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Ricevitore supereterodina (Superhet)

Più utile e quindi standard di oggi è il principio del ricevitore pubblicato da Edwin Armstrong, chiamato supereterodina o superhet in breve. Contemporaneamente, anche Lucien Lévy in Francia e Walter Schottky in Germania scoprirono questo principio. In questo caso, dopo una leggera preamplificazione, il segnale proveniente dall'antenna viene passato a una supereterodina, un mixer, che lo mescola con una frequenza supereterodina generata internamente da un oscillatore. I due segnali non vengono semplicemente sommati, ma moltiplicati, per cui si utilizza un componente con una caratteristica non lineare o uno con due ingressi (valvola multigriglia, semiconduttore a doppia porta, modulo mixer). Si ottiene così un segnale che contiene ancora la modulazione con una frequenza che corrisponde alla somma delle frequenze di ricezione e dell'oscillatore e una frequenza che corrisponde alla loro differenza.

In questo modo, il segnale ricevuto viene convertito in una frequenza intermedia più bassa. Questo segnale può essere amplificato e filtrato molto più facilmente: i filtri possono essere impostati su una frequenza fissa e non devono più essere sintonizzati in modo sincrono. Per sintonizzarsi su una frequenza di ricezione diversa, basta cambiare la frequenza di sovrapposizione. Anche il rischio del ritorno è ridotto, poiché il segnale non viene più amplificato sulla stessa frequenza dall'antenna al rilevatore.

Se si devono ricevere frequenze molto elevate, la miscelazione e la conversione down possono essere effettuate anche più volte. Ad esempio, nella parte ricevente di un'antenna satellitare, l'LNB direttamente sull'antenna, converte il segnale originale di circa 10 GHz in 1 o 2 GHz. Questo segnale viene poi inviato al ricevitore satellitare tramite normali cavi coassiali (cioè accessibili).

L'unico svantaggio di questa tecnica di ricezione: Poiché non si forma solo una differenza, ma anche una somma di frequenze di ricezione e di sovrapposizione, il superhet riceve in linea di principio su due frequenze contemporaneamente, il che porta delle interferenze nel caso in cui entrambe siano occupate. Per prevenire questo, è necessario un pre-filtraggio nella sezione del circuito che si trova prima dello stadio di miscelazione. Questo filtro abbatte i segnali al di fuori della banda di ricezione voluta. Nei ricevitori più prestazionali è comune anche la conversione multipla; una prima frequenza intermedia più alta assicura una migliore reiezione della frequenza immagine da parte dei pre-filtri, una seconda frequenza intermedia più bassa assicura poi una migliore selettività della stazione da ricevere.

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Ricevitore a conversione diretta

Un caso particolare è il ricevitore supereterodina, in cui la frequenza di ricezione e quella dell'oscillatore sono le stesse, in modo che il ricevitore si mescoli direttamente a zero - a livello della frequenza audio. È anche chiamato omodina o sincrodina.

In questo caso, il problema della frequenza immagine non si applica. Invece, vengono creati segnali complessi nella gamma LF, costituiti da una componente I e una Q. Per i ricevitori analogici convenzionali, questa tecnologia non ha potuto affermarsi su scala più ampia a causa dei problemi legati ai forti segnali e al forte rumore. Inoltre, la frequenza dell'immagine si trova direttamente nella stessa gamma di basse frequenze (LF); non è possibile distinguere, ad esempio, tra 1 kHz al di sotto e 1 kHz al di sopra della frequenza di ricezione. La situazione è diversa con i ricevitori SDR digitali, perché in questo caso i segnali I e Q possono essere elaborati direttamente e quindi è possibile distinguere chiaramente tra la frequenza desiderata e quella dell'immagine.

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COME FUNZIONA UN RICEVITORE DIGITALE?

Come già accennato, in un ricevitore digitale il segnale ricevuto non viene più elaborato in analogico a un certo livello, ma digitalizzato e poi elaborato in un chip, o più precisamente, di solito in un DSP - processore di segnale digitale. La tecnologia si è evoluta in diverse implementazioni, in relazione alle prestazioni dei circuiti di campionamento e dei DSP.

Conversione diretta - campionamento a bassa frequenza

La versione più semplice sul versante digitale utilizza un ricevitore a conversione diretta per miscelare a livello di bassa frequenza, pochi kHz. Il segnale può quindi essere elaborato da una scheda audio standard e da un normale PC senza bisogno di altro hardware dedicato. È così che funzionavano, ad esempio, i primi ricevitori dimostrativi per la DRM (Digital Radio Mondiale), che avrebbe dovuto sostituire le trasmissioni AM in onde lunghe, medie e corte. Poiché un normale PC non è molto adatto a questo compito, la CPU è sottoposta a un carico pesante e quando si avviano altri programmi impegnativi, la decodifica si blocca. A volte il carico provoca anche l'accensione delle ventole del PC, rendendo necessario l'uso di cuffie, soprattutto nei notebook. Inoltre, sebbene sia possibile elaborare procedure di modulazione speciali, rimangono le limitazioni della ricezione convenzionale di una sola frequenza e una stazione alla volta: la larghezza di banda che può essere elaborata dalla scheda audio e dal PC, difficilmente va oltre la normale gamma di basse frequenze (LF).

A prima vista, questo metodo è poco costoso, richiede una quantità minima di hardware dedicato, ma di fatto satura un PC per l'elaborazione del segnale e dovrebbe essere considerato soltanto come un assaggio della tecnologia SDR. Tuttavia, è molto diffuso anche indipendentemente dal PC, sia nei telefoni cellulari che negli attuali ricevitori a onde corte a basso costo, dato che è la soluzione più economica. Se un radioamatore vuole ricevere nella gamma delle onde lunghe, è diventato lo standard, poiché in questo caso la scheda audio è assolutamente sufficiente per l'elaborazione del segnale - i modelli che funzionano fino a 192 kHz di frequenza di clock possono persino decodificare il segnale orario del trasmettitore DCF 77 a 77,5 kHz. A questo scopo, il radioamatore tedesco DL4YHF ha scritto il software SpecLab operando in modalità come WSJT utilizzando la decodifica di un segnale nella gamma AF tramite una scheda audio del PC.

Anche il popolare RTL-SDR, una chiavetta USB prodotta per la ricezione DVB-T, utilizza questa tecnologia con l'E4000 come DSP, mentre l'R820T è la variante successiva con una frequenza intermedia di 3,57 o 4,57 MHz.

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Ricevitore ibrido - campionamento a Ricevitore ibrido - campionamento a frequenza intermedia

È più efficace lavorare a livello di frequenza intermedia. Per questo, però, sono necessari campionatori e DSP speciali nel ricevitore; una scheda audio e un normale PC non sono in grado di lavorare almeno a circa 100 kHz. D'altra parte, è possibile campionare con una larghezza di banda più ampia, il che può essere utile per particolari tipi di modulazione, come la modulazione a spettro diffuso. Tuttavia, questi tipi di modulazione si trovano tipicamente nei moduli WLAN, ad esempio; in campo radioamatoriale non sono molto diffusi a causa delle limitate allocazioni di frequenza sulle bande dedicate. D'altra parte, diverse trasmissioni possono essere ricevute ed elaborate simultaneamente processandoli attraverso un livello di larghezza di banda più ampio.

Naturalmente, anche gli stadi di frequenza intermedi devono essere a banda più larga. Anche per le bande a onde corte, quindi si utilizzano frequenze intermedie più elevate e di conseguenza sono necessari scanner più veloci e DSP più potenti. La buona notizia: Questa tecnologia è disponibile da diversi anni. Allo stesso modo, la tecnologia di miscelare a una frequenza intermedia si è dimostrata valida; sono disponibili moduli potenti frutto di anni d’esperienza. I filtri passa-banda impediscono che gli stadi del modulo RX siano esposti a forti segnali al di fuori dell'intervallo di ricezione desiderato. I risultati in termini di protezione ai grandi segnali e di intermodulazione quindi sono altrettanto buoni come nei ricevitori analogici. Nella gamma dei GHz la tecnologia non è applicabile: nessun DSP è in grado di elaborare direttamente frequenze così elevate. Alcuni ricevitori, pertanto, elaborano alcune gamme di ricezione in modo ibrido, altre in modo diretto, come l'Icom IC-9700 che elabora 2 m e 70 cm in modo diretto e 23 cm in downmix a una frequenza intermedia di circa 341 MHz.

Le larghezze di banda fino a due cifre di MHz possono ancora essere elaborate con un normale PC, che lavora insieme a un'interfaccia dedicata, ad esempio un ricevitore su una scheda plug-in, e non più con la scheda audio del PC stesso. Il PC come interfaccia di controllo, non necessariamente come processore di segnale, è molto popolare con l'SDR nel suo complesso, e anche alcune soluzioni SDR stand-alone utilizzano un PC integrato per questo scopo. Grazie alla combinazione della collaudata tecnologia analogica e della nuova tecnologia digitale, è possibile ottenere valori caratteristici molto buoni e il sistema può essere implementato con successo anche per altri settori di trasmissione.

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Campionamento diretto dal segnale ricevuto

La tecnologia SDR più diffusa è il campionatore diretto. In questo caso, il segnale di ingresso viene elaborato direttamente in digitale invece di essere downmixato. Naturalmente, questo è il metodo più flessibile e l'intera gamma di ricezione può essere elaborata in un unico blocco. Tuttavia, anche i requisiti del campionatore e del DSP sono più elevati. Questo principio di funzionamento può essere sconveniente se non ci sono filtri di banda in ingresso e il ricevitore di conseguenza deve elaborare tutti i segnali contemporaneamente, siano essi a onde corte, trasmissioni FM o deboli segnali radioamatoriali. Spesso, quindi, la gamma AM, sebbene tecnicamente sia la più facile da elaborare, viene filtrata con un filtro passa-alto in considerazione degli elevati livelli di utilità e di interferenza prodotti da questa gamma.

Con un'alta risoluzione di almeno 12 bit, un campionatore diretto è superiore ai concetti analogici perché può aggirare i loro problemi, come le distorsioni di intermodulazione negli stadi di amplificazione analogici. L'unico svantaggio è il prezzo più elevato e il maggior consumo energetico causato dall'elevata potenza di calcolo, motivo per cui questa tecnologia è meno adatta ai dispositivi portatili.

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Frequenza di campionamento e risoluzione

Il segnale di ingresso per la digitalizzazione deve essere campionato possibilmente con almeno il doppio della frequenza massima di ingresso, per poter ricostruire il segnale in modo affidabile. Con un convertitore A/D con frequenze di campionamento fino a 3,6 GSPS (Giga-Samples Per Second) a 12 bit di risoluzione, già nel 2013 era possibile raggiungere gamme di ricezione fino a 1500 MHz. Tuttavia, i moduli SDR a basso costo destinati alla sperimentazione, come HackRF [https://www.wimo.com/de/hackrf-one] e gli stick SDR, che sono stati effettivamente sviluppati per la ricezione DVB-T, utilizzano una risoluzione di soli 8 bit per il convertitore analogico-digitale, che non è sufficiente per un'elaborazione pulita del segnale radio secondo gli standard attuali. Durante la trasmissione, ciò provoca eccessive emissioni di spurie. Pertanto, senza ulteriori accorgimenti tecnici, tali moduli possono essere utilizzati in ambito radioamatoriale solo per la ricezione, dove naturalmente portano anche un aumento dei punti di falsa ricezione, dove in realtà non c'è alcun segnale. Tuttavia, questo rimane un problema relegato al singolo radioamatore e non disturba gli altri; per dei semplici ricevitori portatili che non devono elaborare alti livelli di segnale, questo è accettabile. Ma esistono anche chiavette SDR USB - ovviamente un po' più costose - con una risoluzione più elevata, come il Colibri-NANO con 14 bit o il Funcube SDR a 16 bit.

I sistemi per frequenze di campionamento inferiori, come le schede audio, non hanno questi problemi; negli anni '90 hanno iniziato con gli 8 bit, ma anche i 16 e i 24 bit sono disponibili da molti anni perché sono indispensabili per una produzione e riproduzione musicale qualitativamente accettabile.

Se la frequenza del segnale da elaborare è superiore al doppio della frequenza di campionamento, la ricezione è ancora possibile, ma diventa ambigua: come nel caso del ricevitore a supereterodina, la ricezione avviene ora contemporaneamente su una frequenza di somma e su una frequenza di differenza, e si formano prodotti misti inaspettati. Questo fenomeno è chiamato "aliasing". Lo si conosce bene con le scansioni delle immagini dei giornali o con i giornalisti che indossano giacchette in televisione, dove diventano visibili inaspettati motivi di interferenza ("moiré") dovuti alla sovrapposizione della frequenza di campionamento e del contenuto dell'immagine.

Un filtro anti-aliasing cerca di eliminare la frequenza di ricezione sbagliata"; di solito è un filtro passa-basso che filtra le frequenze "troppo alte" al di sopra della metà della frequenza di campionamento. In casi particolari, viene filtrata anche la frequenza di ricezione ""più bassa"", ad esempio nell'Icom

IC-9700, se deve ricevere nella banda 2-m da 144 a 146 MHz o nella banda 70-cm da 430 a 440 MHz: Il suo convertitore A/D ha una frequenza di campionamento di soli 122 MHz. Questo si chiama "sottocampionamento": La frequenza di campionamento è infatti troppo bassa per una decodifica chiara. In questo caso, viene utilizzato un filtro passa-alto per l'anti-aliasing, che filtra i segnali al di sotto di circa 130 MHz; nella banda 2-m, viene utilizzato anche un filtro passa-banda per filtrare l'altrettanta possibilità di ricezione su frequenze ancora più alte. La situazione è simile con la chiavetta USB Colibri NANO, che scansiona anch'essa a 122 MHz ed è stata inizialmente sviluppata per la ricezione a campionamento diretto delle onde corte da 9 kHz a 55 MHz. In questo caso, è possibile disattivare il filtro anti-aliasing e ricevere fino a 500 MHz con il sottocampionamento e le relative limitazioni, ovvero la ricezione multipla.

Al contrario, se la frequenza di campionamento è molto più alta della frequenza del segnale, cioè se il segnale viene campionato molto più spesso di quanto sia effettivamente necessario, si parla di "sovracampionamento". Questo si traduce in un aumento della velocità di trasmissione e aumenta la qualità, ma anche la quantità di dati da elaborare. Per questo motivo, la tecnologia audio oggi lavora con frequenze di campionamento fino a 196 kHz, anche se l'orecchio umano può sentire solo onde sonore fino a circa 20 kHz. Il sovracampionamento aumenta anche la qualità del segnale delle apparecchiature radio, ma è anche associato a un maggiore sforzo (costi, consumo energetico). D'altra parte, è più facile costruire un filtro anti-aliasing pulito e far diminuire il rumore, in modo simile ad aumentare il numero di bit del convertitore A/D. In questo modo, i segnali che sono effettivamente al di sotto del limite di rumore diventano leggibili, come nel caso del WSJT.

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Filtri a banda - o "tutto è permesso" vs. "migliore qualità"

I filtri anti-aliasing come filtri passa-basso o passa-alto sono già stati menzionati. Per evitare l'overdrive, è perfettamente sensato limitare la gamma di ricezione continua di un SDR con filtri di banda commutabili a una banda di frequenza specifica, ad esempio una banda radioamatoriale, anche senza problemi di aliasing. Tuttavia, ciò impedisce di scansionare l'intera gamma di onde corte e di memorizzarla come file o di consentire a più utenti di utilizzare un ricevitore SDR su frequenze e bande di frequenza diverse via Internet ("WebSDR"). Il Kiwi SDR, che è stato sviluppato proprio per questo uso e non utilizza filtri di banda per la preselezione. L'Icom IC-7300, la controparte in onde corte dell'IC-9700, invece lo fa, perché questo dispositivo essendo un ricetrasmettitore, non deve ovviamente essere utilizzato da più persone contemporaneamente via Internet, ma solo dal suo proprietario, e deve offrirgli il miglior risultato possibile. Questo risultato è ottenuto grazie a filtri di banda che vengono commutati in base alla banda di frequenza selezionata. Di conseguenza, i costosi filtri al quarzo, utilizzati in precedenza nelle radio amatoriali per ottenere una selettività sufficiente nei modi a banda stretta, sono diventati obsoleti grazie all'SDR.

Riduzione delle armoniche attraverso la predistorsione: La predistorsione può essere utilizzata per compensare le mancanze di linearità dello stadio di uscita di trasmissione che generano armoniche. In alcuni casi, è possibile ottenere valori significativamente migliori rispetto alla tecnologia analogica, ma questa tecnologia dei limiti con le armoniche più elevate, che a volte possono addirittura aumentare se la compensazione non è corretta. La predistorsione quindi non sostituisce i filtri di uscita del trasmettitore!

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I limiti della tecnologia SDR

Più in alto, più veloce, più lontano! - Questo principio è valido da decenni nella tecnologia informatica e i PC possono fare di più ogni anno. Anche le soluzioni SDR ne traggono vantaggio, ma finora non è possibile andare arbitrariamente veloci. Le frequenze di campionamento sono appena superiori a 100 MHz e con una risoluzione di 12 bit: se si vuole di più, bisogna accontentarsi di meno bit e viceversa. Le onde corte possono quindi essere elaborate completamente in digitale (campionamento diretto); sul mercato sono disponibili soluzioni per trasmettere e ricevere frequenze fino a 6 GHz tramite frequenze intermedie. Tuttavia, anche i ricevitori analogici normalmente non vanno oltre senza conversione, come nel caso dell'LNB satellitare, che miscela da 10 ... 12 GHz a 800 MHz ... 2 GHz. È quindi possibile operare anche tramite AO-100 via SDR.

In termini di larghezza di banda, con il campionamento diretto è teoricamente possibile elaborare l'intera gamma di frequenze in un unico pezzo. In realtà, però, di solito ha senso limitarsi a qualche decina di MHz, perché altrimenti la velocità di trasmissione dei dati diventa così elevata che la registrazione in tempo reale non è più possibile. Gli attuali prodotti di punta per radioamatori funzionano in questo modo fino alla banda dei 23 cm, con soluzioni sperimentali anche superiori, ma con una qualità/risoluzione ridotta. In questa fascia, però, non sono più disponibili nemmeno apparecchi analogici già pronti; mentre è ancora richiesta la costruzione fai-da-te, che può ovviamente utilizzare anche l'elaborazione digitale del segnale. Ad esempio, il Langstone SDR del radioamatore inglese G4EML può trasmettere e ricevere da 70 MHz a 5,7 GHz

Complessivamente, negli ultimi 20 anni l'SDR ha sostituito in modo piuttosto inosservato gran parte della tecnologia analogica nei dispositivi radiotecnici dell'intera gamma, da quelli economici a quelli di fascia alta. Nella maggior parte dei casi, i costi sono diminuiti e le prestazioni e la flessibilità dei dispositivi sono aumentate.

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