Radio definida por software y comunicaciones digitales
Una banda de 20 MHz centrada en 70 MHz se puede digitalizar con un conversor de 56 MS/s, menos que su frecuencia más alta. El conversor, bien elegido, hace de mezclador.
01La radio definida por software
En un receptor clásico, cada función es un circuito: el filtro de canal, el demodulador, la recuperación de portadora. En una radio definida por software (SDR), el frente analógico se reduce a amplificar, a veces trasladar, y digitalizar; todo lo demás lo hace un procesador, una FPGA o una computadora. Cambiar de estándar, de ancho de banda o de modulación es cambiar el programa. Los mismos bloques de receptores y transmisores siguen estando, pero del lado digital del conversor:
| Bloque digital | Función |
|---|---|
| Oscilador numérico y mezclador digital | Bajar el canal a banda base, con I y Q perfectamente balanceados |
| Filtros diezmadores (CIC y FIR) | Seleccionar el canal y reducir la frecuencia de muestreo |
| Sincronización | Recuperar la portadora, el reloj de símbolos y la trama |
| Ecualizador y demodulador | Corregir el canal y decidir los símbolos |
| Decodificador de canal | Corregir errores con el código |
El procesamiento se apoya en el hardware de procesamiento digital de señales, y las modulaciones y sus tasas de error son las de ruido en modulaciones digitales.
02Muestreo pasabanda
El teorema del muestreo pide muestrear al doble de la frecuencia máxima, pero para una señal pasabanda, que ocupa solo de \( f_L \) a \( f_H \), alcanza con el doble del ancho de banda, si se elige bien la frecuencia de muestreo: el alias de la banda cae limpio en la primera zona de Nyquist, sin superponerse consigo mismo. Es el submuestreo, que reemplaza a un mezclador por el propio conversor:
Una banda de ancho B centrada en fc. Arriba, dónde aparece al muestrear, en la primera zona de Nyquist, de 0 a fs/2; abajo, las frecuencias de muestreo válidas en verde y la elegida en amarillo.
03Los sistemas digitales actuales
Las comunicaciones móviles, el Wi-Fi y la televisión digital combinan todo lo visto: modulaciones QAM adaptativas, OFDM con cientos de subportadoras que convierten un canal con ecos en muchos canales planos, códigos LDPC o turbo cerca del límite de Shannon, múltiples antenas (MIMO) que multiplican la capacidad aprovechando los distintos caminos de propagación, y un frente de RF que es, en gran parte, una radio definida por software.
04En el laboratorio
Con un receptor SDR de bajo costo y GNU Radio, recibir una emisora de FM comercial, filtrar el canal, demodular y escuchar el audio. Identificar cada bloque del diagrama.
Muestrear una señal de 10,7 MHz con un conversor de 4 MS/s y encontrar dónde aparece en el espectro digital.
Transmitir y recibir una QPSK entre dos SDR y observar la constelación antes y después de la recuperación de portadora.
05Errores frecuentes
- Muestrear una señal pasabanda con cualquier frecuencia mayor que 2B. Solo sirven los intervalos válidos.
- Olvidar el filtro de banda antes del conversor. El ruido y las señales de todas las zonas de Nyquist se pliegan sobre la banda.
- Usar un reloj ruidoso para submuestrear. El jitter degrada la relación señal a ruido en proporción a la frecuencia de la señal.
- Olvidar la inversión del espectro en las zonas pares. Hay que invertir la frecuencia en el procesamiento.
06Autoevaluación
¿Qué frecuencias de muestreo sirven para una banda de 60 a 80 MHz con n = 2?
De 80 a 120 MHz.
Con fs = 100 MHz, ¿dónde aparece esa banda y cómo?
Entre 20 y 40 MHz, invertida.
¿Cuál es la mínima frecuencia de muestreo teórica para una banda de 20 MHz?
40 MHz, si la banda está ubicada en una posición entera respecto de su ancho.
¿Qué ventaja tiene el mezclador digital sobre uno analógico?
Sus ramas I y Q son exactamente iguales: no hay desbalance ni fuga de portadora.
07Para ampliar
- Travis F. Collins, Robin Getz, Di Pu y Alexander M. Wyglinski. Software-Defined Radio for Engineers. Artech House, 2018. La radio definida por software con ejercicios sobre hardware real, de acceso libre.
- Richard G. Lyons. Understanding Digital Signal Processing. 3.ª ed., Prentice Hall, 2010. El muestreo pasabanda y la conversión digital de frecuencia.
- Jeffrey H. Reed. Software Radio: A Modern Approach to Radio Engineering. Prentice Hall, 2002. La arquitectura de las radios definidas por software.