Come allestire un ricevitore radio SDR con il PC

La “radio definita dal software” (SDR) è un sistema di radiocomunicazione in cui i componenti che sono stati tradizionalmente implementati nell’hardware (ad es. mixer, filtri, amplificatori, modulatori / demodulatori, rivelatori, etc.) sono invece implementati mediante software, ad es. su un personal computer. Un sistema SDR di base può essere costituito da un personal computer dotato di una scheda audio o altro convertitore da analogico a digitale, preceduto da una qualche forma di front-end RF. Tali SDR possono essere condivise via web (WebSDR) e chiunque può ascoltarle liberamente da casa propria con un PC.

Una cosiddetta “Radio Definita dal Software” (SDR) è quella in cui funzioni come la sintonizzazione, il filtraggio e la modulazione / demodulazione sono eseguite dal software piuttosto che dall’hardware. La facilità con cui ciò è ora possibile è dovuta in gran parte ai progressi dell’elettronica digitale. Tale sistema produce una radio che può ricevere e trasmettere protocolli radio molto diversi (a volte indicati come forme d’onda) basati esclusivamente sul software utilizzato.

Una SDR è, essenzialmente, un computer collegato a un front-end RF che svolge le consuete funzioni di rilevamento e trasmissione di segnali radio. Il componente fisico chiave è il convertitore da analogico a digitale (ADC) che collega il front-end al computer. L’elaborazione dell’uscita digitale viene eseguita da una CPU. Ciò ha due vantaggi: la necessità di hardware (circuiti) è notevolmente ridotta; nuove funzioni possono essere aggiunte alla radio modificando o aggiungendo al software.

Schema di una semplice stazione radio SDR ricevente e trasmittente.

Dunque, con la SDR quantità significative di elaborazione del segnale vengono consegnate al processore del computer per scopi generici, anziché essere eseguite in hardware per “scopi speciali” (circuiti elettronici). Sebbene il concetto di SDR non sia nuovo, le capacità in rapida evoluzione dell’elettronica digitale rendono pratici ed economici molti processi che una volta erano solo teoricamente possibili. Ciò spiega perché negli ultimi anni si sia assistito a un vero e proprio “boom” di questo filone della radio.

Una tecnologia rivoluzionaria oggi accessibile a tutti

Il costo dei dispositivi SDR è in costante calo e recentemente ha raggiunto il punto in cui il prezzo non è più un ostacolo per il principiante. Sebbene i ricetrasmettitori SDR di alta qualità costino ancora oltre 1000 euro, nel caso ad esempio dell’RTL2832 si può avere una radio software di sola ricezione plug-and-play di qualità equa (ma molto utilizzabile) per un minimo di 20-30 euro. Puoi trovare una vasta scelta di radio e di ricevitori SDR con un buon rapporto qualità / prezzo sul web, ad es. qui.

Una serie di ricevitori SDR economici plug-and-play che sfruttano la porta USB. Ne puoi trovare diversi tipi in vendita online, ad es. qui.

La Radio Definita dal Software (SDR) è un progetto paradigma per dispositivi di comunicazione wireless. Il suo creatore, Joseph Mitola, ha definito il termine nei primi anni ’90 come identificatore di una classe di radio che potrebbe essere riprogrammata e riconfigurata dal software [12]. Mitola ha immaginato una SDR ideale, i cui componenti fisici erano solo un’antenna e un convertitore digitale analogico (ADC) sul lato ricevitore e un convertitore analogico digitale (DAC) e un’antenna sul lato trasmettitore.

Infatti il resto delle funzioni, secondo Mitola, sarebbe essere gestito da processori riprogrammabili. Sebbene l’idea pionieristica concepita negli anni ’90 non sia ancora realizzabile e non lo sarà probabilmente per qualche tempo, oggi il termine SDR è usato per descrivere un dispositivo reale che è principalmente definito dal software, ma include componenti hardware significativi. Anche con questi componenti, il ricevitore SDR è abbastanza diverso da un ricevitore tradizionale.

Oltre a un computer, una tipica radio definita dal software oggi richiede queste cose:

  • Un dispositivo SDR per convertire segnali RF analogici in dati digitali.
  • Un programma per computer per demodulare i dati digitali.
  • Un’antenna adatta a ricevere bande RF di interesse.
  • Un convertitore o upconverter (opzionale) per “spostare” una sezione dello spettro RF in un intervallo su cui il dispositivo SDR è in grado di sintonizzarsi se si desidera ricevere trasmissioni al di fuori del campo di sintonizzazione nativo dell’SDR.

Un kit completo di ricevitore SDR da 100 kHz a 1,7 GHz di buona qualità, utilizzabile per l’ascolto nelle bande UHF e VHF e, tramite l’upconverter (scatola grande), anche nelle HF. Lo puoi trovare in vendita, ad esempio, qui.

Esiste un’ampia gamma di soluzioni hardware SDR per radioamatori e uso domestico. Esistono soluzioni di ricetrasmettitori di livello professionale (ad es. Zeus ZS-1 o Flex Radio), soluzioni fatte in casa per l’uso domestico (ad es. ricetrasmettitore PicAStar, kit SoftRock SDR), e soluzioni per principianti (come alcuni ricevitori commerciali USB economici) oppure di livello professionale (ad es. il FiFi SDR per onde corte o il ricevitore SDR multicanale coerente Quadrus per onde corte o VHF/UHF).

Alcuni esempi di dispositivi SDR sul mercato.

Il software SDR installato sul PC esegue tutta la demodulazione, il filtraggio (sia in radiofrequenza che in frequenza audio) e il potenziamento del segnale (equalizzazione e presentazione binaurale). Gli usi includono ogni modulazione amatoriale comune: codice morse, modulazione a banda laterale singola (SLB), modulazione di frequenza (FM), modulazione di ampiezza (AM) e una varietà di modalità digitali come radioteletype, televisione a scansione lenta e radio a pacchetti.

Una delle piattaforme per le quali hardware e applicazioni SDR sono state sviluppate è Android. In commercio possiamo trovare front-end RF sviluppati appositamente per l’interfacciamento con i dispositivi mobile. Il software SDR può trasformare uno smartphone in un ricevitore SDR la cui gamma oscilla ad es. tra 50 MHz e 2 GHz in AM, FM e SSB a seconda dell’hardware utilizzato. Esiste anche un software chiamato Pocket HAM Bands Transceiver che consente l’ascolto remoto dei ricevitori SDR.

Interno di un dongle USB DVB-T a basso costo, usato come front-end SDR, che utilizza il Realtek RTL2832U (IC quadrato a destra) come controller e il Rafael Micro R820T (IC quadrato a sinistra) come sintonizzatore.

La radio è la trasmissione e la ricezione di radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d’onda più lunghe di quelle della luce infrarossa. Attraverso l’hardware illustrato in questo articolo, però, è possibile solo ricevere trasmissioni radio e non trasmettere, ma va bene dato che comunque è necessario disporre di una licenza radio amatoriale prima di farlo. Al contrario, la ricezione delle frequenze radio amatoriali è libera e la si può fare anche con uno scanner (come illustrato in un ns. articolo che trovi qui).

AVVERTENZA. Un ricevitore SDR non ti dà accesso solo alle gamme amatoriali, che costituiscono una piccola parte dello spettro radio coperta da tali dispositivi. Ci sono altri servizi che operano sullo spettro. Dovresti essere consapevole di quali servizi non puoi ascoltare: in generale, non puoi ascoltare nessuna trasmissione non destinata a te, né destinata ad essere aperta al pubblico. Facendolo, quindi, puoi ricevere una multa e avere conseguenze penali. È tua responsabilità informarti a riguardo.

Se sei un radioamatore, sappi che puoi interfacciare la tua radio amatoriale a Internet tramite un front-end SDR e una scheda “IFace”. 

Differenza fra una radio di tipo tradizionale e una SDR

Un ricevitore radio tradizionale o tipico, oltre alla classico demodulazione, esegue altre tre operazioni: (1) sintonizzazione della frequenza portante per selezionare il segnale desiderato, (2) filtro per separarlo dagli altri segnali ricevuti e (3) amplificazione per compensare le perdite di trasmissione. Inoltre, viene comunemente posto uno step di amplificazione prima del blocco di demodulazione per trasportare il segnale a un livello accettabile per il circuito del demodulatore.

La maggior parte dei ricevitori tradizionali ha usato i convenzionali schemi a eterodina per quasi un secolo. I blocchi interni di uno schema di radio supereterodina è mostrato in figura. Una comprensione di base della struttura è necessaria per distinguere questa concezione dal nuovo ricevitore SDR. Nello schema in questione, dopo che il segnale entra nel ricevitore attraverso l’antenna, in genere viene amplificato da uno stadio RF che opera solo nelle frequenze della regione di interesse.

Schema a blocchi di un ricevitore radio tradizionale a supereterodina.

Dopodiché, il segnale viene passato al mixer, che riceve il contributo dell’oscillatore locale tramite l’altro suo ingresso. La frequenza dell’oscillatore locale è impostata dal controllo della sintonizzazione della radio. Il mixer ha il compito di tradurre il segnale alla frequenza intermedia (IF). In genere, la frequenza dell’oscillatore è impostata su un valore che assicura che la sua differenza dalla frequenza desiderata del segnale sia uguale all’IF: per esempio, se qualcuno desidera ricevere una stazione FM a 100,7 MHz e l’IF è 10,7 MHz, l’oscillatore locale deve essere posizionato a 90 MHz.

Il passaggio successivo è un filtro passa-banda che attenua ogni segnale tranne che in una parte specifica dello spettro. La larghezza di banda di questo stadio limita la larghezza di banda del segnale che viene ricevuto. Comuni frequenze centrali per lo stadio IF sono 455 kHz e 10,7 MHz, rispettivamente, per AM e FM commerciali. Allo stesso modo, per la FM commerciale, la larghezza di banda è circa 100 kHz e per l’AM è superiore a 5 kHz, coerente con la spaziatura del canale che è di 200 kHz per l’AM e 10 kHz per le FM.

Alla fine, il demodulatore recupera l’originale segnale modulante dall’uscita dell’amplificatore IF impiegando una delle diverse alternative. Per esempio, per l’AM viene utilizzato un rilevatore di inviluppo e per le FM a discriminatore di frequenze. L’ulteriore elaborazione del segnale dipende dallo scopo per il quale il ricevitore è destinato. In una radio domestica comune, l’uscita demodulata viene passata a un amplificatore audio che è collegato a un altoparlante.

Un esempio di radio tradizionale per AM e FM.

Una tipica SDR amatoriale, invece, utilizza un ricevitore a conversione diretta. A differenza dei ricevitori a conversione diretta di un passato più lontano, le tecnologie di miscelazione utilizzate si basano su un rivelatore a campionamento in quadratura. Le prestazioni del ricevitore di queste SDR sono direttamente correlate alla gamma dinamica dei convertitori analogico-digitali (ADC) utilizzati. Un PC esegue poi le operazioni di elaborazione del segnale digitale usando un software specifico.

In pratica, i segnali in radiofrequenza vengono convertiti verso il basso nella banda di frequenza audio, che viene campionata da un ADC a frequenza audio ad alte prestazioni. Gli SDR di prima generazione utilizzavano una scheda audio per PC a 44 kHz per fornire funzionalità ADC. Le radio definite dal software più recenti utilizzano ADC incorporati ad alte prestazioni che offrono una gamma dinamica più elevata e sono più resistenti al rumore e alle interferenze RF.

La figura qui sotto mostra lo schema a blocchi di un ricevitore SDR. Inizialmente, il sintonizzatore RF converte il segnale analogico in IF, eseguendo la stessa operazione dei primi tre blocchi del ricevitore supereterodina. Fino a questo punto, i due schemi convergono. Successivamente, il segnale IF viene passato al convertitore ADC incaricato di modificare il dominio del segnale, offrendo campioni digitali alla sua uscita. I campioni sono inviati all’ingresso di un Down Converter Digitale (DDC).

Diagramma a blocchi di un ricevitore radio SDR.

Il DDC, che è lo stadio successivo del ricevitore SDR, è un chip monolitico e si pone come la parte chiave del sistema SDR. È composto da tre componenti principali: (1) un mixer digitale, (2) un oscillatore locale digitale e (3) un filtro passa-basso FIR (Impulse Response). Il funzionamento dei componenti è simile alla loro controparte analogica. Il mixer digitale e l’oscillatore locale spostano i campioni digitali IF nella banda base, mentre il filtro FIR passa-basso limita la larghezza di banda del segnale finale.

Sebbene i dispositivi SDR più comuni siano ricevitori, la tecnologia include anche schemi di trasmissione. Il prezzo di un ricevitore SDR può essere il basso come 20 euro, mentre il costo dei trasmettitori /ricevitori SDR in genere superano i 300 euro. La struttura del trasmettitore SDR è spiegata di seguito. I trasmettitori SDR ricevono un segnale in banda base come ingresso, in genere generato da un “Digital Signal Processor” (DSP), o processore di segnale digitale, come mostrato nella figura qui sotto.

Diagramma a blocchi di un trasmettittore radio SDR.

Il primo blocco del trasmettitore SDR è un Digital Up Converter (DUC), che trasferisce il segnale in banda base sulla IF. Il convertitore digitale-analogico (DAC) che segue trasforma i campioni in analogici. Successivamente, il convertitore RF sposta il segnale verso frequenze più alte. Infine, il segnale è amplificato e diretto all’antenna. Quindi, il mixer digitale e l’oscillatore locale spostano i campioni sulla IF, e tale spostamento è controllato dall’oscillatore locale.

Come creare la propria stazione ricevente SDR

Oggi, sia l’hardware sia i software SDR sono disponibili a prezzi molto bassi (in effetti, la maggior parte delle implementazioni software sono gratuite), il che invita a considerare l’introduzione di questo paradigma nelle soluzioni radio. Il livello di ingresso in questa nuova tecnologia è ormai così basso che chiunque può sperimentarla a casa propria acquistando un front-end SDR e un’antenna – anche se quest’ultima può essere facilmente autocostruita – e scaricando il software SDR dal web.

Vediamo ora un comune dispositivo SDR entry-level. Essendo una delle offerte più economiche sul mercato, il ricevitore SDR RTL2831 costituisce una scelta eccellente per un primo approccio alla tecnologia. Funziona nelle bande VHF e UHF, permettendo l’esplorazione di una parte considerevole dello spettro utilizzato per le trasmissioni nazionali in varie applicazioni. Fornisce allo stadio DSP una larghezza spettrale di 3,2 MHz durante il funzionamento in tempo reale.

Un kit con il dispositivo ricevitore radio SDR RTL2831.

Anche se viene fornito con un’antenna abbastanza piccola (personalizzabile da 9 a 32 cm), l’RTL2831 può essere collegato ad altre antenne con una migliore performance, e adattato alle bande di operazione previste. Inoltre, il dispositivo ha una porta USB 2.0 per comunicare con il computer, in linea con la larghezza spettrale che gestisce. Dispositivi in ​​grado di monitorare larghezze di banda più elevate sono comunemente collegati attraverso un cavo di rete tradizionale.

Un altro popolare (ed economico) ricevitore SDR è il ricevitore Digital Video Broadcast (DVB-T) Realtek RTL2832U, con controller e circuito esterno di sintonizzazione, e ADC a 7 bit. Sebbene il loro scopo originale fosse di ricevere video, questi dongle sono ora riproposti per ricevere segnali radio e sono noti come dispositivi “RTL-SDR”. Con una ricerca sul web, ne puoi trovare diversi a un prezzo contenuto (ad es. qui) – con o senza antenna/e in dotazione – adatti per una vasta gamma di frequenze radio.

La configurazione dell’antenna in dotazione è semplice. Avvita il connettore dell’antenna, montala su una finestra con la ventosa in dotazione e, poiché è un’antenna a dipolo, apri i bracci a esattamente 49,65 cm ciascuno. Collega l’estremità femmina del cavo più lungo in dotazione all’estremità maschio del dipolo, l’estremità maschio del cavo più lungo al tuo SDR, quindi monta l’antenna il più in alto possibile all’esterno. Preferibilmente su una finestra, utilizzando il supporto a ventosa fornito.

Il kit di ricevitore RTL-SDR RTL2832U proposto da RTL-SDR.com e relativa antenna a dipolo.

La piccola antenna di solito fornita in dotazione è sufficiente per la ricezione delle stazioni FM commerciali, dei ripetitori e trasmettitori locali in banda VHF e UHF radioamatoriale. Un’antenna esterna, naturalmente, amplia il range di utilizzo e consente la ricezione di satelliti meteo, segnali ADS-B, AM aeronautica, etc. Collegando un LNB montato su parabola si estende in alto il range di ricezione, viceversa sono disponibili apposite schede di conversione per la ricezione in banda HF.

Per iniziare a sperimentare la SDR e per applicazioni ben mirate, questi dongle USB – o “DVB Stick” – nati per guardare la TV su un PC sono una buona opzione, e consentono di ascoltare sia segnali acustici che dati trasmessi riguardanti ogni genere di cose. Ma sono limitati da circa 22 MhZ a 2200 Mhz di frequenza, a seconda del particolare dongle che hai. Andare oltre questi limiti richiede un salto a un hardware SDR diverso, non RTL, che non è difficile da trovare in vendita online, ad esempio qui.

L’interno della chiavetta USB di RTL-SDR mostrata nella figura precedente.

Sebbene i componenti hardware siano essenziali nella concezione dell’SDR, la definizione del paradigma di per sé indica la necessità di complementare il sistema con un software dedicato. Al fine di far funzionare un dispositivo SDR – da un personal computer o da un “Field Programmable Gate Array” (FPGA) che esegue l’elaborazione del segnale digitale – è necessario un software per abilitare l’interazione, ma il software deve comprendere anche un framework con funzioni di interfaccia utente.

Come provare un ricevitore radio SDR in pratica

Una volta attaccata l’antenna al front-end SDR, collega il tuo SDR alla porta USB del tuo computer. A questo punto, per poter utilizzare i ricevitori DVB-T come radio SDR, occorre installare degli appositi driver, in sostituzione di quelli originali dell’RTL2832U. I dati vengono da essi passati ad uno dei tanti software SDR free capaci della demodulazione, mentre apposite librerie (generalmente .dll) interfacciano l’applicativo con l’hardware del ricevitore per il controllo della sintonia e di altri parametri.

In ambiente Windows, il modo più semplice per l’installazione dei driver è l’utilizzo dell’applicativo Zadig. Questo è dotato di un’utile interfaccia utente per l’installazione di alcuni tipi di driver e relativa gestione. Per quanto riguarda le librerie, non sono un problema se si opta, ad esempio, per il software SDR#, che supporta direttamente gli RTL-SDR con una sua libreria ed ha il vantaggio di richiedere poche risorse hardware da parte del PC. Ora sei pronto per usare il tuo ricevitore SDR!

Il programma Zadig, utile per l’installazione dei driver per il nostro ricevitore RTL-SDR.

Una volta che il dispositivo SDR è in comunicazione con il personal computer, si possono iniziare a esplorare i numerosi usi di questa nuova tecnologia, che non si limitano all’ascolto della radio amatoriale. I dispositivi SDR possono essere combinati con software gratuiti appositi per facilitare l’esame dello spettro radio, la rilevazione di interferenze, i test di funzionamento di ripetitori e la misurazione dei loro parametri elettrici, la caratterizzazione del rumore da parte di varie bande e regioni del mondo, etc.

Le possibili applicazioni che potrai realizzare dipenderanno anche dal software specifico che sceglierai, come illustrato in un ns. articolo che trovi qui. Collegato il front-end e l’antenna, ed avviato il software SDR, si può intanto cominciare a visualizzare lo spettro alla ricerca di segnali utili da demodulare. All’apertura del software, ti verrà probabilmente presentata una finestra di dialogo per selezionare il tuo dispositivo SDR e scegliere le impostazioni. Quindi, ad esempio, se usi un front-end basato sulla RTL2832U, puoi scegliere l’OEM generico RTL2832U, e puoi modificare la frequenza di campionamento.

Una schermata del software SDR#, con la tipica visualizzazione a cascata visibile nella parte bassa dello schermo. Naturalmente, si possono usare anche altri software SDR.

Quando possiedi una SDR a tutti gli effetti – e con un po’ di pratica – sarai in grado di riconoscere diverse modalità di comunicazione utilizzate nella radio amatoriale (SSB, SSTV, RTTY, FAX, ecc.). Ma, rispetto al vecchio modo di “sintonizzarsi” alla cieca con una chiamata VFO, il display a cascata è una caratteristica molto divertente di una tipica interfaccia utente SDR. Basta guardare i segnali radio presenti sulla visualizzazione a sulla cascata e “scorrere” sopra con il mouse per sintonizzarli.

L’area colorata visibile nell’interfaccia di gestione di una SDR è infatti conosciuta come la “cascata”, e questa è una rappresentazione grafica dei segnali radio che vengono ricevuti attraverso lo spettro. Possiamo usarla per individuare i segnali radio e aiutarci a sintonizzarci su di loro. Questa sezione dovrebbe costantemente scorrere verso l’alto e, in questo modo, vediamo non solo un’immagine visiva in tempo reale dei segnali sullo spettro radio, ma anche gli ultimi 5-10 secondi di storia.

Possiamo scorrere su e giù per lo spettro passando il mouse sulla cascata e a sinistra, fare clic e quindi spostarci lateralmente (a sinistra o a destra) tenendo premuto il pulsante sinistro del mouse. La frequenza che puoi effettivamente sentire è indicata da un piccolo “pennarello” giallo sul bordo superiore o inferiore della cascata. Allo stesso modo, per sintonizzare un segnale, questo può essere “afferrato” usando il mouse e spostandolo a sinistra e a destra sul display a cascata.

Schermata di un software SDR multipiattaforma: CubicSDR.