Uso dei ricevitori SDR: dalle antenne al software

Non è ancora diventato un termine familiare, ma la cosiddetta “Software-Defined Radio” (SDR) è uno dei principali attori sul fronte della tecnologia moderna e in via di sviluppo. Sia che tu stia costruendo prodotti per il consumo di massa, o semplicemente giocando per divertimento, vale la pena sapere come trarre il meglio da un ricevitore SDR. In questo articolo – che è la continuazione di un altro nostro articolo che ci ha introdotto a questa nuova rivoluzionaria tecnologia – ci concentreremo, in particolare, su 2 aspetti: come migliorare la ricezione dei segnali e principali tipi di software (e sue applicazioni).

Sebbene la radio abbia utilizzato fondamentalmente la stessa tecnologia da quando Guglielmo Marconi ha condotto i suoi esperimenti per la prima volta nel 1895, la migliore progettazione dei circuiti e le moderne tecniche di elaborazione del segnale ci hanno permesso di trasmettere molto di più e assai più lontano di prima. Oggi, è possibile che una persona con un laptop e un equipaggiamento inferiore a 30 euro riceva una vasta gamma di frequenze radio e sfrutti ciò per numerose interessanti applicazioni.

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 dall’utente.

Due elementi essenziali di un ricevitore SDR: il front-end RF e il computer con il software.

La RTL-SDR è la pratica di usare dongle USB nati come sintonizzatore televisivo per la SDR. Questi “DVB Stick” sono fatti per guardare la TV su un PC, e all’interno c’è un chip Realtek 2832U. Il collegamento del dongle al computer e l’avvio di software ad hoc consente di ascoltare sia segnali acustici che dati trasmessi riguardanti ogni genere di cose. Si possono monitorare gli aerei, ascoltare la banda di emergenza, la radio FM e iniziare una “caccia al tesoro” per tutte le cose che si trasmettono sul nostro pianeta.

Con pochi accessori si possono seguire le trasmissioni in onde corte, tutte le bande HF e superiori dei radioamatori, ma anche i segnali di radioposizionamento di aerei e navi, la sonde meteorologiche, decine di sistemi di trasmissione radiotelex, e naturalmente la radio analogica in FM e digitale DAB+, con risultati anche superiori a quelli possibili con i software commerciali normalmente in dotazione alle chiavette, grazie a software gratuiti che sfruttano le piattaforme Windows, Linux e Android.

Una schermata del software HDSDR, uno dei numerosi software per la ricezione SDR.

Quali antenne possiamo usare con una SDR?

Quali antenne bisogna usare con una SDR? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo prima spiegare brevemente come si possono ricevere le onde radio. In primo luogo, ogni antenna viene derivata in pratica da un dipolo. In un di-polo, che sono 2 fili o barre uguali in una linea, uno riceve la parte negativa e l’altra la parte positiva dell’onda radio. Le onde radio, tuttavia, hanno una tensione alternata, che cambia in frequenza. Ad esempio, un’onda radio a 10 MHz (10 Megahertz) alterna 10.000.000 volte al secondo, o 10.000.000 periodi al secondo di polarità, quindi anche il segnale che viene ricevuto sul dipolo.

I segnali radio viaggiano a circa la velocità della luce o 300.000.000 metri / sec. A una frequenza di ricezione di 10 MHz possiamo quindi calcolare la lunghezza d’onda della nostra antenna con la formula: Lunghezza d’onda in metri = 300 / Freq (in MHz) = 30 m circa. Quindi avremmo bisogno di un filo di 30 metri! Per motivi pratici, viene realizzato un dipolo a metà di un periodo (1 periodo = 1 lunghezza d’onda = qui 15 m per 10 MHz), a causa del cambiamento di campo. Dobbiamo attaccarci al dipolo nel mezzo, perché c’è una tensione troppo elevata alle estremità e non possiamo collegare il nostro cavo dell’antenna ad esse.

Un’antenna a dipolo alimentata con una piattina (in alto) o con un cavo coassiale (in basso). Può essere usata, ad esempio, per le FM e per le HF (dove le lunghezze d’onda sono particolarmente lunghe: per la banda dei 40 metri, il dipolo è lungo 20 metri).

Quindi dividiamo il dipolo di 15 m in 2 pezzi di 7,5m. Ora è possibile ricevere corrente e tensione sul nostro dipolo ad una frequenza di 10 Mhz, perché la corrente nel mezzo passa attraverso il punto zero e quindi è bassa nel nostro punto di attacco al cavo coassiale che va al ricevitore. Per ricevere idealmente un’altra frequenza, dovremmo quindi sempre regolare la lunghezza del dipolo, cosa impossibile nella pratica. Per risolvere questo, il dipolo è reso leggermente più ampio con alcune maniglie artificiali. In questo modo, puoi coprire in modo semplice le frequenze radio amatoriali.

Ma il trasmettitore / ricevitore di solito richiede un sintonizzatore di antenna per essere in grado di sintonizzarsi esattamente su una certa frequenza. In caso contrario, è possibile che si danneggi il trasmettitore durante la trasmissione. Se si desidera solo ricevere, questo problema non è presente, ma la sensibilità di ricezione senza un sintonizzatore può diminuire. Pertanto, puoi trovare utile il nostro articolo su Come usare un sintonizzatore di antenna, che trovi qui. Diciamo subito, comunque, che il problema della sintonia dell’antenna è presente soprattutto nella banda HF.

Un sintonizzatore di antenna (a sinistra), fondamentale per la trasmissione radio in HF, e un analizzatore di rete vettoriale NanoVNA (a destra), che permette di misurare vari parametri dell’antenna e del cavo coassiale.

Nel mezzo di un dipolo, le barre / i fili sono collegati a un cavo coassiale che va al ricevitore / trasmettitore. Questa linea di trasmissione è sempre simmetrica rispetto a un dipolo, quindi con 2 fili paralleli che vanno al ricevitore. Questo tipo di cavo di alimentazione era in precedenza il più utilizzato nei trasmettitori / ricevitori. Ricorda che in passato anche i televisori avevano quel cavo piatto (colore bianco o nero). Questo sistema di antenna con cavo di alimentazione simmetrico ha in pratica una resistenza di trasporto (impedenza) di circa 300 ohm, come puoi misurare con un’analizzatore d’antenna (vedi qui).

L’ingresso trasmettitore / ricevitore è adattato a questo, per il trasporto a bassa perdita delle onde radio. Se (come al giorno d’oggi) viene utilizzato un cavo coassiale (= cavo asimmetrico), è necessario posizionare un convertitore (chiamato “balun”) vicino all’antenna per utilizzare un cavo di alimentazione asimmetrico. Altrimenti, una parte del segnale radio è in cortocircuito verso terra (schermatura) e non lo vogliamo. Questo convertitore può essere ad es. un ulteriore pezzo di cavo coassiale o un trasformatore (toroidale). In questo modo, la resistenza di 300 ohm può essere convertita normalmente in 75 o 50 ohm.

Un balun costituito da un trasformatore toroidale.

La maggior parte dei ricevitori sono adattati a questa resistenza, in modo che sia possibile la trasmissione del segnale a bassa perdita. Una chiavetta SDR standard ha una resistenza di ingresso di 75 ohm (proprio come i televisori più piccoli). Un dipolo standard sarà tuttavia di scarsa utilità come antenna SDR, poiché in linea di principio è sensibile a una sola frequenza. La lunghezza del dipolo determina quale onda radio (lunghezza d’onda) o frequenza è meglio ricevere sull’antenna. Tutte le altre onde radio vengono quindi indebolite. Inoltre, un dipolo sospeso orizzontalmente è sensibile solo in 2 direzioni opposte.

Un dipolo verticale riceve di più i segnali radio dintorno. Questo vale anche per l’antenna SDR inclusa, che è un monopolo. Sebbene posizionato verticalmente, e quindi tutto sensibile, è ancora un semplice dipolo (se collegato a terra), e quindi può essere utilizzato solo su un numero molto limitato di frequenze. Non è inoltre possibile regolare la resistenza (impedenza) sul cavo da 75 ohm, pertanto una parte del segnale ricevuto è già in cortocircuito. Inoltre, questa piccola antenna necessita di una buona base (massa), ad es. va posizionata su una grande superficie metallica tipicamente l’antenna va sul tetto di un’auto) o collegato a terra.

Tre tipi di antenne utilizzabili per l’SDR agli inizi: i due monopoli (a sinistra), il dipolo verticale (al centro) e la ground plane verticale (a destra). In seguito, si potranno usare antenne più performanti con maggior guadagno, eventualmente autocostruite. 

Se guardi nella base di un’antenna a monopolo (ad es. a stilo), noterai che di solito il filo di terra (la schermatura) non è nemmeno collegato, il che è un ulteriore problema. In questo modo, i segnali di interferenza presenti hanno gioco libero per raggiungere l’antenna. Questo non importa molto per le potenti stazioni TV DVB-T o radio, ma per le emittenti che ti interessa ricevere con l’SDR ancora di più. Alcuni set di antenne SDR estraibili “a stilo” inclusi possono essere regolati sulla frequenza desiderata scorrendo dentro o fuori. Per fare ciò, può essere utile, ad esempio, un analizzatore di rete vettoriale (illustrato qui).

Poiché irradia solo nello spazio sopra il piano di massa, o metà dello spazio di un’antenna a dipolo, un’antenna monopolare avrà un guadagno del doppio (3 dB maggiore) rispetto a quella di un’antenna a dipolo simile e con metà resistenza alle radiazioni: poiché un dipolo a semionda ha un guadagno di 2,19 dBi e una resistenza alle radiazioni di 73 ohm, un monopolo a quarto d’onda – il tipo più comune – avrà un guadagno di 2,2 + 3 = 5,2 dBi e una resistenza alle radiazioni di circa 36,8 ohm. Perciò le antenne in dotazione a un kit SDR saranno in generale insufficienti per una buona ricezione.

Un’antenna ground plane è, essenzialmente, una metà di un dipolo montato verticalmente. Il collegamento a terra sotto l’antenna – oppure la presenza di alcuni conduttori, chiamati radiali, da ¼ d’onda – costituiscono l’altra metà dell’antenna (nel caso dei radiali il collegamento a terra non è necessario). Se l’antenna è collegata a una buona terra, è chiamata anche un’“antenna Marconi”. Se il piano di terra è adeguatamente posizionato e conduttivo, le prestazioni di una ground plane sono equivalenti a quelle di un dipolo montato verticalmente.

Un’antenna Marconi e un monopolo ground plane sono alti un quarto d’onda (la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza). La terra o gli elementi radiali costituiscono l’altra metà dell’antenna.

Virtualmente, tutte le altre antenne di uso comune sono variazioni delle antenne a dipolo o ground plane. Per esempio, un’antenna Yagi-Uda aggiunge degli elementi parassiti come un direttore e/o un riflettore a un dipolo per aumentarne il guadagno e la direzionalità. Dipoli multipli possono essere allineati verticalmente per aumentare notevolmente il guadagno. In alternativa, due o più antenne ground plane verticali possono essere organizzate per produrre un’antenna direzionale con più guadagno. Anche una stazione radio AM può usare più torri allineate per dare un segnale forte in una direzione.

Come migliorare la ricezione SDR in pratica

Per ascoltare meglio la banda HF possiamo quindi orientarci verso semplici antenne “a loop”, mentre per le bande UHF e VHF possiamo orientarci verso le antenne illustrate nel nostro articolo Qual è la miglior antenna per uno scanner?, che trovi qui. Per ciascuna di esse è mostrato il guadagno in decibel ottenibile. In ogni caso, è già molto utile realizzare un’antenna coassiale “casuale” ad es. con un vecchio cavo video e un connettore adeguato. Inoltre, qualsiasi antenna decidiate di usare, risulterà molto utile aggiungere – fra essa ed il ricevitore – un amplificatore LNA, come quelli che trovate ad es. qui.

Un esempio di amplificatore LNA, dispositivo a basso rumore e ad alta linearità che aumenterà di molto la potenza del segnale, in questo caso nella ampia banda di frequenze comprese fra 1 MHz e 4 GHz. Ne puoi trovare diversi tipi qui.

Per l’SDR, con la sua gamma di frequenze molto ampia, abbiamo bisogno di un’antenna migliore in grado di ricevere più frequenze. Esempi di un’antenna a banda larga sono ad es. un’antenna discone, un’antenna verticale o a 3 bande, un’antenna collineare o un’antenna coassiale. Ciò riguarda la ricezione SDR standard su VHF-UHF (circa 24 MHz – 1,2 GHz). Mentre, per l’estensione della ricezione alle bande HF (0-30 MHz), è necessario un Upconverter SDR HF, che può essere acquistato a parte in un secondo momento, ed è comunque già incluso nei kit SDR più completi, come quello in figura.

Un noto kit SDR completo dell’Upconverter HF (la scatola grande), grazie al quale la gamma di ricezione si estende da 100 kHz fino a 1,7 GHz.

Se stai cercando stazioni radio con un ricevitore SDR per la prima volta, probabilmente, a parte alcune stazioni FM, sentirai molti segnali “falsi” e un forte rumore. Per captare le stazioni di trasmissione forti, o sull’onda corta, è sufficiente un pezzo di filo che pende da qualche parte alla finestra. Ma questa antenna della stanza – e certamente l’antenna a stilo SDR inclusa – rileva anche tutti i tipi di disturbi dall’ambiente, dovuto ai cavi e agli apparecchi elettrici. Pertanto, l’ideale è provare la radio SDR con un portatile andando in un posto all’aperto, magari in una zona elevata e con pochi ostacoli.

L’attuale digitalizzazione ha portato a un enorme aumento del rumore di fondo locale, che rende praticamente impossibile la ricezione indoor. La ricezione può essere migliorata scegliendo il giusto tipo di antenna e posizionandola ad una certa altezza all’aperto. Sfortunatamente, abbiamo ancora difetti sull’ingresso del nostro ricevitore, che di solito provengono da una linea di terra. Sia l’antenna che il ricevitore richiedono quindi una messa a terra separata. Importante: NON utilizzare MAI la terra di protezione di una presa di corrente come massa dell’antenna.

Le soluzioni per evitare un conduttore di terra “contaminato” sono ad es. posizionando nuclei ad anello (di ferrite o polvere di ferro) in tutti i fili dell’alimentatore e anche nei cavi USB. Li puoi già trovare sui migliori cavi USB e sui cavi dell’alimentatore per laptop e schermi LCD. Le bobine possono essere proficuamente posizionate nella linea dell’antenna, generalmente nel punto in cui il cavo dell’antenna esce di casa e nel punto di connessione del cavo coassiale all’antenna stessa. Sul lato del ricevitore, il cavo dell’antenna è solitamente collegato a terra nel punto in cui il cavo esce dalla casa.

Un software versatile per avvicinarsi all’SDR

Il primo software SDR è apparso nel 2001 ed è stato progettato esclusivamente per il sistema operativo Linux, ma la sua popolarità ha esteso il suo utilizzo anche a Windows: GNU Radio2001. Altri due funzionavano esclusivamente su Windows ed erano basati sul software matematico MATLAB. Il successo di GNU Radio e MATLAB risiedono principalmente nel fatto che forniscono strumenti facili da maneggiare per la manipolazione di segnali. Oggi, comunque, la scelta di software è molto più vasta.

I vari progetti di software SDR sviluppati nel tempo.

Un software SDR assai consigliabile si chiama SDR-Sharp e visualizza in tempo reale tutte le letture che è in grado di generare il dispositivo SDR, il che si traduce in 3,2 MHz nel caso del Teratec RTL2831. Il software consente demodulazione di segnali AM, FM, CW, LSB, e DSB (Double Side Band). Esso offre all’utente 4 finestre principali. Quella in alto mostra lo spettro visualizzato in tempo reale. La finestra successiva – il grafico a cascata – illustra il comportamento temporale del segnale.

Inoltre, come sappiamo, il grafico a cascata mostra le emissioni più intense in colori più caldi. Le due finestre inferiori, invece, hanno il compito di tracciare la larghezza di banda selezionata all’interno dell’intero spettro visualizzato nella finestra in alto. Inoltre, a sinistra si può vedere lo spettro IF; a destra, la distribuzione di frequenza del segnale demodulato vocale. Infine, il contenuto acustico della trasmissione può essere ascoltato, se l’altoparlante è collegato al computer.

Una schermata del software SDR-Sharp (noto anche come SDR#).

Oltre a trasformare il PC in una radio, questo software può essere usato con una SDR per:

  • Rilevazione di interferenze: non tutte le emissioni, infatti, sono mantenute all’interno della regione di frequenza concepite specificamente per esse. Alcuni dispositivi lasciano sfuggire segnali, derivanti da intermodulazione indesiderata, che possono interferire con gli altri utenti radio.
  • Rilocazione dello spettro: consente a un ricevitore SDR di esplorare una vasta gamma di frequenze in modo che è possibile trovare spazi non utilizzati o non assegnati, nonché frequenze con accesso molto basso. Ciò consente il trasferimento della trasmissione, ottimizzando la larghezza di banda consumata.
  • Emissioni non autorizzate: purtroppo, gli utenti della radio non mantengono sempre la disciplina. A volte si verificano emissioni in bande non autorizzate. È possibile il monitoraggio in tempo reale tramite SDR-Sharp. Inoltre, un tale strumento è abbinabile a un software per l’identificazione automatica della trasmissione.
  • Controllo di ripetitori o trasmettitori SDR: se la potenza di ricezione viene misurata periodicamente da più ripetitori in un punto geografico comune, danni, interferenze o interruzioni possono essere rilevati. Allo stesso modo, si può verificare la disponibilità del segnale di un trasmettitore SDR.
  • Caratterizzazione del rumore per bande: esplorando lo spettro, personale qualificato può analizzare il livello di rumore di ciascuna banda, ottenendo come risultato la possibilità di apportare modifiche ai metodi di calcolo della propagazione. Ciò è particolarmente utile nella banda HF.

Caratteristiche distintive delle trasmissioni RF (a sinistra) e interferenze generate da una trasmissione RF (a destra).

Altri esempi di software per applicazioni SDR

Un secondo software molto utile è RTLSDR Scanner, che ha la caratteristica di essere multipiattaforma, poiché è stato sviluppato per Windows, Ubuntu e sistemi Macintosh. In breve, l’applicazione è un analizzatore di spettro che esegue scansioni consecutive e consente di raccogliere dati e fare confronti. Diversamente da SDR-Sharp, non funziona in tempo reale.

La figura qui sotto mostra una misurazione effettuata con RTLSDR Scanner. In essa, il calcolo della media della potenza ricevuta viene rivelata dopo aver eseguito diverse scansioni su una larghezza di banda di 1 MHz. Si noti che un’area specifica può essere selezionata se l’utente desidera ottenere valori numerici per potenza massima, potenza minima e valore medio. I risultati tracciati possono essere salvati in diversi formati e confronti possono essere eseguiti su di essi per analizzare le misure.

Analisi dello spettro eseguita con RTLSDR Scanner.

Uno dei possibili confronti effettuabili è mostrato nella figura qui sotto, in cui sono tracciati i dati provenienti da scansioni consecutive. L’area colorata rappresenta la variazione del segnale. Ad esempio, il picco all’estremo sinistro è colorato, il che significa che il massimo non è costante ma appare ad intervalli in quest’area. Al contrario, il picco all’estrema destra non è colorato, a indicare che il massimo locale non lo ha fatto cadere durante tutto il periodo di osservazione.

Grafico della differenza tra scansioni consecutive.

Sfruttando i vantaggi offerti da RTLSDR Scanner, ecco alcune sue possibili applicazioni:

  • Misura dei parametri dei ripetitori elettrici: RTLSDR Scanner consente di controllare se i parametri del segnale offerti dai produttori sono effettivamente implementati dalle loro apparecchiature. La potenza trasmessa e la deviazione di frequenza possono essere facilmente controllati, così come l’aspetto delle bande di frequenza delle armoniche vicino a quella destinata alla comunicazione.
  • Caratterizzazione del rumore per bande: esplorando lo spettro, personale qualificato può analizzare il livello di rumore che si ottiene in ciascuna banda e valutare la possibilità di apportare modifiche ai metodi di calcolo della propagazione.
  • Identificazione degli intrusi nello spettro: scansione delle zone di silenzio, trasmissioni non autorizzate possono essere facilmente rilevate anche con questo software.

Un terzo tipo di software riguarda i sistemi SDR connessi a Internet. Da questo punto di vista, vi sono due approcci fondamentali: (a) Trasmissione su Internet dei propri segnali SDR; (b) Accesso gratuito agli SDR stranieri in posizioni remote (WebSDR). Per la trasmissione di un segnale locale proprio (approccio “a”) è possibile utilizzare il software rtl_tcp. Con due PC, un hub e un SDR RTL 2831 la possibilità di visualizzare i dati ricevuti attraverso la rete è stata ampiamente verificata.

Esempio di ricevitore Web SDR.

Tuttavia, quando un laptop è aggiunto come terzo elemento, lo svantaggio del regime diventa evidente: solo un host remoto può ricevere il segnale a un dato momento. Esistono due soluzioni al problema. Una è posizionare più dispositivi SDR in un server centralizzato in modo che ciascun utente possa avere accesso a uno diverso. Ciò può essere fatto grazie ai prezzi bassi dell’hardware SDR sul mercato. L’altra è stabilire un server Linux responsabile di gestire le richieste su un singolo dispositivo.

Questa applicazione esiste già, e questa seconda soluzione è preferibile alla prima. Si tratta, in pratica, del WebSDR che abbiamo illustrato nell’articolo Come ascoltare le radio amatoriali online: la WebSDR, che trovi qui. Ciò permette: (1) l’esplorazione dello spettro (l’ascolto di specifiche bande in posizioni remote possono essere utili per molte organizzazioni); (2) l’ascolto anche da lontano delle trasmissioni a onde corte; (3) la localizzazione della fonte di emissioni tramite radiogoniometria.

La localizzazione, tramite la radiogoniometria, della posizione di trasmettitori sconosciuti richiede la ricezione del relativo segnale da almeno tre posizioni diverse.