Rádios definidos por software

9 03 2013

Jack Weber

Há pouco mais de seis anos, na edição de novembro de 2006 do boletim Medium Wave News apresentei um artigo introdutório sobre rádios definidos por software descrevendo seu funcionamento e funcionalidades. Olhando para trás ficou clara a evolução desses equipamentos. Os princípios básicos são os mesmos, mas há muito mais modelos disponíveis e há variedade de equipamentos com mais funcionalidades, melhor performance e menor custo.

SDR

A maior mudança foi a chegada de SDRs com Conversão Digital Direta (DDC) que podem digitalizar o sinal que chega pela antena sem precisar convertê-lo para frequências baixas. Tal mudança foi impactante tanto para facilidade de uso como qualidade de recepção. Agora, mais do que nunca, há benefícios significativos no uso de SDRs e muitos deles são particularmente relevantes para o Dexista de Ondas Médias. Entre os mais importantes estão:

– Possibilidade de gravar a faixa de ondas médias inteira para escuta posterior. Você não apenas perderá escutas e seu sono.

– Os filtros digitais presentes nos SDRs são muito mais estreitos e proporcionam um sinal mais limpo que qualquer filtro à cristal. Isso é particularmente importante para o Dexismo em Ondas Médias, em que sinais fracos estão próximos de outros mais fortes.

– O processamento digital não introduz distorção por intermodulação que ocorre nos mixers, filtros e amplificadores de FI de receptores superheteródinos. Alguns sinais espúrios aparecem na recepção dos SDRs, mas normalmente não são um problema grave.

– Você pode observar as portadoras das transmissões, mesmo as mais fracas, com precisão de até 1 Hz. O monitoramento de portadoras com leves desvios é importantíssimo para o Dexismo em Ondas Médias. Apenas um SDR permite a você fazer isso simultaneamente em múltiplos canais enquanto continua na escuta.

– Vários são os SDRs em que é possível utilizar diferentes softwares de acordo com suas necessidades e preferências, sendo muitos atualizados constantemente e sem custo. Com um receptor convencional você terá sempre um produto que permanecerá o que é.

– Alguns SDRs permitem operação remota com visualização completa dos controles e sinais presentes.

– Com a mesma performance um SDR é geralmente mais barato que um receptor convencional. O custo será ainda mais interessante se você já tiver um computador.

Como com toda tecnologia nova existirão obstáculos e desconhecimento a serem superados, mas a escolha, instalação e uso de um SDR não precisa ser difícil ou cara e certamente não será mais que a de um receptor convencional.

Para Dexismo em Ondas Médias os SDRs opdem ser divididos em duas categorias – os que podem digitalizar e gravar a faixa inteira e os que podem fazer isso em apenas uma parcela. A largura da faixa de Ondas Médias é de 1180 kHz (530 kHz a 1700 kHz , mais 5 kHz em cada extremo da faixa). Receptores do grupo que pode gravar a faixa inteira abrangem valores entre 1600 kHz ou 2000 kHz, então servem confortavelmente para tal propósito. No caso de equipamentos da segunda categoria citada há limites os mais diversos, mas muitos ficam na faixa de 192 kHz, que é usado amplamente para registro profissional de música. Há uma ampla gama de equipamentos com tal capacidade disponíveis. SDRs capazes de gravar a faixa inteira são mais complexos e necessitam de melhores softwares, então acabam custando mais. Entretanto, também oferecem melhor performance em termos de sensibilidade e dynamic range, então o custo é justificado por algo que vai além da largura de banda.

Vale à pena abordar o que essa questão de largura de banda significa. Existem três larguras disponíveis em qualquer SDR DDC. A primeira é a largura total que pode ser digitalizada. Isso corresponde a cobertura do receptor e normalmente corresponde a 0-30 MHz ou 0-50 MHz. É um valor muito alto para que o SDR faça qualquer coisa útil, então um bloco mais estreito (conhecido como largura de banda DDC) é extraída por um processo chamado dizimação. Geralmente várias larguras de banda DDC serão oferecidas de forma que o usuário possa optar pela mais apropriada. Como exemplo, o Perseus oferece cinco valores de 100 kHz a 1600 kHz, enquanto o Excalibur Pro possui 24 valores de 20 kHz a 4000 kHz. Tais larguras são as que podem ser gravadas e observadas. Em alguns SDRs elas são largas o suficiente para abranger toda a faixa de Ondas Médias, enquanto em outros isso não é possível.

Na largura de banda DDC você poderá fazer a sintonia do sinal desejado, então outra porção mais estreita deverá ser selecionada como largura de demodulação. Isso corresponde à seletividade de um receptor tradicional. Pode ser de apenas alguns Hz para sinais em telegrafia ou vários kHz para recepção em AM. A maior diferença é que você não está confinado a algumas poucas larguras fixas para cada modo como em um super heteródino, mas poderá variar de forma a chegar ao gradiente que proporcione melhores resultados.

A primeira e a última largura citada apresenta poucos desafios – é a segunda – a largura de banda DDC – que separa os diferentes SDRs e possuem um grande impacto em quão úteis são e seu custo.

O valor de tais equipamentos varia entre £150 e £1600. Há SDRs que custam ainda mais, mas as funcionalidades adicionais tendem a ser dirigidas a usos específicos que nem sempre são relevantes para o Dexista de Ondas Médias. Também há os que custam menos – o mais barato custa entre £10 e £20. Eles são baseados no receptor Realtek RTL2832U que é usado em vários “dongles” para TV digital e FM. Com o software compatível eles podem ser operados como um SDR com ampla largura de banda. Infelizmente não sei se há algum que cubra a faixa de Ondas Médias, mas estão se tornando muito populares entre os que fazem escutas nas faixas de VHF e UHF. Nota do tradutor: há conversores específicos para tais SDRs que custam cerca de US$50.

Para Ondas Médias a faixa de valores começa em £150, que permitirá a você adquirir um Funcube Dongle Pro+. Não deixe de fazer a aquisição pelo nome. Trata-se de um produto sério criado para encorajar o envolvimento de escolas no mundo das comunicações por satélite. Modelos anteriores (Funcube Dongle e Funcube Dongle Pro) não abrangem a faixa de Ondas Médias, mas com o Pro+ isso é possível, embora com largura de faixa máxima de 192 kHz. Não é equipamento de alta performance em tal faixa, mas certamente é capaz de captar as emissoras norteamericanas e asiáticas mais fáceis. Há vários equipamentos com largura de faixa semelhante, como o RFSpace SDR-IQ, vendido na faixa de £350-£500 e com melhor performance.

Entre os SDRs com largura de banda suficiente para englobar toda a faixa de ondas médias, o modelo mais barato que conheço é o Aferi SDR-Net. Ele é vendido por cerca de £160, mas haverá um custo adicional de envio e VAT por ter que importá-lo de Israel. Não o utilizei, então não posso tecer comentários, mas o Dexista Norueguês Bjarne Mjelde possui um e fez algumas observações que podem ser baixadas em https://www.box.com/s/1cd9353fa35b1022925e. Preste atenção principalmente quanto a possível necessidade de aquisição de um filtro passa-baixa para o front-end e usar um pré-amplificador de sinal. O custo final pode não ser tão baixo quanto inicialmente parece, mas ainda assim é mais baixo que o da maioria dos SDRs.

Na faixa de £700 você estará em uma região confortável com excelentes equipamentos como o Microtelecom Perseus e o Winradio Excalibur, que oferecem excelente performance. Acima deste nível obviamente há melhor performance e funcionalidades, mas a relação custo/benefício começa a ficar complicada. O Winradio Excalibur Pro é sensacional, mas custa £1600, valor muito acima ao da faixa citada no início deste parágrafo.

ScreenTodos os SDRs possuem uma interface visual com apresentação do espectro e controles operacionais. Na figura acima estão as telas das aplicações de três SDRs líderes de mercado. Todos estão sintonizados em 1120 kHz e é possível ver toda a faixa de Ondas Médias. Na parte superior está a tela do Winradio Excalibur Pro, abaixo à esquerda a do RFSpace Net SDR e abaixo à direita a do Microtelecom Perseus.

Tenha em mente que os SDRs mais baratos não são necessariamente voltados apenas ao usuário iniciante. Eles podem ser mais simples em suas funcionalidades, mas geralmente são mais complexos para ajustar e usar. Alguns vem sem instruções ou software e não existe suporte. Alguns vem na forma de kits, outros como uma placa para a qual você deve preparar a caixa e alguns requerem a construção ou compra de circuitos adicionais. Isso ocorre porque muitos destes equipamentos não são voltados necessariamente aos Dexistas, mas aos experimentadores.

Ainda que o hardware seja fator determinante quanto ao potencial do SDR, o software é o responsável por boa parte do trabalho e determina se o potencial estará disponível. Receptores como o Excalibur e o Perseus vêm com softwares desenvolvidos pelos fabricantes, possuem assistência da parte deles e funcionam apenas com os modelos específicos. Podem existir softwares alternativos, mas a gama é limitada. Para os modelos mais baratos as opções ficam basicamente entre os desenvolvidos de forma independente e que podem ser usados com diferentes equipamentos. O receptor pode vir com um determinado aplicativo ou ser sugerido algum que funcione e permita a você fazer a escolha, baixar e instalar. Alguns são excelentes, enquanto outros são um pouco mais complexos para instalar e usar.

Uma vez decidido qual SDR comprar, do que mais você precisará?

O primeiro e mais óbvio dos requisitos é ter um computador. Softwares para SDRs demandam relativo processamento para implementar os filtros, demoduladores, AGC, análise de espectro, etc e necessitam de cálculos constantes para funcionar de forma rápida. O nível exato deste processamento depende de dois fatores principais – a largura de faixa DDC e os filtros. Um SDR com largura de faixa de 1600 kHz precisará de um computador mais rápido que para cobrir 192 kHz. Entretanto, é a largura de faixa em uso e não a máxima disponível que importa. Se você tiver um SDR capaz de operar em banda larga mas usado em banda estreita o processamento consumido será menor e isso permitirá o uso de um computador mais antigo e lento. Isso permitirá a você comprar um bom SDR e deixar para depois o upgrade do computador. A redução da seletividade também pode ajudar. Nem todos os aplicativos para controle de SDRs permitem esse ajuste (pois a forma que o cálculo é efetuado é conhecido como ‘comprimento do filtro’) mas alguns o fazem, então isso pode oferecer melhores condições de uso.

Nas especificações de computador necessárias fornecidas pelo fabricante do SDR a informação constante é para uso do receptor em seu nível máximo. Por exemplo, para o Excalibur Pro os requisitos mínimos de computador são de um processador de 2,4 GHz quad-core. Entretanto, sua largura máxima de faixa é de 4 MHz, ou seja, muito mais do que necessário para englobar a faixa de Ondas Médias. Então, para Dexismo nesta faixa um computador mais lento é suficiente, mas você não poderá usar o equipamento em seu nível máximo. Um processador dual-core de 2 a 2,5 GHz é suficiente para o Dexismo em Ondas Médias com a maior parte dos SDRs. Para maior performance você obviamente precisará de uma máquina melhor.

Eu evitaria o uso de laptops a menos que você tenha um ou precise da portabilidade. Com o mesmo nível de performance uma máquina do gênero é significativamente mais cara que um computador do tipo desktop correspondente.

A maior parte dos softwares para controle de SDRs são voltados ao sistema operacional Windows. No presente momento praticamente todos funcionam no Windows 7, mas nem todos são completamente compatíveis com o Windows 8. Entretanto, se você tiver um Mac é possível usar o software Apple BootCamp para ter uma máquina dual-boot e assim poder fazer a inicialização tanto no MacOs ou Windows. É o que faço e funciona perfeitamente. Softwares como o Parallels Desktop ou VMware Fusion permitem executar vários sistemas operacionais simultaneamente, mas não funcionam bem com SDRs. Algumas pessoas informam ter obtido sucesso, enquanto para outros isso foi impossível. Há até opções para controle de SDRs com tablets ou smartphones. Eles obviamente são mais limitados pois não possuem poder de processamento para lidar com SDRs mais complexos.

Além da velocidade de processamento, outro aspecto importante do hardware é o desempenho do disco rígido. Se você planeja gravar de 1,6  a 2 MHz do espectro terá um grande volume de dados sendo enviados para o disco. É muito mais fácil ter um segundo disco rígido ao invés de usar o primário, que contém o sistema operacional. O sistema operacional tem toda a sorte de funções que ocorrem de forma transparente e muitas delas ocasionalmente, então uma gravação que começa perfeitamente pode travar ou apresentar lentidão no meio da noite por conta de alguma tarefa do gênero.

Seu computador pode ter slots adicionais para mais discos rígidos ou você pode usar uma unidade externa. Caso você tenha intenção de efetuar muitas gravações sugiro comprar um “berço” e vários discos. A troca usando esse acessório é simples e rápida. O custo final acaba sendo mais baixo que comprar um disco externo com fonte e caixa de proteção. Se seu PC tiver uma porta eSATA, tente comprar um berço com tal conexão, pois tal interface é mais rápida e menos problemática que a USB. Muitos desses berços suportam discos de 2,5″ e 3,5″ – os de 3,5″ são melhores por serem mais baratos e rápidos. Os discos de 2,5″ são para uso em laptops, que são mais lentos para economizar bateria.

Para gravar toda a faixa de Ondas Médias você precisará de 22 GB a 48 GB por hora (varia conforme o SDR), então discos de grande capacidade são essenciais. Discos de 1 TB e 2 TB (1 TB = 1000 GB) são largamente disponíveis e mais econômicos em termo de preço/espaço que modelos com menor capacidade.

Um berço típico com dois discos rígidos de 1 TB.

Operar um SDR é uma experiência muito mais visual que quando do uso de um receptor convencional e você perceberá rapidamente as vantagens de ter uma tela grande diante de si.

A única exceção é o Perseus SDR, pois tem uma tela pequena com tamanho fixo e que tende a parecer ainda menor em uma tela grande. Outros aplicativos para SDRs possuem janelas redimensionáveis, o que torna a visualização ainda melhor em telas grandes. Naturalmente você poderá usar outros aplicativos ao mesmo tempo caso seu computador tenha capacidade para isso.

Assim como com qualquer receptor você precisará de cabos para conexão. Todos os SDRs precisam de um mínimo deles – alimentação, antena e dados. O áudio vem do computador, então um fone de ouvido, auto falantes ou amplificador externo será necessário.

A alimentação normalmente é fornecida por uma fonte, embora alguns SDRs necessitem de tão pouco que ela pode vir do cabo USB. Os modelos mais modernos vem com fonte. Caso isso não ocorra ou se quiser um modelo diferente, tenha cuidado pois é comum a tensão variar de um SDR para outro. Mesmo uma pequena sobretensão pode destruir seu valioso equipamento.

A conexão da antena normalmente é feita usando conectores BNC ou SMA. Conectores PL-259 (também conhecidos como UHF), comuns em receptores tradicionais, são muito grandes para as caixas normalmente pequenas dos SDRs, então não são usados. Caso você tenha um tipo diferente em seu coaxial será necessário um adaptador – facilmente encontrado em lojas do ramo. Tenha em mente que conectores SMA não foram feitos para numerosos ciclos de conexão/desconexão, então se você precisar efetuar trocas de antenas, um adaptador BNC/SMA é a melhor opção.

A conexão de dados com o PC pode ser feita de três formas: USB, Firewire ou Ethernet. A conexão via USB é mais comumente usada e está presente em todos os PCs e laptops. Na maior parte dos casos você precisará de uma conexão USB 2.0, que também é muito comum na maioria dos PCs. Tenha em mente que em alguns dos PCs mais atuais há apenas portas USB 3.0 e há informações de SDRs que não funcionaram nelas. Essa situação deve melhorar conforme haja atualização de drivers, mas isso pode levar um tempo. PCs com portas USB 2.0 e 3.0 devem ter a porta 2.0 preferencialmente usada. Se você tiver um hub USB para aumentar o número de portas disponíveis, não o use para conexão ao SDR e sim faça-a de forma direta. Alguns hubs funcionam com SDRs, enquanto outros não ou o fazem de forma intermitente.

É pouco provável que você encontre algum modelo com conexão Firewire pois ela é usada por equipamentos muito específicos. Em compensação, a conexão Ethernet está ficando mais popular e espero que esteja disponível em muitos outros SDRs no futuro. É muito rápida para a transferência de dados e fácil de ajustar. Você tanto pode conectá-la a uma porta ethernet (também conhecida como porta de rede) em seu PC ou em uma porta LAN do seu roteador. É necessário o uso de cabo apropriado. Se não for disponibilizado com o equipamento, compre um cabo ethernet padrão do tipo UTP. Eles são baratos e disponíveis em vários comprimentos.

 

Largura máxima DDC MHz

Conexão

Fonte

Especificação mínima PC

Software incluído

Preço 01/2013

FC Dongle Pro+

0,192

USB

USB

Não

£ 149,95

RFspace SDR-IQ

0,192

USB

USB

2 GHz

Sim

£ 489,95

Elad FDM-S1

0,192

USB

USB

Sim

£ 369,95

Aferi SDR-Net (vide nota 1)

1,225 ou 0,23

Ethernet ou USB

5V ou USB

Não

$ 249

RFspace NetSDR

1,6

Ethernet

5V

2 GHz

Sim

£ 1389,95

Microtelecom Perseus

1,6

USB

5V

2,5 GHz dual-core

Sim

£ 699,95

Winradio Excalibur

2

USB

12V

2 GHz dual-core

Sim

£ 699,95

Winradio Excalibur Pro

4

USB

12V

2,4 GHz quad-core

Sim

£ 1599,95

Alguns dos SDRs disponíveis atualmente que podem ser usados para MW-DX.

Nota 1 – A conexão via ethernet permite largura de banda de 1,225 MHz, mas necessita de uma fonte de 5V. A conexão via USB limita a largura de banda a 0,23 MHz e consome maior processamento do PC.

O áudio, conforme mencionado, vem do PC e usa o respectivo hardware. Normalmente o funcionamento será bom, mas há exceções. Nestes casos considere substituir a placa de som ou use um modelo externo. Isso aumentará o custo final, mas pode ajudar a obter ainda mais captações DX e fazer com que períodos longos de escuta sejam menos fadigantes.

Para encerrar, a menos que você adquira um modelo dos mais baratos, seu SDR virá com software, fonte (caso necessário) e cabos. Os modelos mais conhecidos são vendidos por lojas do ramo e vem com garantia e informações de suporte caso algo dê errado. Se você tiver um PC suficientemente rápido não precisará comprar nada mais que um disco rígido adicional. Tudo que existir a mais será opcional.

Ao escolher um SDR o preço obviamente é um fator importante, mas a performance e facilidade de instalação e operação devem ser consideradas. Se você precisar visualizar e gravar a faixa de Ondas Médias as opções começam com o Aferi SDR-Net. O mercado de SDRs para faixa completa é dominado por três fabricantes: Microtelecom (Perseus), RFSpace (NetSDR) e Winradio (Excalibur e Excalibur Pro). Quaisquer deles são excelentes escolhas como equipamento para Dexismo de Ondas Médias.

Em equipamentos do gênero a performance é tão boa que a atenção acaba sendo voltada a facilidade de uso. Naturalmente, se você planejar usar o SDR em uma localidade sem ruído elétrico será importante observar as especificações de sensibilidade e dynamic range. In locais menos favoráveis isso certamente não será tão essencial quando se tratar de SDRs de alta performance.

Acompanhando o diferencial de preço, o Excalibur Pro possui melhor performance e oferece a maior quantidade de extras incluindo, por exemplo, um total de cento e dezenove filtros pré-selecionáveis com opção de seleção automática ou manual. Funções como esta fazem a diferença, mas implicam em um custo bem maior.

Por um preço um pouco menor é possível adquirir o NetSDR, fabricado pela RFspace. Trata-se de outro equipamento excelente  e que merece ser mais conhecido, mas que provavelmente é voltado mais aos usuários experientes de SDR que iniciantes, pois sua operação exige um pouco mais de técnica.

Os receptores Perseus e Excalibur custam o mesmo e são equilibrados em termos de performance. Qualquer DX feito em um equipamento será possível no outro. As diferenças ficam quanto a facilidade de uso e dependerão da preferência pessoal. Coisas aparentemente pequenas para um deixarão outro usuário descontente. Dois exemplos: o Perseus não possui opção de pausa ao executar gravações e o Excalibur oculta alguns de seus controles em uma interface com abas, então nem sempre estão visíveis. Algo trivial ou traumático? Você decide. Felizmente o software para ambos equipamentos podem ser baixados gratuitamente de forma que você possa ter ideia do que poderá operar.

Se você não se importar em não ter uma largura DDC que cubra toda a faixa de Ondas Médias há várias possibilidades. O RFspace SDR-IQ é um equipamento bastante conhecido e com anos de mercado, sendo possível o uso de aplicativos independente do que é fornecido com o equipamento. Há também o relativamente novo Elad FDM-S1. Não o usei, mas parece promissor e tem um preço razoável. Vem com software próprio. O FUNcube Dongle Pro+ é uma barganha e uma excelente opção introdutória se você quiser aprender sobre a tecnologia envolvida no mundo dos SDRs. Entretanto, como receptor para Dexismo de Ondas Médias ele não seria minha primeira opção.

Além dos equipamentos citados há vários outros modelos disponíveis. Eles incluem kits, transceptores radioamadorísticos e numerosos projetos de pequeno porte idealizados por uma pessoa ou pequenos grupos e disponíveis a partir deles. Não os mencionei pelo fato de não oferecerem funções particularmente relevantes para o Dexista de Ondas Médias. Se você sentir confiança em instalar um software com o qual não é familiar e resolver problemas que surjam pelo caminho há muitas opções e várias com excelente preço. Se você preferir a segurança de um fabricante conhecido e um distribuidor em sua região, então esteja preparado para pagar um pouco mais. Entretanto, você terá em mãos um receptor com maior capacidade e versatilidade pelo valor pago.

Em um artigo futuro abordarei o uso de softwares independentes para controle do seu SDR e algumas funcionalidades e capacidades que colocam determinados SDRs em um patamar superior a outros. Além disso, algumas considerações sobre o futuro de tais equipamentos.

Artigo traduzido mediante autorização do Medium Wave Circle. A publicação em qualquer outro meio é expressamente proibida.

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