SDRZero, um Rádio Definido por Software

O circuito do SDRZero compõe-se de módulos em princípio nada diferentes aos utilizados em receptores tradicionais. Podemos ter uma primeira idéia de como ele funciona a partir de um receptor igualmente simples, o receptor de conversão direta.

O receptor de conversão direta tem esse nome porque a frequência do sinal de entrada é convertida em frequência de áudio diretamente, sem passos intermediários, como acontece por exemplo no super-heterodino, quando é feita conversão para uma frequência intermediária, para depois uma nova conversão trazer o sinal desejado para a faixa de frequência adequada ao ouvido humano, caso de telegrafia, ou para restituir à frequência original, como a voz humana em SSB, para citar dois exemplos comuns.

No diagrama de blocos, o sinal que é captado pela antena é convertido no misturador e entregue ao amplificador de áudio, sendo a saída ligada a fones ou alto-falante.

O estágio misturador realiza uma operação matemática simples entre os sinais da antena e o sinal do oscilador local: o misturador os soma e também os subtrai e depois apresenta os resultados na saída.

Para dar um exemplo, vamos supor que existe um sinal da antena na banda de 40m, em 7.049,0 kHz. Nosso oscilador local é fixo em 7.050,0 kHz. O misturador irá somar e subtrair o sinal de entrada com o sinal do oscilador:

7.050,0 + 7.049,0 = 14.099,0 kHz (14,099 MHz, banda de 20 m)
7.050,0 ? 7.049,0 = 1,0 kHz (1.000 Hz, tom de áudio)

O resultado soma estará na banda de 20m e não interessa ao receptor por isso será desperdiçado, usualmente através de um capacitor que curto-circuitará esse resultado ao terra.

O resultado subtração é um tom de 1 kHz, adequado para um uma recepção p. ex. em telegrafia.

Um problema com esse modelo de receptor é que um sinal da antena em 7.051,0 kHz também dá como resultado um tom de 1 kHz!

A recepção de AM e SSB se dará corretamente para sinais de 7.050, desse modo o resultado será a operação entre o sinal do oscilador e as bandas laterais do sinal de antena, que contém a modulação desejada.

Esta é uma visão simplificada do misturador. O estágio misturador (ou ?conversor?) é um multiplicador. Ele realiza as operações soma e subtração descritas não só para o sinal de entrada e do oscilador local, mas também para todos os harmônicos de ambos. Harmônicos são múltiplos inteiros.

Para facilitar, podemos resumir todas essas possibilidades numa única expressão:

Fsaída = m * Fent ± n * Fosc

Fsaída é o resultado na saída,

Fent é o sinal na entrada do misturador,

Fosc é o sinal do oscilador local.

O misturador é um estágio multiplicador e produz uma quantidade infinita de produtos para somente um sinal na entrada e outro do oscilador local.

Notemos que esse receptor básico não dispõe de filtros, todos os sinais da antena são apresentados ao misturador, a consequência será a existência de muitos produtos indesejados, comumente chamados espúrios, que são harmônicos do sinal de entrada com harmônicos de oscilador local resultando em produtos na mesma frequência do sinal desejado.

Conhecendo um receptor a conversão direta torna fácil entender o funcionamento do SDRZero. Afinal ele é um equipamento realmente simples, a tarefa árdua fica por conta do computador, pelo processamento no hardware (a parte material, física do PC), segundo é determinado pelo software (o conjunto de instruções que determina o que o processador faz).

O SDRZero é composto por dois receptores idênticos, com uma única diferença: o oscilador local sendo o mesmo, a um dos receptores é fornecido com um atraso de 90º.

Na saída teremos 2 canais de áudio em quadratura (iguais porém a 90º de diferença em fase um do outro), que permitirão a demodulação dos sinais da entrada.

A demodulação poderá ser feita em hardware, pelo método conhecido por ?rotação de fase?, com dois canais de áudio em quadratura cuja soma ou subtração permitirão escolher a banda lateral. A largura de banda ficará a cargo de filtro analógicos em áudio.

No receptor definido por software a demodulação é feita pelo processador do computador.

Na figura seguinte encontramos o diagrama em blocos completo do SDRZero.

O SDRZero não utiliza misturador convencional e sim um Detetor por Amostragem, descrito adiante.

Os sinais da antena são inicialmente tratados pelo filtro de entrada. A missão do filtro é restringir a quantidade de sinais presentes na entrada do receptor, para evitar espúrios que são gerados quando sinais de amplitude elevada fazem com que algum estágio saia da faixa de operação linear. O filtro é sem ajuste e por isso ele é suficientemente largo para poder funcionar direito contando com a tolerância dos componentes.

A largura da faixa passante a -3 dB desse filtro vai de 5,2 a 8,9 MHz. Informações mais extensas sobre o filtro de entrada do SDRZero podem ser encontradas na seguinte página:

http://py2wm.qsl.br/SDR/40m_filter.html

O amplificador de RF tem vários objetivos a cumprir sendo que amplificar o nível dos sinais de antena é o menos importante! Os objetivos são:

1. Garantir que o filtro de entrada seja carregado por uma impedância correta de 50 ohms não-reativos. Se a impedância de carga imposta ao filtro for diferente então ele não funcionará como projetado.
   
   
2. Garantir ao estágio seguinte igualmente uma impedância fixa e resistiva, não dependente de frequência ou outra variável. O amplificador realiza esse objetivo perfeitamente até 100 MHz. Não se pretende que o receptor vá além de 30 ou 60 MHz.
   
   
3. Estabelecer o fator de mérito do receptor quanto a ruído, fixando o MDS e definindo a sensibilidade para sinais fracos. Existe uma sensibilidade adequada que permite que o sinal mais fraco seja copiado, limitado pelo ruído da própria banda e não do receptor; Excesso de sensibilidade diminui a tolerância a sinais fortes sem aumentar a sensibilidade.
   
   
4. Atenuar o sinal do oscilador local que atinge a antena passando pelo amplificador no sentido contrário, causando ronco e microfonia, problemas típicos da geração anterior de receptores a conversão direta. Detalhes a respeito se encontra no livro ?Experimental Methods in RF Design? de Hayward, Campbell e Larkin, ARRL.
   
   

O amplificador de RF foi projetado seguindo a topologia usual empregadas em MMICs. Ver mais explicações e detalhes em:

http://py2wm.qsl.br/MMIC/mmic.html

O QSD (detetor por amostragem em quadratura) do SDRZero consiste em duas chaves, S1 e S0 do circuito integrado FST3253, comandadas pelo Oscilador Local. A cada quarto de ciclo (dito de outro modo, a cada 90º) as chaves mudam simultaneamente, segundo a figura. A cada 90º portanto, alternadamente, cada canal de áudio é ligado pelas chaves à entrada (o transformador de RF), e os capacitores são carregados ficando com uma amostra do sinal, refeita a cada ciclo do oscilador local.

Vantagens desse circuito são a baixa perda, citada em referências como sendo menor que 1 dB, e o fato de não ser um multiplicador, com os muitos espúrios naquele caso resultantes. Além disso, o QSD do SDRZero é completamente equilibrado, ao contrário de modelos muito semelhantes como o empregado no Flex Radio SDR-1000; Como o tempo de abertura e de fechamento das chaves não é igual, a topologia empregada, que coloca as chaves em série, impede que circule corrente por somente uma chave. No SDR-1000 é utilizado um transformador de RF tipo Ruthroff, com center-tap aterrado para RF.

O transformador de RF, que eleva a impedância de 50 para 200 ohms, também transforma a entrada aperiódica em equilibrada, sendo portanto um Balun. A medição do modelo empregado no SDRZero indicou larga faixa de passagem, tendo sido medido perda de 1,7 dB @ 500 kHz e 1,2 dB @ 500 MHz, e dentro dessa faixa a perda é desprezível.