Digital Radio

La progresiva digitalización de los servicios de radiodifusión es una realidad. El servicio de televisión se ha digitalizado entre otros a través de los estándares DVB (Digital Video Broadcasting) en sus formatos de cable, satélite y terrestre. Para la radiodifusión sonora se ha desarrollado el estándar DAB (Digital Audio Broadcasting) pensado para frecuencias a partir de la banda III. El último de estos servicios para el que se ha propuesto un sistema digital ha sido el de radiodifusión en las bandas de AM, aprovechando el gran alcance de propagación obtenido por las ondas corta, media y larga. Dicho sistema se conoce como DRM (Digital Radio Mondiale) [1].
DRM está recogido como estándar ETSI ES 101 980 [2].

Esta nueva tecnología utiliza una codificación de fuente adaptada a las necesidades de la transmisión (voz, música o datos) y usa modulación COFDM [3]. Así se consigue una notable robustez y eficiencia espectral, con calidades cercanas a la de FM pero manteniendo anchos de banda mínimos similares a los ya establecidos para la radiodifusión de AM en estas bandas. Aunque se respete la canalización de las bandas de AM, las nuevas transmisiones del sistema DRM son esencialmente incompatibles con los receptores analógicos tradicionales, ya que su naturaleza digital, como su modulación COFDM, es completamente distinta. Puesto que este sistema está en fase de establecimiento y aún no se realizan transmisiones comerciales, no existen receptores de bajo coste disponibles para el usuario.

OBJETIVOS
El objetivo perseguido por el sistema desarrollado es el de poder sintonizar la señal en RF y adecuarla para su demodulación con el PC. Para ello se ha realizado una modificación a un conocido receptor comercial multibanda de AM. El objetivo de esta modificación es poder proporcionar a la comunidad de radioaficionados y radioescuchas un método sencillo para demodular las señales DRM que actualmente se transmiten como emisiones piloto del sistema. Por otra parte, también se estudian y analizan los diferentes problemas o aspectos a considerar en este tipo de modificaciones dada la diferente naturaleza entre la señalDRM y aquella para la que el receptor fue diseñado.

DESCRIPCIÓN GENERAL
A continuación se describirán los aspectos involucrados más directamente en el sistema propuesto, para alcanzar así una mayor comprensión de la solución implementada.

Señal DRM
Bandas de transmisión: Las bandas de transmisión de DRM son las destinadas a radiodifusión por debajo de 30MHz que quedan establecidas en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias [5] para España. Ancho de Banda: El ancho de banda de la señal transmitida se ajusta a la canalización de estas bandas que, dependiendo del país, es de 9KHz ó 10KHz. Además el ancho de banda ocupado puede ser del 50%, 100% ó 200% de la anchura del canal, según el parámetro de ocupación espectral de DRM. Esto permite transmitir simultáneamente junto con AM (simulcast), DRM en exclusiva o DRM con mayor calidad.

Modulación: La modulación empleada en la señal DRM s COFDM, modulación que actualmente goza de gran éxito por su eficiencia y robustez [3]. Esta es una modulación multiportadora en la que cada una de ellas va modulada según una constelación QAM de 4, 16 ó 64 puntos dependiendo del modo de transmisión. Estas portadoras están equiespaciadas y situadas ortogonalmente en frecuencia para anular así la Interferencia Entre Portadoras (ICI). El número de portadoras utilizado es variable y depende del ancho de banda ocupado y modo de robustez, para una configuración habitual es de 207.

PC con el Software de Demodulación

El software actualmente disponible para la demodulación es una versión limitada del "DRM Software Radio" que se puede adquirir por un bajo precio en [6], o una recién surgida implementación libre disponible gratuitamente en [7]. Los requisitos de señal típicos para este software: Entrada: Utiliza la tarjeta de sonido como fuente de señal. Para ello ésta debe cumplir que sea de 16 bits y con soporte full-duplex a una frecuencia de muestreo de 48KHz. Señal: La señal de entrada a la tarjeta de sonido ha de ser una señal DRM centrada en 12KHz, con el ancho de banda correspondiente a la canalización utilizada y con una amplitud correspondiente al nivel de línea de audio.

Receptor de Radio
El receptor comercial que se ha decidido estudiar y modificar es el Grundig YachtBoy 400, cuyas características por debajo de 30MHz son: Bandas: Cubre todas las bandas comerciales por debajo de 30MHz asignadas para Europa y en concreto para España. Canalización y Ajuste: En la banda de AM de Onda

Media (520KHz-1710KHz) sigue una canalización de 9KHz y en el resto permite pasos de 1 y 5 KHz. El modelo permite un ajuste fino de la frecuencia de ±1KHz de forma manual. Ancho de Banda: El receptor tiene una anchura de anda seleccionable por medio de una conmutación entre unfiltro estrecho y otro ancho en la última etapa de IF (Frecuencia Intermedia). El ancho de banda total de estos filtros es de 6KHz y 8KHz respectivamente. Modulaciones: En estas bandas de trabajo el receptor proporciona demodulación AM (Doble Banda Lateral más portadora) y BLU (Banda Lateral Única) Salidas: El receptor dispone únicamente de una salida de audio (nivel de línea) en banda base, que es la salida para poder conectar unos auriculares externos.

MODIFICACIÓN DEL RECEPTOR

Según se ha expuesto, el receptor en su diseño original no es válido ni para la sintonización de la señal DRM ni para proporcionar una salida adecuada para el programa de demodulación. Para adaptarlo se han seguido los siguientes pasos:

o Obtener una señal en Frecuencia Intermedia (FI) de
455KHz sin filtrar
o Filtrar y mezclar para obtener una señal en FI de
12KHz
o Amplificar y adaptar a la tarjeta de sonido.

A. Señal en FI (455KHz) sin filtrar Un problema clave que se tiene al trabajar con un receptor comercial de estas características es el obtener la señal de 455KHz sin filtrar (salvo el filtrado en frecuencias superiores) y con un nivel adecuado, ya que no están diseñados para proporcionarla.

La cadena del receptor YB400 sigue los siguientes pasos. La señal amplificada y filtrada en RF se sube a una primera FI-1 de 55.85MHz y se filtra con un BW de 50KHz. Posteriormente se mezcla esta señal para bajarla a la segunda FI-2 de 455KHz. El siguiente paso consiste en filtrar la señal con uno de los dos filtros seleccionables por el usuario de 6KHz y 8KHz. A partir de este momento se realiza un CAG (Control Automático de Ganancia) y finalmente se baja a banda base para su detección. Tal y como se ha planteado la modificación, la señal que interesa es la que está en FI-2 (455KHz) antes del paso de filtrado. En [8] (documento PDF desarrollado por los autores del presente artículo y con instrucciones detalladas sobre la modificación) se explica el punto exacto de donde puede extraerse esta señal. Aquí la única limitación en ancho de banda la pondrá el filtro de FI-1 y será de 50KHz.

Pero también hay que resaltar el hecho de que normalmente este filtro no viene perfectamente ajustado de fábrica en el sentido de que presentará asimetrías entre las bandas de un lado y otro de la FI. Esta asimetría no tendrá un efecto apreciable para una señal AM ya en banda base, pero sí que lo tendrá para la señal en FI-3 de 12 KHz. Para eliminar estas asimetrías se pueden ajustar dos de los resonadores mientras se visualiza el efecto en un analizador de espectros. Estos resonadores son los mostrados en [8].

Filtrado y Bajada a 12KHz

Ya llegados a este punto se han implementado dos variantes. La primera de ellas consiste en realizar un filtrado en 455KHz utilizando para ello un filtro de cristal (LPU 455B) con un BW de 15KHz. Este filtro eliminará el problema de frecuencias imagen que aparecerían al realizar la posterior bajada a 12 KHz.

En la otra variante no se ha utilizado ningún filtro adicional y ha seguido siendo suficiente para poder demodular la señal DRM. Esto se debe a que actualmente no hay otras señales alrededor de estas emisiones piloto [9] y, por lo tanto, el efecto de las frecuencias imagen al bajar de 455KHz a 12KHz es pequeño.

El siguiente paso en la cadena de recepción sería mezclar la señal con un tono de 455±12KHz. Para ello se ha empleado un circuito oscilador-mezclador diseñado expresamente para la aplicación DRM y presentado en [6][8].

C. Amplificador de Línea

Como último paso y de forma opcional, se puede amplificar la señal mediante un amplificador de línea, con entrada y salida adaptada a 1K? . Con esta amplificación se consigue una señal del orden del margen dinámico del conversor A/D de la tarjeta de sonido, y por lo tanto ya está lista para ser muestreada y demodulada por el programa en el PC. Cabe recordar que por cada bit que se gane del cuantificador se tendrán 6 dB más de relación S/N. Esta amplificación se ha realizado con un circuito CEBEK (PM-4) amplificador de línea de audio de ganancia ajustable.

RESULTADOS
Como resumen de los resultados obtenidos con esta modificación se presenta la pantalla de uno de los demoduladores software de DRM para PC anteriormente comentados:

Se puede observar como el software ha sido capaz de sincronizarse totalmente con la señal, proporcionando

LÍNEAS FUTURAS
Como continuación inmediata a esta modificación, se está realizando la amplificación de línea mediante un sistema AGC. Éste proporciona un nivel de salida constante independientemente del nivel de señal de entrada. Un aspecto que se desea caracterizar es el ruido de fase introducido por este tipo de receptores. Esto ocurre porque su circuito de sintonización ha sido diseñado para una señal del tipo AM donde hay una gran portadora central con la que sincronizarse. En DRM ya no hay una única portadora con lo que el punto de sintonización podría estar variando ligeramente entre varias portadoras. Finalmente, se está trabajando en un nuevo receptor completamente digital y diseñado para este tipo de señales.

jorge polentino
CRF
http://w3.iec.csic.es/URSI/articulos_modernos/articulos_coruna_2003/actas_pdf/SESION%205/S5.%20Aula%202.5/1514-SISTEMA.PDF