08 – Cómo funciona el IC-7300

La tecnología SDR en los equipos para radioaficionados.

Transceptor SDR "integral" que se contrala a través de un PC

Transceptor SDR “integral” que se contrala a través de un PC

La tecnología SDR comienza a utilizarse en el ámbito de los equipos de radioaficionados en la década de los años 90. Esta tecnología se apoya en la capacidad y velocidad de proceso de diferentes componentes empleados en la transformación de señales analógicas y digitales, en el tratamiento digital del sonido y en los procesadores digitales de señales (DSP).

La progresiva incorporación de los dispositivos conversores A/D y de los procesadores digitales de señal DSP en los equipos de radioaficionados, dan lugar a transceptores “híbridos”, en los que una parte del tratamiento de la señal de RF (filtrado y reducción del ruido) se procesa mediante algoritmos matemáticos. En estos equipos superheterodinos, la conversión de FI se realiza mediante componentes hardware mientras el tratamiento posterior de filtrado y supresión de ruido se realiza en el dominio digital.

Este sistema aporta una mejora sustancial en la reducción del ruido y unos filtros configurables desde los mandos del equipo reduciendo el tamaño y el peso al sustituir componentes hardware por circuitos integrados.

En los últimos años se ha incrementado el desarrollo de software dedicado al proceso de las señales de radio en los dispositivos de computación integrados. El muestreo directo de la señal de RF y el uso de las FPGA, conversores A/D, D/A y DSP más rápidos y con mayor potencia de trabajo, dan paso a equipos “integrales” en los que todo el proceso de RF se desarrolla en el dominio digital.

La comunicación entre el equipo y el operador.

Transceptor clásico con mandos, botones y perillas

Transceptor clásico con mandos, botones y perillas

Los sistemas de comunicación entre el equipo y el operador deben responder a los principios generales de rapidez, precisión y sensibilidad que definen la eficiencia en el manejo de los equipos. Los sistemas de control han variado también durante estos últimos años introduciendo nuevas formas operar. La forma clásica está compuesta por diales e instrumentos que proporcionan información mientras los mandos, botones y perillas que están situados en el panel frontal del equipo sintonizan la frecuencia, ajustan los filtros o seleccionan la banda y el modo.

Con la incorporación de las consolas remotas en los PC, se añade el teclado y el ratón a los sistemas de comunicación entre los equipos y el operador. Finalmente, la pantalla táctil, similar a las de las tabletas y terminales de telefonía móvil, que incluyen algunos equipos modernos, completan las posibilidades.

Moderno equipo SDR "integral" de gama alta

Moderno equipo SDR “integral” de gama alta

Los primeros equipos “integrales” SDR necesitan un programa de software que se ejecuta en un PC, utilizando exclusivamente el teclado y el ratón para el control del equipo. Durante los últimos años, estos equipos han ido incorporando algunos mandos, pantallas e incluso periféricos auxiliares con mandos con el fin de mejorar la eficiencia de la comunicación entre el equipo y el operador.

No es necesario ser un adivino para vislumbrar un futuro en el que los equipos de radioaficionado se basarán totalmente en la tecnología SDR y sus gamas se diferenciarán por las prestaciones operativas: mejores pantallas integradas y mayores prestaciones y cobertura. En este futuro será importante el desarrollo del software que posibilite adaptar con mayor eficacia las condiciones del receptor y ampliar las posibilidades de manejo del equipo.

Algunas de las ventajas de la tecnología SDR.

La tecnología SDR aporta una serie de ventajas que groso modo se puede resumir en:

  • La capacidad para transmitir y recibir diferentes modos de modulación utilizando el mismo hardware.
  • La posibilidad de seleccionar el mejor modo de adaptar la recepción a las condiciones prevalentes en la frecuencia de trabajo.
  • La capacidad para introducir mejoras y nuevas prestaciones mediante la descarga e incorporación de nuevo software.
  • La eliminación de componentes analógicos y su costo, simplificando la arquitectura de la radio y mejorando el rendimiento. Esta característica se puede aplicar a cualquier gama de los equipos, desde un “entry level” hasta el buque insignia de cualquier marca.

El Icom IC-7300.

El Icom, IC-7300 es el primer transceptor SDR “integral” de muestreo directo para radioaficionados que se controla con los mandos de su panel frontal y una pantalla táctil. El IC-7300 también se puede operar en remoto por medio del programa RS-BA1 de Icom.

Cómo funciona el IC-7300.

Diagrama de bloques del receptor

Diagrama de bloques del receptor (Manual de Servicio)

La señal de radio que recibe la antena se transforma en digital por medio de un dispositivo conversor A/D. La señal se dirige a la FPGA donde se convierte mediante el tratamiento digital en una señal de FI para ser procesada posteriormente en el DSP.

Diagrama de bloques del transmisor

Diagrama de bloques del transmisor (Manual de Servicio)

En sentido inverso, la señal de transmisión se procesa y se convierte en una señal de FI en el DSP. La señal de FI de transmisión se convierte en una señal de RF en la FPGA y posteriormente es transformada en una señal analógica para ser posteriormente amplificada y filtrada. Todo el proceso de conversión de RF se realiza en el dominio digital sin utilizar ningún circuito heterodino analógico.

RECEPTOR

Atenuador y conversión analógica-digital de RF.

La unidad de RF capta la señal a través del diodo conmutador (D1231) y la aplica a un atenuador (D1251). El atenuador se controla por el voltaje de AGC desde el conversor D/A (IC971) para ajustar el nivel de la señal recibida de forma que su amplitud esté dentro del rango dinámico de la entrada en el conversor A/D.

En un receptor tradicional híbrido, el nivel de la señal recibida (Ganancia) se controla por el DSP antes del circuito AGC externo. Sin embargo, este sistema no funciona en un receptor de muestreo directo, puesto que el control de ganancia de RF no puede evitar la saturación del conversor A/D. Este método ha sido reemplazado por la adición de un circuito externo de AGC, en lugar del circuito AGC interno del DSP.

El nivel de la señal recibida, ya ajustado, se aplica en el conversor A/D para ser transformado en una señal digital. Esta señal se aplica a la FPGA (IC1351) donde es convertida en una señal de FI de 36 KHz mediante procesos matemáticos.

FPGA.

La FPGA es un dispositivo que puede procesar digitalmente el flujo de datos. Se compone de bloques lógicos cuya funcionalidad e interconexión pueden ser configurados por un programa. El programa que determina cómo opera la FPGA (IC1351) está almacenado en una EPROM (memoria que puede ser borrada y reprogramada eléctricamente) externa y se carga cuando se enciende el transceptor. De esta forma, el programa puede ser modificado después de que el dispositivo está montado en la placa del circuito impreso. La FPGA (IC1351) convierte la señal de RF en una FI más baja y realiza el trabajo de filtrado por medio de funciones matemáticas que controlan los bits digitales.

La señal recibida de la unidad de RF ha sido convertida en un flujo datos digitales por medio del conversor A/D. Los datos convertidos se aplican entonces a la FPGA (IC1351) como una corriente de bits con la muestra del espectro de la señal y procesados por la manipulación de los bits digitales. La FPGA (IC1351) que procesa la señal, ejecuta los procesos del oscilador y mezclador mediante algoritmos matemáticos de la misma forma que un sistema superheterodino obtiene la FI por medio de componentes de hardware. La señal procesada se aplica al DSP (IC901)

Demodulador y conversor D/A.

La señal de FI de 36 kHz se procesa y demodula en el DSP (IC901). El diseño del software que realiza esta tarea está basado totalmente en el que utiliza el IC-7100. El control interno de las funciones de  AGC, demodulación, reducción de ruido (NB, NR y filtro “Notch”)  y “Squelch” es el mismo del IC-7100.

Una vez procesada  y demodulada la señal en el DSP (IC901)se aplica en el conversor D/A (IC991) para ser convertida en una señal analógica de AF.

Circuito de AF.

La señal de AF se amplifica en previo (IC992) y posteriormente en el amplificador de potencia, clase D, (IC721) para obtener una potencia de salida de hasta 2,5w a 8 ohmios. Esta señal se aplica a un filtro pasa-bajos (L731, L732 y C731˞C735), que atenúa las frecuencias indeseadas y finalmente en el altavoz (Q746). Cuando se conecta un altavoz externo en el jack [EXT-SP] situado en el panel trasero, la salida de audio se desconecta del altavoz interno (SP1).

TRANSMISOR

Amplificador de micrófono y conversor A/D

La señal de audio procedente del conector del micrófono [MIC] en el panel frontal, se amplifica (IC1002) para aplicarse posteriormente al conversor A/D (IC1001), que la transforma en datos.

La señal de audio procedente del conector [ACC] se aplica al conversor A/D (IC1001), a través de un conmutador de interrupción (IC1003) y el filtro pasa-bajos (IC1002) y también se transforma en señal digital para ser aplicada al DSP (IC901).

Modulación y conversor D/A.

La señal de AF se modula digitalmente en el DSP (IC901) dando como resultado una señal de FI de 36 kHz de RF que se aplica en la FPGA (IC1351).

La señal de audio procedente del micrófono ha sido transformada en una corriente de datos digitales por el conversor A/D (IC1001). El flujo de datos se aplican en el DSP IC901 y procesados digitalmente dado como resultado una señal de FI modulada de transmisión de 36 kHz.

FPGA

La señal de FI se aplica a la FPGA (IC1351) que procesa por medio de algoritmos matemáticos para ejecutar las funciones de oscilador y mezclador de la misma forma que la señal de RF se procesa mediante componentes de hardware en un transmisor de conversión analógica.

La señal obtenida en la FPGA se aplica al conversor D/A para obtener la señal de RF del transmisor.

Proceso de la señal de RF.

La señal de transmisión transformada en la FPGA (IC1351) se aplica al conversor D/A (IC1331) para ser convertida en la señal analógica de RF del transmisor. La señal obtenida se pasa posteriormente por un filtro pasa-bajos (L1281, L1282, C1281, C1283 y C1285), que atenúa los componentes no deseados que a continuación se inserta en la entrada de la unidad de RF.

Composición del equipo.

Todos los componentes que realizan los procesos descritos, relacionados con la aplicación de la tecnología SDR, se incluyen en la placa principal.

El IC-7300 incluye el hardware para ejecutar las funciones analógicas en el tratamiento de las señales de RF que no es posible en este momento hacerlo en el dominio digital. Estos procesos se integran en varias placas del equipo:

  • Unidad de RF
  • Amplificador de potencia
  • Acoplador de antena

COMPONENTES BÁSICOS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL DE LA SEÑAL

La condición principal para integrar en la misma caja todos los componentes que realizan los procesos de tratamiento de las señales de RF en un equipo SDR, sin necesidad de un PC externo, es el diseño de software capaz de actuar como interfaz. Los microprocesadores que se utilizan en la construcción de un equipo de radio más los sistemas de almacenamiento auxiliares permiten el diseño de software independiente para sistemas integrados.

Al contrario que un ordenador personal que está concebido para ejecutar un amplio rango de tareas diferentes, los sistemas integrados orientados al tratamiento digital de las señales de RF, disponen de capacidad para almacenar y ejecutar programas en tiempo real con funciones dedicadas.

Los programas que controlan los procesos en el IC-7300 en julio de 2016 son:

  • Main CPU (V=1.13)
  • Front CPU (V=1.01)
  • DSP Program (V.1.07)
  • DSP Data (V.1.00)
  • FPGA (V.1.12)

El IC-7300 dispone de varios sistemas integrados de computación:

CPU CPU: La Unidad Central de Proceso de Datos del IC301 es un R7S721000VCFP de Reneses. Se trata de un chip microcontrolador LSI (large-scale integration) que integra un procesador ARM-A9 y los periféricos necesarios.
 DSP DSP: El Procesador Digital de Señales IC901 es un TMS320C6745
 FPGA  FPGA: La “Field Programable Gate Array” IC1351 es una EP4CE55 de Altera Ciclone IV que puede reprogramarse.
 ADC A/D: Icom no ha desvelado el tipo de conversor A/D que utiliza el IC-7300. Presumiblemente es un LTC2208 de 14 bit de Linear y presumiblemente se encuentra oculto por el disipador de aluminio a lado de la FPGA en la placa principal y sin documentar en los manuales. Este chip tiene ya nueve años de vigencia y aunque está todavía en línea de producción, en la actualidad, hay una versión de 16 bit. Realmente no hay una gran diferencia de capacidad de proceso entre ambos chips, un margen de trabajo más estrecho puede compensar una menor capacidad de proceso. El equipo dispone de un conversor A/D para AF (IC1001).

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