Guida ai ricevitori SDR

Introduzione

Con l'uscita dei ricevitori SDR a campionamento diretto, sono arrivati sul mercato, già da qualche anno, ricevitori dalle prestazioni molto elevate, a disposizione degli appassionati di Radioascolto ad un prezzo molto conveniente.

Spesso nei vari Forum dedicati al mondo Radioamatoriale, gli appassionati si domandano e dibattono, se i ricevitori SDR, siano o meno, migliori dei ricevitori tradizionali Supereterodina. Difficile sinceramente dare una risposta. Anche perché i ricevitori degli apparati moderni sono oramai degli ibridi, che si avvicinano molto alla tecnologia SDR.

Sicuramente quello che è importante sottolineare è che SUPERETERODINA ed SDR, sono due tecnologie radicalmente diverse e che quindi, i parametri che eravamo abituati a considerare importanti, per la scelta di un ricevitore tradizionale, non sono più conformi a giudicare la bontà o meno di un ricevitore SDR.

Ma allora, come si sceglie un Ricevitore SDR? Quali sono i parametri di cui dobbiamo tener conto nella scelta? Quali sono i prodotti attualmente sul mercato, con il miglior rapporto, Qualità-Prezzo?

In questo articolo, che non ha la velleità di essere un trattato tecnico, ma una semplice guida pratica, cercheremo di rispondere a queste importanti domande.

Prestazioni al massimo livello

Innanzi tutto, una considerazione importante: in questo momento, se vi interessa il massimo delle prestazioni, in un ricevitore, un SDR risulta essere il modo migliore possibile di investire i vostri soldi. Nel rapporto Prezzo-Prestazioni infatti, non esiste confronto possibile con i vari, ICOM ICR70-71-75, KENWOOD R5000, YAESU FRG 7700 che tenga. Per ottenere prestazioni confrontabili, con gli attuali migliori ricevitori SDR, a campionamento diretto, in termine di sensibilità, e capacita di tirare fuori segnali puliti dal QRM, dobbiamo andare direttamente sui ricevitori di apparati High-End che sono leader del mercato, come ELECRAFT K3, YAESU FT5000, ICOM IC 7800, TEN TEC ORION II, oppure su ricevitori professionali come WATKINS E JOHNSON, RACAL, ROHDE&SCHWARZ, AOR 7030, tanto per citarne alcuni, che comunque sono rari e hanno prezzi molto elevati.

Ma quali sono i parametri da tenere in considerazione, per la scelta di un ricevitore SDR, e questi parametri di scelta sono confrontabili con quelli dei ricevitori tradizionali Supereterodina?

Cominciamo col dire subito, che molti dei test utilizzati per confrontare le radio tradizionali in laboratori o riviste specializzate come le tabelle Sherwood, o i test della rivista QST magazine della ARRL, non sono attendibili per testare le prestazioni dei ricevitori SDR a campionamento diretto DDC, a causa della differenze fondamentali tra le due tecnologie.

Distorsione di Intermodulazione del 3° Ordine

Nei ricevitori tradizionali ad esempio, uno dei parametri più importanti è la distorsione di intermodulazione del 2° e del 3° ordine.

Su questi ricevitori la distorsione di intermodulazione, peggiora in proporzione lineare sulla base dell’aumento (2-3 volte) del livello del segnale. Nei ricevitori SDR invece, la distorsione di intermodulazione, non ha un andamento lineare, rimane infatti più o meno stabile con l’aumentare del segnale, iniziando leggermente a degradare solo quando il segnale interferente si avvicina al livello di saturazione, e quando il livello di saturazione del ricevitore, che è il segnale massimo che l'ADC può elaborare viene raggiunto, la distorsione di intermodulazione crolla in modo catastrofico.

Va inoltre considerato che nei ricevitori tradizionali, questo tipo di distorsione, viene generata nei mixer delle varie medie frequenze, dalla somma o dalla sottrazione, delle frequenze generate dal VFO, con le frequenze delle varie conversioni IF.

I ricevitori SDR DDC non hanno nessuna conversione o mixer, di conseguenza su questi ricevitori la distorsione di intermodulazione, viene prodotta in modo completamente diverso e deve essere misurata, attraverso un apposito test, che vedremo in seguito.

I bit del DDC

Il primo parametro da considerare, nella scelta di un ricevitore SDR a conversione diretta, è quindi il numero dei bit del convertitore Analogico-Digitale ADC. Attualmente, esistono ricevitori SDR con ADC a 8 – 12 – 14 e 16 bit. Maggiore è il numero dei bit, migliori sono le prestazioni del ricevitore e minore la sua eventuale distorsione di intermodulazione, che rimane comunque, un parametro non critico, nei ricevitori SDR, o comunque non misurabile con sistemi tradizionali, vedremo più avanti, che esistono test specifici, per misurare le prestazioni, dei ricevitori SDR DDC.

E’ importante sottolineare, che il numero di bit reale di un ADC, è leggermente inferiore (1-2 bit) a quanto dichiarato. Il numero di bit reali viene detto ENOB, ed è questo il valore da tenere in considerazione.

*ENOB (Effective Number of Bits, ovvero Numero di bit effettivi) è un parametro usato per misurare la qualità di un segnale digitalizzato. Solitamente, per esprimere la risoluzione di un ADC (Convertitore Analogico-Digitale) o di un DAC (Convertitore Digitale-Analogico).

Questo vuol dire, che un ricevitore SDR a 16 bit, può avere un ENOB di circa 14 bit effettivi. Un ricevitore che campiona a 14 bit, può avere un ENOB di circa 12 bit effettivi, e così via. Questo ci porta ad ascludere fin da ora, se vogliamo prestazioni generali elevate dal nostro ricevitore SDR, le chiavette RTL a 8 bit, che avendo un ENOB intorno ai 6 bit, sono da considerare poco più che dei giocattoli.

Diversa invece, la valutazione della differenza, in termini di prestazioni, tra un ricevitore SDR a 16 bit e un SDR a 14 bit. La differenza di prestazioni, tra questi due campionamenti è infatti minimale (intorno a 0,5 db). Anche un SDR a 14 bit quindi, può avere prestazioni che si avvicinano al top, ed è una buona scelta.

La frequenza di campionamento

Il secondo parametro che salta agli occhi, scorrendo la scheda tecnica di un ricevitore SDR, è la frequenza di campionamento.

In un ricevitore DDC tutta la banda HF viene campionata più o meno direttamente l'antenna e convertita in un segnale digitale usando un ADC molto veloce. Più elevata è la velocità di campionamento, migliori sono le prestazioni del ricevitore.

Per poter rappresentare in maniera accurata, tutto lo spettro HF campionato, la frequenza di campionamento, deve essere almeno 2 volte la frequenza più alta di ricezione del nostro SDR. Quindi per un ricevitore che copre HF e 6 metri, l’ADC deve campionare ad un minimo di 106Msps.

Ad esempio, i nuovi ricetrasmettitori top di gamma, del costo di diverse migliaia di euro come quelli FLEX RADIO della serie 6000, coprono da 30kHz a 77MHz con una frequenza di campionamento di 245,76 Msps. Mentre la serie Anan 100 copre da 10kHz a 55MHz con una frequenza di campionamento di 122,88 Msps.

Aumentando la frequenza di campionamento, aumentano anche le prestazioni e la gamma dinamica del ricevitore SDR, tuttavia è necessario considerare che il raddoppio della frequenza di campionamento, porta ad un miglioramento delle prestazioni di soli 3 db.

Una volta che l’intero spettro HF è stata campionato, il software può selezionare quali parte di esso, deve essere visualizzata sullo schermo. Con i nuovi ricevitori SDR DDC ad alte prestazioni, l’intero spettro HF può essere visualizzato sullo schermo contemporaneamente a bassa risoluzione, oppure possiamo scegliere di visualizzare simultaneamente, da 4 a 8 ricevitori, con fette di banda a 192 o 384 KHz, ad alta risoluzione. La velocità di campionamento, determina quindi anche, quanti ricevitori possiamo visualizzare simultaneamente.

Questo può essere molto utile, è possibile ad esempio, durante un contest, avere 2 ricevitori sulla stessa banda e con uno, ascoltare la stazione DX che ci interessa, mentre con l’altro, monitoriamo il Pile-up su una altra fetta della stessa banda. Oppure è possibile, aprire 4 ricevitori simultanei su bande diverse, per monitorare con un colpo d’occhio, le aperture di propagazione sulle varie bande HF. Tutto questo, è possibile e dipende, dalla velocità di campionamento, del nostro ricevitore SDR DDC, oltre che naturalmente, dalla potenza di calcolo, del nostro computer.

In un prossimo articolo, tratteremo anche quali requisiti deve avere un computer adatto a far lavorare un ricevitore SDR, per ora, considerate, che i ricevitori SDR più economici, delegano buona parte della elaborazione del segnale al computer esterno, mentre gli SDR, più evoluti e costosi, sono dotati di una potente unità di calcolo FPGA interna, che assolve a quasi tutti i problemi di calcolo ed elaborazione dello spettro, sollevando il computer esterno, da buona parte del lavoro di elaborazione.

La frequenza di campionamento infine, determina anche la possibilità di ricevere le frequenze al di sopra dello spettro campionato, detta frequenza di Nyquist, questo fenomeno viene detto “Aliasing” e consente di ricevere anche fino alle VHF e UHF. Tuttavia le frequenze superiori alla frequenza di Nyquist, che è quella dello spettro HF, come ad esempio le potenti stazioni della banda FM, 88-108 MHz, possono creare interferenze e intermodulazioni, sulla ricezione del nostro SDR. Il ricevitore SDR DDC, deve essere dotato quindi di un filtro passa basso, che consente di attenuare fortemente, di almeno 100 db, tutte le interferenze provenienti da frequenze superiori alla frequenza di Nyquist.

Ascoltare con gli occhi

Ma quello che voglio sottolineare e che non è banale, è che se i ricevitori tradizionali, ci permettono di fare il giro del mondo con gli orecchi, i ricevitori SDR DDC, ci permettono anche di ascoltare anche con gli occhi, aprendo una serie di possibilità operative mai viste prima e molto utili, sia durante i contest, ad esempio nella identificazione immediata a colpo d’occhio, della quantità e tipologia di segnali presenti sulla banda, Fonia, CW, Modi Digitali, tutti identificabili immediatamente, con un solo colpo d’occhio, che durante la nostra normale attività di radioascolto. Con un SDR, potete intervenire e migliorare il segnale ricevuto in tantissimi modi, aprire più ricevitori simultaneamente, per monitorare diverse bande o registrare intere porzioni di banda, per archiviarle o elaborarle in un secondo momento. Vedere lo spettro, è una modalità operativa rivoluzionaria, che cambia radicalmente il vostro modo di fare radio, aumentando notevolmente le vostre prestazioni di operatori e il vostro divertimento. Una volta provata la possibilità di lavorare, guardando lo spettro, i vantaggi che proverete saranno così tanti, che non ne potrete più fare a meno.

Il preselettore

E qui veniamo ad un tema importante e molto dibattuto su tutti i forum. In un ricevitore SDR a campionamento diretto, è necessario un preselettore? E la risposta di buon senso, semplice e definitiva è sì! Tutti i ricevitori tendono a sovraccaricare e a intermodulare, a causa delle forti stazioni Broadcasting in Onde Medie o HF, quindi quello che distingue un ricevitore professionale è un buon Fron-End analogico, composto da filtri passa basso, passa alto, passa banda o da un buon preselettore d’antenna ad inseguimento. Ovviamente il Font-End, deve essere escludibile, via software all’occorrenza, per poterci permettere, se lo vogliamo, di visualizzare simultaneamente, l’intero spettro HF o diverse fette di frequenza su diverse bande. Eggià, non dimentichiamo infatti, che quello che abbiamo tra le mani con il nostro ricevitore SDR, è anche uno strumento di misura molto sofisticato. Un vero e proprio Analizzatore di Spettro, uno strumento una volta sognato da tutti i Radioamatori, che costava diverse decine di milioni di lire, che oggi è a nostra disposizione, per poche centinaia di euro, miracoli del progresso!

Tornando al Preselettore, non a caso, il Perseus, ricevitore SDR DDC, uscito oramai da molti anni, grazie al suo preselettore, è ancora uno dei ricevitori SDR più quotati. Non a caso l’Elad FDM2, ha la possibilità di aggiungere un preselettore opzionale. Non a caso tutti i ricetrasmettitori SDR di fascia più elevata e costosa, come FLEX e ANAN, sono dotati di filtri preselettori.

La gamma dinamica dei ricevitori SDR DDC

Una delle caratteristiche più importanti di un ricevitore, è la sua gamma dinamica, la sua capacità cioè di farci ascoltare un segnalino molto debole, posto vicino ad un segnale forte.

La Gamma Dinamica di un ricevitore SDR a campionamento diretto con ADC a 16 bit, supera abbondantemente i 100 db. Di fatto una Gamma Dinamica così elevata, porta questi ricevitori a performance mai raggiunte prima da nessun ricevitore tradizionale, a volte nemmeno spendendo per quest’ultimo, cifre esorbitanti superirori ai 10-15.000 euro, come quelle necessarie ad acquistare il mitico HILBERLING PT 8000, un apparato divenuto mitico nell’immaginario di tutti i Radioamatori, quasi come il Dirigibile HINDEMBURG.

Oggi, potete avere prestazioni simili a quelle del ricevitore del mitico HILBERLING, anche con meno di 1000 euro, vi pare poco?

La Gamma Dinamica dei ricevitori SDR, degrada però in proporzione alla somma totale dei segnali presenti, su tutta la banda campionata. Per questo motivo in condizioni di banda particolarmente affollata, come in caso di Contest contemporanei su tutte le bande Radioamatoriali, la Gamma Dinamica di un ricevitore SDR DDC, può degradare anche notevolmente. Per misurare questo degrado, o meglio per misurare come reagirà il nostro ricevitore SDR, messo sotto torchio dalla banda super affollata di un Contest, Adam Farson VA7OJ/AB4OJ, ha messo a punto un particolare test, specifico per misurare le prestazioni dei ricevitori SDR, denominato test NPR (Noise Power Ratio). In pratica il test, consiste nel sovraccaricare il nostro ricevitore SDR, attraverso un generatore di rumore bianco, pompando in antenna, dei segnali a banda larga appena sotto il livello di clipping, che simulino una banda molto affollata, con una ampiezza di banda di 2 - 4 e 8 MHz di copertura continua, andando poi a misurare la gamma dinamica, su di un canale largo 3khz, ritagliato nella totale copertura del disturbo, da un particolare filtro Notch. Se il nostro ricevitore SDR, riesce a restituire una Gamma Dinamica sufficiente, su quel canale largo 3 kHz, che simula il nostro segnalino DX, in una situazione così estrema, potete star sicuri, che anche nelle situazioni più difficili, che potrete incontrare in un Contest, il vostro SDR sarà all'altezza della situazione.

* Un NPR migliore di 75dB è molto buono, migliore di 78dB è da considerarsi eccellente.

*Un rumore della larghezza di banda di 4MHz, appena sotto il livello di clipping, uguale a quello simulato in un test NPR, è equivalente a più di 1200 segnali SSB a S9 +30 dB.

Ovviamente è difficile, incontrare nella realtà, condizioni di sovraccarico del vostro ricevitore SDR DDC, come quelle simulate da un test NPR. Per questo motivo, in condizioni di utilizzo normali e non estreme, anche un ricevitore SDR a 14 bit, o a 12 bit, può offrire prestazioni eccellenti e una gamma dinamica vicina, o anche superiore ai 90 db, che è sempre comunque un bell’andare, in confronto alle prestazioni della maggior parte dei ricevitori analogici.

Questi comunque, sono i dati del test NPR teorico massimo ottenibile, corrispondenti ai bit dell’ADC. Da notare, come già indicato, che i ricevitori a 8 bit, danno risultati mediocri e insufficienti.

RMDR (Reciprocal Mixing Dynamic Range)

In un ricevitore SDR a campionamento diretto, il rumore di miscelazione reciproca RMDR, viene provocato quando il rumore di fase dal ADC (convertitore analogico-digitale), si mescola con un forte segnale interferente, posizionato vicino al segnale che vogliamo ricevere (in pratica lo sblatero di un segnale adiacente).  In questo modo, in un ricevitore SDR, il valore Rmdr diventa un indicatore della purezza spettrale del clock dell’ADC. Il valore di questo rumore di fase, è generalmente incluso, nelle schede tecniche del ricevitore SDR.  In un SDR, l’Rmdr è di solito indipendente dalla distanza del segnale interferente, dal segnale che stiamo ricevendo, ed ha  praticamente lo stesso valore, sia a 2kHz, a 5 kHz o a 20 kHz di distanza. Un Rmdr di 100dB è molto buono e 120dB è eccellente. 

MDS (Minimum Discernible Signal)

L’MDS è la misura della sensibilità del ricevitore. Rappresenta il segnale più debole che si può sentire col nostro ricevitore SDR DDC. La sensibilità del ricevitore, deve essere molto buona, se vogliamo ascoltare segnali molto deboli, anche quando la propagazione è molto bassa. Tuttavia, se la banda è molto rumorosa, il livello di rumore proveniente dall’antenna sarà spesso superiore al valore MDS, per questo, in un ricevitore SDR, il valore estremo della sensibilità non è così rilevante. Quando confrontate i risultati relativi alla sensibilità di diverse radio, controllate che non siano attivati attenuatori o preamplificatori. La maggior parte dei ricevitori SDR, hanno un MDS migliore di -125dBm a 500Hz di larghezza di banda e migliore di -115dBm, ad una larghezza di banda di 2,4 kHz. I ricevitori SDR migliori possono raggiungere un MDS migliore di -130dBm a 500Hz larghezza di banda e migliore di -120dBm alla larghezza di banda di 2,4 kHz. I ricevitori a 8bit, come già sottolineato più volte, non saranno probabilmente in grado di raggiungere questi livelli di prestazioni. 

Il Software

Ultimo elemento in questo elenco, ma il primo per importanza nella scelta del ricevitore SDR dei nostri sogni, è il Software. SDR significa Software Defined Radio (Radio definita dal Software) E’ quindi necessario tenere nella massima considerazione, che molto di quello che possiamo fare, per ascoltare segnali puliti, col nostro ricevitore SDR lo dobbiamo al Software. Attualmente esistono due strade, intraprese dai produttori in questo senso. Esistono produttori, che sviluppano e forniscono, anche un Software dedicato, continuamente aggiornato per fornire le massime prestazioni, abbinato insieme al loro Hardware SDR. E ci sono produttori che forniscono solo l’Hardware, predisponendolo e fornendo assistenza per farlo funzionare con i diversi Software liberi e gratuiti, reperibili in rete. Diciamo subito che entrambe le strade, permettono di ottenere risultati ottimali, dal vostro ricevitore SDR. Lo sviluppo dei Software liberi, ha raggiunto una evoluzione tale, da fornire Software, sofisticati, efficienti e funzionali, anche se gratuiti, perché migliorati e testati continuamente, da tantissimi appassionati ed esperti. Il consiglio, è quello di provare i prodotti, fino a trovare quello che più si adatta alle vostre esigenze e più vi piace. Tra l’altro, lo potete fare anche senza bisogno di acquistare il ricevitore. Esiste infatti la possibilità di scaricare on-line, porzioni di banda, registrate con i vari ricevitori SDR, che potete liberamente scaricare per divertirvi a testare e provare i vari Software, sia liberi, che proprietari.

Gli SDR con il miglior rapporto Prezzo-Prestazioni del mercato

Esistono oramai sul mercato, prodotti consolidati a prezzi molto convenienti, che per la loro affidabilità e prestazioni, si sono conquistati la fiducia degli utenti. Questa è una lista di ricevitori che si sono conquistati la fiducia degli appassionati.

SDRPlay, a 149 dollari, questo ricevitore, che campiona a 12 bit, ha una connessione USB, dei buoni filtri analogici per l’intero spettro ricevibile, consente di ricevere da 100 KHz a ben 2 GHz, ha una ricezione molto pulita e funziona con i migliori Software liberi reperibili gratuitamente in rete.

AFEDRI SDR Net, questo prodotto, si è conquistato la fiducia di tantissimi appassionati, costa 259 dollari, riceve da 100 KHz a 30 MHz, campiona a 12 bit, viene fornito in un elegante contenitore metallico molto robusto in diverse versioni. Con connessione USB, con connessione Ethernet e in versione DUAL CHANNEL, che consente la ricezione in Diversity. Funzione con i migliori Software liberi, reperibili gratuitamente in rete.

Due prodotti italiani: ELAD FDM S1 a 369 euro e ELAD FDM S2 a 525 euro. Il primo riceve da 80 KHz a 30 MHz e in undersampling, fino a 200 MHz, campiona a 14 bit, il secondo riceve da 9 KHz a 52 MHz e in undersampling fino a 160 MHz, campiona a 16 bit, connessione USB per entrambi.
Prodotti robusti ed affidabili con ottime prestazioni ed un ottima assistenza. Possono essere dotati anche di Preselettore opzionale. Vengono forniti con il proprio Software proprietario SW2, ma possono funzionare, anche con diversi Software liberi.

Un altro prodotto italiano, l’intramontabile MICROTELECOM PERSEUS. Questo ricevitore, non ha bisogno di presentazioni.
Uscito sul mercato già da diversi anni, è ancora considerato uno dei migliori ricevitori SDR a campionamento diretto del mercato, anche grazie al suo ottimo preselettore. Campiona a 14 bit, riceve da 10 KHz a 40 MHz, ha una connessione USB, è dotato di Software proprietario e Nico Palermo, il suo progettista ha recentemente annunciato una nuova versione del Software. Costa 825 euro

Il grande rivale storico del Perseus, QUICKSILVER QS1R. Rimane un ottimo ricevitore, robusto ed affidabile, non è dotato né di preselettore né di preamplificatore e per questo ha grandi doti di resistenza al sovraccarico. I maligni sostengono che sia poco sensibile. Riceve da 10 KHz a 62 MHz e può essere utilizzato, anche in undersampling, campiona a 16 bit, è dotato di connessione USB, viene fornito di un ottimo software proprietario, può funzionare anche con Software liberi reperibili in rete, recentemente il suo prezzo è stato ribassato a 699,99 dollari.

Il ricevitore forse più atteso della storia degli SDR, ELAD FDM-DUO-R. E’ la versione solo ricevitore del Ricetrasmettitore FDM-DUO, che stà riscuotendo un grande successo.
E’ l’unico ricevitore SDR Standalone del mercato, può funzionare cioè sia senza computer, che collegato ad un PC via porta USB. Riceve da 9 KHz a 52 MHz e non può funzionare in undersampling. E’ dotato di ben 11 filtri preselettori.
La sua uscita è prevista in autunno e credo che potrebbe rivoluzionare l’intero mercato dei ricevitori SDR DDC.

Questo articolo è tratto dal BLOG di AIR - Radiorama, dall'articolo di Paolo M.