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VOZ DIGITAL en HF

Por Miguel Darío XE1UD

Este artículo es un poco extenso, pero les aseguro que si lo leen completo les dará una perspectiva diferente de las diferentes maneras de hacer RADIO, o cuando menos les despertara la inquietud de investigar más sobre este y otros temas relacionados …

Aunque sin darnos cuenta conscientemente, en la actualidad casi todos los aspectos de la radio afición están evolucionando de ANALOGO a DIGITAL, tanto en la fabricación y componentes de nuestros radios, como con el uso de dispositivos auxiliares y accesorios para el establecimiento de la comunicación entre radioaficionados.

Quizás lo primero que a uno le viene a la mente cuando habla de comunicación de voz digital (DV) para radioaficionados sean los modos de operación como D-STAR, DMR, Fusión, NXDN, P25 etc. O los modos de datos como FT4/FT8, JS8call, PACTOR … etc.

Sin embargo, una área básica de nuestras actividades como radioaficionados; la comunicación de voz por radio HF se ha visto con pocos cambios desde hace décadas a pesar de que en otras actividades que también utilizan el radio HF se han desarrollado interesantes cambios en la forma de aprovechar las bandas ‘largas’. Los militares, los negocios y servicios que operan en zonas sin infraestructura de comunicación o en áreas muy remotas/extensas, y personal de organizaciones como la ONU, OTAN, Cruz Roja Internacional, Médicos Aéreos, etc. No han abandonado y aún siguen confiando y optimizando sus sistemas de voz por HF logrando mejoras sustanciales importantes.
¿Y qué pasa con nuestras comunicaciones de voz por radio en HF como radioaficionados?

… Pues que nos hemos quedado estancados en las clásicas técnicas de modulación por SSB por demasiado tiempo … Sujetos a las variables condiciones de propagación y ruido, y con el agravante que las nuevas técnicas de iluminación por lámparas LED, el crecimiento acelerado de la industria dentro de las ciudades, la saturación de sistemas de telecomunicaciones para otros usuarios públicos y privados y muchos otros factores hacen cada vez más difícil establecer QSO’s para muchos de nosotros en las bandas de HF y principalmente en las ciudades.

El ruido radioeléctrico cada vez más fuerte y omnipresente es un grave problema para las comunicaciones por SSB. Sin embargo, desde hace algún tiempo varios radioaficionados están experimentando con tecnologías no propietarias de modulación “Digital” para eliminar el ruido radioeléctrico en las bandas de HF donde el uso de filtros ya no es suficiente, y en donde a veces el SSB es prácticamente imposible de utilizar, además de evaluar algunas características de la propagación, optimización de bandas y disponibilidad y acceso al uso para la mayoría de nosotros.

Estos radio experimentadores han desarrollado algunos modelos de operación exclusivos para HF de aficionados, basados en la filosofía de “Sistemas abiertos NO propietarios”, creados desde un inicio para los amateurs y para evitar los problemas de compatibilidad existentes con sistemas como Fusion, DStar, NXDN, C4FM que han sido desarrollados a partir de sistemas comerciales y/o que utilizan tecnologías propietarias que complican el libre desarrollo de operación para los radioaficionados y que además fueron creados originalmente pensando en su uso en bandas de VHF y UHF.

Como resultado de estos trabajos ya existen tecnologías de transmisión digital de voz para nuestras bandas y están siendo usadas principalmente para comunicación via satélite y para experimentos con interesantes combinaciones de QSO’s usando HF punto a punto, y en ocasiones Internet para sobreponerse a la baja propagación y ruido auxiliándose de las cada vez más numerosas estaciones receptoras de SDR.



http://rx.linkfanel.net/


Para poder hacer esto existen varias opciones, desde integrar un modem controlador externo comercial a nuestros equipos de aficionado (muy caros por cierto…), utilizar los radios de HF más nuevos basados en tecnología SDR que ya vienen con interfaces de modulación digital, pero para la inmensa mayoría de los que aún tenemos radios HF analógicos convencionales de SSB solo se requiere del radio HF, un programa transcoder que convierta la voz en datos y viceversa utilizando algún procesador computacional (que puede ser una PC con Windows, Linux, e incluso las populares microcomputadoras Raspberry), dos tarjetas de audio y cables para conectar el procesador a tu radio. Incluso si ya haces algún tipo de modo digital de datos, los mismos cables e interfases de control te servirán para operar con voz digital.

Unos auriculares con micrófono del tipo USB o una económica interfase USB de sonido como esta…

son todo lo que se necesita para agregar esa segunda “tarjeta” ya que prácticamente todos los equipos de cómputo incluyen la primera tarjeta de sonido. (Los auriculares con micrófono tipo USB ya contienen una tarjeta de audio integrada).

Para transmitir/recibir voz digital, imaginemos una caja negra que hace todas las funciones necesarias, la cual debemos intercalar entre nuestro radio y el micrófono/altavoz. Esa caja negra se encarga de codificar la señal proveniente del micrófono en una portadora digital, más parecida a la de PSK que a la de RTTY, y entregarla al transmisor para que la ponga en el aire.

En sentido contrario, la señal digital que llega a nuestro receptor debe ser decodificada para que la oigamos como voz humana en nuestro altavoz.

Pues bien, la “caja negra” es un procesador (PC) usando el software FreeDV.



Si ya tienes un radio moderno basado en SDR, podrás utilizar cables virtuales de audio (VAC’s) para la conexión entre el software codificador y tu radio como se muestra en la siguiente gráfica:

Un cable de audio virtual (VAC) no es más que un pequeño programa de cómputo que simula la interconexión interna entre varias tarjetas de audio de tu computadora.

NOTA: Hay un punto importante que necesitas tener bien claro: Cuando utilices voz digital DEBES DESHABILITAR tu procesador de voz del radio (en caso de contar con alguno), pues cuando se utiliza FreeDV, el vocoder hace todo el trabajo para convertir tu voz de la mejor forma posible y al utilizar el procesador de voz del radio tu señal digital será dañada y por lo tanto inutilizable.

Observen que en ningún momento se ha hablado de encriptar, sino de codificar y decodificar una señal analógica en digital y viceversa. Algo muy cotidiano que se utiliza para grabar música mediante el famoso MP3, o para vídeo con el MPEG, etc.

En nuestro caso se usará el Codec2, abierto y libre de patentes.

Como funciona FreeDV?

Existen tres etapas importantes en virtualmente todos los sistemas de radio digital. La primera etapa es la conversión de la señal análoga de audio del micrófono en una señal digital.

Este proceso es manejado por un convertidor análogo-digital (ADC) que funciona así: El ADC monitorea la señal análoga entrante y mide las variaciones de voltaje a una tasa del doble de la frecuencia de la señal. Para lograr una calidad de voz nosotros únicamente necesitamos un rango de frecuencias que van desde 300 Hz hasta los 3 KHz de manera que el monitoreo de 8,000 muestras por segundo es suficiente y adecuado.

La salida del ADC es una cadena de 8 bit en números binarios, y hacienda las cuentas obtenemos un resultado de 64 Kbps. Este “stream” o cadena de datos es muy rápido y lo podríamos transmitir al aire, pero con un ancho de banda mucho más grande que su equivalente análogo original.

Y es aquí cuando entramos a la segunda etapa del proceso; el uso del vocoder cuya función es reducir significativamente el “bit rate” pero manteniendo la voz legible. Codificar la voz humana se ha investigado con bastante atención en los últimos 30 años, y es un tema bastante complejo que ha sido analizado desde varias perspectivas; Las nuevas tecnologías de vocoder intentan “desensamblar” y volver a “ensamblar” la voz humana mediante algoritmos matemáticos. Y para el proyecto que nos ocupa (FreeDV), el códec seleccionado es el Codec2, desarrollado por David Rowe VK5DGR.

David ha estado trabajando con tecnologías de códec por muchos años y su vocoder fue puesto a disposición de todos nosotros como una plataforma de software “Open Source” o abierta, para que podamos usarla y modificarla a nuestras necesidades. Sin embargo en este artículo no entraremos en detalles de su funcionamiento. Baste decir que este códec produce excelentes resultados en la calidad de síntesis de voz humana a bajos volúmenes de datos.

La etapa final en un sistema de voz digital es modular la cadena de datos resultante en un carrier de RF. Y en el FreeDV se logra operando con 16 carriers QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) lo que nos da por resultado un ancho de banda total al aire de 1.25 KHz y que es más que adecuado para las bandas de HF.

La modulación 16 QPSK usada por FreeDV emerge como una señal de audio que puede ser aplicada a la entrada del micrófono del radio, justo igual que cuando utilizamos los modos de datos.

Veamos como operar FreeDV en un sistema Windows.

Si usas una PC con Windows, la cosa es muy fácil, pues desde la versión 0.96.5 se cuenta con un instalador, que sólo hay que ejecutar y darle a «siguiente»…

El programa se puede bajar de Internet en la página web de FreeDV sección «Download». https://freedv.org/

Para configurar el programa. Pulsamos «Tools» (Herramientas) en el menú superior y seleccionamos «Audio Config»



Lo que abre otra ventana con tres pestañas: «Receive», «Transmit» y «API Info».

En las dos primeras nos aparece la pantalla dividida en dos, en la parte superior podemos seleccionar la tarjeta de sonido de entrada y en la inferior la de salida.

Por ejemplo, en la de «Receive» arriba tenemos «From Radio» (del equipo) y abajo «To Speaker/Headphones» (al altavoz o auriculares), mientras que en «Transmit» arriba hay «From Microphone» (del micrófono) y abajo «To Radio» (hacia el radio).

Le damos a OK y seleccionamos la opción «PTT Config» en el menú «Tools», donde encontraremos varias opciones, además de utilizar el VOX para transmitir, pues en la entrada del micrófono del radio tendremos los tonos del FreeDV cuando pasemos a transmisión.

Otra opción que tenemos que revisar es «Options», donde nos permite escribir un texto, normalmente el indicativo y nombre del operador, que se irá enviando durante la transmisión junto con la voz digitalizada (igual que con los sistemas DMR).

Ahora para probar podemos sintonizar 14.236 KHz USB y oprimir el botón «Start» de FreeDV. La cascada de la pantalla empieza a correr y ya será cuestión de suerte y propagación recibir alguna de las varias estaciones activas en esta modalidad.

Puedes usar cualquier frecuencia autorizada de voz, pero normalmente a los usuarios de HF digital los puedes en encontrar en alguna de las siguientes frecuencias de las correspondientes bandas:

Para buscar a otros radioaficionados que usan el Sistema FreeDV puedes conectarte a la siguiente página de K7VE FreeDV QSO Finder. http://qso.freedv.org/

Algunos ejemplos de actividad digital:

Una señal de FreeDV debe tener una apariencia como la de la imagen siguiente, con 16 portadoras parecidas al PSK (16QPSK), lo cual permite oír la voz del corresponsal en el altavoz del PC.

En ausencia de señal, solo hay silencio, pues no hay nada que decodificar. Si quieres oír el típico ruido del radio HF, o para escuchar alguna transmisión analógica, puedes pulsar el botón «Analog», lo cual hace un bypass a la «caja negra» del FreeDV. Y así puedes operar tu radio de HF como siempre en modo analógico.

En Raspberry Pi: Si no deseas “esclavizar” tu PC a este tipo de actividad o quieres implementar el modo HD digital en una estación móvil o portátil la buena noticia es que el FreeDV también puede ser instalado en una Raspberry Pi muy económica Esto se puede hacer como un kit que ofrece una operación similar al modem comercial SM1000 pero sin gastar mucho presupuesto. Y le permite a la gente que tiene alguna RBPi extra experimentar con el modo en un dispositivo barato.

FreeDV para Raspberry Pi (y otros) https://www.kk5jy.net/smalldv-v1/



Las interfaces de RBPi dejan suficientes opciones para la experimentación, especialmente para radioaficionados que prefieren construir y analizar las “tripas” de los sistemas…

En su forma original, la API de FreeDV es extremadamente liviana y contiene todas las características necesarias para operar sin una interface visual (GUI). Aun cuando puede ser ejecutada en una RBPi original versión 1 (que es un dispositivo relativamente lento), el software puede correr el modo estándar 1600. Sin embargo para tener una mejor experiencia se recomienda utilizar una RBPi 3B+ (parece que por algunos cambios en el nuevo procesador, las RBPi 4 aun no pueden trabajar correctamente con FreeDV, pero esto ya está siendo revisado por diversos experimentadores para poder aprovechar la capacidad de computo de estos maravillosos y potentes micro procesadores)

Descripción del kit:

El hardware requerido para este kit es mínimo por diseño, y la idea es optimizar los requerimientos de equipo. A continuación se muestra un esquemático del sistema.

Se usa una RBPi como núcleo del sistema y que hace todo el trabajo digital, controlando también el ruteo de los audios y el control externo del PTT, adicionalmente puede controlar algunos indicadores LED para monitorear la actividad y la operación del dispositivo.

Se requiere lo siguiente para las conexiones del radio:
 Micrófono  Bocina externa o audífonos
 Conexión de audio Tx al radio
 Conexión de audio Rx desde el radio

El software necesita 2 dispositivos de sonido para las 4 conexiones requeridas, Sin embargo como la mayoría de las operaciones de radio son half-duplex esto significa que la mitad de las tarjetas de audio permanece ‘inactiva’ todo el tiempo, y además el software tiene que hacer trabajo extra para sincronizar las dos tarjetas, y en un momento dado todo lo que se requiere es una sola entrada de audio y una sola salida.

Como resultado, el kit “SmallDV” utiliza una sola interface de audio, y también un simple relay DPDT (doble polo, doble tiro) para conectar la entrada y la salida según sea requerido. Además el software usa el mezclador de la tarjeta de sonido para ajustar los diferentes niveles de audio de cada conexión.

El software funciona en dos partes; la primera es una muy pequeña utilería llamada fdvcore que se conecta al dispositivo de audio y hace la codificación y decodificación de FreeDV. Está escrita en C++ y es muy pequeña y rápida haciendo que los procesos DSP (Digital Signal Processing) sean lo más eficientes posible.


El programa smalldv está escrito en Python, y es responsable de manejar la configuración, administrar al fdvcore y ajustar los niveles de la transición Tx/Rx, controlando además las conexiones de hardware del GPIO de la Raspberry y el enrutamiento de audio.

Esta división de funciones le permite al fdvcore ser más rápido e independiente de las funciones de control, mientras que también facilita que el programa smalldv pueda ser fácilmente adaptado a los requerimientos de operación y en consecuencia agregar nuevas funciones en futuras versiones actualmente en desarrollo.

Como el lenguaje Python es muy popular entre los usuarios de Raspberry Pi, esto hace que la programación sea más amigable para los desarrolladores del proyecto.

El programa tiene un módulo que puede ser usado para configurar y controlar el kit, lo que significa que el proyecto puede ser controlado por cualquier número de interfaces de usuario, incluyendo conexiones simples de texto, aplicaciones WEB, etc. En su forma más simple el kit puede ser controlado por una simple sesión de terminal telnet.

A continuación se muestra un prototipo del proyecto que utiliza una versión especifica de dispositivo de sonido USB que ya ha sido probado por el equipo de Adafruit y que trabaja bien con Raspberry Pi y su set estándar de drivers. Tiene solo una entrada y una salida, lo cual hace su configuración muy sencilla.

Características principales de este proyecto:

La versión actual del software es compatible con los modos de operación 1600 y 700 del modem FreeDV, y puede ser configurado durante la operación a través de una interface de control de red TCP.

El kit soporta varias características vía conexiones GPIO de una Raspberry Pi:

 Botón del PTT, que puede conectarse a un interruptor de presión momentánea para controlar la Transmisión. La librería de la RBPi no soporta algunas funciones de control, por lo que se requiere incorporar un circuito anti rebote con este botón. http://raspberrypihobbyist.blogspot.com/2014/11/debouncinggpio-input.html

 Un pin de salida PTT para activar el radio, que puede usar un circuito externo para los diferentes tipos de PTT existentes en nuestros HF (open-collector o open-drain). Esta señal GPIO es también usada para activar un relevador DPDT para el ruteo del audio como se muestra en el siguiente diagrama:



 Un LED para indicar la sincronía de datos en una transmisión y que funciona como un detector de carrier que muestra cuando el modem se ha conectado exitosamente a una señal recibida

 Un LED para indicar saturación de audio, que nos advierte sobre un nivel de audio muy alto tanto en la parte de Rx como en la parte de Tx.

 Un indicador de sintonía hecho con tres LED’s que muestra 5 diferentes estados de desviación y que nos ayudara a sintonizar las señales SSB de nuestro receptor HF.

Las polaridades usadas por las varias funciones de las conexiones GPIO y el rango del indicador de sintonía pueden ser configuradas de varias maneras usando el script smalldv, soportando un amplio rango de configuraciones de hardware.

El programa smalldv acepta conexiones TCP de otros programas en el mismo dispositivo, lo que permite un buen número de opciones para controlar y operar el dispositivo.

Actualmente se puede incluso agregar una pantalla para ver y controlar la operación del kit, aun cuando los comandos básicos de operación de forma nativa están listos para ser utilizados como comandos de tipo texto en línea.

Existen infinidad de posibles variaciones y opciones para incorporar a este tipo de proyectos basados en Raspberry Pi’s sin embargo recomiendo hacer lectura de los varios proyectos en curso y sobre todo advertir que para poder construir este tipo de interface se requiere de ciertos conocimientos de electrónica digital y de programación. Pero por otro lado, esta es una buena oportunidad de aprendizaje y desarrollo para los que nos gusta poner manos a la obra en cuestiones de radio.

Espero que este documento les haya causado alguna inquietud para investigar un poco más sobre el tema y que cuando menos podamos aprender que existen otras formas de hacer radio con nuestros equipos y no es necesario invertir una fortuna ni la vida en ello, por algo somos reconocidos por todo el mundo con el muy merecido nombre de RADOEXPERIMENTADORES.
73’s y nos escuchamos pronto por HF (DIGITAL por supuesto) Miguel Darío XE1UD

Mario

Amante de la radio.

2 comentarios

  1. Hola Mario . Super este articulo, pido tu permiso para comentarlo en el programa colombiano para radioaficionados, agradecido.
    Hk3zve. Enrique castillo

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