SigDigger, il DSP oltre la demodulazione

Se guardo alle applicazioni di signal analysis più recenti, come SigDigger, mi rendo conto che paradossalmente, la comunità globale degli hobby radiofonici ha un'idea abbastanza limitata delle applicazioni SDR. L'elemento chiave per molti è la capacità di demodulare (magari dopo averlo comodamente salvato su disco) i segnali in ampie porzioni dello spettro RF, applicando efficienti filtri digitali, noise blanker e quant'altro. In realtà, tutto questo è solo un sottoinsieme dei risultati che si possono ottenere con l'approccio algoritmico utilizzato dai programmi SDR. È bene ricordare che questo tipo di software si basa su tecniche DSP (digital signal processing) che consentono di andare oltre la demodulazione dei modi più tradizionali (AM, SSB, FM) per entrare appunto nel vasto ambito dell'analisi del segnale. 

Eppure, quando ancora di SDR non si parlava molto, le prime applicazioni emerse dalla stessa comunità radioamatoriale, spesso venivano classificate tra gli strumenti di analisi spettrale, anche se lo spettro in questione era quello delle frequenze audio. Agli inizi degli anni 2000, pionieri come Spectrum Lab e Spectran venivano utilizzati per esplorare visualmente e rielaborare l'audio analogico acquisito con le schede audio del PC, sfruttando fino all'ultimo Hertz la loro striminzita larghezza di banda. I più sofisticati facevano dell'SDR vero e proprio demodulando la banda base del segnale dopo la conversione in frequenza intermedia dei ricevitori analogici.

Poi sono arrivati i ricevitori SDR che hanno aperto la strada a un trattamento più diretto della radiofrequenza e anche gli strumenti di software analysis si sono evoluti. Nel 2012 Radiopassioni dava notizia di un software russo, Signal Analyzer, che ancora oggi rappresenta un punto di riferimento per l'analisi approfondita delle forme d'onda. Nel 2019, annunciando l'arrivo delle prime versioni di SigDigger, il suo autore, l'astrofisico, programmatore e radioamatore spagnolo EA1IYR Gonzalo José Carracedo aka @BatchDrake, elencava una serie di funzionalità presenti e future che solo soluzioni molto più professionali e quasi certamente non free avrebbero potuto svolgere. SigDigger, scriveva BatchDrake «è stato progettato per estrarre informazioni da segnali sconosciuti», un traguardo ottenibile con un arsenale di tool tipici del DSP, messi a disposizione dei più avanzati esploratori delle trasmissioni radio:

• Both realtime and replay analysis modes
• Analog audio playback (AM, FM, LSB and USB) 
• Baseband recording (full spectrum and per-channel)
• Per-device gain presents
• Dynamic spectrum browsing
• ASK, FSK and PSK inspection
• Gradient-descent SNR calculation
• Different spectrum sources (cyclostarionary analysis, signal power…)
• Symbol recording and visualization
• Transition analysis

Planned features already implemented and just waiting to be exposed to the UI:

• Parameter estimation (baudrate, constellation order…)
• Fast symbol autocorrelation analysis
• Automatic calculation of scrambling polynomials
• Symbol stream codecs

Possible future features coming soon:

• Symbol tagging (correspondence between symbols and groups of bits)
• Automatic symbol tagging guessing
• Automatic convolutional code detection
• Viterbi decoding

Il software di BatchDrake è basato sul framework grafico QT e l'interfaccia e il motore del waterfall sono ispirati a GQRX, un'altra alternativa SDR per il mondo Linux/MacOS. A differenza di quest'ultimo, però, SigDigger non si basa su GNU Radio: tutto il DSP è originale. Le release iniziali di questo programma - indicato, come scriverebbe la Settimana Enigmistica, ai solutori più che abili - erano per Linux (e MacOS). In questi giorni su Twitter BatchDrake ha annunciato la disponibilità di un port per il sistema operativo Windows (per averlo bisogna contattare direttamente Carracedo, via Twitter o GitHub). Un buon esempio di ciò che un buon analizzatore di spettro è in grado di fare, è questo video proposto dall'autore del port Windows di SigDigger, arf20, SigDigger viene messo alla prova per estrarre l'informazione RDS da una trasmissione FM, utilizzando un nuova funzione di trattamento delle sottoportanti. Il video mostra come partendo dalla modulazione BPSK della sottoportante a 57kHz, sia possibile estrarre i "simboli" codificati nel segnale, ordinarli e interpretarli.

Onde corte (e non solo) inedite: l'analisi professionale dei segnali digitali alla portata degli hobbysti

Uno sguardo inedito e molto specializzato sulla faccia meno visibile del pianeta radio è quello che Andrea Gerolla radioamatore genovese IK1YDE propone da qualche mese ai lettori del suo blog, Segnali e Modulazioni Digitali. In un post di qualche giorno fa Andrea riesce brillantemente a dimostrare come sia diventato possibile - grazie a tool hardware e software di prezzo e livello di apprendimento molto contenuti - analizzare a un livello di dettaglio fino a poco tempo fa impensabile ogni possibile tipologia di modulazione numerica utilizzata oggi nelle radiocomunicazioni broadcast, radioamatoriali e professionali punto-punto.

Anche un segnale complesso come la multiplazione ortogonale del DAB/Eureka 147 e le sue centinaia di sottoportanti, su una larghezza di banda di oltre 1,5 MHz, non necessita più di una strumentazione professionale (sebbene sia molto importante una conoscenza di base non propriamente banale). Nel suo post dedicato alla modulazione OFDM, Andrea (come si può vedere dalle due videate ricavate da S&MD) si serve di un software russo, Signals Analyzer, che avevo citato due o tre anni fa. "SA", fa vedere efficacemente Andrea, dispone di un modulo molto potente per l'esplorazione dei più intimi aspetti di un segnale OFDM le cui singole sottoportanti possono essere modulate, numericamente, in ampiezza e fase. I "versori" complessi che rappresentano queste modulazioni tracciano vere e proprie mappe di "simboli" che custodiscono una certa quantità di informazione binaria. Più densi sono questi simboli, queste mappe, più aumenta la quantità di informazioni veicolate (agendo eventualmente anche sulle leve dei symbol rate e del numero di sottoportanti, cioè della larghezza di banda).

Per modulazioni che occupano una banda così ampia occorre ovviamente servirsi di front end in radio frequenza proporzionati. Credo che IK1YDE si serva di un ricevitore wide band come uno scanner immettendo la media frequenza in un ricevitore SDR capace di campionare una finestra abbastanza larga. Finora questo limitava la scelta dell'apparato giusto al Perseus o a pochi altri, ma immagino che con un po' di maestria oggi si possa mettere anche una chiavetta DVB-T al servizio di questo tipo di analisi. La varietà di modulazioni esplorate in questo modo da Andrea è stupefacente: l'analisi viene svolta con software come il più volte citato SA (per dettagli tecnici su quest'ultimo è stato creato anche un blog a cura degli sviluppatori, l'MSM Group), e SpectraVue. L'eventuale decodifica delle informazioni radiotelegrafiche avviene invece con modem hardware della Wavecom e della Hoka.

Per orientarsi ancora meglio nella giungla dei vari modi digitali sono disponibili su Web "Signals" il celeberrimo catalogo di Leif Dehio (potrebbe risultare complicato accedervi, Leif è molto meticoloso nel controllare gli IP dei suoi visitatori per cui a volte bisogna contattarlo per uno "sblocco") e gli altrettanto ricchi ma più agevoli HFAsia e Digital Modes Samples. Non meno affascinante, per entrare in una realtà radiofonica spesso conosciuta anche agli ascoltatori più agguerriti, è Fascinating Shortwaves, di Fritz Nusser.