Días comunes

A principios de diciembre compré en la librería universitaria, en su semana remate, un libro de la editorial Tusquets (la de cuadritos) que tomé al azar. "Lo que queda por vivir" de John Updike (en $30, por cierto). Me está gustando bastante. Es un libro de cuentos con un estilo que me recuerda a Chejov, una narrativa donde no ocurre nada extraordinario y sin embargo es difícil detener su lectura. Estas últimas noches he leído a ambos escritores en paralelo y me ha parecido curioso que de todos estos relatos de lo "ordinario" me haya llegado una revelación tan obvia y al mismo tiempo tan extraordinaria: cada uno de nosotros está viviendo su propia historia, y es un historia sin pausas. Creemos saberlo, creemos que es obvio pero si lo piensan con cuidado, realmente no lo habíamos entendido. Tenemos la idea de que lo que llamamos "nuestra historia" es únicamente un conjunto de "milestones" (logros académicos, un nacimiento, un accidente...) y un conjunto de "snapshots" (viajes memorables, borracheras con buenos amigos, un noviazgo que nos marcó, una despedida en una estación/aeropuerto...). Estos elementos son verdaderamente claves en nuestra vida, pero pienso que el hecho de reducir el continuo de nuestra existencia en ellos nos da la falsa sensación de que todo lo ocurrido entre esas memorias es mero espacio vacío. No solemos darnos cuenta de que el más ordinario de nuestros días es también digno de un relato. Deberíamos empezar a ver esa normalidad también como un género literario de la vida, porque así, con todo y su brevedad, nos daríamos cuenta de que tiene más páginas de las que pensábamos.

Muestras I/Q: Un ejemplo con GNU Radio

En la entrada anterior resumía todo lo relevante sobre las señales analíticas (I/Q). Esta vez haremos un ejemplo que nos ayudará a visualizarlas mejor y hacernos de una intuición sobre su naturaleza. El ejemplo consiste en obtener las componentes I/Q de la siguiente señal:

Al ser una señal real, esperamos que tenga un espectro simétrico tal como podemos observar en el sink de frecuencia:

Para obtener las componentes I/Q de esta señal requerimos implementar un modulador en cuadratura con un filtro pasabajas para cada componente y posteriormente usar un bloque de conversión Float to Complex. No hará falta agregar simular un ADC ya que la señal generada ya es discreta. Si aún no están familiarizados con GNU Radio tengo un entrada introductoria [Asumo también cierto conocimiento en filtros digitales, aunque los bloques de estos son fáciles de usar y pueden consultar su documentación aquí] y tampoco estará de más tener muy claro el concepto de frecuencia en tiempo discreto. El flowgraph nos queda de la siguiente manera:

Click para agrandar

He agregado un slider gráfico que nos permite cambiar de forma interactiva la frecuencia de los generadores de señal que representan al oscilador local en cuadratura. Esto me parece un recurso didáctico muy bueno porque ayuda visualizar la relación que existe entre la frecuencia del oscilador local y la frecuencia que vemos en el centro (0 Hz) del espectro de la señal analítica. Basta asignar una frecuencia de 14.5 KHz para sintonizar a la componente de esa misma frecuencia que existe en nuestra señal de prueba:

Descargar flowgraph

Entendiendo a las señales analíticas (muestras I/Q)

Las muestras I/Q son una representación matemática discreta de una señal de radiofrecuencia cuya característica más útil es tener un espectro de frecuencia negativa nulo (un espectro compacto y asimétrico). Dado que el procedimiento de obtención de estas muestras involucra una reducción de frecuencia, su uso esta muy extendido en en las aplicaciones de radio definido por software y comunicaciones digitales en general. Las dos características anteriores nos dan dos ventajas: la primera elimina la redundancia en el espectro y la segunda permite reducir en el ancho de banda.

¿Cómo se obtiene una representación compleja de una señal real? Para el caso continuo el proceso es el siguiente:

 Simplemente se multiplica a la señal de radiofrecuencia por un sinusoide complejo y se aplica un filtro pasa-bajas para eliminar la redundancia en el espectro. Esto es lo que se conoce como señal analítica. Este procedimiento se vuelve más claro en el dominio de la frecuencia:

Recordemos que una multiplicación en el dominio del tiempo se manifiesta como una convolución en el dominio de la frecuencia. La convolución entre el espectro asimétrico de un sinuosoide complejo produce un corrimiento en frecuencia, el cual está dado por la frecuencia del sinusoide complejo (que lleva la etiqueta de LO por Local Oscillator) .

Ahora bien, el proceso anterior es puramente matemático. ¿Cómo se hace en el mundo real? El problema se resuelve implementando un modulador en cuadratura como se muestra en el siguiente diagrama:

 Tomando en cuenta a la identidad de Euler, una multiplicación por un sinusoide complejo se emula como la multiplicación y filtrado separado de dos sinusoides reales en cuadratura (heterodino en cuadratura). Posteriormente, al digitalizar independientemente a cada una de las componentes, se consideran a las muestras del ADC en cuadratura como la parte imaginaria multiplica por -1. La I viene de In-phase y la Q de Quadrature. Prácticamente todos los dongles SDR que pueden conseguirse fácilmente en el mercado como los RTL's y el FunCube funcionan de esta manera. En la siguiente entrada haremos un ejemplo con GNU Radio para clarificar aún más las cosas.

Referencias:
"RTL-SDR: Inexpensive Software Defined Radio", EE123 University of California Berkeley
"I/Q Data for Dummies", Mikael Q Kuisma
"Complex Sinusoids", PDS Related