La cadena de señal DSP#

Este capítulo explica cómo el módem convierte audio de radio en tramas y de vuelta, y — igual de importante — por qué los números son los que son. La cabecera de configuración del módem está inusualmente bien documentada, y el razonamiento importa si alguna vez la tocas.

La cadena, etapa por etapa#

Etapa	Tasa	Dónde
SAR-ADC1 continuo/DMA, tramas de conversión de 128 muestras	76 800 Hz	ISR del controlador en núcleo 0
ingesta: des-intercambio de pares, supresor de impulsos (`impulse_blanker.h`: mediana de cinco, picos reemplazados por interpolación, retardo de dos muestras), eliminación de DC (seguidor de primer orden, `rx_dc_block.h`, corte ~6 Hz), medición RMS de banda ancha	76 800 Hz	`afsk.c`
FIR de diezmado (48 coeficientes, ratio 8:1), pasa-altos de cuarto orden de CTCSS y graves (`rx_hpf.h`, 300 Hz por omisión), medidor de nivel de la banda de tonos y decisión del umbral de recepción, AGC o ganancia fija, anillo de retención del umbral	→ 9 600 Hz	`afsk.c`
por correlador (hasta cuatro): prefiltro pasabanda, correladores de mark/space, magnitudes de los tonos, paso-bajo, seguimiento del desbalance de tonos	9 600 Hz	`modem.c`
por demodulador (hasta doce): comparador sobre las magnitudes de un correlador, DCD, DPLL, decodificación NRZI	9 600 Hz	`modem.c`
des-encuadre HDLC, des-stuffing de bits, comprobación FCS (reparación de bits opcional), decodificación RS FX.25, supresión de duplicados entre demoduladores	—	`ax25.c` / `fx25.c`
⟵ TX ⟶ codificación AX.25, FCS, bit stuff, NRZI, acumulador de fase de 32 bits, LUT de seno de 512 entradas	38 400 Hz	`ax25.c` / `modem.c` / `afsk.c`

Qué da por bueno el decodificador de tramas#

ax25_decode() es un punto de entrada público del componente del módem, así que valida su propia entrada en vez de confiar en el productor que llena el búfer. Más allá del largo mínimo de cabecera (destino + origen + control + PID = 16 bytes) no lee nada sin medirlo antes contra len: el campo de direcciones se recorre de a una dirección, y tanto el octeto de extensión como los siete bytes de la repetidora que promete tienen que seguir dentro de la trama. Una recepción truncada o corrupta cuyos bits de extensión nunca terminan se rechaza, en vez de decodificar bytes que quedan más allá de la trama — en la ruta de RX esos bytes son la cola de la trama recibida anteriormente, que si no se convertirían en indicativos de repetidora verosímiles dentro de una decodificación por lo demás válida.

Qué garantiza el codificador de tramas#

En transmisión, Ax25GetTxBit() aplica el bit stuffing a la trama y a su FCS como un único campo HDLC continuo: tras cada racha de cinco bits en 1 se inserta un 0, y el contador de la racha atraviesa el límite entre el último byte de datos y la FCS. Cuando una racha de cinco 1 termina justo en el último bit de la FCS, el 0 de relleno se envía igual, antes del flag de cierre. Si faltara, el receptor tomaría el 0 inicial del flag como el bit de relleno y el flag de cierre se completaría con solo seis bits de datos desde el último límite de byte en vez de siete. El decodificador propio no cuenta esos bits, pero otros más estrictos sí — hdlc_rec.c de Direwolf descarta esa trama — y con contenido aleatorio el caso se da en alrededor de una trama de cada sesenta. Los bloques FX.25 no se ven afectados: writeFx25Frame() rellena la FCS por su cuenta antes de la codificación Reed–Solomon.

El campo de direcciones termina siempre en la última dirección en uso. ax25_encode() y hdlcFrame() ponen el bit de fin de dirección (bit 0 del octeto SSID) en esa dirección y lo borran en todas las demás, incluido el caso completo de destino, origen y ocho digipetidores, en el que no queda ninguna ranura vacía detrás de la última. Una trama sin ese bit la rechazan Direwolf y los TNC KISS, y el receptor propio tomaría el byte de control como el final del campo de direcciones; como el digipetidor vuelve a codificar desde texto TNC2 cada trama que repite, una trama legal de ocho digipetidores sale tan legal como entró.

Cada trama se cierra con una bandera seguida de la cola de TX (Ax25TxTail(), 20 ms por defecto, redondeada hacia arriba a banderas enteras), y solo entonces la ISR libera el PTT. La desactivación publica su estado en un orden fijo - desmontaje pendiente, luego transmisor inactivo y PTT liberado, luego la etapa de activación de vuelta a reposo - y Ax25TransmitCheck() no activa la trama siguiente mientras el modulador funcione o el desmontaje siga pendiente. Así una nueva activación nunca puede empezar dentro de la desactivación anterior, lo que en dúplex completo (sin tiempo de silencio) dejaría el transmisor bloqueado hasta reiniciar.

Ax25GetTxBit() corre en la ISR del temporizador del DAC, que es segura frente a la caché (CONFIG_GPTIMER_ISR_CACHE_SAFE) y por eso sigue corriendo mientras una escritura de LittleFS o una actualización OTA tienen la caché de la flash deshabilitada. Todo lo que esa ISR lee está en IRAM o DRAM. En particular nunca toca Fx25ModeList, la tabla de modos FX.25 en flash: writeFx25Frame() copia la etiqueta de correlación, K y T del modo elegido en el propio descriptor de la trama, en contexto de tarea, y la ISR envía la etiqueta desde esa copia. La misma regla cubre el resto de la cadena de llamadas (MODEM_BAUDRATE_TIMER_HANDLER(), txRetireFrame(), ModemTransmitStop(), setTransmit(), setPtt(), LED_Status2()), cuyas funciones son IRAM_ATTR y cuyas tablas y constantes (sin_table, el número de pin del PTT) son DRAM_ATTR.

Esto lo fija un test de regresión en el host, components/esp32idf_radioamateur_modem/test/host/. Compila los fuentes reales ax25.c, crc_ccit.c y los de FX.25 contra pequeñas cabeceras sustitutas, con AddressSanitizer y UndefinedBehaviorSanitizer, y envía 20 000 tramas UI aleatorias (30–180 bytes) por Ax25WriteTxFrame() / Ax25TransmitCheck() / Ax25GetTxBit(). Cada transmisión se compara bit a bit con un codificador HDLC de referencia y se entrega tanto al receptor propio como a un receptor que sigue las reglas de Direwolf; una segunda pasada envía 2 000 tramas como bloques FX.25 por el receptor propio, con las páginas que contienen Fx25ModeList sin mapear mientras se sacan los bits, así que cualquier lectura de la tabla desde la ruta de bits de transmisión falla igual que con la caché deshabilitada. Una tercera pasada arma tramas con 0 a 8 digipetidores desde texto TNC2 y verifica el bit de fin de dirección, ax25_decode() y una transmisión completa por el receptor propio; una cuarta corre en semidúplex y verifica que una ranura de tiempo 0 transmite cada trama de inmediato mientras que una distinta de cero retiene cada trama al menos ese tiempo; una quinta verifica que cada longitud de cola da exactamente una bandera de cierre más las banderas de la cola, y que una trama encolada no se activa mientras el modulador sigue funcionando o su desmontaje sigue pendiente. La corrida informa además cuántas tramas terminaron su FCS en cinco 1 (unos cientos), así que un PASS siempre cubre el caso.

cd components/esp32idf_radioamateur_modem/test/host
make              # semilla por defecto
make SEED=0x2a    # cualquier otra semilla

El ajuste de recepción#

Todo lo siguiente se fija en ejecución mediante modem_config_t.rx (el grupo Demodulador de recepción de Radiomódem) y lo aplica afskSetModem() con la tarea de recepción detenida, así que ningún bloque se procesa con una cadena a medio construir.

Correladores y comparadores.

Cada correlador mide la magnitud verdadera sqrt(I² + Q²) del tono de marca y del de espacio; |I| + |Q| oscilaría entre 1 y 1,41 veces ese valor según la fase del tono, lo que son 3 dB de ruido en la decisión. Un comparador compara luego la magnitud de marca con la de espacio multiplicada por su propio peso. En el aire el desbalance entre los tonos va desde nada (un transmisor con entrada de datos plana sobre una salida de discriminador) hasta 5–12 dB a favor del tono de espacio (un transmisor con preénfasis sobre una salida de discriminador), y una salida de altavoz desplaza ambos casos por el deénfasis del receptor, así que una única decisión sin peso falla pasados unos ±12 dB de desbalance.

Las dos mitades lo compensan. Los prefiltros se diseñan en ModemInit() (muestreo en frecuencia, ventana de Hamming, fase lineal, pico de la banda de paso escalado a la unidad para que los caminos int16 e int32 queden en rango) a partir de los bordes de banda, la longitud y una inclinación; la inclinación que alcanzan de verdad, medida sobre los coeficientes, se registra y la usa la estimación de desbalance. El peso del comparador es exacto y casi gratis, porque el paso-bajo posterior a la detección es lineal y puede correr sobre las dos magnitudes antes de ponderarlas — varios comparadores comparten un correlador a cambio de una multiplicación y una resta cada uno. Lo que un comparador no puede hacer es impedir que un tono fuerte entre en el correlador del otro tono: el correlador dura un símbolo, así que su respuesta es lo bastante ancha para que el otro tono se filtre, y solo un filtro delante lo quita. Por eso el juego por omisión MODEM_RX_EQ_MULTISLICE usa MODEM_RX_SLICER_PREFILTERS = 4 prefiltros, con inclinaciones de +13, +4, −5 y −13 dB, con tres comparadores cada uno; mantener cada peso a menos de unos 3,5 dB de la unidad importa con señales débiles, donde un peso alejado cuesta sensibilidad. La tabla de modem.c guarda la compensación con la que debe quedar cada comparador — inclinación del prefiltro más peso — y cada peso se deriva de la inclinación que su prefiltro alcanzó de verdad, así que los doce demoduladores avanzan de a 3 dB entre +16,5 y −16,5 dB cualquiera sea la longitud del prefiltro. Ese único rango abarca el desbalance del audio plano y del deenfatizado, de modo que los multicomparadores ignoran flat_audio; solo los juegos de filtros y el clásico eligen sus inclinaciones según él. ModemLogConfig() lista el resultado en cuanto la tarea de recepción vuelve a correr. MODEM_RX_EQ_MULTISLICE2 reparte los mismos doce comparadores en dos prefiltros, seis cada uno (+9/−9 dB), para comparar las dos disposiciones en una estación en vivo. Los juegos de filtros dan a cada demodulador su propio prefiltro y un comparador sin peso, y el juego clásico conserva las tablas fijas de 8 coeficientes. El mapa de bits de detección de portadora y la máscara de demoduladores de la ventana de duplicados son de 16 bits, lo que limita MODEM_RX_MAX_DEMODULATORS a 16.

Supresión de duplicados y estadísticas.

Una trama con FCS válido abre una ventana de 32 periodos de bit × el número de demoduladores activos; las copias con el mismo CRC de los demás demoduladores dentro de ella se descartan (tramas simples y FX.25 por igual). La ventana anota qué demoduladores produjeron la trama, así que al cerrarse atribuye una trama que sólo uno obtuvo a ese demodulador — el contador exclusivos que indica lo que aporta cada prefiltro.

El umbral de recepción guarda lo que retiene.

Un bloque llega a los demoduladores mientras su nivel en la banda de tonos (afskGetBandRms(): dos pasabandas en cascada en torno a 900–2600 Hz sobre la señal diezmada y filtrada por el pasa-altos, en mV en el pin) ha superado rx.gate_mv durante más de tres bloques, y hasta que cae por debajo de la mitad. El zumbido, el CTCSS y los graves no lo abren ni lo mantienen abierto. El diezmador y el pasa-altos se ejecutan en todos los bloques, y los tres últimos bloques retenidos se guardan (diezmados, 3 × 192 floats); al abrirse el umbral se demodulan primero, así que el preámbulo gastado en decidir la apertura no se pierde. gate_mv = 0 alimenta todos los bloques.

Control de ganancia sobre la señal dentro de banda.

El AGC mide el bloque diezmado y no el flujo de 76,8 kHz, así que el ruido de discriminador por encima de 5 kHz no fija la ganancia, y la nueva ganancia se aplica al mismo bloque sobre el que se midió. Ataque 0,25 y liberación 0,002 por bloque de 20 ms, con el paso por bloque acotado a ×2 / ÷2 y la ganancia entre 0,1 y 8. El nivel se toma sobre toda la banda diezmada, graves incluidos, así que una entrada con muchos graves mantiene la ganancia por debajo del recorte de la entrada del demodulador. Un bloque cuya entrada, medida antes de la ganancia, está por debajo de 0,002 del semirrango del ADC (unos 3,3 mV RMS en el pin, el propio ruido del conversor) deja la ganancia quieta; la prueba se hace sobre la entrada misma, así que toda señal real se lleva al nivel de trabajo sea cual sea la ganancia. La ley está en el encabezado rx_agc.h, solo de cabecera, que el replay en PC de audio_test/rx_replay compila sin cambios. Una ganancia fija lo reemplaza cuando rx.agc_mode lo pide.

Reparación de bits por síndrome del CRC.

CRC-16/X.25 es afín sobre GF(2): el registro tras una trama y su FCS es 0xF0B8 XOR un síndrome que sólo depende del patrón de error. El síndrome de un único bit erróneo en la posición p es un paso de CRC con entrada cero del síndrome en p + 1, así que cada bit suelto y cada pareja contigua (el patrón de un símbolo erróneo tras NRZI) se comprueban en una sola pasada. Una corrección sólo se acepta cuando exactamente un candidato coincide y la trama supera una prueba estricta de plausibilidad APRS, y nunca mientras la copia intacta de otro demodulador está dentro de la ventana de duplicados.

El componente del módem se compila con ``-O2``.

El DSP de recepción se ejecuta en cada muestra de cada demodulador; el CMakeLists.txt del componente lo compila optimizado para velocidad sea cual sea el nivel que use el resto del proyecto.

Por qué los números son los que son#

ADC a 76 800 Hz, no 38 400.: 38 400 da al perfil de 9600 Bd exactamente cuatro muestras de ADC por símbolo. El instante de muestreo del DPLL queda entonces cuantizado al 25 % de un símbolo y el voto por mayoría de tres muestras abarca el 75 % de un símbolo — la ventana de voto siempre alcanza una transición. La simulación en host del modem.c real, con relojes reales y sin ruido, produjo errores de bit duros en cada fase donde los instantes del ADC se alinean con los instantes de actualización del DAC; los dos relojes difieren en ~0,05 %, así que la alineación recorre esas fases cada ~55 ms. A 76 800 la misma simulación da cero errores de bit en cada fase y con hasta 30 µs de fluctuación de flanco de TX. Los perfiles AFSK nunca les importó (se demodulan a 9600 Hz a través de un correlador tras el diezmado) y miden idéntico a cualquier tasa. Coste: el doble de trabajo de RX DSP, y MODEM_RESAMPLE_RATIO pasa a 8, lo que requiere el FIR de diezmado más largo — un filtro de 8 taps cortado para 4:1 no hace antialias de 8:1.
El DAC se queda a 38 400 Hz (= 32 × 1200, un múltiplo exacto de cada tasa de: baudios soportada). Los perfiles AFSK construyen sus pasos de tono y un acumulador de fase de símbolo Q32 a partir de la tasa real de alarma del DAC, así que tonos y velocidad son exactos aunque el periodo de alarma se redondee a ticks enteros del temporizador; un flanco de símbolo cae en la muestra del DAC más cercana, como mucho un 3 % de símbolo a 1200 Bd y oculto por el tono de fase continua. G3RUH mantiene en cambio cada símbolo durante un número entero de muestras del DAC, con todos los flancos en la misma rejilla: un acumulador fraccionario a cuatro muestras por símbolo movería de vez en cuando un flanco un cuarto de símbolo. Era el receptor el que necesitaba resolución.
``MODEM_ADC_CONV_FRAME = 128``, no el tamaño de bloque.: La propia ISR del ADC del IDF llama a xRingbufferSendFromISR(), que hace todo el memcpy dentro de portENTER_CRITICAL_ISR(). En Xtensa eso sube PS.INTLEVEL a 3 — y el reloj de muestreo del DAC es una interrupción de nivel 3. Así que la ISR del DAC queda enmascarada durante la copia: 768 muestras ≈ 11 µs (10 % de un símbolo a 9600 Bd — fatal); 128 muestras ≈ 2 µs (2 % — dentro del presupuesto). Ninguna cantidad de IRAM_ATTR de nuestro lado ayuda: el código bloqueante es del controlador, ya en IRAM, y simplemente largo. A 1200 Bd, 11 µs es el 1,3 % de un símbolo e invisible — que es exactamente por qué cada perfil AFSK pasaba mientras G3RUH perdía tramas.
``MODEM_DAC_TIMER_CORE (1) ≠ MODEM_ADC_ISR_CORE (0)``.: portENTER_CRITICAL_ISR() enmascara nivel ≤ 3 solo en el núcleo local. Pon el reloj del DAC en el otro núcleo y la ISR del ADC solo gira esperando el cerrojo en lugar de enmascararlo. Forzado con #error. Las dos correcciones (tramas pequeñas, núcleos separados) son independientes y ambas se aplican.
``ModemCalibrateSampleRate()``.: modem_init() se bloquea ~5 s al arrancar midiendo la tasa real del ADC (modem_measure_adc_rate()), porque el paso del PLL de cada perfil supone la tasa nominal del ADC y la diferencia es de otro modo un error de estado estacionario que el DPLL debe seguir durante toda una transmisión. Las estaciones en el aire transmiten a su propia velocidad nominal, así que la corrección de recepción es sólo el error del ADC. La tasa real de alarma del DAC, conocida exactamente de la configuración del temporizador, también se registra, pero sólo se usa cuando un receptor G3RUH oye el propio transmisor del nodo (dúplex completo, la autoprueba con bucle de cable). Ambos relojes derivan del mismo cristal, así que los ratios son propiedades fijas de la placa: medidos una vez por arranque, reaplicados en cada cambio de perfil.
El FIR de diezmado filtra en el mismo arreglo.: La muestra de salida i se escribe en buf[i] mientras los coeficientes leen la ventana que termina en buf[i × MODEM_RESAMPLE_RATIO], así que con cualquier ratio ≥ 2 el puntero de escritura queda por detrás de la ventana de lectura salvo en las primeras FILTER_TAPS − 1 posiciones. Esas pocas muestras iniciales, junto con la cola del bloque anterior, se preparan en un arreglo corto estático antes de que empiece el bucle; el resto del bloque se lee crudo del propio buf[]. Ese es todo el motivo por el que la ruta de RX no guarda una segunda copia del bloque de 20 ms.
``MODEM_RX_FIFO_SIZE = 4096`` muestras.: Dimensionado en muestras, así que encogió en tiempo cuando la tasa se duplicó (2048 eran 53 ms a 38,4 k, solo 26,7 ms a 76,8 k — apenas un bloque de 20 ms). 4096 restaura el margen; debe contener ≥ 2 bloques, ya que AFSK_Poll() consume solo bloques enteros.

Guardas de compilación#

Guardas #error de compilación fuerzan: pin del DAC ∈ {25, 26}; pin del ADC ∈ 32–39; MODEM_ADC_SAMPLERATE % 9600 == 0; FIFO ≥ 2 bloques; MODEM_ADC_CONV_FRAME par, que divida MODEM_BLOCK_SIZE, y alineado a bytes a SOC_ADC_DIGI_DATA_BYTES_PER_CONV; núcleo del temporizador DAC ≠ núcleo de la ISR del ADC; prioridad del temporizador DAC ∈ 1..3. Dos _Static_assert en afsk.c fijan el invariante de trabajo en sitio del diezmador: MODEM_RESAMPLE_RATIO ≥ 2 salvo que el filtro sea de un solo coeficiente, y MODEM_BLOCK_SIZE ≥ 2 × (FILTER_TAPS − 1) para que los tramos de historia inicial y final no puedan solaparse.

Referencia de configuración en compilación#

Todo en components/esp32idf_radioamateur_modem/include/esp32idf_radioamateur_modem_config.h, cada macro protegida con #ifndef para que el sistema de compilación la pueda sobreescribir.

Macro	Por defecto	Significado
`MODEM_DAC_GPIO`	25	salida de audio; solo 25 o 26
`MODEM_ADC_GPIO`	33	entrada de audio; solo 32–39
`MODEM_PTT_GPIO`	−1	pin de PTT (cableado de placa). El valor por defecto de la cabecera es −1 (deshabilitado); el `CMakeLists.txt` de nivel superior de este proyecto lo sobrescribe a 26.
`MODEM_PTT_ACTIVE_HIGH`	1	polaridad de PTT
`MODEM_LED_TX_GPIO` / `_RX_GPIO`	−1	LEDs de estado
`MODEM_DAC_SAMPLERATE`	38400	= 32 × 1200
`MODEM_ADC_SAMPLERATE`	76800	= 8 × 9600
`MODEM_DAC_AMPLITUDE_PCT`	60	oscilación del DAC, % de 0–3,3 V
`MODEM_ADC_ATTEN`	`ADC_ATTEN_DB_12`	ventana ≈ 0–3,1 V
`MODEM_RX_FIFO_SIZE`	4096	muestras, potencia de dos
`MODEM_ADC_CONV_FRAME`	128	muestras por trama DMA
`MODEM_RX_TASK_PRIO` / `_STACK` / `_CORE`	10 / 4096 / 0	tarea RX DSP
`MODEM_ADC_ISR_CORE`	0	núcleo de la ISR DMA del ADC
`MODEM_DAC_TIMER_CORE`	1	debe diferir del núcleo de la ISR del ADC
`MODEM_DAC_TIMER_INTR_PRIO`	3	1..3
`MODEM_RX_MAX_DEMODULATORS`	12	demoduladores (comparadores) de 1200 Bd en paralelo, `MODEM_RX_SLICER_COUNT`..16
(derivado) `MODEM_DEMOD_SAMPLERATE`	9600	fijo
(derivado) `MODEM_RESAMPLE_RATIO`	8	ADC ÷ demod
(derivado) `MODEM_BLOCK_SIZE`	1536	20 ms a 76,8 kHz

Los archivos fuente del módem#

Archivo	Rol
`src/afsk.c` (~1710 lín)	ingesta DMA del ADC, umbral de recepción y anillo de retención, FIR de diezmado, pasa-altos, AGC, ISR del DAC, PTT
`src/modem.c` (~1070 lín)	diseño de prefiltros y juegos de demoduladores, correladores, DPLL, tablas de tonos, DCD, estimación del desbalance, calibración
`src/ax25.c` (~1940 lín)	encuadrador HDLC, NRZI, bit-stuffing, supresión de duplicados, reparación de bits, códec AX.25, cola de TX
`src/esp32idf_radioamateur_modem.c` (~590 lín)	la API pública del componente: `modem_init()`/`modem_set_modem()`, los ayudantes TNC2 y la tarea `modem_svc` que acciona el TX y entrega las tramas decodificadas al callback de RX
`src/fx25.c`, `lwfec/rs.c`, `lwfec/gf.c`	FEC Reed–Solomon FX.25
`src/crc_ccit.c`	FCS (secuencia de comprobación de trama)
`include/impulse_blanker.h`, `include/rx_dc_block.h`, `include/rx_hpf.h`, `include/rx_agc.h`	etapas del frente de recepción solo de cabecera (supresor de impulsos, seguidor de DC, pasa-altos, control de ganancia), compartidas con el replay en PC de `audio_test/rx_replay`