Implementación de sistemas de radiocomunicación digital con ayuda de GNU Radio Companion

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Implementación de sistemas de radiocomunicación digital con ayuda de GNU Radio Companion.. Autor: Rolando Paz Herrera. Tutor: Dr.C. Erik Ortiz Guerra.. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Implementación de sistemas de radiocomunicación digital con ayuda de GNU Radio Companion. Autor: Rolando Paz Herrera. Email: [email protected]. Tutor: Dr.C. Erik Ortiz Guerra. Email: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. La distancia, que es el impedimento principal del progreso de la humanidad, será completamente superada, en palabra y acción. La humanidad estará unida, las guerras serán imposibles, y la paz reinará en todo el planeta. Nikola Tesla.

(5) ii. DEDICATORIA. A mami.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS Agradezco a mi abuelo por verme siempre con ojos orgullosos e inculcarme de pequeño la curiosidad por los detalles y en cualquier cacharro que me encontrase. Gracias a mi abuela por quererme tanto, enseñarme con fuerza, amor y educación y criarme como otro hijo más. A mi papá por ser siempre un hombre dulce con su familia y su facilidad para hacerme sentir seguro en mis acciones, además de demostrarme que nunca es tarde para entender nuevas cosas. A mi tío por no ser solo tío, sino amigo y padre y hacerme ver con una sonrisa lo bueno de la vida en momentos de espanto. A mi tía por consejera y 2da madre, por sus cuidados y regalarme la compañía de mi primo. A mi primo, por su puesto, por ser siempre una parte inseparable de mí. A mi novia, Sissi de las Mercedes, por tener la capacidad de quererme con la fuerza titánica de superar las barreras de la duda y la distancia y por su apoyo y ayuda en mi labor de estudiante universitario durante estos 5 años. A mi mama, claro, por serlo todo: mamá, amigo, papá, tutora, … en todos los momentos de mi vida, es a quien se lo debo todo, mi ejemplo y estrella, por enseñarme a pensar y mostrarme soluciones dulces y nobles a problemas amargos. No puedo dejar de mencionar a Naysa, Vladimir y mi prima Diana, que forman parte de mi vida y de alguna manera han contribuido a que alcance este punto. Le agradezco a mi tutor por ser ejemplo y guía en la labor del aprendizaje por hacerse de mi admiración y respeto y por enseñarme implícitamente a pensar en la mejor manera de atacar a los problemas. Mis amigos de la UCLV, en particular a Wiwi y Bia, El Carly, Beto, Javico, Osmany, Sera, Sergio, Yoe, Carlos Eduardo, pero también a mis hermanos de Ciego: Riki bola de oreja, El Físico y Raulito..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Tareas de investigación.   .  . El análisis del funcionamiento de un sistema de radiocomunicaciones. Identificación de los distintos esquemas de modulación más empleados. El uso de la herramienta de software GNU_Radio en la radio definida por software para las simulaciones de los distintos bloques que conforman un sistema de radiocomunicación digital. El análisis del desempeño del sistema a través de GNU_Radio explorando los parámetros del mismo. Elaboración de un informe final donde se recoja la investigación descrita.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En la actualidad internacional, la Radio por Software es un tema de amplio debate y base de múltiples proyectos de envergadura. Aun así, este concepto representa. un. nuevo. referente. para. los. graduados. de. Ingeniería. en. Telecomunicaciones y Electrónica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. El presente proyecto surge como necesidad de motivar el aprendizaje, así como facilitar la labor docente-educativa y desarrollo de trabajos investigativos alrededor del tema de las radiocomunicaciones. Este concepto representa cambios potenciales en la comprensión tangible de los sistemas de radiocomunicaciones. Es por ello que en este trabajo se realiza un estudio sobre los sistemas de radiocomunicaciones basados en Radio Definida por Software para llevar a término la implementación y simulación de un ejemplo diseñado con ayuda de GNU_Radio Companion. Como resultado del cumplimiento de los objetivos se implementó un sistema de radiocomunicaciones híbrido, se realizaron las pruebas de simulación pertinentes y monitoreó la señal en varios puntos del proceso obteniéndose una señal resultante guardada en forma de fichero para su análisis. Finalmente se presenta un material para el trabajo docente-investigativo, que facilita la comprensión de los sistemas de radiocomunicaciones e introduce la herramienta GNU_Radio Companion para el diseño de estos sistemas..

(9) vi. GLOSARIO ADC: Analog to Digital Conversion (Conversor Análogo/Digital) AM: Amplitude Modulation (Modulación de amplitud) API:. Application. Programming. Interface. (Interfaz. de. Programación. de. Aplicaciones) ASIC: Application Specific Integrated Circuit (Circuito integrado para aplicaciones específicas) BB: Banda Base BER: Bit Error Rate (Razón de Error de Bit) BW: Bandwith (Ancho de Banda) CAG: Control Automático de Ganancia COBRA: Common Object Request Broker Architecture (Arquitectura Intermediaria de Solicitud de Objeto Común) CPU: Central Processing Unit (Unidad de Procesamiento Central) DAC: Digital to Analog Conversion (Conversor Digital/Analógico) dll: Dynamic Link Library (Biblioteca de Enlace Dinámico) DSP: Digital Signal Processing (Procesamiento Digital de Señales) FFT: Fast Fourier Transform (Transformada Rápida de Fourier) FI (IF): Frecuencia Intermedia FM: Frequency Modulation (Modulación de frecuencia) FPGA: Field Programmable Gate Array (Arreglo de Compuertas Programables por Campo) FSK: Frequency Shift Keying (Modulación por Desplazamiento de Frecuencia) GPL: General Public License (Licencia Pública General) GRC: GNU Radio Companion.

(10) vii GSM: Global System for Mobile (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) HF: High Frecuency (Frecuencia Alta) HPSDR: High Performance Software Defined Radio (Radio Definida por Software de Altas Prestaciones) IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) LNA: Low Noise Amplifier (Amplificador de bajo ruido) PA: Power Amplification (Amplificador de potencia) Pb: Probabilidad de error de bit PC: Personal Computer (Computadora Personal) PM: Phase Modulation (Modulación de fase) POSIX: Portable Operating System Interface, UNIX (Interface de Sistema Operativo Portable) PSK: Phase Shift Keying (Modulación por desplazamiento de fase) QAM: Quadrature Amplitude Modulation (Modulacion de Amplitud en Cuadratura) RF: Radio Frecuencia Rx: Receptor SDR: Software Defined Radio (Radio Definido por Software) SO: Sistema Operativo SWIG: Simplified Wrapper and Interface Generator (Cubierta Simplificada y Generador de Interface) Tx: Transmisor UCLV: Universidad Central de Las Villas UHF: Ultra High Frecuency (Ultra Alta Frecuencia).

(11) viii USB: Universal Serial Bus (Bus Universal en Serie) USRP: Universal Software Radio Peripheral (Periférico de Radio por Software Universal) VHF: Very High Frequency (Frecuencia Muy Alta) VoIP: Voz over IP (Voz sobre IP).

(12) ix. Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. La Radio Definida por Software............................................................ 5. Sistemas de radiocomunicaciones digitales ..................................................... 5. 1.1.1. Características y componentes.................................................................... 5. 1.1. Orígenes de la SDR .............................................................................................. 8. 1.2. Radio Definida por Software (SDR).................................................................. 10. 1.3.1 Principios de la arquitectura y características de los sistemas basados en SDR. ............................................................................................................................. 13 1.3. Modulaciones en SDR ........................................................................................ 17. 1.4. Hardware y arquitectura de los transmisores y receptores SDR ................. 19. 1.5.1 Subsistema analógico ..................................................................................... 20 1.5.2 Subsistemas analógicos implementados ..................................................... 20 1.5.3 Subsistema digital ............................................................................................ 21 1.5. Proyectos SDR implementados ........................................................................ 22. 1.6. Consideraciones finales del capítulo ................................................................ 24. CAPÍTULO 2. 2.1. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio ........................... 25. Utilización y taxonomía de un software o grupo de programas para el. trabajo basado en SDR ................................................................................................. 26 2.2. Principios de software......................................................................................... 28. 2.3. Herramientas de software empleadas en las SDR ........................................ 30. 2.4. GNU_Radio .......................................................................................................... 31. 2.4.1 Características .................................................................................................. 32 2.4.2 GNU_Radio Companion ................................................................................. 36 2.5. Consideraciones finales del capítulo ................................................................ 39.

(13) x CAPÍTULO 3.. Implementación. y. simulación. de. un. sistema. de. radiocomunicación digital con ayuda de GRC .............................................................. 41 3.1. Descripción del esquema de Transmisión y Recepción ............................... 41. 3.2. Bloques de modulación ...................................................................................... 44. 3.3. Simulación y comparativa según los resultados obtenidos entre las. distintas implementaciones de los esquemas de modulación ................................ 47 3.3.1 Cálculo de la razón de error de bit ................................................................ 52 3.4. Consideraciones finales del capítulo ................................................................ 53. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 54 Conclusiones .................................................................................................................. 54 Recomendaciones ......................................................................................................... 56 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ 57 ANEXOS .............................................................................................................................. 59 Anexo 1: Ejemplos de equipos SDR ........................................................................... 59 Anexo 2: Pasos para la instalación de GNU_Radio en Ubuntu 14.04 LTS .......... 65 Anexo 3: Código empleado en MATLAB para el cálculo de la BER entre la imagen trasmitida y la recibida .................................................................................... 70.

(14) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Desde sus inicios, el desarrollo de la humanidad ha sido marcado por la capacidad de comunicación y de compartir los conocimientos obtenidos. Con la aparición de la radio y en particular el concepto de radiocomunicación apareció ante la humanidad un abanico de extensas posibilidades. En un principio los equipos con estos fines eran grandes, de bajas prestaciones y mucho ruido, con el desarrollo de la electrónica, estos dispositivos fueron cobrando mayor fuerza y haciéndose más portables. A su vez, este desarrollo posibilitó la evolución de la tecnología digital con el imparable avance en los sistemas computacionales. Todo ello ha replanteado el empleo de dispositivos físicos hacia una migración del hardware de propósitos específicos hacia los sistemas basados en softwares. Un sistema de radio definida por software, SDR por sus siglas en inglés (Software. Defined. radiocomunicaciones. Radio),. es. donde. los. una. tecnología. componentes. que. empleada eran. en. las. típicamente. implementados en hardware son implementados en software, quedando algunas o todas las funciones de la capa física definidas por software. De este modo se garantiza la flexibilidad, facilidad de reconfiguración y adaptabilidad con un bajo costo económico ya que, utilizando una computadora personal u otros dispositivos de computación embebida, un sistema basado en SDR puede ser empleado incluso en tiempo real. El trabajo a desarrollar posee raíces en el objeto de utilidad de un sistema SDR, debido a su alcance y facilidad para implementar distintas áreas de un sistema de radio compuesto por bloques que pueden ser fácilmente intercambiables, modificando a necesidad el propio sistema..

(15) INTRODUCCIÓN. 2. Un área a alcanzar se encuentra en la docencia, donde el software GNU_Radio puede servir de gran ayuda. Debido a que en nuestra facultad (Facultad de Ing. Eléctrica) existen escasos trabajos en la temática de SDR con este enfoque, donde mayormente es empleado la potencia y bondades de la herramienta de software matemático MatLab para la simulación de distintos esquemas de modulación, sincronismo, codificación, entre otros; el software GNU_Radio permite ir un poco más lejos con la implementación, casi en su totalidad debido a la falta de un transceptor RF como el Universal Software Radio Peripheral, de un sistema de radio con fines académicos y prácticos para medir su desempeño. Dado a su auge en estos últimos tiempos, las bondades que nos brinda y diferentes implementaciones en ascenso de la SDR en los diversos sistemas de radiocomunicaciones, es evidente la importancia del estudio de esta herramienta. La variedad de ventajas que provee la SDR, como son: facilidad de reconfiguración, diseño de sistemas de radiocomunicaciones que soporten múltiples estándares, mayor flexibilidad y operatividad, factibilidad económica, entre otras, son marcadas por el empleo de programas computacionales en remplazo de dispositivos físicos. La principal importancia del estudio de estos sistemas radica en los beneficios descritos a lo largo de la investigación. Actualmente la SDR posee relevante importancia en la esfera de las radiocomunicaciones y es ampliamente usada en entornos de afición, pero también en el marco civil-comercial y militar por las ventajas que reporta, motivo por las cuales también es la base del desarrollo de la Radio Cognitiva. En la Facultad de Ing. Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), como parte de tesis de estudiantes del curso de pregrado entre otros estudios, se han desarrollado temas que acarrean consigo el empleo de SDR orientados a otros temas puntuales y a la base matemática en el empleo de señales que se procesarán mediante SDR con bloques de comunicación digital. A pesar de esto, del creciente uso de este concepto y de las facilidades para lograr los resultados esperados en la práctica, el desarrollo de este tema no es un tópico.

(16) INTRODUCCIÓN. 3. a tratar en los planes de estudio de la carrera de telecomunicaciones y electrónica en la facultad. A través del trabajo desarrollado, se describe el uso del software GNU_Radio con fines de conceptualizar la SDR que pueda servir para sugerir la realización de futuros trabajos de laboratorios e investigaciones relacionados con los temas de las radiocomunicaciones. Para ello se presenta la siguiente situación problémica: ¿Cómo desarrollar, bajo el concepto de la SDR, los bloques principales de un sistema de radiocomunicación digital? Consecuentemente se traza como objetivo, desarrollar un sistema de radiocomunicación digital a través del enlace de bloques funcionales haciendo uso del software GNU_Radio Companion. Como meta para darle cumplimiento al objetivo planteado se desglosó la tarea en 5 objetivos específicos: . Definir un sistema de radiocomunicación basado en SDR.. . Identificar los bloques principales de un sistema de radiocomunicación.. . Determinar las potencialidades de la herramienta de software GNU_Radio para la implementación de un sistema de radiocomunicación basado en SDR.. . Reproducir. los. bloques. esenciales. estudiados. de. un. sistema. de. comunicación digital mediante la herramienta antes mencionada. . Analizar el desempeño de los módulos desarrollados mediante su simulación.. Para la buena conducción del proceso de realización del presente proyecto se propusieron las siguientes tareas de investigación: . El análisis del funcionamiento de un sistema de radiocomunicaciones.. . Identificación de los distintos esquemas de modulación más empleados.. . El uso de la herramienta de software GNU_Radio en la radio definida por software para las simulaciones de los distintos bloques que conforman un sistema de radiocomunicación digital..

(17) INTRODUCCIÓN. . 4. El análisis del desempeño del sistema a través de GNU_Radio explorando los parámetros del mismo.. . Elaboración de un informe final donde se recoja la investigación descrita.. El informe de la investigación quedará estructurado en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En la Introducción queda definido el marco teórico dentro del cual se plasma la importancia, actualidad y necesidad del tópico abordado en la investigación, en conjunto con los elementos del diseño teórico. El capítulo 1 será destinado a la caracterización de los sistemas de radiocomunicaciones, conceptualización y actualidad de la Radio Definida por Software, así como su uso de manera general. El capítulo 2 abordará la caracterización del software GNU_Radio, su uso y resultados en la rama de la Radio Definida por Software, qué periférico usa y las potencialidades para su empleo. Por último, en el capítulo 3 se llevará a cabo el desarrollo de la implementación de diversos bloques de un sistema de radiocomunicación digital con la herramienta de software GNU_Radio para realizar pruebas y medir parámetros de desempeño..

(18) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 5. CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. La Radio Definida por Software, no es un concepto nuevo, sin embargo, solo en los últimos años se ha alcanzado suficiente madurez tecnológica para llevar a la práctica los basamentos de la SDR sin o con pocas limitaciones. Este trabajo se centra en los principios que rondan el concepto SDR. Un SDR, es una tecnología empleada en las radiocomunicaciones donde los componentes que típicamente eran implementados en hardware, ahora serán implementados por software, quedando algunas o todas las funciones de la capa física definidas por software [1]. La capa de software es referida a el equipamiento o soporte lógico de un sistema informático, que comprende el conjunto de los componentes lógicos necesarios que hace posible la realización de tareas específicas, en contraposición a los componentes físicos llamados hardware [2], aunque en la práctica “SDR” es aplicable a términos como: equipo, tecnología o sistema en el ámbito de las radiocomunicaciones. 1.1 Sistemas de radiocomunicaciones digitales Los sistemas de radiocomunicaciones son los que permiten el intercambio de información entre terminales móviles y/o terminales fijos con una calidad determinada, se caracterizan por la movilidad por lo que son sistemas de cobertura zonal. Son el conjunto de medios y métodos que permite, de forma inalámbrica, realizar un intercambio de información a distancia [3]. 1.1.1. Características y componentes. El esquema físico-lógico que define a un transmisor (Tx) o un receptor (Rx) varía, en dependencia de las necesidades, estándares y dominio en frecuencia y.

(19) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 6. tiempo en el que se espera transmitir y/o recibir la señal en cuestión. Aun así, existen bloques funcionales indispensables en un dispositivo Tx o Rx y estos son los que lo definen de la manera más general posible. Los componentes fundamentales de un receptor de radio son: una antena para recibir las ondas electromagnéticas y convertirlas en oscilaciones eléctricas; amplificadores para aumentar la intensidad de dichas oscilaciones; equipos para la demodulación; una interfaz que haga función de transductor permitiendo convertir los impulsos recibidos en el resultado esperado (por ejemplo, un altavoz), y en la mayoría. de. los. receptores,. unos. osciladores. para. generar. ondas. de. radiofrecuencia que puedan mezclarse con las ondas recibidas. En la SDR, los bloques definidos por software realizan el procesamiento digital sobre la señal ya digitalizada y en banda base entregada por determinado hardware; esta tecnología puede ser empleada para el procesado digital de ambos tipos de señales: tanto analógicas como digitales. En la presente investigación, el interés recae sobre el uso de las SDR para los sistemas de comunicaciones digitales. Un esquema más general que define los bloques funcionales presentes en un Tx y un Rx digital se muestra en la figura 1.1:.

(20) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 7. Figura 1.1: Esquema de bloques funcionales de un Tx (encima) y un Rx (debajo) para un sistema digital [4]. En el esquema mostrado, los bloques que son representados con rayas son opcionales según la función y el medio donde se desarrolla el sistema de comunicación digital, mientras que los bloques de fondo enteramente blanco, representan funciones esenciales en cualquier sistema digital de esta índole. Cada bloque sostiene un propósito específico, comenzando por el bloque de “Formato” donde se muestrea la señal analógica para posteriormente cuantificar y codificar la muestra, seguido por el bloque de codificación de fuente para el cual existen varios métodos donde lo que se busca es la reducción del número de bits a emplear en cada símbolo de forma inequívoca, de manera inversa sucede en el bloque de codificación de canal, cuya función es agregar redundancia con el objeto de evitar errores que no puedan ser corregidos en el extremo receptor, luego pueden emplearse pasos para un entrelazado de los símbolos de forma que los errores en ráfaga afecten lo menos posible al mensaje enviado, el siguiente paso es la modulación de la señal, paso imprescindible en un transmisor y seguidamente se realiza una conversión ascendente en la frecuencia portadora para dar paso al acceso al medio. Estos serían los bloques típicos de un.

(21) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 8. transmisor, en el cuál, lo más común es que los pasos sean implementados por hardware. En este sentido, las SDR pueden emplearse en la implementación de la parte del procesamiento de la señal de sistemas de radiocomunicaciones tanto analógico como digital. Un sistema SDR posee todos los bloques funcionales necesarios, cada bloque, por lo general, realiza una única función en el sistema simulando el hardware correspondiente para de esta forma lograr una mayor facilidad de reconfiguración. En el extremo receptor se realizará, a la inversa, los pasos consecutivos del tratamiento que se le dio a la señal en el extremo transmisor, por lo tanto, los bloques funcionales y electrónica en el receptor dependerá del transmisor que le corresponda. 1.1 Orígenes de la SDR En la evolución de las comunicaciones inalámbricas han aparecido diversos métodos y tecnologías para el intercambio de información entre dos puntos distantes en el espacio. Con el aumento de las exigencias para lograr un mejor desempeño se han alcanzado grandes logros en ese ámbito. A la par, fueron surgiendo incompatibilidades entre las tecnologías que eran empleadas, lo cual suponía un problema al reutilizar los equipos o prestar determinados servicios a segundos y terceros que usasen, aunque con buen desempeño, otra tecnología diferente. La SDR surge entonces como solución a estos inconvenientes de incompatibilidad e interoperabilidad, entre otros, con un concepto orientado a la realización del procesamiento de señales de radio por medio de un dispositivo con un microprocesador de propósitos generales como lo puede ser una computadora o laptop. A través de este concepto, cualquier sistema de comunicación poseería entonces la capacidad de ser modificado mediante software, logrando así un cambio dinámico, automático y eficiente entre tecnologías sin la necesidad de tener que incurrir en costos excesivos. Desde este punto surge la necesidad de un dispositivo capaz de entregar la señal a procesar por el microprocesador de propósitos generales en banda base, o una primera frecuencia intermedia baja (low IF), incluso si la señal es analógica. Este dispositivo deberá ser configurable.

(22) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 9. para que sea posible recibir distintos anchos de banda y frecuencias para posteriormente, con un procesado digital, poder realizar la sincronización y detección de la señal recibida. El origen de la tecnología Software Radio está ligado al ámbito militar, más específicamente al Departamento de Defensa de los Estados Unidos. A finales de los años 70, la Fuerza Aérea Norteamericana trabajó en un sistema conocido como Integrated Communications Navigation, Identification and Avionics system (ICNIA). Este sistema utilizaba un Procesamiento Digital de Señales, DSP por sus siglas en inglés (Digital Signal Processing) [5], en el que se realizaban las funciones de programación y control en la obtención de una plataforma integrada para comunicaciones aéreas, a este proyecto finalmente se le llamó SPEAKeasy. Este proyecto surge en los primeros años de la década de los 90, organizado por el Departamento de Defensa; tenía como finalidad, iniciar el desarrollo de un software programable para sistemas de radio que operaran entre los 2MHz y los 2GHz, comprendiendo las bandas de HF (High Frecuency), VHF (Very High Frecuency) y UHF (Ultra High Frecuency), pudiéndose considerar este como la base de la tecnología SDR. A mediados de la década de los 90, el departamento de defensa estadounidense crea el programa Joint Tactical Radio Systems, con el objetivo de desarrollar sistemas de radiocomunicaciones reconfigurables vía software para el ejército y terminar así con el problema de la interoperabilidad entre los diferentes dispositivos [6]. En una segunda fase del proyecto que duró 15 meses, se trabajaría en aspectos como la disminución de peso y costo, incremento de la capacidad de procesamiento,. simultaneidad. de. comunicaciones. o. diseño. basado. en. arquitecturas de software libre, obteniéndose así importantes resultados que llevaron a la producción del dispositivo diseñado [7]. Al mismo tiempo, en 1996 Joseph Mitola funda el SDR Forum dando una descripción detallada de la tecnología. En la actualidad este foro se conoce como Wireless Innovation Forum, considerándose este como uno de los centros neurálgicos que acerca la tecnología SDR y la Radio Cognitiva al mercado. Este.

(23) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 10. foro cuenta con miembros pertenecientes a diferentes tipos de organizaciones, ya sean organizaciones comerciales, de defensa o gubernamentales, que colaboran para acercar a las personas la experiencia obtenida [6]. Desde entonces se han diseñado diferentes dispositivos SDR y logrado avances tecnológicos que han favorecido y marcado un importante avance en este campo. Entre estos dispositivos se encuentra el Periférico de Radio por Software Universal, USRP por sus siglas en inglés (Universal Software Radio Peripheral) del fabricante Ettus Research, así como el proyecto GNU Radio. 1.2 Radio Definida por Software (SDR) En 1991 Joe Mitola, denominado padre de la SDR, emplea el término Software Radio para referirse a un tipo de radio reprogramable o reconfigurable que podía modificar sus funciones en distintos instantes de tiempo [8]. Desde. este. momento,. diversos. autores. han. establecido. definiciones. dependiendo del enfoque de la investigación. Por este motivo se pueden encontrar diferentes definiciones de la SDR según el libro estudiado. A pesar de ello, la definición más referenciada es la desarrollada y publicada por la Wireless Innovation Forum y la IEEE, en la cual se plantea el siguiente concepto de SDR: “Radio en la cual algunas o todas las funciones de la capa física son definidas por software” [7, 9]. A largo plazo, se prevé que los radios definidos por software se conviertan en la tecnología dominante en las radiocomunicaciones, pues es la vía que permite llegar a la “Radio Cognitiva”. Este concepto es un paradigma de las comunicaciones inalámbricas en la cual, tanto las redes como los mismos nodos inalámbricos cambian los parámetros particulares de transmisión o de recepción para ejecutar su cometido de forma eficiente sin interferir con los usuarios autorizados. Esta alteración de parámetros está basada en la observación de varios factores del entorno interno y externo de la radio cognitiva, tales como el espectro de radio-frecuencia, el comportamiento del usuario o el estado de la red. En la actualidad la SDR es un concepto bastante extenso a nivel global, existiendo con grandes potencialidades e iniciativas en casi todos los ámbitos de.

(24) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 11. las telecomunicaciones como el militar, comercial y civil. El alto interés existente en la actualidad sobre SDR se corrobora con la multitud de programas, proyectos y asociaciones relacionadas con esta tecnología, entre las que se destacan: Joint Tactical Radio System, SDR Forum (Wireless Innovation Forum), GNU Radio, Coalition Wideband Networking Waveform (COALWNW), Secure SDR Multilateral Information Exchange Agreement (SSDR MIEA), dentro de la institución gubernamental European Defence Agency son desarrollados los proyectos WINTSEC (Wireless INTeroperability for SECurity) y ESSOR (European Secured Software Defined Radio Referential). Gracias al avance actual en esta materia ha sido posible el desarrollo de ambiciosos proyectos basados en la SDR. Producto a este avance, hace tiempo que los equipos SDR son una realidad y existen alternativas operativas e incluso comerciales como lo es el USRP, el cual es un hardware empleado para propósitos SDR que cuenta básicamente, de varios canales con conversores Analógico/Digital y viceversa, conversores de frecuencia y provistos de un Arreglo de Compuertas Programables por Campo, FPGA por sus siglas en inglés (Field Programmable Gate Array), con el objetivo de facilitar la manipulación de la señal para el procesador encargado [10, 11]. La arquitectura básica de radio típica muestra claras diferencias con la propuesta por la arquitectura de la SDR como se muestra en la figura 1.2:. Figura 1.2: Arquitectura de radio típico por hardware y SDR respectivamente [12]..

(25) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 12. La señal RF (Radio Frecuencia) luego de pasar la primera etapa en común, a través de un paso de mezcla es bajada en frecuencia a una 1ra FI (Frecuencia Intermedia), IF por sus siglas en inglés, a partir de la cual el esquema difiere entre la radio SDR y el tradicional receptor superheterodino. Una SDR posee un grupo importante de sus componentes definidos por software, los cuales realizan su función en forma de programas en una computadora, PC por sus siglas (Personal Computer); el otro grupo lo conforman un mínimo de componentes necesarios implementados físicamente, externos a la PC, que no pueden ser definidos por software. Mientras no se encuentren activos estos componentes definidos por software en la PC, el equipo de radio será incapaz de ejercer alguna función práctica. Será el software basado en SDR que corre sobre la PC el que definirá el esquema de modulación a emplear, el tipo de codificación, cómo actúa el CAG (Control Automático de Ganancia), en fin, todo el equipo de radio. Además, una SDR posee como característica gran flexibilidad en el diseño gracias al concepto de SDR, ya que modificando o reemplazando los bloques funcionales del sistema, que en cuestión son programas de software, o añadiendo nuevos programas, se consigue modificar sus funcionabilidades, como es añadir nuevos estándares o mejorar sus prestaciones. En la actualidad los sistemas SDR han demostrado ser de gran ayuda para el desarrollo de sistemas de radiocomunicaciones; sus potencialidades y ventajas sobresalen por encima de sus limitantes y hacen posible el desarrollo de sistemas de comunicaciones con igual o mejor desempeño que los tradicionales por hardware, en entornos académicos, de afición, comerciales, y en general facilita la construcción de este para interés del usuario en muchos aspectos como son: . No hay necesidad de poseer ni adquirir todos los dispositivos físicos necesarios para la construcción de una radio, por lo tanto, el costo económico de la radio a conformar disminuye en gran medida.. . El diseño en software y la estructura modular facilita en gran medida la reconfiguración del sistema según las necesidades..

(26) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. . 13. Existen proyectos de envergadura de software libre destinados al trabajo con SDR que facilitan, de manera general, el diseño del sistema. Ejemplo de este es GNU Radio Companion.. . No es necesario un dispositivo específico para procesar la señal, solo se debe contar con una PC común que posea un microprocesador de propósitos generales y el software correspondiente para un entorno de simulación, aunque para casos más prácticos, es útil un hardware que se encargue de la sección RF. Como es lógico, mientras mayor nivel de prestaciones posea el microprocesador, se podrán crear diseños más complejos.. Gracias a las ventajas y facilidades que presenta la SDR respecto a la radio tradicional, se han alcanzado marcadas mejoras en el proceso de estudio de los sistemas de radiocomunicaciones, llegando a consolidarse importantes logros para este campo como lo es el proyecto GNU_Radio. Un estudio más detallado sobre las ventajas y diferencias de la SDR respecto a la radio tradicional es realizado en el artículo [13-15]. 1.3.1 Principios de la arquitectura y características de los sistemas basados en SDR. La idea de SDR, proviene de trasladar las funciones que anteriormente hubiesen recaído sobre el hardware ahora por software, acercando así lo más posible el procesado de la señal a la antena. Lo ideal sería que la mayor parte del sistema fuese definida y configurada por software dejando como hardware del sistema solo los conversores de frecuencia y las antenas como se muestra en la figura 1.3..

(27) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 14. Figura 1.3: Transmisor y receptor ideal de SDR [6]. De este modo las funciones que recaían en la electrónica analógica y los problemas que ello acarreaba se eliminan parcialmente, realizándose ahora por software. Son solucionados problemas que surgen debido a comportamientos no ideales en los mezcladores, filtros y amplificadores, minimizando así la distorsión introducida en la señal transmitida y recibida. Un análisis del esquema ideal propuesto anteriormente, puede mostrar las limitaciones para su realización las cuales recaen sobre [6]:  Conversores. La limitante recae sobre la necesidad de los conversores de poseer una banda de trabajo amplia. El “Teorema de muestreo de Nyquist” plantea que la frecuencia de muestreo deberá ser al menos, 2 veces la frecuencia máxima de la señal para evitar el solapamiento espectral o aliasing, llegando a ser inviable disponer de un hardware que realice la función de conversión para frecuencias que típicamente rondan los GHz. De igual modo en el extremo receptor, el proceso de cuantificación dependerá del rango dinámico que presente el Conversor análogo/digital, ADC por sus siglas en inglés (Analog to Digital Conversion).  Tasas binarias. Otra limitación está determinada por la velocidad de los buses de comunicación que típicamente se encuentra entre los cientos de Mbps y algún Gbps, conociendo que todos los bits del flujo binario no serán de información afectando la tasa binaria máxima. Por lo que la señal en la recepción/transmisión para frecuencias típicas de RF no sería posible de transportar por los buses..

(28) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 15.  Procesamiento. En este caso existe un grado de dificultad para el procesamiento en tiempo real marcado por las prestaciones del procesador a frecuencias tan elevadas, tanto para la precisión temporal, como para el número de operaciones soportadas por la PC. Las limitaciones anteriores, principalmente las 2 primeras, hacen inviable la arquitectura presentada con anterioridad, se necesita una parte de hardware llamada RF-front-end, llamada así porque se encuentra en la etapa de RF al inicio de un receptor y en el final de un transmisor, que realice parte de las funciones anteriores como: filtrado en RF, amplificación y desplazamiento en frecuencia como se muestra en la figura 1.4 [6].. Figura 1.4: Tx y Rx SDR con módulos de RF [6]. Para reducir la carga de las operaciones que tiene que realizar el procesador se puede incorporar un DSP, una FPGA o un Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas, ASIC por sus siglas en inglés (Application Specific Integrated Circuit), entre la PC y el conversor, así las operaciones de procesado que conlleven un alto costo computacional serán realizadas por este componente, aunque es necesario aclarar que este no es estrictamente necesario [6]. La selección entre uno de estos tres componentes depende de sus características. En el caso específico de SDR, los DSP se utilizan más en formas de procesamiento de señal computacionalmente menos intensivas que en aplicaciones front-end de alta velocidad [13, 16]. Los dispositivos ASIC manejan lógica basada en hardcode para realizar funciones muy específicas, la utilización de este tipo de dispositivos tiene el inconveniente de incrementar el tamaño de los.

(29) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 16. equipos a medida que aumenta el número de “modos” o “estándares” que este debe soportar, pues se deberá implementar un ASIC para cada servicio, lo que indirectamente afecta también el costo [13, 17, 18]. Por último el dispositivo FPGA ofrece alta capacidad de reconfiguración dinámica, lo cual dota de alta flexibilidad el sistema; estos dispositivos permiten optimizar espacio, consumo de potencia y facilidades de optimización/actualización, además de proporcionar lo necesario para cumplir el objetivo de contar con la disponibilidad de diversas interfaces de aire en los radios SDR [13]. En [19] puede ser encontrado un estudio detallado a través de criterios como flexibilidad contra rendimiento usados para la selección del hardware. Generalmente se emplea una FPGA por su alta flexibilidad y menor costo, aunque no presenta mejor rendimiento que las anteriores. Por lo general existen tres secciones: la sección RF, FI y Banda Base (BB) siendo la sección FI donde se encuentra la FPGA que en conjunto con la sección en BB conforman el subsistema de software donde se procesa la señal. En la figura 1.5 se muestra el esquema de la arquitectura empleada en la práctica para un sistema SDR.. Figura 1.5: Esquema real de un Tx y Rx SDR [6]. El empleo de la radio basada en SDR trae los inconvenientes antes mencionados implícitos dentro de su propio concepto, aun así, esta tecnología habilita la creación de dispositivos inalámbricos interoperables con claras y diversas ventajas, entre las que se pueden citar: múltiples modos de operación, reconfiguración y menor costo de desarrollo. De esta forma son eliminados.

(30) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 17. algunos de los principales problemas existentes en la radio analógica, tales como el alto costo relativo de producción y la poca flexibilidad ante los cambios en el esquema de modulación de la señal. Todas sus ventajas vienen marcadas por la circuitería que es sustituida por el correspondiente software capaz de realizar las respectivas funciones [20]. Las características de la SDR son enunciadas por diversos autores según sus investigaciones e interés en la misma, según [21] las principales características son: •. Reconfigurabilidad: SDR permite la coexistencia de múltiples módulos de software implementados con diferentes estándares en el mismo sistema que permite la configuración dinámica del sistema con tan solo seleccionar el módulo de software correspondiente para ejecutar.. •. Conectividad Ubicua: SDR permite la implementación de estándares de interferencia de aire como módulos software y múltiples instancias de estos módulos que implementan diferentes estándares pueden coexistir en el equipo de infraestructura y los terminales.. •. Interoperabilidad: SDR facilita la implementación de la arquitectura abierta de radio.. Otra característica importante en la mayoría de estos equipos usados en entornos prácticos es la necesidad de un hardware RF-front-end. Además, necesita de bloques de amplificación de potencia de la señal, alimentación de la antena, entre otras operaciones que no pueden ser efectuadas en el dominio digital, siendo asumidas, entonces, en el analógico. 1.3 Modulaciones en SDR En la SDR, como en la radio convencional, pueden ser empleadas las técnicas de modulación/demodulación como uno de los procesos que se realizan en el subsistema de software. Para poder realizar este proceso la SDR utiliza algoritmos matemáticos..

(31) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 18. La mayoría de los SDR que emplean un sistema analógico adicional como se muestra en el esquema de la figura 1.5, utilizan las señales I (en fase) y Q (en cuadratura), las cuales son señales con igual frecuencia y amplitud, pero Q posee una diferencia de fase de 90⁰ respecto a la señal I, las cuales componen la señal y son de utilidad en su procesamiento (como la demodulación), como se muestra en la figura 1.6.. Figura 1.6: Diagrama del subsistema de hardware de un SDR [21]. En la figura se muestra el diagrama en bloques del subsistema de hardware de un SDR clásico. En un primer momento, la señal es recogida por la antena y luego filtrada para asegurar que solo la frecuencia deseada llegue a los dos mezcladores. Una de las salidas del Oscilador Local está conectada a un bloque que produce un desfasaje de 90⁰ produciendo la señal de salida Q mientras que la señal I a la salida poseerá fase 0⁰. Luego de ser filtradas pasan al subsistema de software donde serán procesadas para recuperar el mensaje original de la transmisión. Con la utilización de algoritmos matemáticos como función de software y las señales I y Q, los radios SDR son capaces de demodular señales moduladas analógicamente como las básicas AM (modulación de amplitud), PM (modulación de fase) y FM (modulación de frecuencia) y digitalmente como PSK (modulación por desplazamiento de fase)..

(32) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 19. 1.4 Hardware y arquitectura de los transmisores y receptores SDR La arquitectura de transmisores basados en software ideal se muestra en la figura 1.7. Esta se encuentra formada por un subsistema digital o de software y un subsistema analógico o de hardware.. Figura 1.7: Transceiver SDR ideal [21]. La arquitectura propone que la etapa de conversión analógica se encuentre lo más cerca posible de la antena, en este caso se prioriza al amplificador de potencia (PA) en el transmisor y después al amplificador de bajo ruido (LNA) en el receptor. La separación de portadoras y la conversión de frecuencias altas y bajas a banda base es mejorada por los medios de procesamiento digital, normalmente una FPGA o un DSP. De igual manera la codificación del canal y las funciones de modulación son mejoradas digitalmente en banda base por los mismos medios de procesamiento. El software para una arquitectura ideal se representa por capas mientras que el hardware es completamente abstracto de la aplicación de software. Una capa intermedia logra la funcionalidad entre software y hardware cubriendo los elementos del hardware como objetos y proveyendo servicios que permiten a los objetos comunicarse unos con otros a través del software mediante interfaces estándar, por ejemplo, Common Object Request Broker Architecture, COBRA por.

(33) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 20. sus siglas en inglés, lo que se corresponde con la arquitectura intermediaria de solicitud de objeto común. La capa intermedia llamada Interfaz de Programación de Aplicaciones, API por sus siglas en inglés (Application Programming Interface), incluye: sistema operativo, controladores del hardware, recursos de administración y otras aplicaciones no específicas de software. La combinación del hardware y la capa intermedia frecuentemente se llama framework. En general los diseños de SDR “prácticos” comienzan por definir el digitalizador disponible y construyen el sistema alrededor de él. Se alejan entonces de la teoría en cuanto a no capturar la señal desde la antena o fuente de generación, sino que es sometido a uno o más pasos de amplificación y mezcla (conversión) para llevarla a anchos de banda, así como nivel de señal, que pueda manejar el digitalizador disponible. 1.5.1 Subsistema analógico Las funciones del subsistema analógico son restringidas a aquellas que no pueden ser mejoradas digitalmente, las cuales parten de la antena, filtrado RF, combinación RF, pre-amplificación en la recepción, transmisión de potencia de amplificación y generación de frecuencia de referencia. Esta etapa en el sistema trabaja principalmente con la señal RF y básicamente es el encargado de la conversión descendente de frecuencia para la recepción y ascendente para la transmisión. Esta etapa RF es conocida como front-end. 1.5.2 Subsistemas analógicos implementados Actualmente existen personas y empresas que enfocan sus esfuerzos en la construcción y desarrollo de equipos SDR, entre ellas se pueden citar: Microsat con su dispositivo EasySDR, PM-SDR desarrollado por Martin Pernter, el receptor QS1R creado por QuickSilver, PERSEUS creado por la firma italiana Microtelecom y WR-G31DDC ‘EXCALIBUR’ desarrollado por WiNRADiO, disponibles en el mercado actual con distintos precios y prestaciones. Uno de los equipos más utilizados es el USRP para su uso con GNU Radio. Este es un periférico del fabricante Ettus Research, diseñado para trabajar en conjunto con un procesador externo, por ejemplo: una PC, permitiendo la.

(34) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 21. realización de software radios. Existe una gran variedad de estos dispositivos diseñados para distintas especificaciones, pero con un mismo objetivo, además de que hay una gran variedad de software libre para el USRP. El USRP realiza las funciones de llevar la señal a banda base de RF a través de la sección de FI y viceversa tal y como se muestra en la figura 1.8. La interfaz USB permite comunicar al USRP con la PC que realizará el procesamiento de software, por lo general sobre una de las versiones de Sistema Operativo de Linux, MAC OS o Windows.. Figura 1.8: Bloques funcionales del USRP en la Radio por Software [7]. En el anexo 1 se muestran otros de estos equipos (subsistemas analógicos) que se encuentran disponibles en el mercado, con algunas de sus características. 1.5.3 Subsistema digital Como se pudo apreciar en la figura 1.7, dentro del subsistema digital se hayan todas las funciones que realizan el software en el sistema SDR. Este subsistema incluye generalmente, un hardware que se encarga de agilizar y facilitar entre otras funciones, que en algunos casos son indispensables para el uso de determinadas aplicaciones o para ofrecer determinado servicio, el correcto funcionamiento del subsistema digital. Dada la versatilidad y conveniencia del uso de dicho hardware, existen 3 opciones de implementación para este: DSP, ASIC o FPGA tratadas en el subepígrafe 1.3.1. Existe una gran variedad de software que se complementan con estos dispositivos para conformar el subsistema digital. En el caso de la presente.

(35) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 22. investigación se empleará el software GNU Radio el cual será tratado en el capítulo 2. Este subsistema es el encargado de realizar la mayor cantidad de funciones y las de mayor complejidad de todo el sistema, en dependencia del sistema implementado. En él se encuentran los bloques encargados de la modulación, codificación, corrección, entre otras funciones programadas en el subsistema digital, el cual es protagonista de las ventajas reportadas en las SDR. 1.5 Proyectos SDR implementados Mejorar la tecnología y reducir el tiempo para nuevos mercados más exigentes, incrementa la complejidad del Hardware. Estas mismas demandas y las especificaciones en cuanto a más ancho de banda, mayor eficiencia e interfaz compatible, es la motivación para el diseño e implementación de nuevos softwares en menor tiempo y costo. Actualmente, existen numerosos proyectos de SDR, entre ellos cabe destacar el ambicioso proyecto OpenBTS con el que se implementa una estación base de telefonía GSM en software a partir de la arquitectura GNU Radio y el USRP apoyándose en Asterisk, programa de software libre (bajo licencia GPL) que proporciona funcionalidades de una central telefónica (PBX), para servicio VoIP. A modo de ejemplo se muestra la arquitectura funcional en la figura 1.9:. Figura 1.9: Arquitectura OpenBTS [7]. La señal de radio es captada y transmitida por la antena, pasando por la tarjeta secundaria, o daugtherboard, que implementa la cabecera de RF y realiza la.

(36) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 23. conversión en frecuencia. En la tarjeta primaria, o motherboard, se produce la conversión A/D y D/A respectivamente y en la FPGA se realiza un procesado de la señal digital para reducir la tasa de muestras en la interfaz USB. Finalmente se conecta al PC mediante dicha interfaz para realizar el procesamiento software con la arquitectura GNU Radio [7]. Otro proyecto de interés es el grupo de trabajo GNU Radio. Es basado en la SDR, que mediante un económico hardware permite convertir cualquier PC en un receptor o transmisor para cualquier tipo de señal de radio; la señal será enteramente interpretada por el software. La programación en GNU Radio es en el lenguaje Python y C++ para su función en cualquier PC ordinaria. Esta radio está diseñada para su fácil migración a las estaciones de trabajo y a los procesadores integrados. El software se encuentra disponible para su libre uso, distribución y modificación, bajo la Licencia Pública General GNU. Gracias a sus características, puede aprovechar el uso de múltiples Unidades de Procesamiento Central, CPU por sus siglas en inglés (Central Processing Unit), y de sistemas de extensiones de instrucción [22-24]. Radio Definido por software de altas prestaciones, HPSDR por sus siglas en inglés (High Performance Software Defined Radio), es otro proyecto para la creación de una nueva generación de equipos de radio de HF de tecnología SDR para su uso por los radioaficionados y los radioescuchas de la Onda Corta. Los equipos HPSDR son de característica modular y su desarrollo incluye tanto la parte física o hardware, que es de tipo modular, como el software, este último es de licencia open source, por tanto, el código de los programas es de conocimiento público y de libre uso incluso para su estudio y modificación por el usuario [25]. Existen así muchos otros proyectos ya establecidos y otros todavía en desarrollo que basan su funcionamiento en el concepto SDR, motivados por las bondades brindadas por la misma. Aún las SDR es un campo en exploración para muchos. En la Facultad de Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), el uso de la Radio Definida por Software es un tema aún en exploración con prometedores resultados en su estudio y aplicación docente..

(37) CAPÍTULO 1. La Radio Definida por Software. 24. 1.6 Consideraciones finales del capítulo La Radio definida por software ha resurgido con fuerza en los últimos años como una potente solución al uso de nuevos estándares y la ineludible complicación que presenta un mismo hardware para adaptarse y evolucionar según las especificaciones y el uso en conjunto de varios estándares, además de la constante evolución de nuevas técnicas para garantizar un servicio de calidad. Este resurgimiento ha sido posible gracias a la imparable evolución de la tecnología que cada día posibilita más el uso de un microprocesador de propósitos generales para resolver problemas específicos en su conjunto. La mayoría de las funciones de las SDR son implementadas por software, aunque el uso de un hardware para propósitos prácticos no es prescindible. Este hardware, en representación del subsistema analógico, realizará el resto de las operaciones que no son posibles de efectuar en el subsistema digital, en la sección RF. En la actualidad se desarrollan importantes estudios encaminados a este propósito. Dado las bondades en el uso de la SDR, en la Facultad de Eléctrica de la Universidad Central “Mata Abreu” de Las Villas, se espera avanzar en el uso y los estudios apoyados en este concepto para lograr mejores resultados investigativos en el campo de las radiocomunicaciones..

(38) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 25. CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio. Los sistemas SDR son de gran utilidad prácticamente en todos los servicios que pueden ser brindados como parte de sistemas de radiocomunicaciones en cualquier ámbito, con ellos son manejados grupos de protocolos en tiempo real, que cambian a necesidad casi constantemente. Un SDR básico puede estar conformado por una PC provista de una tarjeta de sonido, u otro conversor análogo/digital, precedido de algún adaptador de radio-frecuencia. En el capítulo 1 se desglosó un sistema SDR en 2 subsistemas: analógico y digital, siendo este último donde se realiza el procesamiento de las señales. La mayor parte de este procesamiento, por lo general, es realizada por una PC provista de un procesador de propósito general a través de un software, en lugar de utilizar un hardware de propósitos específico. Esta configuración permite cambiar los protocolos y formas de onda simplemente variando el programa informático, que no es más que la secuencia de instrucciones que describen el comportamiento del sistema implementado. Para que dicha secuencia de instrucciones o código fuente sea ejecutado posteriormente por una CPU, se realiza a través de un intérprete o en la mayoría de los casos un software, que contendrá una colección de programas de computadora y los datos relacionados. En la mayoría de los casos de sistemas SDR son implementados con ayuda de un software desde un PC en adición con el correspondiente hardware como puede ser el USRP, sin embargo, existen equipos de distintos fabricantes que son capaces por sí solos de estructurar un sistema SDR a través de un intérprete, aunque en este último caso, existen limitaciones debido a que el subsistema digital y el analógico son conformados en un único dispositivo..

(39) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 26. En el caso del presente trabajo se hará uso de la herramienta de interfaz gráfica GNU Radio Companinon por las facilidades que esta brinda para la implementación, corriendo sobre el Sistema Operativo (SO) Ubuntu de Linux, debido a la falta del hardware USRP el desarrollo se efectuará en un entorno de simulación con el uso de la tarjeta de audio “Realtek High Definition Audio” como digitalizador. 2.1 Utilización y taxonomía de un software o grupo de programas para el trabajo basado en SDR El uso de un software en las SDR es un paso ineludible para el funcionamiento de la misma dado a su propio concepto. Usando el software adecuado, es posible controlar desde el ordenador numerosas funciones del equipo de radio, igual o mejor que desde los controles del propio equipo. El software es uno de los componentes que conforma la SDR en su uso práctico y el fundamental para entornos de simulación, es el encargado de procesar la señal una vez que la misma fue digitalizada para operar sobre ella obteniendo la señal demodulada final que se desea en la recepción o viceversa en caso de transmisión. La implementación del software es una fuente de experimentación tan rica e inagotable como su contrapartida de hardware. Incluso, desde muchos puntos de vistas de varios autores, es más interesante el enfoque de software, pues una misma plataforma básica de hardware SDR puede dar lugar a múltiples proyectos de software en la medida que se implementan diferentes modos y protocolos de comunicación. De este modo, distintos enfoques de pre y post-procesamiento de las señales pueden ser manipulados a través del software. Existen varias formas de clasificar los paquetes de software, una de las más empleados es [26]: 1- Paquete Cerrado: implementa SDR de forma cerrada, agregando algoritmos y funciones fijas. Puede soportar una o más plataformas de hardware y a su vez puede o no tener el código fuente disponible. Independientemente de los aspectos que el autor de este tipo de paquetes decide habilitar para su configuración por el usuario, estos implementan los.

(40) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 27. algoritmos de decodificación con un esquema fijo y predefinido. Ello no cambia por el hecho de que el autor haga disponible las fuentes de la aplicación, la modificación de su código fuente termina con otro paquete cerrado que funciona diferente. En su funcionamiento soportan el hardware que sus autores definieron o alguno genérico, por ejemplo, tomando las señales I y Q por la placa de sonido, pero sin controlar en forma alguna el proceso de generación de las mismas. 2- Paquete Semi-Abierto (o Semi-Cerrado): implementa SDR de una forma cerrada, pero provee facilidades, normalmente en la forma de una API, para que determinados aspectos del funcionamiento puedan ser implementados externamente, el funcionamiento interno modificado o agregar soporte a plataformas de hardware no sostenidas nativamente por el paquete en su forma original. El desarrollo de este tipo de paquetes se debe a la imposibilidad de los autores del software de brindar soporte a las implementaciones que emergen a medida que prolifera la tecnología SDR incluso a los dispositivos existentes durante la conformación del software. Al mismo tiempo, puede resultar útil modificar algunos aspectos del procesamiento de las señales realizado por el programa sin necesariamente reescribir todo el paquete, tanto para experimentar nuevos modos de comunicación como mejorar los existentes. Los paquetes dentro de esta categoría proveen una API a través de la cual es posible desde un módulo externo que puede ser escrito por el usuario final, modificar parcial o totalmente el comportamiento del programa, típicamente siguiendo una estructura de una Biblioteca de Enlace Dinámico, dll por sus siglas en inglés (dinamic linked library) en el ambiente de Windows. No existe un estándar que defina el API a usar, sino que este se encuentra usualmente documentado junto con el programa, por lo que el autor define qué llamadas incluye, qué parámetros permite intercambiar y qué funciones estarán sujetas a modificaciones externas. La API no solo considera las funciones mediante las cuales el programa inicializa la dll e interactúa con un hardware.

(41) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 28. definido por esta, sino que también permite acceso al flujo de información digitalizada de audio y funciones de servicio que mediante callback (llamada hacia atrás) al programa principal, permite la modificación del comportamiento básico. Por su naturaleza esta categoría de aplicaciones es probablemente la más ajustada a las necesidades de experimentación de aficionados porque mientras permite su uso en forma directa (modos convencionales) al ser instalado, también permite prácticamente cualquier grado de experimentación (modos agregados) a esfuerzos de desarrollo razonables, dado que solo se necesita implementar el código necesario para sostener la nueva función implementada o soportar el nuevo hardware al mismo tiempo que el resto de las funciones se utilizan tal y como originalmente fueron concebidas por el autor [26]. 3- Paquete Abierto: implementa los bloques constructivos de SDR tales como mezcladores, filtros, generadores, etc. El paquete implementa algún mecanismo. mediante. el. cual. los. bloques. constructivos. pueden. interconectarse para formar distintas configuraciones de sistemas SDR. Los tipos de paquete abierto son, en realidad, plataformas de desarrollo donde los bloques funcionales empleados en el procesamiento digital de señales son disponibles en forma de módulos cuyas interfaces están definidas y deben ser interconectados en configuraciones determinadas según la implementación deseada. Para esta clasificación existen implementaciones de ejemplos que pueden ser utilizadas como guías, pero en lo general, no suelen ser ambientes que están disponibles para su uso en la radio únicamente con la instalación, usualmente es necesario primero conocer en profundidad su funcionamiento, configuración y programación para realizar implementaciones de utilidad con ellos. En general este tipo de plataformas tienen una potencia y complejidad de uso que las coloca por encima de lo que es necesario para utilizar SDR en aplicaciones de radio [26]. 2.2 Principios de software Casi todos los paquetes de software asumen disponer de la versión digital de las señales I y Q disponibles como punto de partida, que en su forma más básica.

(42) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 29. son utilizadas para demodular el modo que se desee; el resto de las funciones de control del hardware serán accesorias a la operación SDR misma y dependerán de cada implementación. Cada paquete de software implementará su propia versión de qué pasos de pre-procesamiento y post-procesamiento le agrega a la demodulación (o modulación) básica de las señales I/Q. Es obvio que cuantas más etapas de procesamiento se desee introducir más potente tiene que ser el procesador que las realice; con algoritmos razonablemente optimizados es posible realizar SDR con máquinas cuya velocidad de CPU sea 500 MHz o superior (relativamente modestas) para señales con anchos de banda procesables por una placa de sonido (algunas decenas de KHz). No hay una fórmula o algoritmo para determinar la capacidad necesaria para procesar una determinada señal, es en última instancia, un mecanismo de prueba y error. Sin embargo, no siempre los paquetes asumen o pueden asumir empezar por señales I/Q, en algunos casos es una opción de configuración no hacerlo o pueden ser obtenidas en una etapa intermedia para ser aplicados los algoritmos correspondientes y en otros casos las señales I/Q directamente no son soportadas [26]. La ventaja de los paquetes que no requieren las señales I/Q (o que pueden opcionalmente funcionar sin ellas) es que pueden ser alimentados por esquemas de recepción donde el SDR se implementa alimentado a la placa de sonido con la salida de audio de un receptor convencional de comunicaciones (con algunas excepciones esto no es estrictamente SDR la mayor parte de las veces porque la señal ya está procesada previamente por el transceiver convencional y demodulada desde su banda base por medios convencionales, pero son empleados un software y una tarjeta de sonido digitalizadora) o el SDR se procesa introduciendo a la placa de sonido una señal mono que representa una frecuencia intermedia de aproximadamente 12KHz a través de una conversión directa. Como se puede comprobar, este tipo de enfoques tiene serios problemas de ruido y rechazo de imagen debido a la falta del uso de señales con información de amplitud y fase como I y Q, pero aun así es posible aprovechar en oportunidades.

(43) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 30. funciones de demodulación y filtrado disponible en aplicaciones SDR para aumentar prestaciones que el receptor originalmente no tiene [26]. 2.3 Herramientas de software empleadas en las SDR En la actualidad existe una gran diversidad de paquetes de software con fines de desarrollo de las SDR. En el caso de los “paquetes cerrados” su instalación es típicamente muy sencilla y si bien la documentación disponible varía considerablemente de paquete en paquete las funciones básicas suelen poderse operar con un mínimo de esfuerzo de configuración. En este caso hay paquetes tanto para Linux como lo es el LINRAD, como para Windows que son los dos Sistemas Operativos más usados, entre los paquetes para Windows se encuentran: Rocky, SDR-1000, KGKSDR, PowerSDR o DSPRX. El ejemplo más notable de paquete de software con propósitos de SDR bajo la taxonomía de semi-abierto es el denominado WinRad. En el caso de los tipos de paquete de software bajo la clasificación de abiertos existe la variedad más compleja de implementación y la de mayor nivel de flexibilidad en su configuración. En este ámbito, el usuario final deberá poseer un mayor grado de conocimientos y habilidades, no solo en la rama de las radiocomunicaciones, sino que también la programación es un punto fuerte para este tipo de paquetes de software. Uno de los ambientes más complejos y sofisticados que se pueden emplear con el propósito de desarrollo de la SDR a nivel profesional es MatLab, aunque el propósito de este poderoso paquete de software es bastante más grande que la implementación SDR o incluso DSP, su costo, prestaciones y complejidad lo ubica en el extremo de la alta gama disponible. Otro potente software dedicado exclusivamente para fines SDR con la ventaja de pertenecer a la rama de software libre, lo es el ambiente GNU_Radio, desarrollado por la iniciativa del mismo nombre. Implementa un ambiente para exploración de SDR de propósito general de gran potencial donde bloques.

(44) CAPÍTULO 2. Softwares empleados en las “SDR”, GNU_Radio.. 31. constructivos provistos por el paquete (escritos típicamente en C++), hacen disponibles fuentes, filtros, demoduladores y otros muchos bloques constructivos de sistemas SDR. Estos bloques funcionales son típicamente escritos para maximizar su performance (eficiencia + eficacia) [24, 27]. Los bloques constructivos poseen funciones individuales que deben ser integradas con otros bloques (aunque existen bloques que por sí solos se pueden considerar una implementación, pero solo con fines de conocimiento) mediante un script escrito en un lenguaje llamado Python, el cual es bastante común en el ambiente Linux. Entonces, GNU_Radio es básicamente un grupo de programas o bloques constructivos para el procesamiento de señales por software, que permite al usuario final crear su propia radio por software. A través de GNU_Radio se brinda una solución a la complejidad del problema del uso del hardware y el software en SDR, además de las facilidades por su característica modular y presentar soporte sobre SO GNU\Linux como Ubuntu. También es posible la instalación en Mac y Windows, algo más complejo en este último SO utilizando la herramienta Cygwin, cuyo objetivo es portar una Interface de Sistema Operativo Portable, POSIX por sus siglas en inglés (Portable Operating System Interface, UNIX) a Windows. En el anexo 2 se muestra una guía de instalación. Ambientes como MatLab y más específicamente GNU_Radio entre otros, permiten extender de forma prácticamente ilimitada la plataforma y complejidad SDR. mediante. el. agregado. de. bloques. constructivos,. sosteniendo. las. funcionabilidades del hardware procesador de señales, de digitalización y diferentes tipos de algoritmos. Si bien la placa de sonido de la PC es portadora como. digitalizador,. estas. plataformas. son. típicamente. utilizadas. con. digitalizadores de otro tipo y de mayor potencia de procesamiento, como lo es el USRP. 2.4 GNU_Radio GNU Radio se corresponde con un software de desarrollo de herramientas de código abierto que proporciona bloques de procesamiento de señales para la.