Moduladores digitales para la radio definida por software utilizando herramientas de diseño de FPGA

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. MODULADORES DIGITALES PARA LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE DISEÑO DE FPGA. Autor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra Tutores: Dr. C. Juan Pablo Barrios Rodríguez Dra. C. Ileana Moreno Campdesuñer Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Santa Clara 2013 “Año 55 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Moduladores Digitales para la Radio Definida por Software Utilizando Herramientas de Diseño de FPGA Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática Autor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: [email protected] Tutores: Dr. C. Juan Pablo Barrios Rodríguez E-mail: [email protected] Dra. C. Ileana Moreno Campdesuñer E-mail: [email protected] Santa Clara 2013 “Año 55 de la Revolución”.

(3) Hago constar que la presente Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias Telemáticas fue realizada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de Maestría en Telemática, autorizando a que la misma sea utilizada por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentada en eventos, ni publicada 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 Tutor. __________________ Firma del Tutor. _____________________. ________________________. Firma del Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) iv. PENSAMIENTO. Deléitate asimismo en Jehová, Y él te concederá las peticiones de tu corazón. Encomienda a Jehová tu camino, Y confía en él; y él hará Salmo37.4, 5.

(5) v. DEDICATORIA. A Dios que me ha ayudado a hacer realidad este sueño. A mis padres y mis abuelos que son el tesoro más preciado que tengo en este mundo. A mis hermanas por apoyarme y estar siempre a mi lado..

(6) vi. AGRADECIMIENTOS A Dios por amarme, ayudarme a llegar hasta este momento, guiarme, haberme dado las fuerzas para superar todos los retos afrontados, y darme la sabiduría e inteligencia para realizar este trabajo. Sin ti nada hubiese podido lograr. Gracias. A mis padres por darme su amor, sabios consejos, ayuda incondicional, guiarme, dedicar gran parte de sus vidas a educarme para que pudiese llegar hasta aquí, y ser el regalo más grande que Dios me ha concedido en mi vida. Gracias. A mis abuelos por su amor, cuidarme desde niño, apoyarme en mis estudios y dejar una huella imperecedera en mi vida. A mis hermanas por su ayuda y permanecer junto a mí, brindándome su amor en los momentos de alegría y tristeza. A Barrios por su paciencia, sabios consejos, ayuda incondicional, cooperación y dedicación, sin lo cual, no hubiese podido realizar este trabajo. A Ileana por su ayuda, sabios consejos, apoyo en los momentos difíciles y su cariño brindado en la realización de esta investigación. A Sergio, mi profesor, mi amigo, que aunque no se encuentra físicamente entre nosotros, su ejemplo, sencillez, ayuda, amistad y sabios consejos, marcaron huellas imborrables en mi corazón..

(7) vii. A Eliodoro Morales, Miguel Ángel Cabrera y Elizabeth Garnica por sus consejos y cooperación. A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica que han colaborado con mi superación profesional y personal, en especial a Roche, Roberto Jiménez, Chaljub, Paliza, Vitalio, Ginori, Marlén, Héctor, Irina, Hiram, Bazán, Mendoza, José Domínguez (Pepito), Migdalia, Avertano, Curbelo, Emilio, Pedro Julio, Gretchen, David, Mario, Samuel, Carlitos, Arco y Abreu. A mis compañeros de trabajo de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, en especial a Araly, Mario Alberto, Henry, Sandy, Arnaldo, Erik, Erisbel y Jorge Luis. A mis compañeros de trabajo de la Facultad de Ciencias Sociales, en especial a Mely, Bermejo, Miguel Rojas, Yaiset y Pascual. A mis amigos Raidel, Osmany, Yoandy, Ragnia, Darelis y Elys. A mis alumnos que me imponen el reto de superarme cada día más. A mis hermanos en la fe que siempre me confortaron y sustentaron con sus oraciones y súplicas. A todos los que de una forma u otra pusieron un granito de arena para permitirme llegar hasta aquí…a ustedes infinitas GRACIAS..

(8) viii. RESUMEN La Radio Definida por Software (SDR) se ha convertido en tema de investigación en los últimos años por las ventajas que brinda en el desarrollo de las comunicaciones. La mayor parte de las plataformas SDR son implementadas en FPGAs por las facilidades que estas ofrecen, al poder comprobarse en ellas el funcionamiento de las aplicaciones desarrolladas. Los moduladores digitales son uno de los aspectos estudiados debido a la importancia que tienen en las comunicaciones. En este trabajo se desarrollan e implementan, en una FPGA Spartan 3E de la compañía Xilinx, las modulaciones digitales ASK, OOK, FSK, BPSK en dos variantes distintas, QPSK y 16QAM; utilizándose para esto los softwares System Generator, Matlab y Xilinx ISE, de los cuales se exhiben sus principales características. Asimismo, se exponen investigaciones realizadas por conocedores del tema acerca la modulación digital en SDR. Además, se explican las características principales de los esquemas de modulación anteriormente mencionados y de las FPGAs de Xilinx, resaltándose las del kit de desarrollo Nexys2 de Digilent. Al final de este informe se evalúan los sistemas desarrollados, mostrándose su funcionamiento a través de simulaciones e implementación práctica; así como los recursos lógicos usados, el gasto de potencia y el retardo ocurrido en cada uno de ellos..

(9) ix. ÍNDICE. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 15 CAPÍTULO 1.. MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE .. 21. 1.1.. Caracterización de los sistemas de comunicación digital.................................................. 21. 1.2.. Caracterización de la Radio Definida por Software .......................................................... 23. 1.2.1.. Definiciones utilizadas en SDR ................................................................................. 23. 1.2.2.. Arquitectura en SDR .................................................................................................. 24. 1.2.3.. Ventajas y desventajas de SDR .................................................................................. 26. 1.2.4.. Tecnologías relacionadas con SDR ............................................................................ 27. 1.3.. Investigaciones realizadas sobre la modulación digital en SDR ....................................... 28. 1.4.. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 38. CAPÍTULO 2.. ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE. DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX ............................................................................................. 40 2.1.. Las técnicas básicas de modulación .................................................................................. 40. 2.1.1.. Características de la modulación por desplazamiento de amplitud ........................... 41. 2.1.2.. Características de la modulación por desplazamiento de frecuencia ......................... 42. 2.1.3.. Características de la modulación por desplazamiento de fase ................................... 44. 2.1.4.. Características de la modulación de amplitud en cuadratura ..................................... 48. 2.2.. Las herramientas de simulación Xilinx ISE, Matlab y System Generator ........................ 50.

(10) x. 2.3.. Características principales de las FPGAs .......................................................................... 52. 2.3.1. 2.4.. El Kit de desarrollo Nexys2 ....................................................................................... 54. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 55. CAPÍTULO 3.. IMPLEMENTACIÓN. DE. LAS. MODULACIONES. DIGITALES. Y. RESULTADOS OBTENIDOS ........................................................................................................ 56 3.1.. Flujo de diseño elaborado para la implementación de las modulaciones .......................... 56. 3.2.. Confección de las modulaciones digitales utilizando las herramientas de simulación ..... 60. 3.2.1.. Modulación ASK ....................................................................................................... 61. 3.2.2.. Modulación OOK ....................................................................................................... 62. 3.2.3.. Modulación FSK ........................................................................................................ 63. 3.2.4.. Modulación BPSK ..................................................................................................... 63. 3.2.5.. Modulación QPSK ..................................................................................................... 65. 3.2.6.. Modulación 16QAM .................................................................................................. 65. 3.3.. Evaluación e implementación en el Kit Nexys2 de las aplicaciones confeccionadas ....... 68. 3.3.1.. Modulación ASK ....................................................................................................... 68. 3.3.2.. Modulación OOK ....................................................................................................... 72. 3.3.3.. Modulación FSK ........................................................................................................ 73. 3.3.4.. Modulación BPSK ..................................................................................................... 75. 3.3.5.. Modulación QPSK ..................................................................................................... 77. 3.3.6.. Modulación 16QAM .................................................................................................. 80. 3.4.. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 83. CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 84 RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 85 GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................................................................... 86 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 88.

(11) xi. ANEXOS.......................................................................................................................................... 93 A. 1.. Distribución de los pines utilizados en el Kit de desarrollo Nexys2 ............................. 93. A. 2.. En la modulación ASK, área del enrutamiento en la cual se desconoce lo que existe .. 94. A. 3.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación OOK.......................... 94. A. 4.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación FSK ........................... 95. A. 5.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante I de la modulación BPSK .. ....................................................................................................................................... 95. A. 6.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante II de la modulación BPSK . ....................................................................................................................................... 96. A. 7.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación QPSK ........................ 96. A. 8.. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación 16QAM ..................... 97.

(12) xii. LISTA DE FIGURAS Y TABLAS Figura 1.1 Elementos básicos de un sistema de comunicación digital. ........................................... 22 Figura 1.2 Arquitectura de un transceptor digital de radio (Nur Saffiyah, 2010). ........................... 25 Figura 1.3 Arquitectura de los componentes de software en SDR (Prakash, 2012). ....................... 26 Figura 1.4 Diagrama de Venn de la tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012). ............ 27 Figura 1.5 Modulación circular 16QAM implementada por Tariq en su trabajo investigativo. ...... 29 Figura 1.6 Modulador BPSK implementado por Popescu, Gontean y Budura. ............................... 30 Figura 1.7 Resultados obtenidos por Wei-Ming, Chen, Chiu, y Hwang en la implementación del modulador 8PSK en un analizador lógico. ....................................................................................... 32 Figura 1.8 Sistema creado por Chien-Lun Pen utilizando el software System Generator. .............. 35 Figura 1.9 Transceptor conectado al emulador del canal vehicular propuesto por Fernández. ....... 36 Figura 1.10 Modulador confeccionado por Sonmez y Akbal en el software Quartus II. ................ 37 Figura 1.11 Módulo confeccionado y simulación expuesta en el artículo realizado por García, Rey y Raymond. ...................................................................................................................................... 38 Figura 2.1 Modulación ASK (Xiong, 2000). ................................................................................... 41 Figura 2.2 Modulación OOK (Xiong, 2000). ................................................................................... 42 Figura 2.3 Modulación FSK coherente (Gontean, 2010). ................................................................ 43 Figura 2.4 Relación de fase de salida en función del tiempo para un modulador BPSK (Tomasi, 2003). ............................................................................................................................................... 45 Figura 2.5 Modulación BPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de la constelación. ..................................................................................................................................... 45.

(13) xiii. Figura 2.6 Diagrama en bloques de un transmisor QPSK (Tomasi, 2003). ..................................... 46 Figura 2.7 Fase de salida en función del tiempo en un modulador QPSK (Tomasi, 2003). ............ 46 Figura 2.8 Modulador QPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de constelación (Tomasi, 2003). ................................................................................................................................ 47 Figura 2.9 Diagrama de bloques de un transmisor 16QAM (Tomasi, 2003). .................................. 49 Figura 2.10 Diagrama de constelación y fasorial de un modulador 16QAM (Tomasi, 2003). ........ 50 Figura 2.11 Instalación del software System Generator (Rodríguez-Gallo, 2012). ......................... 51 Figura 2.12 Diagrama general de una FPGA (Jiménez, 2009). ....................................................... 53 Figura 2.13 Estructura simplificada de un Slice (Jiménez, 2009).................................................... 53 Figura 2.14 Diagrama en bloques del kit Nexys2 (Digilent, 2008). ................................................ 55 Figura 3.1 Flujo de diseño confeccionado para la implementación de los sistemas. ....................... 56 Figura 3.2 Bloque System Generator configurado. .......................................................................... 57 Figura 3.3 Bloque de salida en System Generator. .......................................................................... 58 Figura 3.4 Proyecto obtenido de la síntesis de un sistema en System Generator. ........................... 59 Figura 3.5 Interfaz de programación del software Digilent Adept. ................................................. 60 Figura 3.6 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................... 61 Figura 3.7 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................... 62 Figura 3.8 Modulación FSK implementada con System Generator................................................. 63 Figura 3.9 Variante I de la modulación BPSK implementada con System Generator. ................... 64 Figura 3.10 Variante II de la modulación BPSK implementada con System Generator. ................ 64 Figura 3.11 Modulación QPSK implementada con System Generator............................................ 66 Figura 3.12 Modulación 16QAM implementada con System Generator ........................................ 67 Figura 3.13 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................. 68 Figura 3.14 Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación ASK. ........................ 70.

(14) xiv. Figura 3.15 Muestra de Slices utilizados en la implementación de la modulación ASK. ............. 70 Figura 3.16 Esquemático de la modulación ASK. ........................................................................... 71 Figura 3.17 Modulación ASK implementada en la Tarjeta Nexys2. ............................................... 71 Figura 3.18 Resultado alcanzado de la implementación de la modulación ASK en la tarjeta Nexys2.............................................................................................................................................. 72 Figura 3.19 Modulación OOK implementada con System Generator. ............................................ 72 Figura 3.20 Modulación FSK implementada con System Generator............................................... 74 Figura 3.21 Modulación BPSK implementada con System Generator. ........................................... 75 Figura 3.22 Modulación QPSK implementada con System Generator............................................ 77 Figura 3.23 Señales en el modulador QPSK implementado con System Generator........................ 78 Figura 3.24 Señales en el demodulador QPSK implementado con System Generator. ................... 79 Figura 3.25 Modulación 16QAM implementada con System Generator. ....................................... 80 Figura 3.26 Señales en el modulador 16QAM implementado con System Generator. ................... 81 Figura 3.27 Señales en el demodulador 16QAM implementado con System Generator................. 82 Tabla 2.1 Librerías de System Generator en Simulink (Xilinx, 2011). ........................................... 52 Tabla 3.1 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación ASK. .............. 69 Tabla 3.2 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación OOK. .............. 73 Tabla 3.3 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación FSK. ............... 74 Tabla 3.4 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante I de la modulación BPSK. ............................................................................................................................................... 76 Tabla 3.5 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante II de la modulación BPSK. ............................................................................................................................................... 76 Tabla 3.6 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación QPSK. ............ 79 Tabla 3.7 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación 16QAM. ......... 82.

(15) INTRODUCCIÓN Hace algunas décadas, los sistemas de comunicación eran analógicos, pero el progreso de la tecnología hizo posible la transmisión de los datos de forma digital. Esto ha provocado en los últimos años la introducción del software en los sistemas de radio, creándose el concepto de la Radio Definida por Software (SDR), lo cual ha ocasionado una revolución en la ingeniería de radio (Islam et al., 2009). Este término fue introducido por Joseph Mitola, de la Corporación MITRE, en 1991. Los primeros en utilizarla fueron las fuerzas armadas de EE.UU. para conseguir comunicaciones permanentes en distintas bandas con un solo equipo, asegurar compatibilidad entre sistemas de comunicación de las diversas ramas: ejército, armada, fuerza aérea; y lograr adaptabilidad frente a nuevas innovaciones de componentes y equipos (Aldaz, 2009). En los sistemas SDR, el inicio y el final de la parte de radio frecuencia (RF) están confinados al control del hardware, puesto que el comportamiento es decidido por el software implementado. Actualmente, las funciones de radio en los sistemas de comunicaciones están comúnmente implementadas en un hardware dedicado (Mehta et al., 2011). Para la realización de estos sistemas se hace necesaria la utilización de dispositivos que posean un nivel de procesamiento alto para el tratamiento digital de la señal. Uno de los usados con este propósito son los Arreglos de Puertas Lógicas Programables (FPGA). A pesar de que desde la década de los ochenta del siglo XX se han logrado avances en el procesamiento de las señales digitales, se considera que el poder de procesamiento de las FPGA no es suficiente para la implementación de sistemas complejos. La potencia de procesamiento requerida se espera que esté disponible en un futuro próximo (Manjula and Sandya, 2012). Algunas compañías fabricantes de FPGA realizan grandes esfuerzos en el desarrollo de herramientas que faciliten la implementación de los sistemas SDR en sus dispositivos. Un ejemplo de esto lo constituye la compañía Xilinx, que ha desarrollado el software System Generator, el cual puede utilizarse con ese propósito..

(16) INTRODUCCIÓN 16. System Generator es una herramienta que se integra a Matlab para el diseño, simulación e implementación de circuitos en FPGA. Esta unión permite manejar un nivel de abstracción elevado y proporciona un entorno gráfico que facilita la descripción del algoritmo que se va a implementar. Además, este software traslada de forma automática el sistema confeccionado a un lenguaje de descripción de hardware (HDL). Los conocedores del tema expresan que el uso de las tecnologías SDR permitirán nuevas funciones en las comunicaciones inalámbricas. Un ejemplo de esto lo constituyen Joseph y Kumar, quienes han explicado el impacto de la utilización de SDR en las tecnologías inalámbricas de tercera y cuarta generación (3G y 4G), al poderse añadirse a las existentes, sin necesidad de desarrollar un nuevo hardware en las aplicaciones móviles y los sistemas de radio. Además, consideran que la posibilidad de definir las funcionalidades típicas de una interfaz de radio mediante software es una oportunidad para mejorar el rendimiento del sistema (Joseph and Kumar, 2012). Los moduladores son considerados por Sakla, Jain y Gautam (Sakla et al., 2010) como los requerimientos básicos de los sistemas de radio comunicación; de ahí que estos sean objeto de estudio por los investigadores de SDR. Las tres formas básicas de la modulación digital en los sistemas de transmisión de datos según indican Ginori (Lorenzo-Ginory, 1983) y Leung (Leung, 2012) son: la Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK), la Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK) y la Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK). Cuba, es un país en vías de desarrollo que se encuentra inmerso en un proceso de perfeccionamiento con el objetivo de aumentar su desarrollo económico y social. En la revisión efectuada para esta investigación en revistas prestigiosas del país y en Internet, solamente se encontró un trabajo publicado (García et al., 2012) sobre este tema por autores cubanos, lo cual demuestra la necesidad que existe de empezar a investigar en esta área. En la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Cuba, se están dando los primeros pasos en el campo de SDR, por lo que el presente trabajo podrá utilizarse como punto de partida para la implementación en el futuro de sistemas SDR más complejos que los desarrollados en esta investigación. Además, puede valorarse la utilización de los resultados alcanzados en el ámbito docente de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones.

(17) INTRODUCCIÓN 17. y Electrónica en el futuro; y así continuar avanzando en la elevación de la calidad del proceso docente educativo, cuestión que aparece reflejada en los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución (Sexto Congreso del Partido Comunista de Cuba, 2011). Teniendo en cuenta lo anterior surge como problema científico de este trabajo: ¿Qué hacer para contribuir en la investigación e implementación de las modulaciones digitales en FPGAs para la radio definida por software? La investigación tiene como objeto de estudio los moduladores digitales en la Radio Definida por Software y el objetivo general que se propone es: Desarrollar moduladores digitales para la Radio Definida por Software utilizando las herramientas modernas de diseño de FPGAs System Generator, Matlab y Xilinx ISE. El campo de acción lo constituye la investigación y programación de moduladores digitales en las herramientas de diseño System Generator, Matlab y Xilinx ISE, para su implementación en una FPGA de Xilinx. A partir del objetivo general se derivan los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar los sistemas de comunicación digital en la Radio Definida por Software a través de la consulta de información actualizada en el ámbito nacional e internacional. 2. Caracterizar esquemas de modulación digital para su implementación en herramientas de simulación. 3. Describir las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System Generator; así como la FPGA de Xilinx que se va a utilizar en la implementación de las modulaciones digitales. 4. Elaborar un flujo general de diseño para la implementación de las modulaciones digitales. 5. Implementar los moduladores digitales utilizando las herramientas de simulación para programarlos en una FPGA de Xilinx. 6. Evaluar el funcionamiento de los moduladores digitales desarrollados en las herramientas de software y en una FPGA de Xilinx. En el desarrollo de la investigación se da respuesta a las siguientes preguntas científicas:.

(18) INTRODUCCIÓN 18. . ¿Cómo se aborda en la actualidad la investigación de los sistemas de comunicaciones en la Radio Definida por Software?. . ¿Qué investigaciones se han realizado sobre la modulación digital en la Radio Definida por Software?. . ¿Cuáles son las características que poseen los moduladores digitales para implementarlos en herramientas de simulación y programarlos en una FPGA de Xilinx?. . ¿Qué particularidades poseen las herramientas de simulación y la FPGA de Xilinx que se va a utilizar para programar los moduladores digitales?. . ¿Para conseguir la implementación y evaluación de las modulaciones digitales en los softwares y la FPGA, qué flujo general de diseño elaborar?. . ¿Qué resultados se obtendrán al evaluar el funcionamiento de los moduladores digitales programados?. En correspondencia con el objetivo del presente trabajo, fue necesario aplicar los siguientes métodos de investigación científica: De Nivel Teórico: •. Histórico-lógico: Para caracterizar la evolución del proceso en los antecedentes históricos de la modulación digital en la Radio Definida por Software, desde su origen y desarrollo.. •. Inducción-deducción: Su aplicación permitió dar respuesta a las interrogantes planteadas a partir de los resultados obtenidos en las simulaciones e implementación en la FPGA, permitiendo arribar a las conclusiones de la investigación.. •. Análisis-síntesis: Permitió penetrar en la esencia del fenómeno objeto de estudio a partir de su descomposición, pudiéndose establecer nexos, comparar resultados, determinar puntos comunes y divergentes, de la modulación digital en la Radio Definida por Software; lográndose establecer los componentes de la investigación, su fundamentación, el diseño de soluciones y el análisis de los resultados.. •. La modelación: Permitió investigar y evaluar el comportamiento de las modulaciones digitales, al implementarlas en las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System Generator..

(19) INTRODUCCIÓN 19. De Nivel Empírico: •. La medición: Para comparar y evaluar el funcionamiento de las modulaciones digitales desarrolladas.. Con este trabajo se pretende aumentar los conocimientos sobre la Radio Definida por Software en los sistemas de comunicación, y al mismo tiempo, impulsar la investigación en esta área, para lo cual se desarrollan modulaciones digitales, las que son simuladas e implementadas en una FPGA. Asimismo, el flujo general de diseño elaborado traza el camino que se debe seguir para obtener resultados satisfactorios en la realización de este tipo de sistema. El impacto que se espera de este trabajo es que sirva como punto de partida para la creación en el futuro de sistemas más complejos en SDR, y que los módulos confeccionados puedan formar parte de esos nuevos proyectos investigativos; de ahí que los resultados alcanzados serán de una aplicación práctica y teórica, estando al alcance de todos los que trabajen en este tema. Su actualidad científica radica en que la Radio Definida por Software es un tema estudiado en la actualidad por los investigadores del área de las comunicaciones, no encontrándose excluidas de ese proceso las modulaciones digitales. A lo anterior se le adiciona que las herramientas de simulación utilizadas en este trabajo poseen gran prestigio y reconocimiento internacional por su versatilidad y prestaciones, siendo utilizadas en estos momentos en la realización de aplicaciones con FPGAs de Xilinx. El informe se ha estructurado de la siguiente manera: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el primer capítulo se exponen las características principales de los sistemas de comunicación digital, así como de la Radio Definida por Software. Seguidamente se presentan resultados alcanzados en trabajos investigativos que se han desarrollado sobre la modulación digital en SDR, tanto en el ámbito nacional como internacional. En el segundo capítulo se realiza una caracterización de los esquemas de modulación que se investigan en este trabajo. A continuación se exponen las herramientas de simulación Matlab,.

(20) INTRODUCCIÓN 20. Xilinx ISE y System Generator. Finalmente se explican las características principales que poseen las FPGAs y el Kit de desarrollo Nexys2 de Digilent. En el último capítulo se presenta el flujo de diseño elaborado para implementar las aplicaciones desarrolladas en una FPGA de Xilinx. Seguido se explica la programación de las modulaciones digitales en el software System Generator. Finalmente se evalúa el funcionamiento a través de la simulación e implementación en el Kit de desarrollo Nexys2 de las modulaciones digitales confeccionadas. Como culminación de este trabajo se presentan las conclusiones, recomendaciones y anexos..

(21) CAPÍTULO 1.. MODULACIÓN. DIGITAL. EN. LA. RADIO. DEFINIDA POR SOFTWARE. En el presente capítulo se realiza una caracterización de los sistemas de comunicación. Seguidamente se explica la Radio Definida por Software, mostrándose sus definiciones, arquitectura, principales ventajas y desventajas, así como tecnologías relacionadas con ella. Finalmente se presentan trabajos investigativos que se han desarrollado sobre la implementación de la modulación digital en SDR, reflejándose sus principales aportes y debilidades. 1.1. Caracterización de los sistemas de comunicación digital Los sistemas de comunicación están formados por tres componentes básicos: el transmisor, el canal y el receptor (Mehta et al., 2011). Los elementos básicos de un sistema de comunicación digital se muestran en la Figura 1.1(Tariq, 2011), (Kumar, 2010), (Gontean, 2010). El primer bloque básico que conforma el transmisor es la fuente de datos, la cual puede ser digital o analógica. A continuación se encuentra el bloque del Convertidor Analógico-Digital (ADC). En él se realiza el proceso de conversión de las señales analógicas a digitales. Seguidamente se encuentra el bloque codificador de la fuente o de compresión de los datos, el cual acepta la señal digital y la convierte en una secuencia de dígitos binarios (Proakis, 2001a). Mientras que el bloque codificador de la fuente elimina la redundancia no deseada en la información que se envía, el bloque codificador del canal, el cual se halla a continuación, introduce redundancia con el fin de evitar los errores que puedan surgir, de modo que algunos de los causados por el ruido o interferencia en el canal se puedan corregir en el receptor (Proakis, 2001a), (Xiong, 2000). Posteriormente está el bloque del modulador. Su propósito principal es trasladar los símbolos discretos en una forma de onda analógica que pueda ser transmitida a través del canal de comunicación (Proakis, 2001a), (Xiong, 2000)..

(22) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 22. Figura 1.1 Elementos básicos de un sistema de comunicación digital. A través del canal de comunicación se transmite la señal (mensaje) desde la fuente hasta el receptor. Las características de un canal de comunicación pueden variar ampliamente (Proakis, 2001a). Según el modo de transmisión se distinguen dos grupos de canales principales: los basados en la propagación guiada y los de libre propagación. Dentro del primer grupo se encuentra la fibra óptica, el cable coaxial y los canales telefónicos. El segundo grupo incluye canales inalámbricos de transmisión, canales móviles de radio y canales por satélite. Cada uno de estos tipos de canales tienen sus características específicas y el efecto del ruido es diferente en cada uno de ellos (Haykin, 2001). En el receptor, se le realiza a la señal recibida un proceso similar al efectuado en el transmisor, lo que en sentido contrario. Primero, la señal recibida es amplificada y seguidamente demodulada (Xiong, 2000). Durante este proceso se realiza la sincronización. El objetivo final del demodulador, según refleja Madhow en su trabajo (Madhow, 2008), es producir decisiones.

(23) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 23. tentativas en los símbolos transmitidos para ser enviados al decodificador del canal. A continuación, el decodificador del canal detecta y corrige los errores que se han producido en la transmisión de la señal, quitándose la redundancia. Finalmente el decodificador de la fuente recupera la señal a su forma original y la envía al usuario, utilizándose, de ser necesario, un convertidor digital-analógico (DAC). 1.2. Caracterización de la Radio Definida por Software El término de la Radio Definida por Software (SDR) fue introducido por Joseph Mitola, de la Corporación MITRE, en 1991. Su primer artículo sobre este tema fue publicado en 1992 en la IEEE National Telesystems Conference (Mitola III, 1993). Este concepto se investigó por primera vez en el área militar y se trasladó posteriormente al área de la comunicación civil (Hatai and Chakrabarti, 2010). El concepto de SDR se ha aplicado en el mercado militar de los Estados Unidos de América a través del sistema de radio táctica conjunta (JTRS), especificación que proporciona interoperabilidad entre los equipos de radio utilizados por los aviones de combate, soportando múltiples formas de onda de diversos contratistas de defensa. De la misma manera, se ha ido creando soporte para el mercado de la radio, en el cual se han introducido tecnologías como GSM, GPRS, CDMA, UMTS, WiMAX, LTE, WLAN y Bluetooth (Sreedaranath, 2010). 1.2.1. Definiciones utilizadas en SDR Existen diversas definiciones de SDR. El Foro de Innovación Inalámbrica (FII), en colaboración con el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), grupo P1900.1, ha trabajado para establecer una definición de SDR que proporcione consistencia y una visión clara de la tecnología y sus beneficios asociados. La han definido como: “La radio en la que todas o algunas de las funciones de la capa física son definidas por software” (IEEE Xplore, 2012), (Nur Saffiyah, 2010). Se considera que una radio es cualquier tipo de dispositivo que transmite en forma inalámbrica o recibe señales de frecuencia de radio (RF) del espectro electromagnético, con la finalidad de facilitar la transferencia de información. Actualmente, en el mundo, la radio existe en una multitud.

(24) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 24. de elementos tales como: teléfonos celulares, computadoras, abridores de puertas de automóviles, vehículos y televisores (Prakash, 2012). Otro de los conceptos utilizados para referirse a SDR es el que aparece en los trabajos (Gupta, 2012), (Bhuvaneshwaran et al., 2012) y (Marwanto et al., 2009), los cuales definen a SDR como un sistema de comunicación por radio que implementa en software componentes que han sido típicamente implementados en hardware, tales como filtros, amplificadores, multiplexores y moduladores; y los componentes del software son típicamente implementados en dispositivos computacionales embebidos o computadoras personales. Adicionalmente, una definición de SDR es proporcionada por el foro de SDR (Xilinx, 2012a), donde se expresa que SDR es la radio que acepta totalmente el tráfico programable y la información de control; y soporta una amplio rango de frecuencias, interfaces de aire y softwares de aplicación. El foro de SDR divide una radio entre diferentes niveles de flexibilidad. Estos son: Radio de hardware (HR): En ella los atributos del sistema no se pueden cambiar ya que la funcionalidad de la radio de hardware es fija. Sin embargo, esta radio puede utilizar un software interno, siempre que no se pueda modificar externamente (Wireless Innovation Forum, 2012). Radio Controlado por Software (SCR): Esta es la radio en la que sólo las funciones de control son implementadas en software. Por ejemplo, el nivel de potencia transmitida en una radio puede ser controlado por software, mientras que todas las otras funciones están fijas en el hardware (Wireless Innovation Forum, 2012). Radio Definida por Software (SDR): Estas son las radios que ofrecen un software de control de casi todas las funciones de radio, incluida la modulación, multiplexación, la amplificación y los mezcladores superheterodinos (Wireless Innovation Forum, 2012). 1.2.2. Arquitectura en SDR En la Figura 1.2 se muestra el diagrama de bloques de un transceptor de radio digital, a través del cual se muestran los componentes de la arquitectura de hardware en SDR. El mismo está conformado por tres secciones fundamentales: la sección de RF, la sección de frecuencia.

(25) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 25. intermedia (IF) y la sección de banda base. A continuación se explican brevemente estas tres secciones.. Figura 1.2 Arquitectura de un transceptor digital de radio (Nur Saffiyah, 2010). A. Sección de RF La sección de RF es la encargada de la transmisión y recepción de la señal recibida a través de la antena. En el proceso de recepción, se convierte la señal de RF a IF para su posterior procesamiento en la sección de IF. En el proceso de transmisión se realiza un procedimiento contrario al utilizado en el de recepción, adecuándose las señales para la transmisión en el aire. B. Sección de IF La sección de IF es la encargada de pasar la señal de IF a banda base y digitalizarla, en el caso de la recepción, o pasar la señal de banda base a IF en la transmisión. En ella se utilizan convertidores para bajar (DDC) o subir (DUC) digitalmente la señal de IF a banda base o de banda base a IF, según corresponda. C. Sección de banda base En esta sección se realizan operaciones, tales como la configuración de la conexión, la ecualización, los saltos de frecuencia, la recuperación del sincronismo de las señales, la.

(26) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 26. modulación y demodulación, entre otras. En los sistemas SDR, el procesamiento en banda base se debe efectuar a través de software (Nur Saffiyah, 2010). En la Figura 1.3 se muestra la arquitectura de los componentes de software en un sistema SDR típico (Prakash, 2012). El sistema utiliza una plataforma de hardware genérico con módulos programables (DSPs, FPGAs) y módulos analógicos de RF. El ambiente de operaciones realiza actividades de gestión de recursos de hardware como es la asignación de recursos para diferentes aplicaciones y el manejo de memoria. En el sistema SDR, los módulos de software que implementan protocolos de la capa de enlace y las operaciones de modulación/demodulación se denominan aplicaciones de radio, y estas aplicaciones proporcionan servicios de la capa de enlace para los protocolos de las capas superiores de comunicación (WAP y TCP/IP ) (Joseph Mitola, 2000).. Figura 1.3 Arquitectura de los componentes de software en SDR (Prakash, 2012). 1.2.3. Ventajas y desventajas de SDR Una de las ventajas que ofrece SDR es que el mismo dispositivo de hardware puede ser configurado para realizar diferentes funciones. Además, la capacidad de reprogramación del sistema permite la reutilización del hardware hasta que una nueva generación de plataformas de hardware esté disponible, lo cual proporciona ahorros de costos y de tiempo..

(27) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 27. Peng en su investigación (Peng, 2010) explica que las técnicas avanzadas del procesamiento de señales que implican múltiples antenas y técnicas de modulación adaptativas se pueden implementar en SDR sin necesidad de hacer cambios importantes de hardware en el transceptor, lo que evidencia su utilidad. Además, considera que los sistemas SDR pueden mejorar la interoperabilidad de diferentes sistemas, en aplicaciones como las militares, la policía, o equipos de búsqueda y rescate, al eliminarse la incompatibilidad entre ellos. Un nuevo enfoque en el diseño de la estación base inalámbrica con SDR tiene el potencial de ofrecer beneficios, tales como la reducción del tamaño, la complejidad y el consumo de energía. A lo anterior se le suma que SDR puede soportar, a la vez, una variedad de esquemas de modulación y protocolos. Si bien los SDR ofrecen beneficios, como se indicó anteriormente, también hay desventajas en su diseño e implementación. Su principal dificultad radica en el diseño del software para los diversos sistemas o estándares debido a la complejidad de estos. 1.2.4. Tecnologías relacionadas con SDR SDR puede actuar como una tecnología importante para una variedad de equipos de radio reconfigurables de tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012), de la cual se muestra en la Figura 1.4 su diagrama de Venn, y se explica brevemente a continuación.. Figura 1.4 Diagrama de Venn de la tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012)..

(28) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 28. Radio Adaptativa (AR) Es la radio en la que los sistemas de comunicaciones tienen un medio de control de su propio desempeño y modifican sus parámetros de funcionamiento para mejorar este rendimiento. El uso de las tecnologías de SDR en un sistema de radio adaptativa permite mayores grados de libertad en la adaptación, y por tanto niveles más altos de rendimiento y mejor calidad de servicio en un enlace de comunicaciones (Xilinx, 2012a). Radio Cognitiva (CR) Es la radio en la que los sistemas de comunicación son conscientes de su estado interno y del estado del medio, tal como su ubicación y la utilización del espectro de RF en ese lugar. CR fue introducida por Mitola en 1999 como una extensión de la radio de software (Le Nir and Scheers, 2012). La utilización de estos elementos es fundamental para permitir que los usuarios finales puedan hacer un uso óptimo del espectro de frecuencias disponibles y de las redes inalámbricas (Benidris et al., 2012). Radio Inteligente Es la radio cognitiva que es capaz de poseer un aprendizaje automático. Esto permite a la radio cognitiva mejorar la manera de adaptarse a los cambios en el rendimiento y del medio, para servir mejor a las necesidades del usuario final (Le Nir and Scheers, 2012). 1.3. Investigaciones realizadas sobre la modulación digital en SDR Uno de los temas tratados por los investigadores en el campo de SDR es la modulación digital. Esto se debe a que es el mecanismo básico a través del cual la información es transmitida sobre el canal de comunicación, por lo que es utilizada en protocolos de comunicación (Singh, 2012). A continuación se presentan investigaciones que se han realizado sobre esta temática. Assad Tariq en el trabajo (Tariq, 2011) investiga la modulación en un módem microondas de 10 Gbps, que fue diseñado para trabajar en la banda E del espectro radioeléctrico. Su investigación se centra en la implementación de la modulación circular 16QAM en el software System Generator de Xilinx, siendo esto su principal aporte. Además, usándose las prestaciones que brinda la.

(29) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 29. herramienta de simulación Simulink de Matlab, se le adiciona al modelo creado un Canal de Ruido Blanco Gaussiano (AWGN). El autor realiza un estudio teórico de este tipo de modulación y uno experimental a través de la Co-simulación, para lo cual utiliza dos FPGAs, una Virtex5 y una Spartan 3A. Tariq no explica en el artículo cómo confeccionó la modulación circular 16QAM en el software System Generator, solamente se limita a mostrar imágenes de la misma (Figura 1.5). Además, no expone los recursos consumidos en las dos FPGAs que utilizó en la implementación del sistema. La importancia de este trabajo radica en que forma parte de un proyecto que se originó debido a que las empresas Ericsson AB, en colaboración con la BitSim A, están investigando para alcanzar 10 Gbps en los enlaces de microondas.. Figura 1.5 Modulación circular 16QAM implementada por Tariq en su trabajo investigativo. Popescu, Gontean y Budura en el artículo (Popescu, Gontean, and Budura, 2011) presentan la simulación de un modulador BPSK usando los softwares Simulink de Matlab y el System Generator de la compañía Xilinx en su versión 12.3 (Figura 1.6). Estos investigadores explican que la tecnología FPGA ha alcanzado un rol importante en el desarrollo de la comunicación móvil debido a características que posee: flexibilidad, precisión y configurabilidad. El sistema creado se implementó en una FPGA Spartan 3E Starter Kit y los resultados obtenidos en las simulaciones fueron comparados con los alcanzados en la FPGA, aunque se precisa que no se usó ningún osciloscopio, ni la Co-simulación..

(30) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 30. Figura 1.6 Modulador BPSK implementado por Popescu, Gontean y Budura. Popescu, Gontean y Budura proponen para futuros trabajos sobre el tema, la creación de un demodulador BPSK y de un canal AWGN; y analizar el comportamiento del sistema programado a través de la Co-simulación y en un osciloscopio digital. Por su parte, algunos de estos autores, en el artículo (Popescu, Gontean, and Ianchis, 2011), presentan un modulador QPSK desarrollado en el ambiente de Simulink en Matlab, utilizando el software System Generator. El sistema después de estar confeccionado es sintetizado, obteniéndose su código VHDL, con el cual posteriormente se programa una FPGA Spartan 3E Starter Kit. Los autores utilizan la versión 12.3 del software Xilinx ISE. Al igual que en el artículo anterior (Popescu, Gontean, and Budura, 2011), los autores proponen seguir trabajando en este campo e implementar el demodulador QPSK usando esas herramientas de diseño. En el artículo (Bagga and Tripathi, 2011), Bagga y Tripahti describen una aplicación que explota la flexibilidad de SDR y está basada en el uso de rasgos estocásticos, los cuales son sacados de rasgos instantáneos con el propósito de clasificar las señales de la modulación digital. Ellas demuestran que su método es capaz de diferenciar señales ASK2, ASK4, FSK2, FSK4, PSK2 y PSK4 en la salida de un canal AWGN, ante la variación de la relación señal/ruido (SNR). Los resultados que alcanzaron son mostrados a través de gráficas y tablas. El sistema es confeccionado utilizando la herramienta de simulación Simulink de Matlab, por lo que proponen para futuros trabajos implementar en FPGAs el método creado para evaluar su efectividad, así como los distintos tipos de modulación utilizados..

(31) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 31. En el artículo (Bagga and Tripathi, 2012) las investigadoras Bagga y Tripahti explican la clasificación automática de la modulación (AMC), la cual es un procedimiento que se realiza en el receptor basándose en la señal recibida antes de efectuarse el proceso de demodulación, con el propósito de que el receptor identifique el tipo de modulación que se está utilizando. Se explica que la AMC desempeña un importante papel para la implementación de SDR en la cuarta generación de los sistemas de comunicación, y que la capacidad de seleccionar automáticamente el esquema de modulación correcto utilizado por una señal recibida desconocida, es una gran ventaja en una red inalámbrica. El método que ellas crean es implementado en el software Simulink de Matlab, y utilizan las modulaciones 2ASK, 4ASK, 2FSK, 4FSK, BPSK, QPSK y 16QAM. Los resultados que se obtienen son satisfactorios, quedando para futuros trabajos la implementación en FPGAs de las modulaciones y el método creado. Bhawna, Kaur y Lall explican en el artículo (Bhawna et al., 2012) la importancia de la utilización de las técnicas de modulación digital en SDR y en la radio cognitiva (CR), al poderse utilizar en aplicaciones militares. Ellos describen diferentes algoritmos de reconocimiento de la modulación a través de las características principales de cada una de ellas. Los autores no realizan ninguna implementación en softwares. Este trabajo aporta una revisión actualizada y da una visión general de lo que se está realizando en este campo. En el artículo (Chen et al., 2005), Wei-Ming, Chen, Chiu y Hwang presentan un generador de señales moduladas con efectos de desvanecimientos, basándose en el concepto de SDR. El sistema es implementado en una FPGA de Altera Stratix EP1S25. Los autores, usando el lenguaje de descripción de hardware Verilog, implementaron un modulador digital BPSK, uno QPSK y otro 8PSK; y además, un canal Rayleigh. En la Figura 1.7 se muestran los resultados alcanzados en un analizador lógico de la programación del modulador 8PSK. Wei-Ming, Chen, Chiu y Hwang en el artículo no muestran, ni explican ningún fragmento de los códigos en Verilog que desarrollaron..

(32) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 32. Figura 1.7 Resultados obtenidos por Wei-Ming, Chen, Chiu, y Hwang en la implementación del modulador 8PSK en un analizador lógico. En el artículo de investigación (Christos et al., 2011), Christos, junto con otros autores, explican la importancia de la implementación de la técnica de modulación digital QAM en los sistemas de multiprocesadores en chip (MPSoC) para los sistemas SDR. Ellos exponen una metodología de diseño que han creado con estos fines. Los autores presentan la arquitectura de un modulador QAM utilizando MPSoC. Además, se investiga el uso de un algoritmo de asignación de recursos de hardware y se proporcionan los resultados obtenidos en la simulación sobre el rendimiento de la modulación QAM. Los investigadores proponen que en futuros trabajos, en el sistema desarrollado, se deben incluir la transformada rápida de Fourier (FFT) y la corrección de errores hacia adelante (FEC). También plantean la necesidad de seguir investigando en la optimización del área utilizada en los dispositivos programables, así como en la reducción del consumo de potencia de estos sistemas. Hatai y Chakrabarti en el artículo (Hatai and Chakrabarti, 2010) explican sobre las investigaciones que han tenido lugar en los últimos tiempos en el área de SDR. El trabajo se enfoca en el desarrollo de un modulador programable QPSK para satisfacer la exigencia de varios estándares de comunicación inalámbricos establecidos (2G y 3G). Los autores demuestran, a través de gráficos donde utilizan el software Xilinx ISE 9.2, que el diseño propuesto es capaz de funcionar a una velocidad de datos máxima de 77 Mbps en una FPGA de Xilinx Virtex2 Pro. Los investigadores implementaron los filtros usando aritmética distribuida con el fin de reducir la complejidad computacional, lograr la reducción del consumo de energía y mejorar el rendimiento. Ellos no muestran la programación que desarrollaron en su investigación..

(33) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 33. Hederström explica en el trabajo (Hederström, 2010) la rápida evolución que están teniendo las comunicaciones móviles y que esto ha traído como consecuencia la necesidad de aumentar las razones de transmisión de los datos. El autor dice que una forma rentable de lograr lo anteriormente dicho es mediante el uso de enlaces de microondas entre las estaciones base, pero que a medida que los requerimientos en la razón de transmisión de los datos aumenta, la capacidad de los enlaces de microondas va a ir aumentando también. El investigador presenta el diseño de un banco de pruebas en una FPGA de Altera para moduladores QAM, con el propósito de ayudar en el desarrollo de la próxima generación de alta velocidad para enlaces de microondas de la banda E. Hederström implementa utilizando el software Simulink de Matlab, y posteriormente en el lenguaje de descripción de hardware Verilog, a través de la herramienta de simulación Quartus II, los moduladores QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM y 256QAM, lo cual constituye el aporte principal de esta investigación. El autor explica que este trabajo surgió en el marco de un proyecto investigativo de la universidad tecnológica de Chalmers y las compañías Ericsson AB, Gotmic AB y. Bitsim AB. La confección de demoduladores QAM se propone como tema para futuras. investigaciones. Zhang, Ma, y Liu en el artículo (Zhang et al., 2011) estudian la aplicabilidad de SDR en la estructura de un receptor de radio con la finalidad de simplificar, disminuir su costo de hardware y mejorar su portabilidad. Sobre la base de introducir el principio de la demodulación π/4-DQPSK en estos equipos, ésta se implementa en una FPGA Spartan3S400 utilizando VHDL. Los autores optimizan y verifican el funcionamiento del módulo desarrollado, lo cual demuestran a través de tablas comparativas que presentan sobre el consumo de recursos en la FPGA. Ellos arriban a la conclusión de que el sistema programado satisface las necesidades de un receptor de radio, señalándose la importancia que tiene su optimización. Tarniceriu, Lordache y Spiridon en el artículo (A. Tarniceriu et al., 2007) señalan que las modulaciones digitales BPSK, QPSK y 16QAM son utilizadas en las comunicaciones inalámbricas. Ellos analizan las características de los esquemas de modulación anteriormente mencionados, y determinan la figura de mérito de cada uno de ellos, al implementarlos en la herramienta de simulación Simulink de Matlab. En el trabajo se hace hincapié en la importancia de la figura de mérito en el contexto de SDR. Los autores manifiestan la importancia de su.

(34) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 34. investigación ya que en los estándares inalámbricos IEEE 802.16d e IEEE 802.16e se utilizan esas modulaciones. Al finalizar arriban a la conclusión de que los sistemas SDR pueden soportar varios esquemas de modulación, al poder elegir, con la ayuda de la radio digital reconfigurable, el tipo de modulación adecuado, en función de la calidad esperada en el canal de transmisión. En el artículo (Manjula and Sandya, 2012) Manjula y Sandya explican que las Redes de Área Personal (PAN) se rigen por el estándar IEEE 802.15.4. Ellos indican que debido a que la capa física IEEE 802.15.4 emplea las técnicas de modulación QPSK y BPSK, y a la importancia de su implementación para su aplicación en SDR, deciden investigarlas. La modulación QPSK es implementada en el software GNU Radio, exhibiéndose las ventajas que posee esta herramienta de programación para la implementación de sistemas SDR. Los autores se enfocan en las posibles soluciones disponibles en SDR para la creación de un transceptor BPSK utilizando el software System Generator de la compañía Xilinx, lo cual sugieren realizar en futuras investigaciones. Chien-Lun Pen en el trabajo (Peng, 2010) analiza la capa física del estándar 802.16d de la IEEE, conocido como WiMAX fijo, y programa utilizando el software System Generator el randomizer, el de-randomizer y el codificador/decodificador Reed Solomon (Figura 1.8). El resto de la capa física es confeccionada utilizando las prestaciones que brinda la herramienta Simulink de Matlab. A través de la Co-simulación se implementa en la plataforma de desarrollo SFF SDR, la cual posee una interfaz de radio para transmitir inalámbricamente los módulos desarrollados en System Generator. El análisis del sistema creado se efectúa usando la Co-simulación. Al final del trabajo Pen sugiere continuar implementando las capas físicas de los estándares inalámbricos de la IEEE en dispositivos programables como los FPGAs, para su utilización en SDR; por lo que propone, utilizando la herramienta System Generator, programar completamente la capa física IEEE 802.16d..

(35) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 35. Figura 1.8 Sistema creado por Chien-Lun Pen utilizando el software System Generator. Fernández Caramés en su tesis doctoral (Fernández, 2011) detalla los elementos necesarios para constituir un sistema basado en un prototipo rápido, capaz de efectuar comunicaciones vehiculares y evaluarlas. El investigador crea tres transceptores siguiendo las especificaciones de las capas físicas de los estándares IEEE 802.11p, IEEE 802.11a e IEEE 802.16e. En el trabajo se detallan los diferentes componentes de cada transceptor, indicando cómo conectarlos al resto del sistema para realizar la evaluación de su rendimiento, lo cual se efectuó con la ayuda de tres emuladores de canal, basados en FPGAs, capaces de recrear comunicaciones multiantena en siete escenarios vehiculares distintos, incluyendo cañones urbanos, zonas suburbanas y autopistas..

(36) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 36. Figura 1.9 Transceptor conectado al emulador del canal vehicular propuesto por Fernández. Para el desarrollo del marco de evaluación se utilizó el software Simulink de Matlab en el transceptor y el System Generator de Xilinx para el emulador del canal, el cual se implementó en una FPGA Virtex-IV (Figura 1.9). Fernández explica que System Generator es especialmente útil porque permite desarrollar el diseño del emulador del canal mucho más rápido que utilizando lenguajes de descripción de hardware convencionales como VHDL o Verilog. Sonmez y Akbal en el artículo (Sonmez and Akbal, 2012) presentan y analizan los resultados que obtuvieron en la simulación de los esquemas de modulación digital BPSK y BASK. En su estudio, los autores programaron las modulaciones en lenguaje VHDL usando el software Quartus II 9.2 (Figura 1.10). Los sistemas creados se implementaron en el kit EP3C40F780C6 de Altera..

(37) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 37. Figura 1.10 Modulador confeccionado por Sonmez y Akbal en el software Quartus II. En el trabajo (Sonmez and Akbal, 2012) también se muestra el comportamiento de la razón de bits errados de ambos esquemas de modulación, resultado de la implementación de los moduladores en el software Simulink de Matlab. Finalmente, los autores muestran el consumo de recursos en la FPGA de los módulos confeccionados. En las investigaciones efectuadas solamente se encontró un artículo realizado por autores cubanos, en este caso por los ingenieros Nelson García Rodríguez, Addis Rey Domínguez y Luis Giraldo Raymond Rodríguez, publicado en agosto de 2012 en una revista de la CUJAE, en el cual hablan del diseño en una FPGA xc5vfx70tffg1136 de un modulador DTMB para una canalización de 6MHz (García et al., 2012). Los autores realizan una propuesta de diseño para los principales módulos que intervienen en el proceso de modulación de una señal DTMB, lo cual explican teóricamente, señalando que en el estándar DTMB se definen 5 modos de mapeo: 64QAM, 32QAM, 16QAM y 4QAM, aunque solamente mencionan en su exposición, sobre la propuesta que realizan, los esquemas de modulación 4QAM y 16QAM. García, Rey y Raymond dicen que emplearon las herramientas de simulación System Generator, Xilinx ISE, Simulink de Matlab y ModelSim para el modelado y la verificación funcional del sistema que proponen, aprovechando las potencialidades que brindan las mismas. En el trabajo no muestran ningún sistema implementado ni simulado utilizando los softwares System Generator,.

(38) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 38. Xilinx ISE y ModelSim. Ellos solamente se limitan a presentar dos bloques confeccionados y simulados en Simulink, uno de los cuales se muestra en la Figura 1.11.. Figura 1.11 Módulo confeccionado y simulación expuesta en el artículo realizado por García, Rey y Raymond. 1.4. Conclusiones parciales . La Radio Definida por Software se ha convertido en tema de estudio en los últimos años, no exceptuándose de esto la modulación digital, lo cual queda expresado en la cantidad de investigaciones que se realizan sobre el tema.. . En la investigación realizada se encontró que en varios trabajos sobre esta temática los autores se limitan a presentar la implementación de algunos moduladores digitales, utilizando softwares que permiten su programación en dispositivos lógicos programables, proponiendo para futuras investigaciones el desarrollo y obtención de un código HDL para los demoduladores. En otros artículos, se implementan fragmentos de protocolos de capas físicas inalámbricas, usando herramientas de simulación que poseen bloques previamente concebidos con ese fin, dejando pendiente lo concerniente a la implementación de las modulaciones. En los pocos trabajos en que se muestran modulaciones desarrolladas en código HDL, en la mayoría de las ocasiones, los investigadores se enfocan en un solo tipo de modulación y no explican cómo realizaron su implementación en las herramientas de software..

(39) MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 39. . Sobre este tema se encontró publicado por autores cubanos un solo trabajo, en el cual no se muestra la implementación del sistema desarrollado en herramientas de simulación que permitan la generación de un código HDL, no se exhiben simulaciones que confirmen los resultados alcanzados en este tipo de software, ni se presenta su implementación en una FPGA.. Lo anteriormente expuesto en este capítulo confirma la importancia de la realización de un trabajo donde se explique y desarrolle modulaciones digitales para la Radio Definida por Software, utilizando herramientas de diseño de FPGAs..

(40) CAPÍTULO 2.. ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX. En el presente capítulo se realiza una caracterización de la Modulación por Desplazamiento de Amplitud, la Modulación por Desplazamiento de Frecuencia, la Modulación por Desplazamiento de Fase y la Modulación de Amplitud en Cuadratura. Seguido se explican las herramientas de simulación Xilinx ISE, Matlab y System Generator, exponiéndose sus principales características para la implementación de sistemas en FPGAs de la compañía Xilinx. Finalmente se muestra la arquitectura básica de las FPGAs, realizándose un acercamiento a ellas, y se presentan las características que posee la tarjeta Nexys2. 2.1. Las técnicas básicas de modulación La modulación digital, según se indica en (Arkesh, 2003) y (Proakis, 2001b), es el proceso mediante el cual los símbolos digitales son transformados en formas de onda que son compatibles con las características del canal. Otra definición utilizada es que la modulación es el proceso a través del cual la señal portadora es modificada según los cambios en la amplitud instantánea de la señal de información, dando como resultado la señal modulada (Tomasi, 2003), (Mehta et al., 2011), (Gontean, 2010). En el receptor se recupera la señal original a través de la demodulación. Hay esencialmente dos métodos comunes de demodulación o detección de señales moduladas con portadora sinusoidal. Estos son la detección coherente y la detección no coherente. El primero es el proceso en el cual la señal recibida es sincronizada en frecuencia y en fase con una portadora generada localmente. La detección no coherente no requiere la señal de referencia, evitándose los problemas de sincronización de fase y de frecuencia de la detección coherente; sin embargo, la detección de envolvente no se puede aplicar en sistemas de modulación de fase, porque este proceso elimina la fase de la señal (Briceño, 2005)..

(41) ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 41. Seguidamente se realiza una caracterización de las tres formas básicas de la modulación digital en los sistemas de transmisión de datos, a través de la cual se explican las particularidades que posee cada una de ellas con el propósito de implementarlas en herramientas de simulación. 2.1.1. Características de la modulación por desplazamiento de amplitud La Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK) es una técnica de transferencia de datos con diferente amplitud en la frecuencia de portadora (Figura 2.1). A pesar de que es sensible a la variación en el canal, en la propagación, la modulación ASK ha sido utilizada en transceptores inalámbricos de baja potencia por la simplicidad del sistema (Sonmez and Akbal, 2012).. Figura 2.1 Modulación ASK (Xiong, 2000). La modulación de encendido-apagado (OOK) es una forma especial de la modulación ASK donde el modulador pone en la salida la señal de la portadora por cada símbolo “1” y ninguna señal para.

(42) ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 42. cada símbolo “0” (Gandhiraj et al., 2011), (Gontean, 2010). Esta modulación se muestra en la Figura 2.2.. Figura 2.2 Modulación OOK (Xiong, 2000). La señal ASK tiene la forma (Briceño, 2005): ∞. 𝑥𝐴𝑆𝐾 = 𝐴 � 𝑏𝑖 ∙ cos(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝛷) ∙ � 𝑁=−∞. Donde 𝑏𝑖 =. 𝑡 − 𝑛𝑇𝑏 𝑇𝑏. 2. 1. 1 si se transmite un “1” 0 si se transmite un “0”. A y 𝑓𝑐 son la amplitud y frecuencia de la portadora, respectivamente; 𝑇𝑏 es el intervalo de. señalización y 𝛷𝑐 un desfase inicial constante. En general, se verifica que 𝑓𝑐 >> 𝑓𝑏 =. es la frecuencia de señalización.. 1. 𝑇𝑏. , donde 𝑓𝑏. 2.1.2. Características de la modulación por desplazamiento de frecuencia En la Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK) la información digital es codificada en la frecuencia de la portadora sinusoidal. Las principales ventajas de FSK son su simplicidad, bajo costo de implementación y buen nivel de rendimiento, especialmente en condiciones de desvanecimiento de señal (H.Hguyeu and E.Shwedyle, 2009)..

(43) ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 43. En la modulación FSK por cada símbolo “1” una señal de alta frecuencia es transmitida, y por cada símbolo “0” una señal de baja frecuencia es transmitida, es decir, el esquema FSK usa dos señales con diferentes frecuencias para representar el “1” y el “0” (Xiong, 2000). Si las señales son (Xiong, 2000): 𝑠1 (t) = 𝐴 cos(2𝜋𝑓1 𝑡 + 𝜑1 ) ,. 𝑠2 (t) = 𝐴 cos(2𝜋𝑓2 𝑡 + 𝜑2 ) ,. kT ≤ t ≤ (k + 1)T,. kT ≤ t ≤ (k + 1)T,. para 1. para 0. 2.2. Donde 𝜑1 y 𝜑2 son la fase inicial a t = 0, y T es el período del bit de los datos binarios. Estas dos. señales son no coherentes puesto que 𝜑1 y 𝜑2 no son generalmente las mismas. En este caso la forma de onda no es continua en la transición de los bits. Esta forma de FSK se llama FSK no coherente o FSK discontinua (Xiong, 2000).. El segundo tipo de FSK es la coherente (Figura 2.3), y es donde las dos señales tienes la misma fase (𝜑). En este caso las frecuencias 𝑓1 y 𝑓2 están sincronizadas (Xiong, 2000).. Figura 2.3 Modulación FSK coherente (Gontean, 2010)..