Radio definida por software:

Resumen

La Radio definida por software o SDR ( del inglés Software Defined Radio) es un sistema de radiocomunicaciones donde varios de los componentes típicamente realizados en hardware (mezcladores, filtros, moduladores/demoduladores, detectores, etc) son implementados en software, utilizando una computadora personal u otros dispositivos de computación embebida. Aunque el concepto de SDR no es nuevo, la reciente evolución de la circuitería digital ha hecho posible desde el punto de vista práctico muchos de los procesos que tiempo atrás eran solamente posibles desde el punto de vista teórico.

Introducción

Desde los comienzos de la radioafición ha sido un gran aliciente para nosotros la posibilidad de construir nuestros propios equipos y ponerlos a prueba por medio de los más variados desafíos como por ejemplo los concursos. Sin embargo, las exigencias en el rendimiento de tales equipos que requerían de técnicas cada vez más complejas en lo tocante a la circuitería fueron alejando a los aficionados del quehacer técnico de la construcción, favoreciendo más bien la adquisición de equipos comerciales. Tales equipos, desarrollados por empresas con ingenieros de grandes conocimientos, así como la fabricación a gran escala, incluyendo componentes hecho a medida, han permitido disponer de dispositivos de altas prestaciones muy superiores a los fabricados artesanalmente y han cambiado los retos de los radioaficionados. Muchas de estas altas prestaciones se están logrando hoy en día por medio de estrategias de software al casi haberse alcanzado el límite de lo que se pueda lograr con los circuitos analógicos. Es por ello que cuando leemos las especificaciones de los equipos modernos, de manera abrumadora no topamos con las siglas SDR (Software Defined Radio). Los SDR son de gran utilidad tanto en los servicios de telefonía celular como en el ámbito militar, pues en ambos se manejan varios protocolos en tiempo real, que cambian de necesidad casi constantemente.

A largo plazo, se prevé que los radios definidos por software se conviertan en la tecnología dominante en radiocomunicaciones, pues es la vía que permite llegar a la radio cognitiva.

Radio por hardware

Todos estamos familiarizados con la idea de utilizar un hardware para realizar la demodulación de una señal modulada. Por ejemplo, para detectar una señal de AM utilizamos un detector de envolvente que es un circuito constituido por un diodo, un capacitor y una resistencia como el siguiente:

De igual manera con cualquiera de los tipos de modulación que usualmente utilizamos, se necesita de un circuito diferente para cada tipo de modulación. Es más, cuando cambiamos de frecuencia, aunque utilicemos el mismo tipo de circuito, los valores de los componentes deberán cambiar de manera acorde. Esto hace a esta solución extremadamente rígida lo que dificulta su empleo en situaciones donde deba cambiarse frecuentemente la frecuencia de operación como en el caso de aplicaciones militares. Lo que acabamos de mencionar no sólo se aplica a los receptores sino también a los transmisores.

Sin embargo, toda esta circuitería es simplemente una implementación por hardware de unas operaciones matemáticas. Por ejemplo, en el caso de AM la señal de salida del modulador se obtiene simplemente de la multiplicación de la moduladora (más un pedestal de DC) por una portadora sinusoidal. Por tanto, para cada tipo de modulación representada por una función matemática hemos realizado un circuito que realiza esa operación utilizando bobinas, condensadores, resistencias, diodos, amplificadores, etc.

La modulación como software

Cabe entonces preguntarse,

¿no sería posible realizar todas las operaciones matemáticas en un computador y finalmente llevar el resultado a un convertidor DAC para obtener una señal eléctrica que podamos enviar a la atmósfera (en el caso del transmisor) o al operador (en el caso del receptor)?

Hasta hace pocos años esto era apenas un sueño debido a la poca capacidad de procesamiento disponible, pero hoy en día se dispone de procesadores capaces de realizar las operaciones necesarias y a costos razonables.

Esencialmente toda modulación consiste en una transformación donde una señal de información de baja frecuencia (usualmente denominada banda base) es convertida a una frecuencia más alta para su transmisión. La demodulación es esencialmente la transformación opuesta donde la señal de alta frecuencia es procesada para recuperar la banda base.

La modulación como software

Formalmente, esto se escribiría como:

Donde a(t) y A(t) son dos representaciones de la misma información sólo que en planos diferentes (en nuestro caso diríamos que en frecuencias diferentes). La función k(t,t) es el kernel de la transformación. Aunque en la definición se usaron integrales que se extienden infinitamente, en la práctica los kernels que usamos son de duración limitada al igual que las señales por lo que se prestan para su procesamiento numérico.

Entonces, cada operación que realicemos en nuestros equipos de comunicaciones puede realizarse en forma numérica; sólo es cuestión de definir el kernel adecuado para cada una de ellas.

La idea de trabajar con transformaciones no es ajena a nuestro quehacer como radioaficionados por cuanto podemos representar una misma señal en el plano tiempo o en el plano frecuencia; el paso de uno a otro se hace por medio de la transformada de Fourier.

La idea misma del “espectro” de radio es consustancial con el concepto de transformada. De hecho, cuando como radioaficionados exploramos la banda con nuestro analizador de espectros en busca de una frecuencia desocupada para llamar CQ o por el contrario cuando estamos en búsqueda de un pile-up estamos captando una gran cantidad de señales en nuestra antena que son transformadas a una representación conveniente en nuestro display para ayudarnos en esa búsqueda.

Un poco de historia

Acabamos de decir que para cada tipo de modulación conocida necesitaríamos cambiar de hardware por ejemplo de AM, a FM, o PSK o CDMA, o cualquier otra. ¿Y que pasa si, ante una señal desconocida no conocemos de antemano el tipo de modulación? ¿Si tampoco sabemos de antemano en que frecuencia va a transmitir? ¿Cómo podemos mantener una vigilancia continua del espectro en espera de una señal que no sabemos cómo ni cuando llegará?

Los científicos de SETI se enfrentaron con esta necesidad desde mediados de los años 80’s cuando fue creado el instituto SETI, The Search for Extraterrestrial Intelligence, es una ciencia exploratoria que busca evidencia de vida en el universo buscando alguna huella de su tecnología. Más allá de cualquier especulación al respecto, desde el punto de vida estadístico, es posible demostrar que no estamos solos en el universo, sólo que aún no se cuenta con la evidencia necesaria para demostrarlo. Para ello es necesario analizar exhaustivamente las señales captadas desde el espacio utilizando equipos de banda ancha y capaces de adaptarse fácilmente a una variedad de formas de modulación, ya que no se sabe de antemano en qué frecuencia y en qué tipo de modulación pudiera estarse realizando la supuesta transmisión. Evidentemente que esto no puede hacerse con un radio ordinario.

10 años antes de SETI, el Departamento de Defensa (DoD) de los Estados Unidos había encargado a uno de sus laboratorios una investigación para el análisis de señales de banda base basado en software. La prueba de concepto de tal receptor culminó en 1984 cuando se popularizó el término “Software Radio”.

Para esa época el ejército de los Estados Unidos ya disponía de radios ágiles en frecuencia que utilizaban FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum) para evadir la intercepción enemiga, así como jammers de radar. La implementación de tales equipos representaba un peso adicional para los aviones caza que limitaba su alcance operacional. El desarrollo de SDR continuó durante toda la década de los 80 y comienzos de los 90’s, justo a tiempo para cuando culminaba la primera generación de teléfonos celulares.

La segunda generación de telefonía celular utilizando modulaciones digitales requería de radio capaces de cambiar rápidamente no sólo de portadora sino también de modulación.

Cuando un teléfono portátil envía una solicitud exitosa de comunicación a través del canal de control a la radio base, esta le asigna un canal lógico a través del cual realizar su conversación. Este canal lógico es una frecuencia y una ranura de tiempo en el caso de GSM y en el caso CDMA es un código que constituye los coeficientes de un polinomio.

Esto no sólo requiere de un radio ágil en frecuencia para saltar a la frecuencia asignada, sino que además el radio debe monitorear hasta 6 canales de control de las celdas adyacentes para realizar una operación de cambio de celdas llamada “hands-off”.

Si no fuese posible disponer de radios ágiles en frecuencia se requerirían radios individuales para cada una de estas labores lo cual encarece el costo del celular, así como su peso y el consumo de energía.

Estandarización

A pesar de haber nacido en el ambiente militar las aplicaciones civiles del SDR han requerido de una estandarización necesaria para una producción masiva de componentes que puedan inter-operar entre diferentes fabricantes.

La tendencia ha sido ir hacia una Arquitectura Abierta denominada SCA (Software Communications Architecture) que a su vez impone el uso de CORBA sobre POSIX como sistemas operativos para coordinar los distintos módulos de software. Hoy en día se dispone de diversas herramientas para el desarrollo y la educación en SDR a través del proyecto OSSIE (Open Source SCA Implementation-Embedded). El proyecto SCARI describe una implementación abierta del SCA que se puede descargar desde la página del Wireless Innovation Forum.

Los Radioaficionados y SDR

Los radioaficionados comenzaron a incursionar en SDR en los comienzos de los años 90’s utilizando chips de la Texas Instruments como el famoso TM320C30 el cual dio paso posteriormente al C40. La implementación típica para radioaficionados utiliza un receptor de conversión directa pero, a diferencia de los utilizados en el pasado, los actuales utilizan detectores de muestreo en cuadratura (y también excitadores de muestreo en cuadratura para el transmisor). 

Como siempre, el performance de estos SDR está vinculado a la gama dinámica de los convertidores análogo-digitales utilizados.

Digitalización de las señales

Las señales de RF se trasladan a una banda más baja (usualmente audio) y se muestrean con un ADC de altas prestaciones. Las primeras generaciones de SDR utilizaban las tarjetas de audio de los PC para esta funcionalidad, pero algunos de los equipos basados en SDR más nuevos utilizan sus propios ADCs para proveer una mayor gama dinámica y una mayor resistencia al ruido y la interferencia de RF.

Las operaciones de procesamiento digital de señales se hacen en el PC utilizando un software específico para la plataforma de hardware del radio. Existe una librería de estos softwares para SDR llamada DttSP.

El Software

El software de SDR lleva a cabo todo el filtrado, demodulación y mejoramiento de la señal. Se incluyen todos los modos comunes de modulación de aficionados como: morse, single sideband, modulación en frecuencia, modulación de amplitud, y modos digitales como radioteletipo, slow-scan tv y packet radio. Se incluyen también nuevos métodos de modulación como por ejemplo COFDM utilizada en el proyecto Digital Radio Mondiale promovido por el proyecto DREAM.

El Hardware

Hay una gran variedad de plataformas para radio aficionados y para el mercado doméstico. Hay soluciones de grado profesional como Zeus ZS-1 o Flex Radio que cuestan cientos de dólares pero también hay módulos de construcción para proyectos caseros como el SoftRock SDR kit o el PicAStar. Otros proyectos se han basado en dongles de TV de bajo costo como los que usan los chips de Realtek RTL2832U.

Algunos Proyectos basados en SDR

WebSDR:

Un proyecto liderado por Pieter-Tjerk de Boer denominado WebSDR provee acceso vía browser a múltiples receptores SDRs alrededor del mundo vía Internet para cubrir todo el espectro de RF de onda corta. 

HamSphere:

Este es otro proyecto basado en SDR que permite acceder a equipos de radioaficionados miembros a través de la red. La interfaz permite una simulación muy realista de un equipo y permite el intercambio de mensajes entre las personas como si se tratase de un QSO vía aire.

Conclusión

La aparición del concepto de Radio Definido por Software acompañado de una plataforma de hardware estandarizada que ha permitido bajar los costos de producción debido a la Ley de Moore, ha permitido el desarrollo de un gran número de aplicaciones tanto en el ámbito militar como en el civil, en especial las relacionadas con las tecnologías de última milla de las redes celulares (3G, 4G, LTE, etc.) y de la televisión digital.

Debido a la utilización de software libre se espera un desarrollo sostenido de nuevas aplicaciones a bajo costo. Esto significa para nosotros los radioaficionados la oportunidad de volver a la experimentación ya que en lugar de montar circuitos en una placa base como un protoboard, desarrollaremos código que se monta sobre una circuitería estándar de bajo costo.

Luis J. Fernández YV5EWX

luisjacintofernanlu@gmail.com  

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