Radio definida por software
La radio definida por software (SDR) es un sistema de comunicación por radio en el que los componentes que se han implementado tradicionalmente en hardware analógico (por ejemplo, mezcladores, filtros, amplificadores, moduladores/demoduladores), detectores, etc.) se implementan por medio de software en una computadora personal o sistema integrado. Si bien el concepto de SDR no es nuevo, las capacidades de rápida evolución de la electrónica digital hacen prácticos muchos procesos que antes solo eran teóricamente posibles.
Un sistema SDR básico puede consistir en una computadora personal equipada con una tarjeta de sonido u otro convertidor de analógico a digital, precedido por algún tipo de interfaz de RF. Cantidades significativas de procesamiento de señales se entregan al procesador de propósito general, en lugar de realizarse en hardware de propósito especial (circuitos electrónicos). Tal diseño produce una radio que puede recibir y transmitir protocolos de radio muy diferentes (a veces denominados formas de onda) basándose únicamente en el software utilizado.
Las radios de software tienen una utilidad significativa para los servicios militares y de telefonía celular, los cuales deben servir una amplia variedad de protocolos de radio cambiantes en tiempo real. A largo plazo, defensores como el Wireless Innovation Forum esperan que las radios definidas por software se conviertan en la tecnología dominante en las comunicaciones por radio. Los SDR, junto con las antenas definidas por software, son los habilitadores de la radio cognitiva.
Principios de funcionamiento
Los receptores superheterodinos utilizan un VFO (oscilador de frecuencia variable), un mezclador y un filtro para sintonizar la señal deseada a una IF común (frecuencia intermedia) o banda base. Por lo general, en SDR, el convertidor de analógico a digital muestrea esta señal. Sin embargo, en algunas aplicaciones no es necesario sintonizar la señal a una frecuencia intermedia y el convertidor de analógico a digital muestrea directamente la señal de radiofrecuencia (después de la amplificación).
Los convertidores de analógico a digital reales carecen del rango dinámico para captar señales de radio de submicrovoltios y nanovatios de potencia producidas por una antena. Por lo tanto, un amplificador de bajo ruido debe preceder al paso de conversión y este dispositivo presenta sus propios problemas. Por ejemplo, si hay señales espurias presentes (lo cual es típico), estas compiten con las señales deseadas dentro del rango dinámico del amplificador. Pueden introducir distorsión en las señales deseadas o pueden bloquearlas por completo. La solución estándar es colocar filtros de paso de banda entre la antena y el amplificador, pero estos reducen la flexibilidad de la radio. Las radios de software reales a menudo tienen dos o tres filtros de canales analógicos con diferentes anchos de banda que se activan y desactivan.
La flexibilidad de SDR permite el uso dinámico del espectro, lo que alivia la necesidad de asignar estáticamente los escasos recursos espectrales a un único servicio fijo.
Historia
En 1970, un investigador de un laboratorio del Departamento de Defensa de los Estados Unidos acuñó el término "receptor digital". Un laboratorio llamado Gold Room en TRW en California creó una herramienta de análisis de banda base de software llamada Midas, que tenía su funcionamiento definido en el software.
En 1982, mientras trabajaba bajo un contrato del Departamento de Defensa de EE. UU. en RCA, el departamento de Ulrich L. Rohde desarrolló el primer SDR, que usaba el chip COSMAC (computadora de matriz monolítica de simetría complementaria). Rohde fue el primero en presentar este tema con su charla de febrero de 1984, "Radio HF digital: una muestra de técnicas" en la Tercera Conferencia Internacional sobre Sistemas y Técnicas de Comunicación HF en Londres.
En 1984, un equipo de Garland, Texas, División de E-Systems Inc. (ahora Raytheon) acuñó el término "software de radio" para referirse a un receptor de banda base digital, según lo publicado en el boletín de la empresa E-Team. Una 'prueba de concepto de software de radio' El laboratorio fue desarrollado por el equipo de E-Systems que popularizó Software Radio dentro de varias agencias gubernamentales. Esta Radio de software de 1984 era un receptor de banda base digital que proporcionaba cancelación y demodulación de interferencias programables para señales de banda ancha, generalmente con miles de derivaciones de filtro adaptativo, utilizando múltiples procesadores de matriz que accedían a la memoria compartida.
En 1991, Joe Mitola reinventó de forma independiente el término software de radio para un plan para construir una estación base GSM que combinaría el receptor digital de Ferdensi con los bloqueadores de comunicaciones controlados digitalmente de E-Systems Melpar para un verdadero software. transceptor basado en E-Systems Melpar vendió la idea del software de radio a la Fuerza Aérea de EE. UU. Melpar construyó un prototipo de comandantes' terminal táctica en 1990-1991 que empleaba procesadores Texas Instruments TMS320C30 y conjuntos de chips receptores digitales Harris con transmisión sintetizada digitalmente. El prototipo de Melpar no duró mucho porque cuando la División ECI de E-Systems fabricó las primeras unidades de producción limitada, decidió 'tirar esas placas C30 inútiles', reemplazándolas con filtrado de RF convencional en transmisión y recibir, volviendo a una radio de banda base digital en lugar de SpeakEasy como IF ADC/DAC del prototipo de Mitola. La Fuerza Aérea no permitió que Mitola publicara los detalles técnicos de ese prototipo, ni permitió que Diane Wasserman publicara las lecciones aprendidas sobre el ciclo de vida del software relacionado porque lo consideraban una "ventaja competitiva de la USAF". Entonces, en cambio, con el permiso de la USAF, en 1991, Mitola describió los principios de la arquitectura sin detalles de implementación en un artículo, "Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions" que se convirtió en la primera publicación de IEEE en emplear el término en 1992. Cuando Mitola presentó el artículo en la conferencia, Bob Prill de GEC Marconi comenzó su presentación siguiendo a Mitola con: "Joe tiene toda la razón sobre la teoría de un software de radio y estamos construyendo uno." Prill presentó un artículo de GEC Marconi sobre PAVE PILLAR, un precursor de SpeakEasy. SpeakEasy, la radio de software militar fue formulada por Wayne Bonser, entonces del Rome Air Development Center (RADC), ahora Rome Labs; por Alan Margulies de MITRE Rome, NY; y luego la teniente Beth Kaspar, la gerente original del proyecto DARPA SpeakEasy y por otros en Roma, incluido Don Upmal. Aunque las publicaciones de IEEE de Mitola resultaron en la huella global más grande para la radio por software, Mitola atribuye en privado al laboratorio del Departamento de Defensa de la década de 1970 con sus líderes Carl, Dave y John la invención de la tecnología de receptor digital en la que basó la radio por software una vez que era posible transmitir vía software.
Unos meses después de la Conferencia Nacional de Telesistemas de 1992, en una revisión del programa corporativo de E-Systems, un vicepresidente de E-Systems Garland Division objetó el uso del término por parte de Melpar (Mitola) "programa de radio" sin crédito a Garland. Alan Jackson, vicepresidente de marketing de Melpar en ese momento, le preguntó al vicepresidente de Garland si su laboratorio o sus dispositivos incluían transmisores. El vicepresidente de Garland dijo: "No, por supuesto que no, el nuestro es un receptor de radio de software". Al respondió: 'Entonces es un receptor digital pero sin transmisor, no es una radio de software'. El liderazgo corporativo estuvo de acuerdo con Al, por lo que se mantuvo la publicación. Muchos operadores de radioaficionados e ingenieros de radio HF se dieron cuenta del valor de digitalizar HF en RF y de procesarlo con los procesadores de señal digital (DSP) Texas Instruments TI C30 y sus precursores durante la década de 1980 y principios de la de 1990. Los ingenieros de radio de Roke Manor en el Reino Unido y de una organización en Alemania habían reconocido los beneficios de ADC en RF en paralelo. La publicación de Mitola del software de radio en el IEEE abrió el concepto a la amplia comunidad de ingenieros de radio. Su número especial de mayo de 1995 de IEEE Communications Magazine con la portada "Software Radio" fue considerado como un hito con miles de citas académicas. Mitola fue presentado por Joao da Silva en 1997 en la Primera Conferencia Internacional sobre Software Radio como "padrino" de software radio en gran parte por su voluntad de compartir una tecnología tan valiosa 'en el interés público'.
Quizás el primer transceptor de radio basado en software fue diseñado e implementado por Peter Hoeher y Helmuth Lang en el Establecimiento de Investigación Aeroespacial Alemán (DLR, anteriormente DFVLR) en Oberpfaffenhofen, Alemania, en 1988. Transmisor y receptor de un satélite digital adaptativo módem se implementaron de acuerdo con los principios de una radio de software, y se propuso una periferia de hardware flexible.
En 1995, Stephen Blust acuñó el término "radio definida por software" y publicó una solicitud de información de Bell South Wireless en la primera reunión del foro Modular Multifunction Information Transfer Systems (MMITS) en 1996, organizada por la USAF y DARPA en torno a la comercialización de su programa SpeakEasy II. Mitola se opuso al término de Blust, pero finalmente lo aceptó como un camino pragmático hacia la radio de software ideal. Aunque el concepto se implementó por primera vez con un IF ADC a principios de la década de 1990, las radios definidas por software tienen su origen en los sectores de defensa de EE. UU. y Europa a fines de la década de 1970 (por ejemplo, Walter Tuttlebee describió una radio VLF que usaba un ADC y un 8085 microprocesador), aproximadamente un año después de la Primera Conferencia Internacional en Bruselas. Una de las primeras iniciativas públicas de software de radio fue el proyecto militar de la DARPA y la Fuerza Aérea de EE. UU. denominado SpeakEasy. El objetivo principal del proyecto SpeakEasy era usar el procesamiento programable para emular más de 10 radios militares existentes, operando en bandas de frecuencia entre 2 y 2000 MHz. Otro objetivo del diseño de SpeakEasy era poder incorporar fácilmente nuevos estándares de codificación y modulación en el futuro, para que las comunicaciones militares puedan seguir el ritmo de los avances en las técnicas de codificación y modulación.
En 1997, Blaupunkt introdujo el término "DigiCeiver" para su nueva gama de sintonizadores basados en DSP con Sharx en radios para automóviles como Modena & Lausana RD 148.
SpeakEasy fase I
De 1990 a 1995, el objetivo del programa SpeakEasy fue demostrar una radio para el grupo de control aéreo terrestre táctico de la Fuerza Aérea de los EE. ágiles VHF, FM y SINCGARS), radios del Ejército del Aire (VHF AM), Radios Navales (teleimpresores VHF AM y HF SSB) y satélites (microondas QAM). Algunos objetivos particulares eran proporcionar un nuevo formato de señal en dos semanas desde un principio y demostrar una radio en la que varios contratistas pudieran conectar piezas y software.
El proyecto se demostró en el ejercicio de combate avanzado TF-XXI y demostró todos estos objetivos en una radio que no es de producción. Hubo cierto descontento con la falla de estas primeras radios de software para filtrar adecuadamente las emisiones fuera de banda, emplear más que los modos interoperables más simples de las radios existentes y perder conectividad o colapsar inesperadamente. Su procesador criptográfico no podía cambiar de contexto lo suficientemente rápido como para mantener varias conversaciones de radio al aire a la vez. Su arquitectura de software, aunque bastante práctica, no se parecía a ninguna otra. La arquitectura SpeakEasy se perfeccionó en el MMITS Forum entre 1996 y 1999 e inspiró al equipo de procesos integrados (IPT) del Departamento de Defensa para sistemas de comunicaciones modulares programables (PMCS) para proceder con lo que se convirtió en el Sistema de radio táctico conjunto (JTRS).
La disposición básica del receptor de radio usaba una antena que alimentaba un amplificador y un convertidor descendente (ver Mezclador de frecuencia) que alimentaba un control automático de ganancia, que alimentaba un convertidor analógico a digital que estaba en un VMEbus de computadora con una gran cantidad de procesadores de señal digital (Texas Instruments C40s). El transmisor tenía convertidores de digital a analógico en el bus PCI que alimentaban un convertidor ascendente (mezclador) que conducía a un amplificador de potencia y una antena. El rango de frecuencia muy amplio se dividió en unas pocas subbandas con diferentes tecnologías de radio analógicas que alimentaban los mismos convertidores de analógico a digital. Desde entonces, esto se ha convertido en un esquema de diseño estándar para radios de software de banda ancha.
SpeakEasy fase II
El objetivo era obtener una arquitectura reconfigurable más rápidamente, es decir, varias conversaciones a la vez, en una arquitectura de software abierta, con conectividad entre canales (la radio puede "puente" diferentes protocolos de radio). Los objetivos secundarios eran hacerlo más pequeño, más barato y con menos peso.
El proyecto produjo una radio de demostración solo quince meses después de un proyecto de investigación de tres años. Esta demostración fue tan exitosa que se detuvo el desarrollo posterior y la radio entró en producción con solo un rango de 4 MHz a 400 MHz.
La arquitectura de software identificó interfaces estándar para diferentes módulos de la radio: "control de frecuencia de radio" para administrar las partes analógicas de la radio, "control de módem" recursos gestionados para esquemas de modulación y demodulación (FM, AM, SSB, QAM, etc.), "procesamiento de formas de onda" los módulos realmente realizaron las funciones de módem, "procesamiento de claves" y "procesamiento criptográfico" gestionaba las funciones criptográficas, un "multimedia" módulo hizo procesamiento de voz, una "interfaz humana" proporcionado controles locales o remotos, había un "enrutamiento" módulo para servicios de red, y un "control" módulo para mantener todo en orden.
Se dice que los módulos se comunican sin un sistema operativo central. En cambio, se envían mensajes a través del bus de la computadora PCI con un protocolo en capas.
Como proyecto militar, la radio distinguía fuertemente "rojo" (datos secretos no seguros) y "negro" (datos protegidos criptográficamente).
El proyecto fue el primero conocido en utilizar FPGA (matrices de puertas programables en campo) para el procesamiento digital de datos de radio. El tiempo para reprogramarlos era un problema que limitaba la aplicación de la radio. Hoy en día, el tiempo para escribir un programa para un FPGA sigue siendo significativo, pero el tiempo para descargar un programa FPGA almacenado es de alrededor de 20 milisegundos. Esto significa que un SDR podría cambiar los protocolos de transmisión y las frecuencias en una quincuagésima parte de un segundo, lo que probablemente no sea una interrupción intolerable para esa tarea.
Años 2000
El sistema SpeakEasy SDR en 1994 usa un procesador de señal digital (DSP) CMOS TMS320C30 de Texas Instruments, junto con varios cientos de chips de circuitos integrados, con la radio llenando la parte trasera de un camión. A fines de la década de 2000, el surgimiento de la tecnología RF CMOS hizo que fuera práctico escalar todo un sistema SDR a un solo sistema de señal mixta en un chip, lo que Broadcom demostró con el procesador BCM21551 en 2007. El Broadcom BCM21551 tiene funciones prácticas aplicaciones comerciales, para uso en teléfonos móviles 3G.
Uso militar
Estados Unidos
El Sistema de radio táctico conjunto (JTRS) fue un programa del ejército de los EE. UU. para producir radios que proporcionaran comunicaciones flexibles e interoperables. Ejemplos de terminales de radio que requieren soporte incluyen radios portátiles, vehiculares, aerotransportadas y desmontadas, así como estaciones base (fijas y marítimas).
Este objetivo se logra mediante el uso de sistemas SDR basados en una arquitectura de comunicaciones de software (SCA) abierta respaldada internacionalmente. Este estándar utiliza CORBA en sistemas operativos POSIX para coordinar varios módulos de software.
El programa proporciona un nuevo enfoque flexible para satisfacer las diversas necesidades de comunicación de los soldados a través de la tecnología de radio programable por software. Toda la funcionalidad y capacidad de expansión se basan en el SCA.
La flexibilidad de los SDR da como resultado una complejidad costosa, la incapacidad de optimizar, una capacidad más lenta para aplicar la última tecnología y, en raras ocasiones, una necesidad táctica del usuario (ya que todos los usuarios deben elegir y quedarse con la misma radio si quieren comunicarse).).
La SCA, a pesar de su origen militar, está siendo evaluada por proveedores de radios comerciales para su aplicabilidad en sus dominios. Sin embargo, la adopción de marcos SDR de uso general fuera de los usos militares, de inteligencia, experimentales y aficionados se ve obstaculizada de forma inherente por el hecho de que los usuarios civiles pueden conformarse más fácilmente con una arquitectura fija, optimizada para una función específica y, como tal, más económica. en aplicaciones de mercado masivo. Aún así, la flexibilidad inherente de la radio definida por software puede generar beneficios sustanciales a largo plazo, una vez que los costos fijos de implementación se hayan reducido lo suficiente como para superar el costo del rediseño iterado de los sistemas creados específicamente. Esto explica entonces el creciente interés comercial en la tecnología.
El software de infraestructura basado en SCA y las herramientas de desarrollo rápido para la educación y la investigación de SDR son proporcionados por el proyecto Implementación de SCA de código abierto integrado (OSSIE). El Wireless Innovation Forum financió el proyecto de implementación de referencia SCA, una implementación de código abierto de la especificación SCA. (SCARI) se puede descargar de forma gratuita.
Uso amateur y doméstico
Una radio de software amateur típica utiliza un receptor de conversión directa. A diferencia de los receptores de conversión directa del pasado más distante, las tecnologías de mezclador utilizadas se basan en el detector de muestreo en cuadratura y el excitador de muestreo en cuadratura.
El rendimiento del receptor de esta línea de SDR está directamente relacionado con el rango dinámico de los convertidores de analógico a digital (ADC) utilizados. Las señales de radiofrecuencia se convierten a la banda de frecuencia de audio, que se muestrea mediante un ADC de frecuencia de audio de alto rendimiento. Los SDR de primera generación usaban una tarjeta de sonido de PC de 44 kHz para proporcionar la funcionalidad ADC. Las radios definidas por software más nuevas utilizan ADC integrados de alto rendimiento que proporcionan un mayor rango dinámico y son más resistentes al ruido y la interferencia de RF.
Una PC rápida realiza las operaciones de procesamiento de señales digitales (DSP) utilizando un software específico para el hardware de la radio. Varias implementaciones de software de radio utilizan la biblioteca SDR de código abierto DttSP.
El software SDR realiza toda la demodulación, el filtrado (tanto de radiofrecuencia como de audiofrecuencia) y la mejora de la señal (ecualización y presentación binaural). Los usos incluyen todas las modulaciones comunes de aficionados: código morse, modulación de banda lateral única, modulación de frecuencia, modulación de amplitud y una variedad de modos digitales como radioteletipo, televisión de exploración lenta y radio por paquetes. Los aficionados también experimentan con nuevos métodos de modulación: por ejemplo, el proyecto de código abierto DREAM decodifica la técnica COFDM utilizada por Digital Radio Mondiale.
Existe una amplia gama de soluciones de hardware para radioaficionados y uso doméstico. Existen soluciones de transceptor de calidad profesional, p. Zeus ZS-1 o Flex Radio, soluciones caseras, p. Transceptor PicAStar, el kit SoftRock SDR y soluciones de receptor básico o profesional, p. el FiFi SDR para onda corta, o el receptor SDR multicanal coherente Quadrus para onda corta o VHF/UHF en modo de funcionamiento digital directo.
RTL-SDR
Eric Fry descubrió que algunos dongles USB DVB-T comunes de bajo costo con el controlador y sintonizador Realtek RTL2832U, p. el Elonics E4000 o el Rafael Micro R820T, se pueden utilizar como un receptor SDR de banda ancha (3 MHz). Los experimentos demostraron la capacidad de esta configuración para analizar la lluvia de meteoritos de las Perseidas utilizando señales de radar de Graves. Este proyecto se mantiene en Osmocom.
HPSDR
El proyecto HPSDR (radio definida por software de alto rendimiento) utiliza un convertidor de analógico a digital 135 MSPS de 16 bits que proporciona un rendimiento en el rango de 0 a 55 MHz comparable al de una radio HF analógica convencional. El receptor también funcionará en el rango de VHF y UHF utilizando imágenes de mezclador o respuestas de alias. La interfaz a una PC es proporcionada por una interfaz USB 2.0, aunque también se puede usar Ethernet. El proyecto es modular y consta de un backplane en el que se conectan otras placas. Esto permite experimentar con nuevas técnicas y dispositivos sin necesidad de reemplazar todo el conjunto de placas. Un excitador proporciona 1/2 W de RF en el mismo rango o en el rango de VHF y UHF utilizando salidas de imagen o alias.
WebSDR
WebSDR es un proyecto iniciado por Pieter-Tjerk de Boer que brinda acceso a través de un navegador a múltiples receptores SDR en todo el mundo que cubren el espectro completo de onda corta. Recientemente ha analizado señales de Chirp Transmitter utilizando el sistema acoplado de receptores.
Otras aplicaciones
Debido a su creciente accesibilidad, con hardware de menor costo, más herramientas de software y documentación, las aplicaciones de SDR se han expandido más allá de sus casos de uso primarios e históricos. SDR ahora se está utilizando en áreas como el seguimiento de la vida silvestre, la radioastronomía, la investigación de imágenes médicas y el arte.
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