Radio definido por Software: Pesquisas e Verificação de Testes em uma plataforma livre

SOARES, Jaqueline Kennedy A. [1]

SOARES, Jaqueline Kennedy A. Rádio definido por Software: Pesquisas e verificação de testes em uma plataforma livre. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 1. Vol. 8. pp. 228- 244. Setembro de 2016. ISSN. 2448-0959

RESUMO

Visando ao objetivo de descrever os principais conceitos sobre Rádios Definidos por Software, com o intuito de se obter um melhor entendimento da tecnologia abordada, foram realizadas pesquisas e análises, e consideradas algumas limitações. Descrevendo amplos benefícios favoráveis aos desenvolvedores de sistemas, como a possibilidade de se poder efetuar mudanças em toda a estrutura de um equipamento de rádio frequência sem a obrigatoriedade de modificar o hardware, sendo modificado apenas por meio de uma interface gráfica ou pela troca de linhas de programa, é um projeto que oferece baixo custo de implementação, tamanho do hardware reduzido, flexibilidade no sistema, bem como uma facilidade e velocidade na sua implementação. Suas limitações restringem-se em dois componentes, os processadores por não possuírem performance avançada e os conversores analógico-digital e digital-analógico por terem a sua tecnologia ainda ultrapassadas. Para um melhor entendimento sobre a implementação da tecnologia será apresentado o funcionamento de uma plataforma open source.

Palavras-Chave: open source; analógico-digital; interface gráfica; Rádios Definidos por Software.

1. INTRODUÇÃO

Na busca pelo avanço tecnológico, os diversos campos de atuação das telecomunicações priorizam pela adaptação e adequação de equipamentos que estão diretamente ligados com a recepção de rádio frequência. Visando deixá-los mais rápidos, cada vez menores, de melhor qualidade e com menor custo. Do exposto, o aperfeiçoamento em outras áreas tecnológicas deu início a estudos e análises em Rádios Definidos por Software (RDS), o que requer dos pesquisadores e estudiosos a diminuição de hardware de equipamentos, sem que haja danos ao sistema de RDS, caso ocorra modificações em algum de seus módulos.

O RDS é capaz de processar o sinal capturado em uma transmissão com a implementação do hardware de um rádio através de software, podendo haver a possibilidade de se executar a transmissão dentro de um processador ou computador, necessitando somente da antena de recepção. Todavia, a supramencionada tecnologia ainda traz algumas limitações, que serão abordadas no decorrer do trabalho, bem como as suas possíveis soluções.

Um RDS busca três características principais: Reconfigurabilidade: Capacidade de alterar o funcionamento do rádio; Flexibilidade: Aceitar, sem mudanças na arquitetura do rádio, toda a reconfigurabilidade aplicada e Modularidade: As partes que definem o sistema são executadas em módulos distintos. (BARROS, 2007)

Constituído por software e baseado em processamento digital de sinais o RDS é composto em sua camada física por blocos implementados em software, ou seja, define-se por um rádio que para atender demandas não esperadas na concepção de um sistema, tem a possibilidade de implementar novas funcionalidades. Do exposto, muitos estudiosos deram início a open source para a implementação de um RDS, o que facilita a absorção de conceitos nessa nova tecnologia, por ser implementada em uma interface gráfica.

2. HISTÓRIA

Em 1984 uma equipe do Texas Garland Divisão de E-Systems Inc., conhecida agora como Raytheon, fundou o termo “Rádio Definido por Software” que foi desenvolvido pela E-System, responsável por popularizar o Rádio Definido por Software dentro de diversas agências governamentais. Esse Rádio foi criado como um receptor de banda com base digital e demodulação para sinais de banda larga, com a possibilidade de cancelamento da interferência programável. Utilizava-se de processadores de matriz múltiplas e total acesso à memória compartilhada, ainda com milhares de adaptações e de filtros. Em 1988 o rádio transceptor definido por software foi primeiramente projetado na Alemanha por Helmuth Lang e Peter Hoeher, no Estabelecimento Aeroespacial Alemão de Pesquisa. O responsável por adotar o tema Software Definido por Rádio (1991) e publicar o seu primeiro trabalho sobre o mencionado tema foi Joseph Mitola em 1992.

Desde o final de 1970 o software definido por rádio tem suas origens no setor da defesa, na Europa e nos EUA (Estados Unidos da América), país onde se obteve umas das primeiras iniciativas publicadas, projeto criado pelos militares dos EUA, chamado SpeakEasy. Os principais objetivos deste projeto era poder incorporar, facilmente no futuro, novos padrões de codificação e modulação, para a estabilidade do ritmo nas comunicações militares, com avanços nos mencionados padrões, o que possibilitou o uso do SpeakEasy, um processamento programável capaz de igualar mais de 10 rádios militares atuando em faixas de frequências entre 2 e 2000 MHz.

3. CONCEITO E IDEALIZAÇÃO DO RDS

É importante diferir o RDS do rádio controlado por software. As funções são compostas por hardware e monitoradas por programa, no rádio controlado por software.

A concepção de RDS é bem diferente de rádios que são controlados por software, pois estes necessitam de ajustes no hardware no que concerne a mudanças em interfaces que tem como base o software, servindo somente como uma interface para ajustes no próprio hardware. Já o RDS ideal, por ser um rádio onde a sua modulação é definida em software, obtém todo o seu processamento de sinal feito através de software. Na figura 1 a seguir, é possível observar que somente ao término da captação realizada pela antena é que é feita a digitalização do sinal.

Face ao exposto essa tecnologia tem como objetivo principal a diminuição do processamento em hardware, necessitando somente de uma simples atualização de seu software, sendo ele um transceptor de rádio que tem como base para o seu funcionamento a sua execução através de um software.

3.1 APLICAÇÕES

Por ser uma tecnologia aplicável em diversos domínios, as características do RDS são requisitadas por sistemas da 3ª geração de telefonia móvel, tanto na área comercial como em sistemas de comunicações governamentais, civis e militares. Suas vantagens tornam-se cada vez mais complexas ao passo que seja necessário uma ampla ligação entre os sistemas novos e antigos.

Os operadores de telecomunicações também estão aderindo à utilização de Rádio Definido por Software, visando a redução de custos, inclusive já existem torres de celular SDR que realiza todo o processamento de dados em servidores em nuvem, reduzindo o consumo de energia e caminhando para a implementação das funcionalidades via software, sendo executado em locais propícios às atualizações das funções de rede. Algumas empresas fazem uso da tecnologia desenvolvendo seus próprios receptores para utilização como navegação marítima e rádio amador. É possível que a frequência seja sintonizada em diferentes partes do mundo, através de grupos de rádio amador que fazem uso de receptores SDR ligados à Internet, o que os desobriga de realizar a compra de seus próprios SDRs.

O que antes era visto como um empecilho para a utilização e Rádios Definidos por Software, na atual realidade oferece múltiplas facilidades como a quantidade de comerciais disponíveis no mercado e até gratuitas. Bem como a diversidade de módulos de software livre.

Devido a quantidade de plataformas acadêmicas e comerciais que oferecem a capacidade de implementação do 3G (Terceira Geração), é de suma importância frisar que a capacidade do 2G (Segunda Geração) deverá ser aplicada em sistemas que envolva a 3G, como na infraestrutura de transição da arquitetura RDS. Por ser uma tecnologia repleta de aplicações. Em um Rádio Definido por Software é necessário observar os aspectos custo e capacidade, no que concerne a performance, complexidade, tamanho, consumo de potência e peso.

As aplicações de um RDS o torna mais popular e dominante, considerando o aumento da quantidade de produtos que o aceitam e necessitam de sua tecnologia. Como em aplicações militares que já necessitam de programas de rádio para se obter uma plataforma de comunicação, por meio de ramificações, serviços e operações táticas com diversos propósitos.

4. VANTAGENS E DESVANTAGENS DE RDS

Ainda que apresente inúmeras vantagens, o RDS dispõe de algumas desvantagens, dar-se aí a necessidade de se avaliar minuciosamente o seu uso, comparando cada projeto a um circuito integrado puro. A tabela 1 a seguir, lista algumas vantagens e desvantagens do uso de um Rádio Definido por Software.

Tabela 1. Vantagens e desvantagens de RDS.

5. ARQUITETURA

A arquitetura de um RDS ou mesmo de um rádio convencional divide-se em 2 partes dominantes, o front end de rádio que a ele são atribuídos o recebimento e a transmissão das frequências de rádio e o back end de rádio que a ele fica atribuído o processamento do sinal de rádio.

Na tecnologia RDS o hardware faz parte do front end já o software ordena o processamento no back end. Tendo em vista que o RDS pode capitar e transmitir sinal ao mesmo tempo, o front end o prepara para a conversão AD (analógico/digital) possibilitando o processamento do mesmo, por meio de uma amplificação do sinal, mudando para uma frequência intermediária quando o sinal é recebido ou para a frequência original do sinal, quando este é transmitido.

Um Rádio Definido por Software é, um rádio cuja modulação das formas de onda do canal é definida em software. Isto é, as formas de ondas são geradas como sinais digitais amostrados, convertidas de digitais para analógicas por um conversor DA de banda larga, que captura todos os canais do nó do RDS. O receptor, por sua vez, captura o sinal, faz um abaixamento de frequência e demodula a forma de onda do canal por meio de um software que roda sobre um processador de uso geral. (Joseph Mitola, 2002)

Visando respeitar o Teorema de amostragem de Nyquist, foram implantados os componentes DDC (Digital Down Converter) e DUC (Digital Up Converter), para que após a digitalização do processamento, o sinal digital de frequência intermediária fosse convertido em um sinal digital de banda básica, evitando que o processamento seja efetuado em velocidades altas. Como mostrado na figura 2, o DUC realiza o inverso do DDC, permitindo que o sinal volte a frequência digital intermediária, apto para o conversor DA (Digital-Analógico). Enquanto o DDC efetua a re-mostragem do sinal digital de frequência intermediária para um sinal digital de banda base.

Responsável pela tradução de uma sequência de dados digitais, demonstrado como bits, um transceptor digital trabalha com ondas eletromagnéticas que exibem exclusivamente esses bits com atribuições físicas. A amplitude, frequência da onda e sua fase são algumas das características dessas atribuições físicas. Demonstrando que diferentes níveis de amplitude, frequência ou de fase podem ser representados por combinações desiguais de bits.

O módulo de processamento digital está diretamente ligado ao DDC que se encarrega de processar o sinal antes do RDS. Com o intuito de buscar para uma frequência em banda base, o sinal que já foi digitalizado na frequência intermediária. O DDC tem o objetivo de mixar o sinal, após a sua digitalização no ADC (Conversor Analógico-Digital), que digitaliza o sinal em duas senóides geradas por um componente conduzido pelo processador do RDS, por meio de um oscilador local e o decompõe em componentes complexas.

O NCO (Numerically Controlled oslitator) é o componente responsável por gerar as senóides, ele pode ser implementado por diversas arquiteturas, como com a utilização de um algoritmo CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) ou em uma memória de pequenas e grandes ROM’s (Read Only Memories), como uma tabela de look-up. O CORDIC oferece uma saída e um ótimo desempenho para sistemas que não adquirem memória interna, com a atribuição de calcular funções trigonométricas por meio de rotações fasoriais iterativas.

5.1 CONCEITO DE FRONT END RF

O sinal recebido pela antena e digitalizado pelo conversor A/D é primeiramente preparado pela fronte end RF (Rádio Frequência), que tem a função também de retornar o sinal para a frequência original de transmissão, antes de ser emitido pela antena. O front end também tem as funções de adaptar um controle de ganho, filtrar contra ruídos, amplificar o sinal para um valor almejado, mudar a sua frequência, bem como capturar o sinal do conversor analógico e converter esse sinal para a mudança de rádio frequência. Na figura 3 a seguir, é possível observar como o sinal analógico é entregue ao conversor analógico-digital que o converte para o formato digital, realizando a entrega ao processador.

O módulo de front end de um RDS ainda obtém algumas limitações tecnológicas, principalmente com relação aos conversores D/A e A/D, o que propicia melhor estudo ao projeto do sinal entre a antena e os ADC e DAC, buscando independente da modulação, um RDS ideal que possa transmitir qualquer nível de potência, faixa de frequência, largura de banda ou sinal.

5.2 ARQUITETURA DE CONVERSÃO DIRETA

Na Arquitetura de conversão direta é possível identificar somente um estágio de conversão, como no caso de um front end onde o oscilador junto ao misturador obtém a própria frequência intermediária, designando-se a conversão direta. Os conversores diretos são os mais utilizados em um RDS, obtendo logo após o traslado do sinal, a dois sinais em quadratura da frequência em dois sinais. Algumas vantagens e desvantagens são apresentadas por essa arquitetura, como a amplificação e filtragem, que são facilmente integradas devido à translação ser direta para a banda base o que elimina a obrigação de elementos externos. Já quanto às desvantagens é possível encontrar problemas no espalhamento espectral dos osciladores e nas frequências da antena, posto que é necessário um oscilador local de frequência variável.

5.3 ARQUITETURA DE CONVERSÃO MÚLTIPLA

A conversão múltipla trata-se de um sistema de translação do sinal em múltiplos estágios, podendo ser notado quando misturado o sinal. Existe frequências variáveis em cada estágio, o   que possibilita ao sinal sua conversão em um estágio com frequências fixas em quadratura, sendo convertido no outro em somente uma frequência variável. Essa arquitetura tem como vantagem a capacidade de fazer em um DSP (Digital Signal Processor) o segundo estágio digitalmente, que é possível devido a conversão dos sinais de quadratura ser feito em uma frequência fixa. O grau de complexada é a desvantagem desse sistema, devido a necessidade de implantação de múltiplos filtros e a utilização de vários osciladores locais.

6. PLATAFORMAS DE DESENVOLVIMENTO

O Rádio Definido por Software opera tanto como um receptor quanto com um transmissor, seus componentes ADC devem ser executados em hardware e as operações do transceptor, executadas por unidades de processamento programáveis. O sinal de banda base, nas diversas aplicações, admite que os conversores DAC e ADC possam ser descartados para a banda base e os sinais digitais processados para a unidade de processamento.

Uma plataforma interessante é o chip RTL2832U. Por ser muito implementado por placas de TV digital e, por oferecer baixo custo, ainda que empregado como uma excelente plataforma SDR.

Para que seja possível pôr em prática a execução de um Rádio Definido por Software, é necessário a implementação desta tecnologia em uma das principais arquiteturas, que são designadas como SDR Modal e SDR Reconfigurável, apresenta-se seus funcionamentos nas figuras 4 e 5 abaixo. Colocar diversos chipsets em um mesmo rádio é a solução mais viável, porém, com pouca flexibilidade. Usar hardware especializados também é outra alternativa que pode atingir a flexibilidade, contudo essa alternativa também a presenta algumas desvantagens.

6.1 SDR RECONFIGURÁVEL

Esse tipo de SDR é pouco recomendado para pesquisa experimental, também não funcionam adequadamente com a quantidade de formas de onda alcançadas, o que leva a necessidade de se empregar hardware programável, visando a execução dos sinais. Desta forma é possível executar, em alta velocidade, os processamentos de sinais, utilizando-se de elemento programável para a programação de CPUs (Unidades Centrais de Processamento), FPGAs (Arranjos de Portas Programável em Campo) e DSPs (Processadores Digitais de Sinal), conforme a figura 4 a seguir. São utilizados componentes na cor branca e cinza para diferenciar os blocos de hardware e software.

6.2 SDR MODAL

Essa arquitetura funciona como um rádio com diversas implementações, revessadas por demanda. O SDR Modal surgiu devido à necessidade de telefones que fossem capazes de oferecer serviços digitais em áreas sem cobertura digital e em modo analógico. O rádio modal pode utilizar-se de duas tecnologias efetivadas, AMPS (Sistema Avançado de Telefone Móvel) e TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo).

7. TEOREMA DE NYQUIST

As técnicas de conversão analógico-digital podem ser melhor entendidas pelo preceito de Nyquist, que demonstra o que é necessário para que informações do sinal não sejam perdidas, como com relação ao sinal com largura de banda fa que deve ser exibido a uma taxa fs>2.fa, para que seja evitada a supramencionada perda. Um sinal pode ser recuperado integralmente se for representado com o dobro da máxima frequência existente nele.

O teorema de Nyquist possibilita que por meio de suas amostras, seja possível a exibição do canal sem fios de banda limitada e tempo ininterrupto, possibilitando que o sinal repassado possa ser demonstrado como uma sequência de tempo discreto. Sendo que o sinal recebido possa ser entendido como uma sequência de tempo discreta e o canal como um sistema discreto linear constante no tempo.

O espectro de sinal, que é repetido nos múltiplos inteiros da frequência de amostragem, é o que define esse teorema. Na figura 6 é possível observar que as repetições de espectro se tornam cada vez mais distantes do sinal, à medida que fs se torna maior que fa, o que impossibilita a sobreposição de espectro que só é possível se 2. Fa for maior que fs.

É importante salientar que acima da frequência do sinal alvo, pode haver sinais indesejáveis observados na primeira zona de Nyquist, identificados como aliasing. O que pode ser evitado com o uso de um filtro anti-aliasing, capaz de realizar a filtragem do sinal.

8. MÓDULO DE PROCESSAMENTO DIGITAL

O módulo de processamento digital é responsável por digitalizar o sinal transmitido pela antena e levar a um sinal de banda base, logo após o sinal ser transportado para a frequência intermediária, para que possa estar em condições de processamento de sinal recebido, transformando-o novamente para um sinal analógico.

Este módulo é composto por conversores D/A (Digital para Analógico) e A/D (Analógico para Digital), DDC e o DUC, que são componentes primordiais em um projeto RDS, conforme ilustração da figura 2. Os supramencionados conversores são capazes de definir a faixa de frequência, o consumo de energia do rádio e a largura de banda.

Os conversores de dados, circuitos que convertem sinais analógicos em representações digitais ou vice-versa, desempenham um importante papel em um mundo digital crescente. À medida que os produtos eletrônicos lançados realizam um número cada vez maior de operações no domínio digital, os conversores de dados devem prover a passagem dos dados digitais para um mundo inerentemente analógico, bem como o caminho inverso. (VASCONCELLOS, 2011, p. 13)

9. DESENVOLVIMENTO DE RDS EM UMA PLATAFORMA LIVRE

No que concerne a estudos em RDS pode-se utilizar várias plataformas, o presente projeto de pesquisa irá demonstrar o funcionamento da ferramenta GNU radio, uma plataforma de rápida implementação, flexível e open source, que junto a plataforma USRP (Universal Software Radio Peripheral) poderá implementar um RDS. A composição do hardware da USPR é feita por 1 placa mãe que possui 4 placas filhas e 4 conversores conectados com os canais de entrada e saída. Existem duas versões de USPR, a primeira versão só é capaz de se comunicar com o computador por meio de uma interface USB (Universal Serial Bus) 2.0, sendo capaz de trabalhar de forma full duplex, porém com a preocupação de que a soma das taxas de Tx e Rx não poderá passar de 32 MB/s, sendo a limitação da comunicação USB 2.0.

O conversor digital analógico de 14 bits também faz parte da placa mãe da USPR servindo para a transmissão de sinais, composto por uma placa mãe capaz de comportar 4 placas filhas, como pode ser observado na figura 3 a seguir, a placa mãe tem seus conversores controlados por uma FPGA (conjunto de portas lógicas programáveis) que realiza operações matemáticas em alta velocidade de processamento e reduz a taxa de dados que são recebidos pela interface USB 2.0, por estarem ligadas diretamente aos conversores A/D e D/A.

As linguagens de programação utilizadas para a implementação de um RDS em GNU Radio são duas, a linguagem Phyton e a linguagem C++, a interface entres essas duas linguagens é feita por meio do uso de SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator).

Do exposto, presume-se que um RDS possui para a execução de seu software diversos tipos de processadores como os FPGAs, os ASICs (circuitos integrados de aplicações específicas e os DSPs (processadores digitais de sinais). Podendo um rádio definido por software ser efetuado em qualquer microcomputador, através de plataformas open source.

9.1 RELAÇÃO CUSTO BENEFÍCIO

RDS trata-se de uma tecnologia que tem um baixo custo de implementação, pois em uma estrutura ideal os únicos componentes de hardware encontrados são antenas e conversores A/D/A. Podendo também ser adotado o uso de conversores sigma-delta que se utilizam de um comparador para conferir se o sinal de saída é menor que o de entrada, tornando-se ainda mais viáveis, com relação ao custo, por trabalharem com uma frequência superior a taxa de amostragem de Nyquist e simplicidade do circuito.

Como uma topologia ideal que está um pouco distante de ser realizada, o estudo do RDS deve ter um enfoque muito grande no que é conhecido de Front End, a interface que faz a ligação do mundo RF com o Software do rádio. Conhecer cada componente de um Front End faz com que o projeto do mesmo se torne viável para o projeto final de um RDS.

10. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após a análise de vários fatores relevantes e com um melhor entendimento da tecnologia correlacionada ao Rádio definido por Software, conclui-se que, a tecnologia abordada facilita aos desenvolvedores de sistemas, através de plataformas open source, um melhor manuseio às modificações e reparos de equipamentos, através da implementação de softwares o que propicia a diminuição de hardware. Sendo o RDS baseado em processamento de sinais, que são convertidos em analógico-digital e digital-analógico, é possível considerar que trata-se de um rádio capaz de implementar aplicações inesperadas a fim de atender solicitações repentinas no momento da criação do sistema.

Sua capacidade de processamento é extremamente interligada a modificação do hardware por meio de uma interface gráfica implementada em software. É importante ressaltar que a tecnologia também oferece o uso de receptores RDS diretamente conectados à Internet, o que proporciona um melhor custo benefício às empresas que aderiram ao uso.

Para um perfeito funcionamento da tecnologia, algumas melhorias poderiam ser feitas no que concerne aos conversores e aos processadores, que necessitam de uma performance mais avançada, para um melhor processamento dos dados, de acordo com a sua frequência.

REFERÊNCIAS

BARROS, Letícia Garcia de. O Rádio Definido por Software. Brasília: ENE/UnB, 2007.

CAMPOS, G. O outro inventor do rádio. Revista Superinteressante, Julho 2007.

FÁVERAS, Daniel. Conversor analógico digital sigma-delta para um sistema em chip. Brasília. UnB, 2003.

http://www.teleco.com.br/DVD/PDF/tutorialciclos.pdf. Acessado em: 18/11/2015.

KENINGTON, W. RF and baseband techniques for software defined radio. [S.l.]: Artech House, 2005.

VASCONCELLOS, Rodrigo Durães de. Projeto de um conversor analógico/digital por aproximações sucessivas de 12 bits. Belo Horizonte: UFMG, 2011.

BLOSSOM, E. (2009). Gnu radio. http://www.gnu.org/software/gnuradio

[1] Pós-Graduanda em Redes de Computadores e Telecomunicações, Faculdade Anhanguera de Brasília; Brasil, e-mail: [email protected]