La radio definida por software ( SDR ) es un sistema de comunicación por radio en el que los componentes que convencionalmente se han implementado en hardware analógico (por ejemplo, mezcladores , filtros , amplificadores , moduladores / demoduladores , detectores , etc.) se implementan mediante software en una computadora o sistema Integrado . [1] Si bien el concepto de SDR no es nuevo, las capacidades en 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 equipada con una tarjeta de sonido u otro convertidor analógico a digital , precedida por algún tipo de interfaz de RF . Una cantidad importante de procesamiento de señales se entrega al procesador de propósito general, en lugar de realizarse en hardware de propósito especial ( circuitos electrónicos ). Un diseño de este tipo 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 a una amplia variedad de protocolos de radio cambiantes en tiempo real. A largo plazo, los proponentes como el Foro de Innovación Inalámbrica 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 . [2]
Los receptores superheterodinos utilizan un VFO ( oscilador de frecuencia variable ), un mezclador y un filtro para sintonizar la señal deseada a una IF ( frecuencia intermedia ) o banda base común . Normalmente en SDR, esta señal es luego muestreada por el convertidor analógico a digital. Sin embargo, en algunas aplicaciones no es necesario sintonizar la señal a una frecuencia intermedia y la señal de radiofrecuencia es muestreada directamente por el convertidor analógico a digital (después de la amplificación).
Los convertidores analógicos a digitales reales carecen del rango dinámico para captar señales de radio de potencia de nanovatios y submicrovoltios 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 (lo cual es típico), éstas compiten con las señales deseadas dentro del rango dinámico del amplificador . Pueden introducir distorsión en las señales deseadas o 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 suelen tener 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, aliviando la necesidad de asignar estáticamente los escasos recursos espectrales a un único servicio fijo. [3]
En 1970, un investigador [ ¿quién? ] en un laboratorio del Departamento de Defensa de los Estados Unidos acuñó el término "receptor digital". Un laboratorio llamado Gold Room de TRW en California creó una herramienta de análisis de banda base de software llamada Midas, cuyo funcionamiento estaba definido en software. [ cita necesaria ]
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 utilizaba el chip COSMAC (Complementary Symmetry Monolithic Array Computer). Rohde fue el primero en presentar este tema con su charla de febrero de 1984, "Radio digital HF: un muestreo de técnicas" en la Tercera Conferencia Internacional sobre Técnicas y Sistemas de Comunicación HF en Londres. [4]
En 1984, un equipo de la División de E-Systems Inc. (ahora Raytheon ) en Garland, Texas , acuñó el término "radio de software" para referirse a un receptor de banda base digital, como se publicó en el boletín informativo de la empresa E-Team. El equipo de E-Systems desarrolló un laboratorio de 'Prueba de concepto de software de radio' que popularizó el software de radio entre varias agencias gubernamentales. Este Software Radio 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 grifos de filtro adaptativos , utilizando múltiples procesadores de matriz que accedían a la memoria compartida. [5]
En 1991, Joe Mitola reinventó de forma independiente el término radio software para un plan para construir una estación base GSM que combinaría el receptor digital de Ferdensi con los inhibidores de comunicaciones controlados digitalmente de E-Systems Melpar para obtener un verdadero transceptor basado en software. E-Systems Melpar vendió la idea del software de radio a la Fuerza Aérea de EE. UU. Melpar construyó un prototipo de terminal táctico para comandantes en 1990-1991 que empleaba procesadores Texas Instruments TMS320C30 y conjuntos de chips receptores digitales de Harris Corporation 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, decidieron "tirar esas placas C30 inútiles", reemplazándolas con filtrado de RF convencional en transmisión y recepción y volviendo a una banda base digital. radio en lugar del SpeakEasy como IF ADC/DAC del prototipo de Mitola. La Fuerza Aérea no permitió que Mitola publicara los detalles técnicos de ese prototipo, ni permitiría que Diane Wasserman publicara las lecciones aprendidas sobre el ciclo de vida del software relacionado porque lo consideraban una "ventaja competitiva de la USAF". [ cita necesaria ] Entonces, 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 del IEEE en emplear el término en 1992. [6] Cuando Mitola presentó el artículo en la conferencia, Bob Prill de GEC Marconi comenzó su presentación después de Mitola con: "Joe tiene toda la razón acerca de la teoría de una radio de software y estamos construyendo una" . [ cita necesaria ] Prill presentó un artículo de GEC Marconi sobre PAVE PILLAR, un precursor de SpeakEasy. SpeakEasy, el software de radio militar fue formulado por Wayne Bonser, entonces del Centro de Desarrollo Aéreo de Roma (RADC), ahora Rome Labs; por Alan Margulies de MITRE Rome, Nueva York; y luego la teniente Beth Kaspar, directora del proyecto DARPA SpeakEasy original y por otros en Roma, incluido Don Upmal. Aunque las publicaciones IEEE de Mitola dieron como resultado la mayor huella global para la radio por software, Mitola en privado atribuye 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 fue posible transmitir. a través de software. [ cita necesaria ]
Unos meses después de la Conferencia Nacional de Telesistemas de 1992, en una revisión del programa corporativo de E-Systems, un vicepresidente de la División Garland de E-Systems objetó el uso por parte de Melpar (Mitola) del término "radio software" 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 por software". Al respondió: "Entonces es un receptor digital pero sin transmisor, no es una radio de software". La dirección corporativa estuvo de acuerdo con Al, y así quedó la publicación. Muchos radioaficionados e ingenieros de radio HF se habían dado cuenta del valor de digitalizar HF en RF y procesarlo con los procesadores de señales digitales (DSP) TI C30 de Texas Instruments 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 reconocieron los beneficios del ADC en RF en paralelo. La publicación de Mitola sobre 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 la revista IEEE Communications con la portada "Software Radio" fue considerado un hito con miles de citas académicas. Mitola fue presentado por Joao da Silva en 1997 en la Primera Conferencia Internacional sobre Radio Software como "padrino" de la radio software en gran parte por su voluntad de compartir una tecnología tan valiosa "en el interés público". [ cita necesaria ]
Quizás el primer transceptor de radio basado en software fue diseñado e implementado por Peter Hoeher y Helmuth Lang en el Establecimiento Alemán de Investigación Aeroespacial ( DLR , anteriormente DFVLR ) en Oberpfaffenhofen , Alemania, en 1988. [7] Tanto el transmisor como el receptor de un satélite digital adaptativo El módem se implementó de acuerdo con los principios de una radio de software y se propuso una periferia de hardware flexible. [ cita necesaria ]
En 1995, Stephen Blust acuñó el término "radio definida por software", publicando una solicitud de información a Bell South Wireless en la primera reunión del foro Modular Multifuntion Information Transfer Systems (MMITS) en 1996, organizado 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 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 finales de la década de 1970 (por ejemplo, Walter Tuttlebee describió una radio VLF que usaba un ADC y un 8085) . microprocesador ), [8] aproximadamente un año después de la Primera Conferencia Internacional en Bruselas. Una de las primeras iniciativas de radio de software público fue el proyecto militar DARPA-Air Force de EE. UU. llamado SpeakEasy . El objetivo principal del proyecto SpeakEasy era utilizar procesamiento programable para emular más de 10 radios militares existentes, operando en bandas de frecuencia entre 2 y 2000 MHz . [9] Otro objetivo del diseño de SpeakEasy era poder incorporar fácilmente nuevos estándares de codificación y modulación en el futuro, de modo que las comunicaciones militares puedan seguir el ritmo de los avances en las técnicas de codificación y modulación. [ cita necesaria ]
En 1997, Blaupunkt introdujo el término "DigiCeiver" para su nueva gama de sintonizadores basados en DSP con Sharx en radios de automóviles como el Modena & Lausanne RD 148.
De 1990 a 1995, el objetivo del programa SpeakEasy era demostrar una radio para el grupo de control aéreo terrestre táctico de la Fuerza Aérea de EE. UU. que pudiera operar de 2 MHz a 2 GHz y, por lo tanto, pudiera interoperar con radios de la fuerza terrestre ( VHF de frecuencia ágil , 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 el principio y demostrar una radio en la que varios contratistas pudieran conectar piezas y software. [ cita necesaria ]
El proyecto se demostró en el ejercicio de guerra avanzado TF-XXI y demostró todos estos objetivos en una radio que no es de producción. Hubo cierto descontento por el hecho de que estas primeras radios de software no filtraran adecuadamente las emisiones fuera de banda, no emplearan más que los modos interoperables más simples de las radios existentes y perdieran la conectividad o fallaran inesperadamente. Su procesador criptográfico no podía cambiar el contexto lo suficientemente rápido como para mantener varias conversaciones de radio al aire al mismo tiempo. Su arquitectura de software, aunque bastante práctica, no se parecía a ninguna otra. La arquitectura SpeakEasy se perfeccionó en el Foro MMITS entre 1996 y 1999 e inspiró al equipo de proceso integrado (IPT) del Departamento de Defensa para sistemas de comunicaciones modulares programables (PMCS) a proceder con lo que se convirtió en el Sistema de Radio Táctico Conjunto (JTRS). [ cita necesaria ]
La disposición básica del receptor de radio utilizaba 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 una computadora VMEbus con muchos procesadores de señales digitales. ( Texas Instruments C40). 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 amplio rango de frecuencias se dividió en unas pocas subbandas con diferentes tecnologías de radio analógicas que alimentaban los mismos convertidores analógicos a digitales. Desde entonces, esto se ha convertido en un esquema de diseño estándar para radios de software de banda ancha. [ cita necesaria ]
El objetivo era conseguir 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 "unir" diferentes protocolos de radio). Los objetivos secundarios eran hacerlo más pequeño, más barato y pesar menos. [ cita necesaria ]
El proyecto produjo una radio de demostración sólo quince meses después de un proyecto de investigación de tres años. Esta demostración tuvo tanto éxito que se detuvo el desarrollo posterior y la radio entró en producción con solo un rango de 4 MHz a 400 MHz. [ cita necesaria ]
La arquitectura del software identificó interfaces estándar para diferentes módulos de la radio: "control de radiofrecuencia" para gestionar las partes analógicas de la radio, "control de módem" que gestiona los recursos para los esquemas de modulación y demodulación (FM, AM, SSB, QAM, etc.) , los módulos de "procesamiento de formas de onda" en realidad realizaban las funciones del módem , el "procesamiento de claves" y el "procesamiento criptográfico" administraban las funciones criptográficas, un módulo "multimedia" realizaba el procesamiento de voz, una "interfaz humana" proporcionaba controles locales o remotos, había un " módulo de "enrutamiento" para servicios de red y un módulo de "control" para mantenerlo todo en orden. [ cita necesaria ]
Se dice que los módulos se comunican sin un sistema operativo central. En cambio, se envían mensajes entre sí a través del bus de computadora PCI con un protocolo en capas. [ cita necesaria ]
Como proyecto militar, la radio distinguía claramente "rojo" (datos secretos no seguros) y "negro" (datos criptográficamente seguros). [ cita necesaria ]
El proyecto fue el primero conocido en utilizar FPGA (conjuntos de puertas programables en campo) para el procesamiento digital de datos de radio. El momento de reprogramarlos fue un problema que limitó la aplicación de la radio. Hoy en día, el tiempo para escribir un programa para una 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 y las frecuencias de transmisión en una quincuagésima de segundo, lo que probablemente no sea una interrupción intolerable para esa tarea. [ cita necesaria ]
El sistema SpeakEasy SDR de 1994 utiliza un procesador de señal digital (DSP) CMOS TMS320C30 de Texas Instruments , junto con varios cientos de chips de circuitos integrados , y la radio ocupa la parte trasera de un camión. A finales de la década de 2000, la aparición de la tecnología RF CMOS hizo que fuera práctico reducir un sistema SDR completo a un único sistema en un chip de señal mixta , lo que Broadcom demostró con el procesador BCM21551 en 2007. El Broadcom BCM21551 tiene características prácticas. Aplicaciones comerciales, para uso en teléfonos móviles 3G . [10] [11]
El Sistema de Radio Táctico Conjunto (JTRS) fue un programa del ejército de EE. UU. para producir radios que proporcionaran comunicaciones flexibles e interoperables. Ejemplos de terminales de radio que requieren soporte incluyen radios portátiles, vehiculares, aéreas 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 diversas necesidades de comunicaciones de los soldados a través de tecnología de radio programable por software. Toda la funcionalidad y capacidad de ampliación se basa en SCA.
La flexibilidad de los SDR da como resultado una complejidad costosa, incapacidad de optimización, una capacidad más lenta para aplicar la última tecnología y rara vez una necesidad táctica del usuario (ya que todos los usuarios deben elegir y permanecer con la misma radio si quieren comunicarse).
La SCA, a pesar de su origen militar, está siendo evaluada por proveedores de radio comerciales para determinar su aplicabilidad en sus dominios. Sin embargo, la adopción de marcos SDR de propósito general fuera de los usos militares, de inteligencia, experimentales y de aficionados se ve inherentemente obstaculizada 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 su implementación hayan disminuido lo suficiente como para superar el costo del rediseño iterado de los sistemas especialmente diseñados. Esto explica entonces el creciente interés comercial por esta tecnología.
El proyecto Open Source SCA Implementation – Embedded (OSSIE [12] ) proporciona software de infraestructura basado en SCA y herramientas de desarrollo rápido para la educación e investigación de SDR . El Foro de Innovación Inalámbrica financió el proyecto SCA Reference Implementation, una implementación de código abierto de la especificación SCA. ( SCARI ) se puede descargar de forma gratuita.
Una radio de software amateur típica utiliza un receptor de conversión directa . A diferencia de los receptores de conversión directa del pasado más lejano, las tecnologías de mezclador utilizadas se basan en el detector de muestreo en cuadratura y el excitador de muestreo en cuadratura. [13] [14] [15] [16]
El rendimiento del receptor de esta línea de SDR está directamente relacionado con el rango dinámico de los convertidores analógico-digital (ADC) utilizados. [17] 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 utilizaban una tarjeta de sonido de PC de 44 kHz para proporcionar funcionalidad ADC . Las radios definidas por software más nuevas utilizan ADC integrados de alto rendimiento que proporcionan un rango dinámico más alto y son más resistentes al ruido y a las interferencias de RF.
Una PC rápida realiza las operaciones de procesamiento de señales digitales (DSP) utilizando software específico para el hardware de radio. Varias implementaciones de radio de software utilizan la biblioteca SDR de código abierto DttSP. [18]
El software SDR realiza toda la demodulación, filtrado (tanto de radiofrecuencia como de audiofrecuencia) y mejora de la señal (ecualización y presentación binaural). Los usos incluyen todas las modulaciones de aficionados comunes: código morse , modulación de banda lateral única , modulación de frecuencia , modulación de amplitud y una variedad de modos digitales como radioteletipo , televisión de barrido lento y radio por paquetes . [19] 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. Hay soluciones de transceptor de nivel profesional, por ejemplo, el Zeus ZS-1 [20] [21] o FlexRadio, [22] soluciones caseras, por ejemplo, el transceptor PicAStar, el kit SoftRock SDR, [23] y soluciones de receptor inicial o profesional. por ejemplo, el FiFi SDR [24] para onda corta, o el receptor SDR multicanal coherente Quadrus [25] para onda corta o VHF/UHF en modo de funcionamiento digital directo.
Eric Fry descubrió que algunos dongles USB DVB-T comunes de bajo costo con el controlador y sintonizador Realtek RTL2832U [26] [27] , por ejemplo, el Elonics E4000 o el Rafael Micro R820T, [28] se pueden usar como banda ancha ( 3 MHz) Receptor SDR. Los experimentos demostraron la capacidad de esta instalación para analizar la lluvia de meteoros de las Perseidas utilizando señales del radar Graves . [29] Este proyecto se mantiene en Osmocom .
El proyecto HPSDR (Radio definida por software de alto rendimiento) utiliza un convertidor analógico a digital de 16 bits y 135 MSPS que proporciona un rendimiento en el rango de 0 a 55 MHz comparable al de una radio analógica HF convencional. El receptor también funcionará en el rango VHF y UHF utilizando respuestas de imagen o alias del mezclador. La interfaz a una PC se proporciona mediante una interfaz USB 2.0, aunque también se podría utilizar Ethernet . El proyecto es modular y consta de un backplane al que se conectan otras placas. Esto permite experimentar con nuevas técnicas y dispositivos sin necesidad de sustituir todo el conjunto de placas. Un excitador proporciona 1/2 W de RF en el mismo rango o en el rango VHF y UHF mediante salidas de imagen o alias. [30]
WebSDR [31] es un proyecto iniciado por Pieter-Tjerk de Boer que proporciona acceso mediante navegador a múltiples receptores SDR en todo el mundo que cubren todo el espectro de onda corta. De Boer ha analizado las señales del transmisor Chirp utilizando el sistema acoplado de receptores. [32]
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. Actualmente, los SDR se utilizan en áreas como el seguimiento de la vida silvestre, la radioastronomía, la investigación de imágenes médicas y el arte.
