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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA, ELÉCTRICA Y TELECOMUNICACIONES

PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES “SDR: Radio Definido por Software”

Alumnos: -

Barboza Pizarro, Jorge Luis -

Sabino Hilario, Denis 1

INTRODUCCIÓN Hoy en día los sistemas de Comunicación por Radio se encuentran en constante desarrollo en el ámbito de las Telecomunicaciones, por ejemplo, Telefonía celular, comunicaciones inalámbricas, radiodifusión sonora, etc. Debido a que las tecnologías de comunicación continúan su rápido transición analógica a digital, cada vez más funciones de los modernos sistemas de radio se implementan en software en lugar de hardware; lo que lleva a una arquitectura de radio definido por software (SDR, por sus siglas en inglés). Un SDR es un dispositivo de radiofrecuencia (RF) que implementa a través de software componentes como mezcladores, filtros, moduladores, demoduladores o detectores; los que típicamente se implementan en hardware en un sistema electrónico de RF convencional.

DEFINICIONES El término “Radio Definido por Software” fue acuñado por Joe Mitola en 1991 para referirse a “radios” reconfigurables. [1]

“Aquellos radios que incluyen un transmisor cuyos parámetros de operación, como bandas de frecuencias, tipo de modulación o potencia máxima de salida, pueden ser alterados mediante cambios en software sin realizar cambios a los componentes de hardware, que se relacionan con la emisión de radiofrecuencias” [1] Comisión federal de los estados unidos

“Radio en el cuál algunas o todas las funciones de la capa física son definidas por software” [1] Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos o IEEE

DEFINICIÓN Tecnología de radio donde algunas o todas las funciones de la capa física están definidas por software, proveyéndole flexibilidad, capacidad de reconfiguración, actualización, y posibilidades de adaptación a diferentes ambientes y propósitos a los dispositivos de radio. En esencia, SDR es un término utilizado para describir una tecnología de radio donde algunas o todas las funciones de la capa física inalámbrica son definidas por software.

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DEFINICIÓN En [2] se define SDR como Tecnología de radio donde algunas o todas las funciones de la capa física están definidas por software, proveyéndole flexibilidad, capacidad de reconfiguración, actualización, y posibilidades de adaptación a diferentes ambientes y propósitos a los dispositivos de radio.

Figura 1 https://twitter.com/EttusResearch

Comparación entre un radio convencional y un radio SDR A nivel de Hardware existen: ✓ Mezcladores. ✓ Filtros. ✓ Amplificadores. ✓ Moduladores ✓ Demoduladores. ✓ Detectores.

Todos los componentes mencionados líneas arriba son reemplazados por un SOFTWARE

Figura 2 https://docplayer.es/39835111-Sdr-equipos-de-radio-definidos-porsoftware.html

Estructura de bloques de un modulo SDR

Figura 3 Diagrama de bloques funcionales de SDR [2]

La arquitectura consiste en 3 etapas diferenciados Sección de radio frecuencia(RF): transmisión y recepción. Sección de frecuencia intermedia(IF): procesamiento digital de la señal según se requiera. Sección banda base: procesamiento en banda base de la señal .

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Consideración sobre desarrollo de tecnologías de comunicación • Evolución de comunicación inalámbrica DP requisitos exigentes • Tecnologías incompatibles dificultades al momento de ejecutar la comunicación

SDR (solución)

Aplicaciones [3] • Uso militar • Seguridad publica • Recepción de imágenes satelitales • Monitoreo del espectro • Radar • Telefonía Móvil, LTE

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USO MILITAR - 1899  comunicaciones inalámbricas por el canal de la mancha - 1907  mensajes completos a través del atlántico - 1986  envío de mensaje radiotelegráfico a una distancia de 250 metros en los años 90 Desarrollo de Speak Easy, que tenía el objetivo de imitar o acoplar varias normas inalámbricas de radio del ejército en un rango de 2 MHz a 200 MHz.

* Información inmediata - 1997  Joint Tactical Radio System (JTRS), usaba los principios de software de radio, para proporcionar intercomunicación entre los sistemas transmisores por radio militares. [3]

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Actualidad: AN/USC-61 Digital Modular Radio (DMR) equipo de cuatro canales, reconfigurable y controlado por software Usado por la armada de EEUU. Soporta múltiples modulaciones implementadas vía software, como por ejemplo AM y FM

APLICACIONES EN SEGURIDAD PUBLICA - En muchas ocasiones se ha presentado problemas en la interoperabilidad de los equipos

proyecto SAFECOM Departamento de Seguridad (EEUU) * Requerimientos en equipos y sistemas

SOLUCIONES [3]

SDR

Proyecto MESA (a nivel internacional) * Requerimientos como aplicaciones de banda ancha móvil digital 11

• Desde 1996 desarrolla la tecnología inalámbrica logrando adecuarla y mejorarla para satisfacer necesidades militares, civiles y comerciales, y de todo ámbito[4]

www.wirelessinnovation.org 12

Características de la tecnología SDR • Flexibilidad en la arquitectura • Procesamiento de señal capaz de reemplazar las funciones de radio lo mas completas posible. • Menor consumo de energía • Con respecto a su certificación sólo el software es lo que debe de pasar por este sistema de regulación. • Un aparato SDR es capaz de realizar múltiples tareas a la vez • Reusabilidad: su arquitectura pueden ser fácilmente reutilizados.[5]

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Ventajas de la SDR • Portabilidad: Capacidad de trasladar un sistema de una plataforma a otra con variaciones mínimas o no existentes en sus componentes, sin que esto signifique reescribir la aplicación entera. [6]

• Reconfiguración: Capacidad para modificar la configuración del sistema dinámicamente, es decir, variar parámetros directores del comportamiento(recepción-trasmisor) del sistema en tiempo real sin que el usuario final pueda percatarse de esto. [6]

VENTAJAS DE LA SDR • Integración total o perfecta:

Varios transmisores y receptores comparten parte de la circuitería y tipos de tecnología de comunicación como, GSM,WIFI,RADIO,GPS,LTE,etc.

• escalabilidad: Capacidad de actualización ante variaciones por la necesidades del sistema o actualizaciones tecnológicas. [6]

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VENTAJAS SDR BAJO COSTO PARA LA IMPLEMENTACIÓN Con equipos RTL- SDR, es posible la recepción de trafico de el sistema global para las comunicaciones móviles(GMS),Wifi, señales de comunicación en trafico aéreo, interrumpir señales de TV digital, comunicación satelitales, etc. [6]

Desventajas de la SDR [6] • El volumen de software descargado es cada vez mayor y exige mayor complejidad en los componentes, el tiempo de descarga e instalación aumenta considerablemente. • El tiempo de configuración del hardware aumenta en complejidad . • Vulnerabilidad frente a virus y otras amenazas .

TIPOS DE SDR • CURIOSIDADES Figura 4 Ubicaciones de los emisoreswebsdr.org

Ubicaciones de los emisores-websdr.org

Figura 5 Nombres de todos los emisores-websdr.org

TIPOS DE SDR • RADIO AFICIONADOS O EDUCACIÓN ✓ R820T2 y RTL2832U SDR(Solo RX) [7] •

Ancho de banda: hasta 2,4 MHz .

•

ADC: RTL2832U de 8 bits

•

Rango de frecuencia: 500 kHz – 1.7GHz

•

Impedancia de entrada típica: 50 ohmios

• Costo: USD 21.95(Amazon) ✓ AIRSPY R2(Rx) [8] • Ancho de banda: hasta 10 MHz .

• Rango de frecuencia: 24MHz – 1.7GHz • ADC :12bits- 20Mbit/s • Chip R820T2(Rafael electronics)

• Costo: USD 127(Amazon) ✓ RSP2pro[9] • Ancho de banda: hasta 10 MHz • Rango de frecuencia: 1kHz – 2GHz • Costo: USD 200 (paginar RSP)

Figura 6 https://www.amazon.com/RTL-SDR-BlogRTL2832U-Software-Defined/dp/B0129EBDS2

Figura7 https://www.petervis.com

TIPOS DE SDR • PROFESIONAL-MILITAR ✓ USRP B210[10] • Ancho de banda: 30-56MHzBW • Frecuencia de operación :7MHz-6GHz • FPGA:Spartan6CX6SLX150 • Resolución de ADC y DAC :12bits • Max f. de muestreo ADC y DAC:61.44MS/s

• Costo: USD 1400 (ebay) ✓ EXCALIBUR WR-G31DDC [10]

• Rango de frecuencia: 9KHz-50MHz • Conversión A/D :16 bits 100MSP/s

• Ancho de banda :50MHzBW • Costo: USD 1500 (amazon)

• QUICKSILVER QS1R -Altera EP3C116 Cyclone III FPGA -Conversión A/D :16 bits -130MSP/s

-Rango de frecuencia:15kHz-300MHz -Ancho de banda:50Mhz -Costo: USD 800

Plataformas para SDR

Figura 8 : GNU radio Diagrama de flujohttps://wiki.gnuradio.org/index.php/Main_Page

Figura 9 :comunicación inalámbrica con MATLAB y SIMULINK https://www.mathworks.com/products/simulink.html

Plataformas para SDR SDRSharp

Figura 10:Interfas de un SDRSharp- https://www.rtlsdr.com/big-list-rtl-sdr-supported-software/

HDSDR

Figura 11 :Interfas de un SDRSharp- https://www.rtl-sdr.com/big-list-rtlsdr-supported-software/

Figura 12: Estructura SDR-software defined radio using MATLAB &Simulink and the RTL.SDT 24

ARQUITECTURA DE LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE Un aparato SDR básico puede estar conformado por:

Figura 13: Diagrama de bloques funcionales de SDR[2]

Recepción

• Sección RF • Sección IF • Sección banda base

Transmisión

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ETAPA DE RECEPCIÓN

[11][5]

sección RF 1. ANTENA: Omnidireccional y de banda ancha ya que puede ser utilizada por por varios sistemas 2. UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE RF: en acción conjunta a la antena logran la recepción de la señal

3. LNA : amplifica la señal minimizando el ruido presente

FI 26

Sección FI Proceso: La señal entrante se digitaliza y pasa por el DDC para reducir su frecuencia y también su tasa de muestreo

Luego esta señal se va a DEMODULAR y pasara a la etapa de procesador base . [11],[5]

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Sección de BANDA

BASE

* se encuentra el procesador encargado de obtener la información deseada que se encuentran dentro del espectro recibido. * bloques como el filtro receptor, bloques de decodificación son importantes en esta sección. * bloque de eliminación de interferencia para eliminar señales no deseadas.

* esta sección puede ser configurada por unidades como el FPGA y su configuración puede ser modificada por el software de procesamiento de señales digitales [11],[5]

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ETAPA DE EMISIÓN [11][5] Sección de BANDA

BASE

Se encuentra el procesador encargado de tratar la información recibida a través de los puertos de comunicación de datos

Este procesador tiene la capacidad de tratar distintas señales generando Una señal compuesta dando cabida así a la transmisión simultanea en varios modos.

Los datos aquí se modulan y luego pasan al conversor digital analógico.[11],[5]

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Sección

FI Volviendo por la sección de FI aquí encontramos : La etapa de filtraje, modulación y cualquier otro proceso aplicable A la señal que proviene de la Banda de Base Luego encontramos el convertidor digital – analógico que proporciona Señal a la sección RF

sección RF Es la encargada de la transmisión de las señales a una frecuencia De envio. Mezcla de la señal de frec. Intermedia con un oscilador local produciendo Señal a la frecuencia de envío. Luego se amplifica y se aplica a la antena para su transferencia[11],[5] 30

RTL- SDR[11] • Receptor de señales RF • Rango de trabajo: 25 MHz – 1.75 GHz

• Las señales pasan por el proceso de: In RF

• Conversión a banda base, digitalización y demodulación.

Figura 14: SDR-RTL/Software_Defined_Radio_using_MATLAB _Simulink_and_the_RTL

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USRP[12] - Transceptor periférico de SDR - Rangos de frecuencia: 6 GHz – 56 MHz de ancho de banda - Permite crear aplicaciones inalámbricas Los diferentes tipos de aplicaciones en las que se puede trabajar con este dispositivo incluyen radio FM, detección de dirección, grabaciones de audio, reproductores de RF, etc.

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USRP B200 [12] • Costo de 855 dólares americanos • Cobertura de RF de 70 MHz – 6 GHz • Operación dúplex con hasta 56 MHz de ancho de banda en tiempo real (cuadratura de 61.44MS / s) • Compatibilidad con GNU Radio y OpenBTS a través del USRP Hardware Driver ™ (UHD) de código abierto

• Plataforma de creación de prototipos de acceso libre para Analic Devices AD9364 Tx-Rx

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USRP B200

Figura 15: estructura interna de un USRP B200 34

• Controlable y programable

Características [12] • Ubicado en el extremo frontal del RF • Transceptor de conversión directa • Es capaz de transmitir hasta 56 MHz BW. • El B200 utiliza una cadena de señal de AD 9364 • Aplicable en sistemas de radio en tiempo real

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Antena LP0965

[13]

• Costo : $ 60

• Tipo bidireccional

• Ganancia de 5 a 6 dBi • Conectada al panel frontal del USRP

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Requisitos para ejecutar el USRP B- 200 [14] 1. En primer lugar tenemos que tener instalado Matlab, optamos por tener la versión mas actualizada, en este caso la versión 2017-b

2. Una vez te tenemos instalado nuestro Matlab la tarjeta a utilizar necesita de paquetes adicionales los cuales los podemos descargar desde MathWorks para ello vamos a la pestaña Add-Ons y vamos a la opción “Obtener paquetes de soporte de hardware ”

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3. Nos aparecerá la siguiente ventana donde nos muestra distintos paquetes que podemos utilizar y descargar dependiendo nuestras necesidades

4. Buscamos nuestro paquete que necesitaremos, en este caso el “USRP RADIO” y procedemos a instalarlo, y nos aparecerá el mensaje de “Installed”

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5. Una vez que hemos instalado nuestro paquete del SDRP – Radio procedemos a conectar la tarjera SDRP mediante El puerto usb de nuestro ordenador. El drives se conectará y se instalaran los paquetes respectivos a este dispositivo.

Para cerciorarnos que lo anterior se ha realizado con éxito utilizaremos el comando “Help srdu”

Si la instalación se ha ejecutado correctamente Nos aparecerá en la ventana de comando Todas las funciones siguientes como se Muestra en la imagen

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6. Podemos a utilizar la función “findsrdu” para localizar la tarjeta con la cual trabajaremos y la ventana de comando nos devolverá las características de la misma.

7. También la ventana nos devolverá esta dirección que es donde se encuentran todos los paquetes instalados 8. Si realizamos una búsqueda dentro de nuestro disco C, siguiendo la dirección anterior y llegamos a nuestra carpeta SDRU ubicaremos “srdudemos” donde en su interior se encuentran ejemplos creados anteriormente y que podemos reproducir o también modificarlos

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Ejemplo (video):

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REFERENCIAS : [1] Tesis - Desarrollo de aplicaciones para la radio definida por software -2014, José Carlos Cruz Sandovaluniversidad central Marta Abreu-Cuba. [2] Tesis Radio Definido por Software usando MATLAB-Carlos Manuel García Aljora -universidad central Marta Abreu-Cuba. [3] DESARROLLO DE APLICACIONES PARA LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE – universidad central Marta Abreu de las villas. [4] wirelessinnovation.org [5] NOCIONES BASICAS DE SDR (enlace externo de wikipedia) [6] Diseño de un Gateway definido por software para aplicaciones en redes inalámbricas de corto alcance2017- por Cristian David rodríguez – Universidad distrital francisco de Caldas, Bogotá-Colombia. [7] https://www.rtl-sdr.com/wp-content/uploads/2018/02/RTL-SDR-Blog-V3-Datasheet.pdf [8] https://airspy.com/airspy-r2/ - https://www.wimo.com/airspy-sdr-receptor-sdrsharp-software_s.html [9] https://www.sdrplay.com/rsp2pro/ [10] http ://www.morcom.com/span/pc_based_receivers.html [11] Software Defined Radio using MATLAB Simulink and the RTL (LIBRO FASCILITADO POR EL PROFESOR) [12] National instruments: www.ni.com [13] ETTUS RESEARCH [14] you tube: usrp b210 Matlab simulink tutorial básico

Gracias !!!!!!!!!!!!!

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