Radio definido por software, una nueva opción en las comunicaciones espaciales

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2017-04-01


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Desde su invención, los sistemas de radiocomunicación se han implementado en su totalidad en hardware, lo que hace que funcionen para un solo tipo de operación. En los sistemas de radio tradicionales, una vez que se establecen en un diseño determinado parámetros como el tipo modulación, las bandas de transmisión y el ancho de banda, entre otros, éstos no se pueden modificar a menos que se cambien módulos de hardware.

 

Ahora, con los avances en la tecnología informática derivados de la Ley de Moore, existen ya herramientas programables suficientemente rápidas, compactas y baratas que hacen posible que la mayoría de los componentes de un radio se implementen a través de software, con lo que se obtiene una gran flexibilidad y por lo tanto muchas ventajas.

 

Por lo tanto, un radio definido por software (SDR por sus siglas en inglés) es un radio en el que todas o algunas de las funciones de la capa física son definidas por software. Así, a través de SDR, se pueden crear transmisores o receptores para cualquier tipo de señal por medio de funciones de software o firmware que se materializan en dispositivos como arreglos de compuertas programables (FPGA), procesadores de señales digitales (DSP), microprocesadores y otras tecnologías programables. El uso de estas tecnologías permite agregar nuevas funciones sin necesidad de nuevo hardware.

 

Entre las funciones que se pueden implementar en SDR se encuentran filtros, ecualizadores, moduladores, demoduladores, codificadores, entre muchos otras. En realidad no hay límite respecto al tipo de funciones que se pueden definir, ya que éstas están definidas por operaciones matemáticas implementadas en elementos programables.

 

En su versión más simplificada, un radio definido por software se puede describir de acuerdo a la Fig. 1. En un receptor, las señales analógicas recibidas por la antena se acondicionan y amplifican para luego pasar a un convertidor analógico digital (A/D) que las convierte a señales digitales que son procesadas por el módulo de procesamiento digital que extrae la información útil que contiene la señal de radiofrecuencia que captó la antena. La extracción puede requerir de etapas de demodulación, decodificación y tal vez una conversión nuevamente a señal analógica, como sería el caso de estar recibiendo señales de voz. En un transmisor, la información de entrada es procesada por el módulo de procesamiento digital, el cual la puede filtrar, codificar y modular a través de una portadora de RF, entre otras funciones. Posteriormente la información se transfiere a un convertidor digital analógico (D/A) para luego ser amplificada por un amplificador de potencia que a su vez la entrega a la antena transmisora.

 

 

Fig 1. Diagrama esquemático de un radio definido por software.

 

Los beneficios de la tecnología SDR son evidentes, ya que permiten crear familias de productos a través de plataforma de hardware común, con lo que se consigue que nuevos productos se puedan introducir más rápidamente y a menor costo en el mercado. Asimismo, estos productos pueden programarse remotamente con lo se pueden corregir errores y actualizar las versiones del producto mientras éste está en servicio, con lo que se reducen tanto el tiempo como los costos asociados al mantenimiento.

 

Cada vez se usan más en el espacio

 

La tecnología SDR es ideal para las aplicaciones espaciales debido a que las comunicaciones espaciales cada vez requieren de radios más flexibles, adaptables y reconfigurables. Esto ha hecho que los radios definidos por software se empiecen a emplear en algunas misiones: Por ejemplo el rover Curiosity de la NASA emplea un radio definido por software para establecer comunicaciones en la banda de UHF con el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). La incorporación de la tecnología SDR en el enlace Curiosity-MRO ha logrado aumentar la tasa de transmisión de datos entre los dos sistemas de 256 kbps a 2048 kpbs, a través de implementar algoritmos de adaptación de la tasa de datos en función de las condiciones del canal de comunicación.

 

Experimentación en SDR en la Estación Espacial Internacional

 

Otro ejemplo de la aplicación de la tecnología SDR en el espacio es el Banco de Pruebas de Comunicaciones Espaciales y Navegación  ( Space Communications and Navigation Testbed, SCaN por sus siglas en inglés),  https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/index.html es un sistema desarrollado por la NASA para probar tecnologías SDR aplicadas a las comunicaciones y la navegación instalado desde 2012 en la Estación Espacial Internacional. El SCaN permite cambiar las funciones de las comunicaciones de radio a través de software y probar nuevos algoritmos de comunicaciones para mejorar tanto los sistemas de transmisión como de recepción de datos. En la Fig. 2 se muestra una fotografía del banco de pruebas SCaN de la NASA que está instalado en la Estación Espacial Internacional.

 

Fig. 2. Banco de pruebas del sistema SCaN de la NASA en la Estación Espacial Internacional

 

Cómo implementar SDR

 

Existen muchas plataformas de software que permiten implementar sistemas SDR. En ellas destaca GNU Radio http://gnuradio.org/, una plataforma basada en Linux (aunque hay versión para Windows), que permite desarrollar radios definidos por software con relativa facilidad. GNU Radio utiliza una interfaz gráfica que permite crear sistemas de transmisión, recepción y procesamiento de señales digitales a partir de unir diferentes bloques que realizan funciones específicas dentro de un sistema SDR. La variedad de bloques que se pueden elegir es muy grande y varía desde generadores de señales, moduladores y filtros, hasta analizadores de señales y osciloscopios para observar el comportamiento del sistema en diferentes puntos y detectar posibles problemas de diseño. Los bloques son configurables y se permiten definir parámetros de diseño tales como tipos de señales, anchos de banda, rapidez de muestreo y muchos otros más.

 

Una vez unidos los bloques de un diseño, GNU Radio genera código en el lenguaje Python que es ejecutado por el sistema huésped, con lo que se implementa el diseño en tiempo real. El sistema es gratuito y constituye una excelente herramienta didáctica para aprender la tecnología de SDR. En la Fig. 3 se muestra una distribución típica de los bloques que se pueden generar a través de GNU Radio.

 

Fig. 3. Desarrollo de un sistema SDR a partir de bloques con GNU Radio

 

No todo es software

 

Un sistema SDR no es solamente software ya que para la transmisión y recepción de señales de RF deben existir por lo menos antenas y amplificadores. Por lo tanto, la implementación de un radio definido por software requiere, además de una plataforma de procesamiento como GNU Radio, de un módulo de hardware. Al igual que en el caso de las plataformas de software, existen muchas opciones para el caso de los módulos de hardware para implementar SDR. Algunas de ellas son las siguientes:

 

RTL-SDR

 

RTL-SDR http://www.rtl-sdr.com/about-rtl-sdr/ es un módulo de hardware muy barato que se puede emplear para generar receptores de radio definido por software. El sistema se basa en un dongle sintonizador de televisión digital basado en el circuito integrado RTL2832U de Realtek http://www.realtek.com.tw/products/productsView.aspx?Langid=1&PFid=35&Level=4&Conn=3&ProdID=257

 

El sistema se conecta a un puerto USB y a una antena de recepción. Constituye una opción muy barata para experimentar en la tecnología SDR, ya que su costo es de alrededor de 40 dólares americanos. Algunas de las características del módulo RTL-SDR son las siguientes:

 

  • Opera como receptor de señales de RF
  • Frecuencia de operación entre 20 MHz y 2 GHz dependiendo del modelo
  • Máxima frecuencia teórica de muestreo 3.2 M muestras/segundo

 

En la Fig. 4 se muestra un dongle RTL-SDR típico con su antena y un control remoto

 

Fig 4. Sistema RTL-SDR

 

HackRF

 

HackRF https://greatscottgadgets.com/hackrf/ es un sistema más completo que RTL-SDR, ya que permite tanto la recepción como la transmisión (no simultáneas) de señales de RF, lo que lo hace muy atractivo para la experimentación. Sin embargo su costo oscila alrededor de los $350 dólares americanos. Algunas de las características de HackRF son:

 

  • Ganancia de amplificadores configurable por software
  • Puede funcionar como transreceptor en modo half duplex
  • Frecuencia máxima de muestreo 20 M de muestras/segundo
  • Frecuencia de operación de 1 MHz a 6 GHz
  • Posee entradas de reloj independientes para sincronización con un módulo externo

 

 

En la Fig. 5 se muestra una fotografía de módulo HackRF.

 

 

Fig. 5. Módulo HackRF

 

Hay mucho por venir

 

SDR es una tecnología revolucionaria que ofrece muchas ventajas para el desarrollo de las comunicaciones espaciales, por lo que es previsible que en el futuro cada vez más misiones espaciales la incorporarán. SDR nos ofrece mucha flexibilidad en el diseño de sistemas de comunicaciones y es una excelente herramienta didáctica para aprender los principios de la comunicación digital y el procesamiento digital de señales. Su bajo costo de desarrollo, así como su accesibilidad sugiere que podemos incorporar esta tecnología con facilidad en nuestro sistema educativo y así impulsar el desarrollo de aplicaciones SDR para contribuir al progreso de esta disciplina en el desarrollo de sistemas de comunicaciones espaciales.

TAGS: Radio, comunicaciones espaciales, Software, RTL-SDR.,,

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnologia espacial de la Agencia espacial Méxicana.