SOFTWARE DEFINED RADIO El siglo XX, vio un sin número de aplicaciones de radiocomunicaciones (transmisores y receptores) basadas en hardware. La mayoría de los transmisores se basaba en hardware con muy poco o nada de software de control. SDR usa dispositivos digitales programables para mejorar el procesamiento de señal necesario para transmitir y recibir información en banda base a radiofrecuencia. Esta tecnología ofrece más gran flexibilidad y potencialmente una vida productiva más larga. El principal reto para SDR es igualar las eficiencias de las soluciones basadas puramente en hardware. Combinado aparentemente con un crecimiento exponencial sin fin en la potencia de computo de los chips de silicio, el siglo veintiuno seguramente verá a las radiocomunicaciones expandirse y la transmisiones de radio basadas en software jugando un rol cada vez más significante. Aplicaciones de SRD de 3G La primera generación de las comunicaciones móviles celulares, comenzó en la década de los 80, y usaba técnicas de modulación analógica para transmitir y recibir voz analógica y solamente información entre los móviles y las estaciones base. Los sistemas de segunda generación (2G) de principios de los 90, fue conocida como “digital” porque estos sistemas codificaban la voz en un flujo continuo digital y usaban técnicas de modulación digital para transmisión. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU), desarrolló el estándar IMT2000, para definir los requisitos para la compatibilidad de sistemas 3G. Este estándar incluye por ejemplo provisiones para soportar velocidades de conexiones de datos de por los menos 2Mbps. Muchos ven a 3G como una intención para proveer nuevos servicios a clientes, mientras otros ven a la siguiente generación como una pura intención de proveer la abundante capacidad necesitada mediante una mejor utilización de espectro. [email protected] De los estándares de 3G, el 3GPP[1] (Universal Mobile Telecommunications System) UMTS es muy improbable que llegue a ser universal y que sea el más fuerte en Europa. El estándar 3GPP [2] CDMA2000 y el TDMA basado en sistemas GSM-EDGE, no serán exitosos en norte y Sudamérica, mientras Japón tiene su propio sistema WCDMA similar a UMTS. Todos los sistemas 3G son potenciales aplicaciones SDR. Las radio comunicaciones por software, ofrecen el potencial para resolver muchos de los problemas causados por la proliferación de nuevas interferencias en el aire. Estaciones Base y Terminales, usando arquitecturas SDR, pueden soportar múltiples interferencias de aire durante periodos de transición y su software puede ser fácilmente actualizado. Una Arquitectura de Transmisiones de Radio Tradicional La figura 1.1, muestra un transceiver superheterodino con conversión dual. El diseño ha estado por aquí desde 1930, y es casi seguro que una gran mayoría de hogares poseen un receptor superheterodino de alguna clase (difusión radial, televisión, etc). Figura 1.1 Transmisor Superheterodino Desde el punto de vista del receptor la radiofrecuencia de la antena es convertida en una frecuencia intermedia debido a un proceso de mezcla o multiplexado de la señal entrante con el primer oscilados local LO1. La frecuencia intermedia es filtrada y luego mezclada a banda base por el segundo oscilador LO2, y el mixer. La señal modulada en banda base es demodulada para producir la información analógica del receptor, y la función recíproca es realizada por el transmisor. El número de etapas de conversión depende de la frecuencia de operación, teóricamente es posible agregar etapas y empujar la frecuencia de operación más alta. El transceiver superheterodino ha experimentado un maravilloso éxito a lo largo de la historia; fue utilizado en teléfonos móviles terminales de 1G y es seguro que soportará los receptores de radio de bajo costo de muchos años por venir. Esta arquitectura satisfizo a los sistemas de teléfonos móviles 1G, como los sistemas de telefonía móvil avanzada (AMPS), la cuales usan frecuencia modulada (FM) multiplexación por división de frecuencia (FD) para permitir el acceso a múltiples usuarios a porciones fijas del espectro. Los sistemas AMPS asignan una porción del espectro dedicado de 30KHz para cada usuario sin tener en cuenta la cantidad de información a ser intercambiada. Una Arquitectura Ideal SDR Consiste en un subsistema digital y un simple subsistema analógico. Las funciones analógicas son restringidas a aquellas que no pueden ser mejoradas digitalmente, que son: antena, filtrado RF, Combinación RF, Preamplificación en recepción, transmisión de potencia de amplificación y generación de frecuencia de referencia. La separación de portadoras y la conversión de frecuencias altas y bajas a banda base es mejorada por los medios de procesamiento digital. De igual manera la codificación del canal y las funciones de modulación son mejoradas digitalmente en banda base por los mismos medios de procesamiento. El software para una arquitectura ideal es en capas entonces el hardware es completamente abstracto de la aplicación de software. Una capa intermedia logra esa funcionalidad cubriendo los elementos del hardware como objetos y proveyendo servicios que permiten a los objetos comunicarse unos con otros mediante interfases estándar, por ejemplo Common Object Request Broker Architecture (CORBA). La capa intermedia incluye: sistema operativo, controladores del hardware, recursos de administración y otras aplicaciones no específicas de software. La combinación del hardware y la capa intermedia frecuentemente se llama framework. [email protected] Figura 1.2 Transmisor Superheterodino Diseños futuros de SDR y frameworks que usan una API abierta en capa intermedia hará el desarrollo de aplicaciones mas portábles, rápidas y mas baratas. Los desarrollos de aplicaciones serán liberadas de las maneras de diseñar para programar el hardware de bajo nivel y permitirán concentrar en bloques más complicadas y poderosas aplicaciones. La arquitectura ideal es comercialmente factible para limitada baja velocidad de datos HF y VHF pero no es todavía práctica para ninguna generación de tecnología de telefonía celular móvil. La arquitectura ideal es útil como un punto de comparación y actúa como una guía para el desarrollo del hardware y capas intermedias del futuro. HISTORIA DEL HARDWARE PROCESAMIENTO DE SEÑALES. EN EL En 1983, Texas Instruments TI saco su chip TM320, el cual fue exitoso debido una gran velocidad y eficiencia en el procesamiento de señales, podía manejar hasta 5 millones de instrucciones por segundo (MIPS), fue considerado el mejor y más rápido de su tiempo frente a otros DSP (procesadores de señales digitales) Desde su diseño el TMS320 ha ido mejorando, actualmente la versión TMS32C64X, maneja 8.800 MIPS En 1980 los diseñadores del chip DSP comprendieron que el objetivo de una arquitectura computacional era la de alcanzar una gran velocidad de procesamiento para poder realizar un gran número de instrucciones al mismo tiempo. Generalmente, los microcontroladores usan la Arquitectura de “Von Neumann”. Como se muestra en la figura 1.3, debido a que se tiene un solo bus de datos, se causa un cuello de botella con el solo hecho de procesar nueva información desde una memoria externa y cargarla en el computador. En procesadores sin un especializado multiplicador es necesario hacer algunos cambios y adicionar funciones para conseguir los mismos resultados pero consumiendo mas ciclos de reloj, Las arquitecturas DSP basadas en el diseño de “Harvard memory “ y un solo ciclo MAC (multiplicar y acumular funciones), siguen desarrollándose, los últimos hardware DSP y técnicas de programación, son cubiertas por nuevas tecnologías incluyendo “3G comunication” COMPLEJIDAD DEL PROYECTO SDR Figura 1.3 Arquitectura Von Neumann memory Este problema es resuelto en Chips DSP, que usan una arquitectura de “Harvard”, como se muestra en la figura 1.4. Al tener dos buses de dirección y dos buses de datos, cada uno de estos conectados a sus propios dispositivos externos de memoria, posibilita que nuevas instrucciones san sacadas al mismo tiempo como nuevos datos “ esto permite tener un eficiente pipelining”. Debido a que posibiltita que instrucciones de la siguiente serie de datos son cargadas al mismo tiempo como operaciones que son ejecutas en la serie de datos actual. Mejorar la tecnología en mercados cada vez más exigentes y cambiantes, incrementa la complejidad del hardware, debido a estas mismas exigencias y a que se demanda una mejora en cuanto a mas ancho de banda, mayor eficiencia, etc. Por lo cual se presiona a los diseñadores a diseñar e implementar softwares en menor tiempo y costo al presupuestado. Las practicas en ingeniería de software han progresado desde el diseño de sistemas estructurados en papel y lápiz a diseños (objetoorientados) asistidos por herramientas y ayudas computacionales. Muchos proyectos de software de radio y seguramente proyectos de radio 3G se describen como largos y complejos e intensivos sistemas de software por lo que un adecuado planeamiento y ser cuidadosos al momento de elegir un adecuado EDA (Asistente de diseño) son herramientas absolutamente esenciales para un proyecto sea exitoso. EL FORO SDR El Foro SDR ( anteriormente Foro de sistemas de transferencia de información, Multifunción y Modulación) fue creado en 1996 por el gobierno de Estados unidos. Este Foro, es una corporación creciente con membresía internacional sin fines de lucro dedicada a apoyar el desarrollo, comportamiento y uso de arquitecturas libres para el progreso de sistemas inalámbricos. Figura 1.4 Arquitectura Harvard memory Otro gran desarrollo del DSP es la capacidad de ejecutar ( multiplicar y acumular) funciones utilizando solo un ciclo de reloj. [email protected] El foro tiene tres comités técnicos. El “download/handheld”, “base station/smart antenas” y “movile working grups”. cada comité tiene sus propios objetivos. El grupo “handheld” promueve el uso de la tecnología SDR en terminales “handheld” que suministran reconfiguraciones dinámicas bajo severos cambios de tamaño, peso y potencia. El comité de estaciones base “base station”, apunta a promover el uso de la tecnología SDR y reconfigurar y adaptar la tecnología de procesamiento, en estaciones bases inalámbricas mundiales, terrestres, satelitales , móviles y arreglo de servicios. Mientras el “movile group” busca promover el uso de la tecnología SDR en aplicaciones militares y comerciales en terminales que tiene condiciones desfavorables como estaciones móviles, redes dinámicas, y operaciones flexibles donde se requiere del uso de interfaces de redes inalámbricas. El Foro SDR no es un organismo de estándares como lo es el TIA o el ETSI, sin embargo a desarrollado una serie de recomendaciones que en el futuro podría ser considerados estándares si es que se sigue desarrollando la tecnología SDR. CONCLUSIONES Despendiendo de los requerimientos del diseño y aplicación del mismo se podrá elegir adecuadamente el tipo de tecnología (SDR o HDR) que se usará para la implementación de un determinado diseño. Actualmente SDR ( en estaciones celulares base) igualan la eficiencia de su predecesor HDR, y es posible que gran número de aplicaciones de radio (bajo 3G) usen SDR. Debido a algunas ventajas de SDR sobre HDR, se está considerando a SDR como una opción de diseño. A más de eso, la existencia de un gran número de ingenieros de software y la exigencia en el manejo del rendimiento del procesamiento digital están impulsando la presencia de SDR como una opción esencial. Si bien algunas tecnologías SDR están tomando el camino de arquitecturas abiertas, muchas otras todavía siguen siendo propietarias pero si se sigue desarrollando esta tecnología muy posiblemente en el futuro sea totalmente abierta y en ese sentido, el Foro SDR podría pasar a ser un organismo igual al TIA o al ETSI . [email protected] REFERENCIAS 1 http://www.3gpp2.org 2 http://www.3gpp.org 3 http://www.sdrforun.org 4 Texas Instrument, “ITS320C64X Technical Overview”, spru395b (january 2001) ANEXOS PORQUE USAR LA ARQUITECTURA DE HARVARD EN DSPs “Una de las características de la familia DSP56000 es que los datos e instrucciones se guardan en direcciones de memoria separadas. Las instrucciones se guardan en el espacio "P" ( de program space). Los datos se guardan en dos espacios con direcciones separadas e independientes : "X" e "Y". Esta separación de datos e instrucciones se llama arquitectura Harvard. Es diferente a la arquitectura “Von Neumann” usada, por ejemplo en procesadores del tipo 80x86.” “La arquitectura Harvard es típicamente usada en la tecnología DSP, sobre todo debido a que utiliza la arquitectura en paralelo. La potencia de esta arquitectura en paralelo se hace evidente cuando consideramos que la principal característica de los DSPs es su capacidad para realizar multiplicaciones y sumar (MAC) rápidamente. El 56002 puede multiplicar dos operandos, acumular (sumar) el resultado, tomar dos nuevos operandos de dos direcciones de datos independientes, realizar el ajuste de las direcciones y tomar la próxima instrucción todo ello en ¡ un ciclo de reloj!”. http://det.bi.ehu.es/~jtpjatae/articulo.html ALGO SOBRE LA ARQUITECTURA DE “VON NEUMANN” “El concepto central en la Arquitectura Von Neumann es el de programa almacenado, según el cual las instrucciones y los datos tenían que almacenarse juntos en un medio común y uniforme, en vez de separados. De esta forma, no sólo se podían procesar cálculos, sino que también las instrucciones y los datos podían leerse y escribirse bajo el control del programa. http://wwwetsi2.ugr.es/alumnos/mlii/ArqVonNeumann.htm BIOGRAFIAS Proaño Rosero Tito Enrique, nacido el 21 de septiembre de 1981 hijo de Mariana de Jesus Rosero y Tito Enrique Proaño curso sus primeros estudios en la escuela “Experimental Sucre” y su instrucción secundaria en el Colegio experimental ” Juan Pío Montufar” a la temprana edad de 12 años sintió curiosidad con todo lo relacionado con electricidad y sin los necesarios conocimientos ya sabia empíricamente como realizar pequeñas instalaciones y una que otra vez arreglaba pequeños desperfectos de aparatos eléctricos y electrónicos de su casa. Motivado por ese gusto y curiosidad por la electricidad ingreso a los 19 años la EPN “Escuela politécnica Nacional” donde opto por la carrera de Electrónica y Telecomunicaciones. Actualmente esta cursando el octavo y noveno semestre de su carrera. Ramírez Tapia Erick Stalin. - Nació en Quito, el 6 de Julio de 1981. Estudió la primaria en el Pensionado Borja Nº 3, y la secundaria en el Colegio Benalcázar, graduándose de Bachiller en Ciencias FísicoMatemáticas. Actualmente cursa el octavo nivel de ingeniería electrónica y telecomunicaciones en la Escuela Politécnica Nacional. [email protected]