DE forma genérica, um sistema de comunicação pode ser

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1 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 3, NO. 1, OUTUBRO Introdução ao GNU Radio Edmar C. Gurjão Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande, PB, Brasil s: ecandeia@dee.ufcg.edu.br Resumo Os rádios definidos por software permitem obter sistemas de transmissão e recepção de sinais facilmente configuráveis e adaptáveis, e a reutilização de um hardware para a implementação de diversos rádios. Para implementação desses rádios é necessário utilizar algum framework de software. Dentre as plataformas que tem sido propostas, o GNU Radio tem obtido grande destaque devido à facilidade de utilização, pois contém uma vasta biblioteca de blocos funcionais, e por permitir a implementação de blocos de processamento pelo usuário. Neste artigo é feita um introdução ao GNU Radio. São apresentadas as suas características básicas, formas de utilização e indicadas fontes de informação para que o leitor possa se aprofundar na utilização da ferramenta. Palavras-Chave Rádio definido por software. Gnu Radio, transmissão de sinais. I. INTRODUÇÃO DE forma genérica, um sistema de comunicação pode ser dividido em três elementos básicos: transmissor, canal e receptor. O canal é meio que interliga o transmissor e o receptor. A função do transmissor é converter a mensagem proveniente de uma fonte de informação, em um sinal apropriado ao canal. Ao se propagar ao longo do canal, o sinal transmitido sofre distorção e efeito de ruído, e com isso o sinal que chega ao receptor é diferente do sinal transmitido. O receptor processa o sinal recebido para obter a melhor estimativa possível da mensagem original. A fidelidade entre o sinal original e o sinal obtido depende das condições do canal e das especificações da aplicação. Os sistemas que implementam o transmissor ou o receptor são denominados genericamente de rádios. Para cada sistema de comunicação é necessário implementar rádios (transmissor e receptor) específicos. O hardware de cada rádio tem uma implementação particular, e a cada mudança na tecnologia, ou mesmo em uma simples atualização, faz-se necessário trocar o hardware para que se possa utilizar as novas funcionalidades. A impossibilidade de utilização do mesmo hardware para mais de um sistema, compromete a versatilidade e multifuncionalidade das novas tecnologias. Utilizar um rádio para cada tecnologia é um custo inerente à implementação em hardware. É nesse contexto que surgiu o rádio definido por software (RDS), como a possibilidade de implementação virtual (em software) de sistemas de processamento para comunicação, utilizando um único hardware que disponibilize os recursos necessários ao funcionamento dos vários sistemas. Com isso torna-se possível reaproveitar o hardware, que passa a ser um processador de dados, para várias tecnologias. Algumas plataformas foram propostas para implementação de rádio definido por software. Nesse texto apresentaremos o GNU Radio, uma plataforma de software que possibilita a implementação de RDS usando uma combinação de blocos de processamento. II. RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE O conceito de rádio definido por software foi proposto por Joseph Mitola III [1]. A ideia é implementar as etapas necessárias a transmissão ou recepção de sinais, com exceção das antenas, em software. De acordo com essa conceito, no receptor que normalmente é a parte mais complicada de um sistema de telecomunicações, utiliza-se um Conversor Analógico Digital (ADC, do inglês, Analog to Digital Converter) diretamente ao sinal recebido na antena, para em seguida tratar esse sinal por software em um processador. O resultado obtido através do processamento poderá, caso necessário, ser convertido para o formato analógico pelo Conversor Digital Analógico (DAC, do inglês Digital do Analog Converter) para ser enviado a uma saída analógica. O esquema ilustrando esse processo é mostrado na Figura 1 Figura 1. receptor. Ilustração do conceito de rádio definido por software para o O transmissor segue o mesmo raciocínio, porém com as devidas trocas de blocos, representando o caminho inverso do sinal. O processo de transmissão é ilustrado na Figura 2. Figura 2. Ilustração do conceito de rádio definido por software para o transmissor. Vale observar que um rádio definido por software não é o mesmo que um rádio controlado por software. Nesses últimos, os aspectos de transmissão, como a modulação (ou demodulação), ainda são feitos por circuitos (hardware)

2 2 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 3, NO. 1, OUTUBRO 2013 específicos para aquele tipo de transmissão (ou recepção), o software serve apenas para controlar características como volume, melhorar a qualidade do sinal através da alteração dos ganhos do equalizador, dentre outras ações. No rádio definido por software o hardware é único, e todo o tratamento de sinais é feito pelo software em execução. A implementação de rádios definidos por software requer uma plataforma de software na qual os blocos funcionais daquele rádio sejam implementados. Algumas arquiteturas tem sido propostas para esse fim, dentre elas está o GNU Radio, que será apresentado na próxima seção. III. GNU RADIO GNU Radio é um framework de software livre para o desenvolvimento de rádios definidos por software [5]. Cada rádio implementado no GNU Radio é composto de um conjunto de blocos de processamento de sinais independentes e interligados, que podem ser obtidos da biblioteca ou desenvolvidos pelo usuário. Os rádios implementados no GNU Radio podem ser conectados ao mundo exterior ao software (transmitir e receber sinais reais), utilizando um front-end de rádio frequência. Alguns blocos funcionais que acessam esses dispositivos estão disponíveis na biblioteca de bloco, como o blocos UHD que permite a utilização do front-end denominado Universal Software Radio Peripheral [7]. O GNU Radio é desenvolvido e mantido por uma comunidade aberta, colaborativa e bastante ativa. Qualquer pessoa interessa pode participar dessa comunidade. O site gnuradio.org disponibiliza arquivos e informações úteis para o entendimento e utilização desse pacote de software. No entanto, como se trata de um código aberto, as listas de discussão são a melhor opção para correção de erros e obtenção de respostas para dúvidas. Ao iniciar a utilização das ferramentas oferecidas pelo GNU Radio é preciso ter em mente que sua estrutura é baseada em duas camadas de programação: a implementação dos blocos de processamento de sinais em si, e a interconexão de blocos para formar um sistema de processamento. A primeira parte é realizada em C++ e a segunda em Python. Essa organização busca facilitar a construção dos sistemas a partir dos blocos, que podem ser vistos como caixas pretas a partir do momento que o usuário deve apenas se concentrar na utilização dos blocos e não no seu funcionamento interno. Nesse nível o usuário deve se concentrar na configuração dos parâmetros dos blocos e conexão correta entre blocos fontes (sources) e sinais, intermediários que realizam o processamento do sinal e saídas (sinks), sempre nessa ordem. Por exemplo, o receptor tem no mínimo um bloco fonte de sinais, que pode ser um arquivo com o sinal pré-gravado ou um front-end de RF conectado a uma antena, e um bloco que absorve o recebido, que pode ser a saída de som do computador ou um arquivo de dados. O transmissor também deve ter no mínimo dois blocos, um bloco fonte que gera os sinais e outro sorvedouro que realizará a transmissão dos sinais, podendo ser um arquivo ou um front-end de RF. Apenas quando se deseja implementar novos blocos de processamento, ou melhorar a funcionalidade de algum bloco existente, o usuário deverá utilizar a programação em C++. Porém é possível utilizar o GNU Radio somente com C++. A implementação dos blocos de processamento em C++ advém da necessidade de obter processamento rápido. Na próxima seção é apresentado um exemplo de utilização do GNU Radio, e listados projetos já implementados usando essa ferramenta. IV. EXEMPLO USANDO GNU RADIO A partir desta seção será considerado que o GNU Radio está instalado. Atualmente só há versões para sistemas operacionais Linux. a instalação pode ser feita de diversas formas, sendo as mais comuns a que utiliza o código fonte e que é realizada pelo instalador de programas do sistema operacional. A primeira maneira é recomendada para que deseja desenvolver novos blocos, e a segunda para quem deseja apenas utilizar a plataforma. Recomenda-se a segunda maneira, pois a atualização e remoção é mais simples. Todo rádio implementado no GNU Radio deve ser visto como um diagrama de fluxo de sinais. Assim os blocos devem estar conectados numa sequência que parte de um ou mais blocos fonte de sinais, passando por blocos intermediários, e finalizando em um ou mais blocos sorvedouros (sink). Entretanto, sempre deve haver ao menos uma fonte e um sorvedouro. Como exemplo, seja sistema que realiza a combinação de duas senoides e a reprodução do resultado na saída de som do computador, conforme ilustrado na Figura 3. Pode-se observar que há duas fontes de sinais, que geram as duas senoides, e um sorvedouro, correspondente à saída de áudio. Além disso, devem ser especificadas as conexões entre as saídas dos geradores à entrada da saída de áudio. Fonte 0 Fonte 1 Saída Figura 3. Diagrama de fluxos a ser implementado no GNU Radio para combinação de dois sinais. O código fonte em linguagem Python que implementa o rádio Figura 3 é ilustrado a seguir. O leitor pode acessar esse e outros códigos e exemplos na página da Internet do autor do texto [13]. #! /usr/bin/env python from gnuradio import gr from gnuradio import audio

3 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 3, NO. 1, OUTUBRO class dial_tone(gr.top_block): def init (self): gr.top_block. init (self) sample_rate = ampl = 1 destination = "plughw:0,0" src0 = gr.sig_source_f(sample_rate, gr.gr_sin_wave, 350, ampl) src1 = gr.sig_source_f (sample_rate, gr.gr_sin_wave, 440, ampl) dst = audio.sink (sample_rate, destination) self.connect(src0,(dst,0)) self.connect(src1,(dst,1)) if name == main : try: dial_tone().run() except KeyboardInterrupt: pass O módulo que contém as definições de gerador de sinais é o gr, que está no pacote GNU Radio, a partir do qual importase os módulos, como feito nas linhas from gnuradio. O módulo que possui definições associadas à placa de áudio (entrada de áudio, saída, nome de dispositivo padrão, dentre outros) é o módulo audio, que também está no pacote GNU Radio. No exemplo, as frequências desejadas para os sinais são 350Hz e 440Hz, que juntas formam o sinal padrão de telefonia (tom de discagem). Observando o código acima, vê-se que a primeira linha possibilita que o script seja transformado em executável. Nas linhas seguintes são importados os módulos gr e audio do pacote GNU Radio. Em seguida é feita a definição da nova classe (dial_tone). A passagem do parâmetro indica que essa classe é derivada da classe top_block, que está definida no módulo gr. A classe gr.top_block basicamente contém as definições do gráfico de fluxo. A derivação para a nova classe permite a utilização dos métodos necessários para adicionar novos blocos e conectá-los. Em seguida definimos os valores das variáveis do sistema: sample_rate (frequência de amostragem) em 32kHz, amplitude unitária e o nome do dispositivo de saída de áudio plughw:0,0. O próximo passo é criar as fontes (blocos geradores de sinais senoidais). Isso é feito de forma bem parecida à instanciação de classes em C++. A passagem de argumentos indica a frequência de amostragem desejada, o tipo de sinal a ser gerado (que é um tipo definido no módulo gr), a frequência do sinal e a amplitude. Dessa forma criamos as fontes e as chamamos de src0 e src1. Da mesma forma, criamos o bloco da saída de áudio (audio.sink), que está definido no módulo audio. Os parâmetros nesse caso são a frequência de amostragem do áudio e o nome do dispositivo de áudio. Finalmente, conectamos os blocos usando o método connect. Esse método conecta a saída do primeiro bloco à entrada do segundo bloco. Observe que para a saída usamos (dst,0) para indicar que a porta de entrada do bloco é a porta 0 e (dst,1) para indicar que a porta de entrada do bloco é a porta 1. O exemplo anterior ilustra a facilidade de implementar rádios definidos por software usando o Gnu Radio. Além disso, pode-se observar que, ao usar as bibliotecas, pode-se trabalhar somente com Python, sem a necessidade de C++. O inverso também é válido, pode-se implementar um rádio usando somente códigos em C++, sem a necessidade do Python. Exemplos mais avançados podem ser encontrados no próprio GNU Radio, que ao ser instalado cria um diretório examples, ou aina nos repositórios de projeto como o Comprehensive GNU Radio Archive Network (CGRAN) [6]. Os rádios implementados com GNU Radio, e divulgados publicamente, se destacam pela versatilidade e pela variação de aplicações. Por exemplo, já foram desenvolvidos rádios para sistema de identificação por rádio frequência [2], passando por uma TV digital completa [3] até transmissão via satélite [4]. Além da implementação em código fonte, é possível utilizar o GNU Radio via ambiente gráfico, como descrito na seção a seguir. V. O AMBIENTE GRÁFICO GRC O GRC (GNU Radio Companion) é uma interface gráfica que permite a implementação do gráficos de fluxo de sinais no GNU Radio. Além de ser mais simples de usar (em comparação à programação direta em Python ou C++), essa ferramenta tanto é uma forma interessante de iniciar a implementação de rádios definidos por software com o GNU Radio, quanto constitui um ótimo meio de compreensão da estrutura de implementação do GNU Radio. Para executar o GRC, basta digitar gnuradio-companion no terminal do Linux, deverá surgir uma interface parecida com a que está mostrada na Figura 4. Na Figura 4 pode-se observar a lista de categorias de blocos de processamento disponíveis. Ao expandir uma categoria, clicando nela, é possível visualizar a lista de blocos a ela pertencentes. Do lado esquerdo está o ambiente para instanciar e conectar os blocos. Observe que dois blocos são automaticamente criados para qualquer sistema novo: Options e Variable. O bloco Variable é uma variável global criada para indicar a frequência de amostragem do sistema (pré-definida como 32 khz), o nome dessa variável é samp_rate. Essa variável é criada pois todos os blocos devem utilizar a mesma frequência de amostragem. O bloco Options contém dados gerais do sistema, como o ID, nome do projeto, autor, descrição e tamanho da janela.

4 4 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 3, NO. 1, OUTUBRO 2013 Figura 4. Tela de abertura do GNU Radio Companion Ao clicar duas vezes sobre um bloco, abre-se uma janela de propriedades na qual é possível alterar os parâmetros do bloco e visualizar informações sobre o mesmo. Insere-se blocos de uma categoria arrastando e soltando o bloco da lista de blocos para a área de trabalho do GRC. Cada bloco tem um tipo de entrada e saída, que é indicada pelas cores nos pontos de entrada (in) e de saída (out). Inseridos os blocos pode-se fazer a ligação de um bloco a outro clicando em cada um dos pontos, uma seta será criada. Após a criação e conexão dos blocos é preciso gerar e executar o script. Para isso, o arquivo deve antes ser salvo (com terminação.grc). Quando um script é gerado, é criado um arquivo em Python (com terminação.py) no mesmo diretório e com o mesmo nome do ID do bloco Options. Esse script pode ser tratado como um script python comum, sendo possível realizar modificações diretamente nele. VI. DESENVOLVIMENTO DO GNU RADIO O GNU Radio é um software livre e é desenvolvido pela comunidade que o utiliza. Sob a licença GPL, diversas pessoas tem contribuído com a inclusão de novos blocos, melhorias de outros e implementações de sistemas que posteriormente viram exemplos de utilização. O ponto de partida, tanto para entender com o GNU Radio funciona quanto para obter informações sobre contribuir, é o site do próprio GNU Radio [5]. Por ser uma comunidade bastante dinâmica, muita informação e solução de dúvidas podem ser obtidas na lista de mensagens da ferramenta. Maiores informações sobre como acessar as listas de discussão podem ser obtidas no site do GNU Radio. Uma série de projetos implementados no GNU Radio podem ser encontrados no site Comprehensive GNU Radio Archive Network (CGRAN) [6]. Nesse site é possível obter projetos completos, incluindo os códigos fonte, de utilização do GNU Radio nas mais diversas áreas. Além disso, um usuário pode-se contribuir incluindo o seus projetos. VII. HARDWARES QUE PODEM SER UTILIZADOS COM O GNU RADIO Quando se desenvolve um rádio definido por software é natural desejar-se transmitir ou receber sinais reais. Para tanto, basta incluir um bloco fonte (recepção) ou sorvedouro (recepção) que acesse algum front-end de rádio frequência. Existem diversos front-end disponíveis no mercado e alguns deles com blocos já disponíveis no GNU Radio. Um exemplo desses blocos permite a conexão com a Universal Software Radio Peripheral (USRP), que como o nome sugere, é uma placa integrada que possibilita a implementação (via comando de software) dos elementos utilizados nos transmissores e receptores. Essa placa incorpora basicamente conversores AD/DA, uma FPGA que é responsável pelo pré-processamento dos sinais de entrada e slots para inclusão de placas filhas (frontend) de acordo com faixa de frequência de interesse. No caso de um sistema receptor, basicamente o sinal recebido em uma frequência especificada é convertido para banda básica, digitalizado e enviado ao computador via cabo USB 2.0 ou Ethernet. Outro bloco disponível na biblioteca do GNU Radio é o Funcube Dongle, um equipamento pequeno e barato que originalmente foi projetado para captar sinais de TV Digital, mas devido a sua grande largura de banda permite receber sinais em outras frequência, entre 64MHz e 1700MHz. Muitos outros hardwares tem sido propostos, como o Be- Radio Software Defined Radio Kit [8], HackRF [9], OsmoSDR [10] dentre outros. VIII. CONCLUSÕES Desde a idealização do rádio definido por software muito tem sido desenvolvido, tanto na teoria quanto nas forma de implementação. Conceitos como rádio cognitivo [11] e redes cognitivas [12] são derivados do SDR. Sendo uma plataforma de código aberto, simples de usar e com uma ampla comunidade de suporte, o GNU Radio é um framework de software muito bem aceito pelos desenvolvedores de RDS. Utilizando uma combinação de linguagens Python e C++, tanto o usuário iniciante quanto o mais avançado encontram um ambiente de programação propício de desenvolvimento. Ainda há a possibilidade de utilizar a ferramenta gráfica GNU Radio Companion, e com arrastar e soltar de blocos implementar o rádio. Há ainda a possibilidade de conectar os rádios implementados usando GNU Radio com front-end de RF, e com isso realizar a transmissão ou recepção de sinais reais. Assim, o GNU Radio fornece a flexibilidade necessária para implementar sistemas completos. E por ser uma comunidade aberta, todos podem ajudar no seu desenvolvimento e divulgação. REFERÊNCIAS [1] J Mitola III, Software Radio Architecture: Object-Oriented Approaches to Wireless Systems Engineering. Third Edition. John Wiley and Sons, [2] Briand, A.; ALBERT, B. ; Gurjao, E. C..

5 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 3, NO. 1, OUTUBRO Complete software defined RFID system using GNU radio. IEEE International Conference on RFIDTechnologies and Applications (RFIDTA), 2012, Nice, França. [3] Vicenzo, P. Soft-DVB: A Fully-Software DVB-T Modulator Based on the GNU-Radio framework. Relatório de Projeto, 2008, Universida de Pisa, Itália. [4] Otomo J. GNU Radio for Satellite Communications. GNU Radio Conference Atlanta, USA. [5] Página na Internet do GNU Radio, Último acesso Agosto de [6] Comprehensive GNU Radio Archive Network (CGRAN) website, accessed march [7] Universal Software Radio Peripheral website, accessed March 2012 [8] [9] [10] [11] Haykin, S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communications, Fevereiro de 2005, pp. 201 a 220. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. [12] Thomas, R.W., DaSilva, L.A. e MacKenzie, A.B. First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, DySPAN pp Baltimore, USA. [13] Página do Prof. Edmar Candeia Gurjão. http//ecandeia.dee.ufcg.edu.br. Último acesso, agosto de 2013.