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2 8. Links Sumário 1. Definições 2. Wireless Innovation Forum 3. Arquitectura do SDR 4. SDR: realizações 5. Critérios de desenho 6. Software e Hardware 7. Bibliografia

3 1. Definições O termo Software Radio (SR) está associado a um conjunto de tecnologias Não existe definição única standard para SR O consenso geral é que é um termo utilizado para referir um sistema rádio em que as principais componentes estão realizadas em software

4 1. Definições Software Radio (SR) Os parâmetros do sistema (banda de frequências, tipo de modulação e potência) podem ser alterados por software sem intervenção no hardware As conversões A/D e D/A estão o mais próximo possível da antena Consegue-se assim configurar as bandas de RF, modos de acesso ao canal e modulação

5 1. Definições Hardware Radio (HR) Sistema rádio realizado por componentes hardware Alterações necessitam de intervenção física Software Defined Radio (SDR) ou Software Controlled Radio (SCR) Algumas funções de controlo são realizadas por software Outras operações continuam a ser realizadas por hardware Termo estabelecido pelo Wireless Innovation Forum

6 1. Definições Software Defined Radio (SDR) O termo Software Defined Radio" foi utilizado pelo primeira vez em 1991 por Joseph Mitola Joseph Mitola III, Em 1992 publicou o primeiro artigo sobre este tópico J. Mitola, The Software Radio, IEEE National Telesystems Conference, Digital Object Identifier /NTC Entrevista de EE Times a J. Mitola Embora o conceito tenha sido proposto em 1991, os software-defined radios são utilizados desde o final da década de 1970 nos EUA e na Europa, em aplicações militares

7 1. Definições Software Defined Radio (SDR) Embora o conceito tenha sido proposto em 1991, os software-defined radios são utilizados desde o final da década de 1970 nos EUA e na Europa, em aplicações militares VLF radio, usa um ADC e um microprocessador 8085 SpeakEasy, projecto das forças armadas dos EUA que usa SDR para comunicar com mais do que 10 tipos diferentes de rádio, usando um único sistema Joint Tactical Radio System (JTRS), projecto das forças armadas dos EUA, para produzir rádios com comunicação flexível e interoperável

8 1. Definições Adaptive Radio (AR) Cognitive Radio (CR) Intelligent Radio (IR) Adaptive Radio communications systems have a means of monitoring their own performance and modifying their operating parameters to improve this performance The use of SDR technologies in an adaptive radio system enables greater degrees of freedom in adaptation, and thus higher levels of performance and better quality of service in a communications link

9 Cognitive radio is further defined by many to utilize Software Defined Radio, Adaptive Radio, and other technologies to automatically adjust its behavior or operations to achieve desired objectives 1. Definições Cognitive Radio (CR) Communication systems are aware of their internal state and environment, such as location and utilization on RF frequency spectrum at that location They can make decisions about their radio operating behavior by mapping that information against predefined objectives

10 1. Definições Cognitive Radio (CR) The utilization of these elements is critical in allowing end-users to make optimal use of available frequency spectrum and wireless networks with a common set of radio hardware This will reduce cost to the end-user while allowing him or her to communicate with whomever they need whenever they need to and in whatever manner is appropriate

11 1. Definições Intelligent Radio (IR) IR that is capable of machine learning. This allows the cognitive radio to improve the ways in which it adapts to changes in performance and environment to better serve the needs of the end user In addition to utilizing SDR technologies, adaptive radio, intelligent radio and cognitive radio systems may all support dynamic spectrum access (DSA), allowing the systems to select the frequency spectrum in which they will operate at a given location and over a given period of time to optimize the use of available spectrum and avoid interference with other radios or other systems

12 1. SR: vantagens 1. Inclui todas as vantagens do processamento digital de sinal, face ao analógico 2. Tratamento numérico do sinal; maior flexibilidade de operações do que em electrónica analógica 3. Facilidade de actualização remota, sem intervenção sobre o hardware 4. Rápida introdução de novos serviços 5. O mesmo hardware pode realizar diferentes rádios

13 1. SR: desvantagens 1. Problemas de segurança de software 1. Software maligno 2. Uso não autorizado de uma aplicação e de serviços 3. Ataques Denial of Service no dispositivo ou na rede de dispositivos 4. Existência de vírus É necessária a autenticação e validação do software

14 1. SR: desafios 1. Processadores de sinal de alta velocidade 1. Não necessariamente só DSP-Digital Signal Processors 2. Combinação com FPGA e ASIC 2. Conversores A/D rápidos (banda larga) 1. A conversão D/A é menos crítica 2. Resolução dos conversores 3. Linearidade 3. Custo 4. Consumo 5. Dimensões

15 2. Wireless Innovation Forum Wireless Innovation Forum Foi estabelecido em 1996 Tem por objectivo contribuir para a disseminação e difusão das tecnologias SDR Organização constituída por membros da indústria para promoção e utilização de técnicas SR: dedicated to supporting the development, deployment, and use of open architectures for advanced wireless systems Simply put Software Defined Radio is defined as "Radio in which some or all of the physical layer functions are software defined 8

16 2. Wireless Innovation Forum As duas grandes linhas de acção: Accelerate the proliferation of enabling software definable technologies necessary for the introduction of advanced devices and services for the wireless Internet Develop uniform requirements and standards for SDR technologies to extend the capabilities of current and evolving wireless networks

17 2. Wireless Innovation Forum A acção do SDR Forum divide-se por três comités: Regulatory Committee Markets Committee Technical Committee Nos últimos anos existiram (e ainda decorrem) muitos projectos Europeus tendo em vista o desenvolvimento das tecnologias SDR

18 3. Arquitectura SDR A operação do SDR é conseguida por hardware versátil, programável, reconfigurável, controlado por software Este controlo é tipicamente aplicado em banda base Utilizam-se como dispositivos de processamento digital de sinal: DSP (daí o termo software radio ) FPGA ASIC

19 3. Arquitectura SDR Cenário Típico

20 3. Arquitectura SDR SDR ideal Os conversores A/D e D/A: têm filtros anti-aliasing e de reconstrução operam na banda RF (frequências que podem atingir GHz!)

21 3. Arquitectura SDR Características do SDR ideal: A modulação, escolha de canal, protocolos e equalização para transmissão e recepção são realizadas por software (DSP, FPGA, ASIC) O circulador ideal separa perfeitamente os caminhos de transmissão e recepção Amplificador linear (ou linearizado) para transferência ideal do DAC para um sistema de alta potência para transmissão DAC e amplificador de potência podem ser combinados num bloco de síntese RF

22 3. Arquitectura SDR

23 3. Arquitectura SDR Requisitos do Conversor A/D: Amostragem em RF a pelo menos 4.4 GHz Filtro anti-aliasing não ideal Contudo, recorrendo a amostragem passa-banda sub-amostragem, a frequência de amostragem necessária baixa drasticamente

24 3. Arquitectura SDR Conversor A/D - Características

25 3. Arquitectura SDR Conversor A/D - Características

26 3. Arquitectura SDR Conversores A/D de alta velocidade Exemplos The AT84AS008GL A/D converter is a low noise 2.2 Gsamples/s version of the company's predecessor chip TS83102G0B (10-bit, 2 Gsamples/s A/D converter), which offers significant improvements in performance while retaining the same functions and I/O interface. The SNR shows a 10 db improvement, leading to an ENOB of 8 bits at 1.7 Gsamples/s and 7.7 bits at 2.2 Gsamples/s in Nyquist conditions. Texas Instruments ADS5400 converter has a 12-bit resolution with 1000 MSPS (Mega Sample Per Second)

27 4. SDR: realizações Receptor de uma banda Arquitectura flexível - uso de DSP desmodulação em banda base; exemplo GSM-Global System Mobile (LB de 200 khz) e PDC-Personal Digital Cellular (LB de 30 khz) detecção da modulação e respectiva desmodulação controlo Automático de Ganho e Controlo Automático de Frequência

28 4. SDR: realizações Receptor de uma banda alternativo ao anterior Conversão de frequência (em quadratura) realizada pelo DSP Vantagens: conversão com maior exactidão ausência de DC offset

29 4. SDR: realizações Processamento Digital de Sinal para Recepção em IF As amostras do sinal IF são multiplicadas pelas sequências: [1, 0, 1, 0], na componente real [0, 1, 0, 1] na componente imaginária Cada componente é filtrada por um FIR do tipo passa-baixo Os sinais à saída destes FIR são utilizados para processamento sub-sequente (desmodulação) Na prática é mais conveniente e eficiente juntar os processos de conversão de frequência e filtragem FIR NCO = Numerically Controlled Oscillator

30 4. SDR: realizações Processamento Digital de Sinal para Recepção em IF Amostrar o sinal IF e obter o sinal IF em digital Realizar a conversão de frequência para banda base Oscilador local à frequência de Fs/4 Filtragem FIR é aplicada a estas componentes para obter os sinais em banda base

31 4. SDR: realizações Conversão de frequência e filtragem para banda base Proposto por Colebrook em 1924 Seis anos após Armstrong ter introduzido o receptor super-heterodino

32 4. SDR: realizações Receptor multi-frequência baseado em IF digital

33 4.SDR: realizações Receptor com conversão de frequência Conversão directa (solução zero-if, não usa filtro IF) colocando o sinal RF directamente em banda base. Vantagens: Melhor selecção de canais devido ao uso de filtros digitais Fácil realização de filtros (FIR) com fase linear (menor distorção) Arquitectura simples e de baixo custo Apenas usa um oscilador local

34 4. SDR: realizações

35 5. Critérios de desenho Determinados critérios e técnicas de implementação de um receptor digital, recorrendo ao: 1. Uso de sobre-amostragem (oversampling) para obter melhor relação sinal-ruído de quantização; o ruído de quantização distribuise pela gama de frequências Fs/2, a qual é superior à da largura de banda do sinal 2. Uso de sub-amostragem (undersampling) realiza conversão de frequência (downconversion)

36 5. Critérios de desenho Sub-amostragem Realiza o deslocamento na frequência Ao mesmo tempo realiza a (pseudo) amostragem de Nyquist O sinal é convertido (aliased) para banda base com frequência f BB resto f F IF s Exemplo: Com f IF =100 MHz F s =15 MHz temos f BB =10 MHz Este valor ainda fica fora da banda de Nyquist Subtraindo este valor a Fs (outra réplica) temos f BB2 = Fs - f BB = = 5 MHz

37 5. Critérios de desenho Na sub-amostragem, a cada duas réplicas espectrais temos inversão de fase

38 6. Hardware e Software Digital Radio Mondiale (DRM) The universal, openly standardized, digital radio system for shortwave, medium-wave and long-wave - digital radio for the radio frequencies below 30 MHz DRM has near-fm sound quality plus the ease-of-use that comes from digital transmissions The improvement over AM is immediately noticeable. DRM can be used for a range of audio content, and has the capacity to integrate text and data This additional content can be displayed on DRM receivers to enhance the listening experience

39 6. Hardware e Software DRM uses the existing AM broadcast frequency bands, with COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) OFDM with error-control coding There is a large number of closely spaced carriers. All of these carriers are contained within the allotted transmission channel Time interleaving is applied in order to mitigate against fading Operates in many different propagation environments - the selection of the parameters allows transmissions to be planned that find the best combination of transmit power, robustness and data capacity Uses MPEG 4 HE AAC v2 for mixed programming providing high quality at low data rates. In addition, CELP and HVXC coders are available to provide speech-only programming at even lower data rates.

40 6. Hardware e Software The bandwidth of a DRM bandpass signal is less than 20 khz The number of carriers used in the OFDM-modulation is relatively small (max. 460). These features motivate a real-time software implementation of a DRMreceiver on a conventional personal computer (PC) using the sound card as the input and output device. A long, medium and short wave front-end with an intermediate frequency (IF) between 5 khz and 15 khz is used to receive the DRM signal. Any commercial front-end with an IF of 455 khz should be usable by adding a 455 khz to 12 khz adaptor (assumed the receiver bandwidth is sufficient for a DRM signal). Documentation:

41 6. Hardware e Software 1. DREAM is a software implementation of a Digital Radio Mondiale (DRM) receiver 2. With DREAM, DRM broadcasts can be received with a modified analog receiver (SW, MW, LW) and a PC with a sound card 3. The programming-language is C++. The code runs under Mac OSX, Microsoft Windows and Linux. Start of the project was June

42 6. Hardware e Software Texas Instruments SDR-2 Development Kit

43 Texas Instruments SDR-2 Kit

44 Texas Instruments SDR-2 Kit

45 6. Hardware e Software

46 6. Hardware e Software

47 6. Hardware e Software GNU Radio GNU Radio - free SDK with the signal processing runtime and processing blocks to implement software radios Uses readily-available, low-cost external RF hardware and commodity processors. Supports wireless communications research as well as to implement realworld radio systems. GNU Radio applications are primarily written using Python programming language, while the performance-critical signal processing path is implemented in C++ using processor floating point extensions where available. Real-time, high-throughput radio systems in a simple-to-use, rapid-applicationdevelopment environment.

48 6. Hardware e Software Edson Pereira

49 6. Hardware e Software Edson Pereira SDR-Shell SDR-Shell is a simple Software Defined Radio Graphical User Interface for controlling the DttSP sdr-core. It was implemented to be used with simple SDR receivers like the SoftRock and SDRZero. SDR-Shell was developed using the Qt Toolkit under Ubuntu (Debian) Linux. The transmit functions are currently being implemented to enable TX on simple SDR transceivers like the SoftRock RXTX 6.2 SoftRockRadio: SDRZero:

50 6. Hardware e Software The Fraunhofer Software Radio A first-class DRM reception system Provides audio and multimedia data content It features extensive monitoring and recording functions and multiple signal analysis options. /bf/db/produkte/gbswr01.jsp

51 7. Bibliografia Peter B. Kenington, "RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio", Artech House, 2005, ISBN T. Rouphael, RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio, Newnes, 2009, ISBN

52 8. Links 1. SDR Forum ou 2. Digital Radio Mondiale (DRM) 3. DRM Presentation 4. DREAM DRM Receiver 5. Wikipedia: 6. John Melton's Java-SDR https://java-sdr.dev.java.net/ 7. Edson Pereira's SDR-Shell 8. GNU Radio 9. ARRL Tools4SDR Software Radio Resource Page 12. J.Mitola web page, 13. SoftRockRadio: e 14. SDRZero:

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