Resumen 5 - Escuela Politécnica Nacional

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.
erickrt@hotmail.com
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.
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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.
erickrt@hotmail.com
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 .
erickrt@hotmail.com
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.
erickrt@hotmail.com