La radio definida por software (SDR) ha hecho grandes progresos en los treinta años que van desde su creación.
Las soluciones altamente integradas de la actualidad han superado los sueños más locos de los creadores de una tecnología que comenzó como un programa militar para proporcionar una arquitectura de radio única multiprotocolo y de amplio espectro. Aunque una SDR era teoría en ese momento, la tecnología y las técnicas han evolucionado de tal forma que ahora es una estrategia práctica para la simplificación del hardware, que incorpora nuevas características y admite varias técnicas de modulación. Esto incluye actualizaciones a métodos nuevos a medida que se inventan. La SDR de la actualidad tiene bajo costo, es sumamente integrada y versátil (muy lejos de los diseños discretos complicados y costosos del pasado. Ahora, gracias a los avances que incluyen la capacidad revolucionaria del AD9361 y el AD9364, los ágiles transceptores RF de chip único de Analog Devices, la SDR también pueden reivindicar un alto rendimiento. Como broche de oro, Analog Devices se ha esforzado por hacer que la tecnología sea accesible para los diseñadores con un ecosistema completo para hardware y software basado en diseños de referencia fáciles de usar y bien documentados.
Una idea adelantada a su época, la SDR tiene una amplia historia que comenzó en 1970 con el concepto de un receptor digital. Las considerables dificultades técnicas han provocado que tenga problemas para mantener el impulso frente a la rápida transformación en los sistemas inalámbricos modernos. El sueño de una radio universal fue convertido en realidad por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa en la década de los 90 en un intento por proteger en el futuro las comunicaciones militares y fomentar la interoperabilidad. Esto culminó con el programa multimillonario de la Defensa de EE. UU. conocido como el Sistema de Radio Táctico Conjunto (JTRS) y una capa de abstracción denominada arquitectura de comunicaciones mediante software (SCA). Este ambicioso proyecto a la larga fracasó después de más de una década de investigación y desarrollo, pero llevó a grandes avances en la tecnología subyacente. A pesar de estos avances, la SDR no conseguía posicionarse de verdad en el área de productos de consumo debido al costo, el tamaño y el consumo de energía del sistema. Seguía siendo una tecnología orientada a las fuerzas armadas y la infraestructura hasta innovaciones recientes, incluido el AD9361 que permitieron que la SDR sea una realidad práctica y asequible.
Figura 1: Presentación del AD9361 Agile Transceiver
El punto de inflexión para el uso de la SDR en los productos de comunicaciones comerciales fue la llegada de los procesadores de señales digitales (DSP) de bajo coste y los avances en la integración analógica y de RF en el proceso de CMOS. Estas innovaciones permitieron la digitalización de los subsistemas de frecuencia intermedia (IF) y banda base en los sistemas celulares de segunda generación. La digitalización incorporó elementos de una arquitectura de radio en un trayectoria de la ley de Moore. Se introdujeron rápidamente funcionalidades algorítmicas sofisticadas como la corrección de errores, los esquemas de modulación avanzados, los métodos eficientes de codificación de datos y la ecualización de canales a medida que el poder de procesamiento avanzaba. Los aumentos en la capacidad de procesamiento y las mejoras en la lógica reconfigurable llevaron a que estos elementos se convirtieran en implementaciones de software capaces de actualizarse y modificarse. EL AD9361 es el compañero perfecto para estas plataformas digitales debido a su configurabilidad extremadamente flexible, cómodo CMOS o interfaz LVDS y compatibilidad comprobada con los controladores de Linux.
La radio adaptativa y la radio cognitiva son los últimos adelantos en el área de la SDR. Son conceptos similares y necesitan al AD9361 para lograr la potencia e integración necesarias. Las radios ajustan dinámicamente la configuración del transceptor a la forma de onda, el protocolo, la frecuencia y la red para sacar el mayor partido al espectro disponible antes que ser asignadas a usar una banda de frecuencia o protocolo fijos. A medida que el dispositivo se mueve, su entorno cambia y la conexión RF responde dinámicamente a ello intentando utilizar de manera óptima el mejor servicio inmediatamente disponible. Esto se puede adaptar gracias a la amplia banda de frecuencia y los anchos de banda de modulación del AD9361. Algunas propuestas de radio inteligente incorporan la red de malla adaptativa y otras proponen usar el acceso múltiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA) para utilizar el espectro sin usar en un enfoque de agrupación del espectro. La trayectoria definitiva de la próxima generación todavía está por definirse, pero cuando se adopte la radio cognitiva de banda ancha de forma generalizada, revolucionará la comunicación inalámbrica. Al margen de la dicha trayectoria, todas las estrategias posibles comparten los mismos desafíos asociados con la flexibilidad y el rendimiento que el AD9361 puede satisfacer.
A pesar de los avances en el procesamiento digital, los transceptores todavía necesitan etapas analógicas de RF de alto rendimiento para la amplificación frontal, el filtrado, la generación de frecuencia y conversión descendente. La dificultad de integrar la funcionalidad RF con un rendimiento y flexibilidad suficientes limitó fundamentalmente a la SDR. Los intentos por integrar los elementos de RF llevó a sacrificar la sensibilidad, selectividad, linealidad y el aislamiento debido a limitaciones en el rendimiento del semiconductor subyacente. Esto llevó a la industria a adoptar la creencia general de que no se podían obtener beneficios en flexibilidad e integración sin sacrificar el rendimiento y la funcionalidad. El AD9361 de Analog Devices cambió el paradigma con un rendimiento que cumple con especificaciones como la 4G LTE. Ofrece a los diseñadores reducciones innovadoras en el tamaño y el recuento de componentes sin hacer concesiones en el rendimiento a las que están acostumbrados los diseñadores. Es completamente configurable y escalable: se puede usar de forma sincrónica en sistemas multichip para ampliar su capacidad. El resultado del alto nivel de flexibilidad e integración es un mejor tiempo de lanzamiento al mercado y un menor consumo de energía y área de la placa. Las aplicaciones objetivo incluyen sistemas de comunicaciones P2P, estaciones base femtocelda/picocelda/microcelda, sistemas de radio de propósito general, radio cognitiva de banda ancha y MIMO. Las características de hardware clave incluyen:
• Dos transceptores completamente independientes con trayectorias de señal separadas capaces de usar una configuración 2x2 de chip único o estar sincronizaos en sistemas 4x4, 8x8 o de mayor tamaño para aplicaciones que incluyen la formación de haces y MIMO. Cada receptor incorpora un máximo de 3 diferenciales/6 entradas de una sola terminal. El AD9364 Agile Transceiver es una única versión del AD9361.
• Dos osciladores locales (LO) independientes e integrados que pueden habilitar al transceptor para operar en los modos dúplex por división de frecuencia (FDD) o dúplex por división de tiempo (TDD). Sintetizadores con N-fraccional que admiten una resolución de sintonización de frecuencia de 2,5 Hz.
• Rango de frecuencia (70 MHz – 6000 MHz).
• Tasas de muestra configurables de software desde 547 kSPS* hasta 61,44 MSPS con un CAD de 12 bits en chip
• Control automático de ganancia (AGC) integrado, corrección de desplazamiento de CC y corrección de cuadratura.
• Excelente factor de ruido del receptor (2 dB a 800 MHz de LO).
• Excelente ruido de fondo del transmisor (-157 dBm/Hz).
• Opciones de interfaz de CMOS y LVDS para una cómoda interfaz con el procesador de banda base.
*Este número está actualmente en revisión
Figure 2: Placas de evaluación del AD9361
(a) Placa de AD-FMCOMMS2-EZB de Analog Devices
(b) Placa de HSMC ARRADIO de Arrow Electronics
El AD9361 está envuelto en un ecosistema completo para habilitar la evaluación rápida del AD9361 y el desarrollo de productos de SDR. Esta es realmente una forma revolucionaria de desarrollar sistemas de comunicaciones porque evita la necesidad del desarrollo inicial de un prototipo de hardware y controladores de software funcionales. Esto permite al equipo de desarrollo centrarse en las características diferenciadoras del diseño antes que en la arquitectura subyacente. El SDK tiene soporte de software integral y modelos de simulación. Analog Devices tiene una larga trayectoria en RF y SDR, con un entorno de simulación para el AD9361 basado en la herramienta MathWorks SimRF. Aunque no específicamente para el AD9361, Analog Devices tiene muchas referencias técnicas relativas a la SDR como técnicas para maximizar el rango dinámico en los receptores. Estas referencias analizan importantes cálculos asociados con la SDR como el factor de ruido (NF) de ADC y la relación señal-ruido (SNR) como una función de la fluctuación del reloj. El AD9361 también tiene el soporte directo de una Wiki de Analog Devices que contiene de todo desde el código de origen de controladores hasta guías paso a paso para documentación de ejemplos trabajados en tarjetas de circuitos de evaluación. Desde la perspectiva del software, las características de dispositivo y ecosistema de AD9361 y AD9364 incluyen:
• Fáciles de configurar con comandos de software, usarlos no intimida.
• Ecosistema de desarrollo de transceptor completo. El conjunto de programas incluye una aplicación para usuarios de Linux, controladores de dispositivos Linux y sin sistema operativo, además hay hardware de referencia disponible para simplificar el diseño.
• Está disponible el sistema de diseño referencia de hardware de ARRadio de Arrow. Una tarjeta secundaria HSMC que es compatible con el Kit de desarrollo SoCKit de bajo costo construido para procesadores de doble núcleo ARM Cortex-A9 de Cyclone V SOC.
• Está disponible el diseño referencia de hardware AD-FMCOMMS2 – EZB EMC. Una tarjeta secundaria FMC que es compatible con las tarjetas portadoras basadas en FMC.
• El SDK tiene conectores FMC independientes para facilitar la conexión a cualquier sistema de procesamiento de banda base.
• El SDK tiene una aplicación de usuario y diseño de referencia que puede generar DDS para tonos continuos para salidas de prueba, transmitir directamente desde archivos que se transmiten y capturar salidas del receptor para mostrarlas en pantalla.
• Aplicación de osciloscopio de entrada/salida industrial (IIO) de Linux. Consulte la información del receptor en la FFT de dominio de tiempo, constelación y espectro. Permite un máximo de bajo nivel y la escritura en memoria dentro del AD9361 debido a su opción de depuración.
• La modificación de las características del dispositivo gracias a Linux se realiza mediante las sencillas operaciones de apertura, lectura, escritura y cerrado.
• Hay un modelo validado de Matlab Simulink SimRF disponible que representa con precisión el ruido del transceptor y las no linealidades a diferentes niveles de potencia y frecuencias. Se pueden usar para predecir el rendimiento del diseño y modificar las configuraciones en un entorno virtual para lograra una aproximación cercana al hardware real. MathWorks Instrument Control Toolbox™ puede automatizar las mediciones de RF, conectarse a analizadores de espectro y generadores de señales para probar el dispositivo usando el hardware de referencia.
Figura 3: Sistemas de evaluación de AD-FMCOMMS2 y ARRadio
La trayectoria de la señal de AD9361
Las secciones de receptor dobles convierten las señales RF en datos digitales antes de traspasarlas al procesador de banda base (BBP). Dos canales independientes habilitan sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) mientras que comparten un sintetizador de frecuencia común. Tres entradas se pueden multiplexar por receptor, lo que permite que el AD9361 se use en sistemas con diversidad de receptores en que se requiere más de una antena. El receptor de conversión directa ingresa los datos de entrada provenientes de la antena y los traspasa al amplificador de bajo ruido (LNA). A lo que siguen amplificadores de cuadratura y elementos de mezclador emparejados. Los filtros de paso de banda dan forma a las señales y eliminan el espectro de aliasing a medida que la RF se reduce a banda base. Si se requiere amplificación o selectividad adicional, se puede incorporar un LNA o filtrado externo antes del dispositivo. El control de ganancia automático (AGC) puede ajustar los niveles de señal automáticamente o mediante control del BBP. El indicador de fuerza de la señal recibida (RSSI), también se incorporan el rastreo del desplazamiento CC y los circuitos necesarios para la autocalibración. Se pueden ajustar las frecuencias de muestra de los CAD de 12 bits. Las señales digitalizadas pueden reducirse adicionalmente mediante una serie de filtros y un filtro FIR de 128 coeficientes. Los transmisores de conversión directa doble reciben los datos digitales del BBP en donde se interpola mediante un filtro FIR de 128 coeficientes programable y una serie de filtros de interpolación. Un DAC de 12 bits con una tasa de muestra ajustable convierte la señal digital en analógica. Los canales de cuadratura resultantes se convierten de forma ascendente a RF por medio de mezcladores. Las señales de cuadratura se combinan y pasan a través de filtros de paso de banda para darles forma. La señal RF se envía al amplificador de salida para su transmisión. Cada canal tiene atenuadores ajustables, autocalibración en tiempo real y monitor de potencia de Tx
Radio cognitiva: la SDR militar de hoy y del mañana
Los soldados actualmente utilizan radios SDR de JTSR, como la AN/PRC-154 Rifleman de Thales.
Son radios inteligentes con la capacidad de autoformar y autocorregir redes de voz y datos ad hoc simultáneas y tienen la capacidad definida por software para ser mejoradas e interoperar. También pueden actuar como repetidoras de otras radios. Las radios SDR militares pueden adaptarse a una amplia variedad de protocolos e interoperar entre organizaciones militares y civiles. En el futuro, la capacidad de SDR permitirá a las comunicaciones militares que se adapten dinámicamente a entornos espectrales congestionados y abarrotados y entregar mejoras en eficiencia y ancho de banda utilizando la mejor conexión disponible: la radio cognitiva. La mejor conexión podría ser usar un espectro actualmente sin usar, una condición que cambia dinámicamente. Al igual que con las redes de teléfonos celulares y los sistemas de radio troncales, las autoridades de la defensa civil y el gobierno puede bloquear el acceso de los usuarios al sistema para garantizar el servicio, lo cual resulta fundamental en momentos de emergencia de defensa civil. Las radios cognitivas militares pueden no solo usar el espectro pasivamente, sino que pueden capturar el espectro agresivamente cuando se requiera. La forma en que una radio cognitiva interactuará con su entorno espectral se denomina una etiqueta.
Se considera que la SDR ofrece una ventaja importante en conocimiento de la situación al optimizar la conectividad de la banda ancha. Otra área importante en donde las fuerzas armadas visualizan la habilitación de la SDR es la actualización. Ser capaz de actualizar las radios con los avances más recientes en codificación, conjuntos de características y bases de datos permite al sistema adaptarse a nuevos requisitos y capacidades. Ello también debiera conducir a una prolongación de la expectativa de vida del sistema de radio. Las fuerzas armadas consideran la radio cognitiva como una extensión de su proceso denominado Ciclo OODA: observar, orientar, decidir y actuar. Son una parte integral de este proceso.
La actual tendencia de las fuerzas armadas es hacia el concepto de un teléfono celular táctico debido a que las características asociadas con la conectividad de la red inalámbrica moderna son cada vez más importantes para las comunicaciones en el frente de batalla. Del mismo modo que con todo el equipo de infantería, hay una presión considerable para reducir el peso y el tamaño a la vez que aumenta la duración de la batería, lo que impulsa la necesidad de mayores niveles de integración. Estas necesidades pueden ser satisfechas por transceptores de SDR basados en el AD9361. Este teléfono táctico del futuro requerirá capacidad de radio cognitiva, incluso puede que se le exija ser una radio inteligente con aprendizaje automático integrado para optimizar dinámicamente el rendimiento. Al igual que con los productos electrónicos de consumidores, los soldados también necesitan estar habilitados con diversos dispositivos conectados, como tablets, ordenadores portátiles y cámaras. Pequeños vehículos, aeronaves y sistemas autónomos como drones y robótica, incluso exoesqueletos pueden algún día requerir capacidad de radio cognitiva (y por ende SDR) para interoperar y establecer redes en el frente de batalla. Se están realizando investigaciones para habilitar a las radios SDR con la capacidad de ejecutar contramedidas electrónicas, como interferencia. También están estudiando agregar enlaces de control para la supervisión de la robótica y los datos de sensores. La supervisión de sensores en segundo plano por redes de radio cognitiva puede proporcionar datos de terreno dinámico para niveles químicos, biológicos e incluso de radiación ofrece una imagen completa del campo de batalla.
Conclusión
La SDR todavía está evolucionando rápidamente al igual que la necesidad de dispositivos más inteligentes que utilicen de mejor manera los aumentos del espectro limitado y congestionado. El AD9361 y su primo de menor costo de transceptor único, el AD9364, están perfectamente posicionados para satisfacer las necesidades de la actual y la próxima generación de SDR. El AD9361 es un excelente dispositivo habilitador para sistemas de radio cognitiva. Si alto nivel de integración y flexibilidad ayuda a posibilitar las reducciones en el recuento de componentes, tamaño y consumo de energía. El desarrollo nunca fue más fácil para productos de transceptor con un kit de desarrollo integral y fácil de usar y diseños de referencia bien documentados. Hay diseños de referencia de hardware disponibles que son compatibles con los kits de desarrollo de FPGA SOC de Xilinx y Altera. Ello ofrece una rápida trayectoria de desarrollo para RF y BBP según los SOC basados en FPGA de bajo coste equipados con doble núcleo ARM Cortex A9. Los controladores comprobados de Linux completan el conjunto de programas de diseño y simplifican el proceso de desarrollo de software.