Você sabe o que é Software Defined Radio ? - Parte I

Software Defined Radio
Este post faz parte da série SDR. Leia também os outros posts da série:

Quando fala-se em aplicações que envolvam sistemas de rádio como Broadcast (transmissão de Rádio e/ou TV), sistemas de telefonia e dados móvel (GSM, 3G, LTE), equipamentos domésticos de infraestrutura (Roteadores Wifi/ Wimax)  e mesmo aplicações mais recentes ou sofisticadas, como radares de trajetografia usados para monitoramento de espaço aéreo, é comum discutir sobre o “astro principal” de sistemas como esse, os seus componentes internos (moduladores/demoduladores, amplificadores, filtros, etc) que formam o transceptor (receptor e transmissor), responsável basicamente por modular, amplificar e transmitir, e receber, amplificar, demodular e reproduzir a informação. Fato é que o mercado já possui uma grande variedade de circuitos integrados que já tomam conta de diversas tarefas em relação à transmissão, recepção, tunning, modulação e demodulação de forma que o projetista nem sempre precise conhecer a fundo detalhes do sinal e do sistema de transmissão.

 

Mas antes de tudo, o que seriam esses transceptores de rádio? Podem ser definidos como um conjunto de circuitos necessários para adequação do sinal que contém a informação de modo que possa ser transmitido através de uma antena, ou recebido por um circuito externo para posterior processamento. São constituídos basicamente do “front end”  de RF  seguidos de algum tipo de conversor ou tradutor de frequência de modo que o sinal modulado tenha o valor da informação preservada em diferentes valores de frequência, para estes existem arquiteturas bem consolidadas e definidas, como: conversão direta, super heteródina, Zero IF, Low IF, detectores amostrados, esse último aparentemente pouco citado em referências bibliográficas (o trabalho realizado por Soer fornece um útil conjunto de informações sobre essa arquitetura de conversão), assim tem-se o estágio de processamento que pode conter moduladores/demoduladores, codificadores e formadores de quadros, além de dispositivos de controle dos demais estágios. Observamos a figura abaixo (MAXIM, 2002 ) que mostra um exemplo do estágio de recepção de um possível transceptor de RF.

 

 

Exemplo de estágio de receptor de rádio

 

 

Esses arranjos de transceptores são projetados e construídos para que o sistema de rádio receba e transmita sinais para um determinado canal de frequência (bandas como as conhecidas ISM, e as utilizadas para broadcast), assim caso esse sofra uma alteração de projeto como uma nova banda a ser acessada, modulação  a ser utilizada, nova forma de codificação dos dados, existe uma grande chance de voltar a prancheta e reprojetar, em alguns casos, todo o sistema.

 

O termo Software Defined Radio, introduzido de forma pública por Joseph Mitola, definido como um conjunto de tecnologias para que estagios de demodulação, modulação, codificação e controle do sistema de rádio sejam definidos por algum algoritmo que roda dentro de um computador (sim, sim um FPGA, DSP, mas além desses notáveis, acreditem da para fazer com uma CPU de uso geral como um microcontrolador!), está presente para contornar as dificuldades de reusabilidade e flexibilidade de projeto dos comumente chamatos HDR (Hardware Defined Radio), onde como a própria definição sugere, efetuar todo o controle de operação do sistema transceptor bem como qual tipo de modulação ou decodificação usada por meio de um software rodando embarcado em algum processador. Observemos a figura abaixo comparando um sistema receptor HDR com um receptor implementado baseado em um exemplo de conceito SDR (sim existem outras formas de representar esse modelo).

 

 

Sem título.png

 

Sem título.png

 

 

Ao olhar as figuras acima, percebe - se que diferentemente de um HDR, o SDR moveu para dentro de um processador todo o tratamento intensivo do sinal de informação, deixando externo a ele apenas a amplificação e antena, assim o software embarcado na unidade processamento é responsável por selecionar qual o modo de operação do enlace , intuitivamente percebe - se que além da complexidade do hardware ter reduzido bastante, o sistema ganha flexibilidade, uma vez que o software desenvolvido pode controlar diferentes modos de operação, e ainda ganha em reusabilidade, parâmetros constantes podem ser modificados apenas “regravando” um novo software na unidade de processamento.

 

Apesar das vantagens mostradas na figura 2, essa infelizmente trata o SDR de forma ideal de forma que essa configuração possa ser executada em qualquer faixa de frequência, assim esse modelo ainda não é praticável em toda e qualquer banda pois existem alguns pontos que estão em constante pesquisa, mas precisam de melhorias, como os listados abaixo:

 

  • Antenas multibanda, entre outros componentes RF, ainda não é possível conceber tais componentes capazes de atender a todas as faixas de recepção e transmissão;

 

  • Amostragem dos conversores de dados, na teoria os A/D e D/A possuem taxa de amostragem infinita, isso não é possível ainda, apesar da existência de conversores extremamente rápidos com taxas da ordem de Giga-amostras por segundo;

 

  • Conexão direta do processador a antena, impraticável por dois fatores, o primeiro é a inexistência de conversores de dados com amostragem infinita, ja citado, a segunda deve - se ao processamento exigido para tratar uma informação na faixa  de GigaHertz ainda não atingido, mesmo com os melhores processadores existentes;

 

  • Necessidade de amplificação, diretamente ligado a melhoria acima, os sinais que chegam e saem dos conversores de dados necessitam de amplificação externa e devido casamento de impedâncias não sendo possível por enquanto sua integração em um unico chip.

 

Mesmo um rádio que pode ser controlado digitalmente ideal não possa ser concebível, existem arquiteturas para transceptores de rádio controlados por software que são perfeitamente factíveis e ainda assim provendo suas principais vantagens como flexibilidade e reuso de projeto. Comumente referenciadas como transceptores de rádio flexíveis. Cada uma com suas vantagens e desvantages e maior ou menor flexibilidade.
Na próxima parte do artigo, estudaremos um pouco  mais a fundo algumas das principais arquiteturas dos chamados transceptores flexíveis, bem como demonstrar com base uma delas um pequeno receptor simples mas muito explorado pela comunidade Open Source de desenvolvimento de rádios por software.

 

Referências:

 

SOER, Michiel - Analisys and comparision of switched frequency converters - 2007 -

Disponível no link.

KENINGTON, Peter B. - RF and Baseband techiniques for software defined radio - 2005

ROUPHAEL, Tony J. - RF and digital signal processing for software defined radio - 2009

YOUNGBLOOD, Gerald - Software defined radio for the masses - 2003 - Disponível no link

RAZAVI, Behzad - RF Microelectronics - 2004.

MAXIM - Use selectivity to improve receiver intercept point - 2002 - Disponível no link.

 

Outros artigos da série

Você sabe o que é Software Defined Radio? - Parte II >>
Este post faz da série SDR. Leia também os outros posts da série:
NEWSLETTER

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Obrigado! Sua inscrição foi um sucesso.

Ops, algo deu errado. Por favor tente novamente.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Felipe Neves
Engenheiro de sistemas embarcados apaixonado pelo que faz, já trabalhou em diversos setores de tecnologia nos últimos 14 anos com destaque para Defesa, Automação, Agricultura, Wearables, Robótica e mais recentemente Semicondutores. Possui sangue maker, tendo paixão por construir e compatilhar suas próprias coisas e explorar novos sabores dentro do mundo "embedded". Atualmente trabalha como Engenheiro de Software Senior na Espressif, sim aquela do ESP32 e do ESP8266. Tem interesse em tópicos que envolvam Robótica, Controle de Movimento, DSP e Sistemas de Tempo Real.

3
Deixe um comentário

avatar
 
3 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
1 Comment authors
Carlos AbidoReview BeMicro Altera Max 10Você sabe o que é Software Defined Radio? - Parte II - Embarcados - Sua fonte de informações sobre Sistemas Embarcados Recent comment authors
  Notificações  
recentes antigos mais votados
Notificar
trackback

[…] Você sabe o que é Software Defined Radio ? – Parte I - https://www.embarcados.com.br/sdr-parte-i/ […]

trackback

[…] o não tão novo, porém “oculto” conceito de rádios definidos por software. Na primeira parte dessa série, fizemos um apanhado geral do que um SDR contém (ou minimamente deveria conter), então vamos […]

Carlos Abido
Visitante
Leao Leao

Parabens Felipe pelo excelente artigo. O site ja era muito bom agora com sua participacao ficou ainda melhor. Sucesso aqui no Embarcados.