SDR

1. Sesiones
• Introducción (3h)
• GNU Radio Companion (GRC) (3h)
• Modulación Analógica (6h)
• Conceptos básicos (3h)
• Modulación Digital (9h)
H. Miyashiro 1

2. Metodología
H. Miyashiro 2
Teoría Diseño Simulación Implementación
Algoritmos.
Ecuaciones.
Identificación bloques
Flowgraph.
Validación en
Escenario virtual.
Parámetros reales.
Escenario
punto-multipunto.
𝑥 𝑡 = cos(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝜑(𝑘))

3. Software Defined Radio (SDR)
Parte I: Introducción
Expositor: Héctor Miyashiro
B.Sc. Ingeniería de Telecomunicaciones
Investigador en INICTEL-UNI

4. Contenido
I. Qué es un SDR?
II. Cómo funciona un SDR?
III. Cómo se programan?
IV. Aplicaciones
H. Miyashiro 4

5. H. Miyashiro 5
I. Qué es un SDR?
DAC amp
DAC amp
USB
Ethernet
FMC
Texto
Imagen
Audio
Video
PC
SDR ideal
bus
USB
𝑡𝑘 0 𝑓
𝑓 𝑀𝑎𝑥
Es posible
transmitir a
mayores
frecuencias?

6. I. Qué es un SDR?
• Es una radio (hardware) que permite realizar comunicaciones a
determinada frecuencia, ancho de banda, modulación, velocidad, etc.
tan solo con la configuración en software.
• Ejemplos
H. Miyashiro 6
Modulación Código Estándar Aplicación
BPSK LDPC DVB-S2 Satélite
O-QPSK CRC IEEE 802.15.4 Sensores
OFDM Turbo códigos LTE Móviles

7. I. Qué es un SDR?
Historia
• ~1980, SDR tiene sus orígenes en las investigaciones para aplicaciones
en comunicaciones militares.
• 1991, Joe Mitola describió el concepto de SDR utilizando el término
“Software Radio” en el paper: “Software Radio: Survey, Critical
Analysis and Future Directions”.
• 2001, Eric Blossom inició el proyecto GNU Radio. Facilitando el
desarrollo de aplicaciones en SDR.
• 2005, Ettus Research lanzó el USRP1. (BW: 16Mhz, MIMO: 2x2)
• 2013, Ettus Research lanzo el USRP X310. (BW: 120Mhz, MIMO:
100x100)
H. Miyashiro 7

8. 𝑓𝑓𝑐
Espectro
radioeléctrico
H. Miyashiro 8
II. Como funciona un SDR?
ADCamp
SDR ideal
• Para obtener la información de , el ADC debe muestrear como
mínimo a 𝑓𝑠 = 2(𝑓𝑐 + 𝑓𝑚𝑎𝑥).
Si 𝑓𝑐 = 100 Mhz, 𝑓𝑠 𝑚𝑖𝑛. = 200 𝑀ℎ𝑧
Si 𝑓𝑐 = 915 Mhz, 𝑓𝑠 𝑚𝑖𝑛. = 1830 𝑀ℎ𝑧
Si 𝑓𝑐 = 2.4 Ghz, 𝑓𝑠 𝑚𝑖𝑛. = 4800 𝑀ℎ𝑧

9. 𝑓𝑓𝑐
Espectro
radioeléctrico
𝑡
Forma de onda
(continua)
𝑘
Forma de onda
(discreta)
0 𝑓
Espectro
en banda base
𝑓 𝑀𝑎𝑥
Demodulación
Decodificación
…
H. Miyashiro 9
II. Como funciona un SDR?
ADC
SDR real
Interfaz RF

10. II. Cómo funciona un SDR?
• Antena
• Interfaz RF: PGA, mixer, NCO, filtros
• ADC, DAC
• Unidad de Procesamiento Digital: GPP, SoC, DSP, FPGA.
H. Miyashiro 10
Diagrama de bloques: SDR típico
Unidad de
Procesamiento
Digital
ADC, DACInterfaz RF

11. II. Cómo funciona un SDR?
Antena
H. Miyashiro 11
Antena Frecuencias Descripción Precio (US$)
1. Antena Telecópica 75 Mhz to 1 Ghz Sparkfun (15/10/17) 30
2. Antena Celular
(Quad Band) 824 to 894 Mhz,
880 to 960 Mhz, 1710 to 1880 Mhz,
1850 to 1990 Mhz
Sparkfun (15/10/17) 10
3. Antena WiFi
(Dual Band) 2.4 to 2.48 GHz and
4.9 to 5.9 GHz
Ettus Research (15/10/17) 45
4. Antena Log Periodic 850 Mhz to 6.5 Ghz Ettus Research (15/10/17) 60
Conector: SMA
Impedancia: 50 Ω

12. II. Cómo funciona un SDR?
Interfaz RF y ADC/DAC?
H. Miyashiro 12
Demodulador en cuadratura

13. Unidad de
Procesamiento
Digital
Interfaz RF
II. Cómo funciona un SDR?
Unidad de Procesamiento Digital
H. Miyashiro 13
USB 2.0
ASIC uPADC, DAC
RTL-SDR HackRF One

14. ADC, DACInterfaz RF
II. Cómo funciona un SDR?
Unidad de Procesamiento Digital
H. Miyashiro 14
USB 2.0 o 3.0
(B210)
FPGA uP
B210

15. ADC, DACInterfaz RF
II. Cómo funciona un SDR?
Unidad de Procesamiento Digital
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Giga Ethernet
(N210)
FPGA uP
N210

16. Equipo Precio (US$) RF (Mhz) BW (Mhz) Canales
RTL-SDR 20 24 - 1766 3,2 Msps 1 Rx
HackRF One 300 1 - 6000 20 Msps 1 Rx o 1 Tx
LimeSDR 300 0,1 – 3800 61,44 Mhz 2 Rx y 2 Tx
BladeRF x40 420 300 - 3800 40 Msps 1 Rx y 1 Tx
FMCOMMS4+Zedboard 874 70 - 6000 56 Mhz 1 Rx y 1 Tx
USRP B210 (+carcasa) 1212 70 - 6000 56 Mhz 2 Rx y 2 Tx
USRP N210 (+tarjetaRF) 1772 50 – 2200 (WBX) 40 Mhz 1 Rx y 1 Tx
USRP x310 (+tarjetaRF) 5538 50 – 2200 (WBX120) 120 Mhz 2 Rx y 2 Tx
a) c)
II. Cómo funciona un SDR?
Hardwares SDR
b) d)
a)
b)
c)
d)
H. Miyashiro 16

17. III. Cómo se programan?
Software SDR
• GNU Radio Companion (GRC), programación a nivel de bloques y
a nivel de código en lenguaje Python y/o C++.
• Simulink (Matlab), programación a nivel de bloques y código.
• LabView, programación a nivel de bloques y código.
H. Miyashiro 17
Configuración & control
Unidad de
Procesamiento
Digital
ADC, DACInterfaz RF
Software

18. III. Cómo se programan?
GNU Radio Companion (GRC)
• Es un software libre multiplataforma (Linux, Windows, Mac), para el
procesamiento digital de las señales y configuración/control del
hardware SDR.
• La programación se realiza de forma gráfica (flowgraph) enlazando
bloques y configurando sus parámetros.
H. Miyashiro 18
GNU Radio Companion flowgraph

19. III. Cómo se programan?
GNU Radio Companion (GRC)
• Bloques jerárquicos. Se pueden crear bloques con nuevas
funcionalidades a partir de otros bloques.
H. Miyashiro 19

20. III. Cómo se programan?
GNU Radio Companion (GRC)
• Bloques Python. Se pueden crear bloques con nuevas funcionalidades
a partir de un código fuente escrito en Python.
H. Miyashiro 20
𝑦1 = 𝑓 𝑥1
𝑦2 = 𝑓(𝑥1 + 𝑥2)
pythonAlgoritmos de correccion de errores.
Algoritmos de sincronizacion.
Algoritmos de estimacion de SNR.

21. IV. Aplicaciones
• La reconfiguracion de los SDR a partir de software hacen que sus
aplicaciones sean extensas. Siendo una herramienta ideal para
investigacion y educacion.
• Tecnologias que permiten esto:
✓Componentes de RF con un amplio rango de operacion, desde khz hasta Ghz.
✓Conversores AD y DA con alta frecuencia de muestreo, permiten trabajar cada
vez con anchos de banda mayores.
✓Sistemas embebidos como FPGAs, SOCs, DSPs.
• Estas tecnologias hacen que la utilizacion de SDRs para ciertas
aplicaciones sea costoso en comparacion con otras radios que operan
a frecuencias fijas.
H. Miyashiro 21

22. IV. Aplicaciones
• Implementación de estándares de comunicación - La plataforma SDR
permite implementar cualquier estándar de comunicación, desde la
capa física hasta la capa de aplicación.
• Una plataforma de evaluación de concepto de mMIMO para el
estándar 5G fue desarrollado por Lund University
H. Miyashiro 22
𝐶 = 𝐵 × 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆/𝑁)
𝐶 = 𝑛 × 𝐵 × 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆/𝑁)
Sistema de comunicacion MIMO 4x4

23. IV. Aplicaciones
H. Miyashiro 23
Diagrama de jerarquico de la
estacion base mMIMO (100 antenas)
Estacion base mMIMO con
arreglo de 100 antenas

24. IV. Aplicaciones
• Plataforma educativa - La característica de los SDRs de ser
configurables a partir de software, hacen que se puedan realizar
múltiples experiencias con tan solo un único módulo.
H. Miyashiro 24
Modulo Leybold Software Defined Radio USRP B210

25. IV. Aplicaciones
• Evaluación de arquitecturas para comunicaciones - Es posible
integrar arquitecturas dentro del FPGA y procesar con estas las
señales. Esta forma sencilla permite validar las arquitecturas
diseñadas.
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Integracion de arquitectura en FPGA, dentro de una plataforma SDR

26. IV. Aplicaciones
H. Miyashiro 26
HDMI
USB
ADC, DACInterfaz RF FPGA uP
FMC