Radios definidas por software: ¿Puede una sola servir para todos los propósitos?

Con un mundo que avanza hacia una omnipresente conectividad inalámbrica e incluso con dispositivos de funciones fijas como un teléfono móvil que utiliza varias bandas y protocolos diferentes capaces de coexistir en un espacio pequeño, el trabajo del diseñador de productos inalámbricos se torna cada vez más complicado. Los teléfonos inteligentes y tabletas modernas pueden transmitir y recibir simultáneamente datos en 3G/4G, (y pronto también en 5G) de voz y datos, Bluetooth, wifi, y posiblemente GPS. Las nuevas Redes de Área Personal que admiten computadoras y periféricos "portátiles" podrán añadir aún más responsabilidad de RF a los diseños ya compactos en cuanto a comunicaciones.

Incluso dentro de las mismas bandas de frecuencias, los diferentes protocolos y servicios que a veces carecen de interoperabilidad pujan por el reconocimiento, la aceptación, las franjas horarias y la cuota de mercado. Piense en la banda ISM de 2.4 GHz, por ejemplo. Tenemos Bluetooth, wifi, ZigBee, teléfonos inalámbricos, telemetría, y otros numerosos servicios que coexisten en este espacio.

Y no termina allí. Los diseñadores que necesiten conectarse a un mundo inalámbrico en perpetuo cambio deben ser conscientes de los desarrollos en cuanto chipset, pilas de protocolo, propiedad intelectual, y una multitud de entornos de desarrollo, certificaciones, herramientas y equipos de prueba.

¿Qué sucedería si hubiese otra manera? ¿Qué sucedería si una sola sección RF pudiese hacerlo todo?

Este artículo considerará las nuevas arquitecturas de radios definidas por software (SDR, por sus siglas en inglés) y las piezas que le sirven de respaldo Las SDR ofrecen la promesa de un sistema de procesamiento RF ultraflexible que se puede programar para que funcione con varias frecuencias y múltiples protocolos simultáneamente. Además, la naturaleza de procesamiento de señal totalmente programable de la radio definida por software hace que sea una cobertura ideal en contra de los nuevos protocolos y servicios que surgen, pero puede que no logre prosperar rápidamente. Todas las piezas, hojas de datos, tutoriales, y kits de desarrollo a los que se hace referencia aquí pueden encontrarse en el sitio web de DigiKey.

Usted está siendo sustituido

Las radios cuentan con funciones bastante diferenciadas que operan en conjunto. Un receptor, por ejemplo, usa una antena para acceder a una señal de bajo nivel, la amplifica, la filtra, realiza una mezcla de frecuencia, demodula una señal recuperada (utilizando uno o más de los numerosos esquemas de modulación/demodulación) y presenta datos de salida como forma de onda analógica o digital. Los transmisores se encargan de modular en lugar de demodular, pero realizan el mismo proceso a la inversa.

Los bloques de hardware altamente optimizados han evolucionado para lograr estabilidad, claridad, baja deriva, una buena estabilidad de temperatura, tamaño pequeño, bajo consumo de energía, buena sensibilidad y fácil integración de sistemas. El objetivo de una SDR, en cierto sentido, es sustituir a estas funciones altamente especializadas con una tecnología automatizada y programable.

Idealmente, una antena se conecta a un conversor A/D, lo que alimenta la forma de onda de banda ancha a un estadio de procesamiento de señal. El bloque de procesamiento de señal a continuación debería extraer la señal deseada desde el canal que desee y la banda deseada al intervalo de tiempo deseado (si corresponde). Sin embargo, el mundo no es tan sencillo, al menos no todavía.

Por un lado, no están disponibles los conversores A/D de velocidad GHz. Es más, mientras que las profundidades memoria han crecido de manera exponencial, en las bandas de 5 GHz por ejemplo, los requisitos de memoria del ejemplo que acabamos de mencionar, necesitarían de 10 Gbytes para crear un búfer de un segundo (suponiendo que contamos con muestras de 16 bits).

Por otra parte, muchos de los avances en cuanto a procesador y CI han hecho posible realizar la partición de las etapas RF de front-end en bloques de procesamiento flexibles y de alto rendimiento que se encargan de la mayor parte de la recuperación de alta frecuencia y de señal intensiva. En ese momento los datos se transfieren a un procesador de uso general, como una computadora, tableta, o incluso un teléfono inteligente, capaz de usar el software para crear interfaces de usuario, controles, pantallas, e incluso realizar algunos de los sistemas de modulación/demodulación con interfaces A/D y D/A o tarjetas de sonido (Figura 1).


Figura 1: El hardware front-end denso y de alta velocidad captura señales directamente desde la antena para realizar una canalización y una conversión de frecuencia de muestra. Este puede ser alimentado directamente a una etapa de procesamiento de señal digital, que realiza el procesamiento de la banda base. Un procesador de uso general, como una computadora, puede utilizar entradas analógicas en forma de una tarjeta de sonido para realizar la demodulación y las entradas/salidas de frecuencia final.

El hardware discreto se puede sustituir con etapas programables para filtros, mezcladores, moduladores, demoduladores, detectores, comparadores, amplificadores, osciladores, y mucho más. Ya se encuentran disponibles numerosos dispositivos para este fin y están pensados para diseños de SDR. Consideremos, por ejemplo, el transceptor RF ágil de Analog Devices. Denominado como AD9364, combina un front-end RF con una banda ancha y un procesador flexible de señal mixta y de banda base (Figura 2).


Figura 2: Transceptor modular 1x1 que ofrece etapas A/D y D/A de 12 bits con buses de datos paralelos. Los osciladores en chip locales y los mezcladores se pueden usar en bandas desde 70 MHz hasta 6 Ghz

Aunque fue diseñado inicialmente para comunicaciones de datos de RF de 3G/4G, es configurable a través de una interfaz digital a un procesador principal, lo que le permite funcionar como un ágil transceptor para numerosos protocolos y bandas. La inclusión de sintetizadores integrados de alta frecuencia da como resultado una interfaz de configuración digital para operaciones de RF.

El rango de frecuencia admite desde 70 MHz a 6 GHz, lo que lo convierte en una herramienta útil de legado, así como soporte de banda wifi. Esto también lo sitúa en el rango de GSM, DECT, Bluetooth, wifi, WiMAX, ZigBee, y muchos otros populares servicios y protocolos inalámbricos.

Otras características interesantes incluyen el monitoreo en tiempo real y el control de las ganancias de la señal y funciones AGC y un filtro de respuesta de impulso finito de 128 pulsos que produce una señal de salida de 12 bits en la frecuencia de muestreo adecuada. La programación permite su utilización tanto para técnicas de dúplex de división de tiempo como para técnicas de señalización de frecuencia dúplex. Tiene anchos de banda de canal ajustables (desde 200 kHz hasta 56 MHz) y puede separar partes de la banda para secuencias de alta frecuencia de datos, o rebanar porciones más angostas para señales de baudios más bajas.

También ofrecen soporte para el sistema de desarrollo AD-FMCOMMS4-EBZ que admite un rango completo de 56 MHz hasta 6 GHz.

Otro chip complementario de procesador para uso en una radio definida por software es producido por Lime Microsystems con su chip transceptor integrado LMS6002DFN multibanda y multiestándar. Esta pieza incluye también la conexión diferencial de entrada y salida de RF con buses de transmisión y recepción de datos paralelos de 12 bits, similar a la pieza de Analog Devices. El LMS6002DFN cubre las bandas de 300 MHz a 3.8 GHz y también ofrece resoluciones A/D y D/A de 12 bits y está diseñado para las nuevas estaciones de base de celda pico y femto y repetidores. Esta pieza también utiliza técnicas de señalización diferencial dentro de todas las etapas analógicas. Cabe destacar cómo esta pieza única cubre las radios WCDMA, HSPA, LTE, GSM, CDMA2000 y IEEE 802.16x todas bajo el control del software.

Una característica especialmente singular de esta pieza son sus sintetizadores dobles y separados que permiten un funcionamiento de dúplex completo. Además, se pueden activar dos salidas de transmisor y tres salidas de receptor a la vez. Esto permite una compatibilidad simultánea de diferentes protocolos y estándares.

Otra característica interesante es su control de ganancia TX de dos etapas (Figura 3A); una etapa en la sección de IF, y la otra en la sección de RF. Un solo texto de control controla tanto las ramas I como las Q. De manera similar, también hay control de ganancia de tres etapas sobre el lado de la entrada (Figura 3B). Los principales LNA tienen buen control de ganancia a través de un texto de control de 6 bits que se resuelve en pasos de ±6 dB. Un paso de 1 dB en el AGC puede reducir la ganancia en preparación para el filtrado de canal.

Un módulo de formación de producto para el transceptor RF multifunción LMS6002 de Lime Microsystems está disponible en el sitio web de DigiKey. Además, en esta pieza cuenta con el soporte del kit de desarrollo MYRIADRF-1 de Lime, basado en el transceptor flexible y mutiestándar LMS6002 y un módulo FPGA de Altera.


Figura 3A: Una etapa TX de ganancia flexible programable aprovecha las ventajas de dos amplificadores de ganancia programables.


Figura 3B: Tres fases de control de ganancia proporcionan flexibilidad en el acondicionamiento de señal de entrada, incluyendo la capacidad de derivación (a 0 dB de pérdida) del filtro de paso bajo.

Otras soluciones

Además de piezas diseñadas específicamente para funcionar dentro de una SDR, las piezas de gama alta de uso general que tienen una gran cantidad de recursos, periféricos, y capacidad de procesamiento también se pueden utilizar como host para una radio definida por software. Un ejemplo de este tipo lo ofrece Texas Instruments con el DSP TMS320DM6446AZWT de alto rendimiento y de propósito general. Este es realmente un sistema sobre chip ya que el CI BGA 361 de Digital Media aloja dos núcleos, un sistema de reloj de gama alta ARM926 a 297 MHz, y un reloj de núcleo TMS320C64x+ DSP a 594 MHz.

Como parte de la serie DaVinci producida por la empresa, esta pieza aloja video, redes, control de gráficos, señal mixta, tarjeta inteligente, audio, ATA e interfaz de Flash, USB y un control de memoria DDR, por citar algunas de una larga lista de características.

El uso de la pieza DSP TMS320C64 de punto fijo permite que todos los filtros, moduladores, demoduladores, y otros algoritmos de procesamiento de la señal puedan funcionar simultáneamente con el lado digital. Internamente, el DSP independiente tiene sus propios recursos de memoria y caché para mejorar el rendimiento y minimizar las interacciones ARM/DS. TI posee una gran cantidad de herramientas de diseño, notas de aplicación, y materiales de capacitación para ayudar a los ingenieros a ponerse al corriente con esta compleja pieza. Un ejemplo de ello es el módulo de evaluación TMDSEVM642, que admite los procesadores C6000, DaVinci y VelociT1.2.

En resumen

Se puede lograr un enfoque unificado de control y de comunicaciones de RF sin la necesidad de un gran número de dispositivos individuales. Aunque todavía se encuentran en las etapas iniciales de refinamiento, hay suficientes ejemplos de radios definidas por software capaces de mostrar la flexibilidad y la capacidad de este enfoque, y seguramente mejorarán en el futuro cercano. En su forma más pura, y en algún momento no lejano, un receptor SDR puede llegar a consistir simplemente de un chip conversor de señal analógica a digital conectado a una antena. Todo el filtrado y la detección de la señal pueden tener lugar en el dominio digital, tal vez en una computadora personal, un teléfono inteligente, una tableta o una computadora portátil.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.