Radio Definido por Software

Rádio Definido por Software e sua importância para o mundo atual

Jackson Platiny Soares Leite

[e-mail]. Instituto Federal da Paraíba.

Resumo

Rádio Definido por Software (SDR) é sistema de radiocomunicação onde os componentes tradicionalmente implementados em hardware são implementados por meio de software em um computador pessoal ou sistema embarcado. Embora o conceito de SDR não seja novo, os recursos em rápida evolução da eletrônica digital tornam práticos muitos processos que antes só eram teoricamente possíveis. Um sistema SDR básico pode consistir de um computador pessoal equipado com uma placa de som ou outro conversor analógico para digital, precedido por alguma forma de front-end de adaptador de radiofrequência (RF). Quantidades significativas de processamento de sinal são entregues ao processador de propósito geral, em vez de serem feitas em hardware de finalidade especial (circuitos eletrônicos). Tal projeto produz um rádio que pode receber e transmitir protocolos de rádio amplamente diferentes com base no software usado. Os rádios de software têm utilidade significativa para os serviços militares e de telefonia celular, os quais devem atender a uma grande variedade de protocolos de rádio em mudança em tempo real, portanto é necessário entender o conceito e o seu surgimento a fim de buscar um melhor entendimento sobre o assunto e sintetizar a sua essência.

Palavras-chave: Rádio definido por software; hardware; eletrônica digital; processamento de sinal.

Abstract

Software Defined Radio (SDR) is a radio communication system where components traditionally implemented in hardware are implemented through software on a personal computer or embedded system. Although the concept of SDR is not new, the rapidly evolving features of digital electronics make many processes that previously were only theoretically possible. A basic SDR system may consist of a personal computer equipped with a sound card or other analog-to-digital converter, preceded by some form of RF front end. Significant amounts of signal processing are delivered to the general purpose processor rather than being made into special purpose hardware (electronic circuits). Such a project produces a radio that can receive and transmit widely different radio protocols based on the software used. Software radios have significant utility for military and cellular services, which must serve a wide variety of changing radio protocols in real time, therefore it is necessary to understand the concept and its emergence in order to seek a better understanding about the subject and synthesize its essence.

Keywords: Software Defined Radio; hardware; digital electronics; signal processing.

Introdução

Em nossa sociedade, vive-se uma evolução tecnológica constante, precisando sempre de meios e tecnologias mais úteis, simplificadas e precisas quanto possíveis, e na área da telecomunicação não poderia ser diferente. Uma área onde pode-se notar um grande avanço cientifico é a área de equipamentos que estão diretamente ligados a radiocomunicação. A necessidade de torná-los mais rápidos, com melhor qualidade e menores, deu início aos estudos e pesquisas sobre o que viria a ser os Rádios definidos por softwares (SDR). O SDR é um sistema de radiocomunicação onde seus componentes tipicamente implementados em hardware, como misturadores de frequência, filtros e amplificadores, são implementados em software, fazendo uso de um computador ou algum dispositivo de computação embutido. É basicamente formado por um computador que possui uma placa de som, um conversor digital ou analógico ligado a um adaptador de radiofrequência (RF). É capaz de processar um sinal obtido através de uma transmissão com a implementação do hardware de um rádio através de software, possibilitando a execução desse sinal em um processador ou computador, necessitando apenas da antena de recepção para capturar o sinal. Porém, esta tecnologia ainda tem suas limitações, muito embora exista também algumas possíveis soluções para esses encalços. Para Letícia Barros (Barros 2007), um SDR busca três características principais: i) reconfigurabilidade, que está ligada a capacidade de alterar o funcionamento do rádio, ii) flexibilidade que diz respeito a facilidade de aceitar toda a reconfigurabilidade aplicada sem precisar de mudanças na arquitetura do rádio e, iii) modularidade, que é a possibilidade das partes que definem o sistema serem executadas em módulos distintos. O SDR é, portanto, constituído por software e baseado em processamento digital de sinais, podendo ser utilizado tanto em serviços de telefonia celular como no cenário militar, sendo fervorosamente utilizado também no radioamadorismo. De acordo com a Wireless Innovation Forum (Wireless Innovation Forum), o SDR tem tudo para se tornar a tecnologia predominante no setor de comunicações de rádio, pois eles juntamente com as antenas definidas por software são essenciais para facilitar o rádio cognitivo. Além de tudo isso, ainda possui flexibilidade suficiente para evitar a limitação do espectro, o que possibilita que vários transmissores transmitindo no mesmo lugar ou na mesma frequência sofram muito pouca interferência, normalmente fundindo-se a uma ou mais técnicas de detecção de erros e de correção, fazendo assim com que aja meios para corrigir todos os erros que pudessem vir a ser causados por essas interferências. Outra coisa interessante sobre sua funcionalidade e qualidade é a antena usada nele, que bloqueia o sinal direcional, fazendo com que os receptores possam resistir melhor quanto às interferências de outras direções, o que permite que seja detectado transmissões mais fracas.

Historia

O termo ‘Software radio’ foi cunhado em 1984 por uma equipe do Texas Garland, Divisão de E-Systems Inc. (agora conhecida como Raytheon) para se referir a um receptor de banda-base digital e publicado em seu boletim eletrônico da empresa E-Team (P. Johnson 1985) Um laboratório de software relacionado a conceitos de rádio foi criado pela equipe da E-Systems que popularizou o rádio de software em agências governamentais (P. Johnson 1985). Esse protótipo consistia em um receptor de banda-base digital que possuía demodulação para sinais de banda larga, normalmente com milhares de toques de filtros adaptáveis, usando processadores de matriz múltiplas que acessavam a memória compartilhada. O rádio transceptor definido por software foi primeiramente projetado na Alemanha por Helmuth Lang e Peter Hoeher, no Estabelecimento Aeroespacial Alemão de Pesquisa (DLR) em 1988 (P. Hoeher e H. Lang 1988). O responsável por adotar o termo Rádio Definido por Software e publicar o seu primeiro trabalho sobre o mencionado tema foi Joseph Mitola no ano de 1992. Ainda que o conceito tenha sido proposto pela primeira vez em 1991, o SDR tem suas origens no setor de defesa desde o final de 1970, tanto nos Estados Unidos quanto na Europa. Uma de suas primeiras iniciativas públicas foi o projeto SPEAKeasy I (1990-1995), cujo objetivo era mostrar para o grupo tático de controle aéreo terrestre da Força Aérea dos EUA um rádio que pudesse operar entre 2 MHz a 2 GHz e assim interoperar com rádios terrestres, da Força Aérea, navais e satélites. Um dos objetivos especificados era fornecer um formato novo de sinal em duas semanas a partir do início e demonstrar um rádio no qual pudesse ser conectado várias peças e softwares pelos seus contratantes. Houveram problemas de início em filtrar adequadamente as emissões que eram alheias a banda, e ele não conseguia manter várias conversas no ar de uma só vez. A arquitetura desenvolvida no projeto embora fosse prática, não tinha pontos de semelhança com nenhuma outra desenvolvida até então, no ponto de vista do software, e ela foi refinada no MMITS Forum (1996-1999), inspirando a equipe de processos integrados do DoD para sistemas de comunicação modular programável a prosseguir com o que veio a ser o Joint Tactical Radio System (JTRS). Na fase II do projeto SPEAKeasy, o foco era conseguir desenvolver uma arquitetura reconfigurável mais rapidamente, podendo assim ter várias conversas ao mesmo tempo, utilizando uma arquitetura de software aberta que conectasse os canais, além também de quererem torná-lo menor, mais barato e mais leve. Foi produzido um rádio de demonstração em menos de 1 ano e meio dentre 3 anos de projeto e o protótipo foi tão bem sucedido que a pesquisa foi interrompida e o rádio entrou em processo de produção mesmo variando apenas de 4 MHz a 400 MHz. O software arquitetado foi tão eficiente que identificava interfaces padrões para diferentes módulos de rádio, como controle da radiofrequência para gerenciar as partes analógicas do rádio, demodulação dentre outras coisas. O projeto foi o primeiro conhecido a usar FPGAs (field programmable gate arrays) para processamento digital de dados de rádio. O tempo para reprogramar estes foi um problema que limitava a aplicação do rádio. Hoje, o tempo para escrever um programa para um FPGA ainda é significativo, mas o tempo para baixar um programa FPGA armazenado é de cerca de 20 milissegundos. Isso significa que um SDR poderia alterar os protocolos e freqüências de transmissão em um quinquagésimo de segundo, provavelmente não uma interrupção intolerável para essa tarefa. Além de tudo isso, o rádio ainda era capaz de diferenciar dados secretos não segurados (red) e os dados protegidos por criptografia (black).

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