tutorial introductorio para radios reconfigurables – modulación fm

Introducción:

El uso de los radios reconfigurables como los USRP de la empresa Ettus Research o los dispositivos RTL comúnmente conocidos como USB stick para DVTB, se constituyen en unos de los elementos prácticos y didácticos para implementar, estudiar y desarrollar aplicaciones en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas, dada la falta de material en español y la poca documentación del uso de los programas para manejar esta plataforma, el presente tutorial tiene como propósito:

  1. Introducir el uso de los radios reconfigurables

  2. Una noción muy básica de la programación de los radios a través del programa GNU Radio Companion

  3. Una aplicación simple del uso de FM

El presente documento está organizado de la siguiente manera: Una idea general del funcionamiento de los radios reconfigurables y su arquitectura, posteriormente la forma en que se puede implementar un sistema de comunicación inalámbrica por FM usando el programa GNU Radio Companion en ambientes Linux.

Funcionamiento general y Arquitectura:

A continuación la foto de la USRP, version B100:

 USRP b100

imagen 1: Radio con vista desde afuera.

USRP y Radios

Imagen 2: USRP y los radios internos necesarios para este laboratorio.

USRP y antenas

Funcionamiento: la arquitectura de los radios USRP (Figura 1), consta de varias etapas internas, que se pueden resumir de forma muy general en  dos grandes componentes, el sistema de banda base, y el sistema de radio frecuencia.

En el sistema de banda base, se hace todo el procesamiento de señal original, ya sea para la transmisión y/o modulación, o para la demodulación y/o recepción de la información. Dependiendo de la versión de USRP que tenga a disposición, casi la totalidad del procesamiento en banda base se lleva a cabo en la memoria RAM del computador en donde se está programando, por consiguiente, el rendimiento y características de la máquina que se está empleando impacta en el rendimiento de la aplicación, (si se tiene un computador de alto rendimiento, se pueden hacer procesos más complejos, incluso graficación en tiempo real de parámetros del sistema, de lo contrario pueden haber complicaciones por capacidad de procesamiento).

El segundo sistema, corresponde al sistema de RF, (radio frecuencia), que está encargado de tomar la señal que se encuentra en banda base y se encarga de trasladar el espectro de dicha señal a la banda de operación deseada por el usuario, es decir, toma la señal que se procesa en el computador de trabajo, y la sube a una banda de operación en frecuencia deseada, obviamente la frecuencia de operación depende del tipo de tarjetas que tenga instalado el USRP, para lo cual hay una gran gama de tarjetas hijas que se pueden adquirir con el fabricante, y de acuerdo a las disponibilidades y necesidades del usuario, se realizan las aplicaciones a la medida. El proceso de cómo hace la tarjeta el proceso de elevar la frecuencia de operación de banda base a la frecuencia de radio deseada está detallada en la página web del fabricante, al usuario final, lo que debe tener en cuenta, y respetar fielmente, son las consideraciones de las frecuencias de muestreo de cada una de las etapas, ya que dicha información es la que se configura en los dispositivos, no es propósito de este tutorial, dar los conceptos de procesamiento de señal básicos y detallados, asumimos que el lector ya tiene dominio de estos temas, favor referirse a las lecturas sugeridas donde puede encontrar literatura que puede formar al lector en estos tópicos.

Materiales usados para este laboratorio:

Computador con Linux

USB stick RTL

Software GNU radio companion

Montaje:

Conecte el RTL stick al puerto USB, debe tener instalada la versión completa del GNU radio companion con las librerías de OSMOCOM y SDR RTL,  el diagrama en bloques de GNUradio es:

Receptor FM

Imagen: receptor FM, en bloques.

Funcionamiento:

FFT

Para elaborar el programa, se debe tener en cuenta los conceptos de teorema del muestreo, modulación y demodulación FM, filtrado de señales y funcionamiento del sonido digital:

Primero se captura la señal con una frecuencia de muestreo adecuada para capturar la señal en la banda de frecuencia deseada con un ancho de banda lo suficientemente grande para que una emisora de FM esté cubierta (una emisora FM analógica comercial tiene alrededor de 250KHz de ancho de banda)

Se filtra la señal, si es el caso en Banda base después de recibir la señal digitalizada por el USB stick

Se demodula la señal de FM de banda ancha con una desviación de frecuencia de 75KHz (repasar conceptos de FM comercial)

Se cambia la frecuencia de muestreo de la señal a una compatible con el audio de un computador, para el pc de este ejemplo es de 44100 muestras por segundo con un rational resampler

Se sugiere hacer un filtrado de la señal en esta etapa, para evitar interferencias y disminuir ruido

Este articulo fue escrito por Leonardo Betancur Agudelo  Docente – Investigador.

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