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Dos aplicaciones de Radio Definida por Software (SDR): Televisión Digital y Espionaje

Dr. Ing. Federico Larroca

Los dispositivos inalámbricos cada vez integran una mayor cantidad de interfaces. Así por ejemplo, un smartphone incluye una interfaz LTE, 3G, WiFi, bluetooth, GPS, además de una interfaz para sintonizar radios FM. La tendencia es precisamente a integrar cada vez más formas de comunicación en un dispositivo. Ahora bien, cada una de estas interfaces corresponde a un hardware (chip) específico que implementa la radio y la capa física (es decir, convertir el voltaje de la antena a bits y viceversa), además del controlador asociado que implementa el mecanismo de acceso al medio correspondiente (por ejemplo, en WiFi, cuándo puede transmitir cada uno de los terminales en la red). Si se pudieran implementar los diferentes tipos de comunicación requeridos con un mismo hardware y tan solo cambiando el software, eso simplificaría el diseño y bajaría los costos.

Este concepto es el que se encuentra detrás de las radios definidas por software (Software Defined Radio, SDR). De manera sencilla, el hardware SDR se encargará únicamente de medir (y procesar mínimamente) los valores de voltaje generados en la antena, y entregarlos a un PC, donde el software SDR será quien se encargue de procesar estos valores, por ejemplo transformándolos a bits. Dicho de manera más técnica, la idea es contar con un hardware simple pero versátil que implemente solamente la interfaz de radiofrecuencia, que “baje” (demodule) a bandabase las señales de RF en las bandas requeridas, y que luego haga la conversión analógica-digital en el receptor o digital-analógico en el transmisor. Esta señal en bandabase, muestreada, es enviada por este hardware SDR a un equipo de propósito general, como un PC, para que procese las muestras.

Es decir que en esta arquitectura la implementación de capa física, que habitualmente se hace en un hardware específico, se realiza en software. Esto incluye modulación/demodulación digital, sincronización en tiempo y frecuencia, corrección de errores, etc. Por lo tanto, con el mismo hardware se pueden implementar virtualmente todos los protocolos de comunicaciones que se desee, simplemente ejecutando distintos programas en la PC.

En el Instituto de Ingeniería Eléctrica, el grupo ARTES trabaja en esta línea desde 2012. En particular se realizan tareas de enseñanza (cursos como Comunicaciones Inalámbricas, Sistemas de Comunicación o Taller de Introducción a las Telecomunicaciones), extensión (actividades de difusión y talleres con liceos) e investigación. De este último tema destacamos aquí dos: gr-isdbt y TempestSDR.

gr-isdbt es un desarrollo del grupo y consiste en el primer receptor SDR completo del estándar de televisión digital ISDB-T, utilizado en Uruguay y la región. Las fuentes del mismo son libres y se pueden descargar desde este enlace, y por lo tanto cualquier persona en el mundo que cuente con un equipo SDR puede descargar el código, usarlo y modificarlo. El sistema toma las muestras del hardware SDR y las procesas hasta obtener la señal de audio/video. Más allá de poder ver la televisión, lo interesante del sistema está en las posibilidades que brinda respecto a enseñanza, investigación y desarrollo. Por ejemplo, se pueden ilustrar los distintos bloques que conforman un receptor de televisión y conocer su funcionamiento con detalle, o realizar distintas medidas de calidad de la señal en etapas intermedias (es decir, más allá de la calidad de la imagen resultante), o incluso evaluar mejoras sobre el estándar.

Tempest es el acrónimo con el que se conoce al espionaje a partir de emanaciones electromagnéticas no intencionales. Es decir, todo voltaje que varía en el tiempo genera ondas electromagnéticas, que dependiendo de la situación pueden ser captadas por antenas a distancias significativas. Estas emanaciones pueden ser intencionales, como en el caso de una antena transmisora, o no, como en el caso de la amplia mayoría de los equipos electrónicos. Muchos equipos toman precauciones para minimizar estas emanaciones, pero incluso así sigue siendo posible recibirlas e inferir información a partir de éstas. Por ejemplo, y este es el caso de TempestSDR, se infiere qué está mostrando la pantalla de un monitor a partir del campo electromagnético generado por el conector VGA del mismo. Una tesis de maestría dentro del grupo está trabajando en tomar TempestSDR (código abierto y libre desarrollado por la Universidad de Cambridge) estudiarlo y proponer mejoras. Los resultados preliminares obtenidos al momento (ver la figura de ejemplo) son alentadores.

Con estos dos ejemplos se pretende mostrar la versatilidad del paradigma SDR. En ambos casos el equipo es el mismo, simplemente se ejecutan distintos programas en la PC. Existen muchísimas aplicaciones más, que van desde radios FM, la implementación de una radiobase LTE o incluso radioastronomía.