Receptor de señales definido por software utilizando dispositivos fpga.

Rosada, Jaime García, Juan Carlos

Ing. Jaime Rosada Tamayo: Reserva Científica en el Centro de Biofísica Médica, Universidad de Oriente, Calle Patricio Lumumba S/N, Santiago de Cuba, CP 90500, Telef. 52-22-631424, fax 55-22-632545, correo electrónico jaime@cbm.uo.edu.cu

MSc. Juan Carlos García: Investigador Agregado en el mismo Centro, teléfono y fax los mismos, correo electrónico carlos@cbm.uo.edu.cu

Resumen.

Se presenta el diseño y construcción de un receptor definido por software con muestreo pasabanda para su uso en el laboratorio. En una primera etapa ha sido concebido acoplado a una computadora personal la cual será utilizada como unidad de procesamiento. El sistema permite la digitalización en radiofrecuencia de señales pasabandas entre 350 Hz y 60 MHz con amplias facilidades en cuanto a esquemas de demodulación. Se ha logrado una base de hardware programable para direccionamiento, que permitirá el desarrollo de nuevas aplicaciones utilizando las facilidades que brindan los Arreglos de Compuertas Programables por Campo.

Palabras Clave: Arreglos de Compuertas Programables por Campo/ Demodulación/ Muestreo Pasabanda/ Receptor definido por Software/ Receptor Digital.

Software defined receiver of signals using fpga devices

Abstract:

The design and building of a software defined receiver of signals with bandpass sampling is presented. In this first stage the system has been developed with a personal computer like processing unit. The system can digitize bandpass signals from 350Hz to 60MHz with very good facilities for different demodulation schemes. The new programmable hardware with Field Program Gates Array devices will allow the implementation of new designs.

Key words: Bandpass Sampling/ Demodulation/ Digital Receiver/ Fields Program Gates Arrays/ Software Defined Receiver.

Finalizado: 2005/03/15 Recibido: 2005/04/08 Aceptado: 2005/12/08

I. INTRODUCCIÓN.

Para muchos diseñadores de sistemas de recepción de señales la aplicación del muestreo pasabanda ha significado una forma sencilla de desplazar la digitalización hacia las primeras etapas de sus sistemas. Las bajas velocidades de procesamiento que permite el método en comparación con otros (la digitalización directa) [1 ,2 ,3 ,4 ] son el resultado de la aplicación de la teoría del muestreo al estudio de las señales pasabanda.

Una señal pasabanda real s(t) [ , ] puede definirse de forma general como la parte real de la modulación de una señal pasabajo compleja SL(t) que posee un ancho de banda B bilateral y un espectro que cumple que SL( ) = 0 para B/2 .

Teniendo en cuenta la ecuación 1, el espectro de s(t) será de la forma mostrada en la Figura 1, donde aparecen dos partes fundamentales:

Figura 1. (a) Espectro de frecuencia de una Señal pasabajo, (b) Espectro de frecuencia de una Señal pasabanda.

S_L (-0) L - : Réplica positiva de SL()

desplazada hasta la banda– L< < u.

S_L *(--0) : Réplica negativa de la señal compleja conjugada de SL(f) desplazada hasta la banda – u< <- L.

Durante la conversión de una señal analógica a digital, el proceso de muestreo puede ser analizado como el producto de una señal continua en el tiempo por un tren de impulsos de frecuencia igual a la frecuencia de muestreo.

Este proceso de multiplicación en el dominio del tiempo resulta en el dominio de la frecuencia en la convolución de los espectros de ambas señales (Figura 2). En el caso de una señal pasabanda si se escoge la frecuencia de muestreo y el filtrado adecuado, puede obtenerse en banda base una réplica de la señal de interés, de acuerdo con la posición de la banda. Como posición de la banda se hace referencia al número fraccionario de anchos de banda, partiendo desde el origen al cual esta situado el límite inferior de la banda de interés.

Figura 2. (a) Discretización de una señal pasabajo, (b) Discretización de una señal pasabanda.

Este tipo de arquitectura puede utilizarse en todo tipo de sistema que no requiera un análisis riguroso de la fase, como ocurre en algunas aplicaciones de resonancia magnética y de pletismografia de impedancia, así como otras aplicaciones de procesamiento de señales biomédicas [3]. El muestreo pasabanda de segundo orden es de gran utilidad cuando se desea conocer, a partir de un conjunto de datos resultantes de la digitalización de una señal analógica, las componentes de frecuencia de su espectro original. El centro de Biofísica Médica ha desarrollado en los últimos años un conjunto de equipos en el campo de la bioingeniería que incluyen procesos de recepción, demodulación y filtrado de señales. Para estos sistemas, la optimización de estos procesos implicaría no sólo mejorar su desempeño, sino también mejorar factores como el costo, peso, compatibilidad electromagnética, etc.

Este trabajo presenta el diseño y construcción de un sistema de recepción digital con muestreo pasabanda para su uso en la evaluación de diferentes aplicaciones a nivel de laboratorio. El mismo cuenta con toda la flexibilidad que puede aportar un dispositivo FPGA (Fields Program Gates Arrays), y el empleo de una computadora como unidad central de procesamiento, donde pueden ser implementados diferentes esquemas de demodulación, filtrado o cualquier otro tipo de análisis adicional que se desee implementar.

II. DESARROLLO

1. Partes integrantes del receptor

El receptor se ha desarrollado sobre la base de una microcomputadora personal utilizada como unidad de control y procesamiento de los datos [ ]. Posee una etapa de procesamiento analógico (preamplificador de radiofrecuencia o módulo de RF), un módulo de conversión analógico digital (A/D) y otro de direccionamiento programable, diseñado con FPGA en el que se encuentra almacenada toda la lógica de control del receptor digital. Este módulo y la computadora personal constituyen el procesador digital de señales. Los módulos han sido concebidos de manera independiente, lo cual aporta una mayor flexibilidad al sistema al permitir el acople de diferentes módulos, cuya lógica de control puede ser reprogramada en el FPGA. El diagrama en bloque de la arquitectura del receptor se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Esquema en bloque del receptor digital propuesto en el diseño.

El sistema ha sido concebido para recibir señales en su entrada de RF, ya sean provenientes de cualquier antena con sus elementosde sintonía, de un arreglo de transductores con su módulo de acople y amplificación de señales o de cualquier generador. La señal es primeramente amplificada y filtrada en el módulo de procesamiento analógico hasta los niveles óptimos necesarios en la próxima etapa. Luego pasa al módulo de conversión donde se digitaliza y envía hasta la computadora utilizada como unidad de procesamiento. Todo este proceso es dirigido por el módulo de direccionamiento programable diseñado sobre dispositivos FPGA.

Módulo de direccionamiento programable

El módulo de direccionamiento ha sido diseñado sobre la base de un dispositivo FPGA de la familia XC3030 de Xilinx, en el que se implementa parte del diseño eléctrico del receptor de señales, este módulo es controlado a través de un programa implementado en C++. Cuenta con un conector de 25 pines para el acoplamiento y la transferencia de datos entre el módulo de direccionamiento programable y el módulo de conversión A/D. A través de este conector pueden acoplarse también otros módulos con solo reconfigurar el FPGA utilizado. Para ello posee además un conector de 8 pines por el que se realiza la programación mediante un cable, desde la computadora personal y en el que se coloca la memoria en caso que se requiera [7].

Módulo de conversión analógico - digital

El módulo de conversión ha sido diseñado a partir del conversor monolítico analógico - digital AD 9220 de resolución 12 bits y ancho de banda de 60 MHz, así como un amplificador operacional TL 072 que actúa como seguidor de voltaje.

Todo el proceso asociado a la conversión A/D se simuló sobre la base de las herramientas del Matlab. La Figura 4 corresponde a una señal de componentes de frecuencia 1001 KHz y ancho de banda de 1 KHz digitalizada con una frecuencia de muestreo de 10 KHz. La línea discontinua muestra el efecto que provoca en el espectro de la señal la visualización en la pantalla. Esta particularidad permitirá prescindir del filtro interpolador digital necesario en el muestreo pasabanda luego de la conversión A/D. En su lugar, para este caso, se establecerá como restricción adicional que la frecuencia de muestreo debe ser, como mínimo, cuatro veces el ancho de banda de la señal para así minimizar el efecto de las réplicas.

Figura 4. Las líneas continuas representa el espectro de frecuencia de la señal digital. La línea discontinua muestra el efecto que provoca en el espectro de la señal la visualización en la pantalla.

Módulo de procesamiento analógico

Debido a los niveles tan bajos de las posibles señales a procesar en la práctica, es necesario amplificarlas hasta un nivel que puedan ser utilizables y luego realizar las operaciones de filtrado analógico que garanticen las características pasabanda de las mismas. El módulo de procesamiento analógico ha sido implementado sobre la base de un amplificador de radiofrecuencia, sintonizado de acuerdo con las características de la señal.

Características principales del software

El software utilizado para el control del receptor de señales fue implementado en C++. Este se encuentra dividido en un programa principal y cuatro subrutinas de funciones: atención a interrupciones y almacenamiento de los datos, determinación de la frecuencia de la señal digital, graficación y almacenamiento de los resultados de la adquisición. [7].

2. Resultados

Durante la etapa de diseño se realizaron todo un conjunto de simulaciones tanto funcional como temporal del esquema propuesto. Todas estas simulaciones se desarrollaron utilizando como plataforma las herramientas que brinda el Xilinx Foundation (Figura 5).

Figura 5. Simulación en tiempo. Representación de las señales involucradas en la transferencia de datos entre el conversor A/D y la computadora personal.

Entre los principales resultados obtenidos se encuentran: Se montó y probó el sistema propuesto en el diseño, obteniendo las señales esperadas en banda base.

Se ha dotado al laboratorio de una plataforma de hardware sobre la cual se pueden seguir probando nuevos diseños.

3. Discusión de los resultados

Los resultados obtenidos están respaldados con varias pruebas que se realizaron bajo condiciones diferentes en cuanto a señales, frecuencias de la señal digital y frecuencia de muestreo (ver Tabla I).

Tabla I. Resultados teóricos y prácticos obtenidos bajo las diferentes condiciones de prueba, así como la diferencia entre el valor de frecuencia de la señal digital real y el valor esperado.

En primer lugar, para una misma frecuencia de muestreo, el error cometido al determinar la frecuencia de la señal se incrementa al aumentar la frecuencia de la señal de RF. Esto se debe a inexactitudes en la medición de la frecuencia de muestreo del sistema ya que, debido al proceso de convolución en frecuencia, éstas quedan multiplicadas por el índice de posicionamiento de la banda que se incrementa con la frecuencia. En segundo lugar, las señales obtenidas en banda base con el esquema propuesto presentan pequeñas inmestabilidades de frecuencia que pueden ser inaceptables en algunas aplicaciones. Esto se debe a las pequeñas variaciones del reloj de muestreo, que al ser multiplicadas por el índice de posicionamiento de la banda puede incrementarse en varios órdenes de magnitud. Esta es la causa fundamental por la que no se recomienda este tipo de arquitectura para sistemas que requieran un análisis riguroso de la fase, ejemplo: los sistemas de resonancia magnética (RM) de imágenes. Sin embargo, otros sistemas en los que no se precise de este tipo de análisis, como algunos sistemas de relaxometría de RM, pueden encontrar en ésta una excelente solución técnica. La estructura de hardware propuesta permite utilizar en otras aplicaciones en el laboratorio el módulo de direccionamiento diseñado. Las facilidades brindadas, tanto para la conexión al módulo como para la programación del FPGA, permiten que puedan probarse nuevas aplicaciones sin necesidad de nuevos hardwares de acoplamiento a la PC.

III. CONCLUSIONES

1. El diseño propuesto permite adquirir señales basabandas de RF entre 350Hz y 60MHz utilizando las ventajas del muestreo pasabanda.

2. El diseño constituye una excelente solución para sistemas que no precisen de un análisis riguroso de fase.

3. La estructura de hardware propuesta permite explotar al máximo las posibilidades que ofrece el módulo de direccionamiento, permitiendo que puedan probarse nuevas aplicaciones en el laboratorio.

IV. REFERENCIAS

1. Hill, G., “The Benefits of Undersampling, Electronic Design, vol. 42, July 1994, pp 69-79.        [ Links ]

2. Bakhru, K., “Communication Receiver Design Using Digital Processing”, Digital Signal Processing, Vol. 2, 1992, pp. 2- 13.        [ Links ]

3. Groshong, R., Ruscak, S., “Undersampling Techniques Simplify Digital Radio”, Electronic Design, Vol. 39, May. 1991, pp. 67-78.        [ Links ]

4. Hosking, R. H., “Digital Receivers: The New Wave for Signal Analysis”, RF Design, April 1997, pp. 32-44.        [ Links ]

5. Coulson, J., “A Generalization of No Uniform Banpass Sampling”, IEEE Trans. Signal Process., vol. 43, March 1995, pp. 694-704.        [ Links ]

6. Vaughan, R. G., Scott, N. L., White, D. R., “The Theory of Bandpass Sampling”, IEEE Trans. Signal Process., vol. 39, Sep. 1991, pp. 1973-1984.        [ Links ]

7. Rosada, J., “Construcción de un receptor de señales definido por software con muestreo pasabanda”. Tesis presentada en Opción al Grado de Ingeniero en Telecomunicaciones., Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Julio 2004, pp. 25-47.        [ Links ]