Sistema de rádio digital para White Spaces UHF

Abstract

Nos últimos anos tem-se assistido a uma impressionante disseminação das comunicações móveis assim como ao surgimento de novos protocolos de comunicação. Este facto traduz-se numa utilização intensiva de certas bandas do espectro eletromagnético, enquanto a utilização de outras é por vezes mínima ou inexistente. Consequentemente surgiu o conceito de white spaces, que representa as porções do espectro não utilizadas. Atualmente, o espectro eletromagnético é alocado de forma estática, associando cada tecnologia a uma determinada banda de frequências, o que leva a um uso ineficiente do mesmo. Deste modo seria vantajoso alterar a forma como o espectro eletromagnético é acedido, adotando um paradigma de acesso dinâmico – Dynamic Spectrum Access. No entanto, para que tal seja possível, além de alterações regulamentares, é necessário que a camada física dos rádios se torne flexível e adaptável, possibilitando uma configuração eficiente de diversos parâmetros tais como frequência de transmissão, modulação, potência do sinal a transmitir, largura de banda, entre outros. Os conceitos ou paradigmas de Rádio Definido por Software (Software Defined Radio) e Rádio Cognitivo (Cognitive Radio) visam precisamente dar resposta a estes requisitos. Este trabalho de Mestrado enquadra-se precisamente na área dos rádios definidos por software. O objetivo principal consiste no projeto e implementação de um sistema de rádio digital para white spaces UHF baseado em FPGA (Field Programmable Gate Array). Pretende-se que este sistema seja flexível relativamente à frequência da portadora e largura de banda do sinal transmitido. A componente de transmissão do sistema é composta por um all-digital transmitter, cujo conceito, é essencialmente um transmissor onde o caminho do sinal desde a banda base até ao andar de rádio-frequência seja integralmente digital. O recetor é baseado em bandpass sampling, que consiste na amostragem direta do sinal de rádio, utilizando uma frequência inferior. Ambas arquiteturas representam abordagens bastante próximas do conceito de Software Defined Radio ideal. Nesta dissertação são apresentadas as arquiteturas e os aspetos de implementação do sistema e discutidos os resultados obtidos através de parâmetros como a taxa de erros da transmissão, a potência dissipada, entre outros. O sistema de rádio desenvolvido no contexto desta dissertação foi distinguido com o primeiro lugar no concurso internacional “IEEE International Microwave Symposium 2013 Software Defined Radio and Digital Signal Processing Student Design Competition”.

In the last years has been an impressive spread of mobile communications as well as the emergence of new communication protocols. This fact renders in an overutilization of some spectrum bands while the utilization of other bands is sometimes minimal or nonexistent. Consequently it has arisen the white spaces concept, which represents the unused portions of the spectrum. Currently, the electromagnetic spectrum is statically allocated associating each technology to a particular frequency band, which leads to an inefficient use of it. Thus, it would be advantageous to change the way the electromagnetic spectrum is accessed adopting a dynamic access paradigm- Dynamic Spectrum Access. However, for this to be possible, in addition to regulatory changes, it is necessary that the radio physical layer becomes flexible and adaptable, enabling efficient configuration of various parameters such as transmit frequency, modulation, power of the signal to be transmitted, bandwidth, among others. The concepts or paradigms of Software Defined Radio and Cognitive Radio are precisely the key to meet these requirements. This master thesis fits precisely in the area of Software Defined Radio. The main goal consists in the project and implementation of a FPGA (Field Programmable Gate Array)-based digital radio system for UHF white spaces. It is intended for this system to be flexible on the carrier frequency and the bandwidth of the transmitted signal. The transmission component of the system is composed by an all-digital transmitter, whose concept is essentially a transmitter where the datapath from the baseband to the radio-frequency stage is fully digital. The receiver is based on a bandpass sampling receiver approach sampling directly at radio-frequency stage using a lower frequency. Both architectures represent very close approaches to the ideal Software Defined Radio concept. This master thesis presents the architecture and the implementation aspects of the system and discusses the obtained results using parameters such as error rate of transmission, power dissipation, among others. The developed radio system was distinguished with first prize in the international contest "IEEE International Microwave Symposium 2013 Software Defined Radio and Digital Signal Processing Student Design Competition.