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Implementación de un Modulador Digital GMSK Utilizando

Radio Definida por Software HackRF One Implementation of a GMSK Digital Modulator Using

HackRF One Software Defined Radio

Omar Castillo-Alarcón1, Javier Alvaro Rivera-Suaña2, Javier Mendoza-Montoya3

Paúl Hernando Mamani-Sánchez4

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez

Juliaca, Perú

Resumen

El estudio se centra en el desarrollo de una aplicación de modulación digital

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) utilizando tecnología de Radio

Definida por Software SDR (Software Defined Radio). El objetivo de la

investigación busca determinar la efectividad de transmisión de información

digital utilizando GNURadio y el SDR HackRF One, en una aplicación de

comunicación digital Gaussiana. Finalmente, se ha desarrollado la aplicación

de comunicación digital GMSK para la transmisión de un archivo de texto.

Abstract

The study focuses on the development of a GMSK (Gaussian Minimum Shift

Keying) digital modulation application using SDR (Software Defined Radio)

Software Defined Radio technology. The objective of the research seeks to

determine the effectiveness of digital information transmission using

GNURadio and the SDR HackRF One, in a Gaussian digital communication

application. Finally, the GMSK digital communication application has been

developed for the transmission of a text file.

Palabras Clave: Modulación digital, GMSK, HackRF One, Radio definida por software, GNU Radio. Keywords: Digital Modulation, GMSK, HackRF One, Software Defined Radio, GNU Radio.

I. INTRODUCCIÓN

Hoy en día, las comunicaciones digitales son una tecnología bastante sólida en la sociedad

humana y tiene su existencia en la necesidad de comunicación. Pueden ser personas hablando

por terminales móviles, o máquinas comunicándose entre ellas. Los puntos de conexión pueden

estar en un mismo ambiente o en lados opuestos, o puede ser fijo o móvil (Ahlin et al., 2006).

1 Omar Castillo Alarcón, Universidad Nacional Mayor de San Marcos UNMSM, gnu.omar@gmail.com

2 Javier Alvaro Rivera Suaña, Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez UANCV, automationriv@gmail.com

3 Javier Mendoza Montoya, Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez UANCV, javier.mmo@gmail.com

4 Paúl Hernando Mamani Sánchez, Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez UANCV, paulmamanisanchez@gmail.com

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Un ejemplo de conexión móvil utilizando comunicaciones digitales es en la comunicación aérea;

donde la información se transfiere entre el punto de control y aeronave. Otra aplicación se da en

la transmisión de información digital utilizando diferentes modulaciones digitales entre ellos

GMSK, que es caso de uso en el presente estudio (Oberg, 2001).

Para el desarrollo de la modulación GMSK utilizando la tecnología SDR, comprenderá varios

subsistemas en cascada. En donde utilizando los entornos de desarrollo GNU Radio y HackRF

One, se implementan vía software los componentes necesarios para lograr la modulación

GMSK, las antenas se configuran con ayuda de un VNA y se usa un analizador de espectro para

contrastar la frecuencia de trabajo del estudio.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 GMSK

La modulación por desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK) es un esquema de modulación

utilizado en sistemas inalámbricos de celular GSM y es una variante de MSK con una forma de

onda procedente de un filtro de paso-bajo Gaussiano. Es un tipo de modulación FSK y se puede

implementar con el mismo hardware, generalmente utilizando un PLL (Bishop, 2008).

La eficiencia espectral de GMSK implementada en el sistema GSM depende ligeramente de los

parámetros del filtro Gaussiano, es decir: 1.35 bits/s/Hz. Sin embargo, la modulación MSK sin

filtrar tiene una envolvente de radiofrecuencia constante, y así se reduce el requisito de

amplificación lineal. Se requiere filtrado para limitar la dispersión espectral, en GMSK esto da

como resultado variaciones de amplitud de aproximadamente el 30%, esto sigue siendo muy

bueno en aplicaciones de transmisión de información (Chen, 2000).

GMSK es básicamente una implementación digital de FM con un cambio binario en la

frecuencia de modulación, el cambio de una frecuencia de modulación a la otra está programada

para que ocurra en fase cero. Por lo tanto, el flujo de bits de entrada se forma para establecer

semisinusoides para cada bit del flujo de entrada. La fase de la señal moduladora es siempre

continua, pero en los cruces por cero la media sinusoide continua como un positivo o media

sinusoide negativa dependiendo del siguiente bit en el flujo de entrada (Pedrajas y Hernandez,

2008).

Un transmisor GMSK puede utilizar modulación de frecuencia convencional. Y en la recepción

se puede utilizar un discriminador de FM, evitando los más complejos I y Q para demodulación.

En la modulación GMSK, un flujo de datos se pasa a través de un filtro gaussiano y la respuesta

filtrada acciona un modulador de FM con la desviación de FM ajustada a la mitad de la velocidad

de datos (Domínguez Galaviz, 2016) Por ejemplo: para 8000 bits/s, el flujo de datos GMSK se

modula en una portadora de RF con una desviación máxima de 4 kHz o ± 2 kHz. Un tipo de

modulador MSK y GMSK se muestra en la Figura 01.

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Figura 01, Dos implementaciones de moduladores GMSK, una usando una modulación FM basada en VCO y la

otra basada en un modulador de cuadratura. Fuente, Elaboración propia.

2.2 Generación de Modulación GMSK

Para la generación GMSK; primeramente, se utiliza un filtro Gaussiano pasa-bajo a la entrada

de datos de información a transmitir, para luego ingresar dicha información a un modulador de

frecuencia con un índice de modulación establecido en 0.5. Este método es bastante simple y no

muy fiable por la desviación de dicho valor al momento de la modulación y transmisión. Un

modulador GMSK basado en FM se muestra en la figura 02.

Figura 02, Un Modulador GMSK usando un oscilador controlado por voltaje.

2.3 Parámetros BT

Un parámetro de suma importancia que concierne el ancho de banda del filtro Gaussiano y el

periodo de los bits, es el parámetro BT. Por lo tanto, este parámetro afecta el rendimiento de la

modulación GMSK. Donde a medida que los valores BT son menores, los pulsos de los bits de

transmisión se prolongan más, introduciendo así una interferencia Inter-simbólica a la entrada

del modulador, esto se va a observar en una reducción del diagrama de ojos. La característica

de valor BT a diferentes valores se muestra en la figura 03.

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Figura 03, el gráfico muestra la relación entre el parámetro BT y la dispersión de los bits.

2.4 Espectro de Potencia GMSK

Una ventaja de usar el tipo de modulación GMSK en comparación de la modulación MSK es la

atenuación de su densidad espectral de potencia en los lóbulos laterales, a medida que el

parámetro BT tiende a reducirse. Como se puede observar en la figura 04 la señal GMSK con

un valor de BT de 0.3 reduce la radiación de la potencia es sus lóbulos laterales, esto a causa de

usar un filtro Gaussiano en la entrada de los datos de información a transmitir.

Figura 04 , Densidad espectral de potencia de una modulación GMSK a diferentes valores del parámetro BT,

cuando este disminuye se tiene una mejora en la eficiencia espectral pero a costo de degradación del sistema.

Fuente, (Matplotlib).

2.5 Radio Definida por Software

SDR (Software Defined Radio) es un sistema de radiocomunicaciones donde varios de los

componentes internos como mixers, filtros, modems, detectores, etc, son definidos vía software

e implementados vía hardware, usando un computador personal u otros dispositivos de

computación embebidos. Aunque el concepto de SDR no es nuevo, la reciente evolución de los

circuitos digitales programables, FPGA y DSP, y el aumento de la velocidad de los

microprocesadores, velocidad de los DAC, e integración de componentes RF en circuitos

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integrados, ha hecho posible desde el punto de vista práctico muchos de los procesos que tiempo

atrás eran solo posibles desde un punto teórico. La figura 05 muestra los componentes

principales usados en el estudio.

Figura 05, Imagen del SDR Hack RF On, el RTL-SDR y el VNA NanoVNA, usados en el estudio, Fuente:

Elaboración Propia.

2.6 GNU Radio

GNU Radio es un kit de herramientas de desarrollo de software de código abierto que

proporciona bloques de procesamiento de señales para implementar radios en un entorno de

software. Aunque se puede usar sin ningún tipo de hardware como plataforma de análisis de

señales, se puede utilizar con hardware de RF externo de bajo costo y fácilmente disponible para

crear radios definidas por software. Es ampliamente utilizado en entornos de investigación,

industria, academia, gobierno y aficionados para respaldar la investigación y aplicaciones desde

el punto de vista científico y de hobby.

La figura 06 muestra el diagrama de bloques interno del SDR HackRf One, el cual puede ser

usado por GNU Radio para síntesis de circuitos RF, lo destacable del diagrama es la presencia

del mixer y el CPLD, es decir el HackRF One es simplex y se programa mediante un CPLD, una

diferencia importante con SDRs más caros como USRP donde son dúplex y programables

mediante FPGA.

Figura 06, Diagrama de bloques de HackRF One, Fuente: Jorge Rodriguez de Haro.

2.7 Desarrollo

A continuación, en la figura 07, se muestra el diagrama de bloques para modular y transmitir la

información GMSK. Un archivo de texto tx.txt sirve como File Source a un Packet Encoder qué

codifica los paquetes para después ser enviados a un modulador GMSK Mod con BT=0.35, está

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después es multiplicada a un amplificador unitario Multiply Const = 1(que se puede variar para

aumentar una ganancia de salida), para después conectarse a un Sumidero osmocom Sink seteado

en la banda de 290 MHz (importante setear el hardware en hackrf), y en paralelo se tiene

conectado dos instrumentos de medida, un Diagrama de Constelación QT GUI Constellation

Sink y un Analizador de Espectro QT GUI Frequency Sink. Se tiene los valores de ganancia de

rf: rf_gain, ganancia de if: if_gain y ganancia de bb: bb_gain y los valores de bt: bt_gain en una

pestaña.

Figura 07, Modulador TX GMSK implementado en el SDR HackRF One, una parte importante es el campo Device

Arguments, el cual se usó hackrf=000000000000000040a465c8386f414b en el bloque osmocom Sink, Fuente:

Elaboración propia.

Para la etapa de Recepción se usó el esquema descrito en la figura 08, el cual se comporta de la

siguiente manera, la señal es recibida por el SDR RTL-SDR en la banda de 290 MHz, a la salida

del SDR se ubica un demodulador GMSK, de allí se tiene la sección Packet Decoder que

reconstruye la información digital enviada por el transmisor y finalmente se tiene un sumidero

File Sink qué guarda la información digital recibida en un archivo de texto llamado rx.txt. Los

instrumentos de análisis frecuencial y de constelación están conectados a la salida del SDR.

Figura 08, Modulador RX GMSK implementado en el SDR RTL-SDR, una parte importante es el campo Device

Arguments, el cual se usó rtl en el bloque osmocom Sink, Fuente: Elaboración propia.

Para la etapa irradiante en Transmisión y Recepción se usaron antenas telescópicas seteadas en

lo posible a la frecuencia de 290 MHz con ayuda de un Analizador de Redes Vectorial

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NanoVNA, la figura 09 muestra la Respuesta de la antena tanto de transmisión como de

recepción.

(a)

(b)

Figura 09, (a) Antena de Transmisión a 290 MHz, (b) Antena de Recepción a 290 Mhz, Fuente: Elaboración propia.

En esta etapa del estudio, se ha implementado la transmisión de información de un archivo de

texto a través de la modulación GMSK utilizando un esquema en GNU Radio para ser

transmitida por el SDR HackRF One.

Como se puede divisar en la figura 10 se tiene la densidad espectral de la información

transmitida y la información recepcionada, en donde se puede diferenciar una clara atenuación

de la información recibida a causa del medio de transmisión y la poca potencia del SDR HackRF

One el cual es solo de 1 mW. La información se estableció a una frecuencia de operación de

290.0 MHz.

(a)

(b)

Figura 10, Densidad espectral, (a) señal de información transmitida; (b) señal de información recepcionada..

Para la recepción inicialmente se tiene una ganancia rf=1, luego se hizo pruebas con ganancia

rf=10 y finalmente ganancia rf=18 y 25 como máximo, se puede observar de la figura 11 que

a medida que aumenta la ganancia rf se tiene que se llega al valor máximo de 1, pero cuando la

ganancia es demasiada como 25, se observa que se satura el sistema y solo se tiene un cuadrado

en el diagrama de constelación en vez de un círculo.

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(a) (b) (c) (d)

Figura 11, Diagrama de Constelación a distintas ganancias de RF en la recepción: (a) rf_gain=1, (b) rf_gain=10,

(c) rf_gain=18, (d) rf_gain=25.

En la recepción se obtuvo como mejor valor de rf_gain=18, seguidamente en el transmisor

también se experimentó con los valores de ganancia de rf_gain, if_gain, bb_gain, hasta obtener

valores adecuados según la figura 12.

Figura 12, Valores de ganancias adecuados usados en el transmisor HackRF One, osmocom Sink.

Gracias al analizador de espectro se tiene la figura 13 donde se observa que la frecuencia del

transmisor se ubica en la banda de 290 MHz.

Figura 13, Frecuencia de operación del sistema de transmisión GMSK, se observa que está seteada a 290 MHz.

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III. RESULTADOS

De acuerdo al proceso experimental se obtuvo los siguientes diagramas de constelación con

ganancias adecuadas.

(a)

(b)

Figura 14, Diagrama de constelación, (a) En el transmisor con valores tuneados de ganancias (b) En el receptor

con valores tuneados de ganancias.

Se envió el siguiente texto en forma continua (tx.txt):

Hola SDR es divertido

Se recibió el siguiente texto en el archivo (rx.txt), cuando la ganancia de rf era pequeña (menor

a 10):

es divertidoHola SDR es divertido Hola SDR es divertido Hola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR

es divertidoHola SDR es divertidoHola SertidoHortidoHols divertSDR es dHola SDR Hola SDR es diR es

divertidoHoidoHola ola SDR SDR es divertidoHola SDRtidoHolaSDR es divertidovertidoHola SDR R es

divivertidoHola SDRR es divs divertido Hola SDR es dla SDR eido Hola Hola SDRrtidoHol SDR es

Lo que muestra una alta tasa de errores de bit y cuando se tuvo una ganancia rf de 18 se tuvo

una recepción en el archivo rx.txt similar a :

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es

divertidoHola SDR es divertidoHola SDR es divertidoHola SDR e

Lo que muestra una disminución en la tasa de errores de bit.

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IV. CONCLUSIONES

Se logró implementar el prototipo de comunicación digital GMSK mediante software GNU

Radio y Hardware HackRF One. El cual mejoró la eficiencia espectral del sistema de

comunicación utilizando un filtro Gaussiano a la entrada de la información a transmitir. Se

realizó la simulación del sistema de comunicación GMSK utilizando el software GNU radio

que mediante herramientas e instrumentos virtuales se pudieron observar las características

de la señal modulada y demodulada. Se configuró el hardware específico del sistema de

comunicación digital GMSK mediante dispositivos HackRF One y RTL-SDR, los cuales

tuvieron un eficiente trabajo en la transmisión de la información fuente.

REFERENCIAS

Ahlin, L., Slimane, B., & Zander, J. (2006). Principles of wireless communications.

Bishop, D. W. (2008). GMSK Demodulation Methods and Comparisons.

Chen, L.-W. (2000). Reduced-complexity coded GMSK systems using iterative decoding.

https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/13780

Domínguez Galaviz, J. D. (2016). Implementación de un Transmisor DFTS-OFDM sobre una

plataforma Universal Software Radio Peripheral.

http://tesis.ipn.mx:8080/xmlui/handle/123456789/20341

Oberg, T. (2001). Modulation, detection, and coding. 466.

Pedrajas y Hernandez, P. M. (2008). Análisis de un modulador digital GMSK para su

aplicación en comunicación digital [Universidad Autónoma de México].

https://ru.dgb.unam.mx/handle/DGB_UNAM/TES01000638386

Fecha de recepción: 23/07/2021

Fecha de aceptación: 25/10/2021