Novasinergia 2023, 6(2), 129-139. https://doi.org/10.37135/ns.01.12.08 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Sistema de transmisión de datos a través de la radio FM aplicando técnicas
de Datos sobre Sonido
Data transmission system through FM radio applying Data over Sound techniques
Leonardo Rentería*, José Jínez , Klever Torres , Jéssica Ramos
Carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador,
060108; jjinez@unach.edu.ec; ktorres@unach.edu.ec; jpramos.fie@unach.edu.ec
*Correspondencia: leonardo.renteria@unach.edu.ec
Citación: Rentería, L., Jínez, J.,
Torres, K., & Ramos, J., (2023).
Sistema de transmisión de
datos a través de la radio FM
aplicando técnicas de Datos
sobre Sonido. Novasinergia.
6(2). 129-139.
https://doi.org/10.37135/ns.01.12.08
Recibido: 02 mayo 2023
Aceptado: 21 junio 2023
Publicación: 14 julio 2023
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: En el Ecuador, el acceso a Internet es considerado un servicio
básico desde el 2015; sin embargo, apenas el 60% de su población tiene
acceso al mismo. El 70% de los ecuatorianos que viven en la zona
urbana cuentan con Internet mientras que en la zona rural solo el 38%.
En este sentido, el objetivo de este trabajo fue diseñar e implementar
un sistema de transmisión de texto e imagen a través de la radio FM
tradicional basado en la tecnología data-over-sound para que pueda
ser utilizado como una herramienta para reducir la brecha digital de
las zonas rurales. Se construyeron un prototipo transmisor y otro
receptor, se codificaron los datos aplicando la técnica de modulación
BPSK y se enviaron a diferentes tasas de transmisión 4800, 9600, 19200,
76800 y 11500 bits por segundo (bps). Para evaluar el funcionamiento
del dispositivo, se midió la tasa de error definida como la relación entre
el número de bits trasmitidos y el de recibidos. Como resultado, se
obtuvo una tasa de error mínima de 58% a una velocidad de 4800 bps
y máxima de 61.25% a 115200 bps, así mismo, el sistema permitió
enviar imágenes de hasta 256 píxeles. A diferencia de otros trabajos
relacionados, esta propuesta no solo que superará por mucho la
distancia de cobertura si no que puede ser implementada sobre una
infraestructura de radiodifusión existente para llegar con la
información a los sectores más vulnerables.
Palabras clave: Brecha digital, BPSK, datos sobre sonido, DoS, texto a
través de FM.
Copyright: 2023 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by/4.0/).
Abstract: In Ecuador, Internet access has been considered an essential service
since 2015; however, only 60% of its population has access. 70% of
Ecuadorians in urban areas have Internet access, whereas only 38% in rural
areas do. In this sense, this work aimed to design and implement a text and
image transmission system through traditional FM radio based on data-over-
sound technology so that it can be used as a tool to reduce the digital divide in
rural areas. A transmitter and a receiver prototype were built, and the data
was encoded using the BPSK modulation technique and sent at different
transmission rates: 4800, 9600, 19200, 76800, and 11500 bits per second
(bps). The error rate was measured to evaluate the operation of the device,
defined as the ratio between the number of bits transmitted and the number of
bits received. As a result, a minimum error rate of 58% was obtained at a speed
of 4800 bps and a maximum of 61.25% at 115200 bps; likewise, the system
allowed images of up to 256 pixels to be sent. Unlike other related works, this
proposal will not only exceed the coverage distance but can also be
implemented on an existing broadcasting infrastructure to reach the most
vulnerable.
Keywords: BPSK, Data over sound, Digital divide, DoS, Text over FM.
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1. Introducción
En el Ecuador, desde el 2015 se reconoce el derecho de las personas de acceder a la
información y comunicación a través de los servicios de telecomunicaciones definidos en la Ley
Orgánica de Telecomunicaciones; tal es así que actualmente el Internet es considerado un servicio
básico. Sin embargo, solo el 60% de la población cuenta con este servicio (Primicias, 2023) y según el
Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC), en la zona urbana apenas el 70% de los habitantes
tienen Internet mientras que en la rural solo el 38% (INEC, s.f.).
En marzo 2019, el surgimiento de la pandemia obligó a las autoridades a tomar medidas de
aislamiento total y adoptó la tele-educación como alternativa para dar continuidad a los procesos de
enseñanza aprendizaje en todos los niveles educativos(Educación, 2022). Estas medidas
evidenciaron con mayor claridad la brecha digital y agudizaron las desigualdades existentes entre
las zonas rurales y urbanas (Velasco , Tapia , & Hurtado, 2020). Para mitigar este fenómeno, el
Ministerio de Educación implementó el "Plan Educativo COVID-19" mediante el cual se utilizaron
medios de comunicación masivos de radio y televisión para compartir contenidos educativos a los
estudiantes que carecían de acceso a Internet.
Hoy en día, el principal aliado de la educación es el Internet, sobre todo para las familias de clase
media-alta que tiene en su hogar computadoras, teléfonos inteligentes y tabletas, pero esa realidad
no es igual para toda la comunidad estudiantil del Ecuador (INEC, s.f.). En este sentido, se plantea
el diseño e implementación de un sistema de trasmisión de datos a través de la radio FM aplicando
la tecnología data-over-sound (DoS) la cual permite incluir texto o imágenes dentro de un audio.
Este sistema puede ser utilizado para compartir información y recurso educativos con los
estudiantes que no cuentan con acceso a Internet sobre todo en las zonas rurales.
Por otro lado, en los últimos años, se han realizado una serie de investigaciones respecto DoS (Kim,
Mun, & Lee, 2019). En (Getreuer, Gnegy, & Lyon, 2017) se implementó un protocolo de
comunicación casi ultrasónico en la banda de 18,5 a 20 kHz que es inaudible para la mayoría de los
humanos. Este sistema usa los parlantes y micrófonos de los teléfonos inteligentes básicos para
transmitir y recibir señales. Alcanzaron una tasa de transmisión de 94.5 bits por segundo (bps) a una
distancia de 2 metros en un ambiente de interiores. En (Guri, Solewicz, & Elovici, 2018), se muestra
como dos computadores en una habitación pueden intercambiar información usando solo los
parlantes sin necesidad de un micrófono a frecuencias entre 18kHz y 24kHz. Explotaron la
capacidad de un programa maligno para invertir la función de los altavoces conectados de
dispositivos de salida a dispositivos de entrada y lograron tasas de transmisión de 166 bps a una
distancia de 8 metros.
Igualmente, en Ka, et al, 2016) se implementó una comunicación basada en una señal de chirrido
casi ultrasónica a una frecuencia inferior a 20 kHz para los servicios de una segunda pantalla del
televisor. En este trabajo pudieron establecer el servicio de una segunda pantalla con una tasa de
error de trama de casi 0 a 2.7 metros con una velocidad de 15 bps. Así mismo, en (Dey, Roy, & Das,
2017) desarrollaron un modem para enviar textos, audio e imágenes en comunicaciones punto a
punto y punto multipunto a una distancia de 1 metro con una frecuencia de 40kHz. Si bien, lograron
una eficiencia del 100% a través de técnicas de modulación de ancho de pulso y modulación por
desplazamiento de amplitud, consideran en el futuro usar la modulación por desplazamiento de
fase binaria (BPSK) para incrementar la distancia. Finalmente, (Dutta, Bhattacharyya, & Kim, 2009)
describe una técnica que permite ocultar datos en un archivo de audio. La técnica consiste en
convertir un archivo de audio y la información en un registro codificado en hexadecimal,
transformarlos en binario y concatenarlos sin que el tamaño del archivo de audio cambie.
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Esta investigación tuvo como objetivo el desarrollo de un sistema de trasmisión de datos basado en
técnicas de data-over-sound usando señales de radio FM. Se estudiaron y analizaron las
modulaciones utilizadas por la DoS, se diseñó e implementó un sistema de radio FM para transmitir
texto e imágenes, así como, un dispositivo receptor FM de bajo costo compatible con la tecnología
DoS. Finalmente, se evaluó el dispositivo midiendo la tasa de error de bits a diferentes velocidades
de transmisión con modulación BPSK.
El artículo está organizado de la siguiente manera. En la sección 2 se presenta la metodología y los
sistemas de transmisión y recepción FM DoS. En la sección 3 se contempla de manera cuantitativa
los resultados. En la sección 4, la discusión establece la diferencia que existe con relación a trabajos
similares anteriores. Finalmente, la sección 5 detalla las conclusiones de la investigación.
2. Metodología
El estudio presentado en esta investigación es de carácter experimental. Se llevó a cabo en
tres fases: en la primera se realizó un estudio bibliográfico de las investigaciones y trabajos similares
acerca de la técnica DoS, en la segunda, se diseñó e implementó un sistema FM de transmisión y
recepción de datos aplicando DoS y en la última fase se evaluó el desempeño del sistema
implementado.
Las variables tasa de error y tasa de baudios (baud rate) fueron definidas como dependiente e
independiente, respectivamente y se describen en la Tabla 1. La población fue conformada por 100
datos de la tasa de error (TE) calculados utilizando la ecuación 1 y medidos a diferentes tasas de
baudios.
(1)
Tabla 1: Operacionalización de variables
Variable
Tipo
Definición
Baud rate
Independiente
Velocidad de transmisión de bits.
Tasa de error
Dependiente
Relación entre los recibidos y los datos
transmitidos.
2.1 Sistemas de transmisión FM DoS
La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del transmisor en el que se pueden identificar 4
elementos funcionales. El usuario selecciona el tipo de dato que desea enviar a través de la interfaz
GUI, el mensaje, sea este texto o imagen, es convertido a binario, se añade un encabezado de
sincronización, se codifica aplicando la modulación BPSK y se convierte en un archivo de audio el
mismo que es transmitido por el sistema FM en la frecuencia de 87.5MHz.
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Figura 1: Diagrama de bloques del transmisor FM
Algoritmo 1 Pseudocódigo del proceso de codificación
for i to N do
for to 8 do
if then
else
end if
end for
end for
El proceso de codificación del texto se resume en el algoritmo 1. Los caracteres se transforman en
números enteros y luego en binario, se modulan con BPSK y finalmente se graba el archivo de audio
en formato ".wav". En la Figura 2 se puede observar la señal digitalizada y codificada para la letra
"h". La trama de datos está compuesta por 8 bits, su duración es de 833.36 µs y el tiempo de bit es
de 104.17µs. El envío de las imágenes es muy similar; la única diferencia radica en que antes de ser
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enviada, se extrae la información de los píxeles, se los convierte directamente en bytes y se los
codifica uno a uno siguiendo el mismo proceso anterior.
Figura 2: Señal digitalizada y codificada para la letra "h". Valor decimal: 104. Valor binario: 01101000. Baud rate: 9600. Tb:
104.17us. Fc=19.2Khz
Figura 3: Diagrama de Flujo del proceso de transmisión.
El dispositivo transmisor utiliza una tarjeta de desarrollo Raspberry PI. Aprovecha el sistema de
supresión de EMI (interferencia electromagnética) que se realiza mediante una señal llamada señal
de reloj de espectro ensanchado o SSCS. La frecuencia de esta señal puede variar de 1MHz a 250MHz
dentro de la cual se encuentra la banda FM. El diagrama de flujo del proceso de transmisión se
muestra en la Figura 3.
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2.2 Sistema de recepción FM DoS
El diagrama de bloques de sistema de recepción se puede ver en la Figura 4. Una vez que el
audio se ha recibido a través del sintonizador FM, se graba y se demodula para ser decodificado, se
extrae la información útil y se transforma en texto o imagen para mostrarse en la interfaz GUI o
guardarse en un directorio del computador, respectivamente.
Figura 4: Diagrama de bloques del receptor FM DoS
Figura 5: Diagrama de Flujo del Proceso de Recepción.
El dispositivo receptor, también utiliza una Raspberry PI; sin embargo, esta se conecta directamente
a un módulo FM-Rx. El proceso de recepción se muestra en la Figura 5. Una vez que se graba el
audio proveniente del módulo FM-Rx, se lee el archivo y se extrae cada uno de los bits aplicando
operaciones de convolución e integración. Cada 8 bits se transforman a un valor decimal y luego se
decodifica al carácter correspondiente, así se muestra en el algoritmo 2.
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Algoritmo 2 Pseudocódigo del proceso de decodificación
for i to N do
if then
else
end if
if then
end if
end for
3. Resultados
En esta sección se presentan los resultados luego de medir la tasa de error del sistema. El
experimento consistió en el envío de 20 caracteres a diferentes velocidades de transmisión: 4800,
9600, 19200, 76800 y 115200; para cada una de ellas se llevaron a cabo un total de 20 repeticiones. Los
datos obtenidos sin procesar se muestran en la Tabla 2, mientras que en la Figura 6 se pueden
apreciar los promedios de las tasas de error.
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Tabla 2: Valores de la tasa de error medidos para varias velocidades de transmisión de bits.
No
4800
9600
19200
76800
115200
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0.00
0.50
0.85
0.55
0.00
0.55
0.50
0.45
0.60
0.75
0.85
0.45
0.85
1.00
0.15
1.00
0.65
1.00
0.15
0.75
0.50
0.70
0.45
0.40
1.00
0.50
1.00
0.00
0.30
0.45
0.20
1.00
1.00
0.25
1.00
0.25
0.75
1.00
0.15
0.85
0.70
1.00
0.85
0.45
0.85
0.75
0.55
1.00
0.25
0.05
0.45
0.25
1.00
0.25
0.15
0.15
1.00
0.85
1.00
0.30
0.20
0.25
0.25
1.00
1.00
0.05
0.30
0.30
1.00
1.00
1.00
1.00
0.75
0.75
0.15
0.60
0.10
0.80
0.75
0.35
0.15
0.70
0.00
0.75
0.40
1.00
0.30
1.00
0.95
0.15
0.00
0.85
1.00
0.55
1.00
0.95
0.85
0.30
0.60
0.75
Figura 6: Diagrama de barras de las tasas de error promedio a diferentes velocidades de transmisión.
A primera vista, se puede apreciar una diferencia de 3.25% entre la tasa de error máxima y mínima
a 115200 y 4800 bps, respectivamente; sin embargo, es necesario comprobar si esta diferencia es
suficiente como para concluir que los promedios son estadísticamente diferentes. En este sentido, se
realizó un análisis de varianza de un factor (ANOVA) cuyo resultado se puede visualizar en la Tabla
3. El valor F encontrado es menor que el Valor crítico para F lo que determina que no existe una
Novasinergia 2023, 6(2), 129-139 137
diferencia significativa en las medias y las tasas de error se pueden considerar iguales para todas las
velocidades.
Tabla 3: Análisis de varianza de un factor.
RESUMEN
Grupos
4800
9600
19200
76800
115200
ANÁLISIS DE
VARIANZA
Origen de las
variaciones
Entre grupos
Dentro de los
grupos
Total
Cuenta
20.00
20.00
20.00
20.00
20.00
Suma de
cuadrados
0.01
11.21
11.23
Suma
11.60
11.75
11.85
11.60
12.25
Grados de
libertad
4.00
95.00
99.00
Promedio
0.58
0.58
0.59
0.58
0.61
Promedio de
los
cuadrados
0.00
0.12
Varianza
0.10
0.12
0.12
0.13
0.13
F
0.03
Probabilidad
0.10
Valor
crítico
para F
2.47
4. Discusión
En este trabajo se propuso el diseño e implementación de un sistema de transmisión de texto
e imágenes a través de las ondas de radio FM usando técnicas de DoS. Aunque de manera
preliminar; esta investigación contribuye a la creciente literatura sobre sistemas de trasmisión de
datos sobre el sonido DoS (Dutta, Bhattacharyya, & Kim, 2009), (Getreuer, Gnegy, & Lyon, 2017),
(Guri, Solewicz, & Elovici, 2018). El diseño y la evaluación inicial de este prototipo muestran la
viabilidad del sistema y resaltan cuestiones técnicas importantes que se deben tener en cuenta.
Adicionalmente, el enfoque presentado difiere totalmente de los trabajos similares expuestos
anteriormente y permitiría no solo alcanzar distancias considerablemente mayores en función de la
cobertura de la radio FM, sino que, es una técnica que puede ser implementada sobre la
infraestructura de radio difusión existente.
Como era de esperar, el error en el envío de los datos aumenta con el aumento de la tasa de
trasmisión, tal es así que, con 4800bps se tiene una tasa de error de 58% y con 115200 aumenta a
61.25%. Sin embargo, aplicando una prueba ANOVA se pudo determinar que la tasa de error no se
vio afectada por la velocidad de transmisión en los rangos utilizados en este proyecto.
El error en el envío de los datos puede en principio parecer demasiado alto, 59.05% en promedio y
con un tamaño de imagen máximo de 16x16 píxeles; sin embargo, deja un amplio margen para la
mejora. Esto, obviamente es debido a que las tasas de transmisión son excesivamente altas en
Novasinergia 2023, 6(2), 129-139 138
comparación con las utilizadas en otros trabajos similares y además la modulación BPSK quizás no
es la más adecuada ya que es muy susceptible al ruido. Por lo tanto, en un futuro se espera disminuir
las velocidades de transmisión e investigar otro tipo de modulaciones que puedan brindar mejores
prestaciones con el fin aumentar el rendimiento del sistema.
5. Conclusiones
En este trabajo se diseñó e implementó un sistema de transmisión de datos aplicando la
tecnología DoS a través de las ondas de radio FM. La novedad de esta propuesta radica en que el
sistema puede coexistir con la infraestructura de radio difusión existente y podría ser utilizada como
una herramienta de acceso a la información para los sectores más vulnerables de la población ya que
la distancia de cobertura no es una limitante.
El sistema fue sometido a pruebas con diferentes tasas de trasmisión y se obtuvo una tasa de error
promedio de 59.5% usando la modulación BPSK. Se estima que esta tasa mejore reduciendo la
velocidad de transmisión y aplicado otra técnica de modulación como por ejemplo la FSK o QPSK.
Para la puesta en marcha del sistema, se construyeron dos prototipos, un transmisor FM y un
receptor. En ambos prototipos se utilizó plataformas de hardware abierto como es la raspberry pi. En
un futuro se espera implementar esta técnica sobre una infraestructura de radiodifusión real.
Contribuciones de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación de
créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/). Los autores declaran sus aportes
en la siguiente matriz de contribuciones:
Rentería, L.
Jínez, J.
Torres, K.
Ramos, J.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción - revisión y edición
Conflicto de Interés
Los autores confirman que no hay ningún tipo de conflictos de intereses con respecto a la
investigación presentada.
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