Software Defined Radio

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1 Software Defined Radio Fabian Klaes Michael Newinger Clemens Kunert Funkübertragungssysteme Institut für Rundfunktechnik GmbH Kolloquium am zum Thema Software Defined Radio INHALTSVERZEICHNIS I. Allgemeiner Überblick bli zu SDR II. Vorstellung des USRP2 mit GNU-Radio III. Vorstellung des TSMW mit DVB-T Software IV. Live-Demonstrationen von II und III Seite 2 1

2 Ablaufplan I. Allgemeiner Überblick bli zu SDR II. Vorstellung des USRP2 mit GNU-Radio III. Vorstellung des TSMW mit DVB-T Software IV. Live-Demonstrationen von II und III Seite 3 Vorteile von SDR 1. Leistungsfähige und relativ preiswerte Hardware Wiederverwendbar Lange Lebensdauer Schnelle Prototypenerstellung Investitionsschutz 2. Flexible Gestaltung der Funktionalitäten Softwarebasiert Flexible Implementierungen Spätere Änderungen leicht realisierbar Tests bereits vor Serienreife möglich Seite 4 2

3 Definition von SDR Software-defined d fi d radio (SDR): A radio transmitter and/or receiver employing a technology that allows the RF operating parameters including, but not limited to, frequency range, modulation type, or output power to be set or altered by software, excluding changes to operating parameters which occur during the normal pre-installed and predetermined operation of a radio according to a system specification or standard. Quelle: REPORT ITU-R SM.2152 Seite 5 zu unterscheiden von CRS Cognitive radio system (CRS): A radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained. Quelle: REPORT ITU-R SM.2152 Seite 6 3

4 Beispiele für SDR Implementierungen Telekommunikationstechnik Militärische Anwendungen Meßtechnik Quelle: SDR Forum 2005 Year Book Seite 7 Konzeptdiagramm von SDR Quelle: Seite 8 4

5 Wertschöpfungskette von SDR IRT Quelle: SDR Forum 2005 Year Book Seite 9 Ablaufplan I. Allgemeiner Überblick bli zu SDR II. Vorstellung des USRP2 mit GNU-Radio III. Vorstellung des TSMW mit DVB-T Software IV. Live-Demonstrationen von II und III Seite 10 5

6 Vorstellung von GNU Radio (1) Das GNU Radio Projekt Gegründet 2001 Finanzierung durch Spenden Freie Software Unter der General Public License Version 3 (GPL3) veröffentlicht Seite 11 Vorstellung von GNU Radio (2) Das GNU Radio Projekt Ziele Experimentiermöglichkeiten für jeden Weiterentwicklung durch Community Jeder kann Programmcode beisteuern Ständige und schnelle Weiterentwicklung Seite 12 6

7 Vorstellung von GNU Radio (3) Was kann GNU Radio? GNU Radio enthält verschiedene Signalverarbeitungspakete Signalverarbeitungsblöcke in C++ Zusammenfügen mit Python Es können eigene Blöcke zur Signalverarbeitung geschrieben werden GNU Radio Companion (GRC) als graphische Oberfläche Seite 13 Vorstellung des GNU Radio Companion (1) Seite 14 7

8 Vorstellung des GNU Radio Companion (2) Seite 15 Vorstellung des GNU Radio Companion (3) Was kann der GNU Radio Companion (GRC)? GRC zum schnellen Erstellen von Signalflussplänen Graphische Oberfläche von GNU Radio Aus dem Signalflussplan wird ein Pythonskript erzeugt Schneller Einstieg in GNU Radio Seite 16 8

9 Vorstellung des USRP2 (1) Was ist das USRP2? Universal Software Radio Peripheral RF Front End Medium Cost Hardware Für Laborversuche geeignet kein Endgerät Seite 17 Vorstellung des USRP2 (2) Spezifikationen des USRP2 Es kann parallel mit zwei Antennen gesendet und empfangen werden 2x 100MS/s 14-bit ADC, 2x 400MS/s 16-bit DAC Standardmäßig können bis zu 25MHz breite Signale verarbeitet werden Seite 18 9

10 Vorstellung des USRP2 (3) Spezifikationen des USRP2 Programmierbarer DDC und DUC (Digital Down/Up Converter) im FPGA MIMO (Multiple Input, Multiple Output) fähig Verbindung zum PC über Raw Ethernet oder IP Es wird eine Gigabit Ethernet Verbindung benötigt Seite 19 Vorstellung des USRP2 (4) Spezifikationen des USRP2 Modularer Aufbau Daughterboards Frequenzbereich, Sendeleistung etc. sind durch die Daughterboards bestimmt Seite 20 10

11 Vorstellung des USRP2 (5) Was ist ein Daughterboard? HF-Komponente des USRP2 Können auch selbst gebaut werden 13 von Ettus Research Wir nutzen das WBX Daughterboard Seite 21 Vorstellung des USRP2 (6) Seite 22 11

12 Vorstellung des USRP2 (7) Das WBX Daughterboard Transceiver (Transmitter und Receiver) Frequenzbereich: 50MHz 2,2GHz Sendeleistung: Bis zu 100mW für 50MHz 1,2GHz und bis zu 70mW für 1,2GHz 2,2GHz Seite 23 Vorstellung des USRP2 (8) Signalverlauf l im USRP Seite 24 12

13 Zusammenfassung USRP2 Vorteile des USRP2 Schaltpläne, Firmware, Treiber und FPGA Code sind offengelegt Firmwareänderung über SD-Karte Es wird keine besondere Hardware benötigt Funktionen zur Kommunikation sind in GNU Radio integriert Günstige und einfache Lösung Schnell nutzbar Seite 25 GNU Radio und das USRP2 (1) Software Defined Radio Mit GNU Radio kann jede beliebige Signalverarbeitung realisiert werden GNU Radio Companion für schnelle Tests Das USRP2 dient nur als Mischer und A/D- bzw. D/A-Wandler Software Defined Radio Seite 26 13

14 GNU Radio und das USRP2 (2) GNU Radio und das USRP2 im IRT Neue und bisherige Übertragungsstandards können schnell und flexibel implementiert werden Durchführen von Labortests Kann als Messgerät verwendet werden Aufzeichnen und Abspielen von Daten Spektrum Analyzer / Oszilloskop Grundlage für Cognitive Radio Seite 27 GNU-Radio und USRP 2 Am Ende des theoretischen Teils folgt eine Vorführung Jetzt geht s weiter mit TSMW und DVB-T Seite 28 14

15 Ablaufplan I. Allgemeiner Überblick bli zu SDR II. Vorstellung des USRP2 mit GNU-Radio III. Vorstellung des TSMW mit DVB-T Software IV. Live-Demonstrationen von II und III Seite 29 Hardwarekomponente für SDR Anwendungen Funknetzwerkanalysators k t TSMW Spezifikation: 2 HF Eingänge 30 MHz bis 6 GHz 20 MHz Bandbreite z. B. für UKW-Hörfunk MHz DVB-T 8 MHz Bandbreite GBit LAN Schnittstelle Rohde & Schwarz TSMW Universal Radio Network Analyzer Seite 30 15

16 Softwarekomponenten für SDR Anwendungen Aufbau der Übertragungskette tt Antenne TSMW PC Softwaremodule UKW Einstellungen GBit LAN LTE GPRS DVB-T DVB-T2 Seite 31 Verarbeitung im Frontend Ablaufschema im TSMW Einstellen der gewünschten Frequenz Anpassen der Samplerate (Bandbreite) Filterung Umrechnung des Bandpasssignals in ein Tiefpasssignal Fertige I/Q-Daten werden per GBit LAN an den PC gesendet Seite 32 16

17 Vom HF-Eingangssignal zum Basisband Was kommt am PC an? I/Q Daten: Bandpasssignal in äquivalenter Darstellung als Tiefpasssignal Seite 33 Verarbeitung am PC für DVB-T (1) Notwendige Verarbeitungsschritte Synchronisierung auf einzelne Symbole Fourier Transformation Entzerrung Seite 34 17

18 Verarbeitung am PC für DVB-T (2) Synchronisierung i Suchen des Guard Intervals GI 1 GI: Guard Interval S: Symbol S 1 GI 2 S 2 GI 3 Anschließend Fourier Transformation über Länge eines Symbols Seite 35 Verarbeitung am PC für DVB-T (3) Vergleich: gesendetes und empfangenes Signal nach der FFT Piloten Entzerrung nötig Seite 36 18

19 Verarbeitung am PC für DVB-T (4) Positionen der Piloten im Symbol Jeder zwölfte Träger ist ein Pilot Trägerpositionen Piloten als Referenz; Zwischenwerte interpolieren Seite 37 Verarbeitung am PC für DVB-T (5) Entzerrung der Phase Entzerrung der Amplitude Seite 38 19

20 Verarbeitung am PC für DVB-T (6) Vollständig entzerrtes t Konstellationsdiagramm ti Seite 39 Verarbeitung am PC für DVB-T (7) Weitere Analyseschritte Berechnung der Kanalimpulsantwort Decodierung der TPS-Träger Vorführung Seite 40 20

21 Ablaufplan I. Allgemeiner Überblick bli zu SDR II. Vorstellung des USRP2 mit GNU-Radio III. Vorstellung des TSMW mit DVB-T Software IV. Live-Demonstrationen von II und III Seite 41 Senden und empfangen mit GNU Radio und dem USRP2 - Demonstration Ein Audiosignal i soll frequenzmoduliert, über ein USRP2 gesendet, wieder empfangen, demoduliert, und abgespielt werden. Seite 42 21

22 Senden und Empfangen mit GNU Radio und dem USRP2 - Demonstration Demonstrationsaufbau: ti Seite 43 Vielen Dank für Ihr Interesse! Fabian Klaes Michael Newinger Clemens Kunert Funkübertragungssysteme Institut für Rundfunktechnik Floriansmühlstraße München Tel. +49-(0) Fax +49-(0) kunert@irt.de Die Folien/Dokumente sind durch das Urheberrecht geschützt. Eine Vervielfältigung ist nur mit Genehmigung des Verfassers gestattet. Dieser Urheberrechtshinweis darf nicht entfernt werden. Kolloquium am zum Thema Software Defined Radio 22