GNU Radio. Gerrit Buhe, DL9GFA HAM-Radio 2011

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1 Gerrit Buhe, HAM-Radio 2011

2 Inhalt Einleitung 'Software Radio' und 'Cognitive Radio' º Überblick º Python Framework º Companion GRC º Die möglichen Programmierebenen º Erstes Praxisbeispiel unter GRC (Quellen, Senken, Funktionsblöcke, GUI) º GRC Wichtige Hinweise (Synchronisation, Flußkontrolle) Hardware für und ihre Anwendung º Konzept der Aufgabenteilung º WBX von Ettus Research º USRP2 von Ettus Research º USRP2+WBX Praxisbeispiel unter GRC º FUNcube Dongle º FUNcube Dongle Praxisbeispiel unter GRC º HF-Frontends der SoftRock-Klasse º SoftRocks in der Praxis unter GRC Projekte im Internet Wie kann ich starten? º Installation und erste Hardware 2 Zusammenfassung und Referenzen

3 Software Radio & Cognitive Radio Es gibt verschiedene SWR-Konzepte in Abhängigkeit vom Ort des AD-Wandlers º Heterodynstrukturen mit AD/DA-Wandlung im Basisband oder auf hoher Zwischenfrequenz º Direktmischer mit AD/DA-Wandlung im Basisband oder direkte HF-Signalabtastung º Systemdesign entscheidet über Kompromisse zwischen Performance und Flexibilität Ideales SWR nutzt statt spezifischer Hardware nur einen General Purpose Prozessor (GPP) und AD/DA-Wandler º Alle Signalverarbeitung in Form von Algorithmen auf GPP º Standardisierung der Schnittstellen erlaubt Wiederverwendung von Software-Modulen (SCA Software Communications Architecture) º SCA ermöglicht auch Nachladen neuer Verfahren/Standards wenn nötig (autom. SW update) 'Cognitive Radio' ist der nächste Evolutionsschritt º CR sind intelligente und lernende Software Radios º Sie beobachten ihre spektrale Umgebung und passen sich den Gegebenheiten an (reaktiv, proaktiv, bis hin zu kooperativem Ressourcenmanagement) º Vision der Regulierungsbehörden ohne dedizierte Frequenzzuweisungen, die oft ineffizient sind 3 ist eine Plattform für SWR und läßt sich als Basisebene unter kognitiven Verarbeitungsschichten verwenden

4 - Überblick Freie Software-Arbeits- und Entwicklungsumgebung zur Implementierung von Software-definierten Sendern und Empfängern Es bietet eine Menge fertiger Signalverarbeitungsroutinen und Funktionsblöcke Die Anwendungen sind hauptsächlich in Python geschrieben, während die Signalverarbeitungsblöcke in C++ implementiert sind Python ist eine einfach zu erlernende objektorientierte Skriptprogrammiersprache wird vor allem im akademischen und industriellen Umfeld zum schnellen Prototyping eingesetzt Es gibt fertig verfügbare HF-Frontends zum Einsatz mit, aber auch Eigenbaulösungen sind einfach über die PC-Audiokarte nutzbar eignet sich hervorragend für den Hobbyeinsatz º Freie Verfügbarkeit (GNU General Public License) º Fertige Signalverarbeitungsblöcke verringern Einstiegshürde º Eigene HF-Hardware ist einfach adaptierbar º Viele Amateurfunkbeispiele im Internet verfügbar º -Foren für Diskussion und Hilfe 4

5 Python Blockschaltbild und automatisch generiertes Python-Skript mit eingebundenen C++ Routinen 5

6 Companion - GRC Grafische Benutzeroberfläche zur Entwicklung von Signalverarbeitungsanwendungen Einfacher Einstieg für 'Nichtprogrammierer' Funktionsblöcke werden mit der Maus auf die Arbeitsfläche gezogen und verbunden Auf Knopfdruck wird ein Python-Skript erstellt und gestartet DSP-Bibliothek 6 Filter Modulation Schnittstellen GUI Ausführungsumgebung

7 - Programmierung 7 Die Programmierung ist auf verschieden Ebenen möglich Wer mit den bereits vorhandenen Funktionsblöcken auskommt, kann ausschließlich grafisch arbeiten GRC GRC Grafisches Entwicklungswerkzeug Python Python Zusammenfügen der Blöcke und Parameterübergabe C++ C++ Echtzeit-Signalverarbeitung

8 GRC Erstes Beispiel 8

9 GRC Erstes Beispiel 9

10 GRC Erstes Beispiel 10

11 GRC Hinweise Es gibt verschiedene Quellen und Senken für Datenströme º PC-Audiokarte º USB mit dedizierter Hardware (Bsp. USRP) º Ethernet-Schnittstelle (TCP, UDP) º Dateien aus denen gelesen und in die geschrieben werden kann º 'pipes' durch die von/zu anderen Programmen Daten gestreamt werden können (ähnlich VAC Virtual Audio Cable) º Grafisch als Oszilloskop, Spektrumanalysator, Wasserfallspektrum, Textaus- und eingabe Das Datenformat zu verbindender Schnittstellen muß identisch sein und ggf. konvertiert werden (complex/float) Die Datenraten an den Schnittstellen müssen überein stimmen (ganzzahlige! Dezimierung, Interpolation) Abweichende Takte an HW-Schnittstellen führen zu automatisch generierten Puffern die Latenz einbringen und überlaufen können (Fehlermeldungen auao usw. beachten) Falls der Takt der Daten nicht von Hardware bestimmt ist (numerisch generiert, oder aus Datei), muß eine Flußkontrolle mit Takt eingebaut werden ('Throttle'-Block unter [Misc]) Bei Performance-Problemen die Datenraten auf nötiges Minimum begrenzen und Wiederholrate grafischer Ausgaben verringern 11

12 Hardware für HF Frontend Mischt HF ins analoge Basisband und umgekehrt Direkt-Quadratur(de)modulator 12 Analog-Digital-Wandlung AD- und DAWandlung (jeweils I und Q) Abtastratendezimierung und -Interpolation Software-(De-)Modulation Bekommt bzw. generiert digitales Basisband (I/Q) (De-)Moduliert und macht hörbzw. lesbar

13 Hardware für ADC ADC Attn Attn ADC ADC ~ DAC DAC FPGA FPGA (DDC, (DDC, DUC, DUC, NCOs, NCOs, MikroMikrocontroller, controller, uvm.) uvm.) EtherEthernet net DAC DAC 13 ~ WBX Transceiver USRP2 Mainboard

14 WBX von Ettus Research Die US-Firma Ettus Research ( bietet º Leistungsfähige Digital-Hardware mit USB oder Ethernet-Schnittstelle º Diverse HF-Frontends in verschiedenen HF-Bereichen HF-Frontend WBX Transceiver 50 MHz GHz Voll-Duplex Direkt-Quadratur(de)modulator 5 db...6 db Rauschmaß IIP3: +5 dbm dbm IIP2: +40 dbm dbm 50 mw mw Sendeleistung Schaltung frei verfügbar 14

15 USRP2 von Ettus Research Die US-Firma Ettus Research ( bietet º Leistungsfähige Digital-Hardware mit USB oder Ethernet-Schnittstelle º Diverse HF-Frontends in verschiedenen HF-Bereichen Universal Software Radio Peripheral (USRP2) Zwei 100 MS/s 14-Bit-AD-Wandler Zwei 400 MS/s 16-Bit-DA-Wandler FPGA mit programmierbarer Dezimierung (DDC) und Interpolation (DUC) 25 MHz HF-Bandbreite vom/zum PC Gigabit Ethernet-Schnittstelle zum PC Analoge (AD/DA) und digitale Schnittstellen für Hilfsfunktionen (AGC, RSSI, etc.) Schaltpläne frei verfügbar VHDL-Quelltext frei verfügbar Autarker Betrieb möglich ('stand alone') 15

16 USRP2 / WBX - Praxisbeispiel 16

17 USRP2 / WBX - Praxisbeispiel 17

18 FUNcube Dongle (FCD) 18 Empfänger 64 MHz GHz ( SMA zu USB ) I/Q-Ausgabe mit 96 khz Abtastrate Projekt der AMSAT UK Direkte GRC-Unterstüzung

19 FUNcube Dongle (FCD) 19 Empfänger 64 MHz GHz ( SMA zu USB ) I/Q-Ausgabe mit 96 khz Abtastrate Projekt der AMSAT UK Direkte GRC-Unterstüzung

20 FCD - Praxisbeispiel 20

21 FCD - Praxisbeispiel 21

22 FCD - Praxisbeispiel 22

23 SoftRock-artige RX/TX Direktmischstrukturen mit Quadratur-Abtastung (QSD) eines Subbandes I/Q-Basisband wird analog an PC-Audiokarte ausgegeben bzw. von dort erhalten Schmaler Empfangskanal muß mit komplexem Oszillator demoduliert werden Einfache Einbindung in GRC durch PC-Audiokarte möglich 23

24 SoftRock - Praxisbeispiel 24

25 SoftRock - Praxisbeispiel 25

26 SoftRock - Praxisbeispiel 26

27 Projekte Im Internet sind viele frei verfügbare Projekte zu finden, die zum Experimentieren einladen º Diverse Voll-Duplex SDR-Transceiver für Amateurfunk (AM, FM, SSB, CW, digital Modes) º Satelliten-Telemetrieempfänger, u.a. mit FUNcube Dongle º NOAA APT Empfänger für Wetterbilder º DVB - Digitale Videoübertragung der Webcam auf 23cm º OpenBTS GSM-Basisstation º DECT-Empfänger (PHY, MAC, teilw. höhere Ebenen) º HDTV-Sender und -Empfänger º TETRA Transceiver º ADS-B & Mode-S Transponder-Empfang zur Bestimmung von Flugzeugposition, Höhe, Richtung etc. º AIS Automatisches Identifikations-System für Schiffe (Geschwindigkeit, Richtung, Tonnage, Name, Ziel etc.) º WLAN-Sender und -Empfänger in voller Bandbreite inkl. MIMO º ZigBee PHY IEEE (interoperabel mit Mica2, MicaZ, Telos B) º RDS-UKW-Radio º Fading Simulator mit Echtzeit-Rayleigh-Fading (via Matlab) º GMSK-Bodenstations-Transceiver für Satelliten (z.b. Aprizesat 3&4, 128kbit/s downlink, 9.6kb/s uplink) º RFID Generation 2 º GPS-Empfänger º DCF77-Empfänger º Empfänger für Motorola Smartnet trunked radio system º Transceiver für Logitechs drahtlose Tastaturen 27

28 Wie kann ich starten? Installation von inklusive GRCompanion º ist frei und kann im Quelltext oder binär (Linux) heruntergeladen werden º Erstellung aus den Quellen ist unter Linux-Distributionen, xbsd und Mac OS X einfach möglich (Anleitung unter gnuradio.org) º Viele Linux-Distributionen bieten fertige Pakete zur komfortablen Installation an (Empfehlung Ubuntu, Kubuntu) º Windows-Compilierung und Installation ist nur sehr Erfahrenen zu empfehlen º Windows-Nutzer können Linux-Live-Distribution von USB-Stick/DVD einsetzen oder Linux in einer Virtuellen Maschine installieren (z.b. VirtualBox.org) º Anleitungen und Diskussionsforen im Internet bieten Hilfe! Hardware º Die PC-eigene Audiokarte ist für einfache Versuche gut geeignet (z.b. Audiosignalverarbeitung) º Einfache Direktmisch-Empfänger und -Sender sind schnell selbst gebaut (Quarzoszillator, Mischer, Filter, Verstärker) º Fast jede Software Radio Hardware kann mit GNU Radio betrieben werden (Basisband-I/Q, 12kHz-ZF etc.) 28

29 Zusammenfassung Software Radio ist ein spannendes Thema, insbesondere für den Amateurfunk ist ein hervorragendes und noch dazu frei verfügbares Werkzeug zur Umsetzung Es kann für nahezu alle Spielarten des Amateurfunks eingesetzt und einfach erweitert werden Erfolgreiche Beschäftigung mit Software Radio erfordert Fachwissen auf verschiedenen Gebieten mit GRC verringert die Einstiegshürde deutlich 29

30 Internet-Referenzen Projektseiten º º - 3rd Party applications º - Open Source SCA Implementation - Embedded Interessante Seiten mit direktem Amateurfunkbezug º º º - gute Übersicht über Hard- und Software zum Thema Mailing-Listen und Diskussions-Foren º - DARC-Reflektor zu SDR Podcasts º - Chaosradio Express zu SDR mit Erwerb von geeigneter Hardware º - USRPx-Hardware mit diversen HF-Frontends º - FUNcubeDongle der AMSAT UK º - OnlineShop Bausätze SDR-Kits, FA-SDR-Transceiver º - SoftRock-Kits 30

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