Entwurf eines prototypischen Software Defined Radio (SDR) Modems

Transkript

1 Ein Kurzwellenmodem für die Amateurfunkbänder auf Basis des GNU Radio Frameworks Endpräsentation zur Diplomarbeit Lehrstuhl für Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Ralph Urbansky Technische Universität Kaiserslautern (WI-ET) Betreut von Dr.-Ing. Wolfgang Sauer-Greff

2 Überblick 1. Aufgabenstellung 2. Theoretischer Hintergrund 1. Software Defined Radio (SDR) 2. Funkkommunikation über Kurzwelle 3. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 3. Rückblick Zwischenpräsentation 1. Damaliger Entwicklungsstand des SDR Modems 2. Problemstellung: Synchronisation 4. Der Prototyp 1. Übertragungswege 2. Der fertige Prototyp 5. Kritische Auseinandersetzung mit der Arbeit 1. Performance von Synchronisation und GNU Radio 2. Kritische Betrachtung des Prototyps 3. Weitere Entwicklungsmöglichkeiten 6. Zusammenfassung 7. Demonstration 1

3 Aufgabenstellung

4 Aufgabenstellung (I) Umfang der Arbeit Thema: Ein Kurzwellenmodem für die Amateurfunkbänder auf Basis des GNU Radio Frameworks Umfang des theoretischen Teils Software Defined Radio (SDR) Eigenheiten des Kurzwellenkanals Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) (GNU Radio) Rahmenbedingungen des praktischen Teils Entwicklung eines vollständigen Prototyps Kein tiefergehender Fokus auf Einzelbauelemente Hohe Anschaulichkeit und Flexibilität des Prototyps (Möglichkeit eines Laborversuchs) Beschränkung auf GNU Radio Companion (GRC) 2

5 Aufgabenstellung (II) Fokus der Arbeit Erweiterter Fokus der Arbeit Quelle Umfang des Prototypen Kern der praktischen Arbeit Modulation Senke k r Quellencodierung Quellendecodierung Kanalcodierung Kanaldecodierung Demodulation Kurzwellen Kanal 3

6 Theoretischer Hintergrund 1. Software Defined Radio (SDR)

7 Software Defined Radio (I) Ideales Konzept Definition Software Defined Radio (SDR): "Radio in which some or all of the physical layer functions are software defined". * * Wireless Innovation Forum and Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) P Group Software-basierte Signalverarbeitung Basisband Programmierbare Prozessor Technologien (FPGA, DSP, GPP, etc.) Hardware-basierte Signalverarbeitung HF Verlagerung der Signalverarbeitung in Software Senke Weiterverarbeitung des empfangenen Signals (Filterung, Demodulation, Decodierung, etc.) I/Q-Daten RX A/D - Wandler HF Programmierbare Hardwarearchitekturen Quelle Aufbereitung des zu sendenden Signals (Codierung, Modulation, Filterung, etc.) I/Q-Daten TX D/A - Wandler Realität: Abtasttheorem beachten! f abtast 2f max (Oder Bandpassabtastung) 4

8 COMPACT Software Defined Radio (II) Reales Konzept Software-basierte Signalverarbeitung Basisband Hardware-basierte Signalverarbeitung HF und ZF Programmierbare Prozessor Technologien (FPGA, DSP, GPP, etc.) RF Front-End (KW TRX, USRP, etc.) Beispielhafte Realisierung Theoretisches Konzept Senke Quelle Weiterverarbeitung des empfangenen Signals (Filterung, Demodulation, Decodierung, etc.) Aufbereitung des zu sendenden Signals (Codierung, Modulation, Filterung, etc.) I/Q-Daten (ZF) RX I/Q-Daten (ZF) TX USB A/D - Wandler D/A - Wandler Externe Soundkarte Local Oscilllator ZF ZF Heruntermischen auf ZF Hochmischen auf ZF ZF (z.b. Audio) HF Preselector HF HF KW TRX LNA PA RX Tiefpass (Anti-aliasing Filter) HF HF TX Tiefpass HF 5

9 Theoretischer Hintergrund 2. Funkkommunikation über Kurzwelle

10 Kurzwelle (I) Grundlagen Kurzwelle Frequenzbereich: 3 MHz 30 MHz Wellenlängenbereich: 100 m 10 m Ausbreitungswege Bodenwelle: Reichweite < 50 km Raumwelle: Dominanter Ausbreitungsweg Reflexion an ionisierten Schichten in der Ionosphäre (D-, E-, F-Schichten) Globale Kommunikation möglich Störungen der Kommunikation Mehrwegeausbreitung und Intersymbolinterferenz Dopplerverschiebung Fading (Schwund): Feldstärkeschwankungen am Empfangsort Rauschstörungen stark zeitvarianter Kanal 6

11 Kurzwelle (II) Ausbreitung über Raumwelle Reflexion an ionisierten Schichten Ionosphäre Erneute Reflexion an ionisierten Schichten Raumwelle... Tote Zone / Skip (ca km bei Reflexion an E-Schicht bzw km bei Reflexion an F-Schichten) 1. Hop Bodenwelle Reflexion am Erdboden oder der Meeresoberfläche n. Hop Sender 7 Erde Empfänger

12 Kurzwelle (III) Mehrwegeausbreitung F - Schicht Raumwelle 1 Raumwelle 2 E - Schicht Aufspaltung der 3. Raumwelle Raumwelle 3 Bodenwelle Ozean Sender Tote Zone / Skip Erde Empfänger 8

13 Kurzwelle (IV) Intersymbolinterferenz (ISI) Kanalimpulsantwort eines zeitvarianten Kanals mit Mehrwegeausbreitung M(t) 1 h t = a m t δ t τ m t m = 0 Innerhalb Kohärenzzeit und Kohärenzbandbreite M 1 h t = a m δ t τ m. m = 0 Delay Spread: Zeitliche Ausdehnung der Gesamtkanalimpulsantwort DS = τ m max τ m min. Intersymbolinterferenz (ISI): Zeitliche Überlagerung aufeinanderfolgender Sendesymbole Je größer DS im Vergleich zur Sendesymboldauer, desto schwerwiegender die Auswirkungen von ISI 9

14 Kurzwelle (V) Kanaleigenschaften Eigenschaft Ausprägung Anmerkung Dominante Ausbreitungsart Mehrwegeausbreitung über Raumwelle - (Mehrfach-)Reflexion der Raumwelle an ionisierten Schichten innerhalb der Ionosphäre Delay Spread (Intersymbolinterferenz) Typisch 1-10 ms - Je nach Ausbreitungsbedingungen Dopplerverschiebung Fading (Schwund) Sonstige Störungen Ruhig 1-2 Hz Typisch 5 Hz Max 6 Hz Modellierung durch Rayleigh Fading (Rayleigh-Verteilung) Als AWGN modellierbar - Bedingt durch Bewegung der Teilchenwolken in der Ionosphäre - Alle Werte pro Hop! - Hier ist es wichtig, die entsprechende Kohärenzbandreite und Kohärenzzeit des aktuellen Kanals zu kennen. - Idealerweise durch fortwährende Ausmessungen des Kanals bestimmt. - Bedingt durch atmosphärisches Rauschen, kosmisches Rauschen, Störungen durch elektrische Anlagen und Maschinen sowie Störungen durch andere Funkdienste 10

15 Theoretischer Hintergrund 3. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

16 OFDM (I) Grundlagen Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Robustes Mehrträgerübertragungsverfahren In vielen Kommunikationsanwendungen eingesetzt (z.b. DRM, DAB, DVB-T, etc.) Grundlegendes Funktionsprinzip Aufteilung der Kanalbandbreite in N äquidistante Subkanäle Jeder Subkanal besitzt einen unabhängig modulierten Subträger Vorteile Subkanalbandbreitet << Kohärenzbandbreite Leichte Entzerrung der Subkanäle Modulation und Sendeleistung für Subkanäle je nach SNR Symboldauer des OFDM-Symbols ist N mal so lange wie Symboldauer bei Einträgerverfahren Auswirkungen von Intersymbolinterferenz prinzipiell entschärft 11

17 OFDM (II) Vermeidung von Inter-Carrier-Interference (ICI) Orthogonalitätsbedingung: Frequenzabstand der Subträger entspricht Inverser der Symboldauer eines OFDM-Nutzsymbols Δf = 1 T Data 12

18 OFDM (III) Realisierung mittels IFFT/FFT OFDM Sender OFDM Empfänger Signalverarbeitung im Frequenzbereich Signalverarbeitung im Zeitbereich Signalverarbeitung im Frequenzbereich I(n) X k X k I(n) I(0) X X I(0) Seriell- Parallel- Wandler I(1) X Subcarrier Modulation IFFT Parallel- Seriell- Wandler Cyclic Prefix Hinzufügen TX... RX Cyclic Prefix Entfernen Seriell- Parallel- Wandler FFT Channel Equalization X Subcarrier Demodulation I(1) Datenblock Parallel- Seriell- Wandler Datenblock I(N-1) X N X N I(N-1)

19 OFDM (IV) Vermeidung von Intersymbolinterferenz (ISI) OFDM-Symbol m Kopieren OFDM- Symbol m-1... Cyclic Prefix OFDM- Für CP Symbol m+1 kopieren... Kanal Impulsantwort t T IR max Ideale Sampling-Periode für FFT-Fenster T Guard T Data T Gesamt 14

20 OFDM (V) Synchronisation Synchronisationshilfen Pilottöne Preamble Aufbau eines OFDM-Frames OFDM-Frame i Preamble OFDM- Symbol 1 OFDM- Symbol 2 OFDM- Symbol M Kopieren Kopieren Kopieren Kopieren... Frame i-1 Cyclic Cyclic Cyclic Cyclic Frame i+1 Für CP Für CP 1 Für CP 2 Für CP M Prefix Prefix Prefix Prefix kopieren kopieren kopieren kopieren Preamble Symbol 1 Symbol 2... Symbol M... T Guard T Data T Guard T Data T Guard T Data T Guard T Data T Gesamt T Gesamt T Gesamt T Gesamt t 15

21 Rückblick zur Zwischenpräsentation

22 Rückblick (I) Damaliger Entwicklungsstand Quelle Trellis Codierer π OFDM Modulator complex2 real Cos Add BP AWGN D/A Byte Senke BER Coderate 1/2 Viterbi Decodierer Bit Interleaver π OFDM Demodulator Hz 1200 Hz Complex real2 complex Sin 300 Hz 2700 Hz Real BP Audiokabel A/D Byte Real Problem Cos Keine Verbesserung der BER durch Codierung bezogen auf AWGN Niveau Erinnerung: Relativ abrupter Übergang zum total gestörten Kanal 16

23 Rückblick (II) Synchronisationsprobleme? Nähere Untersuchungen: OFDM-Parameter, Wechsel der Quelldaten Quelle Byte Senke Byte BER Trellis Codierer Coderate 1/2 Viterbi Decodierer π Bit Interleaver π OFDM Modulator? OFDM Demodulator complex2 real Hz 1200 Hz Complex real2 complex Cos Sin Add BP AWGN 300 Hz 2700 Hz Real BP D/A Audiokabel A/D Vorgehen Ergebnis Cos Rekonfiguration der OFDM-Parameter Test verschiedener Modulationsarten der Subcarrier (QPSK, 8PSK, QAM-16, etc.) Veränderung der Payload Blockgröße Übertragung von Bildern statt beliebiger Zufallsfolgen Je höherwertig die Modulationsart der Subcarrier, desto instabiler die Übertragung Mit sinkender Größe des OFDM-Frames wird der Übergang zum total gestörten Kanal immer wahrscheinlicher Mangelhafte Synchronisation 17

24 Rückblick (III) Überwindung der Synchronisationsprobleme Probleme mit Synchronisation in vorliegender OFDM Implementierung Keine Pilottöne vorhanden! Synchronisation erfolgt (unzuverlässig) über Preamble Kanalkodierung kommt gar nicht erst zur Wirkung Robustheit des gesamten OFDM-Systems damit hinfällig Lösungsweg 1: Versuch alternative OFDM-Module mit Pilottönen aus dem Internet zu implementieren Trotz großer Anstrengungen erfolglos wegen massiven Versionsinkompatibilitäten der zu Grunde liegenden GNU Radio Frameworks Lösungsweg 2: Implementierung alternativer Modulationsverfahren um überhaupt sinnvoll weitere Übertragungswege testen zu können 18

25 Der Prototyp 1. Übertragungswege

26 Der Prototyp (I) - Übertragungswege Übertragungsweg 1: Simulation in GNU Radio und einfaches Kanalmodell Quelle Trellis Codierer π OFDM Modulator Byte Senke BER Coderate 1/2 Bit Interleaver Hz 1200 Hz Complex AWGN, Phasendrehung Einfaches Kanalmodell Viterbi Decodierer π OFDM Demodulator Byte Besonderheiten des Aufbaus Übertragungsverhalten Reine Simulation Einfaches Kanalmodell Reine Simulation ohne Kanalmodell zeigt Grenzen der Signalverarbeitungsbausteine und ihres Zusammenspiels 19

27 Der Prototyp (II) - Übertragungswege Übertragungsweg 2: Übertragung per Soundkarte Quelle Trellis Codierer π OFDM Modulator complex2 real Cos Add BP AWGN D/A Byte Senke BER Coderate 1/2 Viterbi Decodierer Bit Interleaver π OFDM Demodulator Hz 1200 Hz Complex real2 complex Sin 300 Hz 2700 Hz Real BP Audiokabel A/D Byte Cos Besonderheiten des Aufbaus Übertragungsverhalten Hochmischen ins reelle Basisband Ähnliches Verhalten wie reine Simulation Mehrfache Filterung 20

28 COMPACT COMPACT Der Prototyp (III) - Übertragungswege Übertragungsweg 3: Übertragung zwischen 2 Rechnern per Soundkarte USB Externe Soundkarte Audio (Full Duplex) Externe Soundkarte USB Besonderheiten des Aufbaus Übertragungsverhalten Interne Soundkarte nicht ausreichend! Instabilität der Abtastfrequenz Praktisch identisches Verhalten wie die Übertragung per Soundkarte auf einem Rechner Wandernde Phasen, Rauschen 21

29 Der Prototyp (IV) - Übertragungswege Übertragungsweg 3: Übertragung zwischen 2 Rechnern per Soundkarte Quelle Byte TX - Sendeseite Trellis Codierer π OFDM Modulator complex2 real Cos Sin Add BP AWGN D/A Aufspaltung von Sende- und Empfangsseite in zwei GNU Radio Anwendungen Coderate 1/2 Bit Interleaver Hz 1200 Hz Complex 300 Hz 2700 Hz Real Audiokabel RX - Empfangsseite Sin? Senke Viterbi Decodierer π OFDM Demodulator real2 complex BP A/D Byte Referenzquelle BER Cos 22

30 COMPACT Der Prototyp (V) - Übertragungswege Übertragungsweg 4: Übertragung per HF mit einem USRP USB USRP RX HF-Verbindung im Labor TX Besonderheiten des Aufbaus Übertragungsverhalten Direkte Verbindung über RG-58 Praktisch identisches Verhalten wie die Übertragung per Soundkarte auf einem Rechner 23

31 Der Prototyp (VI) - Übertragungswege Übertragungsweg 4: Übertragung per HF mit einem USRP Quelle Byte TX - Sendeseite Trellis Codierer π Modulation AWGN USRP Sink Coderate 1/2 Bit Interleaver RX - Empfangsseite Hz 1200 Hz Complex HF? Senke Viterbi Decodierer π Demodulation USRP Source Byte Referenzquelle BER 24

32 COMPACT COMPACT Aufgabe Theorie Rückblick Der Prototyp Kritik Zusammenfassung Demonstration Der Prototyp (VII) - Übertragungswege Übertragungsweg 5: Übertragung per Kurzwelle im Labor USB Externe Soundkarte Audio NF-Übertrager Audio KW TRX HF-Verbindung im Labor USB USRP Besonderheiten des Aufbaus HF-Verbindung via kleiner Antennen Übertragungsverhalten Zeitweise Synchronisation und Empfang von Daten Keine stabile Übertragung möglich Fehlende Frequenzsynchronisation als primäres Problem 25

33 Der Prototyp (VIII) - Übertragungswege Übertragungsweg 5: Übertragung per Kurzwelle im Labor TX - Sendeseite Cos AWGN Quelle Trellis Codierer π Modulation complex2 real Add BP Audiosink Byte Sin 300 Hz 2700 Hz Real Coderate 1/2 Bit Interleaver RX - Empfangsseite Hz 1200 Hz Complex Audio, Amateurfunk TRX, USRP? Senke Viterbi Decodierer π Demodulation USRP Source Byte Referenzquelle BER 26

34 Der Prototyp 2. Der fertige Prototyp

35 Der Prototyp (IX) GRC: Überblick 27

36 Der Prototyp (X) GRC: Trellis/Viterbi 28

37 Der Prototyp (XI) GRC: Interleaving 29

38 Der Prototyp (XII) GRC: Modulation 30

39 Der Prototyp (XIII) GRC: Signal Reell mischen 31

40 Der Prototyp (XIV) GUI: Überblick 32

41 Der Prototyp (XV) GUI: Kanalzustand 33

42 Der Prototyp (XVI) GUI: QPSK-Konstellation 34

43 Kritische Auseinandersetzung mit der Arbeit

44 Kritik (I) Performance (der Synchronisation?) Vorgehen Sehr viele Übertragungsversuche mit allen erdenklichen Parametervariationen Feststellung Mit steigender Anzahl von Bits pro Symbol bei der Modulation der Subträger nimmt die Synchronisationsfähigkeit ab Abgesehen davon: Keine eindeutige Aussage über die Synchronisationsfähigkeit in klarer Abhängigkeit der OFDM Parameter! 3 Punkte Bemerkenswert 1. Das Verhalten der gesamten GNU Radio Anwendung ist teilweise schwer reproduzierbar, auch über viele Versuchsreihen hinweg 2. Die Synchronisationsfähigkeit der OFDM Module hat mit dem Anwachsen der GNU Radio Anwendung allgemein merklich nachgelassen 3. Die Reaktionszeit der Oberfläche des GRC hat mit dem Anwachsen der GNU Radio Anwendung allgemein merklich zugenommen 35

45 Kritik (II) Performance (von GNU Radio?) Wesen von GNU Radio Eher für Machbarkeitsstudien und Prototypen, nicht für stabile, marktfähige Produkte Stabilität und Reproduzierbarkeit durchwachsen Unwägbarkeiten Automatische Buffer-Allokation Qualität der Quelltexte der Signalverarbeitungsblöcke Qualität der Quelltexte von GNU Radio selbst Allgemeine Probleme Schnelle Weiterentwicklung führt häufig zu Inkompatibilitäten Zum (großen) Teil miserable Dokumentation 36

46 Kritik (III) Performance (von GNU Radio und Synchronisation!) Ursachen der Performanceschwächen Überwindung der Performanceschwächen Gemeinschaftliche Überforderung der Qualität der OFDM Module automatischen Buffer-Allokation sowie des gesamten Frameworks graphischen Entwicklungsumgebung Größe der Projektdatei sowie verfügbaren Hardwareressourcen (Intel core i3 mit 2.13 GHz, 8 GB RAM) Verbesserung der Synchronisationsmechanismen der betroffenen Module Einsatz leistungsfähigerer Hardware Verwendung hierarchischer Signalverarbeitungsblöcke zur Entlastung der Komplexität der eigentlichen GNU Radio Anwendung Bewussten Auswahl der benötigten Module und Verzicht auf unnötige Blöcke Beschränkung auf die wesentlichen Oberflächenelemente Verzicht auf Verwendung des GRC? Kumulation einzelner Schwachstellen führt (teilweise) zum Versagen der Synchronisation 37

47 Kritik (IV) Der Prototyp Positiv Allgemein Prinzipiell funktionsfähig und für Kurzwelle geeignet Sehr universell durch viele verschiedene Quellen und Senken (Datei, TCP, ) Umfangreiche graphische Oberfläche zur Analyse und Überwachung des Prototyps Soundkarte als universelle Hardwareschnittstelle Ausbaufähig Allgemein Stabilität und Reproduzierbarkeit durchwachsen Entspricht allerdings dem Wesen eines Prototyps und den Möglichkeiten von GNU Radio Keine sinnvolle Messung der BER und damit der Leistungsfähigkeit möglich Kommunikation über Ionosphäre noch nicht möglich Modulation Modulation Verschiedene Modulationsarten Prinzipielle Synchronisationsschwächen der (OFDM, PSK, QAM, GMSK) verwendeten Module Kanalcodierung Kanalcodierung Prinzipiell funktionsfähige Faltungscodierung Bit-Interleaver zur Vermeidung von Burst-Fehlern Kanalcodierung kann nicht effektiv zur Wirkung kommen Trotz einzelner Schwächen konnte ein vollständiges SDR-Modem realisiert werden! 38

48 Kritik (V) Zukünftige Entwicklung Geplante GNU Radio Entwicklungen Unabhängige Entwicklungsmöglichkeiten Allgemein SDR-Modem Einführung von Projekten mit einem auf mehreren Seiten verteilten Flowgraph Tiefergehende Analyse der implementierten Modulationsarten Direkter Zoom in hierarchische Blöcke Integration von Blockcodes Integration komplexerer Kanalmodelle Optimierung der Parameter der Single-Carrier Modulationsarten Ergänzung der Kanalcodierung durch Reed-Solomon Codes OFDM Reimplementierung der OFDM-Module in der kommenden GNU Radio Version! Umbau zu Laborversuch Flexibilität und Anschaulichkeit im GRC sehr gut für Laborversuche geeignet (in ca. 3-5 Monaten) Entwickelter Prototyp stellt ideale Grundlage für den Ausbau zu einem vollwertig nutzbaren SDR-Modem für Kurzwelle dar 39

49 Zusammenfassung

50 Zusammenfassung Theorie Software Defined Radio Sehr umfassendes Thema Bietet hohe Flexibilität Kurzwellenkanal Herausfordernder Kommunikationskanal durch Zeitvarianz, Fading und Mehrwegeausbreitung OFDM via Kurzwelle Prinzipiell robustes Modulationsverfahren Sehr gut in Software realisierbar Prototyp Allgemein Fokus auf dem möglichst reibungsfreien Zusammenbringen der Einzelbausteine sowie auf der allgemeinen Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems nicht auf der Optimierung einzelner Komponenten Umfang Großer Umfang an Bauelementen Komplexe Oberfläche Alternative Modulationsverfahren Faltungscode und Interleaving Synchronisationsfähigkeit Verbesserungswürdig GNU Radio Hervorragende Entwicklungsumgebung für Forschung und Lehre Trotz einiger Schwächen sehr gute Ausgangsbasis für solch eine Arbeit Ohne ein vergleichbares Framework wären die erzielten Ergebnisse in der vorgegebenen Zeit mit Sicherheit nicht möglich gewesen. Übertragungswege Übertragungen über verschiedene Kanäle hochwertige, externe Soundkarte als universelle Hardwareschnittstelle Übertragungen zwischen Rechnern per Audio zeigt die Funktion des Modems HF-Experimente mit USRP erfolgreich Nach Lösung der Synchronisationsprobleme steht einer Übertragung über die Ionosphäre nichts mehr im Wege. 40

51 Noch eine kurze Demonstration

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!