Labsheet_SDR1&2.pdf

1

SDR#1

วตัถปุระสงค ์

1. เพ่ือให้นักศึกษามีความรู้และความเข้าใจพ้ืนฐานของระบบวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์ (Software

Defined Radio: SDR)

2. เพ่ือให้นักศึกษาสามารถทดสอบระบบการสื่อสารวิทยุโดยน าเทคโนโลยีระบบวิทยุก าหนดด้วย

ซอร์ฟแวร์มาใช้ได ้

เครื่องมือและอปุกรณ์ 1. NI-USRP 2. คอมพิวเตอร์ และโปรแกรม LabVIEW ทฤษฎแีละหลักการ

Software Defined Radio (SDR)

Software Defined Radio (SDR) หรือ เทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์ เป็นระบบเครื่องรับ-ส่ง

วิทยุ ที่ใช้การปรับเปลี่ยนคุณลักษณะของเครื่องรับ-ส่งวิทยุ โดยการควบคุมจากซอร์ฟแวร์ทั้งหมด ดังนั้นการ

ท างานของเครื่องรับ-ส่งวิทยุบนพ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์จึงเป็นรูปแบบของระบบ

ดิจิตอลซึ่งซอร์ฟแวร์ที่ใช้ในการควบคุมจะท างานอยู่บนเครื่องคอมพิวเตอร์ ด้วยเหตุนี้โครงสร้างของฮาร์ดแวร์ที่

ถูกใช้งานในระบบเครื่องรับ-ส่ง บนพ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์จึงเป็นเพียงภาค Down

Conversion และ Up Conversion ที่เป็นระบบดิจิตอลหรือที่เรียกกันว่า Digital Down Converter (DDC)

ส าหรับเครื่องรับ และ Digital Up Converter (DUC) ส าหรับเครื่องส่ง โครงสร้างภาพรวมของเครื่องรับบน

พ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์แสดงได้ดังในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดง Block diagram ของเครื่องรับวิทยุบนพ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์

2

จากรูปที่ 1 สัญญาณวิทยุที่รับได้มาจากสายอากาศจะถูกแปลงเพ่ือลดความถี่ลงมาทอดหนึ่งก่อนให้

ได้เป็นความถี่ IF จากนั้นสัญญาณจะถูกแปลงจากอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล จากนั้นจึงถูกส่งเข้าไปยัง

ภาค Digital Down Converter เพ่ือท าการแปลงสัญญาณดิจิตอลที่ได้ให้อยู่ในรูปของสัญญาณดิจิตอล

เบสแบนด์ จากนั้นก็จะถูกส่งเข้าไปประมวลผลด้วยซอร์ฟแวร์อีกครั้ง (ในรูปแทนด้วย block DSP) ให้ได้

สัญญาณข้อมูลข่าวสารกลับคืนมา โดยที่การประมวลผลด้วยซอร์ฟแวร์นั้นประกอบไปด้วยกระบวนการ

demodulation และการปรับแต่งคุณลักษณะต่างๆของเครื่องรับสัญญาณ เช่นการปรับเปลี่ยนย่านความถี่ที่

รับสัญญาณ การปรับความกว้างของแบนด์วิท เป็นต้น

ส่วนภาพรวมของเครื่องส่งวิทยุบนพ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์สามารถแสดงได้

ดังในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดง Block diagram ของเครื่องส่งวิทยุบนพ้ืนฐานของเทคโนโลยีวิทยุก าหนดด้วยซอร์ฟแวร์

การท างานของระบบในรูปที่ 2 จะเป็นไปในลักษณะย้อนกลับเมื่อเทียบกับรูปที่ 1 ซึ่งเป็นลักษณะของ

เครื่องรับ โดยการท างานของเครื่องส่งดังในรูปที่ 2 นั้นอธิบายได้ดังนี้ สัญญาณข้อมูลข่าวสารที่จะท าการส่งซึ่ง

อยู่ ในรูปแบบของสัญญาณดิจิตอลจะผ่านการประมวลผลด้วยซอร์ฟแวร์ เช่น ก าหนดรูปแบบการ

modulation รวมถึงการปรับแต่งคุณลักษณะต่างๆของเครื่องส่ง จากนั้นสัญญาณที่ได้ซึ่งจะเรียกว่าสัญญาณ

ดิจิตอลเบสแบนด์จะถูกท าการ up ความถี่ขึ้นไปด้วยภาค Digital Up Converter (DUC) จากนั้นจะได้

สัญญาณเป็น Digital IF แล้วท าการแปลงให้เป็นสัญญาณ IF ที่เป็นสัญญาณอนาลอกด้วยวงจรแปลงสัญญาณ

ดิจิตอลเป็นอนาลอก จากนั้นจะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ก่อนขยายด้วย Power

Amplifier แล้วส่งออกอากาศผ่านทางสายอากาศส่ง

3

I/Q Data

I/Q Data ใช้แสดงการเปลี่ยนแปลงของขนาด (Amplitude) และเฟส (Phase) ของคลื่นรูปไซน์ ซึ่ง

สามารถใช้การเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสส าหรับการเข้ารหัสข้อมูลที่อยู่บนคลื่นรูปไซน์ได้ หรือเราเรียกว่าการ

Modulation

สมการแสดงคลื่นรูปไซน์สามารถเขียนได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 สมการแสดงคลื่นรูปไซน์

จากสมการเราสามารถแสดงสถานะของคลื่นรูปไซน์ที่เวลาใดๆ ในรูปแบบของเวกเตอร์ในระนาบ

เชิงซ้อนได้โดยใช้พิกัดของขนาดและเฟสในระบบพิกัดเชิงขั้วแสดงดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 ระนาบเชิงซ้อนใช้ส าหรับแสดงสถานะของคลื่นรูปไซน์ที่เวลาใดๆ

จากกราฟในรูปที่ 4 มุมจากแกนนอนไปถึงเส้นแสดงสถานะของคลื่นรูปไซน์หมายถึงเฟสของคลื่นรูป

ไซน์ และระยะทางจากจุด origin ไปยังจุดหมายถึงขนาดของคลื่นรูปไซน์

ส าหรับ I/Q Data จะน าระบบพิกัดเชิงเส้นนี้มาประยุกต์ใช้ โดยที่ I/Q Data จะเปลี่ยนแปลงข้อมูล

ขนาดและเฟสจากระบบพิกัดเชิงขั้วเป็นระบบพิกัดคาร์ทีเซียน (Cartesian coordinate: (X, Y)) ซึ่งสามารถ

แปลงพิกัดเชิงขั้วไปเป็นข้อมูลคาร์ทีเซียนได้โดยการใช้ตรีโกณมิติ แสดงดังรูปที่ 5

4

รูปที่ 5 ข้อมูล I และ Q แสดงในรูปแบบเชิงขั้วและพิกัดคาร์ทีเซียน

จากรูปที่ 5 ใช้ตรีโกณมิติในการหาสมการ I/Q Modulation ได้ดังนี ้

จะได้ว่า และ

จาก ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

จะได้ ( ) ( ) ( )

ซ่ึง คือ ขนาดของ in-phase carrier และ คือ ขนาดของ quadrature-phase carrier

จากสมการ สามารถน ามาสร้างเป็นวงจรฮาร์ดแวร์ได้ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 บล็อกไดอะแกรมฮาร์ดแวร์ของ I/Q Modulator

5

ขั้นตอนการทดลอง

การทดลองที่ 1 Signal Generator และ Spectrum Analyzer

การทดลองนี้เป็นการทดลองสร้าง Signal Generator และ Spectrum Analyzer โดยใช้ NI-USRP

ซึ่งแบ่งเป็น 2 ส่วน คือ ภาคส่งท าหน้าที่เป็น Signal Generator และ ภาครับท าหน้าที่เป็น Spectrum

Analyzer

ภาคส่ง

1. เปิดไฟล์ SigGentemplate ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 7

รูปที่ 7 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง Signal Generator

2. จาก I/Q Data ซึ่งมีรูปแบบของสมการ คือ ดังนั้นให้สร้างสัญญาณไซน์ 2 ตัวขึ้นมาโดยคลิกขวาที่หน้า

Block Diagram เลือก Signal Processing -> Waveform Generation -> Sine Waveform ดังรูปที่ 8 โดย

ที่ไซน์หนึ่งตัวจะต้องมีการเลื่อนเฟสไป 90 องศาซึ่งสามารถท าได้โดยคลิกขวาที่ขา Phase ของ Sine

Waveform เลือก Create -> Constant แล้วก าหนดค่าเป็น 90

6

รูปที่ 8 การสร้าง Sine Waveform

3. ท าการสร้าง Numeric Control ส าหรับก าหนดค่า tone frequency และ tone amplitude ของ

สัญญาณที่ต้องการสร้างขึ้นโดยการคลิกขวาขา Frequency และ Amplitude ของ Sine Waveform เลือก

Create -> Control ซึ่งไซน์ทั้งสองตัวจะใช้ความถี่และขนาดเดียวกัน

4. สร้าง FFT Power Spectrum โดยการคลิกขวาที่หน้า Block Diagram เลือก Signal Processing ->

Waveform Measurement -> FFT Power Spectrum ดังรูปที ่9

รูปที่ 9 การสร้าง FFT Power Spectrum

แล้วสร้าง Boolean Constant ที่ขา dB On แล้วก าหนดให้เป็น T

5. เชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่ 10

7

รูปที่ 10 การเชื่อมต่อ Wire ของ Signal Generator

6. เมื่อท าการเชื่อมต่อ Block Diagram เสร็จแล้วจะได้หน้า Front Panel ดังนี้

รูปที่ 11 หน้า Front Panel ของการทดลอง Signal Generator

ภาครับ

1. เปิดไฟล์ SpectrumAnalyzertemplate ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 12

รูปที่ 12 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง Spectrum Analyzer

8


Waveform Measurement -> FFT Power Spectrum ดังรูป 13


3. เชื่อมต่อเอาท์พุทของ CDB WDT เป็นอินพุทของ Power Spectrum และเป็นอินพุทของ Signal Graph

และเชื่อมต่อเอาท์พุทของ Power Spectrum เป็นอินพุทของ Baseband Power Spectrum และสร้าง

Boolean Constant ที่ขา dB On แล้วก าหนดให้เป็น T ดังรูป 14

รูปที่ 14 การเชื่อมตอ่ Wire ของการทดลอง Spectrum Analyzer


รูปที่ 15 หน้า Front Panel ของการทดลอง Spectrum Analyzer

9

การเก็บผลการทดลอง

1. ส าหรับภาคส่ง ตั้งค่า Carrier Frequency เท่ากับ 1 GHz, Tone Frequency เท่ากับ 10 kHz และ Tone

Amplitude เท่ากับ 1 แล้ว Run โปรแกรม เก็บผลกราฟของสัญญาณที่สร้างขึ้นรวมถึงสเปกตรัมของสัญญาณ

ส าหรับภาครับ ตั้งค่า Carrier Frequency เท่ากับ 1 GHz แล้ว Run โปรแกรม ท าการเก็บผลสัญญาณและ

สเปกตรัมของสัญญาณที่รับได้

ภาคส่ง

Time Domain Frequency Domain

ภาครับ


ค าถาม

1. เปรียบเทียบสัญญาณและสเปกตรัมของสัญญาณทางภาคส่งกับภาครับว่าเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

10

การทดลองที่ 2 Amplitude Modulation (AM)

การทดลองนี้เป็นการทดลองรับ-ส่งสัญญาณไซน์ด้วย NI-USRP ซึ่งจะแบ่งเป็น 2 ส่วน คือ ภาคส่งจะ

ท าการมอดูเลตสัญญาณไซน์แบบ AM และภาครับจะท าการดีมอดูเลตแบบ AM เพ่ือให้ได้สัญญาณข่าวสาร

กลับคืนมา

ภาคส่ง

1. เปิดไฟล์ AMmodtemplate ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 16

รูปที่ 16 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง AM Modulation

2. ท าสร้างสัญญาณไซน์ขึ้นมาโดยการคลิกขวาที่หน้า Block Diagram เลือก Signal Processing -> Wfm

Generation -> Sine Wfm ดังรูปที่ 17

รูปที่ 17 การสร้าง Sine Waveform

11

3. สร้าง Numeric Control ส าหรับก าหนด Message Frequency, Message Amplitude โดยการคลิกขวา

ที่ขา frequency และ amplitude ของ Sine Waveform แล้วเลือก Create -> Control

4. สร้าง MT Modulate AM โดยการคลิกขวาที่หน้า Block Diagram แล้วเลือก RF Communication ->

Modulation -> Analog -> Modulation -> MT Modulate AM ดังรูปที่ 18

รูปที่ 18 การสร้าง AM Modulator

แล้วสร้าง Boolean Constant เพ่ือก าหนดรูปแบบ AM Modulation แบบ DSB ว่าจะ Suppressed carrier

หรือไม่ โดยการคลิกขวาที่ขา Suppressed carrier เลือก Create -> Constant ก าหนดให้เป็น T


Waveform Measurement -> FFT Power Spectrum ดังรูปที ่19


12

แล้วท าการสร้าง Boolean Constant โดยการคลิกขวาที่ View ของ FFT Power Spectrum เลือก Create

-> Control แล้วก าหนดค่าเป็น T, F และ F ตามล าดับเพื่อให้แสดงกราฟในหน่วย dB

6. เชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่ 20

รูปที่ 20 การเชื่อมต่อ Wire ของการทดลอง AM Modulation


รูปที่ 21 หน้า Front Panel ของการทดลอง AM Modulation

13

ภาครับ

1. เปิดไฟล์ AMdemodtemplate ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 22

รูปที่ 22 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง AM Demodulation

2. สร้าง MT Demodulate AM โดยการคลิกขวาที่หน้า Block Diagram แล้วเลือก RF Communication

-> Demodulation -> Analog -> Demodulation -> MT Demodulate AM ดังรูปที่ 23

รูปที่ 23 การสร้าง AM Demodulator

แล้วสร้าง Boolean Constant เพ่ือก าหนดรูปแบบ AM Demodulation แบบ DSB ว่าจะ Suppressed

carrier หรือไม่ โดยการคลิกขวาที่ขา Suppressed carrier เลือก Create -> Constant ก าหนดให้เป็น T


Waveform Measurement -> FFT Power Spectrum ดังรูปที่ 24

14



-> Control แล้วก าหนดค่าเป็น T, F และ F ตามล าดับเพ่ือให้แสดงกราฟในหน่วย dB

4. ท าการเชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่ 25

รูปที่ 25 การเชื่อมต่อ Wire ของการทดลอง AM Demodulation


15

รูปที่ 26 หน้า Front Panel ของการทดลอง AM Demodulation

การเกบ็ผลการทดลอง

1. ส าหรับภาคส่ง ตั้งค่า IQ Sampling Rate = 200 k, Carrier Frequency = 1 GHz, Gain = 20 dB,

Message Frequency = 5 kHz, Message Amplitude = 1 และ modulation index = 1 แล้ว Run

โปรแกรม เก็บผลกราฟของสัญญาณข่าวสารรวมถึงสเปกตรัมของสัญญาณ

ส าหรับภาครับ ตั้งค่า IQ Sampling Rate = 200 k, Carrier Frequency = 1 GHz และ Gain = 20 dB แล้ว

Run โปรแกรม เก็บผลกราฟของสัญญาณที่รับได้รวมถึงสเปกตรัมของสัญญาณ

ภาคส่ง

Message Signal


16

ภาครับ

Baseband AM


Recovered Message


ค าถาม


2.

17

การทดลองที่ 3 Frequency Modulation (FM)

การทดลองนี้จะเป็นการส่งข้อมูลเสียงจากไฟล์เสียงออกอากาศด้วย NI-USRP โดยผ่านการ

Modulation แบบ FM ซึ่งจะแบ่งเป็น 2 ส่วน คือ ภาคส่ง และภาครับ

ภาคส่ง

1. เปิดไฟล์ FM Tx ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 27

รูปที่ 27 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง FM Modulation

2. เมื่อท าการอ่านข้อมูลจากไฟล์แล้วจ าเป็นต้อง Resample ข้อมูลด้วย Sampling Rate ที่เราก าหนดไว้

ส าหรับรับ-ส่งข้อมูลด้วย NI-USRP ดังนั้นจึงต้องสร้าง Resample Waveform โดยการเลือก Signal

Processing -> Wave form conditioning -> Resample Waveform (Single Shot) แล้วท าการเชื่อมต่อ

เอาท์พุทของข้อมูลที่อ่านได้จากไฟล์เป็นอินพุทของ Resample Waveform และท าการหา Time Interval

จาก 1/Sampling Rate โดยการเลือก Mathematics -> Numeric -> Reciprocal และเชื่อมต่อ IQ rate

เป็นอินพุทของ Reciprocal และเชื่อมต่อเอาท์พุทของ Reciprocal เป็นอินพุทที่ขา dt ของ Resample

Waveform ดังรูปที่ 28

18

รูปที่ 28 การเชื่อมต่อ Wire ของ Resample Waveform

3. ท าการสร้าง FM Modulation โดยการเลือก RF Communications -> Modulation -> Analog ->

Modulation -> MT Modulate FM ดังรูปที่ 29

รูปที่ 29 การสร้าง FM Modulator

จากนั้นท าเชื่อมต่อเอาท์พุทของ Resample Waveform เป็นอินพุทของ MT Modulate FM, เป็นอินพุทของ

ตัวแสดงกราฟ Audio Data, สร้าง Numeric Constant ส าหรับก าหนดค่า FM Deviation โดยการคลิกขวาที่

ขา FM Deviation -> Create -> Constant แล้วก าหนดค่าเป็น 75000 และเชื่อมต่อเอาท์พุทของ MT

Modulate FM เป็นอินพุทของ CDB Cluster รวมถึงเชื่อมต่อสาย error

19





-> Control แล้วก าหนดค่าเป็น T, F และ F ตามล าดับเพ่ือให้แสดงกราฟในหน่วย dB เชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่

31

รูปที่ 31 การเชื่อมต่อ Wire ของการทดลอง FM Modulation


20

รูปที่ 32 หน้า Front Panel ของการทดลอง FM Modulation

ภาครับ

1. เปิดไฟล์ FMdemodtemplate ขึ้นมาจะพบว่าในหน้า Block Diagram จะเป็นดังรูปที่ 33

รูปที่ 33 Template ของหน้า Block Diagram ของการทดลอง FM Demodulation

2. สร้าง MT Demodulate FM โดยการคลิกขวาที่หน้า Block Diagram แล้วเลือก RF Communication

-> Modulation -> Analog -> Demodulation -> MT Demodulate FM ดังรูปที่ 34

รูปที่ 34 การสร้าง FM Demodulator

21

3. สร้าง Resample Waveform โดยการเลือก Signal Processing -> Wave form conditioning ->

Resample Waveform (Single Shot) แล้วท าการเชื่อมต่อเอาท์พุทของข้อมูลที่ได้จากการ Demodulation

เป็นอินพุทของ Resample Waveform แล้วท าการสร้าง Boolean Constant ที่ขา open interval แล้ว

ก าหนดเป็น T และก าหนด Constant ที่ขา Interpolation Mode เป็น FIR filter แล้วเชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่

35

รูปที่ 35 การเชื่อมต่อ Wire ของ Resample Waveform





-> Control แล้วก าหนดค่าเป็น T, F และ F ตามล าดับเพื่อให้แสดงกราฟในหน่วย dB

5. ท าการเชื่อมต่อ Wire ดังรูปที่ 37

22

รูปที่ 37 การเชื่อมต่อ Wire ของการทดลอง FM Demodulation


รูปที่ 38 หน้า Front Panel ของการทดลอง FM Demodulation

การเกบ็ผลการทดลอง

1. การทดลองนี้จะเป็นการส่งข้อมูลจากไฟล์เสียง ดังนั้นก่อนท าการทดลองให้ฟังเสียงจากไฟล์เสียงก่อนว่าเป็น

อย่างไร

23

2. ส าหรับภาคส่ง ตั้งค่า IQ Sampling Rate = 200 k, Carrier Frequency = 1 GHz และ Gain = 20 dB

แล้ว Run โปรแกรม ท าการเลือกไฟล์เสียงที่ต้องการส่ง เก็บผลกราฟของสัญญาณที่ส่งรวมถึงสเปกตรัมของ

สัญญาณ

ส าหรับภาครับ ตั้งค่า IQ Sampling Rate = 200 k, Carrier Frequency = 1 GHz และ Gain = 20 dB

ฟังเสียงของสัญญาณท่ีรับได้ และเก็บผลกราฟของสัญญาณท่ีรับได้รวมถึงสเปกตรัมของสัญญาณ

ภาคส่ง

Message Signal


ภาครับ

Baseband FM


24

Recovered Message


ค าถาม


2. แบนด์วิทของการ Modulation แบบ FM เท่ากับเท่าไร

สรปุผลการทดลอง

Documents

Labsheet_SDR1&2.pdf