Tesi A. Rinaldi

Universita` di Messina - Facolta` di Ingegneria

Emulazione di un collegamento Radio mediante Software Radio

Relatori

Prof. Salvatore Serrano

Prof. Giuseppe Campobello

Candidato

Arturo Rinaldi

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica V.O. - Anno Accademico 2010/11Messina, 10 Novembre 2011

Obiettivi della tesi

I La realizzazione di uno strumento didattico per lanalisi dellemodulazioni digitali in diversi canali di comunicazione

I I canali simulati sono stati :

B Cablato : AWGNB Wireless : Rayleigh e Rician

I Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delleBER (Bit Error Rate)

I Fornire strumenti complementari per mostrare come file audio e videovengono modificati sotto lazione dei canali di trasmissione

I Per realizzare il gr-bertool e` stata adoperata la piattaforma GNU Radio

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I I canali simulati sono stati :

B Cablato : AWGNB Wireless : Rayleigh e Rician

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I I canali simulati sono stati :B Cablato : AWGN

B Wireless : Rayleigh e Rician

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I I canali simulati sono stati :B Cablato : AWGNB Wireless : Rayleigh e Rician

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GNU Radio

I GNU Radio e` un toolkit softwareopen-source che fornisce una libreria diblocchi per lelaborazione numerica deisegnali (DSP) scritti in C++ chepossono essere combinati insieme alloscopo di costruire e sviluppareapplicazioni radio

I E fornito di uninterfaccia grafica perfacilitare lapprendimento (GRC : GNURadio Companion)

Python Flow Graph

(Created using the processing blocks)

USB Interface / Gigabit Ethernet

Generic RF Front End

SWIG (Port C++ blocks to Python)

GNU Radio Signal Processing Blocks

( USRP / USRP 2 )

Gnu Radio Companion (GRC), XML

(C++)

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GNU Radio

I GNU Radio e` un toolkit softwareopen-source che fornisce una libreria diblocchi per lelaborazione numerica deisegnali (DSP) scritti in C++ chepossono essere combinati insieme alloscopo di costruire e sviluppareapplicazioni radio

I E fornito di uninterfaccia grafica perfacilitare lapprendimento (GRC : GNURadio Companion)

Python Flow Graph

(Created using the processing blocks)

USB Interface / Gigabit Ethernet

Generic RF Front End

SWIG (Port C++ blocks to Python)

GNU Radio Signal Processing Blocks

( USRP / USRP 2 )

Gnu Radio Companion (GRC), XML

(C++)

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Il Software-Defined Radio

I GNU Radio e` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio(SDR), un nuovo paradigma dei sistemi di comunicazione

I Un ricevitore e` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sonorealizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguatohardware

I E cos` possibile implementare diversi standard di trasmissione softwareutilizzando un unico dispositivo

I Un sistema SDR inoltre e` in grado di riconoscere ed evitare eventualiinterferenze con altri canali di trasmissione

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Il tool sviluppato : gr-bertool

I Linterfaccia principale del programma

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I Verifica sperimentale della BER

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I Verifica sperimentale della BER in real-time

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I Strumenti complementari

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Verifica Sperimentale della BER

I La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, e` il rapporto tra ilnumero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bittrasmessi

I Verifichiamo i valori teorici della BER con quelli ottenuti in manierasperimentale variando il rapporto segnale-rumore Eb/N0

I Dalla teoria delle comunicazioni digitali e` noto che per una modulazioneQ-PSK la BER e` data da :

Pb = Q

(2EbN0

)

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Pb = Q

(2EbN0

)

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Pb = Q

(2EbN0

)

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I Calcola la BER in un intervallo di valoridi Eb/N0 dato da min e max con lapossibilita` di scegliere il passo diincremento

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I E possibile attivare o disattivare laCodifica di Gray

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I Cliccando sul tasto Plot e` possibilegraficare i risultati

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Si osserva un perfetto accordo tra i risultati teorici e quelli sperimentali

(a) BER AWGN BPSK (b) BER AWGN Q-PSK (c) BER AWGN 8-PSK

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Levoluzione della BER e delle costellazioni inreal-time

I Permette di osservare levoluzione dellaBER e della costellazione in real-timenei tre tipi di canale presi in esame

I Nellesempio seguente verra` mostratalevoluzione della BER nel canale diRician per valori di Eb/N0 da 15 dB a0 dB

I Una volta avviato il valore della BER siassesta al valore corrispondente aEb/N0 = 0 dB pari a circa 0.11

I Ch1 Valore Sperimentale ; Ch2 ValoreTeorico

I Osserviamone levoluzione....

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I Osserviamone levoluzione.... 14 di 38

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Levoluzione della BER in real-time

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La costellazione dei segnali

I Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.

Figura: Schema di principio di un sistema di TLC

I In assenza di disturbi sul canale il generico simbolo trasmesso si verra`ricevuto correttamente. Il diagramma dei simboli ricevuti e` definitocostellazione della modulazione digitale.

b

s0 (11)b

s3 (01)

b

s2 (00)b

s1 (10)

Figura: Costellazione di una modulazione QPSK

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I Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.

Figura: Schema di principio di un sistema di TLC

I In assenza di disturbi sul canale il generico simbolo trasmesso si verra`ricevuto correttamente. Il diagramma dei simboli ricevuti e` definitocostellazione della modulazione digitale.

b

s0 (11)b

s3 (01)

b

s2 (00)b

s1 (10)

Figura: Costellazione di una modulazione QPSK 21 di 38

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I Il disturbo nel canale modifica fase ed ampiezza dei simboli trasmessi epertanto il simbolo ri ricevuto non e` quello della costellazione

b

s0 (11)b

s3 (01)

b

s2 (00)b

s1 (10)

ri

Il simbolo si trasmesso non e`

ricevuto correttamente

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La costellazione dei segnali : evoluzione

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Trasmissione di immagini

I Permette di osservare leffetto dellemodulazioni sulle immagini

I Sono stati studiati gli effetti nei canalisimulati (AWGN, Rayleigh e Rician) perun valore fisso di Eb/N0 = 0 dB emodulazione digitale Q-PSK su unimmagine di tipo Jpeg

I Vediamo i risultati....

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Trasmissione Immagini : Canale AWGN

(a) Originale (b) AWGN

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Trasmissione Immagini : Canale Rician

(c) Originale (d) Rician

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Trasmissione Immagini : Canale Rayleigh

(e) Originale (f) Rayleigh

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Trasmissione audio

I Permette di osservare leffetto dellemodulazioni sui piu` comuni formati difile audio

I Sono stati studiati gli effetti nei canalisimulati (AWGN, Rayleigh e Rician) perun valore fisso di Eb/N0 = 10 dB emodulazione digitale Q-PSK

I E stata effettuata lanalisi sul fileplay it sam.wav con le seguenticaratteristiche :

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Trasmissione audio

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Trasmissione audio

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Trasmissione audio

Proprieta` del file di test

play_it_sam.wav :

File Size: 1.76M

Bit Rate: 1.41M

Encoding: Signed PCM

Channels: 2 @ 16-bit

Samplerate: 44100Hz

Replaygain: off

Duration: 00:00:10.00

I Vediamo i risultati

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Trasmissione audio

(g) Originale (h) Canale AWGN

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orig_10.wavMedia File (audio/wav)

AWGN_10.wavMedia File (audio/wav)

Trasmissione audio

(i) Rician (j) Rayleigh

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Rician_10.wavMedia File (audio/wav)

Rayleigh_10.wavMedia File (audio/wav)

Conclusioni

Perche` usare gr-bertool ? Vantaggi

3 E un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi ditelecomunicazioni

3 Lo studente puo` trovare un rapido riscontro con quanto appreso alezione

3 Interfaccia user-friendly

3 E open-source !

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Conclusioni

3 E open-source !

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Conclusioni

3 E open-source !

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Conclusioni

3 E open-source !

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Conclusioni

Sviluppi futuri

I Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramiteUSB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare levoluzione inreal-time dei segnali

(k) USRP1 (l) USRP2

I Implementazioni di altri moduli per i protocolli di rete (ad es. 802.11n,Bluetooth) sempre per scopo didattico

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Conclusioni

Sviluppi futuri

I Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramiteUSB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare levoluzione inreal-time dei segnali

(m) USRP1 (n) USRP2

I Implementazioni di altri moduli per i protocolli di rete (ad es. 802.11n,Bluetooth) sempre per scopo didattico

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Contact Information

Arturo Rinaldi

Indirizzo: Via Ugo Bassi 100 is. 147, 98123 Messina - ItalyCellulare: +39-3405795584Fisso: +39-0902934115Skype: arty.netE-mail: [email protected]: arty.netTwitter: artynet2LinkedIn: Arturo Rinaldi

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