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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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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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 : AWGN
B 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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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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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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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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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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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 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 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 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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Il tool sviluppato : gr-bertool
I Verifica sperimentale della BER
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Il tool sviluppato : gr-bertool
I Verifica sperimentale della BER in real-time
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Il tool sviluppato : gr-bertool
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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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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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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Verifica Sperimentale della BER
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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Verifica Sperimentale della BER
I E possibile attivare o disattivare laCodifica di Gray
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Verifica Sperimentale della BER
I Cliccando sul tasto Plot e` possibilegraficare i risultati
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Verifica Sperimentale della BER
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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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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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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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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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.... 14 di 38
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Levoluzione della BER in real-time
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Levoluzione della BER in real-time
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Levoluzione della BER in real-time
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Levoluzione della BER in real-time
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Levoluzione della BER in real-time
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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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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 21 di 38
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La costellazione dei segnali
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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La costellazione dei segnali : evoluzione
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La costellazione dei segnali : evoluzione
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La costellazione dei segnali : evoluzione
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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 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 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
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
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
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
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
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
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
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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