Mérési útmutató a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium méréseihez Szoftver rádiózás alapjai Mérés helye: Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium (MCL) I.B.113. Összeállította: Knapp Ádám A dokumentum utolsó módosítása: 2015. április 6.
1. Bevezetés A mérés célja, hogy megismertesse a hallgatókat a szoftver rádiózás alapjaival és betekintést nyújtson a képességeibe. Szoftver rádió (Software-defined Radio/SDR) alatt olyan rádió kommunikációs eszközt értünk, ami szoftveresen, akár programozhatóan valósít meg egy PC-n vagy beágyazott rendszer segítségével olyan fizikai rétegbeli RF funkciókat, melyeket egyébként hardveresen szoktak hagyományos implementálni. Ilyen funkciók lehetnek az erősítők, szűrők, modulátorok/demodulátorok, detektorok, kódolók/dekódolók stb. Az SDR előnye, hogy gyorsítja a prototipizálást, ezáltal csökkenti az új rádiós eszközök kifejlesztését és gyártási folyamatát. Ezen kívül egyedi RF funkcióval ellátott eszközök létrehozását biztosítja, melyeket főleg a kutatás-fejlesztés-innováció világában hasznosak. Az SDR főbb felhasználási területei: szórt spektrumú és UWB (Ultrawide Band) technológiák, szoftveres antennák (Software-defined Antennas), kognitív rádiós technikák, gyors teljesítmény szabályozás, vezetéknélküli mesh hálózat. A mérésen a hallgatók a National Instruments (NI) cég Universal Software Radio Peripheral (USRP) nevű SDR eszközével dolgoznak, amit szoftveres illesztenek a Moteino nevű szenzor node-hoz. 2. Felkészülés a mérésre Figyelmesen olvassa el ezt a dokumentumot, melyben a méréssel kapcsolatos legfontosabb információkat találja! Olvassa el a LabVIEW alapismeretek című segédletet [1], mely betekintést nyújt az NI LabVIEW grafikus programozási nyelvébe és a virtuális műszerkezelésbe! Válaszolja meg az ellenőrző kérdéseket! 3. Mérési elrendezés A hallgatók a mérést két csoportban végzik. Mindkét csoport rendelkezésére áll egy PC, egy NI USRP-2920 szoftver rádió, valamint egy Moteino szenzor node. A mérés elvégzéséhez a PC-n használandó programok a következőek: NI LabVIEW+Modulation Toolkit+USRP Driver, PuTTY kliens. Utóbbi segítségével a soros porthoz csatlakoztatott Moteino szenzor node-okhoz lehet kapcsolódni. A node-okon egy egyszerű program fut, mely átviszi és megjeleníti a terminálba beírt üzeneteket. A mérés során az alább virtuális műszereket fogják használni a hallgatók: Széles sávú spektrum analizátor RFM69 demodulátor-dekódoló
3.1. NI USRP-2920 1. ábra: Mérési elrendezés Az NI USRP-2920 szoftver rádió eszköz az 50 Mhz-től 2,2 Ghz-ig terjedő frekvenciasávban hangolható. A feladata az, hogy a megadott csatornán, a megadott vivőfrekvenciára/ról egy diszkrét hullámformát ad ki/vesz. Az összes többi jelfeldolgozási műveletet a PC végzi a LabVIEW segítségével. Az NI USRP-2920 részletes specifikációja [2]-ben található. 2. ábra: NI USRP-2920 3.2. Moteino szenzor node RFM69 RF chip Moteino egy olcsó, kis teljesítményű nyílt forráskódú Arduino kompatibilis fejlesztő platform [3]. A panelje tartalmaz egy ATMega328-as mikroprocesszort, egy RFM69 RF chipet, illetve számos lábat, melyekre különféle szenzorok csatlakoztathatók. A mikrokontroller soros porton keresztül programozható egy USB-s interfész segítségével. Részletesebb leírás a szenzor noderól [3]-ban, az RFM69 RF chipről [4,5]-ben található.
3. ábra: Moteino szenzor node [3] 4. ábra: RFM69 csomag formátuma [5] 4. Mérési feladatok 1. feladat Az USRP-n megvalósított spektrum analizátor segítségével mérje ki az RFM69 rádiós chip vivőfrekvenciáját és modulációjának paramétereit! Írja le tapasztalatait és a mérési eredményeket! 2. feladat A megfelelő csomagformátum megadásával illessze az USRP-n megvalósított demodulátortdekódolót az RFM69 chiphez! Hallgasson le rádiós csomagokat a két szenzor node közötti kommunikációból! Írja le tapasztalatait! 3. feladat Állítson össze csomagokat az USRP-n megvalósított adó segítségével és építsen fel kapcsolatot a szenzor node-dal! Írja le tapasztalatait!
5. Ellenőrző kérdések Milyen két fő ablaka van egy LabVIEW fejlesztői környezetnek? Mire szolgál a Front Panel? (Milyen elemeket jelenít meg, a fejlesztő vagy az alkalmazó használja, stb.) Mire szolgál a Block Diagram? (Milyen elemeket jelenít meg, a fejlesztő vagy az alkalmazó használja, stb.) Mi a különbség a Functions paletta és a Controls paletta között? Mit jelent az, ha a futtatás (Run) ikonja törött nyíl ikonra változik? Mit jelent a szoftver rádió és milyen területeken használják (soroljon fel hármat)? Milyen modulációs eljárást (típus, állapotok száma, egyéb jellemzők) használ a Moteino szenzor node-hoz csatlakoztatott RFM69 rádiós chip? (RFM69 specifikációjában található) Milyen vivőfrekvenciákat támogat az RFM69 rádiós chip? (RFM69 specifikációjában található) Referenciák, további információk: [1] LabVIEW alapismeretek, LabVIEW bevezető előadás [2] DEVICE SPECIFICATIONS NI USRP -2920, [3] All about Moteino, http://lowpowerlab.com/moteino/ [4] RFM69 ISM TRANSCEIVER MODULE V1.3, [5] RFM69 library, http://lowpowerlab.com/blog/2013/06/20/rfm69-library/