Széchenyi István Egyetem Távközlési Tanszék Mérési útmutató Labor gyakorlat 1 (NGB_TA009_1) laboratóriumi gyakorlathoz SDR rendszer vizsgálata Készítette: Budai Tamás BSc hallgató, Unger Tamás István BSc hallgató Konzulens: Vári Péter, Drotár István Győr, 2013. november 10.
SDR rendszer vizsgálata A laborgyakorlat célja az SDR rendszer bemutatása. A hallgató megismerkedhet egy egyszerű vevővel és elsajátíthatja az SDR# szoftver kezelését. A szoftver segítségével megvizsgálhatja a 40MHz-1GHz sávban működő különböző szolgálatok jellegzetes spektumképeit, valamint szoftveres demodulátor segítségével meghallgathatja az FM rádióadók műsorát. Szükséges eszközök: DVB-T vevő USB stick Vevőantenna PC RTL-SDR és SDR# szoftverek 1. Elméleti összefoglaló Az SDR azaz Software Defined Radio olyan rendszerek gyűjtőneve, ahol a tipikusan RF hardvereszközökkel megvalósított jelfeldolgozási műveleteket (szűrés, demodulálás, keverés, stb.) szoftveresen valósítjuk meg. Az SDR hardver mindössze egy tunert (keverőt) és egy speciális A/D átalakítót tartalmaz. A belőle érkező mintákat a Digitális Jelfeldolgozás módszerivel dolgozzuk fel. A feldolgozandó jeleken olyan, bizonyos folyamatokhoz rendelt változókat értünk, amelyek információt tartalmaznak vagy hordoznak. Vizsgálódásunk nem kizárólagosan, de többnyire a műsorszóró szolgálatokra terjed ki, így a hordozott információ kép és/vagy hang. A digitalizált, sztochasztikus jeleink vizsgálatára az időtartománybeli analízis, tehát a jel időtartománybeli alakjának vizsgálata nem elegendő, célszerű áttérni a frekvenciatartománybeli vizsgálatra. Minden jel felbontható szinuszos komponensekre (végtelenül sokra, vagy megszámlálható mennyiségűre). Ha a vizsgált jelünk periodikus, annak szinuszos komponensei csak meghatározott frekvenciákon értelmezhetőek, a spektrumképe vonalas, diszkrét. Aperiodikus jelek esetén (az összes sztochasztikus jel ilyen) a frekvenciatartománybeli alak egy folytonos függvény, minden frekvencián értelmezett, a spektrumkép tehát folytonos lesz. Az előbbi spektrumképet Fourier-sorfejtéssel, utóbbit Fourier-transzformációval határozhatjuk meg. A Fourier-transzformált a következőképpen számolható: 1
Természetesen az előbbi integrál kizárólag folytonos időben értelmezett. A digitalizált jeleink nem csak amplitúdóban, de időben is diszkrétek, ezért a rendszerünk diszkrét idejű (DI) Fourier-transzformációt végez: Ahol Ts időközönként vettünk mintát a jelünkből. Mivel a diszkrét Fourier-transzformáció műveletigénye meglehetősen nagy (l = N esetben N 2 komplex szorzás és N*(N-1) komplex összeadás), ezért a szoftverek egy hasonló elvű, de gyorsabb algoritmust, az úgynevezett gyors Fourier-transzformációt (FFT) használnak. Az alábbi ábrán egy sztochasztikus jel időtartománybeli és FFT-vel számított frekvenciatartománybeli alakja látható. 1. ábra A hardverünk egyetlen időpillanatban természetesen széles spektrumon belül képes jeleket fogadni, ezért a felhasználónak ki kell választania, hogy milyen frekvenciasávban kíván dolgozni. A hardver által vett jelek ekkor kizárólag ebben a frekvenciasávban kerülnek feldolgozásra, az vizsgálódási tartományon kívül eső frekvenciájú jeleket digitális szűrők segítségével ki kell szűrni. A szűrő egy olyan hálózat, amely a bemenő jel (jelen esetben a 40 MHz és 1GHz között található összes komponens) hullámalakját, frekvencia- és/vagy fázismenetét a specifikált kritériumoknak megfelelően megváltoztatja. Minden hálózat, így minden szűrő is jellemezhető az átviteli függvényével: 2
s(t) W(jω) y(t) Az átviteli függvény az impulzusválasz Fourier-transzformáltja. Az impulzusválasz a hálózat Dirac-deltára adott válaszát jelenti. Ezek szerint: Az átviteli függvény kifejezhető a gerjesztés és a válasz Fourier-transzformáltjainak segítségével is: A szoftver természetesen digitális szűrkőkkel dolgozik. A digitális szűrők egy első- vagy másodrendű diszkrét hálózat átviteli függvényét megfelelő algoritmus segítségével egy adott hardvereszközre (itt: PC) írt szoftverrel valósítja meg. Az így megvalósított átviteli függvény segítségével már ki tudjuk szűrni a szélessávú jelből azt a frekvenciatartományt, amelyre kíváncsiak vagyunk. A digitális eljárások rugalmasságából adódóan ez az átviteli függvény akár másodpercről másodpercre változtatható, míg egy analóg rendszer átviteli függvénye nem, vagy csak korlátosan módosítható! Alapvetően kétféle digitális szűrőt különböztetünk meg: FIR (Finite Impulse Response, véges impulzusválaszú szűrő) és IIR (Infinite Impulse Response, végtelen impulzusválaszú szűrő). A kéttípusú digitális szűrő kimeneti jelei a következőképpen számolhatóak: Ahogy a mérés során használt programban változatjuk a vizsgált frekvenciasávot, úgy változik az adott pillanatban implementált digitális szűrő aktuális impulzusválasza, s így természetesen az átviteli függvénye is. Vegyük észre, hogy a rendszerünk mindig csak egy adott sávot vizsgált, ezért a digitális megvalósított szűrőnek sáváteresztő jellegűnek kell lennie. 3
2. RTL-SDR Az eredetileg DVB-T vételre készült USB stick ezzel a szoftvercsomaggal válik igazi SDR eszközzé. Használata: Mivel parancssoros programokról van szó, indíthatjuk azokat parancssorból, vagy egyszerű duplakattintással a sajátgépből. (megj.: parancssorból történő futtatás esetén a programok futása a Crtl+C billentyűkombinációval állítható meg) Az rtl_test.exe segítségével ellenőrizhető, hogy a programcsomag támogatja-e a vevőnket. A 2. ábrán látható, hogy csatlakoztatás után a program felismerte a vevőt. Az rtl_tcp.exe segítségével a vevő által küldött IQ mintákat egy TCP portra továbbíthatjuk. Alapértelmezett módban indítva az IP cím a saját gépünk loopback interfészének címe (127.0.0.1) [3. ábra]. Nekünk ez megfelelő, mivel az SDR# programot ugyanezen a gépen fogjuk futtatni. Megjegyezzük azonban, hogy TCP kapcsolatról lévén szó, az rtl_tcp-t és az SDR#-ot futtató gépek akár távol is lehetnek egymástól a hálózaton. 2. ábra: rtl_test.exe 4
3. ábra: rtl_tcp.exe, alapértelmezett beállításokkal 3. SDR# Az SDR# egy C# nyelven írt, nyílt forráskódú SDR szoftver, amely képes többféle hardver és egyéb bemenet kezelésére. A mérés során az RTL-TCP típusú bemenetet fogjuk használni, így az SDR# az rtl_tcp.exe-n keresztül tudja vezérelni a tunert és venni a mintákat. Az SDR# többféle demodulátort tartalmaz. Ezek közül a mérés során a WBFM-et fogjuk használni. 4. ábra: Az SDR# főablaka 5
A szoftver fontosabb részegységei: Balra fent: Play/Stop, forrásválasztó, forrás konfigurálása gomb Balra: modulok és kezelőszerveik Középen fent: VFO: Helyi oszcillátor frekvencia Hz-ben Középen egymás alatt: Spektrumkép és vízesés-diagram. Jobbra: A spektrum és a vízesésdiagram finombeállító csúszkái Forrás beállítása Az RTL-TCP forrástípus kiválasztása után, a Configure gombot megnyomva beállíthatjuk a paramétereket: 5. ábra: Forrás beállítása A host, port és Sample Rate értékeket hagyjuk alapértelmezetten, majd a főablakban kattintsunk a Play gombra. Ezek után válasszuk ki a Tuner AGC lehetőséget. Amennyiben a vétel nehézségeket okoz, próbálkozhatunk az RTL AGC használatával, vagy ha mindkét lehetőséget kikapcsoljuk, az alsó csúszka segítségével, kézzel is beállíthatjuk az erősítést. 6
Modulok: Radio: különböző demodulátorok közül válaszhatunk: o NBFM: keskenysávú FM o WBFM: szélessávú FM o AM o LSB, USB: AM-SSB alsó vagy felső oldalsávval o DSB o CW: amplitúdó billentyűzés (Morse) o RAW: nyers minták, sávszűrés után Filter Type: az alkalmazott digitális szűrő típusa Filter Bandwith: szűrő sávszélessége Hz-ben 1. Audio: formázott: Behúzás: Bal: 1,27 cm, Nincs felsorolás vagy számozás hangkimenetért felelős modul o AF Gain: hangfrekvenciás erősítés (hangerőszabályzó) FFT-Display: VFO A spektrumkép és a vízesés-diagram beállításait tartalmazza. o View: a megjenített ábrák kiválasztása o Window: a gyors Fourier-transzformáció során alkalmazott szűrőkarakterisztika. Fontos! Ez a beállítás független a Radio modulban beállítható szűrőkarakterisztikától és csak a megjelenítésre van hatással! o Resolution: felbontás. Minél finomabb (nagyobb) felbontással dolgozunk, annál jobb képet kapunk a spektrumról, azonban a felbontás növelése hatványozottan növeli a Fourier-transzformáció elvégzéséhez szükséges számítási kapacitást. Az általunk végzett méréshez a 4096 felbontás bőségesen elegendő. Spectrum: o offset: a függőleges tengelyt eltolása o range: a függőleges tengely skálázása Hangoló kezelőszerv. Az egyes helyi értékek tetején és alján bal kattintással léptethetjük a frekvenciát. Jobb egérgombbal kattintva az adott helyiértéket és a tőle jobbra esőket nullára állíthatjuk. A stickben található tuner gyors hangolást tesz lehetővé, de a megjelenítés nem tud ilyen gyorsan reagálni, így ha 2MHz vagy nagyobb lépésben léptetünk, célszerű a lépések közt 0,5-1 másodpercet várakozni. 7
Spektrumkép és vízesés-diagram A spektrumkép az egyes frekvenciakomponensek amplitúdóját ábrázolja. A vízszintes tengely lineáris, míg a függőleges tengely a megszokott módon logaritmikus skálázású. Az alatta található ún. vízesés diagram ezt a spektrumképet ábrázolja az idő függvényében. A frekvencia és amplitúdó diagram ábrázolásához az időben már 3 dimenzióra lenne szükség, ezt a vízesés diagram a következőképpen képezi le a kétdimenziós monitorra: a vízszintes tengelyen a fenti spektrumképpel azonos frekvenciaskála érvényes, alulról felfelé folyamatosan haladunk előre az időben (azaz a legutóbbi esemény mindig felülről úszik be a képbe), míg az amplitúdót a színskála segítségével ábrázoljuk. Ez a módszer kiválóan alkalmas arra, hogy időben rövid burst-szerű adásokat is észre tudjunk venni. A vízesés diagram esési sebessége és a színskála kontrasztjának beállítása a tőle jobbra található két csúszkával lehetséges. Érdemes ezeket úgy beállítani, hogy megkeresünk egy jól megkülönböztethető adót, majd a kontrasztot addig állítjuk amíg az adó határozottan kivehető (élénk sárga), míg a zajszint sötét (kék) [6. ábra]. 6. ábra: FM adó vízesés diagramon 8
4.Feladatok 1. Csatlakoztassa az USB sticket a PC-hez. Lépjen be az asztalon taláható rtl-sdr mappába. Az rtl_test.exe segítségével ellenőrizze, hogy a rendszer felismerte-e a vevőt! [2. ábra] 2. Futtassa az rtl_tcp programot! [3. ábra] 3. Az SDR# program segítségével keresse meg a következő táblázatban szereplő FM adókat, a helyi oszcillátor hangolásával! A demodulátort állítsa WBFM üzemmódra és hallgasson bele az adók műsorába! 4. Válasszon ki egy tetszőleges adót, hangoljon rá, majd vizsgálja meg a következő paramétereket: a. látható oldalsávok száma b. adó becsült sávszélessége 5. Válasszon ki egy olyan adót amelynek aktuális műsora tartalmaz rövid szüneteket.(tipikusan ilyen a komolyzene, illetve a beszélgetős műsorok). Egy szünetben (amikor csend van az adón) készítsen pillanatképet a spektrumról az MWSnap program segítségével! Mi látható a spektrumképen? 6. A földfelszíni televíziószolgáltatás (DVB-T) A és C multiplexeit a Győr- Szabadhegyi adótorony is továbbítja. Hangolja a vevőt az A multiplex középfrekvenciájára (642MHz)! Hangolja a vevőt 1MHz lépésekben le és fel a középfrekvencia körül és a spektrumkép alapján közelítőleg határozza meg a televízióadó csatorna sávszélességét! Eredményeit rögzítse jegyzőkönyvben! A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: Egy kiválasztott adó spektrumképét (képernyőkép), az oldalsávok számát és az adó becsült sávszélességét. Egy csendes adó spektrumképét és rövid magyarázatot arról mi látható a képen. A DVB-T A multiplex becsült sávszélességét. Ellenőrző kérdések: milyen művelettel térhetünk át az időtartományból frekvenciatartományba? mit jelent az SDR rövidítés? mely műveleteket végezzük szoftveresen SDR rendszerben? Mekkora frekvenciatartományt tudunk maximálisan átfogni, ha a mintavételezés 2048 MSps? (Nyquist-Shannon törvény!) 9