Roteiro

`

Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes

Software Defined Radio

MinicursoSemana Acadêmica do Instituto de

InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan, Maicon Kist, Leonardo Faganello, Lisandro Granville, Juergen Rochol

① Software Defined Radio① O que é?② Vantagens e Desvantagens③ SDR hoje

② GNU Radio① Visão Geral② Instalação e Utilização③ GNU Radio + USRP

③ Resumo

Roteiro

2Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013



③ Resumo

Roteiro


O que é SDR ?

Software Defined Radio Rádios implementados em software Tecnologia de implementação Traz os módulos de processamento de

sinais digitais para perto da antena Substitui hardware dedicado por

software


O que é SDR ?

5

MixerAmplificad

or de IF

Demodulador

Amplificador de Áudio

Amplificador

Hardware

Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

O que é SDR ?

6

MixerAmplificad

or de IF

Demodulador

Amplificador de Áudio

Amplificador


O que é SDR ?

5

Conversor A/DConversor D/A

Correção de Erros

Modulação

Operadores

Filtros

Software

EqualizadoresDemodulação

SDR Ideal


O que é SDR ?

5


Software

Correção de Erros

Modulação

Operadores

Filtros

EqualizadoresDemodulação

SDR Ideal


O que é SDR ?

5

Correção de Erros

Modulação

Operadores

Filtros

Equalizadores

Demodulação

SDR Real

Front End de Rádio

Software





③ Resumo

Roteiro


Vantagens de utilizar SDR

11

Flexibilidade Redução do tempo de desenvolvimento Custo

Para comercializar poucas unidades Inovações:

Novas técnicas de modulação Acesso dinâmico ao espectro Rádios Cognitivos


Desvantagens de utilizar SDR

12

Maior consumo de energia Maior poder de processamento para

realizar a mesma tarefa do que em um FPGA/ASIC

Custo Para comercializar um produto




③ Resumo

Roteiro


Um pouco de história:SPEAKEasy (1/2)

14

1991-1995 Projeto para emular os mais de 10 tipos

de rádios do exército americano Frequências de 2 a 2000 MHz Possibilitar a integração de novos tipos

de rádios Fracassou

DSPs vs GPPSemana Acadêmica do Instituto de Informática

Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

Um pouco de história:SPEAKEasy (2/2)

15

Lições aprendidas no projeto: Utilizar GPP – Moore está do nosso lado

SPEAKEasy durou 2 ciclos de Moore Em 1995 os processadores já eram 4x

mais rápidos Não utilizar código específico para um

hardware Código do SPEAKEasy era “amarrado” ao

DSP C40 (40MHz) Em 1995 o Pentium Pro rodava a 200

MHzSemana Acadêmica do Instituto de Informática


SDRs hoje (1/2)

16

Um PC realiza o processamento de sinais

O Front-End de rádio é conectado ao PC USB, Ethernet, PCI-Express Toda a preparação do sinal é feita no

Front-End

Um software no PC substitui o hardware de processamento de sinais


SDRs hoje (2/2)

17

Don't have $1500 to drop on a USRP?

A Linux kernel developer has discovered that a Realtek digital TV tuner chip has an undocumented mode that turns it into a software-defined radio, with a frequency range of 64-1700MHz.

The going rate for one of these USB devices can be as low as US$11. If you're unfamiliar with software-defined radio and have 20 minutes to spare, Balint Seeber has a great video introduction.

Fonte: Slashdot http://hardware.slashdot.org/story/12/03/31/1914217/software-defined-radio-for-11

Projeto Open-Source para o módulo: http://sdr.osmocom.org/trac/


http://hardware.slashdot.org/story/12/03/31/1914217/software-defined-radio-for-11



SDRs amanhã

18

Irradiar e receber sinais em qualquer frequência do espectro

Obstáculos: De hardware: conseguir sintonizar em

qualquer frequência do espectro, taxa de amostragem

De Software: processamento, restrições de tempo, estabilidade


SDR + Rádio Cognitivo

19

SDR oferecem a flexibilidade necessária para implementar um rádio cognitivo

SDR é um habilitador para rádio cognitivo


Os SDR mais utilizados

20

OSSIE

Sora




③ Resumo

Roteiro


O que é o GNU Radio?

É um SDR Gratuito e Open Source

Licença GPL Muito utilizado na academia

Disciplina de Comunicação de Dados Pesquisa


GNU Radio (1/2)

Desenvolvimento iniciou em 2001 Disponível para *nix, Windows e iOS Códigos em C++ e Python

C++: Módulos de processamento de alto desempenho

Python: Ligação de módulos. Usado pelo “usuário final”


GNU Radio (2/2)

Não é necessário “programar” Ferramenta para “montagem” de um

fluxo de processamento facilita o desenvolvimento de novos sistemas GNU Radio Companion – GRC

GRC gera o Python final


Arquitetura

Python é utilizado para a criação de fluxos de dados (FlowGraphs)

C++ é usado para criar blocos de processamento de sinais Biblioteca atual é

completa

Escalonador controla o fluxo das informações entre os blocos

Python Desenvolvimento de FlowGraphs

C++Módulos de Processamento de

Sinais

Escalonador

Controla o Fluxo de Execução


GNU Radio + USRP

Front End de RF (USRP)

Interface Gigabit Ethernet

Blocos de Processamento de Sinais em C++

SWIG

Python


Os blocos do GNU Radio

GNU Radio utiliza o conceito de “blocos”

Cada bloco realiza uma função especifica

27

Bloco de Processame

ntoN entradas e N saídas

Processamento de sinais

Source ou Fonte

Somente saídasGerador de sinal

Sink ou Poço

Somente entradasTransmissão/Visualização


Os blocos do GNU Radio

Sources

28

Processamento Sinks


FlowGraph (1/2)

29

Quando blocos são conectados para realizar alguma tarefa temos um FlowGraph

Todo FlowGraph possui 1+ Source(s) e 1+ Sink(s)

Ex:Gerador de senóide350 Hz

Gerador de senóide440 Hz

Somador

Placa de Som

Filtro passa baixa

Arquivo


Placa de Som

FlowGraph (2/2)

30

FlowGraph são executados no computador Tudo é feito por software

E se eu usar o USRP? Ainda executa no computador USRP atua como um source e/ou sink

Falta pouco para as demos !!!


Contras

31

GNU Radio não oferece garantias de desempenho Latência é o calcanhar de Aquiles

Desenvolver blocos novos requer conhecimentos em comunicação de dados e programação




③ Resumo

Roteiro


Instalação

33

Ubuntu: Do repositório: apt-get install gnuradio Versão em desenvolvimento: wget http://www.sbrac.org/files/build-gnuradio && chmod a+x ./build-gnuradio && ./build-gnuradio

Windows: Guia em

http://code.ettus.com/redmine/ettus/projects/uhd/wiki/GNURadio_Windows


http://www.sbrac.org/files/build-gnuradio

O que é instalado? (1/3)

34

/usr/local/share/gnuradio Exemplos

/usr/local/share/doc/gnuradio-<versão> Documentação do código C++

/usr/local/lib/python2.7/dist-packages/gnuradio Fontes em Python Nada legíveis



35

Diversos FlowGraphs úteis uhd_fft: Analisador de espectro

Úteis: uhd_find_devices: Encontra os

dispositivos USRP na rede local gr_mod_tool: Cria os arquivos

necessários para desenvolver um novo bloco



36

GNU Radio Companion Interface para a criação do FlowGraphs


GNU Radio Companion (1/3)

37

Muito útil para criação rápida de FlowGraphs

Blocos mostrados são descritos em XML /usr/local/share/gnuradio/grc/blocks/

GRC apenas gera o código em Python Ótimo para aprender a mecânica do código

Python Arquivo top_block.py no mesmo diretório

do .grc FlowGraphs limitados aos blocos que

aparecem no menu de seleçãoSemana Acadêmica do Instituto de Informática



38

Blocos de processamento

Criação doFlowGraph

Mensagens



39

Blocos possuem diferentes tipos de dados de entrada e saída

GRC identifica esses tipos por cores Dois blocos conectados devem

utilizar o mesmo tipo de dado


Exemplo 1

40

Necessário quandosource e sinksão simulados


Exemplo 1

41

Necessário quandosource e sinksão simulados


Exemplo 1


Show Time !

43

Geração de ondas senoidais


dst = audio.sink(sampling_rate)

tb.connect( sin_350, (dst, 0) )tb.connect( sin_440, (dst, 1) )

tb.start()raw_input('Pression Enter para terminar')tb.stop()

Desenvolvimento em Python

44

#!/usr/bin/env python

from gnuradio import grfrom gnuradio import audio

if __name__ == '__main__':sampling_rate = 48000amplitude = 1

tb = gr.top_block()

sin_350 = gr.sig_source_f(sampling_rate, gr.GR_SIN_WAVE, 350, amplitude)




Placa de Som


Para o Sistema Operacional saber que o restante do arquivo é um código Python

Passo a passo (1/8)

45




Placa de Som


Importa os módulos necessários do GNU Radio

Passo a passo (2/8)

46





Placa de Som


Corpo principal do códigosampling_rate é a amostragem da placa de som

Passo a passo (3/8)

47






Placa de Som


Instância o FlowGraph

Passo a passo (4/8)

48




tb = gr.top_block()Gerador de

senóide350 Hz


Placa de Som


Cria os dois blocos geradores de sinais

Passo a passo (5/8)

49




tb = gr.top_block()





Placa de Som


Cria o sink como sendo a placa de som

Passo a passo (6/8)

50



tb = gr.top_block()






Placa de Som


Conecta os blocos source e sink

Passo a passo (6/8)

51


tb = gr.top_block()







Placa de Som


Inicia o FlowGraph e espera uma tecla ser pressionada

Passo a passo (6/8)

52

amplitude = 1

tb = gr.top_block()





tb.start()raw_input('Pression Enter para

terminar')tb.stop()



Placa de Som




③ Resumo

Roteiro


GNU RADIO + USRP

54

USRP é representado por um bloco source e um bloco sink

Configurações são simples Somente um FlowGraph pode acessar o

mesmo USRP ao mesmo tempo


GNU RADIO + USRP

55

Usando apenas um USRP: Transmissão e recepção devem estar no

mesmo FlowGraph

Transmissão

Recepção


GNU RADIO + USRP

56

Source: Sink:Tipo do dado enviado/recebidopelo USRP.Geralmente usamos complex.


GNU RADIO + USRP

57

Tipo do dado enviado/recebidopelo USRPGeralmente usamos complex.Endereço IP do equipamento.Não é obrigatório


GNU RADIO + USRP

58

Endereço IP do equipamento.Não é obrigatório

Taxa de amostragem do sinal.Mínimo de 195312 amostras/s


GNU RADIO + USRP

59

Taxa de amostragem do sinal.Minimo de 195312 amostras/sFrequência de transmissãoou recepção


GNU RADIO + USRP

60

Frequência de transmissãoou recepção.Ganho do sinal


GNU RADIO + USRP

61

Ganho do sinalAntena.Vazio = AutomáticoTX/RX = Antena 1RX2 = Antena 2


Show Time !

62

Modulação OFDM


Show Time !

63

Fonte dos Dados

Processamento

Codificação + Modulação

Transmissão


Show Time !

64

Fonte dos Dados

Processamento

Codificação + Modulação

Transmissão


Um detector de energia simples

65

Detector de energia

Processamento


Processamento

Um detector de energia simples

66

Detector de energiaS/P FFT




③ Resumo

Roteiro


Resumo

71

SDRs O que são ? Avanços

GNU Radio Arquitetura Conceitos GNU Radio + USRP2 Demonstrações


Conclusões

72

SDR é perfeito para desenvolvimento de novos protocolos de camada física

SDR reduz o tempo de desenvolvimento de produtos

SDR possibilita o desenvolvimento de Rádios Cognitivos


`

Obrigado!Perguntas?

Maicon [email protected]

Leonardo Roveda [email protected]

Curso de ExtensãoSemana Acadêmica 2013-1


http://labcom.inf.ufrgs.br/dcg

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