Progetto di una radio software GPS su periferica USRP. 2 Ottobre 2007

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1 Progetto di una radio software GPS su periferica USRP Università degli Studi di Pisa Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Candidato Relatori Prof. Marco Luise Prof. Luciano Lenzini Ing. Giacomo Bacci 2 Ottobre 2007

2 Software-Defined Radio GPS GNU Radio Software-Defined Radio Una Software-Defined Radio è un sistema di comunicazione radio che può sintonizzarsi su qualsiasi frequenza e ricevere qualsiasi modulazione attraverso l utilizzo di hardware programmabile. Le SDR sono: riconfigurabili adattabili all ambiente in grado di accordarsi sul migliore metodo di comunicazione capaci di sfruttare intelligentemente la banda

6 Software-Defined Radio GPS GNU Radio GPS Global Positioning System È un sistema satellitare che permette di ottenere posizione, velocità e tempo ovunque sul globo Il segnale trasmesso dai satelliti è un segnale spread-spectrum Ogni satellite possiede un codice, chiamato PRN (PseudoRandom Noise) La velocità di chip è di 1023 chip/sec La velocità dei dati è di 50 Hz

9 Software-Defined Radio GPS GNU Radio GNU Radio GNU Radio è un framework per la creazione di radio software Signal Processing Block sono classi C++ elaborano flussi teoricamente infiniti di campioni possiedono porte d ingresso e/o porte d uscita Se possiedono solo porte d uscita, sono chiamati source Se possiedono solo porte d ingresso, sono chiamati sink Grafo di elaborazione è una classe Python i nodi sono i signal processing block

14 SoftRec Architettura di riferimento L architettura di riferimento è composta da: Un Software Receiver GPS, chiamato SoftRec Un front-end di conversione A/D, chiamato Signal Tap Scopo del lavoro è mostrare le operazioni di porting di SoftRec da Signal Tap ad una nuova scheda, chiamata USRP

15 SoftRec Architettura di riferimento L architettura di riferimento è composta da: Un Software Receiver GPS, chiamato SoftRec Un front-end di conversione A/D, chiamato Signal Tap Scopo del lavoro è mostrare le operazioni di porting di SoftRec da Signal Tap ad una nuova scheda, chiamata USRP

16 SoftRec Architettura di riferimento L architettura di riferimento è composta da: Un Software Receiver GPS, chiamato SoftRec Un front-end di conversione A/D, chiamato Signal Tap GPS Antenna General Purpose Workstation A/D Front-End (Signal Tap) USB Scopo del lavoro è mostrare le operazioni di porting di SoftRec da Signal Tap ad una nuova scheda, chiamata USRP

17 SoftRec Architettura di riferimento L architettura di riferimento è composta da: Un Software Receiver GPS, chiamato SoftRec Un front-end di conversione A/D, chiamato Signal Tap GPS Antenna General Purpose Workstation A/D Front-End (Signal Tap) USB Scopo del lavoro è mostrare le operazioni di porting di SoftRec da Signal Tap ad una nuova scheda, chiamata USRP

18 SoftRec Introduzione SoftRec SoftRec è un full software receiver GPS, scritto in C E composto da quattro moduli: Acquisition: stima grezza dello shift del codice e del Doppler Tracking: stima fine dello shift del codice e del Doppler Navigation: estrazione delle trame, dei dati e calcolo della posizione Base-Band Down Converter: traspone in banda base i campioni generati da Signal Tap a frequenza intermedia

21 SoftRec SoftRec SoftRec è un full software receiver GPS, scritto in C E composto da quattro moduli: Acquisition: stima grezza dello shift del codice e del Doppler Tracking: stima fine dello shift del codice e del Doppler Navigation: estrazione delle trame, dei dati e calcolo della posizione Lock Verification Information Acquisition SignalTap Base Band Down Converter Tracking Navigation & Positioning Base-Band Down Converter: traspone in banda base i campioni generati da Signal Tap a frequenza intermedia

22 SoftRec SoftRec SoftRec è un full software receiver GPS, scritto in C E composto da quattro moduli: Acquisition: stima grezza dello shift del codice e del Doppler Tracking: stima fine dello shift del codice e del Doppler Navigation: estrazione delle trame, dei dati e calcolo della posizione Lock Verification Information Acquisition SignalTap Base Band Down Converter Tracking Navigation & Positioning Base-Band Down Converter: traspone in banda base i campioni generati da Signal Tap a frequenza intermedia

23 SoftRec SoftRec Acquisition I satelliti GPS non sono geostazionari La freq. di trasmissione di ogni satellite è affetta da Doppler Il Doppler shift è recuperato dal BBDC Ogni satellite possiede un codice identificativo, chiamato PRN Il codice è noto, ma non la sincronizzazione con esso Un apposito modulo in SoftRec costruisce il codice e lo ruota per creare tutte le repliche necessarie Per acquisire un satellite è necessario conoscere la coppia Doppler shift/code shift Il modulo di acquisizione esegue una ricerca bidimensionale Doppler/Code

28 SoftRec SoftRec Acquisition Il modulo di acquisizione esegue una ricerca bidimensionale Doppler/Code Il canale è acquisito quando la correlazione tra codice e segnale ricevuto supera una soglia stabilita L acquisitore seleziona una frequenza target e prova tutte le repliche del codice su essa In caso di mancata acquisizione su una frequenza, il modulo prova la successiva Se dopo aver provato tutto lo spazio il satellite non è acquisito, si seleziona un nuovo satellite

31 SoftRec SoftRec Acquisition Il modulo di acquisizione esegue una ricerca bidimensionale Doppler/Code

32 Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP GPS Signal Tap GPS Signal Tap è: Un front-end per la ricezione del segnale GPS sulla frequenza L 1 Utilizzabile come sorgente programmabile in applicazioni real-time o offline Prodotto e commercializzato dalla Accord (modello base: 3400$)

35 Signal Tap Struttura della scheda Introduzione Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP GPS Antenna Low Noise Amplifier RF Filter RF/IF Down Converter IF Filter ADC Local Oscillator Signal Buffer USB Sampling Clock Programmable from PC Standard Personal Computer

36 Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP USRP Universal Software Radio Peripheral La USRP è: Un implementazione low-cost (550$) ed high-speed dell hardware necessario per la realizzazione di una SDR Sviluppata con tecniche open-source applicate all hardware Modulare Le estensioni, chiamate daughterboard, sono varie e dipendono dallo spettro d interesse Attualmente le daughterboard coprono dalla continua a 2.4 GHz USRP supporta al più due moduli TX e due moduli RX contemporaneamente

40 Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP USRP Struttura della scheda La USRP è composta da: Una FPGA Altera Cyclone Conversione in banda base, decimazione e filtraggio Due convertitori AD/DA Analog Devices AD9862 Elabora i segnali da e per le daughterboard Un controller USB Cypress FX2 Gestisce la comunicazione con la macchina host

44 Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP USRP Struttura della scheda TXA Daughterboard TXB Daughterboard TXA_1 TXA_2 TXB_1 TXB_2 TXA TXB AD9862 Two 14bit DAC Two 12bit ADC RXA_1 RXA_2 FPGA Cyclone RXB_1 RXB_2 AD9862 Two 14bit DAC Two 12bit ADC RXA_1 RXA_2 USB DATA USB ctrl USB clk RXB_1 RXB_2 RXA Daughterboard USB Controller Cypress FX2 RXB Daughterboard

45 Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP DBSRX RX Daughterboard MHz Riceve con continuità da 800 a 2400 MHz Il cuore della scheda è il chip MAXIM MAX2118 Sintonizzazione di frequenza Conversione diretta in banda base Filtro Passa-Basso configurabile Due LNA per un totale di 79 db

48 Signal Tap vs. USRP Confronto delle caratteristiche di Signal Tap e USRP Signal Tap USRP Signal Tap vs. USRP Signal Tap USRP Interf. USB (e RS232) USB Samp. Reale I/Q f s (MHz) Da 2 a 20, con passi di 1 khz 64/N, con N pari compreso tra 8 e 256 f IF (MHz) B IF (MHz) 2 Da 2 a 33 (selezionabile tramite DBSRX) S w (bit) 1 o 2 16

54 Outside SoftRec Inside SoftRec Operazioni nel porting 1 Scelta della frequenza di campionamento 2 Conversione ad 1 bit 3 Controllo della B IF 4 Nuovo Base-Band Down Converter

58 Outside SoftRec Inside SoftRec Frequenza di campionamento Problema La frequenza di campionamento di Signal Tap/SoftRec (4.736 MHz) non è compatibile con la USRP È necessario calcolare una nuova frequenza di campionamento compatibile con USRP/SoftRec Vincoli f s deve essere multiplo di 64 (buffer interni a SoftRec) f s = 64/N MHz, con N pari compreso tra 8 e 256 (USRP) Soluzione Intersecando i due vincoli, si ottengono due frequenze utilizzabili: 3.2 MHz e 6.4 MHz

62 Outside SoftRec Inside SoftRec Conversione ad 1 bit Problema Signal Tap funziona con il campionamento ad 1 bit. USRP non contempla questa modalità Soluzione Scrivere un nuovo modulo GNU Radio che effettui la conversione Prende in ingresso float e produce byte contenente 8 campioni Converte con la convenzione GPS: +1 0, 1 1

63 Outside SoftRec Inside SoftRec Conversione ad 1 bit Problema Signal Tap funziona con il campionamento ad 1 bit. USRP non contempla questa modalità Soluzione Scrivere un nuovo modulo GNU Radio che effettui la conversione I1 Q1 I2 Q2 I3 Q3 Float 1 bit quantization (I,Q)... Byte Prende in ingresso float e produce byte contenente 8 campioni Converte con la convenzione GPS: +1 0, 1 1

66 Outside SoftRec Inside SoftRec Controllo della B IF Problema Selezionare la giusta banda di segnale utile

67 Outside SoftRec Inside SoftRec Controllo della B IF Problema Selezionare la giusta banda di segnale utile Il driver della DBSRX fornisce la funzione set bw() Configura i registri interni della daughterboard in base alla banda desiderata Restituisce il valore di banda ottenuto (il più vicino possibile a quello richiesto) Il filtro può selezionare da 2 a 33 MHz Bisogna considerare la non idealità del filtro

71 Outside SoftRec Inside SoftRec Controllo della B IF Problema Selezionare la giusta banda di segnale utile Il driver della DBSRX fornisce la funzione set bw() Configura i registri interni della daughterboard in base alla banda desiderata Restituisce il valore di banda ottenuto (il più vicino possibile a quello richiesto) Il filtro può selezionare da 2 a 33 MHz Bisogna considerare la non idealità del filtro Soluzione Definire la banda del filtro selezionando due lobi del segnale GPS più un 30% di non idealità

72 Outside SoftRec Inside SoftRec Controllo della B IF Problema Selezionare la giusta banda di segnale utile Soluzione Definire la banda del filtro selezionando due lobi del segnale GPS più un 30% di non idealità residual_freq Base Band LP Filtering Near Base Band LP Filtering

73 Outside SoftRec Inside SoftRec Base-Band Down Converter Problema Modificare il BBDC per gestire i canali I/Q provenienti dalla USRP Signal Tap effettua un campionamento reale Moltiplicando il segnale d ingresso per due portanti sin/cos, si ottengono i canali I/Q L operazione sfrutta gli operatori bit a bit Miglioramento del parallelismo Incremento delle prestazioni

74 Outside SoftRec Inside SoftRec Base-Band Down Converter Problema Modificare il BBDC per gestire i canali I/Q provenienti dalla USRP Signal Tap effettua un campionamento reale Moltiplicando il segnale d ingresso per due portanti sin/cos, si ottengono i canali I/Q L operazione sfrutta gli operatori bit a bit Miglioramento del parallelismo Incremento delle prestazioni rif(t) 2 cos(2πfift θ) r I (t) 2 sin(2πfift θ) r Q (t)

77 Base-Band Down Converter Outside SoftRec Inside SoftRec Problema Modificare il BBDC per gestire i canali I/Q provenienti dalla USRP Soluzione Il modulo BBDC viene riprogrammato con una nuova struttura, detta a reiezione d immagine ri(t) r I (t) 2 cos(2πfift θ) 2 sin(2πfift θ) rq(t) r Q (t)

78 Base-Band Down Converter Outside SoftRec Inside SoftRec Problema Modificare il BBDC per gestire i canali I/Q provenienti dalla USRP Soluzione Il modulo BBDC viene riprogrammato con una nuova struttura, detta a reiezione d immagine La reiezione dell immagine è necessaria per evitare fenomeni di aliasing Il BBDC è necessario per il recupero del Doppler Vengono ancora usati gli operatori bit a bit per l implementazione (prestazioni, parallelismo) L alta riconfigurabilità delle SDR rende la riprogrammazione agevole

82 Outside SoftRec Inside SoftRec Concludendo Il lavoro ha interessato: Studio dell architettura delle SDR Struttura del framework GNU Radio Scheda USRP e daughterboard DBSRX (hardware, firmware e driver sulla macchina host) Ricevitore software SoftRec e sistema GPS Analisi delle operazioni di porting necessarie, scrittura del software e modifiche a SoftRec

87 Grazie per l attenzione