Tesi di Laurea di Arturo Rinaldi

1. ` `
Universita di Messina - Facolta di Ingegneria
Emulazione di un collegamento Radio mediante Software Radio
Relatori
Candidato
Prof. Salvatore Serrano
Arturo Rinaldi
Prof. Giuseppe Campobello
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica V.O. - Anno Accademico 2010/11
Messina, 10 Novembre 2011

2. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
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3. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
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4. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
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5. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
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6. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
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7. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
Fornire strumenti complementari per mostrare come file audio e video
vengono modificati sotto l’azione dei canali di trasmissione
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8. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
Fornire strumenti complementari per mostrare come file audio e video
vengono modificati sotto l’azione dei canali di trasmissione
Per realizzare il gr-bertool ` stata adoperata la piattaforma GNU Radio
e
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9. GNU Radio
GNU Radio ` un toolkit software
e
open-source che fornisce una libreria di Gnu Radio Companion (GRC), XML
blocchi per l’elaborazione numerica dei Python Flow Graph
segnali (DSP) scritti in C++ che (Created using the processing blocks)
possono essere combinati insieme allo SWIG (Port C++ blocks to Python)
scopo di costruire e sviluppare
GNU Radio Signal Processing Blocks
applicazioni radio
(C++)
USB Interface / Gigabit Ethernet
Generic RF Front End
( USRP / USRP 2 )
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10. GNU Radio
GNU Radio ` un toolkit software
e
open-source che fornisce una libreria di Gnu Radio Companion (GRC), XML
blocchi per l’elaborazione numerica dei Python Flow Graph
segnali (DSP) scritti in C++ che (Created using the processing blocks)
possono essere combinati insieme allo SWIG (Port C++ blocks to Python)
scopo di costruire e sviluppare
GNU Radio Signal Processing Blocks
applicazioni radio
(C++)
E’ fornito di un’interfaccia grafica per
facilitare l’apprendimento (GRC : GNU USB Interface / Gigabit Ethernet
Radio Companion) Generic RF Front End
( USRP / USRP 2 )
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11. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
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12. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
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13. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
E’ cos` possibile implementare diversi standard di trasmissione software
ı
utilizzando un unico dispositivo
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14. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
E’ cos` possibile implementare diversi standard di trasmissione software
ı
utilizzando un unico dispositivo
Un sistema SDR inoltre ` in grado di riconoscere ed evitare eventuali
e
interferenze con altri canali di trasmissione
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15. Il tool sviluppato : gr-bertool
L’interfaccia principale del programma
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16. Il tool sviluppato : gr-bertool
Verifica sperimentale della BER
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17. Il tool sviluppato : gr-bertool
Verifica sperimentale della BER in real-time
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18. Il tool sviluppato : gr-bertool
Strumenti complementari
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19. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
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20. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
Verifichiamo i valori teorici della BER con quelli ottenuti in maniera
sperimentale variando il rapporto segnale-rumore Eb /N0
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21. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
Verifichiamo i valori teorici della BER con quelli ottenuti in maniera
sperimentale variando il rapporto segnale-rumore Eb /N0
Dalla teoria delle comunicazioni digitali ` noto che per una modulazione
e
Q-PSK la BER ` data da :
e
2Eb
Pb = Q
N0
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22. Verifica Sperimentale della BER
Calcola la BER in un intervallo di valori
di Eb /N0 dato da min e max con la
possibilit` di scegliere il passo di
a
incremento
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23. Verifica Sperimentale della BER
E’ possibile attivare o disattivare la
Codifica di Gray
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24. Verifica Sperimentale della BER
Cliccando sul tasto Plot ` possibile
e
graficare i risultati
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25. 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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26. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
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27. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
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28. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
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29. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
Ch1 Valore Sperimentale ; Ch2 Valore
Teorico
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30. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
Ch1 Valore Sperimentale ; Ch2 Valore
Teorico
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Osserviamone l’evoluzione....
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31. L’evoluzione della BER in real-time
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32. L’evoluzione della BER in real-time
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33. L’evoluzione della BER in real-time
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34. L’evoluzione della BER in real-time
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35. L’evoluzione della BER in real-time
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36. L’evoluzione della BER in real-time
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37. La costellazione dei segnali
Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.
Figura: Schema di principio di un sistema di TLC
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38. La costellazione dei segnali
Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.
Figura: Schema di principio di un sistema di TLC
In assenza di disturbi sul canale il generico simbolo trasmesso si verr`
¯ a
ricevuto correttamente. Il diagramma dei simboli ricevuti ` definito
e
costellazione della modulazione digitale.
ℑ
s3 (‘01’)
¯ s0 (‘11’)
¯
ℜ
s2 (‘00’)
¯ s1 (‘10’)
¯
Figura: Costellazione di una modulazione QPSK 21 di 38
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39. La costellazione dei segnali
Il disturbo nel canale modifica fase ed ampiezza dei simboli trasmessi e
pertanto il simbolo ri ricevuto non ` quello della costellazione
¯ e
ℑ ¯
Il simbolo si trasmesso non `
e
s3 (‘01’)
¯ s0 (‘11’)
¯ ricevuto correttamente
¯
ri
ℜ
s2 (‘00’)
¯ s1 (‘10’)
¯
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40. La costellazione dei segnali : evoluzione
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41. La costellazione dei segnali : evoluzione
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42. La costellazione dei segnali : evoluzione
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43. La costellazione dei segnali : evoluzione
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44. La costellazione dei segnali : evoluzione
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45. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
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46. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 0 dB e
modulazione digitale Q-PSK su un
immagine di tipo Jpeg
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47. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 0 dB e
modulazione digitale Q-PSK su un
immagine di tipo Jpeg
Vediamo i risultati....
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48. Trasmissione Immagini : Canale AWGN
(a) Originale (b) AWGN
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49. Trasmissione Immagini : Canale Rician
(c) Originale (d) Rician
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50. Trasmissione Immagini : Canale Rayleigh
(e) Originale (f) Rayleigh
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51. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
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52. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 10 dB e
modulazione digitale Q-PSK
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53. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 10 dB e
modulazione digitale Q-PSK
E’ stata effettuata l’analisi sul file
play it sam.wav con le seguenti
caratteristiche :
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54. Trasmissione audio
Propriet` del file di test
a
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
Vediamo i risultati
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55. Trasmissione audio
(g) Originale (h) Canale AWGN
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56. Trasmissione audio
(i) Rician (j) Rayleigh
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57. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
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58. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
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59. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
Interfaccia user-friendly
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60. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
Interfaccia user-friendly
E’ open-source !
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61. Conclusioni
Sviluppi futuri
Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramite
USB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare l’evoluzione in
real-time dei segnali
(k) USRP1 (l) USRP2
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62. Conclusioni
Sviluppi futuri
Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramite
USB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare l’evoluzione in
real-time dei segnali
(m) USRP1 (n) USRP2
Implementazioni di altri moduli per i protocolli di rete (ad es. 802.11n,
Bluetooth) sempre per scopo didattico
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63. Contact Information
Arturo Rinaldi
Indirizzo: Via Ugo Bassi 100 is. 147, 98123 Messina - Italy
Cellulare: +39-3405795584
Fisso: +39-0902934115
Skype: arty.net
E-mail: arty.net2@gmail.com
Facebook: arty.net
Twitter: artynet2
LinkedIn: Arturo Rinaldi
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