Studio ed analisi della scheda SDR-USRP1 per applicazioni in campo radar

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Università degli Studi di Pisa

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in

Ingegneria Elettronica

Tesi di Laurea

“Studio ed analisi della scheda SDR - USRP1

per applicazioni in campo radar”

Candidato

Relatori

Checchi Raffaella

Prof. Bruno Neri

Prof. Fabrizio Berizzi

Ing. Marco Martorella

Ing. Dario Petri

Ing. Amerigo Capria

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IDICE

LISTA DELLE FIGURE . . . v

LISTA DELLE TABELLE . . . vii

LISTA DEGLI ACROIMI . . . viii

ITRODUZIOE . . . 1

1 SISTEMI SOFTWARE DEFIED RADIO . . . 2

1.1 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI SDR . . . 4

1.2 ARCHITETTURA HARDWARE . . . 4

2 U UOVO AMBIETE DI SVILUPPO: GURADIO E PYTHO. . . 8

2.1 STRUTTURA DI GNURadio . . . 8

2.2 PYTHON . . . 10

3 IMPLEMETAZIOE DI UA SOFTWARE DEFIED RADIO:USRP . . . 12

3.1 STRUTTURA GENERALE . . . 12

3.2 TRASMISSIONE DEL SEGNALE . . . 15

3.2.1 FPGA E INTERPOLAZIONE . . . 15

3.2.2 CONVERTITORE DIGITALE-ANALOGICO . . . 16

3.3 RICEZIONE DEL SEGNALE . . . 17

3.3.1 CONVERTITORE ANALOGICO-DIGITALE . . . 17 3.3.2 FPGA E DECIMAZIONE . . . 18 3.4 DOUGHTERBOARD . . . 20 3.4.1 BASIC TX . . . 22 3.4.2 RFX2400 . . . 23 4 SISTEMI RADAR . . . 28

4.1 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI RADAR . . . 29

4.2 EQUAZIONE DEI RADAR . . . 32

4.3 ANTENNE: CENNI . . . 33

5 TEST E MISURE . . . 35

5.1 CONFIGURAZIONE DEL SISTEMA . . . 35

5.2 USRP E BASIC TX . . . 37

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COCLUSIOI . . . . 48

APPEDICE A I FILTRI CIC . . . . 49

APPEDICE B SCHEMATICI . . . 50

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Lista delle figure

1.1 Architettura base di un ricevitore SDR ideale . . . 5

1.2 Possibile schema a blocchi di un sistema SDR . . . 5

1.3 Architettura base di un sistema SDR reale . . . 6

2.1 Esempio di programma scritto in linguaggio Python. Generazione di due onde sinusoidali e loro ascolto attraverso la scheda audio del pc . . . 10

3.1 Diagramma a blocchi di un sistema SDR realizzato con GNURadio, USRP e relative daughterboard . . . 13

3.2 Scheda principale della USRP . . . 13

3.3 Schema a blocchi della USRP e dei suoi elementi principali . . . 14

3.4 Percorso del segnale in trasmissione all’interno dell’FPGA . . . 15

3.5 Diagramma a blocchi del percorso di trasmissione nel chip AD9862 della Analog Devices . . . 17

3.6 Diagramma a blocchi del percorso di ricezione nel chip AD9862 della Analog Devices . . . 18

3.7 Percorso del segnale in ricezione all’interno dell’FPGA . . . 19

3.8 BasicTx . . . 22

3.9 Schema elettrico della BasicTx . . . 22

3.10 Insertion loss e input return loss del trasformatore ADT1-1WT. . . . 22

3.11 Percorso del segnale in trasmissione . . . 23

3.12 Diagramma a blocchi del dispositivo AD8349 . . . 24

3.13 Percorso del segnale in ricezione sulla RFX2400. . . 26

3.14 Parte di circuito della RFX2400 in comune tra i percorsi di ricezione e trasmissione. . . 27

4.1 Metodo di misura della distanza del radar dal bersaglio . . . 30

4.2 Angolo di apertura in azimut . . . 33

4.3 Angolo di apertura in elevazione . . . 34

5.1 Ultra flexible coaxial cable e insertion loss . . . 36

5.2 Configurazione del sistema sotto misura . . . 36

5.3 Segnale sinusoidale con ampiezza circa uguale a 32000 livelli di quantizzazione, trasmesso dal sistema USRP+BasicTx . . . 38

5.4 Visualizzazione della FFT e dell’andamento temporale di un segnale sinusoidale trasmesso al sistema . . . 39

5.5 Spettro del segnale sinusoidale trasmesso . . . 39

5.6 Andamento temporale dell’impulso periodico . . . 40

5.7 FFT del segnale generato digitalmente. . . 40

5.8 Spettro del segnale trasmesso . . . 41 5.8 Segnale in uscita dalla BasicTx, a fronte di un segnale in ingresso

di tipo onda quadra complessa . . .

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5.10 Segnale in uscita dai canali TxA e TxB della BasicTx, visualizzati contemporaneamente dall’oscilloscopio. Il seganle in ingresso è un’onda quadra rappresentata su campioni di tipo short. . .

42

5.11 Segnale in uscita dal sistema quando in ingresso è posto un

segnale sinusoidale con frequenza 2KHz . . . ₄₂ 5.12 Segnale in uscita dal sistema USRP e RFX2400, quando in

ingresso è posto un segnale sinusoidale con frequenza pari a 100kHz . . .

43

5.13 Segnale in uscita dal sistema quando in ingresso è posto un impulso periodico di durata 9µs e periodo 0.8ms . . .

44 5.14 Armonica non desiderata a distanza 4 MHz dalla fondamentale,

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Lista delle tabelle

3.1 Elenco delle daughterboard disponibili per la USRP . . . 20 5.1 Valori utilizzati per configurare il sistema di trasmissione . . . 37 5.2 Valori utilizzati per configurare il sistema di trasmissione . . . 40 5.3 Corrispondenza tra l’ampiezza del segnale in ingresso al sistema e la

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Lista degli acronimi

ADC Aalogic-Digital Converter

AGC Amplifier Gain Control

CIC Casaded Integrator Comb

DAC Digital-Analogic Converter

DC Direct Current

DDC Digital Down Converter

DSP Digital Signal Processors

DUC Digital Up Converter

ERP Effective Radiate Power

FPGA Field Programmable Gate Arrays

GNU GNU Not Unix

GPP General Purpose Processor

IF Intermediate Frequency

ISR Ideal Software Radio

LNA Low Noise Amplifier

LO Local Oscillator

NCO Numerically Controlled Oscillator

PGA Programmable Gain Amplifier

RADAR RAdio Detection And Ranging

RF Radio Frequency

SCR Software Controlled Radio

SDR Software Defined Radio

SoC System on Chip

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

USRP Universal Software Radio Peripheral