Realizzazione di una waveform per comunicazioni aeronautiche in banda VHF su piattaforma software-defined radio di tipo SCA (Software Comunication Architecture)

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Ingegneria delle Telecomunicazioni

Esame di Laurea

18 Giugno 2012

Realizzazione di una waveform per

comunicazioni aeronautiche in banda VHF su

piattaforma software-defined radio di

tipo SCA (Software Communications

Architecture)

Andrea Morelli

Relatori

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Esame di Laurea 18 Giugno 2012

Indice

• La Software Defined Radio (SDR)

• La Software Communications Architecture (SCA)

• Lo standard VHF aeronautico per comunicazioni vocali • Schema del trasmettitore

• La Waveform realizzata • Testing e Validazione • Conclusioni

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La Software Defined Radio (SDR)

Cos’è una SDR?

• Un apparato programmabile e riconfigurabile in grado di

trasmettere/ricevere secondo diversi standard senza la necessità di sostituzioni hardware.

Pregi

• Flessibilità • Adattatività • Riconfigurabilità • Economicità

Difetti

• Capacità computazionali limitate • Consumi energetici elevati

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La Software Defined Radio (SDR)

Universal Software Radio Peripheral (USRP) v2.0

• Periferica hardware general-purpose progettata per la prototipazione

rapida e la ricerca nelle applicazioni SDR.

•Motherboard:

– 1 FPGA

– 1 interfaccia Gigabit Ethernet – 2 ADC da 14 bit a 100 MS/s – 2 DAC da 16 bit a 400 MS/s

– 1 lettore di schede SD sulla quale viene caricato il firmware della FPGA

Motherboard

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La Software Communications Architecture (SCA)

• Standard aperto che definisce un modello di progetto delle Software

Defined Radio.

• Un’applicazione radio SCA viene

denominata waveform.

• Il funzionamento della waveform non è

legato alla piattaforma hardware

(platform) sulla quale viene realizzata.

• SCA definisce un’ambiente operativo

(OE) standard costituito principalmente da:

– Core Framework (CF) – CORBA

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La Software Communications Architecture (SCA)

Open Source SCA Implementation Embedded (OSSIE)

• Framework di sviluppo Open

Source per waveform SCA

• Ambiente di lavoro: Linux • Software molto semplice da

utilizzare e realizzato in C++

• Tools per lo sviluppo di waveform

in modo semplificato

– OEF – ALF

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Lo standard VHF aeronautico per le comunicazioni vocali

• Banda: 118-137 MHz (base) + 113-118 MHz e 137-156 MHz (estesa) • Passo di Canalizzazione: 8,33 KHz

• Specifiche del segnale trasmesso: –Modulazione AM

–Profondità di modulazione 85%

–Segnale compreso tra +4 e -2 dB tra 0,3 e 2,5 KHz –Segnale a -25 dB a 3,2 KHz

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Trasmettitore

Struttura del trasmettitore

ideale

• Prelievo segnale audio

• Filtro

• Modulazione AM

• Selettore di canale

• Sommatore

• Oscillatore locale

• Amplificatore di potenza

• Antenna

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Trasmettitore

Struttura del tramettitore

realizzato

• Prelievo segnale audio

(digitale)

• Passaggio nel dominio della

frequenza (FFT)

• Modulatore AM

• Disposizione in frequenza dei

canali

• Ritorno nel dominio del

tempo (IFFT)

• Oscillatore locale

• Amplificatore di potenza • Antenna

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La Waveform

Controllore

Il primo componente è quello di controllo che si interfaccia con l’utente:

• Ricezione dati inseriti dall’utente

• Trasformazione dei numeri di canale nelle rispettive frequenze • Abbinamento dei nomi delle sorgenti audio con i relativi ID

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La Waveform

Acquisizione dati dalle sorgenti audio

Il secondo componente si occupa della gestione della sorgente audio e svolge le seguenti funzioni:

• Acquisizione dati dalle N sorgenti • Conversione dati da short int a float

• FFT dei blocchi dati e multiplazione in TDM

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La Waveform

Disposizione dei segnali in frequenza e IFFT

Il terzo componente invece (il più critico dei tre implementati) svolge le funzioni restati, ovvero:

• Modulazione AM • Taglio a 3,2 KHz

• Disposizione in frequenza • IFFT del blocco dati

• Conversione dei dati da float a

short int (sia canale I che Q)

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Testing e Validazione

Apparecchiature utilizzate

• PC notebook quad-core i7 2 GHz (turbo boost 2.9 GHz), 6 GB

DDR3 1’333 MHz SDRAM

• USRP2

• Analizzatore di spettro 9 KHz – 3 GHz (Agilent E4403B)

• Analizzatore di segnale R&S 55 KHz – 120 MHz

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Testing e Validazione

Carico computazionale

• 27 % CPU diviso in:

– 20 % disp in freq e IFFT – 7 % gestione USRP2

– <1 % componenti restanti • Occupazione di memoria

trascurabile

• Carico indipendente dal numero

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Testing e Validazione

Prove di ricezione

• Ricezione su radio commerciale portatile Groundig G6 Aviator • Ricezione su apparato SDR SCA-Compliant

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Testing e Validazione

Trasmissioni canali multipli

• Trasmissione di oltre 60 segnali audio Real-Time paralleli su canali

sparsi tra 108 e 130 MHz

• Interferenze trascurabile introdotte sui canali adiacenti

12.5 MHz 83 KHz

Agilent Gnu Plot

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Conclusioni

Risultati ottenuti

• Intel Core i7 2670QM (2 GHz) • Costo computazionale sulla CPU:

27 %

• Numero di canali paralleli: N

(testato con N = 63)

• Modulazione in Real-Time di N canali

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Conclusioni

• Trasmissione Real-Time di un elevato numero di sorgenti audio parallele • Possibile utilizzo della maggior parte della banda aeronautica VHF

• Basse interferenze sui canali adiacenti (compliant allo standard ETSI) • Basso carico computazionale sulla CPU usata

Sviluppi futuri

• Raggiungimento della frequenza di campionamento di 25 MS/s

• Utilizzo di tecniche di accelerazione in memoria per ridurre il carico

computazionale sulla CPU

• Utilizzo parallelo di più USRP2

• Possibilità di integrare la waveform sviluppata all’interno di un nodo di