CAPITOLO 3
PROGETTO DI UN RICEVITORE
VHF-DSC CON TECNOLOGIA SDR
In questo capitolo sarà illustrato il progetto e la realizzazione di un ricevitore VHF-DSC utilizzando la tecnologia SDR che permette, agendo semplicemente su programmi software senza modificare la piattaforma hardware, di riconfigurare il sistema in modo che possa riuscire ad operare in qualsiasi contesto trasmissivo e supportare diverse funzionalità.
Per la sua realizzazione viene usata la scheda USRP, una piattaforma hardware utilizzata per implementare ricetrasmettitori radio di tipo SDR e una daughterboard di tipo TVRX. Questo sistema riceve il segnale a radiofrequenza, lo converte ad una frequenza intermedia più bassa ed infine fornisce al PC, attraverso la porta USB, i campioni digitalizzati del segnale ricevuto per essere elaborati. Il software utilizzato è il GNU Radio, ossia una collezione di software che, combinati con un hardware minimo (USRP o alternativamente la scheda audio del computer), consente di implementare un sistema radio basato su piattaforma PC.
3.1 Scopo e specifiche di progetto
Il DSC (Digital Selective Calling) è un metodo semiautomatico per effettuare chiamate radio sulla banda VHF, MF e HF. È stato definito quale standard internazionale dalla IMO (International Maritime Organization) e fa parte del GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System). La DSC permette di inviare e ricevere chiamate da qualsiasi nave o stazione costiera (dotata della funzionalità DSC) che si trovi all’interno della portata geografica.
La chiamata DSC, detta anche DSC alert, è un mezzo semiautomatico per stabilire un contatto iniziale tra stazioni radio, dopodichè si utilizzano le procedure standard del radiotelefono per proseguire la comunicazione.
Il grande vantaggio del DSC è l’automazione della trasmissione e ricezione di un messaggio; un pulsante dedicato, premuto da un operatore, può dare inizio ad una procedura di richiesta di soccorso. In questo modo viene eliminata la fase manuale di avvio e mantenimento di una comunicazione vocale su canale dedicato, da parte della nave in pericolo, con una stazione costiera o con un'altra nave.
Il sistema DSC invia automaticamente anche le coordinate geografiche della nave qualora sia connesso ad un ricevitore GPS e tale funzionalità è chiamata Position Polling. Questa funzione è particolarmente usata quando devono essere inviati dei soccorsi, in quanto si riesce ad avere la posizione esatta della nave in difficoltà. Dal momento che tutto avviene automaticamente, si eliminano gli errori dovuti alla trasmissione radio dei dati da parte di un operatore in una condizione particolare in cui è facile sbagliare a causa del panico.
Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare un ricevitore DSC che lavora nella banda VHF in grado di ricevere l’intero range frequenziale riservato a questo sistema; si ha così la possibilità di ricevere tutti i canali simultaneamente (cosa non fattibile con i normali apparati VHF-DSC attualmente in commercio). Le specifiche tecniche seguite sono dettate dalla normativa ITU-R M.493-11 (consultabile nel sito http://www.itu.int) e sono riassunte di seguito.
Dal sito del Ministero delle Comunicazioni (http://www.comunicazioni.it/it/), nella parte riguardante il piano nazionale di ripartizione delle frequenze (tabella B) emessa dalla Direzione Generale Pianificazione e Gestione Frequenze, è possibile estrapolare la parte dello spettro riservata al sistema VHF-DSC. In tabella 1.1 è illustrata la parte di nostro interesse del suddetto piano.
FREQUENZE
(MHz) SERVIZIO GESTORE UTILIZZAZIONI
NORMATIVA INTERN.LE 156,0000-156,7625 MOBILE escluso mobile aeronautico 80 81 82 83 Ministero comunicazioni
-Reti mobili ad uso privato -Stazioni costiere -Stazioni di nave -Servizi di emergenza 156,7625 -156,8375 MOBILE MARITTIMO (soccorso e chiamata) 23 83 Ministero comunicazioni -GMDSS (156,3 MHz) Art. S31 RR Art. S52 RR App. S13 RR App. S15 RR App. S18 RR 156,8375 -165,5125 MOBILE escluso mobile aeronautico 48 62 80 81 83 84 85 Ministero comunicazioni
-Reti mobili ad uso privato -Stazioni costiere -Stazioni di nave -Cerca persone -Sistema automatico di identificazione delle navi(161,975 MHz, 162,025 MHz) -Servizi di emergenza Art. S31 RR Art. S52 RR App. S13 RR App. S15 RR App. S18 RR ERC/DEC/(99)17
Tabella 1.1 Spezzone del piano nazionale di ripartizione delle frequenze (tabella B) emessa dalla Direzione Generale Pianificazione e Gestione Frequenze
Quindi la banda riservata dal Ministero delle Comunicazioni al sistema VHF-DSC è pari a 9,5125 MHz. Questa comprende anche i vari canali riservati al servizio di previsione meteorologica che non siamo interessati a ricevere, per cui la banda di nostro interesse sarà pari a 6 MHz.
All’interno del VHF (Very High Frequency) da 30 MHz a 300 MHz è stata assegnata al servizio mobile marittimo (per quanto riguarda i canali internazionali) una gamma frequenziale che va da 156.025 MHz a 162.025 MHz [9].
In un primo tempo la tecnologia ha permesso di ricavare da questa gamma solo 28 canali distanziati di 50 kHz, che sono tuttora numerati da 1 a 28.
Successivamente è stato possibile ridurre la larghezza di banda necessaria per ciascun canale da 50 kHz a 25 kHz e aggiungere altri 28 canali intercalandoli ai precedenti, numerati da 60 a 88.
La distribuzione dei canali con le relative frequenze è riportata nell’appendice A, che contiene anche importanti informazioni circa la loro destinazione d’uso.
Lo standard internazionale adottato per le comunicazioni radio in banda VHF di tipo marittimo prevede una spaziatura di canale di 25 kHz e, per quanto riguarda gli apparati DSC, impone che
questi siano in grado di trasmettere e ricevere sul canale 70 (156,525 MHz) con classe di emissione F1B (o J2B).
La potenza utilizzata deve essere la minima necessaria per la comunicazione, allo scopo di evitare disturbi ad altre comunicazioni in corso. Per questa ragione tutti gli apparati sono dotati di un comando di riduzione della potenza da 25 Watt a 1 Watt, che va usato in tutti i casi in cui la potenza ridotta è sufficiente per comunicare.
A meno che non sia diversamente specificato, quelle mostrate nella tabella 1.2 sono le tipiche potenze di uscita per un trasmettitore.
Tabella 1.2 Tipiche potenze di uscita per un trasmettitore VHF-DSC
Inoltre un ricetrasmettitore VHF-DSC deve soddisfare le caratteristiche mostrate in tabella 1.3 e 1.4.
Tabella 1.3 Riassunto delle caratteristiche generati di un ricetrasmettitore DSC
Stations Typical Power
Coast stations 100 W Ship stations
Minimum: Maximum:
6 W
25 W (or 50 W if it can be remotely reduced by coast stations) Hand-held portable transmitters 5 W Survival two-way radiotelephones
Should have a minimum e.i.r.p. of 0.25 watt. When this equipment provides for on-board communications, the output power should not exceed 1 watt on the on-board authorized frequencies.
Frequency tolerance 10 ppm Necessary bandwidth 16 kHz or less
Output power 100 mW min.
Tabella 1.4 Caratteristiche del modulatore impiegato in ricetrasmettitore DSC FM with pre-emphasis of 6 dB/octave
Sub carrier of 1700 Hz with frequency shift
between 1300 and 2100 Hz (i.e. keying frequencies)
1300 and 2100 Hz
Frequency tolerance of 1300 and 2100 Hz tone ± 10 Hz
Modulation rate 1200 bauds
3.2 Realizzazione del ricevitore mediante la daughterboard TVRX
Lo scopo del progetto è quello realizzare un ricevitore DSC che lavori nella banda VHF, in grado di ricevere l’intero range frequenziale riservato a questo sistema, così da avere la possibilità di ricevere tutti i canali simultaneamente e selezionarli via Software in una fase successiva. Come abbiamo già visto la banda di nostro interesse è pari a 6 MHz, da 156.025 MHz a 162.025 MHz, considerando il prospetto dei canali marittimi internazionali in banda VHF.Il ricevitore di tipo SDR è stato realizzato attraverso una motherboard USRP con l’aggiunta di una daughterboard TVRX . Le daughterboards montate sulla motherboard USRP forniscono al sistema dei front-end flessibili e interamente integrati.
Proprio attraverso la TVRX, con un sistema USRP, è possibile coprire coprire un range frequenziale che ci permette di gestire la banda riservata al servizio mobile marino nella banda VHF.
La TVRX, mostrata in figura 4.1, è un ricevitore completo sulla banda VHF e UHF che impiega come front-end un tuner per TV. Semplicemente connettendo l’antenna si possono ricevere 6 MHz di banda ovunque fra 50 MHz e 860 MHz. Questa scheda è completamente sintonizzabile e le funzioni del AGC possono essere controllate via software. La figura di rumore tipica è 8 dB.
Sono attualmente disponibili due versioni della daughterboard TVRX:
• Original TVRX che utilizza come tuner un MT4937DI53X7702 della Microtune la cui uscita a frequenza intermedia è pari a 5,75 MHz
• New TVRX (TVRX2 da software) che ha come tuner un MT4937DI53x8769 della Microtune la cui uscita a frequenza intermedia pari a 43,75 MHz
Nel progetto in esame viene usata la TVRX, montata sulla motherboard come mostrato in figura 4.2.
Figura 4.2 Motherboard con una daughterboard TVRX sul lato ricevitore e una Basic TX sul lato trasmettitore
Qualora ci fosse la necessità di ricevere una banda maggiore di 6 MHz, in particolare pari a 9,5125 MHz, così da rilevare anche i canali riservati alle previsioni meteo, dovranno essere utilizzate 2 TVRX. Naturalmente questo necessiterebbe l’acquisto di due daughterboards TVRX e di due antenne, anche se è sufficiente una sola motherboard visto che quest’ultima ha la possibilità di alloggiare contemporaneamente due daughterboars di tipo RX.
3.3 L’antenna
L’antenna costituisce un’interfaccia tra lo spazio esterno (canale) e l’ingresso del ricevitore, quando è usata in ricezione, oppure l’uscita del trasmettitore se è utilizzata da quest’ultimo. Ogni
antenna è caratterizzata da un proprio profilo d’irradiazione, che indica in che percentuale essa è in grado di irradiare o di ricevere energia in una certa direzione dello spazio. Infatti, la potenza fornita all’antenna che non viene riflessa ai suoi terminali, non è irradiata uniformemente nello spazio, ma presenta delle direzioni privilegiate che dipendono sensibilmente dalla sua forma e dalle sue dimensioni. In ricezione, le direzioni di massima sensibilità sono le stesse di massima irradiazione, in virtù della reciprocità dell’antenna.
Il guadagno dell’antenna G in una determinata direzione è spesso riferito alla potenza irradiata da un’antenna isotropica, cioè un’antenna ideale che irradia uniformemente in tutte le direzioni. Quindi G=Pθ /Pi, dove P• è la potenza per unità di superficie irradiata dall’antenna in esame in direzione θ, mentre Piè la potenza per unità di superficie dell’antenna isotropica, alimentata con la stessa potenza ai suoi terminali d’ingresso; il guadagno riferito all’antenna isotropica è normalmente indicato in dBi. In generale il profilo d’irradiazione presenta vari lobi, che indicano le direzioni di trasmissione e di ricezione per l’antenna. Il guadagno dell’antenna, se non è fornito l’intero diagramma d’irradiazione, viene solitamente specificato solo in corrispondenza del massimo del lobo principale, cioè quello di maggiore irradiazione.
La resistenza di radiazione dell’antenna misura la sua capacità d’irradiare nello spazio il segnale applicato ai suoi terminali. Se PR è la potenza totale irradiata e I è il valore efficace della corrente che circola ai terminali d’ingresso dell’antenna, allora la resistenza di radiazione Rrad è tale che
2
I R
PR = rad⋅ . In pratica l’antenna presenterà anche delle perdite che possono essere rappresentate da una resistenza di dissipazione Rdiss, perciò la potenza che fluisce verso i suoi terminali d’ingresso PT non coinciderà con quella complessivamente irradiata; l’antenna sarà pertanto caratterizzata da un’efficienza η=P /R PT.
Un’antenna si dice risonante quando la sua impedenza d’ingresso è puramente resistiva, cioè coincide con la resistenza di radiazione se le perdite sono trascurabili. La condizione di risonanza, in altre parole di assenza di una componente reattiva nell’impedenza, è importante per evitare le riflessioni, che hanno come conseguenza una riduzione della potenza effettivamente trasmessa o ricevuta. La risonanza si può ottenere con un opportuno dimensionamento dell’antenna, in funzione delle frequenze che essa deve trattare. In pratica non si otterrà mai la perfetta risonanza, ragion per cui, oltre alla sua impedenza nominale (normalmente di 50 Ω in queste applicazioni), nella sua banda di funzionamento è specificato anche il massimo VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, noto anche come ROS, cioè Rapporto Onde Stazionarie), solitamente non superiore a 2. Normalmente non è quindi richiesta una rete di adattamento tra l’antenna e il dispositivo a cui è
collegata, solitamente un duplexer, che presenta per costruzione la stessa impedenza standard; inoltre, le distanze tra i due sono solitamente inferiori alla lunghezza d’onda λ, perciò non è necessario progettare un’opportuna linea di trasmissione.
Ad eccezione del radiatore isotropico, puramente ideale, il cui diagramma d’irradiazione è una sfera, tutte le antenne hanno una direttrice preferenziale. Quando questa direttrice è identificabile con una retta, o semiretta, passante per il centro dell’elemento radiante, si dice che l’antenna è direttiva; se invece la direzionalità riguarda un intero piano, come ad esempio il piano orizzontale nel caso di dipolo verticale, allora l’antenna è detta omnidirezionale cioè irradia il segnale in tutte le direzioni, a 360 gradi.
Un'ulteriore distinzione, su quel piano, va fatta tra antenne attive e antenne passive. Un'antenna si definisce attiva quando per il suo funzionamento è necessario un insieme di circuiti elettronici di adattamento, filtraggio e pre-amplificazione RF. Per contro si definisce passiva quando non è dotata dei suddetti circuiti elettronici ed inoltre non è alimentata. Rispetto alle antenne passive, quelle attive sono normalmente di dimensioni minori, consentono di ottenere guadagni più elevati e garantiscono più flessibilità in termini di operatività a varie frequenze di collegamento.
Gli svantaggi rispetto all'antenna passiva sono anzitutto i costi decisamente più alti, ed un peggioramento nel rapporto segnale/rumore del segnale elettrico prodotto in uscita, per la componentistica elettrica ed elettronica impiegata. Inoltre l'antenna attiva richiede un'apposita alimentazione.
Il collegamento antenna-ricevitore viene solitamente effettuato con un cavo coassiale schermato da 50 Ω. Questo cavo è costituito da un conduttore centrale e da una maglia conduttrice o schermo, isolata dal precedente conduttore per la presenza di materiale isolante. Il tutto è ulteriormente isolato da una guaina esterna sempre in materiale dielettrico.
Nella scelta del cavo di collegamento antenna-ricevitore si deve tener conto che ogni tipo di cavo coassiale schermato da 50 Ω, introduce una attenuazione che aumenta con la lunghezza del cavo, e dipende dalla frequenza operativa del collegamento wireless.
In generale l’antenna ideale è lunga esattamente quanto la lunghezza d’onda della frequenza per cui viene utilizzata. Spesso ciò sarebbe impossibile o comunque assai scomodo, per cui si utilizzano antenne lunghe ½ onda, ¼ d’onda, 5/8 d’onda.
Per il ricevitore in esame viene utilizzata l’antenna omnidirezionale di tipo passivo illustrata in figura 6.1 collegata direttamente alla daughterboard TVRX.
Figura 6.1 Antenna utilizzata per il ricevitore, modello Spectrum della REM antenne
Le caratteristiche di questa tipologia di antenna sono riassunte in tabella 6.1.
Con stub regolabile
Frequenza 138-174 MHz Impedenza 50 • Configurazione 5/8 •
ROS/VSWR 1:1,1 centro banda Polarizzazione verticale
Potenza 300 W P.E.P. Guadagno 3,5
Materiale alluminio anticorodal Lunghezza stilo 1350 mm
Connettore SO 239 Peso 700 gr
Tabella 6.1 Specifiche antenna
I 3 conduttori radiali, posti nel piano orizzontale, simulano sufficientemente bene un esteso piano di massa. Variando la loro inclinazione rispetto al conduttore verticale, si varia l’impedenza di antenna (da 35 a 75 •) a scopo di adattamento.
3.4 Realizzazione di un ricevitore VHF-marittimo con tecnologia
SDR
In questo paragrafo viene mostrata la realizzazione di un ricevitore utilizzando la tecnologia SDR che permette, agendo semplicemente su programmi software senza modificare la piattaforma hardware, di riconfigurare il sistema in modo da riuscire ad operare in qualsiasi contesto trasmissivo e supportare diverse funzionalità. Come già precedentemente descritto, vengono utilizzate una motherboard USRP e una daughterboard TVRX.
Il sistema ci permette di ricevere il range frequenziale di nostro interesse pari a 6 MHz, da 156.025 MHz a 162.025 MHz, considerando il prospetto dei canali marittimi internazionali in banda VHF. Siamo in grado di testare lo script in linguaggio Python studiato per ricevere le comunicazioni marittime in banda VHF rilevando il segnale audio trasmesso in quel determinato momento. Il software utilizzato è il GNU Radio versione 3.0.3. Lo script in Python impiegato (gnuradiogui.py) è dotato di una Graphical User Interface (GUI) che ci permette di visualizzare e registrare in maniera semplice il segnale ricevuto, inoltre è possibile operare vari tipi di demodulazione (WFM, FM, AM e SSB). Grazie a questa interfaccia grafica è possibile controllare la USRP e sintonizzarla facilmente sulla frequenza desiderata.
Il file sorgente è riportato interamente nell’appendice D ed è utile nel caso si vogliano apportare modifiche, aggiungere nuove funzionalità e correggere eventuali malfunzionamenti.
Come è possibile notare, nella maggior parte degli script in linguaggio Python la prima riga è sempre:
#!/usr/bin/env python
in questo modo lo script è reso direttamente eseguibile, prima però è necessario ottenere il permesso di eseguire il file. Quest’ultimo si ottiene scrivendo nella finestra terminale, una volta entrati nella directory dove risiede lo script, il seguente comando:
$ chmod +x <nome file>.py
una volta acquisito il permesso è possibile eseguire il file digitano il comando:
esempio:
from gnuradio import gr, audio
Dove gnuradio è la directory (sotto /usr/include/python/sitepredefined) che contiene la libreria che si vuole includere e gr e audio sono file Python che contengono le librerie da includere.
Dopo questa parte iniziale si sviluppa il programma vero e proprio in cui si definiscono funzioni, ad esempio per selezionare il fattore di decimazione, con la sintassi:
def setdecim(self,decim):
self.samplerate = int(float(64000000 / decim)) if decim == 8: self.decimbox.SetSelection(0) elif decim == 16: self.decimbox.SetSelection(1) elif decim == 32: self.decimbox.SetSelection(2) elif decim == 64: self.decimbox.SetSelection(3) elif decim == 128: self.decimbox.SetSelection(4) elif decim == 256: self.decimbox.SetSelection(5) if self.isconnected: self.shiftinput(self.lastinput,self.samplerate)
e classi come ad esempio:
class vindu(gr.flow_graph): def __init__(self,frame,panel,vbox,argv): gr.flow_graph.__init__(self) self.panel = panel self.keydown = False self.signaltype = "" self.frame = frame self.lastfolder = "" self.demoduler = None self.samplerate = 64000000/8 self.isconnected = False
Python è completamente orientato agli oggetti: si possono definire delle classi, ereditare da quest’ultime o da quelle built-in ed istanziare le classi che abbiamo definito.
classe.
Infine la procedura main che viene eseguita richiama la funzione definita:
if __name__ == '__main__':
app = stdgui.stdapp(vindu,"GNURadio Control GUI") app.MainLoop()
3.5 Esecuzione dello script gnuradiogui.py
Prima di mandare in esecuzione lo script dobbiamo connettere la USRP al nostro PC avendo cura di collegare prima il cavo di alimentazione della daughterboard e di seguito il cavo USB.
Notiamo che un led di colore verde inizia a lampeggiare con una frequenza di 2 Hz (due volte al secondo). Colleghiamo in seguito la daughterboard alla antenna TV tramite cavo coassiale.
A questo punto, una volta entrati nella directory in cui risiede lo script, digitando dalla finestra terminale il comando:
$ ./gnuradiogui.py
si apre una intuitiva e semplice interfaccia grafica mostrata in figura 3.1.1.
Osserviamo che il led adesso lampeggia con una frequenza di 1 Hz (una volta al secondo) e questo indica che la FPGA è stato programmato correttamente.
Nella finestra chiamata GNU Radio Control GUI notiamo uno Spectrum display in cui verrà visualizzato lo spettro del segnale ricevuto. Nello spazio sottostante sono posizionati una serie di pulsanti:
• No Input : premendo questo pulsante non si riceve nessun ingresso e si torna alla
configurazione iniziale della schermata;
• Sine wave : la USRP genera una sinusoide di cui è possibile visualizzarne lo spettro;
• File signal : viene ricaricato un file che era stato precedentemente caricato attraverso il
pulsante Load file;
effettivamente viene ricevuto attraverso la daughterboard (nel nostro caso la TVRX) posizionata sulla motherboard ;
• Record : attivata questa funzione viene salvato su un file (Capture.cfile), nella directory
TMP, quello che la USRP sta ricevendo.
Figura 3.1.1 GNU radio control GUI
Figura 3.1.1 GNU radio control GUI
A destra dei suddetti pulsanti possiamo notare una finestra che serve per impostare la frequenza (in kHz) del segnale a RF che vogliamo ricevere.
Il campo USRP-decimation ci permette di scegliere il fattore di decimazione e di conseguenza l’ampiezza della banda ricevuta. Scorrendo verso destra troviamo un altro campo chiamato Demodulation in cui è possibile scegliere il tipo di demodulazione da effettuare sul segnale ricevuto.
Appena sotto la suddetta casella troviamo una finestra utile per la sintonia fine.
Notiamo poi una serie di pulsanti etichettati da un valore frequenziale; questi ci permettono di incrementare o decrementare velocemente la frequenza del segnale ricevuto a RF della quantità specificata.
Dalla finestra Gain è facilmente impostabile il guadagno dei PGA presenti sulla motherboard.
Il campo Daughterboard ci permette di selezionare il lato su cui è posizionata la daughterboard che vogliamo utilizzare come ricevitore. Questo perché la USRP può ospitare al massimo due daughterboard riceventi etichettate come Rx A e Rx B.
Troviamo in seguito una casella chiamata NBFM squelch level che ci permette di ridurre eventuali interferenze dovute ad emissioni su canale adiacente di elevata potenza quando è impostata una demodulazione di tipo NBFM.
A fianco di quest’ultimo possiamo notare una casella da spuntare chiamata Show frequency in FFT che ci permette di visualizzare la FFT del segnale ricevuto.
Infine è facilmente riconoscibile il pulsante Save setting il quale permette il salvataggio delle impostazione in modo che siano rese nuovamente disponibili al riavvio dello script senza quindi bisogno di reimpostare il tutto.
Per testare lo script, come accennato in precedenza, è stato configurato il tutto per ricevere l’audio del VHF marittimo modulato in frequenza. Impostiamo quindi:
• una frequenza di 159.025 MHz, che corrisponde al centro banda
• una fattore di decimazione pari ad 8, che ci permette di riceve una banda pari ad 8 MHz
• un guadagno di 50 dB
• naturalmente una modulazione WFM ed inoltre impostiamo il lato B della daughterboard essendo la TVRX posizionata sul suddetto lato
Quello che viene visualizzato facendo girare lo script è mostrato in figura 3.1.5, dove si può riconoscere la portante audio situata intorno a 157,425 MHz per trasmettere informazioni nautiche sul canale 88.
Una volta spuntata la casella Demodulation on è udibile un suono dalle casse del PC che non è nient’altro che rumore; posizionandoci con il cursore del mouse sullo Spectrum display, in corrispondenza del picco audio e ciccando, diviene invece udibile l’audio del canale selezionato. La schermata riportata in figura 3.1.6, mostra una chiamata DSC sul canale 70 a 156.525 MHz.
3.6 Ricevitore in C
Al fine di valutare le prestazioni al variare delle caratteristiche dei vari blocchi, è stata implementata l’intera catena di ricezione in ambiente di sviluppo anjuta sotto sistema operativo ubuntu.
Utilizzando lo script usrp_rx_cfile.py situato in una sottodirectory di gnuradio-examples riusciamo a creare un file .dat in cui sono memorizzati i campioni del segnale ricevuto. Come possiamo vedere di seguito, questo file richiede la specifica di alcune opzioni:
alessio@alessio-laptop:~/gnuradio/gnuradio-examples/python/usrp$ ./usrp_rx_cfile.py
-R RX_SUBDEV_SPEC, --rx-subdev-spec=RX_SUBDEV_SPEC
select USRP Rx side A or B (default=A) -d DECIM, --decim=DECIM
set fgpa decimation rate to DECIM [default=16] -f FREQ, --freq=FREQ set frequency to FREQ
-g GAIN, --gain=GAIN set gain in dB (default is midpoint)
-8, --width-8 Enable 8-bit samples across USB --no-hb don't use halfband filter in usrp
-s, --output-shorts output interleaved shorts in stead of complex floats
-N NSAMPLES, --nsamples=NSAMPLES
number of samples to collect [default=+inf]
Per creare il file provatrasmissione.dat, in cui sono memorizzati 5 secondi di trasmissione del canale 14 a 156.7 MHz deve essere scritto il seguente comando da terminale:
enzo@enzo-wiser:~/gnuradio/gnuradio-examples/python/usrp$
./usrp_rx_cfile.py -R b -d 8 -f 159.025M -N 40M provatrasmissione.dat
L’ USRP deve portare in banda base una porzione di spettro elettromagnetico di 8 MHz centrata sulla frequenza f =159.025 MHz. All’interno di questa porzione di spettro vi sono tutti i canali per 0 uso VHF marittimo. L’USRP fornisce campioni complessi; avendo inserito un fattore di decimazione pari a 8, il rate con cui la scheda passa i campioni all’ elaborazione software è pari a 8 MS/s.
Lo schema a blocchi del ricevitore è mostrato in figura:
I campioni così strutturati passano attraverso un soft frequency shift, che in sostanza riceve in ingresso dall’ utente la frequenza del canale di interesse, e procede alla moltiplicazione del segnale, campione per campioneper il termine ej2πft
Ovviamente le perti reali e immaginarie vengono modificate nel seguente modo
Yi= Xi * cos(2π ( f0 − fCH)*n/fc) – Xq * sin(2π (f0 − fCH)*n/fc) Yq= Xi * sin(2π ( f0 − fCH)n/fc) + Xq * cos(2π ( f0 − fCH)*n/fc)
Tale moltiplicazione per un esponenziale complesso porta alla traslazione rigida dell’ intero spettro di f0 − fCH Hz (verso destra se f0 − fCH> 0, verso sinistra in caso contrario).
La traslazione rigida porta il canale di interesse centrata sullo zero: tale canale può quindi essere selezionato con un filtro LP altamente selettivodi banda 12.5 kHz.
Il passo successivo, avendo limitato la banda del segnale ricevuto, sarà procedere ad una decimazionedei campioni riducendo il symbol rate a 25 KS/s.
Essendo i campioni complessi modulati in frequenza, bisogna ora ricavare l’informazione, cioè ricavare la derivata di •(t).
La fase istantanea vale
= ) ( ) ( arg ) ( t Xi t Xq t θ
∂ ∂ = ) ( ) ( arctan ) ( t Xi t Xq t t θ
Dopo alcuni passaggi matematici si ottiene
) ( ) ( ) ( * ) ( ) ( * ) ( ) ( 2 2 t Xi t Xq t Xi t Xq t Xq t Xi t + − = θ
quest’ultimo passaggio è la trasformazione implementata dal discriminatore di frequenza.
Adesso si può procedere ad un filtraggio LP con banda 3kHz,alla deenfasi, ed infine all’ascolto del segnale utente tramite scheda audio.
Nelle figure sono riportati gli spettri del segnale trattato ai vari stadi della catena di ricezione.
