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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA CARLA SILVA DAGOSTIN

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DIGITAL UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DIGITAL UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE CURITIBA 2014 CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DIGITAL UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Evelio Martín García Fernández CURITIBA 2014 CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DE VIDEO UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. COMISSÃO EXAMINADORA Professor Evelio Martín García Fernández Universidade Federal do Paraná Professor Horácio Tertuliano Filho Universidade Federal do Paraná Professor Luis Henrique Assumpção Lolis Universidade Federal do Paraná Curitiba, 01 de dezembro de 2014. RESUMO DAGOSTIN, Carla Silva. Transmissão de vídeo utilizando tecnologia de rádio definido por software f. (Trabalho de Conclusão de Curso) Curso Superior de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná. Curitiba, O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é desenvolver um ambiente para transmissão/recepção sem fio de sinais de vídeo, baseado na plataforma para desenvolvimento de rádios definidos por software USRP N200 conjuntamente com a ferramenta de código aberto GNURadio, a qual provê uma interface de desenvolvimento e blocos de processamento para implementar rádios definidos por software. Devido à facilidade de reconfiguração dos sistemas de comunicação que utilizam tecnologia de rádio definido por software, o ambiente a ser desenvolvido será de grande utilidade em futuras pesquisas envolvendo avaliação de qualidade de transmissão de dados sob diferentes qualidades de canal. Palavras-chave: GNURadio. Rádio definido por software. USRP. ABSTRACT This final project is dedicated to develop an environment for transmitting / receiving wireless video-based signals with a software defined radio plataform USRP N200. This plataform is programmed with the open source tool gnuradio which provides an interface for development and processing blocks to implement software defined radios. Due to the ease of reconfiguration of communication systems using softwaredefined radio technology, the environment to be developed will be useful in future research involving the evaluation of data transmission for diferent channel quality. Key-words: USRP. GNU Radio. Software Defined Radio. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Diagrama simples do SDR Figura 2 Modulação M-QAM a) 4-QAM, b)16-qam e c) 64-QAM Figura 3 Modulação PSK Figura 4 Exemplo de caixa de propriedades dos blocos Figura 5 USRP N Figura 6 Esquema geral da placa USRP Figura 7 Placa mãe do USRP N Figura 8 Sistema Transmissão 4-QAM Figura 9 Sistema de recepção 4-QAM Figura 10 Gráfico da constelação transmistida no sistema 4-QAM Figura 11 Gráfico da constelação na recepção do sistema 4-QAM Figura 12 Sistema novo de recepção de modulção 4-QAM Figura 13 Constelação do sistema novo de transmissão de modulção 4-QAM Figura 14 Constelação do sistema novo de recepção pós sincronismo de modulção 4-QAM Figura 15 Constelação do sistema de transmissão modulação 16-QAM Figura 16 Constelação do sistema de recepção da modulção 16-QAM Figura 17 Sistema de transmissão 8-PSK Figura 18 Sistema 8-PSK recepção Figura 19 Constelação sistema de transmissão 8-PSK Figura 20 Constelação sistema de recepção 8-PSK Figura 21 Sistema DPSK transmissão Figura 22 Sistema DPSK recepçao Figura 23 Sistema DPSK transmissão Figura 24 Sistema DPSK recepção... 36 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Comparativo modulações Analógicas e Digitais... 14 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS SDR URSP RF ADC DAC DDC DUC SWIG FPGA MQAM QPSK PSK DQPSK DPSK SMA RF Rádio definido por Software Universal Software Radio Peripheral Rádio frequência Analog to Digital Converter Digital to Analog Converter Digital Down Converter Digital Up Converter Simplified Wrapper and Interface Generator Field Programmable Gate Array Modulação de amplitude em quadratura Quadrature Phase Shift Keying Phase Shift Keying Differential Quadrature Phase Shift Keying Differential Phase Shift Keying SubMiniature version A Rádio Frequência SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos DEFINIÇÕES RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE MODULAÇÕES Modulação PSK Modulação M-QAM GNURADIO USRP N PLACA SECUNDÁRIA PLACA MÃE FPGA DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAÇÕES E RESULTADOS SISTEMA M-QAM SISTEMA 8-PSK SISTEMA DPSK CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A DATASHEET USRP N 9 1 INTRODUÇÃO A transmissão de dados, aumenta conforme o número de usuários cresce. Para atender essa nova realidade é necessário adaptar os sistemas atuais de comunicação digital para sistemas mais dinâmicos, inovadores e de menor custo. Tendo em vista essa nova realidade torna-se interessante utilizar o conceito de Rádio Definido por Software (SDR: Software Defined Radio) que visa substituir a implementação em hardware dos equipamentos de comunicação por dispositivos programáveis controlados por software. Assim, o sistema pode ser facilmente adaptado para realizar diferentes padrões de comunicação, como também variações dos canais de comunicação carregando diferentes tipos de programas em memória em vez de substituir todo o equipamento de rádio. Levando em conta essa nova visão se faz necessário o uso de um software e um hardware para implementação do sistema SDR, neste contexto será abordada a utilização do conjunto USRP N200 (hardware) e o GNURadio (software) que permite a criação de uma série de sistemas aplicáveis nas mais diversas áreas. Esta proposta de arquitetura mostra-se muito flexível, de fácil manutenção, e de fácil desenvolvimento, pois torna transparente ao desenvolvedor a arquitetura SDR. Com essa flexibilidade é possível utilizar o sistema para por exemplo analisar a qualidade de transmissão de vídeo, em pesquisas e desenvolvimento, visto que, com o excesso de dados transmitidos e cada vez mais redes sem fio atuantes, estão sendo necessários estudos para verificar a qualidade dos serviços oferecidos em transmissão de vídeo sem fio. 1.1 OBJETIVOS Objetivo Geral O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é desenvolver um ambiente para transmissão/recepção sem fio de sinais de vídeo baseado na plataforma para desenvolvimento de rádios definidos por software USRP N200, conjuntamente com a ferramenta de código aberto GNURadio, a qual provê um ambiente de 10 desenvolvimento e blocos de processamento para implementar rádios definidos por software Objetivos Específicos Os objetivos específicos das etapas principais da pesquisa são: a) Conceituar cada tipo de tecnologia envolvida no projeto; b) Definir a ferramenta de captura e codificação de vídeo digital; c) Transmitir e receber utilizando alguns tipos de modulações digitais tais como 4-QAM, 16-QAM, 8-PSK e DPSK; d) Realizar testes de transmissão em tempo real utilizando URSP N200. 11 2 DEFINIÇÕES A seguir será dada uma explicação geral sobre os tópicos relevantes que serão utilizados para realização deste trabalho. Dentre eles serão abordados a tecnologia utilizada, Rádio Definido por Software, o hardware utilizado USRP N200, o software GNURadio e as modulações que serão utilizadas para as simulações. 2.1 RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE Nos sistemas militares do Departamento de Defesa americano tornou-se necessário desenvolver rádios que interagissem com interfaces aéreas nas faixas de frequências existentes, e, que pudessem ser modificados por uma troca de software, o que aumenta a vida útil dos equipamentos e baixa os custos visto que não será necessário trabalhar no hardware e sim no software. Desta maneira, surgiu o conceito de Rádio Definido por Software, cujo o objetivo é realizar o máximo do processamento do sinal via software e, desta forma, permitir ao usuário que possa realizar ajustes e modificações no sistema via software, bem como, configurar o rádio da forma que desejar. O uso do SDR é visto como uma plataforma versátil para a realização de experimentos de campo [1]. Existem duas partes distintas em sistemas baseados em SDR: hardware e software (figura 1). A primeira etapa que inclui a conversão e frequências de RF para banda-base é realizada por um periférico operando em faixas determinadas de frequência (dependendo das placas empregadas). Enquanto a segunda etapa será responsável por todo o processamento de sinal. 12 Figura 1 Diagrama simples do SDR Os SDRs são mais resistentes à variações de temperatura e mais precisos, visto que transferem o processamento para o domínio digital, deixando de ter seu desempenho atrelado à precisão dos componentes analógicos do rádio. Manutenções, adaptações ou aprimoramento dos serviços podem ser feitos sem que a infraestrutura deva ser alterada, o que é muito interessante para prestadoras de serviços de rádio-difusão. Um SDR é composto de pelo menos duas partes (figura 1): a) Um circuito conversor de frequência em quadratura (hardware ou front end), que converte a frequência do sinal RF a ser recebido, para uma frequência intermediária que possa ser processada por uma placa de som de computador ou outro conversor A/D (analógico para digital), em dois canais, chamados I e Q; b) Um programa de computador (software ou back end) que permite processar sinais vindos do hardware. Esse software realiza a combinação matemática adequada dos sinais I e Q de modo a rejeitar a frequência indesejável e em seguida, efetua a demodulação do sinal, por exemplo: AM, FM, DRM, etc. Em um SDR ideal está o front end seria composto somente por antena e conversores A/D (analógico/digital) e D/A (digita/analógico) (figura 1). Devido a limitações da tecnologia desses conversores, o modelo ideal não pode ser 13 implementado nos dias atuais. Algumas adaptações no sinal devem ser feitas, separando assim o denominado front end, que passa a ter a incumbência de tratar esse sinal entre a antena e os DACs (Conversão digital para analógia) e ADCs ( conversão analógica par digital). Nesta concepção de SDR Real, o front end se torna um novo módulo, que prepara o sinal para conversão AD, para o processamento do sinal e/ou prepara o sinal para transmissão após a conversão DA, tendo em vista que o SDR pode transmitir e receber sinal separadamente ou ao mesmo tempo. Esta preparação é feita através da amplificação do sinal, do controle de ganho, do deslocamento para uma frequência intermediária (no caso de recepção) ou do deslocamento para frequência original do sinal (no caso de transmissão direta) e da filtragem antialiasing. Além de resolver o problema da tecnologia empregada nos conversores A/D e D/A, o front end pode ser projetado para aperfeiçoar o custo do projeto de um SDR, sendo ajustado para o uso de DAC s e ADC s de baixo custo. Na Figura 1, surgem dois novos componentes, o Digital Down Converter (DDC) e o Digital Up Converter (DUC). Para que o processamento não seja efetuado em velocidades muito altas, após sua digitalização o sinal digital de frequência intermediária deve ser convertido para um sinal digital de banda base, respeitando o teorema de amostragem de Nyquist. Assim, a função do DDC é fazer a amostragem do sinal digital de frequência intermediária para um sinal digital de banda base (onde a menor frequência do sinal é igual a zero e a maior é igual à largura de banda do sinal). A função do DUC é efetuar o inverso do DDC, deixando o sinal novamente na frequência digital intermediária pronto para o conversor DAC. O processamento analógico denomina-se front end RF. DAC, ADC, DDC e DUC passam a ser programados em FPGA s (Field Programmable Gate Array), denominando-se assim o front end digital. 2.2 MODULAÇÕES A utilização de um canal de transmissão em banda passante pode requerer a utilização de uma banda de frequências diferente da frequência original da mensagem (banda base), sendo para isso necessária a translação de frequências. 14 O processo para efetuar a translação na frequência é a modulação, que é definida como o processo pelo qual algumas características de uma portadora são alteradas de acordo com o sinal modulante. As modulações podem ser analógicas, digitais ou por pulsos. Dentre as analógicas são exemplos: a Modulação de Amplitude (AM), de Frequência (FM) e Fase (PM). Dentre as digitais são exemplos ASK, PSK, FSK e QAM. As modulações analógicas estão sendo substituídas pelos sistemas digitais que apresentam como vantagem maior capacidade de transmissão, confiabilidade, e menor custo. Atualmente a informação pode estar disponível tanto na forma digital (dados) quanto na forma analógica (áudio, vídeo) que precisam serem convertidas (conversão A/D) antes do processo de modulação digital. Em qualquer modulação em banda passante existem três parâmetros do sinal da portadora que podem ser alterados pelo sinal modulador (informação): amplitude, fase e frequência. Um ou mais desses parâmetros podem ser alterados, transportando a informação. Através da Tabela 1 podem-se verificar algumas similaridades entres modulações analógicas e digitais. Tabela 1 Comparativo modulações Analógicas e Digitais Parametro alterado portadora Modulação Analógica Modulação Digital Amplitude AM ASK Frequência FM FSK Fase PM PSK Amplitude e Fase X QAM Modulação de amplitude em quadratura Modulação PSK A PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. No caso particular da modulação em fase binária, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180 graus, que pode ser visualizada na Figura 3.[4] Figura 3 Modulação PSK Uma variação da modulação PSK é a QPSK que faz uso de uma propriedade de ortogonalidade dos sinais, ou seja, se forem transmitidos simultaneamente em um canal dois sinais PSK defasados de 90º (seno e cosseno) é possível detectar cada um independentemente do outro. Trata-se, portanto de um esquema de modulação com quatro estados nas fases 0º, 90º, 180º e 270º, o que significa que na mesma banda ocupada por um sinal PSK é possível transmitir uma taxa de dados duas vezes maior utilizando modulação QPSK [4], pois cada ponto carrega dois bits. A modulação QPSK deu origem a uma família de esquemas que inclui o DQPSK, OQPSK, entre outros. Outra variação do PSK e que será simulada neste trabalho é o esquema Differential Phase Shift Keying (DPSK). Neste esquema há a inversão de 180 na fase da portadora sempre que ocorre o bit 0, também chamado de Binary PSK (BPSK). As alterações consecutivas em uma sequência de bits 0 auxilia no sincronismo da comunicação.[4] Modulação M-QAM Modulação M-QAM é mais utilizada para transmissão terrestre ou a cabo. Alguns exemplos para o QAM são os enlaces de rádio digital e microondas, transmissões em altas taxas de transferência, televisão digital de alta definição, em modem sem fio, cable modem e ADSL.[4] Os símbolos são mapeados em um diagrama bidimensional no qual na abcissa está o sinal em fase e na ordenada o sinal em quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os símbolos estão à igual distância da origem. Isto significa que as informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora.[4] Na Figura 2 são apresentados alguns diagramas de constelação de sinais com modulação M-QAM juntamente com o correspondente mapeamento de bits para símbolos M-QAM. O código mais utilizado neste tipo de mapeamento é o código Gray, pois neste código apenas um bit muda entre os símbolos adjacentes. Isto minimiza a probabilidade de erro do sistema quandop a relação sinal-ruído no receptor é suficientemente alta. 17 Figura 2 Modulação M-QAM a) 4-QAM, b)16-qam e c) 64-QAM Pode-se notar que no modo 16-QAM alcança-se uma taxa de transmissão menor do que no modo 64-QAM, uma vez que cada símbolo transporta um número menor de bits. No entanto, no modo 16-QAM, a distância entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64-QAM. Isto permite que o modo 16-QAM possibilite uma melhor qualidade de serviço, pois a maior distância entre os símbolos dificulta erros de interpretação no receptor quando este detecta um símbolo. GNURADIO GNURadio é uma ferramenta de software de código aberto e livre que fornece os módulos de processamento de sinal para implementar sistemas de comunicação baseados na arquiteura de rádio definido por software. É constituída por dois modos de funcionamento: um pode fazer a simulação do modelo de sistema; e, o outro pode fazer a aplicação em tempo real do sistema utilizando hardware de RF.[3] Este software foi projetado para processar sinais digitais em banda base no domínio complexo através da ligação de blocos que transformam sistemas de rádios em software através de operações matemáticas. Os blocos já são préimplementados no próprio GNURadio, mas se o usuário precisar de um bloco específico pode implementá-lo. O GNURadio pode ser usado em meios acadêmicos, de investigação e de aplicação comercial com soluções do mundo real. Os aplicativos do GNURadio são criados usando a linguagem Python e os blocos de processamento de sinais são escritos em C ++. Esta ferramenta pode ler um arquivo de sinal gravado como dados para posterior processamento de sinal, com a facilidade de gravação de arquivo, sem o uso de hardware RF real. A utilização das duas linguagens de programação é possível através do uso da SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator), que cria uma interface entra as duas linguagens.[3] Esta ferramenta está licenciada sob GNU General Public License com direitos de autor de Free Software Foundation (FSS). Dentre os blocos que compõem esta plataforma de software livre, podem-se mencionar:[3] Operações matemáticas como soma, multiplicação, subtração, logaritmo, entre outras; Portas lógicas; Moduladores, como OFDM, QAM, DPSK, entre outros; Filtros FIR, IIR, passa-banda, passa-baixa, etc; Interpolação e decimação; Blocos de ligação com a USRP e USRP2; Controles de ganho; Scramblers (embaralhadores de sinal); Corretores de erros como alguns tipos de treliças; 19 FFT (Transformada Rápida de Fourier); Flow Graphs ou graficos, são blocos que tem como função o processamento de sinais, são interligados entre si controlando assim um fluxo para o sinal; Sources chamados de fontes, como o próprio nome já diz são fontes de sinal; Sinks chamados sorvedouros, são blocos sem portas de saída, somente recebem sinal; Options: blocos que determinam título, autor; Variable sample_rate: pré-definição de frequência de amostragem e outras variáveis que serão chamadas pelos outros blocos. Existem quatro tipos de dados para representação das amostras que estão nos blocos do GNU Radio, que ainda podem ser representados através de vetores. Os quatro tipos são: Complex: dados de 8 bytes representados pela letra c; Float: dados de 4 bytes representados pela letra f; Short int: dados de 2 bytes representados pela letra s; e, Char: dados de 1 byte representados pela letra b. Basicamente para se iniciar um sistema no GNURadio é necessário ter blocos (fonte blocos de processo sorvedouros). Além de montar o sistema em blocos é possível também criar os mesmos diretos em Python. Caso seja modificado um bloco pré-existente o mesmo continuará com a mesma configuração para os demais projetos. Para analisar as propriedades dos blocos basta dar dois cliques nesses grupos, então surgirá uma tela com as propriedades e algumas instruções conforme a Figura 4. Caso seja necessário alterar a aplicação do código gerado deve se estar ciente de que cada vez que o aplicativo é executado a partir da interface, o mesmo irá substituir o script gerado, portanto, se houver necessidade de modificá-lo deve-se modific
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