Digital Signal Processing in Software Defined Radio

Vergelijkbare documenten
GNU-radio 20 okt 2017 pe2rid. GNUradio.. Linux. internet. veel geduld

Elektor Live Software Defined Radio. Pascal Schiks & Martin Dudok van Heel

Van bit naar bit. 19 januari 2011 Henk Schanssema PA2S

DEC SDR DSP project 2017 (2)

Alvorens in te gaan op het zelfbouwproject Lima SDR eerst iets over de techniek en de

EE 2521: Digitale Signaalbewerking

DEC DSP SDR 5 Dicrete Fourier Transform

Pajottenlandse Radio Amateurs

z 1 Dit tentamen bestaat uit zes opgaven (50 punten) Opgave 1 (8 punten) Gegeven het volgende systeem:

LES 3 Analoog naar digitaal conversie

DK4DDS. Marc van Stralen. Software Defined Radio Daar kun je niet om heen! SDR Wat is dat?

DIGITALE SIGNAALVERWERKING

Software Defined Radio

Software Defined Radio: de zachte kant. Jan van Katwijk

Hoogfrequent technieken.

De digitale Oscilloscoop (Digital Storage Oscilloscope = DSO) J.P.Goemaere KaHo Sint-Lieven 2006

Het moederbord van de zendontvanger "PiligrimPro"

Presentatie HF transceiver explained (a.h.v. een 27 MHz CB zendontvanger)

Ruis in amateur ontvangers PA0EHG

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT DER TECHNISCHE NATUURKUNDE

Je krijgt 2 parabolen kado... Wat doe je ermee?

College: meestal dinsdag 13:45 (zaal A), donderdag 13:45 (zaal C)

Harmonischen: een virus op het net? FOCUS

DE VERSCHILLEN TUSSEN DE FLEX-6000 RADIO S

Digitale systemen. Hoofdstuk De digitale regelaar

Wat aantekeningen m.b.t. de nieuwe Exameneisen Radiotechniek en Voorschriften 1 voor de Amateurvergunning F.

Tentamen Inleiding Meten Vakcode 8E april 2009, uur

HOOFDSTUK 5: Digitale audio

Software Defined Radio met AVR Deel 6: Decoderingsmethoden voor het ontvangen van BBC

1. Opgave. We gebruiken de bilineaire transformatie om een digitaal laagdoorlaatfilter H(z) te ontwerpen met de volgende parameters:

z-transformatie José Lagerberg November, 2018 Universiteit van Amsterdam José Lagerberg (FNWI) z-transformatie November, / 51

Versterking Principe van de versterking

Bijsluiter Presets 2014 t.b.v. NLT-module Sound Design

DFT, Windowing, STFT, spectrogrammen

Fase-ruis metingen aan oscillatoren met een low-cost Rigol DSA815TG Spectrum Analyser tot -150 dbc/hz

Presentatie betreffende de ervaringen met WSPR door PA3EDR een vervolg op de presentatie van Dick PA4VHF

Meet- en Regeltechniek

Uitwerking studie stimulerende toets Embedded Signal Processing (ESP)

Uitwerking LES 18 N CURSSUS

Fourier transformatie

EEN QRSS-GRABBER MET DE RED-PITAYA OPZET V.D. LEZING QRSS-SIGNALEN QRS RAPPORTAGE QRSS-SIGNALEN WAAROM ZO LANGZAAM?

Toelichting op Wave Files. Toelichting op Wave Files. Digitaal Audio Processing. Toelichting op Wave Files. Toelichting op Wave Files

Cursus "Frequentiespectrum en Ruis"

Labo Digitale Signaalverwerking Fourrier Sound Synthese. Dumon Willem & Van Haute Tom - 4elictI1

Fourier transformatie

Hydrofoon versterker. Een versterker voor de Aquarian H2a. Betreft: Hydrofoon versterker. Door: David Boelee,

FT-8 in WSJT-X: How To + loggen via HRD - DEMO ON5MB

Pajottenlandse Radio Amateurs PSK 31

EE 2521: Digitale Signaalbewerking

Rekenkunde, eenheden en formules voor HAREC. 10 april 2015 presentator : ON5PDV, Paul

WISKUNDE VOOR HET HOGER TECHNISCH OIMDERWUS LOTHAR PAPULA. deel 2. 2e druk ACADEMIC 5 E R V I C

1. Wat is het voor- en nadeel van digitale modulatie en wat bedoelt men met digitale compromis?

DDS chips. DDS = Direct Digital (frequency) Synthesis. Output = sinusvormig signaal. Maximum frequentie = ½ klokfrequentie

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

Inhoud leereenheid 7. Communicatietheorieën. Introductie. Leerkern. Samenvatting. Terugkoppeling. Communicatietechnologie: een inleiding

Schriftelijk tentamen Digitale Telecommunicatie Technieken (5LL20) en Telecommunicatie Techniek (5LL50) op dinsdag 14 juni 2005 van

Muziek. Muziek. Analoog rekenen. Hoofdstuk 1: Van analoog naar digitaal. Analoog. Digitaal. Analoog. Gebruik makend van fysische grootheden Cf Babbage

DWDM COMPONENTEN. Funea Broadband Services bv. Gouden Rijderstraat 1. Postbus AB Oosterhout T: +31 (0) F: +31 (0)

ATV collectief Amstelland. Digital ATV. Koert Wilmink

HiFi over 8,33 khz channel spacing? Ik dacht het niet.

Transciever test rapport kritisch bekeken. Theorie Praktische opstellingen en metingen

Uitwerking LES 3 N CURSSUS ) A De modulatievorm welke de minste storing door laagfrequent detectie veroorzaakt is:

DSP Labo 3&4: Fourier

Netspanning-analyzer met Arduino

Uitwerkingen tentamen 8C080 - april 2011

0 of laag niveau V verboden zone 1 of hoog niveau. Voorbeeld van een digitaal signaal als functie van de tijd

Een intelligent DMX netwerk

Gebruikershandleiding Axitour AT-900 audio communicatiesysteem

INSTITUUT VOOR DEELTIJD HTO

Proef-tentamen Algoritmiek Datum en tijd

Opleidingsonderdeel : Digitale meettechniek en DSP. Digitale voltmeters en multimeters

Tussentoets Meten van Fysische Grootheden, , uur BW/VU

I en Q datalink op 2.45 GHz

NABESPREKING PRACTICUMTOETS 26 APRIL 2018

Hands-on met Red Pitaya

PCE-DSO8060 / TFT 5,7 "/ FFT / / USB

Introductie EMC. Hét EMC Event 2011 DARE!!

Wat is nieuw in WaveWizard_2013?

De bouw van de Aqualizer. Door Josse van Dobben de Bruyn & Jelle van Mourik

De bouw van een Software Defined Radio

V subaudio carrier, 0Hz carrier/waveshaping en audiosignalen als carrier en modulator

Vectoren, matrices en beeld. Figuur: Lena. Albert-Jan Yzelman

Gegevens. Doelstellingen Elektronica. verwerven. opslaan. bewerken doorsturen. weergeven. Analoog signaal : snelheidsmeting. KHLim - dep.

Betaalbaar Home Control. Presentatie op bijeenkomst van EmSE: Embedded Systems Eindhoven

Oefententamen Telecommunicatietechniek I (ET2505-D2)

Wat is Arduino? Arduino = microprocessor (Atmel)

Hoe belangrijk is lineaire algebra voor akoestiek en omgekeerd?

Digitale meettechniek

Communicatie over kleine en grote afstanden

CTCSS Encoder Super Flexibel Ontwerpen met een Arduino Nano

De oscilloscoop: Stukje geschiedenis:

Meten van de Impuls response

Hoe de (very) near-field test methode bijdraagt aan optimale antenne performance

Wavelets Een Introductie

Uitwerking LES 17 N CURSSUS

Introductie EMC. Hét EMC Event 2011 DARE!!

Van analog naar digital, een beknopt overzicht.

Overzicht Fourier-theorie

Inleiding: ELMO Project PA3FHY/PA3CEG Ref:02 Eenvoudig Logisch Multifunctioneel Ontwerp

Deze confguratie is met name bruikbaar voor het opwekken van klanken met duidelijk onderscheiden formanten.

Transcriptie:

Digital Signal Processing in Software Defined Radio RF seminar presentatie Bram de Ridder, pe2rid 1

Onderwerpen Waarom Software Defined Radio Digital Signal Processing (DSP) - Digitaliseren van analoge signalen - Ruis - Quadratuur signalen - Digitale filters en frequentie conversie 2

Waarom Software Defined Radio? Het radio -principe: conversie van informatie uit het elektromagnetisch spectrum (EMS) informatie moet gebruiksklaar gemaakt worden Klassieke radio: elektrische signalen uit een EMS-converter (= antenne) analoog bewerken: selecteren van informatie uit de EMS-soep manipuleren van dit signaal tot bruikbaar niveau 3

Waarom Software Defined Radio? Benodigde elementen: isoleer gewenst deel van het EM-spectrum extract gewenste informatie niveau aanpassing voorwaarde: geen extra informatie toevoegen afstemmen: 100 Hz uit GHz-bereik selectiviteit: ongewenste externe signalen tig db s demodulatie: CW, SSB, AM, (N)FM, AFSK, PSK, PM, QAM, versterken interne ruis en stoorsignalen 4

Waarom Software Defined Radio? EMS-soep 5

Waarom Software Defined Radio? Blokschema: moeilijk gemakkelijk Racal RA17 RF & IF trappen 6

Waarom Software Defined Radio? Uitdagingen bij klassieke constructie: (thermische) ruis scheiden van gewenste en ongewenste signalen complexe constructie (stabiliteit, selectiviteit, frequentieconversies) De oplossing (?) Go Digital. analoge signalen digitaliseren (ADC) na digitalisatie rekenen = software moderne klassieke radioamateur: 7

Waarom Software Defined Radio? Blokschema: software Basic SDR: IQ-mixen naar (audio) baseband: 48 / 96 / 192 khz 8

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Analoog: oneindig aantal waarden Digitaal: aantal waarden (getallen) hangt af van het aantal bits n: x = 2 N 4 Bits 2 4 = 16 waarden voor x 9

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Analoog: oneindig aantal waarden Digitaal: aantal waarden (getallen) hangt af van het aantal bits n: x = 2 N 4 Bits 2 4 = 16 waarden voor x SNR[dB] = 20log { 2 N 3/2 } = 6 N + 1,76 SNR = {rms-waarde inputsignaal / rms-waarde foutsignaal (ruis)} => SNR = rms sinus (full scale) / rms zaagtand => SNR = (½ Vref : 2) / ( ½ LSB : 3) LSB = stapgrootte = Vref / 2 N 10

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Jitter in sampling clock signaal SNR tgv jitter vermindert bij hogere frequenties 11

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Jitter in sampling clock signaal 14 bit ADC @ 80 MHZ (12,5 ns): SNR ADC 14 6 = 64 db Jitter > 1,5 ns 12

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) f s = 5 samples per seconde (sps) frequentie: 1Hz alias freq: 6 Hz alias freq 11 Hz 13

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) f s = 5 samples per seconde (sps) frequentie: 1Hz alias freq: 6 Hz alias freq 11 Hz alias freq 4 Hz (180 fasedraaiing) frequenties boven de halve sample rate geven identieke gedigitaliseerde waarden 14

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Nyquist limiet: alleen voor frequenties beneden fs/2 eenduidige sampling mogelijk 15

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Nyquist limiet: analoog filter tot maximaal fs/2 voor het digitaliseren 16

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) alias frequenties vermijden, of doelbewust gebruiken Voorbeeld: VNWA van DG8SAQ Nyquist limiet 17

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Wisselspanning kan worden voorgesteld als draaiende (eenheids)vector fasehoek 18

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) Wisselspanning kan worden voorgesteld als draaiende (eenheids)vector Q I 19

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC): alias probleem 20

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC): alias probleem sample clock 5 sps inputfrequentie 3 Hz -> alias 21

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC): alias probleem Quadratuursignaal voor fasebepaling I Q I - in fase (cos fasehoek) Q - quadratuur fase (sinus fasehoek) 22

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC): alias probleem 23

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC): alias probleem alias frequenties sample clock: 5 sps geen wel IQ sampling 24

Basisbegrippen DSP Analoog naar digitaal converter (ADC) 3,6 MHz LPF: fc < 96 khz sample clock 96 ksps 25

Basisbegrippen DSP Interface bandbreedte: data stream uit ADC naar DSP: aantal bits / seconde = sample rate x aantal bits 24 bits x 192 ksps = 4,6 Mb/sec 14 bits x 80 Msps = 1,12 Gb/sec USB 2.0: 200-300 Mb/s (spec: 480 Mb/s) USB 3.0 spec: 4800 Mb/s Ethernet cat5/5e: 50/500 Mb/s (spec: 100/1000 Mb/s) 26

Basisbegrippen DSP Samenvatting digitaliseren aantal (effectieve) bits S/N ratio = 6 N + 1,7dB clock jitter sample rate bepaalt eenduidig frequentiebereik analoge filters tot fs/2 of fs (quadratuur) alias frequenties boven fs bruikbaar? bandbreedte ADC naar DSP 27

Basisbegrippen DSP Digitale Signaalverwerking (DSP) versterken: getallen vermenigvuldigen met (constante / variabele) factor mixen: getallen vermenigvuldigen met een sinus (cosinus) filteren: combineren van eerdere of latere sample waarden detectie van amplitude- en faseverandering (frequentie) oscillator functie: sinus (cosinus) getallenreeks genereren (CORDIC-algoritme, DDS) sample rate veranderen. DSP = REKENEN 28

Basisbegrippen DSP Digitale Signaalverwerking (DSP) Voordeel: aanpassen functionaliteit: software DSP-platform kan generiek zijn, eenvoudige hardware updates niet afhankelijk van RF-frequentie complexe modulatiepatronen en coderingen 29

Basisbegrippen DSP Digitale Signaalverwerking (DSP) Nadeel (voor amateurs): computer vaardigheid, programmeren hardware = SMD (vergrootglazen, loeplampen, alzheimer, tools) 30

DSP technieken Fourier transformatie: Elk periodiek signaal kan worden samengesteld uit (co)sinusvormige signalen Oneven harmonischen t/m 11 blokgolf: A = DC + f(0) + ⅓ 3f + ⅕ 5f + zaagtand: f(0) - ½ 2f + ⅓ 3f ¼ 4f + Symmetrische golfvormen: alleen oneven harmonischen 31

DSP technieken Fourier: Elk periodiek signaal kan worden samengesteld uit (co)sinusvormige signalen blokgolf: A = DC + f(0) + ⅓ 3f + ⅕ 5f + zaagtand: f(0) - ½ 2f + ⅓ 3f ¼ 4f + Symmetrische golfvormen: alleen oneven harmonischen 32

DSP technieken (Inverse) Fourier transformatie: Uit een sample reeks kunnen de frequentie-componenten berekend worden: conversie van het tijddomein naar het frequentiedomein en vice versa tijddomein frequentiedomein 33

DSP technieken Fourier transformatie: wiskundige conversie van een periodiek gesampled signaal naar frequentiedomein berekent voor elke frequentiestap ( bin ) binnen het frequentiebereik de amplitude en fase in de bin frequentie resolutie (bandbreedte bins): sample rate / aantal samples (N) Voorbeeld: digitaliseren met 100 ksps gedurende 10 msec geeft 1000 samples. reëel: frequentiebereik DC 50 khz nr bins: N/2 = 500 resolutie 50 khz / 500 = 100 Hz complex: DC 100 khz N = 1000 100 khz / 1000 = 100 Hz aanname: het ingangssignaal is periodiek en continu 34

DSP technieken Fourier transformatie (reëel) input: 16 reële sample waarden output: 8 x 2 coëfficientenparen I/Q amplitude per frequentiebin: [I,Q] + Pythagoras fase per frequentiebin: ψ = atan ( Q / I ) 35

DSP technieken Fourier transformatie (complex) op kwadratuursignaal (I/Q) input: 16 reële (I) + 16 imaginaire (Q) sample waarden output: 16 x 2 coëfficientenparen voor frequentie en fase 36

DSP technieken Fourier transformatie Theorie: input signaal is periodiek en continu Praktijk: discontinue, niet periodiek Gevolg: FFT afwijkingen aantal bins: sample rate / 2 = 64 resolutie: ½ fs / bins = 64 / 64 = 1 Hz 37

DSP technieken Fourier transformatie FFT afwijkingen beperken door windowing 38

DSP technieken Fourier transformatie minder spectrale ruis amplitude en frequentie onnauwkeuriger 39

DSP technieken Fourier transformatie Windowing voor discontinue signalen invloed op amplitude invloed op spectrale spreading - Kaiser - Tukey - rechthoekig - Bartlett (driehoek) - Hamming - Hanning - Blackmann-Harris - Flattop 40

DSP technieken Fourier transformatie aantal bins: N / 2 = 64 resolutie: ½ fs / bins = 1 Hz 41

DSP technieken SDR spectrum display: IQ magnitude per bin amplitude per bin: ( I 2 +Q 2 ) 0,5 fs = 2,048 Msps aantal samples = 2048 fs/n = 1000 frequentie bins bandbreedte bins: fs/bins = 2,048 khz LO 42

DSP technieken Fs = 2,048 Msps aantal samples = 2048 Aantal bins: 2,048M / 2048 = 1000 bandbreedte bin: fs/bins = 1000 Hz RTL-SDR 1 khz AM signaal ±6 khz 43

DSP technieken Fs = 2,048 Msps aantal samples = 16384 Aantal bins: 2,048M / 16384 = 8000 bandbreedte bin: fs/n = 125 Hz RTL-SDR 125 Hz AM signaal ±6 khz 44

DSP technieken Frequenties converteren Mixer: reëel: zowel som- als verschilproduct complex: alleen som- of verschilproduct (USB of LSB) In DSP-termen: vermenigvuldigen van complex RF-signaal met complex LO-signaal het (digitale)lo-signaal kan een blokgolf zijn (bijv. Tayloe-mixer) 45

DSP technieken Frequenties converteren Numerieke vermenigvuldiging van 7 Hz LO blokgolf met een 10 Hz sinus: vermenigvuldiging met een LO-blokgolf: verschil 3 Hz, som 17 Hz, mengproducten 3, 5, 7 x LO 46

DSP technieken Frequentie filters moving average : voortschrijdend gemiddelde over meerdere samples, dempt uitschieters 47

DSP technieken Frequentie filters Finite Impulse Response filters (FIR) coëfficienten h(n) bepalen de doorlaatcurve h(1) = h(5), h(2) = h(4): symmetrisch filter heeft lineair fase verloop veel computertijd nodig voor scherp filter (veel taps) 48

DSP technieken Frequentie filters FIR filter voorbeeld: Ontwerp: sample rate = 1000 sps max frequentie: fs/2 = 500 Hz doorlaatband DC 50 Hz, ripple < 2 db stopband 200 500 Hz, demping > -40 db h(1) = h(9) = 0,023 h(2) = h(8) = 0,065 h(3) = h(7) = 0,121 h(4) = h(6) = 0,170 h(5) = 0,189 49

DSP technieken Frequentie filters Infinite Impulse Response filters (IIR) geen lineair fase verloop weinig computertijd nodig voor scherp filter feedback kan tot instabiliteit leiden 51

DSP technieken Frequentie filters 3600 khz 0,75 db 3650 khz 10,7 db 3700 khz 20,2 db IOWA Hills IIR designer (http://www.iowahills.com) 52

DSP technieken Mixer opties Mixers: niet mixen direct sampling (0 30 MHz) mixen met quadratuur oscillator (I/Q) naar DC of IF analoge mixer naar IF, dan digitaliseren analoog Nyquist low pass filter, DC ½fs / fs I en Q ADC s, sample clock fs 53

DSP technieken Voorbeeld: USRP - eerst mixen, dan digitaliseren (quadratuur) 54

DSP technieken SDR down sampling Samples van de ADC worden vermenigvuldigd met digitale LO (IQ) met frequentie fc = 600 KHz Sample rate 2,048 Msps RTL-SDR benodigde sample rate voor 200 khz (IQ) FIR filter 200 ksps sample rate decimation: fs (input): 2048 ksps fs (output): 2,048 : 8 = 256 ksps 55

DSP technieken Digital down conversion (DDC) Audiokaart 16 bits, sample rate = 96 ksps Q-mixen naar baseband (0 Hz) sample rate voor 6 khz filter 6 ksps 1 van elke 16 samples gebruiken amplitude (I 2 +Q 2 ) 0,5 audio bitstream: 44.1 / 48 ksps: samples (waarde = 0) toevoegen SNR 16 bits: 96 db Ruis in 6 khz: - 12 db SNR: -108 db ( 18 bits) -48 khz +48 khz 56

DSP technieken Digital down conversion (DDC) quantiseringsruis over gehele bandbreedte decimation door weglaten van samples FIR filter voor gewenste (de)modulatie bandbreedte halvering sample rate 3 db minder q-ruis RTL-SDR: 8 bits, fs = 2,4 Msps SNR 6 x 8 = 48 db decimation 1/4 (600 ksps) : SNR = 48 db + 2 x 3 db = 54 db 9 bits. decimation 1/1024 (2,3 ksps): SNR = 48 db + 10 x 3 db = 78 db 13 bits 57

DSP technieken Conclusies: Waarom Software Defined Radio? - toekomst: digitaal - prestaties digitaal <> analoog: software en processing power - software verloopt niet - hardware <> software kosten - geen (digitale) kennis vereist om te opereren - upgrades, functionaliteit nieuwe kennis voor de amateur: digitale technieken, programmeren, linux (GNUradio),. zelfstudie: internet 58

DSP technieken Samenvatting presentatie Waarom Software Defined Radio? Principes van digitaliseren (Nyquist limiet) Eigenschappen van ADC s (ruis, resolutie) Fourier transformatie (tijddomein <> frequentiedomein, windowing) Reële en complexe signalen Mixen (DC, lage IF) Digitale filters (FIR, IIR) Sample rate decimatie (SNR verbetering) 59

Samenvatting gehele presentatie: 60