http://excel.fit.vutbr.cz

Analyzator signalu zalozeny na DVB-T USB tuneriMartin Belica

AbstraktTato praca sa zaobera problematikou detekcie a analyzovania radiovych signalov pomocou DVB-TUSB tunera. Na analyzu signalu je nutne najskor nejaky signal zachytit’, v tomto prıpade pomocouUSB tunera. Dalej sa nad zachytenym signalom aplikuju rozne metody, ktore nam poskytnupotrebne informacie o danom signale. Zakladom analyzy je diskretna Fourierova transformacia,pomocou ktorej sa zobrazuje spektrum signalu. Dalej sa aplikuju rozne demodulacne a filtracnealgoritmy, ktore pomahaju analyzovany signal lepsie interpretovat’ uzıvatel’ovi.

Kl’ucove slova: Software defined radio — SDR — analyza signalov — DVB-T tuner

Prilozene materialy: N/A

xbelic06@stud.fit.vutbr.cz, Faculty of Information Technology, Brno University of Technology

1. UvodZachytavanie a analyza radiovych signalov pomocoutechnologie SDR (softverovo definovane radio) je vsucasnosti moderna metoda vyuzıvana na radioamater-ske, armadne a d’alsie ucely. Hlavnou motivaciou natvorbu tejto prace bolo preskumat’ a prestudovat’ tutooblast’ a tiez pokusit’ sa vytvorit’ program, ktory po-mocou lacneho zariadenia, dokaze analyzovat’ radiovesignaly. Analyza radiovych signalov ma vyznam na-prıklad pre radioamaterov, ktorı pomocou tejto tech-nologie dokazu spracovat’ sirsie spektrum signalovna rozdiel od klasickych radiovych prijımacov, ktoresu prevazne urcene na relatıvne uzke spektrum. Vovysledku moze radioamater napr. pocuvat’ vysielaniev PMR1, CB2, LPD3 a d’alsıch pasmach s pouzitımjedineho zariadenia a pocıtaca.

Zakladom myslienky SDR je mat’ jednoduchy arelatıvne lacny hardver, ktory nam umoznı zachytit’pozadovany signal a pocıtac so specialnym softverom,ktory sa postara o zvysok prace. Na to, aby bola moznakomunikacia medzi tunerom a pocıtacom, v nasomprıpade pomocou USB zbernice, je potrebny ovladac,ktory umoznı jednym smerom prenasat’ data analyzo-

1PMR - personal mobile radio2CB - citizen band3LPD - low power devices

vaneho signalu. Druhym smerom zas musı umoznit’nastavenie parametrov tunera napr. frekvenciu, sırkupasma, atd’.

V tejto praci sa zameriame hlavne na tvorbu pocı-tacovej aplikacie, ktora riesi vsetky potrebne vypoctynad zachytenym signalom a tiez vhodnu interpretaciuanalyzovaneho signalu. Zvycajne formou roznychgrafov (histogram a spektrogram). K interpretaciıradioveho signalu neodmyslitel’ne patrı moznost’ vypo-cut’ si tento signal. Aby bolo mozne si radiovy signalvypocut’, je nutne pouzit’ vhodny typ demodulacie.

Na trhu sa da najst’ mnozstvo produktov s podob-nym zameranım. Jeden z prıkladov je system AKRS(softver) spolu s IZ225 (hardver)4 od firmy URC, ktorysa pouzıva prevazne na armadne ucely. Tento systemma oproti USB DVB-T tuneru neporovnatel’ne vyssıvykon (rychlost’ spracovania, presnost’, podrobnost’,atd’.), ale aj cenu, pretoze tento produkt (AKRS aIZ225) stojı priblizne jeden milion korun.

Existuju aj nekomercne riesenia, ktore su vol’nedostupne a urcene na radioamaterske resp. studijneucely podobne ako aj tato praca. Jednym z prıkladov jeHDSDR.5 Vsetky tieto nekomercne a vol’ne dostupneriesenia obsahuju zopar chyb a nedokonalostı a tiez

4Viac informaciı na stranke: http://www.urc-systems.cz/produkty/commsesm/

5Dostupne na stranke: http://www.hdsdr.de/

Obrazok 1. Blokova schema radioprijımaca realizovaneho pomocou hardverovych komponentov

je vacsina z nich prılis zlozita na obsluhu. V niek-torych rieseniach sa dokonca zacınajuci radioamaternedokaze dostat’ k zakladnym funkciam bez znalostitych zlozitejsıch. Ciel’om tejto prace je preto vytvorit’co najjednoduchsie uzıvatel’ske rozhranie, ktore ob-sahuje iba zakladne funkcie, ktore su dostacujuce preanalyzu a amatersku pracu so signalmi.

2. SDRSDR [1] je skratka pre Software Defined Radio, co jev sucasnosti moderna technologia v oblasti radiovejkomunikacie. V tomto systeme su vsetky jeho kom-ponenty ako napr. filtracia, demodulacia atd’. imple-mentovane pomocou softveru na osobnych pocıtacochalebo vo vstavanych zariadeniach. Pojem SDR je sıceznamy uz dlho, ale donedavna iba na teoretickej urovni,pretoze v minulosti sa vsetky komponenty radiovejkomunikacie realizovali pomocou specializovanehohardveru. Nastupom vysokeho vypocetneho vykonuza relatıvne malu cenu sa tato teoria moze vyuzıvat’aj v praxi. Hlavne v oblastiach armady, telekomu-nikacneho priemyslu, ale aj na radioamaterske ucely.

Na obrazku 1 je zobrazena blokova schema beznehoradioprijımaca. Z obrazku je zrejme, ze aj jednoduchezariadenie ako je radioprijımac obsahuje mnozstvohardverovych komponentov, pricom kazdy z nich vy-konava specificku cinnost’. V prıpade, ze by sme chcelizmenit’ funkcnost’ tohto systemu napr. zmenit’ typdemodulacie, museli by sme pridat’ d’alsiu suciastkualebo vymenit’ povodnu za novu.

V prıpade technologie SDR (obrazok 2) je celysystem flexibilny a da sa prisposobit’ presne na poza-dovany ucel, bez nutnosti pridavania alebo vymenyhardverovych komponentov. Samozrejme, su tu isteobmedzenia, ktore sa tykaju hardveru (kvalita, rychlost’a presnost’ zachytavania signalu) a tiez nutnosti napro-gramovat’ potrebne algoritmy.

3. USB DVB-T tunerV tejto praci budeme na zachytavanie signalu pouzıvat’USB DVB-T tuner. Konkretne s vyuzitım cipu RTL-

Obrazok 2. Blokova schema zariadenia na princıpeSDR

2832U. Primarne sa toto zariadenie pouzıva na sle-dovanie televızie alebo pocuvanie radia na osobnompocıtaci. My sa ale budeme snazit’ vyuzit’ potencialtohto tunera naplno. A to tak, ze zachytavany signalnebude iba v pasme DVB-T a FM, ale v celom rozsahufrekvenciı, ktore fyzicky umoznuje toto zariadeniespracovat’.

Cely USB tuner je vel’mi jednoduche a relatıvnelacne zariadenie obsahujuce iba minimum komponen-tov. Zakladnymi a najdolezitejsımi komponentami suvstupny tuner (R820T) a cipset RTL2832U obsahujuci8-bitovy analogovo-digitalny prevodnık. Doska plos-nych spojov s jednotlivymi komponentami je zobrazenana obrazku 3.

Obrazok 3. Doska plosnych spojov6 (1. - tunerR820T, 2. - cipset RTL2832U)

Zariadenie pouzite v tejto praci ma nasledujuceparametre7:

6Prevzate z: http://osmocom.org/projects/sdr/wiki/rtl-sdr

7Zdroj udajov: http://sdr.ipip.cz/rtl-sdr

• Rozlısenie A/D prevodnıka - 8 bitov• Maximalna rychlost’ A/D prevodnıka - 3,2 Msps8

• Dynamicky rozsah - 48 dB• Sırka pasma - priblizne 2,8 MHz• Frekvencny rozsah - priblizne 25 az 1750 MHz

Na zachytavanie a analyzu radiovych signalov po-mocou technologie SDR je mozne pouzit’ aj ine zari-adenia, priamo postavene na tento ucel, avsak riesenies vyuzitım spomınaneho USB tunera je lacnejsie. Nadruhej strane je ale potrebne vytvorit’ ovladac, ktorybude komunikovat’ medzi tunerom a pocıtacom cezUSB zbernicu.

4. Aplikacia

Jadrom tejto prace je softver, ktory spracovava za-chyteny signal z DVB-T USB tunera. Tato aplikaciaje pısana v jazyku C++ a obsahuje mnozstvo kom-ponentov, ktore zabezpecuju potrebnu funkcnost’ akonaprıklad kniznica na vypocet rychlej Fourierovej trans-formacie, kniznice na tvorbu grafiky apod. Navrhuzıvatel’skeho rozhrania sa odvıjal od priblizneho na-crtu na obrazku 4

Obrazok 4. Mockup navrh uzıvatel’skeho rozhrania

4.1 Qt frameworkNa tvorbu grafickeho rozhrania bol pouzity Qt frame-work. Medzi hlavne vyhody tohto frameworku patrı,ze je kompatibilny s viacerymi platformami a na neko-mercne ucely je bezplatny. Ked’ze pri analyze signalovje takmer nevyhnutne pracovat’ s roznymi stavmi azmenami signalu, je vel’mi dobre, ze tento frameworkobsahuje mnozstvo rozsırenı a technologiı, ktore u-moznuju vykresl’ovat’ grafy aj v realnom case.

8Mega samples per second - pocet milionov vzoriek za sekundu

4.2 I/Q signalVystupom USB tunera je I/Q (in-phase/quadrature)signal. Princıpom tohto signalu je, ze harmonickysignal je popısany rotujucim vektorom, pricom rotaciaprebieha v komplexnej rovine a case. Signal I odpovedakosınusovej zlozke (in-phase) a signal Q odpovedasınusovej zlozke (quadrature).

4.3 Rychla Fourierova transformaciaZakladnym algoritmom pri analyze signalov je rychlaFourierova transformacia alebo skratene FFT. Je tovel’mi efektıvny algoritmus na vypocet diskretnej Fou-rierovej transformacie, ktora je definovana nasleduju-cim vzorcom:

X [k] =N−1

∑n=0

x[n]e− j2πkN n, k = 0, ...,N −1

Fourierova transformacia sluzi na prevod signalu zcasovej oblasti do frekvencnej. Podrobnejsie informa-cie o Fourierovej transformaciı v suvislosti s analyzouradiovych signalov je mozne najst’ v literature [2].

Pomocou tejto transformacie dokazeme urcit’ spek-trum zachytavaneho signalu. Vypocıtane spektrumsa nasledne zobrazuje pomocou histogramu a spektro-gramu. Na vypocet rychlej Fourierovej transformaciebola v tejto praci pouzita kniznica Simple-FFT9.

4.4 Spektrogram a histogramSucast’ou aplikacie je dvojrozmerny graf, ktory jepotrebny v realnom case obnovovat’ s vel’kym mnoz-stvom dat. Na vykreslenie takehoto grafu existujuobjekty a renderovacie metody s pouzitım knizniceQt. Ked’ze tieto metody pracuju na hlavnom vlakne vprocesore, tak pri takomto vel’kom mnozstve dat, byspracovanie nebolo optimalne. Preto je nutne hl’adat’ al-ternatıvnu cestu ako vygenerovat’ tento graf, v ktoromsa obnovuje vel’ke mnozstvo dat v malych interval-och. Riesenım je vyuzitie dedicnosti od Qt widget-us podporou pouzitia OpenGL funkciı. Rozhodol somsa pouzit’ verziu OpenGL 3.2 (Core Profile), ktorasi vyzaduje napısat’ vlastny GLSL (Graphic LibraryShading Language) program. Tento program sa skladaz Vertex shader-u a Fragment shader-u, ktore su imple-mentacne vel’mi jednoduche. Najefektıvnejsım sposo-bom ako dosiahnut’ takyto pohyblivy graf, je vyuzitietextur a vd’aka dobrej optimalizaciı grafickej karty,by sa mal vysledok niekol’konasobne zrychlit’. Naobrazku 5 je znazornena postupnost’ jednotlivych cin-nostı, potrebnych pre vykreslenie objektu v OpenGL.

9Dostupna na: https://github.com/d1vanov/Simple-FFT

Obrazok 5. Schema vykresl’ovania v OpenGL

5. ZaverCiel’om tejto prace bolo vytvorit’ system, ktory dokazeanalyzovat’ radiovy signal zachyteny pomocou DVB-TUSB tunera. Ciele, ktore boli vytycene, sa mi podarilociastocne splnit’. Zakladne poziadavky na funkcnost’aplikacie su naplnene, niektore rozsirujuce casti afunkcie systemu je potrebne zdokonalit’ a vyladit’ predosiahnutie co najlepsıch vysledkov. V buducnosti jemozne implementovat’ mnozstvo d’alsıch rozsirujucichfunkciı, pretoze to navrh aplikacie jednoducho umoz-nuje.

Pod’akovanieRad by som pod’akoval veducemu mojej prace panoviDoc. Dr. Ing Janovi Cernockemu za pomoc a podporupri tvorbe tejto prace.

Literatura[1] Ing. Pavel Mısek. Softwarove definovane

radio v provoznıch souvislostech, Oktober2012. http://www.crk.cz/FILES/SDR_V_PROVOZNICH_SOUVISLOSTECH.PDF.

[2] Simon Haykin and Michael Moher. An Introduc-tion to Analog and Digital Communications, 2ndEdition. Willey, 2007.