Il documento descrive la tesi di laurea di Arturo Rinaldi, che si concentra sulla creazione di uno strumento didattico per l'analisi delle modulazioni digitali in vari canali di comunicazione. Utilizzando la piattaforma GNU Radio, il lavoro verifica la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali della Bit Error Rate (BER) e offre strumenti per visualizzare l'impatto delle modulazioni su file audio e video. La tesi evidenzia come questo strumento possa servirci come valida risorsa didattica nei corsi di telecomunicazioni.

1. ` `
Universita di Messina - Facolta di Ingegneria
Emulazione di un collegamento Radio mediante Software Radio
Relatori
Candidato
Prof. Salvatore Serrano
Arturo Rinaldi
Prof. Giuseppe Campobello
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica V.O. - Anno Accademico 2010/11
Messina, 10 Novembre 2011

2. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
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3. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
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4. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
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5. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
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6. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
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7. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
Fornire strumenti complementari per mostrare come file audio e video
vengono modificati sotto l’azione dei canali di trasmissione
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8. Obiettivi della tesi
La realizzazione di uno strumento didattico per l’analisi delle
modulazioni digitali in diversi canali di comunicazione
I canali simulati sono stati :
Cablato : AWGN
Wireless : Rayleigh e Rician
Verificare la corrispondenza tra i risultati teorici e sperimentali delle
BER (Bit Error Rate)
Fornire strumenti complementari per mostrare come file audio e video
vengono modificati sotto l’azione dei canali di trasmissione
Per realizzare il gr-bertool ` stata adoperata la piattaforma GNU Radio
e
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9. GNU Radio
GNU Radio ` un toolkit software
e
open-source che fornisce una libreria di Gnu Radio Companion (GRC), XML
blocchi per l’elaborazione numerica dei Python Flow Graph
segnali (DSP) scritti in C++ che (Created using the processing blocks)
possono essere combinati insieme allo SWIG (Port C++ blocks to Python)
scopo di costruire e sviluppare
GNU Radio Signal Processing Blocks
applicazioni radio
(C++)
USB Interface / Gigabit Ethernet
Generic RF Front End
( USRP / USRP 2 )
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10. GNU Radio
GNU Radio ` un toolkit software
e
open-source che fornisce una libreria di Gnu Radio Companion (GRC), XML
blocchi per l’elaborazione numerica dei Python Flow Graph
segnali (DSP) scritti in C++ che (Created using the processing blocks)
possono essere combinati insieme allo SWIG (Port C++ blocks to Python)
scopo di costruire e sviluppare
GNU Radio Signal Processing Blocks
applicazioni radio
(C++)
E’ fornito di un’interfaccia grafica per
facilitare l’apprendimento (GRC : GNU USB Interface / Gigabit Ethernet
Radio Companion) Generic RF Front End
( USRP / USRP 2 )
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11. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
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12. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
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13. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
E’ cos` possibile implementare diversi standard di trasmissione software
ı
utilizzando un unico dispositivo
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14. Il Software-Defined Radio
GNU Radio ` stato sviluppato in funzione del Software-Defined Radio
e
(SDR), un nuovo ’paradigma’ dei sistemi di comunicazione
Un ricevitore ` di tipo SDR se le sue funzioni di comunicazione sono
e
realizzate come programmi riconfigurabili funzionanti su un adeguato
hardware
E’ cos` possibile implementare diversi standard di trasmissione software
ı
utilizzando un unico dispositivo
Un sistema SDR inoltre ` in grado di riconoscere ed evitare eventuali
e
interferenze con altri canali di trasmissione
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15. Il tool sviluppato : gr-bertool
L’interfaccia principale del programma
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16. Il tool sviluppato : gr-bertool
Verifica sperimentale della BER
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17. Il tool sviluppato : gr-bertool
Verifica sperimentale della BER in real-time
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18. Il tool sviluppato : gr-bertool
Strumenti complementari
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19. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
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20. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
Verifichiamo i valori teorici della BER con quelli ottenuti in maniera
sperimentale variando il rapporto segnale-rumore Eb /N0
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21. Verifica Sperimentale della BER
La Bit Error Rate (BER) di una modulazione digitale, ` il rapporto tra il
e
numero di bit non ricevuti correttamente e il numero totale di bit
trasmessi
Verifichiamo i valori teorici della BER con quelli ottenuti in maniera
sperimentale variando il rapporto segnale-rumore Eb /N0
Dalla teoria delle comunicazioni digitali ` noto che per una modulazione
e
Q-PSK la BER ` data da :
e
2Eb
Pb = Q
N0
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22. Verifica Sperimentale della BER
Calcola la BER in un intervallo di valori
di Eb /N0 dato da min e max con la
possibilit` di scegliere il passo di
a
incremento
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23. Verifica Sperimentale della BER
E’ possibile attivare o disattivare la
Codifica di Gray
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24. Verifica Sperimentale della BER
Cliccando sul tasto Plot ` possibile
e
graficare i risultati
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25. Verifica Sperimentale della BER
Si osserva un perfetto accordo tra i risultati teorici e quelli sperimentali
(a) BER AWGN BPSK (b) BER AWGN Q-PSK (c) BER AWGN 8-PSK
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26. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
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27. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
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28. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
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29. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
Ch1 Valore Sperimentale ; Ch2 Valore
Teorico
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30. L’evoluzione della BER e delle costellazioni in
real-time
Permette di osservare l’evoluzione della
BER e della costellazione in real-time
nei tre tipi di canale presi in esame
Nell’esempio seguente verr` mostrata
a
l’evoluzione della BER nel canale di
Rician per valori di Eb /N0 da −15 dB a
0 dB
Una volta avviato il valore della BER si
assesta al valore corrispondente a
Eb /N0 = 0 dB pari a circa ≈ 0.11
Ch1 Valore Sperimentale ; Ch2 Valore
Teorico
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Osserviamone l’evoluzione....
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31. L’evoluzione della BER in real-time
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32. L’evoluzione della BER in real-time
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33. L’evoluzione della BER in real-time
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34. L’evoluzione della BER in real-time
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35. L’evoluzione della BER in real-time
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36. L’evoluzione della BER in real-time
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37. La costellazione dei segnali
Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.
Figura: Schema di principio di un sistema di TLC
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38. La costellazione dei segnali
Consideriamo un generico sistema di trasmissione per un sistema di TLC.
Figura: Schema di principio di un sistema di TLC
In assenza di disturbi sul canale il generico simbolo trasmesso si verr`
¯ a
ricevuto correttamente. Il diagramma dei simboli ricevuti ` definito
e
costellazione della modulazione digitale.
ℑ
s3 (‘01’)
¯ s0 (‘11’)
¯
ℜ
s2 (‘00’)
¯ s1 (‘10’)
¯
Figura: Costellazione di una modulazione QPSK 21 di 38
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39. La costellazione dei segnali
Il disturbo nel canale modifica fase ed ampiezza dei simboli trasmessi e
pertanto il simbolo ri ricevuto non ` quello della costellazione
¯ e
ℑ ¯
Il simbolo si trasmesso non `
e
s3 (‘01’)
¯ s0 (‘11’)
¯ ricevuto correttamente
¯
ri
ℜ
s2 (‘00’)
¯ s1 (‘10’)
¯
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40. La costellazione dei segnali : evoluzione
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41. La costellazione dei segnali : evoluzione
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42. La costellazione dei segnali : evoluzione
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43. La costellazione dei segnali : evoluzione
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44. La costellazione dei segnali : evoluzione
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45. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
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46. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 0 dB e
modulazione digitale Q-PSK su un
immagine di tipo Jpeg
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47. Trasmissione di immagini
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sulle immagini
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 0 dB e
modulazione digitale Q-PSK su un
immagine di tipo Jpeg
Vediamo i risultati....
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48. Trasmissione Immagini : Canale AWGN
(a) Originale (b) AWGN
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49. Trasmissione Immagini : Canale Rician
(c) Originale (d) Rician
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50. Trasmissione Immagini : Canale Rayleigh
(e) Originale (f) Rayleigh
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51. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
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52. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 10 dB e
modulazione digitale Q-PSK
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53. Trasmissione audio
Permette di osservare l’effetto delle
modulazioni sui pi` comuni formati di
u
file audio
Sono stati studiati gli effetti nei canali
simulati (AWGN, Rayleigh e Rician) per
un valore fisso di Eb /N0 = 10 dB e
modulazione digitale Q-PSK
E’ stata effettuata l’analisi sul file
play it sam.wav con le seguenti
caratteristiche :
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54. Trasmissione audio
Propriet` del file di test
a
play_it_sam.wav :
File Size: 1.76M
Bit Rate: 1.41M
Encoding: Signed PCM
Channels: 2 @ 16-bit
Samplerate: 44100Hz
Replaygain: off
Duration: 00:00:10.00
Vediamo i risultati
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55. Trasmissione audio
(g) Originale (h) Canale AWGN
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56. Trasmissione audio
(i) Rician (j) Rayleigh
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57. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
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58. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
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59. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
Interfaccia user-friendly
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60. Conclusioni
Perch` usare gr-bertool ? Vantaggi
e
E’ un valido strumento didattico per il docente da usare nei corsi di
telecomunicazioni
Lo studente pu` trovare un rapido riscontro con quanto appreso a
o
lezione
Interfaccia user-friendly
E’ open-source !
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61. Conclusioni
Sviluppi futuri
Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramite
USB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare l’evoluzione in
real-time dei segnali
(k) USRP1 (l) USRP2
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62. Conclusioni
Sviluppi futuri
Aggiunta di moduli per la trasmissione tramite le schede USRP (tramite
USB) o USRP2 (tramite Gigabit Ethernet) per studiare l’evoluzione in
real-time dei segnali
(m) USRP1 (n) USRP2
Implementazioni di altri moduli per i protocolli di rete (ad es. 802.11n,
Bluetooth) sempre per scopo didattico
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63. Contact Information
Arturo Rinaldi
Indirizzo: Via Ugo Bassi 100 is. 147, 98123 Messina - Italy
Cellulare: +39-3405795584
Fisso: +39-0902934115
Skype: arty.net
E-mail: arty.net2@gmail.com
Facebook: arty.net
Twitter: artynet2
LinkedIn: Arturo Rinaldi
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