Hallo Habr.
Im
vorherigen Teil haben wir uns mit der Möglichkeit befasst, einfache Signale mit GNU Radio zu übertragen. Jetzt werden wir weiter gehen und sehen, wie wir etwas Komplizierteres vermitteln können. Beginnen wir mit den Amateurfunk-Signalen WSPR und erstellen dann ein funktionierendes Software-QAM-Modem.
Und wie im vorherigen Fall werden wir dies tun, ohne eine einzige Codezeile zu schreiben. Das Programm wird auch plattformübergreifend sein und sowohl unter OSX / Linux als auch unter Windows arbeiten können. Ich werde auch zeigen, wie man ein Modem mit GNU Radio ohne Hardware debuggt.
Fortsetzung unter dem Schnitt.
Für diejenigen, die GNU Radio nicht verwendet haben, wird empfohlen, die Teile
4 und
5 zu lesen, in denen die Prinzipien der Arbeit mit dem Programm beschrieben sind.
Wspr
Beginnen wir mit einem einfacheren mit
WSPR - diese Art der Kommunikation wurde speziell für Ausbreitungstests schwacher Signale entwickelt, d. H. Was wir brauchen, ist eine Leistung von Geräten wie LimeSDR von nicht mehr als 100 mW. Das WSPR-Signal wird mit einer sehr geringen Geschwindigkeit (2 Minuten pro Nachricht von ungefähr 30 Bytes) in einem sehr schmalen Band übertragen, wodurch es auch unterhalb des Rauschpegels empfangen werden kann. Übertragen Sie ein solches Signal mit GNU Radio.
Zuerst müssen Sie das Signal aufzeichnen. Nehmen Sie dazu das
WSJT- Programm und stellen Sie alle erforderlichen Parameter ein (Stromversorgung, Rufzeichen, Standort usw.). Geben Sie in den Einstellungen das virtuelle Audiokabel als Ausgangs-Audiogerät an und zeichnen Sie das Signal in WAV auf. Pausen an den Rändern müssen in jedem Editor (z. B. Cool Edit) abgeschnitten werden. Daher sollten wir eine Datei mit einer Dauer von ca. 2 Minuten erhalten.
Erstellen Sie nun ein Diagramm im GNU Radio Companion.
Diese Methode erhebt keinen Anspruch auf maximale Effizienz, ist jedoch recht einfach und unkompliziert. Das WSPR-Signal hat anfänglich eine Frequenz von 1500 Hz, die aufgezeichnete WAV-Datei hat eine Abtastfrequenz von 22050 s / s. Zuerst tasten wir das Signal 57/5 Mal neu ab, um die Abtastfrequenz auf die erforderlichen 250.000 s / s zu bringen. Dann verschieben wir die Frequenz um 10 kHz (das Nutzsignal hat eine Frequenz von 11,5 kHz), übersetzen das Signal in die vom Empfänger gewünschte komplexe Form und schneiden das überschüssige Filter aus, wobei die Frequenzen 11 bis 12 kHz belassen werden.
WSPR-Signale sind zeitgebunden und werden jede gerade Minute (0:00, 0:02 usw.) übertragen. Ich habe die Übertragung zu GNU Radio manuell gestartet, indem ich das Intervall stundenweise festgelegt habe. Jeder, der möchte, kann ein Skript in Python hinzufügen, um die Übertragung automatisch zu starten.
Wir warten auf die richtige Zeit, schalten Sender und Empfänger ein und überprüfen das Ergebnis.
Wenn Sie möchten, können Sie dem Programm auch die automatische Generierung einer WSPR-Datei basierend auf Eingabedaten (Rufzeichen, Standort, Sendeleistung) hinzufügen. Beispiele für die WSPR-Generierung für Python können auf github verwendet werden.
Es ist interessant festzustellen, dass bei 432 MHz die Frequenzdrift bereits deutlich spürbar ist, obwohl das Signal noch decodiert ist. Bei einer Frequenz von 1,3 GHz wird die Drift jedoch so groß, dass WSPR nicht mehr akzeptiert wird - ein externer Referenzgenerator mit einem stabileren Signal wird für SDR benötigt (oder zumindest eine Software-Frequenzkorrektur während der Übertragung, obwohl dies weniger praktisch ist).
Wenn Sie mit dem SDR mit niedrigen Frequenzen senden können, können Sie die Übertragung im HF-Band versuchen. So war es mit HackRF möglich, ein Signal bei 1000 km bei 14 MHz von einer Raumantenne zu übertragen, was als gutes Ergebnis angesehen werden kann. Obwohl die hohen Frequenzen (433 MHz und 1,3 GHz) für Experimente vielleicht noch interessanter sind, werden die Signale nur in direkter Sichtlinie übertragen, sodass Sie für solche Experimente einen zweiten Teilnehmer auf der Empfangsseite benötigen. Das zweite Plus solcher Tests ist, dass nur die Faulen in wspr nicht auf HF übertragen haben, aber hohe Frequenzen viel weniger beherrscht werden. Mit Boards wie LimeSDR oder USRP können Sie also interessante Experimente mit Empfang und Übertragung bei ultrahohen Frequenzen durchführen.
QAM-Modem
Gehen wir weiter. WSPR ist ein ziemlich einfaches Format. Machen wir etwas Interessanteres - ein vollwertiges (fast) Modem. Bei der
Quadraturamplitudenmodulation ändern sich gleichzeitig sowohl die Amplitude als auch die Phase des Signals, wodurch Daten mit einer höheren Geschwindigkeit übertragen werden können (das belegte Band ist jedoch auch größer).
Betrachten Sie den ersten Teil - den Sender.
Wie Sie sehen können, lesen wir die Daten aus der Datei data.txt und senden dann mit einer Abtastfrequenz von 25 kHz Daten an den Paketcodierer, der den Stream in einen 4-Bit-Code konvertiert. Dieser Strom geht zum Quadraturmodulator, dann wird die Abtastfrequenz auf eine Senderfrequenz von 250 kHz erhöht und das Signal um 80 kHz nach oben verschoben (viele Empfänger haben eine Spitze bei einer Frequenz von Null, und dies stört). Die Constellation Rect-Komponente legt die Modulationsparameter fest - die Anzahl der Zeichen sowie die Phasen- und Amplitudenverschiebung.
Der erste Teil ist fertig. Wir starten die „Übertragung“ und sehen unser Signal.
Wir können unseren Sender ohne Ausrüstung testen - dafür gibt es einen speziellen Kanalmodellblock - ein Kommunikationskanalmodell. Dort können Sie das Rauschen, die Frequenzverschiebung usw. einstellen.
So sieht unser Signal vor und nach der Übertragung aus. Übrigens, wie Sie sehen können, sind alle "Harmonischen" des Senders unter 120 dB viel niedriger als der Geräuschpegel.
Nun die Rezeption. In der Tat das gleiche, nur in umgekehrter Reihenfolge.
Separat können Sie am letzten UDP-Sink-Block anhalten. Es ist nicht klar warum, aber in GNU Radio gibt es keine Komponente zum Anzeigen von Textdaten. Daher senden wir einfach Daten über UDP an einen beliebigen lokalen Port (ich habe 999 gewählt).
Zum Empfang schreiben wir ein einfaches Programm in Python.
import socket UDP_IP = "127.0.0.1" UDP_PORT = 999 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
Ergebnis: Führen Sie das Skript aus, führen Sie GNU Radio aus und sehen Sie die empfangenen Nachrichten in der Konsole.
Wie Sie sehen können, funktioniert alles und Sie können weder einen Empfänger noch Antennen haben :)
Für diejenigen, die die Experimente wiederholen möchten, befindet sich die Projekt-Grc-Datei unter dem Spoiler. Es sollte sowohl unter Linux als auch unter Windows funktionieren.
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Eine gute Anleitung zum Erstellen eines komplexeren Modems finden Sie
auf der GNU Radio-Website . Sie verwenden jedoch einen benutzerdefinierten Block für die Demodulation, der nur unter Linux ausgeführt werden konnte. Dies ist im obigen Beispiel kein Problem.
Fazit
Wie Sie sehen können, ist GNU Radio ein ziemlich interessantes Programm für die Arbeit mit Signalen auf verschiedene Arten, in dem Sie viele verschiedene interessante Dinge tun können. Wenn das Publikum nicht das Interesse verliert (ich habe das Gefühl, dass ich mich mit engen Themen befasse, die für die meisten von geringem Interesse sind), können Sie versuchen, etwas Interessanteres zu übertragen, beispielsweise ein Video.