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Radio définie par logiciel - comment ça marche? Partie 7

Salut, Habr.

Dans la partie précédente sur le transfert vers GNU Radio , la question a été posée de savoir s'il était possible de décoder le protocole LoRa (transfert de données pour les appareils de faible puissance) en utilisant SDR. Ce sujet m'a semblé intéressant, d'autant plus que le signal LoRa lui-même est plutôt inhabituel - la soi-disant modulation Chirp Spread Spectrum, ou «modulation chirp».



Comment cela fonctionne, a continué sous la coupe.

Soit dit en passant, la traduction littérale de la modulation Chirp aurait ressemblé à une "modulation de tweet", mais cela semble complètement surréaliste, donc je ferais mieux de laisser le simple mot "chirp" (comme suggéré dans les commentaires, en russe, cela s'appelle la modulation de fréquence linéaire ).

Modulation LoRa


Comme mentionné ci-dessus, lors de la transmission de LoRa, une méthode de modulation utilisant des «chirps» est utilisée, par la manière brevetée par Semtech. Si quelqu'un veut des détails d'implémentation avec des formules, vous pouvez lire le PDF sur le site Web de Semtech ou ici , mais si c'est très grossier, alors un «gazouillis» est un changement de fréquence, et le flux binaire est encodé avec de tels changements, comme indiqué dans l'image ci-dessus. Les paramètres du signal dans LoRa sont SF (facteur d'étalement - en fait, la durée d'un "gazouillis") et largeur de bande - largeur de bande de transmission. Le paramètre SF est défini par les valeurs SF7 prédéfinies - SF12, où 7 est le plus rapide et 12 est le mode le plus lent (par exemple, vous pouvez voir une image avec une illustration de différentes vitesses de gazouillis avec researchgate ).

Évidemment, plus la longueur du «bip» est courte et plus la bande est large, plus vous pouvez obtenir la vitesse de transmission. Tout cela est relié par une table comme celle-ci:



Du point de vue de la portée et de l'immunité au bruit, il est avantageux de transmettre lentement et tristement, mais tout d'abord, nous perdons de la vitesse, deuxièmement, nous perdons dans le temps, et selon les règles LoRa, l'appareil ne peut pas transmettre plus de 1% du temps afin de ne pas déranger les autres appareils. Ainsi, le choix de la vitesse de transmission optimale pour les appareils de faible puissance n'est pas non plus une tâche facile.

Avec un principe général, j'espère que c'est clair, passons maintenant au SDR et au décodage.

Le fer


Pour les tests, j'ai utilisé le LoRa Click RN2483 et l'Arduino M0, simplement parce qu'ils étaient disponibles.



Ceci est un facteur de forme assez pratique pour le prototypage, comme il vous permet de remplacer facilement la carte entre elles sans soudure (dans ce format, appelé MikroBUS , de nombreux périphériques différents sont disponibles).

Le projet de code, ne prétendant pas être en production, a été ajouté sous le becquet. La valeur "1234" est passée comme test.

rn2483_tx.ino
// RN2483 Modem and LoRa Click test TX. Tested with Arduino M0 int reset = A2; int rts = 9; // CS int cts = 3; // INT // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { Serial1.begin(57600); // Serial port to radio // output LED pin pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); pinMode(cts, INPUT); pinMode(rts, OUTPUT); digitalWrite(rts, HIGH); // Reset rn2483 pinMode(reset, OUTPUT); digitalWrite(reset, LOW); delay(100); digitalWrite(reset, HIGH); delay(100); sendCommand("sys get ver\r\n"); sendCommand("sys get hweui\r\n"); sendCommand("mac pause\r\n"); sendCommand("radio set mod lora\r\n"); sendCommand("radio set pwr -3\r\n"); // the transceiver output power, from -3 to 15 sendCommand("radio set sf sf8\r\n"); // sf7..sf12, sf7 the fastest spreading factor but gives the shortest range // sendCommand("mac set dr 0\r\n"); // data rate: 0-4, 4 faster sendCommand("radio set freq 869100000\r\n"); // sendCommand("radio set afcbw 41.7\r\n"); sendCommand("radio set rxbw 125\r\n"); // sendCommand("radio set prlen 8\r\n"); sendCommand("radio set crc on\r\n"); // sendCommand("radio set iqi off\r\n"); sendCommand("radio set cr 4/8\r\n"); // sendCommand("radio set wdt 60000\r\n"); // disable for continuous reception // sendCommand("radio set sync 12\r\n"); sendCommand("radio set bw 125\r\n"); } void sendCommand(const char *cmd) { Serial1.print(cmd); String incoming = Serial1.readString(); // SerialUSB.print(cmd); // SerialUSB.println(incoming); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { char data[64] = {0}; // hexadecimal value representing the data to be transmitted, from 0 to 255 bytes for LoRa modulation and from 0 to 64 bytes for FSK modulation. sprintf(data, "radio tx 1234\r\n"); sendCommand(data); if (msg_num > 10000) msg_num=0; digitalWrite(LED_BUILTIN, 1); delay(400); digitalWrite(LED_BUILTIN, 0); delay(600); }

Soit dit en passant, la portée de transmission maximale déclarée pour la RN2483 est jusqu'à 15 km, en pratique, en présence d'un bâtiment d'un étage, le signal disparaît déjà sur 1 km et ne peut pas dépasser 100 m dans les «fourmilières» urbaines.

Nous démarrons le modem et procédons au décodage.

Décodage


Il n'y a pas de support LoRa dans GNU Radio lui-même, vous devez donc utiliser des composants tiers. Il n'y en avait que deux, et malheureusement, les deux auteurs n'ont montré aucune imagination dans le nom, et ils les ont appelés exactement de la même façon - gr-lora ( https://github.com/rpp0/gr-lora et https://github.com/ BastilleResearch / gr-lora respectivement). Malheureusement, parce que GNU Radio ne peut pas avoir les deux composants à la fois, le programme d'installation d'un composant écrase les fichiers de l'autre.

rpp0 / gr-lora

Vous pouvez télécharger les sources du décodeur depuis github , l'assemblage est standard et ne pose pas de difficultés:

 git clone https://github.com/rpp0/gr-lora.git cd gr-lora mkdir build cd build cmake .. make && sudo make install && sudo ldconfig

Après l'installation, des blocs supplémentaires apparaissent dans GNU Radio, à partir desquels il est facile d'assembler un décodeur. En tant que paramètres du décodeur, vous devez spécifier la bande passante de transmission, le facteur d'étalement, la fréquence centrale du SDR et la fréquence de réception.



Les unités de GNU Radio sont standardisées de sorte que tout récepteur, tel que RTL-SDR, peut être utilisé. J'ai utilisé SDRPlay. Un simple programme Python a été utilisé pour générer des données sur la console.

udp_receive.py
 import socket UDP_IP = "127.0.0.1" UDP_PORT = 40868 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # UDP sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) sock.bind((UDP_IP, UDP_PORT)) sock.settimeout(0.5) while True: try: data, addr = sock.recvfrom(128) # buffer size is 1024 bytes print("Msg:", ' '.join('{:02x}'.format(x) for x in data)) except socket.timeout: pass

Le résultat du travail est montré sur la figure.



Comme vous pouvez le voir, la ligne contient les blocs d'en-tête et de fin de la transmission, et au milieu, nous voyons nos données «1234».

BastilleRecherche / gr-lora

Ce module est remarquable en ce qu'il peut fonctionner non seulement à la réception, mais aussi à la transmission. L'installation est à peu près la même: le composant doit être assemblé à partir de la source.

 git clone git://github.com/BastilleResearch/gr-lora.git cd gr-lora mkdir build cd build cmake .. make && sudo make install && sudo ldconfig

Le graphique de connexion de ce décodeur est illustré dans la figure.



Comme vous pouvez le voir, il y a plus de blocs. Le rotateur et le rééchantillonneur polyphasé sélectionnent la fréquence souhaitée et coupent l'excès, le démodulateur convertit les «gazouillis» en un code binaire (la sortie est une séquence comme «17 00 3e 00 38 00 2f 00 01 00 39 00 2c 00 30 00 c6 00 18 00 7e 00 d5 00 85 00 e9 00 d8 00 67 00 c4 00 ”), et le décodeur forme l'emballage final.

Malheureusement, cela n'a jamais fonctionné correctement. Le décodage fonctionne définitivement, tandis que le modem fonctionne, les données apparaissent, mais les messages reçus n'ont rien à voir avec ceux transmis.



Je n'ai pas compris la raison, soit j'ai fait une erreur dans les réglages quelque part, soit ce décodeur n'est compatible qu'avec mon propre encodeur. Ceux qui le souhaitent peuvent vérifier par eux-mêmes en utilisant le modèle de canal.

LoRaWAN


Comme vous pouvez le voir, la couche physique inférieure de transmission a été considérée ici. Dans le protocole LoRaWAN de niveau supérieur, une autre couche logique est placée au-dessus - avec le chiffrement, les clés et d'autres services. Ceux qui veulent voir comment fonctionne l'encodage peuvent essayer le décodeur en ligne ici .

Soit dit en passant, même si nous recevons un signal LoRaWAN en SDR, sans la présence de clés de chiffrement (dont l'une est stockée sur le serveur du fournisseur), nous ne reconnaissons toujours pas le contenu du paquet.

Conclusion


Comme vous pouvez le voir, le décodage de LoRa à l'aide de SDR est tout à fait possible. Bien sûr, créer une véritable passerelle basée sur le SDR n'est pas recommandé - sa sensibilité sera pire que la sensibilité des modems "réels", qui sont spécialement conçus pour recevoir des signaux faibles, et ont plus de filtres à bande étroite et de LNA. Mais pour les tests ou la recherche, cela peut être très intéressant.

Pour ceux qui veulent l'essayer par eux-mêmes, les fichiers grc de la source GNU Radio sont sous le spoiler.

receive1.grc
 <?xml version='1.0' encoding='utf-8'?> <?grc format='1' created='3.7.11'?> <flow_graph> <timestamp>Mon Jun 3 09:39:45 2019</timestamp> <block> <key>options</key> <param> <key>author</key> <value></value> </param> <param> <key>window_size</key> <value></value> </param> <param> <key>category</key> <value>[GRC Hier Blocks]</value> </param> <param> <key>comment</key> <value></value> </param> <param> <key>description</key> <value></value> </param> <param> <key>_enabled</key> <value>True</value> </param> <param> <key>_coordinate</key> <value>(8, 8)</value> </param> <param> <key>_rotation</key> <value>0</value> </param> <param> <key>generate_options</key> <value>wx_gui</value> </param> <param> <key>hier_block_src_path</key> <value>.:</value> </param> <param> <key>id</key> <value>top_block</value> </param> <param> <key>max_nouts</key> <value>0</value> </param> <param> <key>qt_qss_theme</key> <value></value> </param> <param> <key>realtime_scheduling</key> <value></value> </param> <param> 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Toutes les expériences réussies.

Source: https://habr.com/ru/post/fr454666/

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