Oi Habr.
Na
parte anterior, vimos a possibilidade de transmitir sinais simples usando o GNU Radio. Agora iremos além e veremos como transmitir algo mais complicado. Vamos começar com os sinais de rádio amador WSPR e, em seguida, criar um modem QAM de software funcional.
E, como no caso anterior, faremos isso sem escrever uma única linha de código, o programa também será multiplataforma e poderá funcionar tanto no OSX / Linux quanto no Windows. Também mostrarei como depurar um modem usando o GNU Radio, sem nenhum hardware.
Continua sob o corte.
Para aqueles que não usaram o GNU Radio, é recomendável ler as partes
4 e
5 , que descrevem os princípios de trabalho com o programa.
Wspr
Vamos começar com um mais simples, com o
WSPR - esse tipo de comunicação foi feito especialmente para testes de propagação de sinais fracos, ou seja, o que precisamos é de um nível de energia de dispositivos como o LimeSDR, não mais que 100mW. O sinal WSPR é transmitido a uma velocidade muito baixa (2 minutos por mensagem de aproximadamente 30 bytes) em uma banda muito estreita, o que permite que seja recebido mesmo abaixo do nível de ruído. Transmitir esse sinal usando o GNU Radio.
Primeiro você precisa gravar o sinal. Para fazer isso, pegue o programa
WSJT , defina todos os parâmetros necessários (energia, indicativo, local, etc.). Especifique o Virtual Audio Cable como o dispositivo de saída de áudio nas configurações e grave o sinal em WAV. As pausas nas bordas precisam ser cortadas em qualquer editor (por exemplo, Cool Edit); como resultado, devemos obter um arquivo com uma duração de aproximadamente 2 minutos.
Agora crie um gráfico no GNU Radio Companion.
Este método não afirma ser a máxima eficiência, mas é bastante simples e direto. O sinal WSPR é inicialmente a uma frequência de 1500 Hz, o arquivo wav gravado tem uma frequência de amostragem de 22050 s / s. Primeiro, reamostramos o sinal 57/5 vezes para trazer a frequência de amostragem para os 250.000 s / s necessários. Em seguida, aumentamos a frequência em 10KHz (o sinal útil será na frequência de 11,5KHz), convertemos o sinal na forma complexa exigida pelo receptor e cortamos o filtro em excesso, deixando as frequências 11-12KHz.
Os sinais WSPR têm limite de tempo e são transmitidos a cada minuto (0:00, 0:02, etc.). Comecei a transferência para o GNU Radio manualmente, a olho nu, determinando o intervalo por hora, quem quiser pode adicionar um script em Python para iniciar automaticamente a transferência.
Estamos aguardando a hora certa, ligue o transmissor, o receptor e verifique o resultado.
Se desejar, você também pode adicionar a geração automática de um arquivo WSPR ao programa com base nos dados de entrada (indicativo, local, potência de transmissão); exemplos de geração de WSPR para Python podem ser obtidos no github.
É interessante notar que em 432 MHz o desvio de frequência já é bastante perceptível, embora o sinal ainda esteja decodificado. Mas a uma frequência de 1,3 GHz, o desvio se torna tão grande que o WSPR não é mais aceito - um gerador de referência externo com um sinal mais estável é necessário para SDR (ou pelo menos correção de frequência de software durante a transmissão, embora isso seja menos conveniente).
Se o SDR permitir que você transmita em baixas frequências, tente a transmissão na banda HF. Assim, com o HackRF, foi possível transmitir um sinal a 1000 km a 14 MHz a partir de uma antena da sala, o que pode ser considerado um bom resultado. Embora as altas frequências (433 MHz e 1,3 GHz) sejam talvez ainda mais interessantes para experimentos, os sinais são transmitidos apenas na linha de visão direta; portanto, para esses experimentos, é necessário um segundo participante no lado receptor. A segunda vantagem de tais testes é que apenas os preguiçosos não transmitiram para a IC em wspr, mas as altas frequências são muito menos dominadas. Assim, com placas como LimeSDR ou USRP, você pode realizar experimentos bastante interessantes com recepção e transmissão em frequências ultra altas.
Modem QAM
Vamos mais longe. O WSPR é um formato bastante simples, vamos fazer algo mais interessante - um modem completo (bem, quase). Com a
modulação em amplitude em quadratura, a amplitude e a fase do sinal mudam simultaneamente, o que permite que os dados sejam transmitidos a uma velocidade mais alta (mas a banda ocupada também é maior).
Considere a primeira parte - o transmissor.
Como você pode ver, lemos os dados do arquivo data.txt e, com uma frequência de amostragem de 25 KHz, enviamos dados para o codificador de pacotes, que converte o fluxo em um código de 4 bits. Esse fluxo vai para o modulador de quadratura, então a frequência de amostragem é aumentada para uma frequência de 250KHz e o sinal é deslocado para cima em 80KHz (muitos receptores têm um pico na frequência zero, e isso interfere). O componente Constellation Rect define os parâmetros de modulação - o número de caracteres e a mudança de fase e amplitude.
A primeira parte está pronta. Começamos a "transferência" e vemos o nosso sinal.
Podemos testar nosso transmissor sem precisar de nenhum equipamento - para isso existe um bloco especial de modelo de canal - um modelo de canal de comunicação. Lá você pode definir o ruído, a mudança de frequência etc.
É assim que o nosso sinal se parece antes e depois da transmissão. A propósito, como você pode ver, todos os "harmônicos" do transmissor abaixo de 120 dB foram muito mais baixos que o nível de ruído.
Agora a recepção. De fato, a mesma coisa, apenas na ordem inversa.
Separadamente, você pode parar no último bloco UDP Sink. Não está claro por que, mas no GNU Radio não há componente para visualizar dados de texto. Portanto, simplesmente enviamos dados via UDP para qualquer porta local (escolhi 999).
Para receber, escrevemos um programa simples em Python.
import socket UDP_IP = "127.0.0.1" UDP_PORT = 999 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
Resultado: execute o script, execute o GNU Radio e veja as mensagens recebidas no console.
Como você pode ver, tudo funciona, e você não pode ter um receptor ou antenas :)
Para aqueles que desejam repetir experimentos, o arquivo grc do projeto está sob o spoiler. Ele deve funcionar no Linux e no Windows.
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Um bom guia para criar um modem mais sofisticado está
no site da GNU Radio , mas eles usam um bloco personalizado para desmodulação, que só era possível ser executado no Linux. Não há problema com isso no exemplo acima.
Conclusão
Como você pode ver, o GNU Radio é um programa bastante interessante para trabalhar com sinais de diferentes maneiras, nas quais você pode fazer muitas coisas interessantes. Se o público não perder o interesse (há um sentimento de que eu me aprofundo em tópicos estreitos que pouco interessam a maioria), tente transmitir algo mais interessante, por exemplo, um vídeo.