Radio logicielle

Texte intégral

(1)Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel. Radio logicielle. Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. J.-M Friedt FEMTO-ST/département temps-fréquence, Besançon. Applications RADAR passif Capture FM. [email protected]. Récepteurs Conclusion. transparents à jmfriedt.free.fr. 5 mars 2021. 1 / 40.

(2) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM. Matériel v.s logiciel Passage de l’implémentation matérielle à logicielle de centrales inertielles (1950s) 1 • Stabilité : un algorithme numériques ne dérive pas dans le temps ou ne présente pas de variation avec l’environnement • Flexibilité : une même plateforme matérielle supporte une multitude d’algorithmes • Reconfigurabilité : capacité à modifier les paramètres de fonctionement P D I. Récepteurs Conclusion. U(t). +. K · U(t) U(t). +. dU(t)/dt U(t). +. R. U(t)dt. P n−1 sn = K · ε n + Kd εn −ε + εn · Ts Ts +εn−2 ⇔ sn = sn−1 + K · (εn − εn−1 ) + Kd εn −2εn−1 + Ts εn Ts • Excellent stabilité du numérique à long terme (pas de dérive), mais bande passante limitée (fs à x00 MHz mais coefficients de FIR) 1. D.A. Mindell, Digital Apollo : human and machine in spaceflight, MIT Press (2011) 2 / 40.

(3) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Récepteur radiofréquence matériel v.s logiciel. Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. • Ce qu’on veut : solution tout logiciel, avec une antenne et un convertisseur analogique numérique. SDR Inconvénients : dynamique limitée et ADC l’antenne se comporte comme filtre passe-bande • PLL Solution matérielle : une seule fonction, spécifiée à la conception du LO−FI FI circuit (e.g. réception FM) • Solution pratique : une première ADC SDR transposition de fréquence analogique LO avec amplificateur à gain variable, puis numérisation en bande de base avant de démoduler numériquement le signal.. 3 / 40.

(4) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. “In addition to easing the scheduling and configuration burden, an autonomous radio also will gracefully handle unpredictable or anomalous events. For example, during entry, descent, and landing (EDL), a spacecraft can undergo large Doppler swings caused by rocket firings, parachute openings, backshell ejection, and a bouncing landing on the surface. Even when all scheduled events occur successfully, there may be Doppler uncertainty due to unpredictable properties of the atmosphere. Ideally, the communication link should operate whether or not each of the EDL events is successful, but the uncertainties involved typically lead to liberal link margins—for example, the Mars Exploration Rovers observed link margins that sometimes exceeded 10 dB. An autonomous radio could substantially reduce this margin because it would handle any Doppler swing nearly optimally. Unfortunately, such flexible technology is not available on NASA’s currently flying missions. In perhaps the most glaring example of this, NASA engineers discovered in 2000 that a receiver aboard Cassini, launched in 1997, would fail during the Huygens probe descent onto Titan because it did not properly account for the Doppler profile of the probe. Increasing the loop bandwidth of the synchronization loops would have easily fixed the problem, but, unfortunately, these loop bandwidths were hard-wired to fixed values on the spacecraft. With superior engineering and enormous dedication, NASA and the European Space Agency were still able to save the mission by slightly altering the original trajectory, but this solution required forming a large and expensive international recovery team to find the appropriate recommendations on how to overcome the radio’s severe limitations.” J. Hamkins & al. Autonomous Software-Defined Radio Receivers for Deep Space Applications, Deep Space Communications and Navigation Series (NASA/JPL, 2006), 4 / 40 p.2 : descanso.jpl.nasa.gov/monograph/series9/Descanso9_Full_rev2.pdf.

(5) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations. •. Échantillonnage en temps et échantillonnage en niveaux discrets niveaux discrets • valeur = V × (2N − 1) Vref • dynamique limitée par la plus petite variation de tension détectable ∆V = Vref /(2N − 1) • en radiofréquence : puissance 20 log10 (∆V ) vaut 48 dB sur 8 bits, 60 dB sur 10 bits, 72 dB sur 12 bits et 96 dB sur 16 bits. Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. • échantillonnage en temps discret • • • •. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. fréquence d’échantillonnage fs (période d’échantillonnage 1/fs ) hypothèse de périodicité du spectre extension du spectre de −fs /2 à +fs /2 fs connu ⇒ on décide de nommer fs /2 (fréquence de Nyquist) à 1 et d’exprimer toutes les fréquences f comme fréquences normalisées f /(fs /2) = 2 × f /fs ∈ [−1 : 1]. tension (V). • acquisition sur N points et transformée de Fourier discrète sur N points : résolution spectrale fs /N 1 0.5 0 -0.5 -1 0. 2. 4. 6. temps (s). 8. 10 5 / 40.

(6) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations. •. Échantillonnage en temps et échantillonnage en niveaux discrets niveaux discrets • valeur = V × (2N − 1) Vref • dynamique limitée par la plus petite variation de tension détectable ∆V = Vref /(2N − 1) • en radiofréquence : puissance 20 log10 (∆V ) vaut 48 dB sur 8 bits, 60 dB sur 10 bits, 72 dB sur 12 bits et 96 dB sur 16 bits. Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. • échantillonnage en temps discret • • • •. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. fréquence d’échantillonnage fs (période d’échantillonnage 1/fs ) hypothèse de périodicité du spectre extension du spectre de −fs /2 à +fs /2 fs connu ⇒ on décide de nommer fs /2 (fréquence de Nyquist) à 1 et d’exprimer toutes les fréquences f comme fréquences normalisées f /(fs /2) = 2 × f /fs ∈ [−1 : 1]. tension (V). • acquisition sur N points et transformée de Fourier discrète sur N points : résolution spectrale fs /N 1 0.5 0 -0.5 -1 0. 2. 4. 6. point (u.a.). 8. 10 6 / 40.

(7) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations. •. Échantillonnage en temps et échantillonnage en niveaux discrets niveaux discrets • valeur = V × (2N − 1) Vref • dynamique limitée par la plus petite variation de tension détectable ∆V = Vref /(2N − 1) • en radiofréquence : puissance 20 log10 (∆V ) vaut 48 dB sur 8 bits, 60 dB sur 10 bits, 72 dB sur 12 bits et 96 dB sur 16 bits. Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. • échantillonnage en temps discret • • • •. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. fréquence d’échantillonnage fs (période d’échantillonnage 1/fs ) hypothèse de périodicité du spectre extension du spectre de −fs /2 à +fs /2 fs connu ⇒ on décide de nommer fs /2 (fréquence de Nyquist) à 1 et d’exprimer toutes les fréquences f comme fréquences normalisées f /(fs /2) = 2 × f /fs ∈ [−1 : 1]. valeur (bit). • acquisition sur N points et transformée de Fourier discrète sur N points : résolution spectrale fs /N 1 0.5 0 -0.5 -1 0. 2. 4. 6. point (u.a.). 8. 10 7 / 40.

(8) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations. •. Échantillonnage en temps et échantillonnage en niveaux discrets niveaux discrets • valeur = V × (2N − 1) Vref • dynamique limitée par la plus petite variation de tension détectable ∆V = Vref /(2N − 1) • en radiofréquence : puissance 20 log10 (∆V ) vaut 48 dB sur 8 bits, 60 dB sur 10 bits, 72 dB sur 12 bits et 96 dB sur 16 bits. Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. • échantillonnage en temps discret • • • •. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. fréquence d’échantillonnage fs (période d’échantillonnage 1/fs ) hypothèse de périodicité du spectre extension du spectre de −fs /2 à +fs /2 fs connu ⇒ on décide de nommer fs /2 (fréquence de Nyquist) à 1 et d’exprimer toutes les fréquences f comme fréquences normalisées f /(fs /2) = 2 × f /fs ∈ [−1 : 1]. valeur (bit). • acquisition sur N points et transformée de Fourier discrète sur N points : résolution spectrale fs /N 1 0.5 0 -0.5 -1 0. 2. 4. 6. point (u.a.). 8. 10 8 / 40.

(9) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Principe du récepteur : coefficients I, Q Pourquoi traitons nous des nombres complexes ? • un signal périodique est caractérisé par 3 grandeurs :   s(t) = A(t) · cos ω(t) ·t + ϕ(t) |{z} |{z} |{z} AM. FM. PM. • puissance et {fréquence,phase} ne sauraient être extraites d’une unique mesure • transposition par mélangeur de l’oscillateur local et sa copie en quadrature (cos(x + 90◦ ) = sin) • Problème : la quadrature n’est pas idéale et les gains sont différents Iexpe = A · cos(ωt + ϕ) Iideal = A · cos(ωt) v .s. Qexpe = (A + ε) · sin(ωt) Qideal = A · sin(ωt). ⇒ Iexpe = A cos(ωt) cos(ϕ) − A sin(ωt) sin(ϕ) = Iideal cos(ϕ) − Qideal sin(ϕ) ⇒ Qexpe = (1 + ε/A)Qideal : combinaisons linéaires des I et Q 9 / 40.

(10) Radio logicielle J.-M Friedt. Analogique v.s numérique : I, Q 2. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 2. http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/ 2016/03/sentinel-1_radar_mission/15857809-1-eng-GB/Sentinel-1_radar_ mission_pillars.jpg 10 / 40.

(11) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications. Architecture d’un récepteur à conversion directe Récepteur homodyne ou zero-IF • LO transpose signal RF en bande de base : élimine la porteuse • VGA : gain de réception pour détecter le signal sans le saturer • fs détermine la bande passante de mesure : la transformée de Fourier s’étend de −fs /2 à +fs /2 • mélange avec LO et sa copie en quadrature génère le complexe I+jQ. RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. VGA. hardware soft I ADC Q fs LO. Débit de données : • 4 octets/conversion (représentation flottante) • 2 conversions/échantillon (I, Q) • fs conversions/seconde Exemple : fs =2 Méchantillons/s ⇒ 16 MB/s ou 1 GB/minute 11 / 40.

(12) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Aspects logiciels : GNURadio • Aspect logiciel : GNURadio pour le traitement numérique du signal • Logiciel libre disponible sous GNU/Linux, MacOS & MS-Windows • Ensemble de bibliothèques C++ connectées par Python ou C++. Applications. • Générateur de code python : gnuradio-companion. RADAR passif. • Opensource : ajouter ses blocs. Capture FM Récepteurs Conclusion. from PyQt5 i m p o r t Qt from g n u r a d i o i m p o r t g r from g n u r a d i o i m p o r t q t g u i from g n u r a d i o . f i l t e r i m p o r t f i r d e s from g n u r a d i o . q t g u i i m p o r t Range , RangeWidget import osmosdr. c l a s s t o p b l o c k ( g r . t o p b l o c k , Qt . QWidget ) : def init ( self ): gr . top block . init ( s e l f , " Top Block " ) Qt . QWidget . init ( self ) [...] # Variables s e l f . s a m p r a t e = s a m p r a t e = 2 e6 s e l f . f = f = 100 # Blocks s e l f . f r a n g e = Range ( 8 8 , 1 0 8 , 1 , 1 0 0 , 2 0 0 ) s e l f . f w i n = RangeWidget ( s e l f . f r a n g e , → ,→ s e l f . s e t f , " f " , " cou nter_sl ider " , → ,→ f l o a t ) s e l f . t o p l a y o u t . addWidget ( s e l f . f w i n ) s e l f . q t g u i f r e q s i n k x 0=q t g u i . f r e q s i n k c ( 1 0 2 4 , #s i z e f i r d e s . WIN BLACKMAN hARRIS , #w i n t y p e 0 , s a m p r a t e , " " , 1 #f c , bw , name , i n p u t s ) [ . . . c o n f i g u r a t i o n du f r e q s i n k ] s e l f . o s m o s d r s r c 0 = o s m o s d r . s o u r c e ( a r g s="→ ,→numchan = " + s t r ( 1 ) + " " + ’ ’ ) s e l f . osmosdr src 0 . s e t s a m p l e r a t e ( samp rate→ ,→ ) s e l f . o s m o s d r s r c 0 . s e t c e n t e r f r e q ( f ∗1 e6 , 0 ) [...] s e l f . connect ( ( s e l f . osmosdr src 0 , 0) , ( s e l f . → ,→ q t g u i f r e q s i n k x 0 , 0 ) ) [...] d e f main ( t o p b l o c k c l s=t o p b l o c k , o p t i o n s=None ) : [...] 12 / 40.

(13) Radio logicielle J.-M Friedt. Aspects logiciels : GNURadio. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. • Aspect logiciel : GNURadio pour le traitement numérique du signal • Logiciel libre disponible sous GNU/Linux, MacOS & MS-Windows • Ensemble de bibliothèques C++ connectées par Python ou C++ • Générateur de code python : gnuradio-companion • Opensource : ajouter ses blocs. from PyQt5 i m p o r t Qt from g n u r a d i o i m p o r t g r from g n u r a d i o i m p o r t q t g u i from g n u r a d i o . f i l t e r i m p o r t f i r d e s from g n u r a d i o . q t g u i i m p o r t Range , RangeWidget import osmosdr. c l a s s t o p b l o c k ( g r . t o p b l o c k , Qt . QWidget ) : def init ( self ): gr . top block . init ( s e l f , " Top Block " ) Qt . QWidget . init ( self ) [...] # Variables s e l f . s a m p r a t e = s a m p r a t e = 2 e6 s e l f . f = f = 100 # Blocks s e l f . f r a n g e = Range ( 8 8 , 1 0 8 , 1 , 1 0 0 , 2 0 0 ) s e l f . f w i n = RangeWidget ( s e l f . f r a n g e , → ,→ s e l f . s e t f , " f " , " cou nter_sl ider " , → ,→ f l o a t ) s e l f . t o p l a y o u t . addWidget ( s e l f . f w i n ) s e l f . q t g u i f r e q s i n k x 0=q t g u i . f r e q s i n k c ( 1 0 2 4 , #s i z e f i r d e s . WIN BLACKMAN hARRIS , #w i n t y p e 0 , s a m p r a t e , " " , 1 #f c , bw , name , i n p u t s ) [ . . . c o n f i g u r a t i o n du f r e q s i n k ] s e l f . o s m o s d r s r c 0 = o s m o s d r . s o u r c e ( a r g s="→ ,→numchan = " + s t r ( 1 ) + " " + ’ ’ ) s e l f . osmosdr src 0 . s e t s a m p l e r a t e ( samp rate→ ,→ ) s e l f . o s m o s d r s r c 0 . s e t c e n t e r f r e q ( f ∗1 e6 , 0 ) [...] s e l f . connect ( ( s e l f . osmosdr src 0 , 0) , ( s e l f . → ,→ q t g u i f r e q s i n k x 0 , 0 ) ) [...] d e f main ( t o p b l o c k c l s=t o p b l o c k , o p t i o n s=None ) : [...] 13 / 40.

(14) Radio logicielle J.-M Friedt. Implémentation logicielle de quelques blocs de traitement. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel. Analogique Redresseur (démod. AM) Filtre (passe bas) Mélangeur. Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif. Numérique valeur absolue P FIR : yn = bk xn−k sn ← sn · sin(n/fs ), n ∈ N. Mais aussi des mises en œuvre d’algorithmes uniques au numérique (démodulateur FM). Capture FM Récepteurs Conclusion. Réduction du débit de données : la décimation. Décimer de D permet de faire une homothétie sur l’axe des abscisses puissance Décimation : D. −fs/2. fs/N. −fs/(2D). N. fs/(2D). fs/2. points. Tout traitement spectral nécessite de maı̂triser la fréquence d’échantillonnage fs /D : le spectre s’étend de −fs /(2D) à +fs /(2D) 14 / 40.

(15) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. GNURadio comme outil de prototypage rapide. Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Mise en œuvre simple des concepts de traitement numérique du signal en temps discret. Exemple : repliement spectral. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Si nous ne prenons pas soin de filtrer avant décimation, il y aura repliement dans la bande de base.. 15 / 40.

(16) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. GNURadio comme outil de prototypage rapide. Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Mise en œuvre simple des concepts de traitement numérique du signal en temps discret. Exemple : repliement spectral. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Si nous ne prenons pas soin de filtrer avant décimation, il y aura repliement dans la bande de base.. 16 / 40.

(17) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Résolution du filtre • Transformée de Fourier bijective : N points temporels ↔ N points fréquentiels • Une transformée de Fourier sur N points échantillonnés à fs présente une résolution spectrale de fs /N • Un filtre FIR sur N points présente la même résolution spectrale • Demander une bande de transition δf excessivement fine se traduit par un nombre énorme de coefficients δf = fs /N ⇔ N = fs /δf P • yn = bk · xn−k nécessite N multiplications pour chacun des N coefficients : N 2 • FFT (y ) = FFT (b) · FFT (x) ⇔ y = iFFT (FFT (b) · FFT (x)) avec “seulement” N log2 (N) opérations • Si un filtre fin est nécessaire, cascader les filtres Exemple : filtre de 30 Hz de transition sur un échantillonnage à 192 kHz • 192000/30 = 6400 coefficients ou 81000 opérations • décimation de 50 (coupure à fs /100 avec une largeur de fs /200) : 200 coefficients pour 1500 opérations • aprés décimation, fs /50 = 3840 Hz et 3840/30 = 128 coefficients, pour 900 opérations • 1500 + 900 81000. Tester avec Filter Design Tool sous GNU/Linux 17 / 40.

(18) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs. •. Importance de la gestion du flux de données Plus on avance dans la chaı̂ne de. traitement, plus la bande passante se réduit • ⇒ décimation pour réduire le débit de données à traiter • on ne peut pas créer d’information au cours du traitement, uniquement en perdre (porteuse + modulation → bande de base → contenu informatif) • exemple : FM commerciale nécessite 250 kHz de bande pour encoder du son à 16 kHz (gauche + droite) + RDS Réduire le débit de données pour réduire la charge sur le processeur, ou permettre des calculs de plus en plus complexes.. Conclusion. 18 / 40.

(19) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Conclusion sur la gestion du flux de données. Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. • Mémoriser l’évolution du débit de données au cours du traitement • Ajuster le débit de données de la source si la cible impose sa fréquence d’échantillonnage à l’arrivée • Filtre passe bas pour empêcher le repliement spectral • Penser aux variables pour paramétrer les facteurs de décimation, afin de garantir la cohérence + faciliter le test de diverses valeurs (e.g. bande optimale pour démoduler FM). 19 / 40.

(20) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Présentation de l’interface matérielle. Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. • Détournement d’un récepteur de télévision numérique terrestre pour la réception de signaux radiofréquences • R820T(2) (RF)+RTL2832U (ADC+USB) pour moins de 10 euros/pièce • fréquence d’échantillonnage 1 MHz ≤ fs ≤ 2, 4 MHz • porteuse ∈ [50 : 1600] MHz • gain variable de l’étage radiofréquence : [0 : 39] dB • source GNU Radio : gr-osmosdr ou soapysdr-module-osmosdr 20 / 40.

(21) Radio logicielle J.-M Friedt. Applications. Pourquoi la radio logicielle ?. Reconfiguration du logiciel : une même plateforme matérielle permet d’appréhender une multitude de modes de communication Matériel Mode modulation porteuse (MHz) bande passante (kHz) Logiciel WBFM FM analogique 88–108 120 Bande de transition OFDM (FM num) 175–250 1537 DAB Récepteur POCSAG FSK 466 9 DVB-T pour la SDR ASK 1090 50 ADS-B ApplicationsXE1203 FSK 434, 868 dépend du débit RADAR passif AM 131,725 5 ACARS Capture FM Iridium PSK 1620 31,5 Récepteurs GPS BPSK 1575,42 1000 Conclusion NOOA (APT) analog 137 34 QPSK 137,9 120 Meteor M2 (LRPT) RADAR passif bruit/xcorr max (∆R = c0 /(2B)) Discrétisations. Tous 3 ces modes sont accessibles avec un récepteur échantillonnant à fs ≤ 2, 4 MS/s (fs ≥ 2BW ) 3. https://www.sigidwiki.com/wiki/Signal_Identification_Guide 21 / 40.

(22) Radio logicielle J.-M Friedt. Exemple de réception : bande FM commerciale. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel. Recevoir une station FM 1. L’objectif est d’émettre du son sur une carte audio, avec faudio ∈ [22, 05 ; 44, 1 ; 48 ; 96] kHz. 2. décimations par facteurs entiers : choisir un échantillonnage multiple de faudio. 3. sélection d’une station radio par filtrage-décimation. 4. démodulation FM large bande pour fournir audio : filtrage-décimation. Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 22 / 40.

(23) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Exemple de réception : bande FM commerciale. Discrétisations Matériel. Étendre les fonctionnalités : recevoir deux stations FM simultanément. Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. SDR : ajouter une fonction se limite à du logiciel, tant que la bande d’acquisition est suffisante. Xlating FIR Filter : transposition de fréquence et filtrage 23 / 40.

(24) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel. Exemple de réception : bande FM commerciale Affichage waterfall : diverses informations transmises par une station FM. Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. L+R, pilote 19 kHz (stéréo), L-R,. RDS (centré sur 57 kHz). 24 / 40.

(25) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Exemples de signaux reçus Aéronautique : ACARS. 45. (131,725 MHz), ADS-B (1090 MHz). Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Les liaisons aéronautiques civiles (108–138 MHz) sont modulées en AM, incluant contrôle aérien 4. https://sourceforge.net/projects/gr-acars 5. J.-M Friedt, G. Goavec-Merou, La réception radiofréqence définie par logiciel (Software Defined Radio – SDR), GNU/Linux Magazine France 153 (Octobre 2012), pp.4-33 à jmfriedt.free.fr/lm_sdr.pdf. 25 / 40.

(26) Radio logicielle J.-M Friedt. Exemples de signaux reçus. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 26 / 40.

(27) Radio logicielle J.-M Friedt. Démodulation FM. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs. Problème : que se passe-t-il si on décalle la porteuse ? • AFSK : Audio Frequency Shift Keying – la modulation FM porte une modulation audio • la modulation audio peut porter une information numérique (ACARS) • la modulation audio peut porter une information analogique (NOAA POES : 137,1 MHz, 137,62 MHz, 137,9125 MHz) La porteuse sert de référence par rapport à laquelle les raies latérales portent l’information. Conclusion. film NOAA : ~/sdr/noaa/150430_08h49_spits.ogv. 27 / 40.

(28) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Démodulation FM • AFSK : Audio Frequency Shift Keying – la modulation FM porte une modulation audio • la modulation audio peut porter une information numérique (ACARS) • la modulation audio peut porter une information analogique (NOAA POES : 137,1 MHz, 137,62 MHz, 137,9125 MHz) La porteuse sert de référence par rapport à laquelle les raies latérales portent l’information. Applications RADAR passif. atan(x). Capture FM Récepteurs Conclusion. 2400 Hz 2400 Hz 2400 Hz ... 6000 Hz. 28 / 40.

(29) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Démodulation FM • AFSK : Audio Frequency Shift Keying – la modulation FM porte une modulation audio • la modulation audio peut porter une information numérique (ACARS) • la modulation audio peut porter une information analogique (NOAA POES : 137,1 MHz, 137,62 MHz, 137,9125 MHz) La porteuse sert de référence par rapport à laquelle les raies latérales portent l’information. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 29 / 40.

(30) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. Démodulation FM • AFSK : Audio Frequency Shift Keying – la modulation FM porte une modulation audio • la modulation audio peut porter une information numérique (ACARS) • la modulation audio peut porter une information analogique (NOAA POES : 137,1 MHz, 137,62 MHz, 137,9125 MHz) La porteuse sert de référence par rapport à laquelle les raies latérales portent l’information. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 30 / 40.

(31) Radio logicielle. Modulation des signaux POES 7. J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Récepteur DVB-T pour la SDR Applications. 0.042. 0.034 0.032 0.03 0.028 0.026. 0.8. 30. FM modulation carrier 137.xx MHz. 20 10 0. -10 -20 -30 -40. 0.024. -50. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 time (s). 0. 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8. 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 time (s). -1. 0. 2e-08. 4e-08 6e-08 time (s). 8e-08. 1e-07. radio transmission. acquisition on sound card (11025 Hz). 0.035. signal after demodulation (a.u.). Conclusion. GROUND STATION. Récepteurs. AM modulation carrier 2400 Hz. 0.036. 0.022. 1. 40. 0.04 0.038. RADAR passif Capture FM. 50. 0.044. frequency modulated signal (a.u.). Bande de transition. frequency (Hz). Logiciel. L’intensité lumineuse des pixels module en amplitude une porteuse audiofréquence (2400 Hz) qui module une porteuse radiofréquence (' 137 MHz) en fréquence 6 (APT). light intensity (a.u.). Matériel. SATELLITE. Discrétisations. 0.03 0.025. low–pass filter. 0.02 0.015. (4 points). 0.01. crossed dipoles demodulation FM (filter bandwidth: 40 kHz). RX2. 0.005 0. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 time (s). Doppler : v =. 40000 km 1.5 h. = 3400m/s et ∆f = f ·. v c. ·. R R+r. 6. J.-M Friedt, Satellite image eavesdropping : a multidisciplinary science education project, European Journal of Physics 26 (August 2005) pp.969-984 7. Polar Orbiting Environmental Satellites – 800 km 31 / 40.

(32) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Exemples de signaux reçus Analogique→ numérique : METEOR M2 (137,9 MHz 8 ). Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Opportunité de comprendre les couches OSI • couche physique (modulation QPSK) • code convolutif pour entrelacer les bits & algorithme de Viterbi • éventuellement code correcteur d’erreur Reed-Solomon • images encodées en JPEG (Huffman, DCT) 8. http://phqfh.co.uk/status.htm. 32 / 40.

(33) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ?. Exemples de signaux reçus Analogique→ numérique : METEOR M2 (137,9 MHz 8 ). Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Opportunité de comprendre les couches OSI • couche physique (modulation QPSK) • code convolutif pour entrelacer les bits & algorithme de Viterbi • éventuellement code correcteur d’erreur Reed-Solomon • images encodées en JPEG (Huffman, DCT) 8. J.M Friedt, Décodage d’images numériques issues de satellites météorologiques en orbite basse : le protocole LRPT de Meteor-M2, GNU/Linux Magazine France (Mai & Juin 2019). 33 / 40.

(34) Radio logicielle J.-M Friedt. Exemple : RADAR. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel 0. Logiciel. 200. Bande de transition. Applications RADAR passif. 400. 600. time (666/512 trace/s). Récepteur DVB-T pour la SDR. 800. 1000. 1200. Capture FM. 1400. Récepteurs. 1600. Conclusion. 1800 -300. -200. -100. 0. Doppler shift (Hz). 100. 200. 300. • GRAVES : 143,05 MHz, 50 km de Besançon, ≥400 kW • RADAR à onde continue : pas de notion de distance • Surveillance de l’espace : les lois de Kepler relient la vitesse à l’altitude, inutile de connaı̂tre la distance • décimations successives pour ne par nécessiter un nombre prohibitif de coefficients de filtrage • RADAR : loi en 1/d 4 (cible ponctuelle) W. Feng, J.-M Friedt, G. Cherniak, M. Sato, (Yet another) passive RADAR using DVB-T receiver and SDR, FOSDEM 2018 34 / 40.

(35) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. Exemples de signaux reçus. • RADAR passif : exploiter les source radiofréquences existantes pour détecter des cibles • Exemple des émetteurs de télévision numérique terrestre (3 kW) • signal émis inconnu ⇒ enregistrer référence et observation • intercorrélation est filtre optimal pour trouver référence dans observation (après compensation décallage Doppler) cible. W. Feng, J.-M Friedt, G. Cherniak, M. Sato, Passive bistatic radar using digital video broadcasting–terrestrial receivers as general-purpose software-defined radio receivers, Rev. Sci. Instrum. 89, 104701 (2018). 35 / 40.

(36) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel. AM v.s FM Pourquoi les émissions aéronautiques sont-elles modulées en AM ? • occupation spectrale plus importante en FM qu’en AM • inefficacité de la transmission AM qui n’utilise pas la pleine puissance de l’amplificateur. Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 36 / 40.

(37) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. AM v.s FM • effet “capture” de la FM : la station la plus puissante est la seule démodulée par la PLL, au détriment de la plus faible • en AM, une interférence est détectable car les deux stations sont audibles 9 • en FM, seule la station la plus puissante est entendue, la plus faible est “supprimée” ... • qui est en faveur 10 de la FM pour les émissions commerciales. 11. Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. 9. http://www.airliners.net/forum/viewtopic.php?t=1357995 10. G.J. King, FM Radio Servicing Handbook, 2nd Ed., Newnes-Butterworths (1970) 11. J.- M Friedt,La peinture sur spectre radiofréquence, et l’effet capture de la modulation en fréquence – ou pourquoi les avions communiquent encore en AM, 37 / 40 GNU/Linux Magazine France 216 (Juin 2018).

(38) Radio logicielle J.-M Friedt. VOR (Very High Frequency Omnidirectional Ranging). Pourquoi la radio logicielle ?. Matériel. Deux signaux portés par une porteuse radiofréquence modulée en amplitude : modulation en amplitude et en phase de deux sinusoı̈des dont la phase est l’azimuth 0. Logiciel puissance (dB). Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR. 0. -20. puissance (dB). Discrétisations. 9960 Hz FM. 30 Hz AM. -20. -40. -60. -80 -200. -40. -100. 0. -60. 100. 200. frequence (Hz). 1020 Hz morse (AM). -80 -20000. Applications. -10000. 0. 10000. 20000. puissance (a.u.). frequence (Hz). 0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005. RADAR passif Capture FM Récepteurs. 0. 1. 2. 3. 4. temps (s). Conclusion osmocom Source. Low Pass Filter. Sync: Unknown PPS. Decimation: 20. PLL Carrier Tracking. Number Channels: 1 Sample Rate (sps): 960k. in. Ch0: Frequency (Hz): 115.95M. command. Ch0: Frequency Correction (ppm): 0 Ch0: DC Offset Mode: 0. Loop Bandwidth: 50m Max Freq: 15.7m. Gain: 1. out. in. Min Freq: 31.4m. out. Sample Rate: 960k. out. Cutoff Freq: 24k. Frequency Xlating FIR Filter Decimation: 20. in. Ch0: RF Gain (dB): 18. freq Center Frequency: -7.4k Sample Rate: 960k. https://www.radiojitter.com/real-time-decoding-of-vor-using-rtl-sdr/ Oslo 115.95e6, 15 dB Brandbu 112.75 MHz (BBU -... -... ..-) 27.6 nm (51.1 km) NW Drammen 114.80 MHz (DRA -.. .-. .-) 39.9 nm (73.9 km) SW Sigdal 117.70 MHz (SIG ... .. --.) Karlstad 117.8 (151 km) VOD ERB ERTSRUDBERGET 116.25 248° 14.7 VOD NLK NORDLISKAMPEN 115.60 167° 16.6 VOD BLA BLAENGA 115.20 214° 33.3. freq. out. Ch0: IF Gain (dB): 20. Output Language: Python. Id: N Value: 20. Variable. Length: 0. out. in. Loop Bandwidth: 50m Max Freq: 15.7m Min Freq: 31.4m. Audio Decimation: 1. Sample Rate: 48k Cutoff Freq: 24k Transition Width: 6k. Beta: 6.76. Beta: 6.76. Cutoff Freq: 24k. Window: Hamming. Window: Hamming Beta: 6.76. in. Sample Rate: 9.6k Cutoff Freq: 10 Transition Width: 10. out. in. Number of Points: 1.024k Sample Rate: 9.6k Autoscale: No. Window: Hamming Beta: 6.76. in. Audio Decimation: 1. AGC. Gain: 1. Channel Rate: 48k. out. Transition Width: 6k. Beta: 6.76. in1. Decimation: 5. AM Demod. Sample Rate: 48k. QT GUI Time Sink. Gain: 1. in0. Band Pass Filter. Low Pass Filter Decimation: 1. in. out. Multiply out. Max Gain: 65.536k. Gain: 1. out. in Reference: 700m Gain: 100m. Low Pass Filter. in. Unbuffered: Off. Decimation: 1. Rate: 200m. out. Transition Width: 10 Window: Hamming. Gain: 1. out. Low Cutoff Freq: 20 High Cutoff Freq: 40. Decimation: 1. Throttle Sample Rate: 144k. Sample Rate: 48k. in. Transition Width: 200 Window: Hamming. Id: samp_rate Value: 960k. PLL Carrier Tracking in. File: ...9_VOR_oslo/phase.bin. Low Pass Filter. AGC. Gain: 1. WBFM Receive in Quadrature Rate: 48k out. High Cutoff Freq: -9.24k. Window: Hamming Beta: 6.76. Generate Options: QT GUI. out. in. Append file: Overwrite. Decimation: 5. Gain: 1 Sample Rate: 48k. in Low Cutoff Freq: -10.68k out. Transition Width (Hz): 12k. File Source. Add begin tag: pmt.PMT_NIL. File Sink. re. Band Pass Filter. Decimation: 1. Sample Rate (Hz): 960k Cutoff Freq (Hz): 24k. Variable. freq. Float To Complex out. Band Pass Filter. Id: taps. File: ...anc-comfort-25db.bin. Center Frequency (Hz): 0 Bandwidth (Hz): 48k. im. Gain: 1. Title: Not titled yet. QT GUI Frequency Sink FFT Size: 1.024k. bw. Low-pass Filter Taps. Options. Offset: 0. in1. Beta: 6.76. Taps: taps. Ch0: BB Gain (dB): 20. Repeat: No. in0. Transition Width: 12k Window: Hamming. Ch0: IQ Balance Mode: 0 Ch0: Gain Mode: False. Sample Rate: 48k. out. in. Low Cutoff Freq: 20. in0. Rate: 200m. out. in Reference: 700m. Audio Pass: 5k. High Cutoff Freq: 40. Gain: 100m. Audio Stop: 5.5k. Transition Width: 10. Max Gain: 65.536k. out. in1. QT GUI Time Sink Number of Points: 1.024k Sample Rate: 9.6k Autoscale: No. Window: Hamming Beta: 6.76. J.-M Friedt, Décodage par radio logicielle du VOR pour le positionnement sans GPS, Hackable 36 (Jan.-Mar. 2021) in. Band Pass Filter. File Sink. Decimation: 5. File: ...009_VOR_oslo/vor.bin. Gain: 1. Unbuffered: Off. Sample Rate: 48k. Append file: Overwrite. in. Low Cutoff Freq: 20. out. in. High Cutoff Freq: 5k. Audio Sink in Sample Rate: 48 kHz Device Name: hw:0. Transition Width: 10. freq. Window: Hamming Beta: 6.76. bw. QT GUI Waterfall Sink FFT Size: 256 Center Frequency (Hz): 0. freq. Bandwidth (Hz): 9.6k. 38 / 40.

(39) Radio logicielle J.-M Friedt. Quelques exemples de récepteurs SDR. Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de Nom transition RTL-SDR Récepteur Pluto (AD) DVB-T pour la SDR HackRF One Applications LimeSDR BladeRF RADAR passif Ettus B210 Capture FM Ettus X310 Récepteurs. Porteuse 12 50-1600 70-6000 (325–3800) 1-6000 0,1-3800 300-3800 70-6000 70-6000. BW 13 (MHz) 2,4 20 MHz 20 MHz 61,4 MHz 40 MHz 61,4 MHz 160 MHz. Rés. 14 8 bits 12 bits 8 bits 12 bits 12 bits 12 bits 12 bits. Émetteur 15 N O O O MIMO O O MIMO O MIMO. Coût 9 euros 89→150 euros 262 euros 299$ 420$ 1220 euros 5270 euros+fronten. Conclusion. 12. Définit la bande de fréquence accessible, e.g. 88–108 MHz FM commerciale, 137 MHz sat. POES, 460 MHz POCSAG, 1574,2 MHz GPS, 1620 MHz Iridium ... 13. Détermine la nature des protocoles décodables 14. Dynamique 20 log10 (256) = 48 dB ; 20 log10 (4096) = 72 dB 15. L’émission est règlementée sur les bandes de fréquence, puissance et rapport cyclique 39 / 40.

(40) Radio logicielle J.-M Friedt Pourquoi la radio logicielle ? Discrétisations Matériel Logiciel Bande de transition Récepteur DVB-T pour la SDR Applications RADAR passif Capture FM Récepteurs Conclusion. • La radio logicielle comme une approche pédagogique à l’enseignement du traitement du signal numérique échantillonné en temps discret • La radio logicielle comme une approche flexible au traitement de signaux radiofréquences • Disponibilité d’un environnement libre de prototypage pour se familiariser avec les concepts • Domaine abordable pour un coût démarrant à moins de 10 euros • Perspectives multiples de développements (communications numériques ou analogiques, sécurité, caractérisation de canaux de propagation, liaisons spatiales, RADAR ...) – voir websdr. Conclusion. 40 / 40.

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