Υλοποίηση εφαρμογής Software Defined Radio σε γλώσσα C για λήψη αναλογικού σήματος FM και αποκωδικοποίηση ψηφιακού σήματος RDS

• Κύριος συγγραφέας: Τσίρος, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Οικονόμου, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2015
• Θέματα: Ραδιόφωνο; Δέκτες; Software Defined Radio (SDR); RDS; FM; 621.384 13

Το ραδιόφωνο είναι από τις πλέον διαδεδομένες μορφές εκπομπής δεδομένων, χρησιμοποιείται δε ακόμα και σήμερα, σε μια εποχή που οι ψηφιακές τηλεπικοινωνίες επεκτείνονται ταχύτατα. Αρχικά επέτρεπε την μετάδοση μόνο ενός καναλιού ήχου, όμως επεκτάθηκε σε στερεοφωνική (δικάναλη) εκπομπή, προσετέθησαν μέθοδοι μετάδοσης ψηφιακών πληροφοριών (RDS/RBDS, DirectBand) για την πληροφόρηση χρηστών αλλά και για μεγαλύτερη ευελιξία των δεκτών. Παράδειγμα του τελευταίου είναι η λειτουργία "AF" (εναλλακτικές συχνότητες, alternative frequencies) η οποία δίνει την δυνατότητα σε ένα δέκτη να μεταπηδήσει σε άλλη συχνότητα στην οποία εκπέμπει ο ίδιος σταθμός αλλά με ισχυρότερο ή καθαρότερο σήμα. Δεδομένου του εύρους των λειτουργιών που χρησιμοποιούνται στις ραδιοφωνικές εκπομπές, είναι πολύ καλή επιλογή για την ανάπτυξη προγραμμάτων που τις εκμεταλλεύονται, από απλές μέχρι περίπλοκες τόσο στο αναλογικό όσο και στο ψηφιακό τμήμα. Για το αναλογικό τμήμα, στο ένα άκρο έχουμε έναν απλό μονοφωνικό δέκτη ενώ στο άλλο άκρο έναν στερεοφωνικό δέκτη ο οποίος μετρώντας την καθαρότητα του λαμβανόμενου σήματος επιλέγει το ποσοστό χρήσης στερεοφωνίας ώστε να επιτύχει συμβιβασμό μεταξύ διαχωρισμού καναλιών (στερεοφωνικής εικόνας) και χαμηλού θορύβου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, αναπτύχθηκε πρόγραμμα σε γλώσσα C το οποίο εκτελεί λειτουργία δέκτη ραδιοφωνικού σήματος διαμορφωμένου αναλογικά κατά συχνότητα (FM radio). Στον προγραμματισμό χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές Software Defined Radio (SDR). Επιπλέον, το πρόγραμμα εκτελεί λήψη ψηφιακού σήματος ραδιοφωνικών πληροφοριών (Radio Broadcast Data System, RBDS/RDS). Στόχος της διπλωματικής είναι η επίδειξη της εφαρμογής τεχνικών SDR στα πλαίσια της υλοποίησης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Με την αύξηση της ανάγκης της βιομηχανίας αλλά και των χρηστών για ταχύτερη μετάδοση δεδομένων, επήλθε και αύξηση της περιπλοκότητας των μεθόδων διαμόρφωσης στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η περιπλοκότητα αυτή απαιτεί χρήση αλγορίθμων που είναι αδύνατη με συστήματα με διακριτά στοιχεία. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η αξιοποίηση σύγχρονων μικροεπεξεργαστών, των οποίων η ισχύς, ειδικά αυτή των εξειδικευμένων σε DSP, έχει γνωρίσει αλματώδη εξέλιξη. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η αξιοποίηση του κατάλληλου υλικού για τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, χρειάζεται κατάλληλη μέθοδος προγραμματισμού. Η ιδέα αυτή έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε εμπορικά συστήματα. Ένα παράδειγμα είναι modem κοινής τηλεφωνικής γραμμής (PSTN/POTS) για οικιακούς υπολογιστές που το μεγαλύτερο μέρος της αποδιαμόρφωσης και διαμόρφωσης το εκτελούσε η κεντρική μονάδα επεξεργασίας του υπολογιστή. Συνεπώς, υπάρχουν παραδείγματα εφαρμογής αυτής της τεχνικής με ήδη υπαρκτό υλικό, δεν απαιτείται εξειδικευμένο hardware. Η εξέλιξη της ιδέας και η ευκολότερη πρόσβαση σε υλικό κατάλληλο, οδήγησε στην ανάπτυξη του Software Defined Radio. Software Defined Radio είναι ένα σύστημα ασύρματης τηλέπικοινωνίας (αν και είναι απολύτως εφικτή και η εφαρμογή σε ενσύρματα συστήματα) όπου αλγόριθμοι και μέρη του συστήματος που τυπικά υλοποιούνταν με ηλεκτρονικά στοιχεία (πυκνωτές, αντιστάτες, κ.α.) πραγματοποιούνται με προγράμματα που εκτελούνται σε σύστημα με επεξεργαστή, μικροελεγκτή ή άλλο προγραμματιζόμενο σύστημα. Η ονομασία Software Defined Radio αναφέρεται, επίσης, στο πρόγραμμα που εκτελεί το ανωτέρω σύστημα. Σε αυτά τα προγράμματα, χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο τεχνικές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP). Ως παράδειγμα προς μελέτη της τεχνικής θα χρησιμοποιήσουμε ένα από τα πλέον γνωστά πρωτόκολλα, το οποίο δεν είναι τετριμμένο και χρησιμοποιείται ευρύτατα και στη σύγχρονη εποχή, το ραδιόφωνο FM. Το πρωτόκολλο FM είναι αρκετά απλό ώστε η ανάλυσή του να είναι προσβάσιμη χωρίς να απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, αλλά όχι τετριμμένο, ώστε να αναδεικνύει την χρησιμότητα της τεχνικής SDR. Ένας δεύτερος λόγος για αυτή την επιλογή είναι η ταυτόχρονη εκπομπή ψηφιακής πληροφορίας από τους σταθμούς. Η λήψη αυτών των πληροφοριών με τη χρήση SDR υπογραμμίζει την ευελιξία της τεχνικής, η οποία επιτρέπει τον ταυτόχρονο χειρισμό τόσο των αναλογικών πληροφοριών (ήχου, στη συγκεκριμένη περίπτωση) όσο και των ψηφιακών πληροφοριών (RBDS/RDS) από το ίδιο πρόγραμμα. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της αναλογικής διαμόρφωσης κατά συχνότητα καθώς και η εφαρμογή της στη ραδιοφωνία. Ορίζονται οι σχετικές παράμετροι και καθορίζονται οι τιμές που λαμβάνουν στην κοινή ραδιοφωνία FM. Τέλος, περιγράφεται η μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών με το πρωτόκολλο RDS. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η δομή και λειτουργία ενός δέκτη FM με διακριτά στοιχεία. Αναλύεται η αρχή λειτουργίας του δέκτη, ονομάζονται μερικά από τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται συνήθως και διαγράφονται βασικές ομοιότητες με τους δέκτες SDR. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η αρχή λειτουργίας του SDR. Δίνονται παραδείγματα υλικού κατάλληλου για SDR και οι δυνατότητες που απαιτούνται. Δίνονται παραδείγματα λογισμικού κατάλληλου για SDR και παραδείγματα εφαρμογών του. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται το υλικό που χρησιμοποιήθηκε και το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε για την αποδιαμόρφωση σήματος FM και αποκωδικοποίηση σήματος RDS. Επίσης περιγράφεται το υλικό που χρησιμοποιήθηκε καθώς και τα κριτήρια επιλογής τους. Ορίζονται οι είσοδοι και έξοδοι του προγράμματος και περιγράφεται η δομή του. Αναλύεται η λειτουργία των επιμέρους στοιχείων του προγράμματος που αναπτύχθηκε και μελετάται η συμπεριφορά τους. Τέλος, αναλύεται η αποδιαμόρφωση και αποκωδικοποίηση του ψηφιακού σήματος (RDS) από το πρόγραμμα. Στα παραρτήματα δίδονται οι συντελεστές των ψηφιακών φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάπτυξη του δέκτη, ο πλήρης κώδικας του δέκτη και οδηγίες για την δημιουργία φασματογραφημάτων με το MATLAB.