UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA CARLA SILVA DAGOSTIN

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DIGITAL UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE CURITIBA 2014

2 CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DIGITAL UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Evelio Martín García Fernández CURITIBA 2014

3 CARLA SILVA DAGOSTIN TRANSMISSÃO DE VIDEO UTILIZANDO TECNOLOGIA DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. COMISSÃO EXAMINADORA Professor Evelio Martín García Fernández Universidade Federal do Paraná Professor Horácio Tertuliano Filho Universidade Federal do Paraná Professor Luis Henrique Assumpção Lolis Universidade Federal do Paraná Curitiba, 01 de dezembro de 2014.

4 RESUMO DAGOSTIN, Carla Silva. Transmissão de vídeo utilizando tecnologia de rádio definido por software f. (Trabalho de Conclusão de Curso) Curso Superior de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná. Curitiba, O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é desenvolver um ambiente para transmissão/recepção sem fio de sinais de vídeo, baseado na plataforma para desenvolvimento de rádios definidos por software USRP N200 conjuntamente com a ferramenta de código aberto GNURadio, a qual provê uma interface de desenvolvimento e blocos de processamento para implementar rádios definidos por software. Devido à facilidade de reconfiguração dos sistemas de comunicação que utilizam tecnologia de rádio definido por software, o ambiente a ser desenvolvido será de grande utilidade em futuras pesquisas envolvendo avaliação de qualidade de transmissão de dados sob diferentes qualidades de canal. Palavras-chave: GNURadio. Rádio definido por software. USRP.

5 ABSTRACT This final project is dedicated to develop an environment for transmitting / receiving wireless video-based signals with a software defined radio plataform USRP N200. This plataform is programmed with the open source tool gnuradio which provides an interface for development and processing blocks to implement software defined radios. Due to the ease of reconfiguration of communication systems using softwaredefined radio technology, the environment to be developed will be useful in future research involving the evaluation of data transmission for diferent channel quality. Key-words: USRP. GNU Radio. Software Defined Radio.

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Diagrama simples do SDR Figura 2 Modulação M-QAM a) 4-QAM, b)16-qam e c) 64-QAM Figura 3 Modulação PSK Figura 4 Exemplo de caixa de propriedades dos blocos Figura 5 USRP N Figura 6 Esquema geral da placa USRP Figura 7 Placa mãe do USRP N Figura 8 Sistema Transmissão 4-QAM Figura 9 Sistema de recepção 4-QAM Figura 10 Gráfico da constelação transmistida no sistema 4-QAM Figura 11 Gráfico da constelação na recepção do sistema 4-QAM Figura 12 Sistema novo de recepção de modulção 4-QAM Figura 13 Constelação do sistema novo de transmissão de modulção 4-QAM Figura 14 Constelação do sistema novo de recepção pós sincronismo de modulção 4-QAM Figura 15 Constelação do sistema de transmissão modulação 16-QAM Figura 16 Constelação do sistema de recepção da modulção 16-QAM Figura 17 Sistema de transmissão 8-PSK Figura 18 Sistema 8-PSK recepção Figura 19 Constelação sistema de transmissão 8-PSK Figura 20 Constelação sistema de recepção 8-PSK Figura 21 Sistema DPSK transmissão Figura 22 Sistema DPSK recepçao Figura 23 Sistema DPSK transmissão Figura 24 Sistema DPSK recepção... 36

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Comparativo modulações Analógicas e Digitais... 14

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS SDR URSP RF ADC DAC DDC DUC SWIG FPGA MQAM QPSK PSK DQPSK DPSK SMA RF Rádio definido por Software Universal Software Radio Peripheral Rádio frequência Analog to Digital Converter Digital to Analog Converter Digital Down Converter Digital Up Converter Simplified Wrapper and Interface Generator Field Programmable Gate Array Modulação de amplitude em quadratura Quadrature Phase Shift Keying Phase Shift Keying Differential Quadrature Phase Shift Keying Differential Phase Shift Keying SubMiniature version A Rádio Frequência

9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos DEFINIÇÕES RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE MODULAÇÕES Modulação PSK Modulação M-QAM GNURADIO USRP N PLACA SECUNDÁRIA PLACA MÃE FPGA DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAÇÕES E RESULTADOS SISTEMA M-QAM SISTEMA 8-PSK SISTEMA DPSK CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A DATASHEET USRP N

10 9 1 INTRODUÇÃO A transmissão de dados, aumenta conforme o número de usuários cresce. Para atender essa nova realidade é necessário adaptar os sistemas atuais de comunicação digital para sistemas mais dinâmicos, inovadores e de menor custo. Tendo em vista essa nova realidade torna-se interessante utilizar o conceito de Rádio Definido por Software (SDR: Software Defined Radio) que visa substituir a implementação em hardware dos equipamentos de comunicação por dispositivos programáveis controlados por software. Assim, o sistema pode ser facilmente adaptado para realizar diferentes padrões de comunicação, como também variações dos canais de comunicação carregando diferentes tipos de programas em memória em vez de substituir todo o equipamento de rádio. Levando em conta essa nova visão se faz necessário o uso de um software e um hardware para implementação do sistema SDR, neste contexto será abordada a utilização do conjunto USRP N200 (hardware) e o GNURadio (software) que permite a criação de uma série de sistemas aplicáveis nas mais diversas áreas. Esta proposta de arquitetura mostra-se muito flexível, de fácil manutenção, e de fácil desenvolvimento, pois torna transparente ao desenvolvedor a arquitetura SDR. Com essa flexibilidade é possível utilizar o sistema para por exemplo analisar a qualidade de transmissão de vídeo, em pesquisas e desenvolvimento, visto que, com o excesso de dados transmitidos e cada vez mais redes sem fio atuantes, estão sendo necessários estudos para verificar a qualidade dos serviços oferecidos em transmissão de vídeo sem fio. 1.1 OBJETIVOS Objetivo Geral O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é desenvolver um ambiente para transmissão/recepção sem fio de sinais de vídeo baseado na plataforma para desenvolvimento de rádios definidos por software USRP N200, conjuntamente com a ferramenta de código aberto GNURadio, a qual provê um ambiente de

11 10 desenvolvimento e blocos de processamento para implementar rádios definidos por software Objetivos Específicos Os objetivos específicos das etapas principais da pesquisa são: a) Conceituar cada tipo de tecnologia envolvida no projeto; b) Definir a ferramenta de captura e codificação de vídeo digital; c) Transmitir e receber utilizando alguns tipos de modulações digitais tais como 4-QAM, 16-QAM, 8-PSK e DPSK; d) Realizar testes de transmissão em tempo real utilizando URSP N200.

12 11 2 DEFINIÇÕES A seguir será dada uma explicação geral sobre os tópicos relevantes que serão utilizados para realização deste trabalho. Dentre eles serão abordados a tecnologia utilizada, Rádio Definido por Software, o hardware utilizado USRP N200, o software GNURadio e as modulações que serão utilizadas para as simulações. 2.1 RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE Nos sistemas militares do Departamento de Defesa americano tornou-se necessário desenvolver rádios que interagissem com interfaces aéreas nas faixas de frequências existentes, e, que pudessem ser modificados por uma troca de software, o que aumenta a vida útil dos equipamentos e baixa os custos visto que não será necessário trabalhar no hardware e sim no software. Desta maneira, surgiu o conceito de Rádio Definido por Software, cujo o objetivo é realizar o máximo do processamento do sinal via software e, desta forma, permitir ao usuário que possa realizar ajustes e modificações no sistema via software, bem como, configurar o rádio da forma que desejar. O uso do SDR é visto como uma plataforma versátil para a realização de experimentos de campo [1]. Existem duas partes distintas em sistemas baseados em SDR: hardware e software (figura 1). A primeira etapa que inclui a conversão e frequências de RF para banda-base é realizada por um periférico operando em faixas determinadas de frequência (dependendo das placas empregadas). Enquanto a segunda etapa será responsável por todo o processamento de sinal.

13 12 Figura 1 Diagrama simples do SDR Os SDRs são mais resistentes à variações de temperatura e mais precisos, visto que transferem o processamento para o domínio digital, deixando de ter seu desempenho atrelado à precisão dos componentes analógicos do rádio. Manutenções, adaptações ou aprimoramento dos serviços podem ser feitos sem que a infraestrutura deva ser alterada, o que é muito interessante para prestadoras de serviços de rádio-difusão. Um SDR é composto de pelo menos duas partes (figura 1): a) Um circuito conversor de frequência em quadratura (hardware ou front end), que converte a frequência do sinal RF a ser recebido, para uma frequência intermediária que possa ser processada por uma placa de som de computador ou outro conversor A/D (analógico para digital), em dois canais, chamados I e Q; b) Um programa de computador (software ou back end) que permite processar sinais vindos do hardware. Esse software realiza a combinação matemática adequada dos sinais I e Q de modo a rejeitar a frequência indesejável e em seguida, efetua a demodulação do sinal, por exemplo: AM, FM, DRM, etc. Em um SDR ideal está o front end seria composto somente por antena e conversores A/D (analógico/digital) e D/A (digita/analógico) (figura 1). Devido a limitações da tecnologia desses conversores, o modelo ideal não pode ser

14 13 implementado nos dias atuais. Algumas adaptações no sinal devem ser feitas, separando assim o denominado front end, que passa a ter a incumbência de tratar esse sinal entre a antena e os DACs (Conversão digital para analógia) e ADCs ( conversão analógica par digital). Nesta concepção de SDR Real, o front end se torna um novo módulo, que prepara o sinal para conversão AD, para o processamento do sinal e/ou prepara o sinal para transmissão após a conversão DA, tendo em vista que o SDR pode transmitir e receber sinal separadamente ou ao mesmo tempo. Esta preparação é feita através da amplificação do sinal, do controle de ganho, do deslocamento para uma frequência intermediária (no caso de recepção) ou do deslocamento para frequência original do sinal (no caso de transmissão direta) e da filtragem antialiasing. Além de resolver o problema da tecnologia empregada nos conversores A/D e D/A, o front end pode ser projetado para aperfeiçoar o custo do projeto de um SDR, sendo ajustado para o uso de DAC s e ADC s de baixo custo. Na Figura 1, surgem dois novos componentes, o Digital Down Converter (DDC) e o Digital Up Converter (DUC). Para que o processamento não seja efetuado em velocidades muito altas, após sua digitalização o sinal digital de frequência intermediária deve ser convertido para um sinal digital de banda base, respeitando o teorema de amostragem de Nyquist. Assim, a função do DDC é fazer a amostragem do sinal digital de frequência intermediária para um sinal digital de banda base (onde a menor frequência do sinal é igual a zero e a maior é igual à largura de banda do sinal). A função do DUC é efetuar o inverso do DDC, deixando o sinal novamente na frequência digital intermediária pronto para o conversor DAC. O processamento analógico denomina-se front end RF. DAC, ADC, DDC e DUC passam a ser programados em FPGA s (Field Programmable Gate Array), denominando-se assim o front end digital. 2.2 MODULAÇÕES A utilização de um canal de transmissão em banda passante pode requerer a utilização de uma banda de frequências diferente da frequência original da mensagem (banda base), sendo para isso necessária a translação de frequências.

15 14 O processo para efetuar a translação na frequência é a modulação, que é definida como o processo pelo qual algumas características de uma portadora são alteradas de acordo com o sinal modulante. As modulações podem ser analógicas, digitais ou por pulsos. Dentre as analógicas são exemplos: a Modulação de Amplitude (AM), de Frequência (FM) e Fase (PM). Dentre as digitais são exemplos ASK, PSK, FSK e QAM. As modulações analógicas estão sendo substituídas pelos sistemas digitais que apresentam como vantagem maior capacidade de transmissão, confiabilidade, e menor custo. Atualmente a informação pode estar disponível tanto na forma digital (dados) quanto na forma analógica (áudio, vídeo) que precisam serem convertidas (conversão A/D) antes do processo de modulação digital. Em qualquer modulação em banda passante existem três parâmetros do sinal da portadora que podem ser alterados pelo sinal modulador (informação): amplitude, fase e frequência. Um ou mais desses parâmetros podem ser alterados, transportando a informação. Através da Tabela 1 podem-se verificar algumas similaridades entres modulações analógicas e digitais. Tabela 1 Comparativo modulações Analógicas e Digitais Parametro alterado portadora Modulação Analógica Modulação Digital Amplitude AM ASK Frequência FM FSK Fase PM PSK Amplitude e Fase X QAM Modulação de amplitude em quadratura

16 Modulação PSK A PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. No caso particular da modulação em fase binária, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180 graus, que pode ser visualizada na Figura 3.[4] Figura 3 Modulação PSK Uma variação da modulação PSK é a QPSK que faz uso de uma propriedade de ortogonalidade dos sinais, ou seja, se forem transmitidos simultaneamente em um canal dois sinais PSK defasados de 90º (seno e cosseno) é possível detectar cada um independentemente do outro. Trata-se, portanto de um esquema de modulação com quatro estados nas fases 0º, 90º, 180º e 270º, o que significa que na mesma banda ocupada por um sinal PSK é possível transmitir uma taxa de dados duas vezes maior utilizando modulação QPSK [4], pois cada ponto carrega dois bits. A modulação QPSK deu origem a uma família de esquemas que inclui o DQPSK, OQPSK, entre outros. Outra variação do PSK e que será simulada neste trabalho é o esquema Differential Phase Shift Keying (DPSK). Neste esquema há a inversão de 180 na fase da portadora sempre que ocorre o bit 0, também chamado de Binary PSK (BPSK). As alterações consecutivas em uma sequência de bits 0 auxilia no sincronismo da comunicação.[4]

17 Modulação M-QAM Modulação M-QAM é mais utilizada para transmissão terrestre ou a cabo. Alguns exemplos para o QAM são os enlaces de rádio digital e microondas, transmissões em altas taxas de transferência, televisão digital de alta definição, em modem sem fio, cable modem e ADSL.[4] Os símbolos são mapeados em um diagrama bidimensional no qual na abcissa está o sinal em fase e na ordenada o sinal em quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os símbolos estão à igual distância da origem. Isto significa que as informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora.[4] Na Figura 2 são apresentados alguns diagramas de constelação de sinais com modulação M-QAM juntamente com o correspondente mapeamento de bits para símbolos M-QAM. O código mais utilizado neste tipo de mapeamento é o código Gray, pois neste código apenas um bit muda entre os símbolos adjacentes. Isto minimiza a probabilidade de erro do sistema quandop a relação sinal-ruído no receptor é suficientemente alta.

18 17 Figura 2 Modulação M-QAM a) 4-QAM, b)16-qam e c) 64-QAM Pode-se notar que no modo 16-QAM alcança-se uma taxa de transmissão menor do que no modo 64-QAM, uma vez que cada símbolo transporta um número menor de bits. No entanto, no modo 16-QAM, a distância entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64-QAM. Isto permite que o modo 16-QAM possibilite uma melhor qualidade de serviço, pois a maior distância entre os símbolos dificulta erros de interpretação no receptor quando este detecta um símbolo.

19 GNURADIO GNURadio é uma ferramenta de software de código aberto e livre que fornece os módulos de processamento de sinal para implementar sistemas de comunicação baseados na arquiteura de rádio definido por software. É constituída por dois modos de funcionamento: um pode fazer a simulação do modelo de sistema; e, o outro pode fazer a aplicação em tempo real do sistema utilizando hardware de RF.[3] Este software foi projetado para processar sinais digitais em banda base no domínio complexo através da ligação de blocos que transformam sistemas de rádios em software através de operações matemáticas. Os blocos já são préimplementados no próprio GNURadio, mas se o usuário precisar de um bloco específico pode implementá-lo. O GNURadio pode ser usado em meios acadêmicos, de investigação e de aplicação comercial com soluções do mundo real. Os aplicativos do GNURadio são criados usando a linguagem Python e os blocos de processamento de sinais são escritos em C ++. Esta ferramenta pode ler um arquivo de sinal gravado como dados para posterior processamento de sinal, com a facilidade de gravação de arquivo, sem o uso de hardware RF real. A utilização das duas linguagens de programação é possível através do uso da SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator), que cria uma interface entra as duas linguagens.[3] Esta ferramenta está licenciada sob GNU General Public License com direitos de autor de Free Software Foundation (FSS). Dentre os blocos que compõem esta plataforma de software livre, podem-se mencionar:[3] Operações matemáticas como soma, multiplicação, subtração, logaritmo, entre outras; Portas lógicas; Moduladores, como OFDM, QAM, DPSK, entre outros; Filtros FIR, IIR, passa-banda, passa-baixa, etc; Interpolação e decimação; Blocos de ligação com a USRP e USRP2; Controles de ganho; Scramblers (embaralhadores de sinal); Corretores de erros como alguns tipos de treliças;

20 19 FFT (Transformada Rápida de Fourier); Flow Graphs ou graficos, são blocos que tem como função o processamento de sinais, são interligados entre si controlando assim um fluxo para o sinal; Sources chamados de fontes, como o próprio nome já diz são fontes de sinal; Sinks chamados sorvedouros, são blocos sem portas de saída, somente recebem sinal; Options: blocos que determinam título, autor; Variable sample_rate: pré-definição de frequência de amostragem e outras variáveis que serão chamadas pelos outros blocos. Existem quatro tipos de dados para representação das amostras que estão nos blocos do GNU Radio, que ainda podem ser representados através de vetores. Os quatro tipos são: Complex: dados de 8 bytes representados pela letra c; Float: dados de 4 bytes representados pela letra f; Short int: dados de 2 bytes representados pela letra s; e, Char: dados de 1 byte representados pela letra b. Basicamente para se iniciar um sistema no GNURadio é necessário ter blocos (fonte blocos de processo sorvedouros). Além de montar o sistema em blocos é possível também criar os mesmos diretos em Python. Caso seja modificado um bloco pré-existente o mesmo continuará com a mesma configuração para os demais projetos. Para analisar as propriedades dos blocos basta dar dois cliques nesses grupos, então surgirá uma tela com as propriedades e algumas instruções conforme a Figura 4. Caso seja necessário alterar a aplicação do código gerado deve se estar ciente de que cada vez que o aplicativo é executado a partir da interface, o mesmo irá substituir o script gerado, portanto, se houver necessidade de modificá-lo deve-se modificar o nome do arquivo. Vale ressaltar que o código gerado é geralmente menos legível do que aquele que foi programado a mão. [3]

21 20 Figura 4 Exemplo de caixa de propriedades dos blocos 2.4 USRP N200 O USRP N200 (USRP: Universal Software Radio Peripheral), como pode ser visto na Figura 5, é projetado para aplicações que exigem alta largura de banda, além de possuir um Xilinx Spartan- 3A DSP 1800 FPGA, conversor DAC com resolução de 16 bits (para sinais complexos) dual channel e taxa de amostragem de 400 MS/s com uma resolução 14bits. Também inclui um ADC dual channel com taxa de amostragem de 100 MS/s, resolução DDC e DUC 25 MHz, e suporte porta de expansão MIMO através da sincronização de configuração 2x2 múltipla. A conectividade entre o dispositivo e o host é realizada através de interface Gigabit Ethernet.[5]

22 21 Figura 5 USRP N200 O USRP é dividido em duas partes essenciais: Placa Mãe e Placas Secundárias que serão vistas a seguir com alguns detalhes PLACA SECUNDÁRIA Estas placas filhas ou secundárias constituem o front end de radiofrequência sendo responsáveis pela filtragem passa-faixa, amplificação e conversão de frequências do sistema de rádio definido por software. A Figura 6 mostra esquematicamente as funções a serem desempenhadas pelas placas secundárias. Figura 6 Esquema geral da placa USRP Sua função começa na saída do DAC e termina quando acionado o sinal a ser transmitido para o conector SMA (SubMiniature version A), conectores para cabo coaxial para uso de RF, no caso do transmissor, em contraste com o caso do receptor que começa quando o sinal atinge a SMA e termina quando ele é levado ao ADC, por isso este tipo de placa é fisicamente conectado à placa-mãe.[5] Na placa, existem duas ranhuras marcadas RX e TX, cada ranhura tem acesso a um DAC (para o transmissor) e um ADC (para o receptor), estes são dois

23 22 canais, permitindo a conversão do componente de forma independente para fase e quadratura do sinal para permitir que as placas ou os dois canais sejam independentes. Cada placa tem uma memória EEPROM que serve como um identificador para o sistema e permite que o host defina as configurações apropriadas.[5] PLACA MÃE A placa mãe é responsável por comunicar o sinal gerado pelo software para o módulo de RF, que deixará este sinal com a frequência necessária para a aplicação a ser desenvolvida. Na Figura 7 podem-se verificar as funções a serem desempenhadas pela placa-mãe.[5] Sua função começa ao sair do PC e termina quando o sinal passa através do DAC no caso do transmissor, enquanto que, como receptor começa quando o sinal sai da placa filha e termina quando o sinal é conduzido para o PC. Figura 7 Placa mãe do USRP N200

24 23 Para transmitir um sinal gerado pelo software, o mesmo será enviado via Gigabit Ethernet para o USRP através de componentes de fase e quadratura do mesmo. Uma vez que o sinal chega à porta Ethernet do dispositivo será levado para o FPGA, este é responsável por separar dos componentes de sinal e realizar operações necessárias na banda através de filtros de interpolação para mudanças na frequência do sinal usando conversores digitais (DUC) finalmente, o sinal na saída do FPGA é conduzido para o canal duplo de DAC (uma para cada componente) que vai converter os componentes do domínio analógico para transmissão e enviado para a placa filha.[5] No caso do receptor, as componentes de sinal em fase e quadratura na saída da placa secundária chegam ao ADC, estes são convertidos para o domínio digital e entregues ao FPGA, que será responsável pelas operações de filtragem e decimação para o posterior envio através da interface Ethernet.[5] FPGA A FPGA vem configurada com alguns componentes de base. Dentre eles estão os DDC s que são implementados com quatro filtros CIC (Cased Integrator- Comb), filtros de alto desempenho implementados através de somas e atrasos. Para rejeição de sinais fora da banda desejada, está implementado um filtro em cascata com os filtros CIC. Qualquer um dos quatro ADC s pode ser enviado para entrada dos DDC s, que pode receber sinal de mais de um ADC, intercalando a saída em sequência. [6]

25 24 3 DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAÇÕES E RESULTADOS Esta etapa consiste em algumas simulações com a interface gráfica do GNURadio companion que nada mais é que uma alternativa para programação direta em Python, é uma interface que permite a programação de sistemas utilizando interface gráfica. Estas experiências foram realizadas em um ambiente de simulação, sem fazer uso das plataformas de hardware disponíveis. Para realizar as simulações foi utilizado como fonte um vídeo em MPEG2-TS que consiste em um formato de compressão utilizado para reduzir o total de informação armazenado dos elementos de vídeo para um nível manejável, ou seja, apesar de o arquivo original receber uma compressão bastante elevada, a perda de qualidade pode passar despercebida. Como foi dito anteriormente o sistema precisa de uma fonte que neste caso será um arquivo MPEG. Os sistemas testados foram divididos em dois arquivos um de transmissão e outro de recepção, no sistema de transmissão a fonte será o arquivo MPEG e a saída será um arquivo binário intermediário, já no sistema de recepção a entrada será o arquivo binário do sistema anterior e sua saída deverá o mesmo arquivo recebido em um arquivo.ts. Em seguida estes arquivos foram comparados visualmente verificando assim a eficácia dos sistemas. 3.1 SISTEMA M-QAM Um dos sistemas que foi testado no ambiente de simulação GNU companion é o sistema 4-QAM. A Figura 8 mostra o diagrama em blocos do primeiro sistema de transmissão simulado no GNURadio-companion.

26 25 Figura 8 Sistema Transmissão 4-QAM Nesta simulação podem-se observar diversos blocos com configurações especificas. Cada bloco será definido abaixo: OPTIONS Neste bloco é definido o título do projeto bem como é selecionado o tipo de gráfico que será utilizado WX GUI ou QT GUI o que diferencia ambos são suas funcionalidades conforme a necessidade do projetista. QT GUI RANGE especificações para o gráfico. WX GUI NOTEBOOK definir o nome para as abas dos gráficos no caso de haver mais de um gráfico no sistema. IMPORT importação de bibliotecas do GNU os quais estão em código e não em formato de blocos. FILE SOURCE vídeo ou arquivo de entrada que será testado pelo sistema. THROTTLE Caso não haja um elemento de hardware inserido no diagrama em blocos que determine a taxa de amostragem do sistema, esse bloco servirá para limitar essa taxa evitando que ocorra uma sobrecarga na CPU. Nesta simulação será adotado o valor de 400 khz podendo ser adotado outro valor. PACKET ENCODER - Neste sistema de 4-QAM serão utitilizados dois bits por símbolos e cada símbolo representado por quatro amostras. USRP SINK Permite configurar as especificações do USRP utilizado. FILE SINK Como os sistemas de transmissão e recepção estão separados esse arquivo serve como arquivo temporário para o sistema receptor.

27 26 WX GUI SCOPE SINK Dentre algumas opções de gráficos que o sitema fornece, nesta especifica poderá se observar a constelação que será transmitida pelo sistema. QAM MOD Bloco que realiza a função de modulação. Os blocos em cinza indicam que estão desabilitados e as linhas em vermelho indicam que há um erro na programação, contudo, esse erro está ocorrendo porque o bloco USRP está dependendo de outros que estão desabilitados. Uma vez definido o sistema de transmissão, será abordado o detalhamento do sistema de recepção conforme Figura 9. Figura 9 Sistema de recepção 4-QAM No sistema de recepção mostrado na Figura 9 os blocos options, import, usrp, file source e file sink possuem as mesmas funções que no sistema de transmissão, porém na recepção ao invés de QAM Mod aparece QAM Demod que realiza a função de demodular o sinal. Outro item diferente é o PACKET DECODER que na recepção era ENCONDER, no entanto, agora a função é de decodificar o sinal. Além destes, restam os blocos QT GUI FREQUENCY SINK e QT GUI CONSTELLATION SINK, que são blocos responsáveis por gerar os gráficos. O primeiro gera o gráfico que mostra o espectro do sinal e o segundo demonstra a constelação.

28 27 Uma vez detalhada a construção dos sistemas, pode-se visualizar os gráficos. Para 4-QAM se torna mais interessante visualizar o formato da constelação. Fazendo um comparativo entre a constelação gerada pelo sistema e a constelação ideal na análise teórica (Figura 2-a), pode-se observar o posicionamento igualmente espaçado e claro entre os pontos. No caso é interessante salientar que o motivo do sistema gerado no GNURadio não ter o mesmo aspecto que o da análise teórica, se deve ao fato de não estarem sendo verificados no mesmo ponto, ou seja, após a demodulação do sinal. Isto ocorre por estar ainda na transmissão na qual possui apenas a raiz quadrada do filtro de forma. Contudo, como o vídeo transmitido e recebido é o mesmo, pode-se concluir que o sistema está funcionando corretamente. TX Figura 10 Gráfico da constelação transmistida no sistema 4-QAM

29 28 RX Figura 11 Gráfico da constelação na recepção do sistema 4-QAM A figura 11 é similar à Figura 10 o que de fato é o que deveria ocorrer visto que o gráfico foi medido antes do demodulador. Esta figura foi colocada simplesmente para verificar que os arquivos separados de transmissão e recepção estão em sincronia. Figura 12 Sistema novo de recepção de modulção 4-QAM

30 29 No novo sistema em se tratando da recepção algumas modificações podem ser observadas. No caso anterior a demodulação era feita apenas pelo bloco QAM DEMOD. Porém no segundo caso o mesmo foi desmembrado em algumas partes que serão vistas a seguir: POLYPHASE CLOCK SINK bloco que realiza o alinhamento no momento da amostragem (transmissor e receptor). É neste mesmo bloco que aparece o filtro cosseno levantado responsável por desfazer os efeitos do filtro formatador do transmissor. CONSTELLATION RECEIVER recebe um conjunto de amostras complexas demoludando-as em um conjunto de bytes. UNPACK K BITS Recebe bytes e entrega bits para o decoder. Uma vez definidos os sistemas, podem-se observar os resultados da transmissão conforme mostrado na Figura 12, o que era de se esperar visto que o sistema de transmissão anterior e esse são os mesmos. No sistema novo de recepção o qual o demodulador foi separado, foi possível posicionar o gráfico para avaliar a constelação após o sincronismo. Na Figura 13 está evidente na constelação a eficiência do sistema, visto que os pontos convergem conforme a Figura 2-a. Figura 13 Constelação do sistema novo de transmissão de modulção 4-QAM

31 30 Figura 14 Constelação do sistema novo de recepção pós sincronismo de modulção 4-QAM Utilizando o mesmo sistema de transmissão da Figura 8 e o mesmo sistema de recepção da Figura 9, porém modificando a modulação de 4-QAM para 16-QAM, obtem-se na transmissão a constelação mostrada na Figura 15, na qual se pode observar pontos bem definidos e igualmente espaçados. Figura 15 Constelação do sistema de transmissão modulação 16-QAM

32 31 A mesma imagem da constelação transmitida (Figura 15) pode ser observada na recepção (Figura 16) comprovando que sistemas de modulação em arquivos separados não possuem interferência. Figura 16 Constelação do sistema de recepção da modulção 16-QAM 3.2 SISTEMA 8-PSK Para se aprofundar na verificação do sistema pode-se tentar uma modulação diferente da M-QAM. No caso da M-QAM a portadora, como já explicado no item é modulada em fase e amplitude. Contudo, no caso da PSK a modulação só é realizada em fase. É importante abranger diferentes tipos de modulações visto que cada uma tem sua funcionalidade e como o objetivo é observar a flexibilidade do sistema, a verificação pode ser observada através de modulação de aspectos diferentes. A constelação M-QAM possui vantagens e desvantagens em relação à PSK, a principal diferença é quando se quer trabalhar com a fase e amplitude, nesse tipo de modulação, ambas podem ser visualizadas. Porém nem sempre é interessante visto que ao alterar a amplitude serão necessários amplificadores de rádiofrequência lineares que não são eficientes do ponto de vista energético, o que já não ocorre com a modulação PSK que possui envoltória aproximadamente constante.

33 32 Na Figura 17 observa-se o sistema de transmissão que possui os mesmos blocos que a Figura 8 do M-QAM, só modificando o tipo de modulador para o PSK, que neste caso foi definido para 8-PSK. Como a estrutura é a mesma outra opção seria deixar um sistema apenas e colocar vários moduladores no mesmo arquivo. Figura 17 Sistema de transmissão 8-PSK A Figura 18 mostra o sistema de recepção que se assemelha a Figura 9 e valem as mesmas considerações que foram destacadas para a transmissão. Figura 18 Sistema 8-PSK recepção

34 33 As figuras 19 e 20 mostram os resultados obtidos tanto em espectro quanto em constelação para transmissão e recepção do sistema 8-PSK. É interessante comentar que a frequência de amostragem aparece corretamente no espectro, no caso 400 khz, outro ponto é que a constelação mostra os oito pontos equidistantes. a) b) Figura 19 Espectro(a) e constelação (b) do sistema de transmissão 8-PSK A única diferença entre a Figura 20 e a Figura 21 é que a mesma está definida para ser centrada em 2,45 MHz e não em zero, mas como pode se observar os limites estão conforme a frequência de amostragem definida no sistema.

35 34 a) b) Figura 20 Constelação sistema de recepção 8-PSK 3.3 SISTEMA DPSK Outro sistema simulado foi o DPSK que é um caso particular de M-PSK com M = 2 e codificação diferencial. Os diagramas de blocos do transmissor e receptor DPSK são apresentados nas Figuras 21 e 22.

36 35 Figura 21 Sistema DPSK transmissão Figura 22 Sistema DPSK recepçao As figuras 23 e 24 demonstram o resultado do espectro dos sistemas de forma que se pode observar as frequências limites de acordo com a frequência de amostragem determinada.

37 36 Figura 23 Sistema DPSK transmissão Figura 24 Sistema DPSK recepção

38 37 4 CONCLUSÃO Sistemas baseados em Rádio definido por Software são uma área nova que precisa ser pesquisada. Neste trabalho, procurou-se utilizar os conceitos vistos na disciplina Princípios de Comunicações e com estes embasamentos entender o funcionamento do SDR, utilizando um software livre e um hardware comercial. Os benefícios do SDR são relevantes para o desenvolvimento de sistema, pois possui muita versatilidade ao existir a possibilidade de modificar os tipos de modulação sem precisar modificar o hardware. As principais limitações de um SDR estão nos componentes analógicos que ainda não possuem uma tecnologia muito avançada, e nos processadores que precisam ter alto desempenho de acordo com a frequência dos dados a serem processados. Por este motivo, um SDR ideal não pode ser implementado nos dia de hoje. Este trabalho também apresentou uma plataforma livre e um hardware para implementação do SDR, O GNURadio como plataforma juntamente com o USRP N200 como hardware se tornou uma maneira muito simples de projetar e estudar sistemas de comunicação utilizando SDR. Foram feitas diferentes tipos de simulações com modulações diferentes para poder verificar como a plataforma é uma ótima opção para uso da universidade bem como para uso comercial em teste de qualidade de vídeo. Os testes foram feitos em condições ideais sem inclusão de ruído e os resultados atingidos foram satisfatórios, ou seja, o arquivo transmitido foi recebido porém com algumas imperfeições. A sugestão para trabalhos futuros seria um estudo com o objeto de acrescentar e detalhar informações sobre o funcionamento do GNURadio e seus componentes, visto que ainda há dificuldades em utilizá-lo. Além disso, um outro trabalho poderia aprimorar os modelos aqui apresentados de forma a melhorar os sistemas criados via GNURadio.

39 38 REFERÊNCIAS [1] LIMA, André G.M. Rádio definido por software: O próximo salto no mundo das telecomunicações e computação. Revista Digital Comunicações Digitais & Tópicos Relacionados, Brasilia, v.02, p.20-24, jan [2] R. Gandhiraj and K.P. Soman, Modern analog and digital communication systems development using GNU Radio with USRP. Telecommun Systems, v.56, p , [3] GNU RADIO. Disponível em: < Acesso em: 02 set [4] TELECO INTELIGÊNCIA EM TELECOMUNICAÇÕES. Disponível em: < Acesso em: 04 agosto [5] ETTUS RESEARCH A National Instruments Company. Disponível em: < Acesso em: 26 setembro [6] FPGA. Disponível em: < / >. Acesso em: 28 julho [7] NORMAS PARA ELABORAÇÃO DE TRABALHOS ACADÊMICOS. UTFPR. Disponível em: < Acesso em: 10 de julho de 2014.

40 ANEXO A DATASHEET USRP N200 39