27/10/2017 XVI Seminário Nacional de Telecomunicações – APTEL / PETROBRAS – 2017 – Rio de Janeiro - RJ

Gabriel Bach Amaral OrofinoUniversidade Federal Fluminense

Prêmio APTEL/Motorola - INOVAR

Implementação de um “analisador de espectro” utilizando o conceito de Software Defined Radio (SDR)

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•Preâmbulo•Objetivo•Conceito e estrutura do SDR•Metodologia da implementação•Calibração do SDR•Conclusão•Trabalhos Futuros

Sumário

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Preâmbulo

Tendo em vista a enorme crescimento do sistemas Wirelessatuais, a importância da tecnologia dos SDRs vem emconjunto com esse crescimento.

Este trabalho visa a caracterização de uma plataforma SDRpara realizar medições de espectro utilizando dispositivosde hardware de baixo custo e software livre.

Atualmente este tipo de medição só pode ser realizado como uso de equipamentos caros como o analisador deespectro.

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Objetivo

Implementação de um “Analisador de Espectro” em uma ferramenta open source.

•Descrever as características que definem a plataforma SDR utilizada neste trabalho, como faixa de frequência, arquitetura e os componentes que a formam.

•Definir as calibrações necessárias da ferramenta desenvolvida.

•Testes preliminares.

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Conceito do Software Defined Radio (SDR)

•Um Rádio Definido por Software (Software Defined Radio) é um dispositivode comunicação que possui parte de suas funções implementadas porsoftware.

•O SDR surgiu no ambiente de defesa militar no final dos anos 70 na Europa enos Estados Unidos. SPEAKeasy foi o primeiro SDR implementado e buscava aintegração das várias interfaces aéreas existentes nos seus Sistemas deComando e Controle.

•O conceito do SDR veio efetivamente introduzido com Joseph Mitola em suapublicação no IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers) por voltade 1993.

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Estrutura Básica do SDR

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Ferramentas de Hardware SDR - RTLSDR e USRP

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RTLSDR

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Ferramenta de Software - GnuRadio

GnuRadio é uma plataforma de código aberto ou conjunto deprogramas em um software livre que permite o desenvolvimentodos componentes de processamento de sinais para manipulaçãodos parâmetros dos Rádios Definidos através de Software (SDR).

GnuRadio Companion (GRC) que é bastante similar ao Simulink doMATLAB.

Python, C++, Matlab

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GnuRadio Companion (GRC)

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Metodologia de Implementação

•Estudo das ferramentas de software e hardware.•Características do hardware RTLSDR.•Estudo da implementação em software através de python eGNURadio Companion.

•Calibração do elementos do setup de teste.•Gerador de sinais, analisador de espectro, cabos e conectores.

•Testes preliminares pós calibração.

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Setup de calibração de cabos e conectores

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Calibração dos Cabos

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Calibração do SDR (GnuRadio)

Foi utilizado para a calibração:

•Dois cabos•Um divisor de potência (3dB)•Um notebook com o GRC instalado•Gerador de Sinal(ANRITSU MG3700A)•Analisador de Espectro(ANRITSU MS2034A)•Conectores•RTLSDR

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Tabela Ganho RF(GnuRadio)

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Frequência (MHZ)

Ganho 8 Ganho 0 Ganho 10 Ganho 12

SDR(dB) SDR(dB) SDR(dB) SDR(dB) Analisador de Espectro (dBm)

100 -34,7 -48,3 -32,65 -30,27 -64,78

200 -34,35 -47,28 -32,99 -28,91 -63,33

300 -34,01 -47,62 -32,31 -30,95 -65,45

400 -35,71 -49,66 -34,51 -31,63 -63,22

500 -37,41 -48,98 -33,33 -30,93 -66,22

600 -38,43 -50,68 -35,37 -32,65 -63,7

700 -37,41 -50 -35,37 -32,65 -65,74

800 -38,43 -51,7 -37,07 -34,69 -64,3

900 -37,41 -51,36 -36,39 -34,01 -65,04

1000 -39,79 -52,38 -38,09 -36,73 -65,82

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Freq(MHZ) Ganho 8 Ganho 0 Ganho 10 Ganho 12

SDRdif(dB) SDRdif(dB) SDRdif(dB) SDRdif(dB)

100 30,08 16,48 32,13 34,51

200 28,98 16,05 30,34 34,42

300 31,44 17,83 33,14 34,5

400 27,51 13,56 28,71 31,59

500 28,81 17,24 32,89 35,29

600 25,27 13,02 28,33 31,05

700 28,33 15,74 30,37 33,09

800 25,87 12,6 27,23 29,61

900 27,63 13,68 28,65 31,03

1000 26,03 13,44 27,73 29,09

Tabela Ganho Ajuste/Calibração (GnuRadio)

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rtl_power.c

Esse código se resume a coletar dados em uma determinada faixa defrequências e setando alguns parâmetros como o ganho, aparecerá salvo umarquivo em formato .csv com as frequência setada pelo usuário e as potências emdb para cada frequencia.

•Exemplo: (Formato de entrada)$ rtl_power -f 88M:108M:125k -g 0 -1 fm_stations.csv

•Exemplo: (Formato de saída)

DATE TIME HZ LOW HZ HIGH HZ STEP SAMPLES dB dB….

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Fazendo uma análise similar a feita com o GnuRadio foi obtido a potencia paraos mesmos valores em frequência do anterior, mas com a exceção de que foi feita comos ganhos 0 e 8db, pode ser observado que o piso de ruído está em -45 dB aprox.

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Frequência (MHz) Ganho 0(dB) Ganho 8(dB)

Pr SDR (dB) Pr SDR (dB) Analisador de Espectro (dBm)

100,00 -14,03 -0,06 -64,78

200,00 -13,38 0,96 -63,33

300,00 -17,95 -1,87 -65,45

400,00 -16,77 -2,48 -63,22

500,00 -14,65 -0,6 -66,22

600,00 -16,04 -3,21 -63,7

700,00 -20,49 -5,32 -65,74

800,00 -20,48 -6,96 -64,3

900,00 -17,18 -3,42 -65,04

1000,00 -17,8 -4,78 -65,82

Tabela com os ganhos 0 e 8dB

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Frequência (MHz) Ganho 0(dB) Ganho 8(dB)

Ajuste SDR (dB) Ajuste SDR (dB)

100,00 -50,75 -64,72

200,00 -49,95 -64,29

300,00 -47,5 -63,58

400,00 -46,45 -60,74

500,00 -51,57 -65,62

600,00 -47,66 -60,49

700,00 -45,25 -60,42

800,00 -43,82 -57,34

900,00 -47,86 -61,62

1000,00 -48,02 -61,04

Tabela Ganho SDRdif(rtl_power.c)

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SDR vs Analisador de Espectro (dBm)

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Conclusão

•Foram realizadas medições no elementos do setup de teste com oobjetivo de verificar as perdas e ou ganhos inseridos por cada umdos elementos do setup.•Valores obtidos de potencia recebida variando os parâmetros derecepção do RTLSDR (ganho, frequência, etc) foram comparadas aosobtidos com o analisador de espectro.•Valores de calibração ou ajuste foram gerados a partir dos dacomparação do dados.•Os valores de calibração foram aplicados ao sinal recebido peloRTLSDR para obter valores mais confiáveis em dBm.

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• Dos dados coletados foi possível observar que o valor de ganho especificadopelo SDR não corresponde ao valor observado na medição.

• É importante ressaltar sobre os valores de ruído, onde no GNURadioindependente do valor do ganho, se estabilizou entre -79dB e -81dB, já noRtl_Power se estabilizou entre -46dB e -49dB e no analisador de espectro seestabilizou em -112dBm e -115dBm.

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Trabalho Futuro

•Implementação de um analisador de espectro utilizandoferramentas open source e o hardware raspberri pi 3.

•Software•Distribuição Raspbian•GNURadio

•Hardware•RTLSDR – RTL802

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Gabriel Bach Amaral Orofino Universidade Federal Fluminense

gabrielbach@id.uff.br