GNU RadioGNU RadioGerrit Buhe, DL9GFA

HAM-Radio 2011

2 GNU Radio DL9GFA

InhaltInhalt Einleitung 'Software Radio' und 'Cognitive Radio' GNU Radio berblick Python Framework GNU Radio Companion GRC Die mglichen Programmierebenen Erstes Praxisbeispiel unter GRC (Quellen, Senken, Funktionsblcke, GUI) GRC Wichtige Hinweise (Synchronisation, Flukontrolle)

Hardware fr GNU Radio und ihre Anwendung Konzept der Aufgabenteilung WBX von Ettus Research USRP2 von Ettus Research USRP2+WBX Praxisbeispiel unter GRC FUNcube Dongle FUNcube Dongle Praxisbeispiel unter GRC HF-Frontends der SoftRock-Klasse SoftRocks in der Praxis unter GRC

GNU Radio Projekte im Internet Wie kann ich starten? Installation und erste Hardware

Zusammenfassung und Referenzen

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Software Radio & Cognitive RadioSoftware Radio & Cognitive Radio

Es gibt verschiedene SWR-Konzepte in Abhngigkeit vom Ort des AD-Wandlers Heterodynstrukturen mit AD/DA-Wandlung im Basisband oder auf hoher Zwischenfrequenz Direktmischer mit AD/DA-Wandlung im Basisband oder direkte HF-Signalabtastung Systemdesign entscheidet ber Kompromisse zwischen Performance und Flexibilitt

Ideales SWR nutzt statt spezifischer Hardware nur einen General Purpose Prozessor (GPP) und AD/DA-Wandler Alle Signalverarbeitung in Form von Algorithmen auf GPP Standardisierung der Schnittstellen erlaubt Wiederverwendung von Software-Modulen

(SCA Software Communications Architecture)

SCA ermglicht auch Nachladen neuer Verfahren/Standards wenn ntig (autom. SW update) 'Cognitive Radio' ist der nchste Evolutionsschritt CR sind intelligente und lernende Software Radios Sie beobachten ihre spektrale Umgebung und passen sich den Gegebenheiten an (reaktiv,

proaktiv, bis hin zu kooperativem Ressourcenmanagement)

Vision der Regulierungsbehrden ohne dedizierte Frequenzzuweisungen, die oft ineffizient sind GNU Radio ist eine Plattform fr SWR und lt sich als Basisebene unter

kognitiven Verarbeitungsschichten verwenden

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GNU Radio - berblickGNU Radio - berblick

Freie Software-Arbeits- und Entwicklungsumgebung zur Implementierung von Software-definierten Sendern und Empfngern

Es bietet eine Menge fertiger Signalverarbeitungsroutinen und Funktionsblcke Die Anwendungen sind hauptschlich in Python geschrieben, whrend die

Signalverarbeitungsblcke in C++ implementiert sind Python ist eine einfach zu erlernende objektorientierte Skriptprogrammiersprache GNU Radio wird vor allem im akademischen und industriellen Umfeld zum

schnellen Prototyping eingesetzt Es gibt fertig verfgbare HF-Frontends zum Einsatz mit GNU Radio, aber auch

Eigenbaulsungen sind einfach ber die PC-Audiokarte nutzbar GNU Radio eignet sich hervorragend fr den Hobbyeinsatz Freie Verfgbarkeit (GNU General Public License) Fertige Signalverarbeitungsblcke verringern Einstiegshrde Eigene HF-Hardware ist einfach adaptierbar Viele Amateurfunkbeispiele im Internet verfgbar GNU Radio-Foren fr Diskussion und Hilfe

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GNU Radio PythonGNU Radio Python

Blockschaltbild und automatisch generiertes Python-Skript mit eingebundenen C++ Routinen

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GNU Radio Companion - GRCGNU Radio Companion - GRC Grafische Benutzeroberflche zur Entwicklung von Signalverarbeitungsanwendungen Einfacher Einstieg fr 'Nichtprogrammierer' Funktionsblcke werden mit der Maus auf die Arbeitsflche gezogen und verbunden Auf Knopfdruck wird ein Python-Skript erstellt und gestartet

Filter

Schnittstellen GUI

Modulation

DSP-Bibliothek Ausfhrungsumgebung

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GNU Radio - ProgrammierungGNU Radio - Programmierung

Die Programmierung ist auf verschieden Ebenen mglich Wer mit den bereits vorhandenen Funktionsblcken

auskommt, kann ausschlielich grafisch arbeiten

GRCGRC

PythonPython

C++C++

Grafisches Grafisches EntwicklungswerkzeugEntwicklungswerkzeug

Zusammenfgen der Blcke und Zusammenfgen der Blcke und ParameterbergabeParameterbergabe

Echtzeit-SignalverarbeitungEchtzeit-Signalverarbeitung

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GRC Erstes BeispielGRC Erstes Beispiel

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GRC Erstes BeispielGRC Erstes Beispiel

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GRC Erstes BeispielGRC Erstes Beispiel

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GRC HinweiseGRC Hinweise

Es gibt verschiedene Quellen und Senken fr Datenstrme PC-Audiokarte USB mit dedizierter Hardware (Bsp. USRP) Ethernet-Schnittstelle (TCP, UDP) Dateien aus denen gelesen und in die geschrieben werden kann 'pipes' durch die von/zu anderen Programmen Daten gestreamt werden knnen (hnlich VAC Virtual

Audio Cable)

Grafisch als Oszilloskop, Spektrumanalysator, Wasserfallspektrum, Textaus- und eingabe Das Datenformat zu verbindender Schnittstellen mu identisch sein und ggf. konvertiert

werden (complex/float) Die Datenraten an den Schnittstellen mssen berein stimmen (ganzzahlige!

Dezimierung, Interpolation) Abweichende Takte an HW-Schnittstellen fhren zu automatisch generierten Puffern die

Latenz einbringen und berlaufen knnen (Fehlermeldungen aUaO usw. beachten) Falls der Takt der Daten nicht von Hardware bestimmt ist (numerisch generiert, oder aus

Datei), mu eine Flukontrolle mit Takt eingebaut werden ('Throttle'-Block unter [Misc]) Bei Performance-Problemen die Datenraten auf ntiges Minimum begrenzen und

Wiederholrate grafischer Ausgaben verringern

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Hardware fr GNU RadioHardware fr GNU Radio

HF Frontend

Mischt HF ins analoge Basisband und umgekehrt

Direkt-Quadratur-(de)modulator

Analog-Digital-Wandlung

AD- und DA-Wandlung (jeweils I und Q)

Abtastraten-dezimierung und -Interpolation

Software-(De-)Modulation

Bekommt bzw. generiert digitales Basisband (I/Q)

(De-)Moduliert und macht hr- bzw. lesbar

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Hardware fr GNU RadioHardware fr GNU Radio

AttnAttn

~~

~~ WBX Transceiver

FPGA

(DDC, DUC,NCOs,Mikro-

controller,uvm.)

FPGA

(DDC, DUC,NCOs,Mikro-

controller,uvm.)

DACDAC

DACDAC

ADCADC

ADCADC

Ether-net

Ether-net

USRP2 Mainboard

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WBX von Ettus ResearchWBX von Ettus Research

Die US-Firma Ettus Research (www.ettus.com) bietet Leistungsfhige Digital-Hardware mit USB oder Ethernet-Schnittstelle Diverse HF-Frontends in verschiedenen HF-Bereichen

HF-Frontend WBX

Transceiver 50 MHz...2.2 GHz Voll-Duplex Direkt-Quadratur(de)modulator 5 dB...6 dB Rauschma IIP3: +5 dBm... +10 dBm IIP2: +40 dBm... +55 dBm 50 mW...100 mW Sendeleistung Schaltung frei verfgbar

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USRP2 von Ettus ResearchUSRP2 von Ettus Research

Die US-Firma Ettus Research (www.ettus.com) bietet Leistungsfhige Digital-Hardware mit USB oder Ethernet-Schnittstelle Diverse HF-Frontends in verschiedenen HF-Bereichen

Universal Software Radio Peripheral (USRP2)

Zwei 100 MS/s 14-Bit-AD-Wandler Zwei 400 MS/s 16-Bit-DA-Wandler FPGA mit programmierbarer Dezimierung (DDC) und Interpolation (DUC) 25 MHz HF-Bandbreite vom/zum PC Gigabit Ethernet-Schnittstelle zum PC Analoge (AD/DA) und digitale Schnittstellen fr Hilfsfunktionen (AGC, RSSI, etc.) Schaltplne frei verfgbar VHDL-Quelltext frei verfgbar Autarker Betrieb mglich ('stand alone')

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USRP2 / WBX - PraxisbeispielUSRP2 / WBX - Praxisbeispiel

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USRP2 / WBX - PraxisbeispielUSRP2 / WBX - Praxisbeispiel

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FUNcube Dongle (FCD)FUNcube Dongle (FCD)

Empfnger 64 MHz... 1.7 GHz (SMA zu USB) I/Q-Ausgabe mit 96 kHz Abtastrate Projekt der AMSAT UK Direkte GRC-Unterstzung

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FUNcube Dongle (FCD)FUNcube Dongle (FCD)

Empfnger 64 MHz... 1.7 GHz (SMA zu USB) I/Q-Ausgabe mit 96 kHz Abtastrate Projekt der AMSAT UK Direkte GRC-Unterstzung

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FCD - PraxisbeispielFCD - Praxisbeispiel

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FCD - PraxisbeispielFCD - Praxisbeispiel

22 GNU Radio DL9GFA

FCD - PraxisbeispielFCD - Praxisbeispiel

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SoftRock-artige RX/TXSoftRock-artige RX/TX

Direktmischstrukturen mit Quadratur-Abtastung (QSD) eines Subbandes I/Q-Basisband wird analog an PC-Audiokarte ausgegeben bzw. von dort erhalten Schmaler Empfangskanal mu mit komplexem Oszillator demoduliert werden Einfache Einbindung in GRC durch PC-Audiokarte mglich

24 GNU Radio DL9GFA

SoftRock - PraxisbeispielSoftRock - Praxisbeispiel

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SoftRock - PraxisbeispielSoftRock - Praxisbeispiel

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SoftRock - PraxisbeispielSoftRock - Praxisbeispiel

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GNU Radio ProjekteGNU Radio Projekte

Im Internet sind viele frei verfgbare GNU Radio Projekte zu finden, die zum Experimentieren einladen Diverse Voll-Duplex SDR-Transceiver fr Amateurfunk (AM, FM, SSB, CW, digital Modes) Satelliten-Telemetrieempfnger, u.a. mit FUNcube Dongle NOAA APT Empfnger fr Wetterbilder DVB - Digitale Videobertragung der Webcam auf 23cm OpenBTS GSM-Basisstation DECT-Empfnger (PHY, MAC, teilw. hhere Ebenen) HDTV-Sender und -Empfnger TETRA Transceiver ADS-B & Mode-S Transponder-Empfang zur Bestimmung von Flugzeugposition, Hhe, Richtung etc. AIS Automatisches Identifikations-System fr Schiffe (Geschwindigkeit, Richtung, Tonnage, Name, Ziel etc.) WLAN-Sender und -Empfnger in voller Bandbreite inkl. MIMO ZigBee PHY IEEE 802.15.4 (interoperabel mit Mica2, MicaZ, Telos B) RDS-UKW-Radio Fading Simulator mit Echtzeit-Rayleigh-Fading (via Matlab) GMSK-Bodenstations-Transceiver fr Satelliten (z.B. Aprizesat 3&4, 128kbit/s downlink, 9.6kb/s uplink) RFID Generation 2 GPS-Empfnger DCF77-Empfnger Empfnger fr Motorola Smartnet trunked radio system Transceiver fr Logitechs drahtlose Tastaturen

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Wie kann ich starten?Wie kann ich starten?

Installation von GNU Radio inklusive GRCompanion GNU Radio ist frei und kann im Quelltext oder binr (Linux) heruntergeladen werden Erstellung aus den Quellen ist unter Linux-Distributionen, xBSD und Mac OS X einfach

mglich (Anleitung unter gnuradio.org)

Viele Linux-Distributionen bieten fertige Pakete zur komfortablen Installation an (Empfehlung Ubuntu, Kubuntu)

Windows-Compilierung und Installation ist nur sehr Erfahrenen zu empfehlen Windows-Nutzer knnen Linux-Live-Distribution von USB-Stick/DVD einsetzen oder Linux in

einer Virtuellen Maschine installieren (z.B. VirtualBox.org)

Anleitungen und Diskussionsforen im Internet bieten Hilfe! Hardware Die PC-eigene Audiokarte ist fr einfache Versuche

gut geeignet (z.B. Audiosignalverarbeitung)

Einfache Direktmisch-Empfnger und -Sender sind schnell selbst gebaut (Quarzoszillator, Mischer, Filter, Verstrker)

Fast jede Software Radio Hardware kann mit GNU Radio betrieben werden (Basisband-I/Q, 12kHz-ZF etc.)

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ZusammenfassungZusammenfassung

Software Radio ist ein spannendes Thema, insbesondere fr den Amateurfunk

GNU Radio ist ein hervorragendes und noch dazu frei verfgbares Werkzeug zur Umsetzung

Es kann fr nahezu alle Spielarten des Amateurfunks eingesetzt und einfach erweitert werden

Erfolgreiche Beschftigung mit Software Radio erfordert Fachwissen auf verschiedenen Gebieten

GNU Radio mit GRC verringert die Einstiegshrde deutlich

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Internet-ReferenzenInternet-Referenzen

Projektseiten http://gnuradio.org https://cgran.org/ - 3rd Party GNU Radio applications http://ossie.wireless.vt.edu/ - Open Source SCA Implementation - Embedded

Interessante Seiten mit direktem Amateurfunkbezug http://www.oz9aec.net/index.php/gnu-radio http://www.dl8rds.de/index.php/GNURadio_and_USRP2 http://f4dan.free.fr/sdr_eng.html - gute bersicht ber Hard- und Software zum Thema

Mailing-Listen und Diskussions-Foren http://gnuradio.org/redmine/wiki/gnuradio/MailingLists

http://lists.darc.de/mailman/listinfo/sdr - DARC-Reflektor zu SDR Podcasts http://chaosradio.ccc.de/cre087.html - Chaosradio Express zu SDR mit GNU Radio

Erwerb von geeigneter Hardware http://www.ettus.com - USRPx-Hardware mit diversen HF-Frontends http://www.funcubedongle.com - FUNcubeDongle der AMSAT UK http://www.funkamateur.de - OnlineShop Baustze SDR-Kits, FA-SDR-Transceiver http://www.kb9yig.com/ - SoftRock-Kits

http://www.dl8rds.de/index.php/GNURadio_and_USRP2http://f4dan.free.fr/sdr_eng.htmlhttp://lists.darc.de/mailman/listinfo/sdrhttp://chaosradio.ccc.de/cre087.html

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