Modem OFDM configurabile: simulazione in LabVIEW e sviluppo su apparati NI USRP 2920

  Print Print

"Il sistema sviluppato con LabVIEW permette il completo controllo della configurazione scelta in trasmissione e quindi in ricezione, il controllo dell'errore di fase nel recupero della portante e la visualizzazione di tutti i segnali del tempo."

- Giovanni Susca, POLITECNICO DI BARI

The Challenge:
La sfida è stata realizzare un sistema di telecomunicazioni wireless completo in ogni sua parte dal trasmettitore al ricevitore, in presenza di mezzi trasmissivi fortemente riverberanti dovuti ai fenomeni del Multipath utilizzando apparati NI USRP 2920 in ambiente di sviluppo NI LabVIEW.

The Solution:
Si è scelto di utilizzare la tecnica di modulazione OFDM per compensare le problematiche introdotte dal mezzo trasmissivo. Nella prima fase si è realizzato un ambiente simulato per analizzare tutti i segnali presenti; successivamente si è passati all’utilizzo degli strumenti NI USRP per verificare il sistema in un ambiente reale in campo aperto.

Author(s):
Giovanni Susca - POLITECNICO DI BARI

Breve riassunto
Il sistema di trasmissione wireless per ambienti fortemente riverberanti completamente riconfigurabile per la ricerca e per scopi didattici è stato sviluppato utilizzando gli  strumenti NI USRP 2920 e con l’ambiente di programmazione LabVIEW in grado di consentire agli utenti di accedere al nucleo degli algoritmi di processing e post-processing, personalizzando l’intero sistema di trasmissione e ricezione dell’informazione. Dispone inoltre di un’interfaccia grafica utile all’analisi dei segnali e quindi delle rispettive forme d’onda, e alla visualizzazione di pattern di immagini/video utilizzati in fase trasmissione e ricezione.

Articolo
Il fine del progetto è stato realizzare un’applicazione di un modem OFDM riconfigurabile via software utilizzando l’ambiente di sviluppo NI LabVIEW.

Nelle telecomunicazioni lo schema a blocchi di un sistema di trasmissione dell’informazione è composto da tre sezioni principali: trasmettitore, mezzo trasmissivo e ricevitore. La caratteristica fondamentale della maggior parte dei sistemi è però che la presenza del ricevente non implica necessariamente l'assunzione completa dell'informazione. Non è infatti facile comprendere il blocco centrale relativo al mezzo, in quanto può cambiare a seconda dell’ambiente in cui si effettua la trasmissione dei segnali. Questo inconveniente rende il progetto complesso: il sistema deve arginare le problematiche senza intaccare minimamente l'informazione.

Il modem realizzato prevede una riduzione sostanziale del fenomeno del multipath fading dovuto a un mezzo trasmissivo altamente riverberante, dove si ha una forma di distorsione di un segnale che giunge  a destinazione sotto forma di un certo numero di repliche, sfasate nel tempo, originate dai vari percorsi che il segnale stesso può aver seguito durante la sua propagazione e sommatesi tra loro in ricezione. Per compensare questo tipo di problematica si è fatto uso della tecnica di modulazione digitale: OFDM, acronimo di Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Il codice sorgente è  per il 90% scritto utilizzando linguaggio G in ambiente di sviluppo LabVIEW, e per il restante 10%, a scopo didattico, sono state realizzate porzioni di codice ridondanti in matematica testuale eseguite in LabVIEW tramite l’utilizzo di un modulo aggiuntivodi LabVIEW MathScript Real-Time Module, relative alla sezione del recupero del sincronismo in fase di ricezione e abilitate tramite un selettore all’interno dell’interfaccia grafica.

Nel progetto ci si è riferiti essenzialmente allo sviluppo del sistema di supporto alla comunicazione, a partire da 1° blocco di codifica di linea dell'informazione, passando attraverso il sistema di generazione delle forme d'onda selezionate in trasmissione, al sistema di modulazione multiportante a portanti ortogonali con banda selezionabile, al tipo di modulazione da implementare su ciascuna sottoportante, al sistema di traslazione a frequenza intermedia, al lato trasmettitore.

Lo sviluppo del modem ha preso forma sotto le sembianze di un simulatore fornendo le basi per la costruzione solida e affidabile dell’intero sistema. Nell’ambiente simulato in fase di ricezione si è dato spazio a problematiche inerenti il mezzo trasmissivo reale, e a errori dovuti al disallineamento dei clock nella circuiteria hardware, ricostruendo fenomeni dovuti al multipath, al rumore bianco, all’offset di frequenza e di fase. Un’interfaccia grafica gestisce l’intero codice sorgente, dove sono racchiuse nel suo interno le sezioni d’inizializzazione dei parametri del trasmettitore e ricevitore, e le sezioni di visualizzazione dei vari segnali durante l’intero processo. Successivamente, dopo uno sviluppo approfondito e un riscontro funzionale dell’ambiente simulato si è realizzata la porzione di codice legata al trasmettitore ed al ricevitore per l’utilizzo degli strumenti NI USRP 2920.

Grazie alla sua ampia gamma di frequenze centrali regolabili (da 50 MHz a 2.2 GHz) e alla sua larghezza di banda (20 MHz), tale dispositivo offre un perfetto equilibrio tra prestazioni, flessibilità  e costi nel realizzare sistemi riconfigurabili utili in fase di prototipazione e testing. Anche in questa nuova configurazione, sono state realizzate due interfacce grafiche: una per ogni dispositivo, al fine di inizializzare i parametri utili alla trasmissione/ricezione, e una per il controllo di tutti i parametri e segnali durante la fase d’esecuzione del processo.

All’interno del progetto, Universal Software Radio Peripheral (USRP) funge da sistema di ricostruzione dei segnali analogici, sistema di conversione a frequenza della portante (selezionabile via software), sistema di front-end analogico con l'amplificatore di trasmissione e il sistema d'antenna. Anche il canale di ricezione, nella sua parte analogica, viene implementato attraverso l'uso di una seconda piattaforma USRP che realizza il sistema di ricezione costituito da AGC, LNA, convertitore e campionatore IQ. A partire dal segnale ricevuto, il sistema di ricezione realizza tutte le operazioni necessarie al recupero dell'informazione corretta: recupero della portante, recupero del sincronismo di simbolo, estrazione del simbolo, pre-elaborazione per la minimizzazione dell'intersimbolo in frequenza, realizzato mediante sovracampionamento e filtraggio alla Nyquist dei segnali ricevuti. Anche il recupero della fase della portante è un'operazione di rilievo, atta a riottenere la corretta costellazione dei segnali di ciascuna portante in modo da minimizzare l'errore di decisione nei simboli ricevuti.

Il sistema sviluppato con LabVIEW è realizzato in tre sezioni che ne permettono il completo controllo della configurazione scelta in trasmissione e quindi in ricezione, il controllo dell'errore di fase nel recupero della portante e la visualizzazione di tutti i segnali del tempo sia in trasmissione che in ricezione, oltre che il confronto tra il segnale trasmesso e quello ricevuto.

Author Information:
Giovanni Susca
POLITECNICO DI BARI

Bookmark and Share


Explore the NI Developer Community

Discover and collaborate on the latest example code and tutorials with a worldwide community of engineers and scientists.

‌Check‌ out‌ the‌ NI‌ Community


Who is National Instruments?

National Instruments provides a graphical system design platform for test, control, and embedded design applications that is transforming the way engineers and scientists design, prototype, and deploy systems.

‌Learn‌ more‌ about‌ NI