Szczegółowa informacja o przedmiocie

Wersja przedmiotu

Kod przedmiotu:PSDR
Nr wersji:1
Nazwa:Projektowanie systemów SDR
JD:3
ECTS:4
JK:15
Zaliczanie:B
Ocenianie:5
Semestr wprowadzenia:14Z
Osoba odpowiedzialna:dr inż. Dawid Wilhelm Rosołowski
Opis:Studia II stopnia (PZ-OTR)

Wymiary

Typ zajęćWymiar
W2
L1

Poprzedniki

Typ poprzedzaniaNr poprzednikaPrzedmiot poprzedzającyNazwa
Z1SRKOSystemy radiokomunikacyjne
Z1TMOTechnika mikrofalowa
Z1TWCZPodstawy techniki wielkich częstotliwości

Przedmioty podobne

---

Ostatnie realizacje

---

Przynależność do klas tematycznych i programowych

KlasaNazwaTyp klasy
OTPrzedmioty obieralne techniczneProgramowa
PZPrzedmioty zaawansowane techniczneProgramowa
PZ-OTRPrzedmioty zaawansowane obieralne RTMProgramowa

Konspekt

StreszczenieCelem przedmiotu jest zapoznanie studentów z budową, funkcjonalnością oraz rzeczywistymi możliwościami i ograniczeniami radia programowalnego (SDR). Typowe systemy SDR ze zredukowanym torem radiowym i przetwarzaniem sygnałów przesuniętym w większości do domeny cyfrowej wymagają interdyscyplinarnego podejścia zarówno podczas projektowania, analizy działania, jak i programowego konfigurowania i rekonfigurowania wymaganej funkcjonalności. Ze względu na charakter wiedzy koniecznej do poznania i implementacji idei SDR w ramach wykładu omawiane będą zarówno wybrane zagadnienia z zakresu analogowej techniki radiowej i mikrofalowej, cyfrowego przetwarzania sygnałów radiowych jak i kwestie czysto inżynierskie: metody i narzędzia symulacyjne, rozwiązania układowe i algorytmiczne, świadomy dobór elementów do realizacji systemu SDR, itp. Nieodzownym elementem kształcenia będzie eksperymentalna weryfikacja zdobytej wiedzy w rzeczywistych systemach klasy SDR, np. poprzez demodulację emisji cyfrowych czy generację składowych kwadraturowych zgodnych z wybranym schematem modulacji.
Treść wykładu
  • Wstęp. Tendencje w rozwoju systemów radiowych: wielousługowość, wielostandardowość, wielozakresowość, radio kognitywne (CR), koncepcja programowo rekonfigurowalnych urządzeń radiowych.
  • Radio Programowalne (SDR) - zastosowanie w radiokomunikacji oraz systemach specjalistycznych (np. Software Defined Radar). Typowa architektura urządzenia klasy SDR: zredukowany tor radiowy (FRONTEND) + ADC/DAC + cyfrowy blok przetwarzania w pasmie podstawowym (BASEBAND BLOCK).
  • Rekonfiguracja i adaptacja systemów SDR - czynniki ograniczające. Możliwości rekonfiguracji toru radiowego. Funkcjonalność zależna od oprogramowania, ograniczona możliwościami sprzętowymi.
  • Przetwarzanie C/A i A/C w urządzeniach SDR. Próbkowanie dolnopasmowe i pasmowe. Zakres dynamiki i wpływ jiteru sygnału zegara na jakość przetwarzania. Rodzaje przetworników i ich parametry. Istotne układy peryferyjne bloku przetwarzania C/A (A/C).
  • Konwersja częstotliwości do zakresu obsługiwanego przez przetwornik. Zredukowany tor radiowy z bezpośrednią, kwadraturową przemianą (0-IF, LOW-IF). Porównanie architektury homodynowej i sperheterodynowej.
  • Typowe trudności realizacji toru analogowego SDR: przenikanie nośnej, skończone tłumienie drugiej wstęgi, szumy 1/f, obecność składowej stałej (DC-offset). Metody poprawy parametrów rzeczywistych modulatorów i demodulatorów kwadraturowych.
  • Cyfrowe Przetwarzanie Sygnałów Radiowych (CPSR), zagadnienia podstawowe - przypomnienie. Matematyczny opis sygnałów radiowych i modulacji. Przegląd typowych modulacji analogowych (AM, FM, SSB) i cyfrowych (QAM, PSK, itp.). Wykres oka i trajektorii sygnałów zespolonych oraz diagram konstelacji.
  • CPSR - zmiana szybkości próbkowania oraz filtracja. Algorytmy decymacji i interpolacji. Filtracja pasmowa i dolnopasmowa, kształtowanie widma sygnału emitowanego (filtr typu podniesiony kosinus (RC).
  • CPSR - wybrane algorytmy przetwarzania w dziedzinie częstotliwości. Szybka transformata (FFT). Selektywny wybór i konwersja składowych częstotliwościowych, redukcja szumów, amplitudowa i fazowa korekta widma. Realizacja (de)modulacji jednowstęgowych oraz modulacji częstotliwości. Technika OFDM.
  • CPSR - cyfrowa przemiana częstotliwości oraz (de)modulacja radiowych emisji analogowych. Cyfrowy mieszacz oraz generator sygnału nośnej - NCO (np. algorytm CORDIC). (De)modulacja sygnałów CW, AM, FM, SSB.
  • CPSR - (de)modulacja sygnałów cyfrowych. Detekcja symboli - kryteria i algorytmy decyzyjne, (de)mapowanie danych zgodnie ze schematem modulacji.
  • CPSR - przetwarzanie adaptacyjne w łączu radiowym na przykładzie technik synchronizacji elementowej i nośnej oraz automatycznej regulacja wzmocnienia. Redukcja wpływu kanału radiowego na interferencje międzysymbolowe (ISI).
  • Metody oceny łącza cyfrowego za pomocą wskaźników syntetycznych (EVM, BER) oraz diagnostyka sygnałów na różnych etapach przetwarzania (analiza w dziedzinie czasu i lub częstotliwości). Testowe sekwencje pseudolosowe, sekwencje treningowe.
  • Przegląd aplikacji radia cyfrowego oraz specjalizowanych narzędzi i środowisk programistycznych. Obszar zastosowań techniki SDR. Urządzenia klasy USRP, odbiorniki DVB-T, wąskopasmowe odbiorniki SDR na bazie karty dźwiękowej. Przetwarzanie sygnałów za pomocą skryptów (Matlab, Octave, Python) oraz w czasie rzeczywisty bezpośrednio na poziome sprzętowym lub oprogramowania komputera PC (GNURadio, LabVIEW)
  • Zakres laboratoriumCelem pięciu trzygodzinnych ćwiczeń laboratoryjnych jest utrwalenie zdobytej wiedzy teoretycznej za pomocą eksperymentów i rozwiązywania zagadnień problemowych. W ramach zajęć studenci będą:
    • przeprowadzać pomiary typowych bloków sprzętowych radia programowalnego: zredukowanego toru analogowego i bloku przetwarzania A/C (C/A),
    • implementować typowe algorytmy CPSR, np. w celu demodulacji/modulacji rzeczywistych sygnałów radiowych.
    Przewidywanym efektem końcowym jest umiejętność zestawienia przez studentów cyfrowego łącza radiowego klasy SDR z elementów używanych podczas ćwiczeń, jego oprogramowanie oraz ocena poprawności działania za pomocą wyznaczenia typowych wskaźników jakości.
    Lab 1: Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (cyfrowo-analogowe) w systemach radiokomunikacyjnych
    Lab 2: Zredukowany tor analogowy - blok konwersji częstotliwości
    Lab 3: Podstawowe techniki cyfrowego przetwarzania sygnałów radiowych - zmiana szybkości próbkowania, filtracja i przemiana cyfrowa
    Lab 4: Demodulacja i generacja wybranych emisji analogowych lub cyfrowych
    Lab 5: Cyfrowe łącze radiowe klasy SDR
    Warunki zaliczeniaZaliczenie przedmiotu wymaga uzyskania minimum 51 punktów na 100 możliwych z tego:
    • co najmniej po 35% punktów z każdego z dwóch kolokwiów,
    • co najmniej 20 punktów z laboratoriów (zadanie problemowe + laboratorium).
    Podczas wykładów odbędą się 2 kolokwia, z których łącznie można uzyskać 65 punktów.
    Każde z laboratoriów oceniane będzie w skali 0-5 punktów.
    W ramach przygotowania do każdego z laboratoriów student zobowiązany jest do rozwiązania zadań problemowych ocenianych w skali 0-2 punkty zastępujących wstępne kolokwia na ćwiczeniach.
    Dopuszczenie do laboratorium wymaga uzyskania minimum 1 punktu za rozwiązanie zadania problemowego.
    Literatura
    1. Kennington, P. B. "RF and Baseband Techniques for Software Defined" Radio. Norwell, MA: Artech House, 2005.
    2. Rouphael, Tony J. "RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio: A Multi-Standard Multi Mode Approach" Newnes, 2009, 2009.
    3. Laskar, Joy, Babak Matinpour, and Sudipto Chakraborty."Modern receiver front-ends: systems, circuits, and integration" John Wiley & Sons, 2004.
    4. Lyons, Richard G. "Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów", WKŁ 2006
    5. Gatherer, Alan, and Edgar Auslander."The Application of programmable DSPs in mobile communications" John Wiley & Sons, Inc., 2002.
    6. Materiały dedykowane:
    • Materiały do wykładów zamieszczone na stronie przedmiotu
    • Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych
    • Instrukcja posługiwania się wybranym oprogramowaniem
    Streszczenie (po angielsku)Main goal of the lecture is to familiarize students with Software Defined Radio technology, especially with its architecture, flexibility, potential abilities and limitations of usage. Typical SDR system with almost all signal processing in digital domain requires interdisciplinary approach to design, analysis and taking advantage of its reconfigurability. Thus the lecture is focused on challenges in radio and microwave engineering as well as in digital signal processing. Moreover, it gives practical (engineer-level) knowledge about SDR system design, simulation tools, hardware and software solutions together with rules of components selection for SDR devices implementation. Apart from theoretical background, the lecture gives opportunity for experimental verification of the gained knowledge in real SDR systems.