SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 113
XÂY DỰNG, MÔ PHỎNG SDR PHÍA PHÁT
BUILDING, SIMULATING TRANSMITTER-SIDE BY USING SDR Nguyễn Văn Tân1,*, Phạm Như Trường2, Nguyễn Tuấn Anh3,* TÓM TẮT Với trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, rất nhiều vấn đề đã đượ
c
giải quyết một cách nhanh gọn với công nghệ điện tử hiện đại. Ngày nay, để tạ
o
ra các hệ thống vô tuyến với độ linh hoạt cao, SDR hiện đang được phát triể
n cho
các ứng dụng phát thanh và truyền hình. SDR cung cấp một hệ thống đa dạ
ng các
chương trình của máy thu/phát trên một nền tảng phần cứng riêng biệt. Cùng vớ
i
sự phát triển của thế giới, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con ngườ
i ngày
càng cao và thật sự cần thiết. Việc sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đ
ã
phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhập thông tin của con người ở các khoả
ng
cách xa một cách nhanh chóng và chính xác. Từ khóa: SDR, máy phát. ABSTRACT
When the development of science and technology, many problems have
been solved quickly with modern electronic technology. Today, to design highly
flexible radio systems, SDR (Software Defined Radio) is currently being developed
for radio and television ap
plications. SDR provides a diverse system of
receiver/transmitter programs on a separate hardware platform. Along with the
development of the world, the need to exchange information and entertainment
of people is increasing and really necessary. The use of
radio transmitting and
receiving systems has partly reached the needs of users to update information at
long distances quickly and accurately. Keywords: Software Defined Radio, Transmiter. 1Lớp Điện tử Truyền thông 02 - K15, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội2Lớp Điện tử Truyền thông 03 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội3Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: tanhhaui@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Theo sự biến động và phát triển như vũ bão của nền kinh tế, cùng đó là tốc độ phát triển chóng mặt của khoa học - kỹ thuật. Ngày nay, điện tử truyền thông đang trở thành ngành công nghiệp đa nhiệm, đã và đang đáp ứng nhu cầu của con người và tất cả những lĩnh vực phổ biến trong đời sống. Các thiết bị điện tử đã và đang ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả tối ưu nhất trong hầu hết các lĩnh vực khoa học cũng như đời sống xã hội. Với trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, rất nhiều vấn đề đã được giải quyết một cách nhanh gọn với công nghệ điện tử hiện đại. Ngày nay, SDR đã và đang có một số ứng dụng quan trọng trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Trong truyền thông vô tuyến: SDR được sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến như đài phát thanh, truyền hình và truyền thông không dây, nó cung cấp khả năng truyền tín hiệu với độ phân giải cao và chất lượng âm thanh và hình ảnh tốt hơn, đồng thời tương thích với nhiều tiêu chuẩn truyền thông. Trong bài báo này, các tác giả trình bày về hệ thống xây dựng và mô phỏng SDR phía phát. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT/ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về thiết bị vô tuyến có cấu trúc bằng phần mềm - SDR. - Tìm hiểu về khả năng ứng dụng của SDR trong đời sống. - Tìm hiểu về phần mềm GNU Radio hỗ trợ thực nghiệm. - Tìm hiểu về thiết bị ngoại vi vô tuyến HackRF One được xác định bằng phần mềm. 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiều về SDR: SDR là vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lược đồ điều chế và tần số khác nhau thông qua các module phần mềm. Nó hỗ trợ việc triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần và đa tiêu chuẩn. Hình 1. Sơ đồ khối SDR Bộ chuyển đổi A/D được đặt sau tầng trung gian. Quá trình xử lý băng gốc được điều khiển bằng phần mềm và giao diện người/máy cho phép người sử dụng có thể nhập vào một vài hướng dẫn thực hành. Cấu trúc này được coi là thiết bị vô tuyến có cấu trúc mềm (SDR) giai đoạn 1, vì một
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
114
KHOA H
ỌC
số chứ không phải toàn bộ quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện bằng phần mềm. Tất nhiên việc xử lý tín hiệu băng gốc số có thể thực hiện trong ASIC, khi đó thiết bị sẽ là vô tuyến số chứ không phải là SDR. - Phần cứng HackRF One là thiết bị ngoại vi vô tuyến được xác định bằng phần mềm có khả năng truyền hoặc nhận tín hiệu vô tuyến từ 1MHz đến 6GHz. Được thiết kế để cho phép thử nghiệm và phát triển các công nghệ vô tuyến thế hệ tiếp theo và hiện đại, HackRF One là một nền tảng phần cứng nguồn mở có thể được sử dụng làm thiết bị ngoại vi USB hoặc được lập trình để hoạt động độc lập. Phần cứng SDR HackRF One được cung cấp từ nhà sản xuất Great Scott Gadgets có băng thông và băng tần lớn, hỗ trợ thu/phát half-duplex, kết nối với máy tính qua cổng USB. Hình 2. Phần cứng HackRF One - Phần mềm hỗ trợ GNU Radio là một bộ công cụ mã nguồn mở được cung cấp miễn phí, cho phép người dùng thực hiện các tác vụ xử lý tín hiệu vô tuyến thông qua SDR. GNU Radio không những hỗ trợ tương tác với phần cứng SDR mà còn có thể tương thích với các phần mềm giả lập khác. Chương trình được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu học thuật, các giải pháp thương mại cũng như trong hệ thống vô tuyến dân sự, quân sự. GNU Radio được phát triển chính dựa trên ngôn ngữ Python, tuy nhiên để cải thiện hiệu xuất của bộ xử lý tín hiệu, một số phần được phát triển trên ngôn ngữ C++ và hoạt động chung trong gói phần mềm Thực hiện các phép toán: cộng, trừ, nhân, chia, logarit và logic. Thực hiện các khối FFT, IFFT. Thực hiện các bộ lọc thông cao, thông thấp, thông dải, chặn dải, bộ FFT, FIR, IR. Thực hiện các bộ điều chế và bộ giải điều chế nha: FM, AM, PSK, QAM, OFDM. Thực hiện các khối điều khiển: Automatic Gain Control (AGC), Detect Peak, Thresold. Thực hiện các kiều chuyển đổi: Float sang short Block, Int sang Fload Block và Complex sang Real. Phần mềm GNU Radio hỗ trợ các nguồn và đích đến của tín hiệu như sau: Nguồn cố định (constant source) Nguồn nhiễu (noise Source). Nguồn ngẫu nhiên (random source). I Nguồn vector ngẫu nhiên (vector Source). Nguồn và đích USRP (USRP Source, sink Source) I Nguồn thông báo (message sources). 2.3. Hệ thống xây dựng Hình 3. Lưu đồ phía phát SDR Ngõ vào tín hiệu: Tín hiệu đầu vào (ví dụ: âm thanh, dữ liệu số) được cung cấp cho hệ thống SDR. Mẫu hóa: Tín hiệu đầu vào được mẫu hóa thành dạng số thông qua bộ mẫu hóa ADC (Analog-to-Digital Converter). Quá trình này chuyển đổi tín hiệu liên tục thành dữ liệu số mà máy tính có thể xử lý. Xử lý tín hiệu số: Dữ liệu số được đưa vào các khối xử lý tín hiệu số trong SDR. Các khối này có thể bao gồm bộ lọc, trộn, biến đổi Fourier, mã hóa, modulate, hoặc các phép biến đổi khác tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Chuẩn bị tín hiệu RF: Dữ liệu số từ các khối xử lý tín hiệu được chuyển từ miền tần số sang miền thời gian sử dụng khối biến đổi Fourier ngược (Inverse Fourier Transform) hoặc các khối tương tự. Sau đó, tín hiệu trong miền thời gian được chuyển đổi thành tín hiệu analog bằng bộ chuyển đổi số-analog (DAC - Digital-to-Analog Converter). 3. KẾT QUẢ Một lợi thế của SDR phía phát ở các tín hiệu cao tần và trung tần là khả năng chuyển đổi tần số linh hoạt. Bạn có thể điều chỉnh tần số phát sóng để tương thích với các chuẩn giao thức và yêu cầu truyền dẫn khác nhau. Với các tần số nhóm đánh giá khoảng từ 60 - 90MHz. Khoảng cách truyền dẫn và xuyên qua vật cản: Các băng tần 60MHz, …, 80MHz và 90MHz có khả năng truyền dẫn sóng đường xa và xuyên qua vật cản tương đối tốt. Tuy nhiên, độ suy hao tín hiệu có thể tăng lên khi khoảng cách truyền dẫn xa hơn và gặp phải nhiều vật cản.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 115
Hình 4. Mô phỏng tín hiệu phát trên GNU Đánh giá về khả năng hỗ trợ phần cứng: HackRF One có nhiều tính năng như việc điều chỉnh tần số, độ rộng dải, công suất và điều khiển thiết bị. Đảm bảo GNU Radio cung cấp các khối phần mềm tương thích để có thể tương tác và kiểm soát các tính năng này của HackRF One. Mô phỏng kênh truyền: Sử dụng SDR phía phát, người dùng có thể mô phỏng các kênh truyền không dây và đánh giá tác động của các yếu tố như nhiễu, suy hao và nhiễu đa đường. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống truyền thông và đảm bảo hiệu suất tối đa trong các môi trường không đồng nhất. 4. KẾT LUẬN Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành hệ thống theo những yêu cầu đã đặt ra như: - Xây dựng được SDR phía phát - Lập trình trên phần mềm GNU Radio, thực thi trên phần cứng HackRF One, nhỏ gọn nhưng vẫn linh động và hiệu quả về tốc độ xử lý và nâng cấp về sau. Một số ưu và nhược điểm của hệ thống. - Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, linh động, hiệu quả; Khả năng linh hoạt: HackRF One là một thiết bị SDR đa năng có khả năng hoạt động trên nhiều tần số và chuẩn truyền thông khác nhau; Hiệu suất và độ nhạy cao - Nhược điểm: Chưa xử lý triệt để được vấn đề nhiễu gây khó khăn trong quá trình phát; Công suất phát còn hạn chế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. https://vi.fmuser.net/content/?7098.html. [2]. http://kdientu.duytan.edu.vn/vi-vn/nghien-cuu-khoa-hoc/thiet-bi-vo-tuyen-co-cau-truc-mem-sdr/. [3]. https://luanvan.net.vn/luan-van/do-an-nghien-cuu-ve-sdr-va-ung-dung-22454/. [4]. https://www2.t17lab.com/blog/huong-dan-cai-dat-gnu-radio-grgsm-tren-ubuntu-20/. [5]. https://dohaison.github.io/blog/2020/gnuradio/. [6]. https://pcccsaigon.com/he-thong-chua-chay-tu-dong-pho-bien-hien-nay/. [7]. Trần Mạnh Cường, Hoàng Văn Thực, Đỗ Văn Quyền, 2018. Thiết kế thử nghiệm hệ thống đo và giám sát nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên ngón tay. Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông, Đại học Thái Nguyên. [8]. Vũ Trung Kiên, Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng, 2007. Giáo trình vi điều khiển PIC. NXB Giáo dục.
