Datenübertragung mit Rückkanal in Software-Defined Radio

Datenübertragung mit Rückkanal in Software-Defined Radio

Tobias Mailänder

Problemstellung
In dieser Arbeit müssen die Möglichkeiten des LimeSDR Mini für die Datenübertragung mit dem Rückkanal untersucht werden. Der LimeSDR mini verfügt über einen Intel MAX 10 FPGA, Lime Microsystems LMS7002M RF Transceiver und arbeitet in einem Frequenzbereich von 10MHz bis 3.5GHz.

Lösungskonzept
Mit dem Rückkanal wird ein Signalaustausch in beide Richtungen ermöglicht. Der Empfänger kann den Sender über die empfangenen Daten informieren und so das Senden des nächsten Pakets beeinflussen. Mit FDD (frequency division duplex) kommuniziert der Rückkanal auf einer anderen Frequenz. Mit TDD (time divison duplex) wird für beide Kanäle dieselbe Frequenz verwendet.

Realisierung
Umgesetzt wurde die Kommunikation mit TDD. Das Paket wird über den Socket als binäre Datei gesendet und mit dem Constellation Modulator QPSK moduliert. Die Kommunikation verläuft bei einer Trägerfrequenz von 868.1MHz. Mit der QPSK Modulation entspricht dies einer Bitrate von 25kbit/s. Die gesendeten Daten werden in 256 Byte grosse Pakete aufgeteilt. Es wird eine Prüfsumme am Ende des Pakets von 10 Byte angefügt. Wenn der Timout Counter den Maximalwert erreicht, wird das Paket erneut gesendet und der Timout Counter zurückgesetzt. Dies wiederholt sich solange, bis eine Bestätigung erkannt wird. Das rx erhält eine Grösse von 1295 Symbolen worin pus4 mit der Grösse von 256 Symbolen gesucht wird. Als Kriterium für die korrekte Präambel, darf dieser Peak im gesamten Paket nur einmal vorkommen. Anhand der empfangenen Präambel wird der time offset und den phase drift mit dem Maximum Likelihood Estimation Verfahren ermittelt. Sind die beiden Prüfsummen identisch, wird eine positive Bestätigung gesendet.

Ergebnisse
Die Ursache der unerwünschten Störungen, konnte leider nicht herausgefunden werden. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Störungen erst nach längerem Einsatz der Funkmodule auftraten. Die Untersuchung vom Einfluss der Wärmeentwicklung und Rauschen ergab keine Anhaltspunkte. Zusammenfassend folgende Aussagen:
– Die Ausreisser werden nicht durch die Signalverarbeitung erzeugt.
– Bei starkem Rauschen wird die Präambel gut erkannt. Sind die Winkel der Symbole zu nahe beieinander, können die Symbole falsch interpretiert werden.
– Schwankungen bei Frequenzen kann die Präambel schlechter erkannt werden.
– Die entstehenden Fehler können in der Signalverarbeitung korrigiert werden.

Studienbetreuer Prof. Dr. Thomas Hunziker
Preisstifter Hochschule Luzern, Institut für Elektrotechnik

Funktionsblöcke der Kommunikation
Erkennung eines Pakets durch Korrelation
Empfangene QPSK Symbole
Empfangene QPSK Symbole der Simulation mit simulierten Störrungen im Funkkanal

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