Kehittyneiden Aaltomuotojen Käytettävyys HF-alueen Tiedonsiirrossa

Transkriptio

1 MATNE Tutkimusseminaari Kehittyneiden Aaltomuotojen Käytettävyys HF-alueen Tiedonsiirrossa Markku Jokinen

2 2 Sisällys Johdanto WARP ohjelmistoradioalusta HF-toteutus lmenneet rajoitukset ohjelmistoradioalustalla Fyysisen kerroksen mittaukset HF-kantotaajuiset mittaukset Kenttämittaukset Päätelmät

3 3 Johdanto Tiedonsiirtokapasiteetin lisääntyminen ja samalla tehtävien maantieteellinen laajentuminen asettaa haasteita johtamisjärjestelmien kehitykselle. Nykyaikaisten aaltomuotojen käyttäminen HFalueella vastaa molempiin haasteisiin. Tutkimuksen tavoitteena oli demonstroida tulevaisuuden HF-taajuusalueen aaltomuodon fyysisen kerroksen ominaisuuksia.

4 4 WARP ohjelmistoradioalusta (1) WARP on Rice University:n kehittämä FPGA-pohjainen ohjelmistoradioalusta. Alusta pohjautuu Xilinx Virtex- Pro FPGA-piiriin, joka sisätää myös kaksi PowerPC (PPC) prosessoria. Avoin referenssitoteutus joka käytää 2,4 GHz:n radio-osia. FPGA chip CF-card reader Radio daughter board on daughter card slot #2 USB WARP FPGA board Clock board Ethernet RS-232 port

5 5 WARP ohjelmistoradioalusta (2) Referenssitoteutuksessa on OFDM aaltomuotoon perustuva fyysinen kerros, joka pohjautuu löyhästi WLAN-standardiin, mutta eroaa siitä seuraavilta osin: PSK ja 16-AM modulaatiomenetelmät 10MHz kaistanleveys ei kanavakoodausta PPC suorittaa MAC kerroksen ohjauskoodia ja ohjaa fyysisenkerroksen toimintaa.

6 6 HF-toteutus (1) Radiokortista luovuttiin ja käyttöön otettiin analogiakortti, joka toteuttaa vain AD/DAmuunnoksen Fyysisen kerroksen kellotaajuus laskettiin 40MHz:stä 5MHz:iin ja prosessoriytimen kellotaajuus 240MHz:stä 20MHz:iin. Fyysisen kerroksen toteutusta muokattiin niin, että desimointikerrointa voidaan muuttaa välillä 8-512, referenssitoteutuksessa käytössä on kiinteä 4.

7 7 HF-toteutus (2) Lähettimessä desimointikertoimen muuttaminen tarkoittaa paketin venyttämistä, tämä toteutettiin käyttäen puskuri muistia. Suodattimet kaventavat lähetteen kaistanleveyttä. Vastaanottimessa muutoksia tehtiin miltei koko toteutukseen, eritoten: paketinhavaitsemislohkoon, paketinajoitukseen ja taajuusoffsetinkorjaimeen. Toteutuksessa jouduttiin luopumaan AGC-lohkosta, radiokortista luopumisen takia.

8 8 HF-toteutus (3) ref. toteutus HF toteutus HF toteutus HF toteutus kaistanleveys 10MHz 312,5kHz 156,25kHz 78,13kHz symboliaika 8µs 256µs 512µs 1,025ms desimointikerroin PHY kellotaajuus 40MHz 5MHz 5MHz 5MHz alikantoaaltojen lkm keskitaajuus 2,4 tai 5GHz 30MHz 30MHz 30MHz

9 9 lmenneet rajoitukset ohjelmistoradioalustalla Paketinhavaitsemislohko rajoittaa käytettävän desimointikertoimen N=64 (78,13kHz), jota suuremmilla desimointikertoimilla kaikkia paketteja ei havaittu. Ethernet-ohjain rajoittaa käytettävän minimi kellotaajuuden 5MHz:iin, jota pienemmällä kellotaajuudella se ei toimi.

10 10 Fyysisen kerroksen mitaukset (1) Fyysisen kerroksen suorituskyky kantataajudella mitattiin lähettämällä MAC-kerroksella generoituja paketteja tunnetun määrän ja mittaamalla lähetykseen kulunut aika. WARP1 WARP2 PC ADC DC block DC block DAC PC DAC DC block DC block ADC

11 11 Fyysisen kerroksen mitaukset (2) Tiedonsiirtonopes [kbits/s] ,5kHz PSK 312,5kHz 16-AM 156,25kHz PSK 156,25kHz 16-AM 78,13kHz PSK 78,13kHz 16-AM Paketin pituus [tavua]

12 12 HF-kantotaajuiset mittaukset (1) Laboratorio olosuhteissa mitattiin HF-kantotaajuista järjestelmää käyttäen vastaanottoon lähettimen kanssa samanvaiheista ja erivaiheista vertailutaajuutta. Käyttäen samanvaiheista vertailutaajuutta suorituskyky on sama kuin kantataajuudella. Tx Rx Signal Generator 2024 WARP1 WARP2 ADC DAC DC block DC block HP 8780A Amplifier ZFL- 1000LN HP 8981A filter filter DAC ADC

13 13 HF-kantotaajuiset mittaukset (2) Pakettivirhesuhde [%] ,5kHz PSK 312,5kHz 16-AM 156,25kHz PSK 156,25kHz 16-AM 78,13kHz PSK 78,13kHz 16-AM koherentti taajuus Paketin pituus [tavua]

14 14 Kenttämittaukset (1) Kenttämittaukset suoritettiin käyttäen Radio Arcalan antennimastoja. Antenneina käytettiin kolmea 6 elementtistä monoband jagia lähetykseen, ja kuutta 10 elementtistä tribanderia (JP2000) vastaanottoon. Käytetyt antennimastot olivat 60 m korkuiset ja niiden etäisyys toisistaan oli n. 150 m.

15 15 Kenttämittaukset (2) Kenttämittaukset suoritettiin samaan tapaan kuin aikaisemmatkin mittaukset. PSK:ta käytettäessä pakettivirhesuhde hieman nousee, mutta 16-AM:ia käytettäessä se kasvaa huomattavasti verrattuna laboratoriomittauksiin. WARP1 150m VLF-95 low pass filter Signal Generator 2024 WARP2 ADC DAC DC block DC block HP 8780A Kalmus 710FC Amplifier Amplifier ZFL- 1000LN HP 8981A filter filter DAC ADC

16 16 Kenttämittaukset (3) Pakettivirhesuhde [%] ,5kHz PSK 156,25kHz PSK 78,13kHz PSK Paketin pituus [tavua]

17 17 Päätelmät Toteutettiin demonstraattori ohjelmistoradioalustalla käyttäen OFDM siirtotekniikkaa HF-kantotaajuudella. Kaistanleveyttä pystyttiin huomattavasti pienentämään referenssitoteutukseen verrattuna. Alustan rajoituksista johtuen ei päästy pienimpiin kaistanleveyksiin, jotka olisivat kiinnostavia tapauksia HF-tiedonsiirrossa. Paketin kesto on suhteellisen lyhyt, joka ei sovi suuria viiveitä sisältävään ionosfääri kanavaan. Kuitenkin pinta-aalto etenemistä hyväksikäyttäen viiveet pysyvät tarpeeksi alhaisina.