Radar definit prin software folosind platforme USRP. Aplicații pentru un automobil inteligent. [303373]

Universitatea „Politehnica” [anonimizat]. Aplicații pentru un automobil inteligent.

Proiect de diplomă

prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de

Inginer în domeniul Telecomunicații

programul de studiu de licență Tehnologii și Sisteme de Telecomunicații

Conducător știițific Absolvent

S.I Dr.Ing. [anonimizat]-MIC

2016

Lista Figurilor

Figura 1-1 Principiul de funcționare al radarului [2] 16

Figura 1-2 Ecuația radarului [3] 17

Figura 1-3 Radar cu unde continue [4] 19

Figura 1-4 Semnalul transmis și recepționat pentru FMCW liniar cu forma în dinte de fierăstrău [7] 20

Figura 1-5 Modulație cu Salt de Frecvență 21

Figura 1-6 Geometria radarului pasiv [12] 23

Figura 2-1 Structura generică a platformei USRP [16] 24

Figura 2-2 Panoul frontal al platformei USRP N210 26

Figura 2-3 Diagrama bloc a platformei USRP N210 [18] 27

Figura 2-4 Placa de bază a platformei USRP 28

Figura 2-5 Modulul WBX [18] 29

Figura 2-6 Partea de recepție a modulului WBX [18] 29

Figura 3-1 Structura unei aplicații GNU Radio 32

Figura 3-2 Exemple de blocuri în GRC 33

Figure 3-3 Exemple de variabile în GRC 34

Figura 3-4 Mod de lucru în GRC 34

Figura 3-5 Interacțiunea între GNU Radio și USRP N210 35

Figure 3-6 Schema generală a unei aplicații din toolbox 36

Figure 4-1 Imagine cu amplasarea echipamentului 38

Figura 4-2 Conexiunea USRP 39

Figura 4-3 Flowgraph-ul utilizat în GRC 43

Figure 4-4 Blocul USRP Echotimer 44

Figura 4-5 Blocurile de interfață grafică 45

Figura 4-6 Distanța si viteza pentru mers ușor 46

Figure 4-7 Viteza și distanța pentru mers ușor si rapid 47

Figure 4-8 Măsurători în alergare 48

Figure 4-9 Măsurători pentru mers normal și alergat 49

Lista Tabelelor

Tabel 2-1 Specificații tehnice ale USRP N210 22

Tabel 2-2 Specificații tehnice ale modulului RF WBX 25

[anonimizat]. Sistemele radar tradiționale sunt de regulă costisitoare și sunt proiectate pentru o [anonimizat], [anonimizat] a radarului definit prin software s-a făcut posibilă înlocuirea multor componenete hardware cu aplicații software care au făcut implementarea unui astfel de sistem mai economic.

Obiectivele principale ale acestei lucrări sunt de a configura două platforme radio definite prin software ( USRP N210) în scopul de a implementa un radar FSK folosind programul GNU Radio. Aceasta include instalarea și configurarea modulelor software necesare.

[anonimizat].

[anonimizat], apoi mă voi concentra pe USRP N210, [anonimizat].

[anonimizat] prezentarea GNU Radio Radar Toolbox ce oferă un set de algoritmi radar utilizați în mod obișnuit.

În al patrulea capitol voi explica pașii pe care i-am făcut pentru a implementa aplicația, incluzând instalarea și configurarea software-ului, dar și configurarea radarului și prezentarea rezultatelor măsurătorilor.

Pe baza acestor rezultate obținute vor fi trase concluziile din partea finală a lucrării.

Principii pentru sisteme radar

Radio Detection And Ranging (RADAR)

RADAR este un termen englezesc ce reprezintă acronimul expresiei RAdio Detection And Ranging (detecție și localizare prin mijloace radio). Acesta folosește undele electromagnetice cu scopul de a obține informații cu privire la obiectul țintă (dimensiune, formă, distanță, viteză). Principiul de funcționare de bază este următorul: un emițător transmite o undă electromagnetică care va fi reflectată de obiectele întâlnite în cale. O parte din aceste unde reflectate vor fi capturate de o antenă de recepție, care sunt apoi procesate pentru a obține informația dorită despre țintă.[1]

Figura 1-1 Principiul de funcționare al radarului [2]

Dezvoltarea radarelor a început în mod independent, în al doilea război mondial de către diverse

țări pentru aplicații militare, dar în prezent acestea sunt utilizate în diferite domenii cu o gamă largă de aplicații, cum ar fi detectarea vitezei, controlul traficului aerian, supraveghere meteorologică, observații geologice și astronomie.

Ecuația radarului poate fi scrisă ca r , unde:

– reprezintă puterea emițătorului;

– este câștigul antenei de emisie;

– reprezintă aria efectivă a antenei de recepție;

– este suprafața de reflexie eficace

Rt – este distanța de la emițător la țintă;

Rr – este distanța de la țintă la receptor;

Pr – reprezintă puterea returnată radarului.

Figura 1-2 Ecuația radarului [3]

De regulă, antena de emisie și de recepție sunt în același loc sau aceleași, deci ecuația se reduce la r , care arată că puterea recepționată scade cu puterea a patra a distanței.[4]

Radar definit prin software

Într-un radar definit prin software (SDR), o parte din funcțiile care au fost implementate inițial

folosind hardware dedicat (generare de semnal, filtrare, modulare și demodulare) sunt acum dezvoltate folosind module software. Acest lucru a fost posibil, în principal, datorită avansării rapide a puterii calculatorului, a algoritmilor de procesare a semnalului și a convertoarelor analogic-digital (ADC). În comparație cu radarul implementat prin hardware, unde sistemul este proiectat pentru o singură sarcină și, de obicei, sunt posibile mici reconfigurări sau deloc, un SDR oferă posibilitatea de a implementa o gamă mare de aplicații, cu doar o schimbare de software. [5]

Unul din avantajele radarului definit prin software în comparație cu cel definit prin hardware (HDR) îl reprezintă flexibilitatea proiectării. Este posibil să se definească un radar multifuncțional folosind același echipament (aceeași antenă Tx și Rx) și de a comuta în mod dinamic între diferitele moduri de radar. Acest lucru face SDR extrem de dorit pentru aplicații în care greutatea disponibilă și spațiul sunt limitate, precum în avioane.

Radarul definit prin software oferă o mai mare fiabilitate și stabilitate decât cel definit prin hardware, deoarece un program software se execută în același mod, indiferent de câte ori este rulat. Componentele dintr-un HDR sunt sensibile la variațiile de fabricație și a factorilor de mediu, cum ar fi alternanțele de temperatură și îmbătrânirea, ceea ce duce la diferite performanțe între produsele care ar trebui să lucreze identic. Astfel, SDR oferă o performanță mult mai bună.

Într-un HDR, îmbunătățirile sunt greu de implementat și acestea implică, de obicei, o reproiectare parțială sau totală a circuitului, ceea ce face testarea unui proces costisitor și dificil. Însă, în abordarea SDR noi funcții și caracteristici pot fi emise printr-o simplă actualizare de software.

Flexibilitatea ridicata, fiabilitate, costuri mai mici și potențialul de dezvoltare mai rapid face SDR o tehnologie foarte căutată. Faptul că acestea pot fi puse în aplicare cu ajutorul unui calculator personal, platforme USRP și software-ul open source face implementarea si testarea unor noi configurații mai simple și de cost redus. Toate aceste avantaje asigură că SDR va juca un rol major în viitorul dezvoltării radarului. [6]

Tipuri de radar care pot fi implementate folosind platforma USRP și GNU Radio

Datorită flexibilității ridicate și reutilizării radarelor definite prin software, există mai multe tehnologii care pot fi implementate cu același hardware, dar cu o schimbare de software. Se poate realiza, de asemenea, un radar multifuncțional, care va comuta în mod dinamic între modurile de operare în funcție de aplicația necesară în acel moment. În paginile următoare vor fi prezentate aceste tehnologii.

Radar cu unde continue (CW)

După cum sugerează și numele, un astfel de radar transmite constant unde electromagnetice către obiectul țintă în timp ce simultan și continuu primește undele reflectate (ecouri) de obiect.

Funcționalitatea unui astfel de radar se bazează pe efectul Doppler, care prevede că, dacă obiectul țintă se mișcă, frecvența ecoului nu va coincide cu frecvența undei transmise. Identificând frecvența Doppler, se poate determina viteza obiectului țintă:

V =

unde,

V – reprezintă viteza radială a obiectului (m/s)

– este lungimea de undă a semnalului CW (m)

fDop – este frecvența Doppler (Hz)

Figura – Radar cu unde continue [4]

Anumite avantaje ale acestei metode sunt costul redus, simplitatea și volumul mic. Cu toate acestea, din cauză că acest tip de radar este utilizat atât pentru transmisie cât si pentru recepție, distanța dintre aparat și obiect este redusă considerabil. [1]

Un dezavantaj major al acestui tip de radar este faptul că acesta nu poate detecta obiecte fixe sau distanța dintre radar și obiectul țintă. Cu toate acestea, putem depăși aceste limitări prin utilizarea unei tehnici de modulare pe semnalul transmis. În acest fel, avem un semnal în funcție de timp și, prin urmare, putem calcula distanța. Cel mai comun este cel cu modulare FM liniară, care va fi prezentat în continuare.

Radar cu unde continue modulate în frecvență ( FMCW)

Spre deosebire de radarul CW, radarul FMCW își poate schimba frecvența de funcționare în timpul măsurării, adică semnalul de transmisie este modulat în frecvență. Caracteristic radarului FMCW este:

măsurarea distanței se realizează prin compararea semnalului recepționat cu o referință (de obicei, semnalul de transmisie)

durata transmiterei semnalului este substanțial mai mare decât timpul de recepție necesar.

Caracteristicele de bază ale radarului FMCW sunt:

abilitatea de a măsura distanțe foarte mici până la țintă ( distanța minimă măsurată este comparată cu lungimile de undă transmise)

abilitatea de a măsura simultan distanța până la țintă și viteza acesteia

precizie foarte mare în cazul măsurării distanței

În această tehnologie radar, un semnal purtător continuu este modulat printr-o funcție periodică (de exemplu, “dinte de fierăstrău”) pentru a obține un semnal transmis dependent de timp și să fie capabil să extragă informația despre distanța până la țintă. Vom considera un FMCW cu o formă de undă “dinte de fierăstrău” liniară:

Figura – Semnalul transmis și recepționat pentru FMCW liniar cu forma în dinte de fierăstrău [7]

Intervalul de repetiție a implulsului (PRI) este perioada semnalului transmis, B reprezintă lățimea de bandă și tdelay este întârzierea dintre semnalul transmis și cel recepționat. În scopul de a se calcula distanța până la țintă, este utilizată următoarea ecuație:

, unde:

r – este distanța

c – reprezintă viteza luminii

– reprezintă diferența dintre semnalul transmis și cel recepționat

T – este perioada semnalului

B – este lățimea de bandă a semnalului transmis

Acesta este cel mai comun tip de radar implementat cu platforme USRP și a fost implementat cu success pentru detecția țintei în [7] și pentru supravegherea vremii în [8].

Radar FSK

Sistemele radar FSK (Frequency Shift Keying) sunt bazate pe radarele cu unde continue (CW), dar emit două sau chiar mai multe semnale nemodulate alternativ în timp la diferite frecvențe purtătoare cu o diferență de frecvență fshift.

Figura 1-5 Modulație cu Salt de Frecvență

Două semnale transmise produc două semnale de ecou radar, fiecare decalate cu o anumită frecvență Doppler fD1,fD2. Frecvențele purtătoare fA1 și fA2 au valori ridicate comparativ cu frecvențele Doppler, ambele fiind aproape egale și reprezintă frecvența bătăilor fB prin care viteza radială este determinată:

fB= fD1fD2= – vr

Această frecvență a bătăilor nu are nicio influență asupra timpului de propagare, prin urmare nu are informații nici despre distanța dintre antenă și obiect. Cu toate acestea, distanța poate fi determinată folosind informația de fază dintre două semnale de ecou radar recepționate

A1-A2:

R=

Georadar (GPR)

Un GPR (Ground Penetrating Radar) folosește undele electromagnetice pentru localizarea obiectelor țintă sub suprafața pământului sau plasate într-o structură opacă. Acest tip de radar este de obicei folosit pentru localizarea obiectelor plasate la doar câteva lungimi de undă depărtare de apertura antenei datorită atenuării rapide a undelor electromagnetice. Tehnologia utilizată este foarte dependentă de utilizare, tipul țintei și materialul din jurul țintei. Obiectul țintă poate fi un dielectric, un conductor sau o combinație între cele două, în timp ce în împrejurimi poate fi pământ, rocă, gheață, apă, beton, lemn, etc. [9]

Atenuarea este dependentă de frecvență, astfel frecvența mai scăzută va pătrunde mai departe decât frecvențe mai mari. Cu toate acestea, rezoluția este mai bună pentru frecvențe înalte, prin urmare, în funcție de utilizare, un compromis între distanță și rezoluție este făcută.

GPR poate fi folosit în multe aplicații diverse, cum ar fi în studierea rocii de bază și a solurilor, prospectarea de aur și diamante, precum și localizarea artefactelor sau echipamentelor militare, chiar neexplodate, fără riscul de a le deteriora.

Principalul dezavantaj pentru GPR este că depinde foarte mult de condițiile de mediu. Argilele și rocile sedimentare împrăștie semnalul GPR și scade RSZ al sistemului. Alte dezavantaje sunt consumul ridicat de energie, precum și faptul că interpretarea rezultatelor necesită o pregătire anterioară. [10]

Potențialul utilizării platformelor USRP pentru GPR a fost discutat în [11], dar din cauza limitărilor în ceea ce privește echipamentele disponibile nu a fost efectuat un test de performanță.

Radar pasiv

Un sistem radar pasiv utilizează emisiile existente de la emițătoarele de radiodifuziune, de navigație radio sau de comunicare în loc de a avea un emițător radio dedicat. Acest lucru este foarte potrivit pentru cercetare, datorită implementării simple și rentabile și datorită faptului că nu există probleme de licențiere, deoarece sursa emițătorului există deja. Acest lucru permite utilizarea unor benzi de frecvență care nu sunt de obicei disponibile pentru radar, cum ar fi VHF și UHF. Acesta este un avantaj imens al acestui tip de radar, având în vedere cererea tot mai mare de tehnologii diferite, inclusiv aplicații radar, privind utilizarea spectrului de frecvențe, care este o resursă finită. Acesta este motivul pentru care radarul pasiv este privit ca un "radar verde", pentru că nu generează poluare electromagnetică.

Geometria obișnuită a unui radar pasiv este dată în figura 1-6.

Distanța până la obiectul țintă este dată de următoarea ecuație:

RR

unde,

L – este distanța dintre emițător și receptor

RT – este distanța de la emițător la țintă

RR – este distanța dintre receptor și țintă

R – dă direcția țintei la receptor

Figura 1-6 Geometria radarului pasiv [12]

Sursele tipice de radiație pentru radare pasive includ semnale analogice de televiziune, semnale radio FM, stații de bază celulare, transmisiile audio digitale și transmisiile video digitale. Acestea se compară în performanță cu sisteme radar convenționale cu rază scurtă și medie. Unele dintre avantajele unui radar pasiv sunt costurile reduse, dimensiunile mici și rezistență la bruiaj, în timp ce un dezavantaj ar putea fi dependența de un radiator terț. [13]

Radarul pasiv a fost implementat cu succes și testat cu platforma USRP în [14].

Radar OFDM

Radarul OFDM are același principiu de funcționare ca și un radar de bază, care este caracterizat prin transmiterea undelor electromagnetice și recepționarea ecourilor de la obiectul țintă. Principala diferență este că semnaulul OFDM a fost proiectat pentru transmiterea de informații și nu în mod special pentru implementarea unui radar, ca de exemplu semnalul FMCW.

Principalul avantaj a unei astfel de abordări este faptul că acesta permite sistemului radar să comunice cu alți participanți din rețea, oferind atât detecție cât și comunicare, făcând astfel radarul fezabil pentru comunicații inter-vehiculare. O implementare a unui radar OFDM este prezentat în [15].

Platforme radio definit prin software USRP

În acest capitol vor fi prezentate aspecte generale ale componentelor hardware folosite în simulările efectuate utilizând echipamente fizice USRP N210, pentru a analiza performanțele unui radar definit prin software. Radarul nostru este format din două platforme USRP N210 sincronizate, ambele construite în jurul unui FPGA Xilinx Spartan. La recepție, FPGA-ul realizează conversia digital down și filtrarea trece jos, permițând eșantioanelor cu date înregistrate să fie transferate prin interfața Gigabit Ethernet a USRP-ului către laptopul echipat cu un procesor Intel i7 și cu software-ul GNU Radio instalat. Fiecărei plăci de bază USRP îi este atașată un modul WBX care poate accesa banda spectrală între 50 MHz – 2.2 GHz. Sincronizarea între plăci este obținută utilizând cablul MIMO.

Introducere USRP

Universal Software Radio Peripheral (USRP) este o gamă de aparate radio definit prin software fabricate și vândute de Ettus Research și de compania părinte, National Instruments. Dezvoltat de o echipă condusă de Matt Ettus, USRP-ul este destinat să fie o platformă hardware relativ ieftină pentru software-ul radio și este frecvent utilizat de laboratoare de cercetare și universități.

USRP-ul se conecteaza la un computer personal utilizând USB de mare viteză sau o linie Gigabit Ethernet și poate fi controlata folosind driverul open-source UHD (USRP Hardware Driver). Acest driver este scris folosind limabjul C++ și permite folosirea mediilor de dezvolare cum ar fi: GNU Radio, Matlab sau Simulink pentru accesarea USRP-ului. Platforma constă dintr-o placă de bază hardware de uz general și din plăci harware care se pot schimba pentru a permite transmisia și recepția în diferite benzi de radio. Platformele USRP sunt frecvent utilizate cu software-ul GNU Radio pentru a crea sisteme radio definite prin software complexe.

Figura 2-1 Structura generică a platformei USRP [16]

Familia de produse USRP include o varietate de modele care utilizează o arhitectură similară. Placa de bază oferă următoarele subsisteme: FPGA, convertoare analogic-digitale (ADC), convertoare digital-analogice (DAC) , interfață procesor gazdă, generarea și sincronizarea semnalului de ceas și reglarea puterii. Acestea sunt componentele principale care sunt necesare pentru procesarea semnalelor în banda de bază. Un front-end modular, numit placă secundară (daughterboard), este utilizat pentru operațiuni analogice, cum ar fi în conversia up/down și filtrare. Acestă modularitate permite USRP să poată servi aplicații care operează între DC și 6 GHz.

Aceasta este o listă cu unele dintre aplicațiile implementate utilizând o placă USRP:

echipamente de testare

cititor RFID

stație de bază celulară GSM

receptor GPS

receptor radio FM

emițător radio FM

radar pasiv

radio amator și multe altele.[17]

Platforma USRP N210

Platformele USRP N200 și N210 fac parte din clasa cea mai performantă din familia de produse hardware USRP (Universal Software Radio Peripheral), ceea ce permite inginerilor să proiecteze rapid și să implemeteze sisteme radio cu software flexibil. Hardware-ul N210 este ideal pentru aplicații care necesită performanțe ridicate a frecvenței radio și lațime de bandă mare.

În următorul tabel sunt prezentate pricipalele specificații tehnice ale platformei USRP N210.

Tabel 2-1 Specificații tehnice ale USRP N210

USRP N210 conține un FPGA Xilinx® Spartan® 3A-DSP 3400, convertoare DAC duale cu rata de eșantionare 400 MS/s, convertoare ADC duale cu rata de eșantionare 100 MS/s și un port Gigabit Ethernet pentru transferul de date de la și către un calculator. Aceste componenete se găsesc pe placa de bază (motherboard) a USRP-ului , la care se adugă un transceiver RF cu rol de daughterboard

În figura următoare este reprezentată panoul frontal al USRP N210:

Figura 2-2 Panoul frontal al platformei USRP N210

Se pot observa următoarele porturi:

Interfața Gigabit Ethernet servește ca legătură între N210 și calculator.

Interfața pentru conexiunea MIMO (Multiple Input Multiple Output) este situată pe panoul frontal al fiecărei unități.

Portul de intrare 6V DC 3A

Conectorul SMA RF1 care asigură accesul la portul RX2 al WBX

Conectorul SMA RF2 care asigură accesul la portul TX/RX al WBX

Conectorul REF CLOCK care permite un semnal de sincronizare extern de 10 MHz.

Conectorul PPS IN care permite sincronizarea USRP-ului cu un semnal pulse per second extern.

Ledurile dezvăluie următoarele despre starea dispozitivului:

LED A : transmitere

LED B : linkul cablului MIMO

LED C : recepție

LED D : firmware încărcat

LED E : referință blocată

LED F : CPLD încărcat

Figura 2-3 Diagrama bloc a platformei USRP N210 [18]

Procesorul de bază este un convertor analog-digital (ADC) care eșantionează semnalul recepționat și transmite 14 biți cuantizați digitali de date. Eșantioanele digitale sunt transferate la FPGA și prelucrate cu convertoare digital down (DDC) pentru a satisface rata exactă de eșantionare și frecvența. Ieșirea ADC este convertită cu oscilatorul controlat numeric (NCO). Eșantioanele convertite sunt decimate apoi cu factorul N pentru a produce rata de eșantionare dorită pentru a genera date I și Q pentru a fi trimise către host.

Următoarea imagine ilustrează o imagine a plăcii USRP cu componenetele principale evidențiate:

Figura – Placa de bază a platformei USRP

Modulul RF WBX

Modulul RF WBX este un transceiver de lățime de bandă largă, care oferă o putere de ieșire de până la 100 mW și factor de zgomot de 5 dB. În tabelul următor sunt prezentate specificațiile tehnice ale acestuia.

Tabel 2-2 Specificații tehnice ale modulului RF WBX

O imagine a acestui modul este reprezentată în Figura 2.5.

Figura 2-5 Modulul WBX [18]

Partea de recepție a moduluilui RF WBX este prezentată în figura de mai jos.

Figura 2-6 Partea de recepție a modulului WBX [18]

Semnalul de radiofrecvență poate fi recepționat prin unul dintre cele două porturi ale modulului WBX, TX/RX sau RX2. Semnalul provenit de la antenă este preluat de un modul RF auxiliar (figura 2-6), acest modul fiind singurul dintre modulele de RF produse de Ettus Research care beneficiază de un astfel de modul auxiliar. Pentru a separa căile de transmisie și recepție și a asigura legătura între conectorii de antenă și blocurile de emisie/recepție, în cadrul acestui modul auxiliar sunt folosite două switch-uri. Dacă recepția se face prin portul TX/RX, semnalul va parcurge ambele switch-uri, dacă este folosit portul RX2, semnalul va parcurge un singur switch.

Avantajul existenței unui astfel de modul auxiliar, care mai conține pe lângă cele două switch-uri un filtru trece-jos și un amplificator de zgomot redus (MGA-62563), este că asigură o protecție suplimentară modulului RF principal, existând de asemenea și posibilitatea de a proiecta un modul RF auxiliar cu performanțe superioare, în cazul aplicațiilor pentru care performanțele oferite de modulul standard nu sunt suficiente.[18]

Antenele Log Periodic 400-1000 MHz folosite se conectează la modulul WBX prin cabluri SMA la porturile TX/RX și RX2.

Mediul de dezvoltare GNU Radio

Introducere GNU Radio

GNU Radio este un program gratuit ce conține o serie de instrumente pentru dezvoltarea software-ului, care pune la dispoziție blocuri de prelucrare a semnalului pentru a implementa radiouri definite prin software și sisteme de procesare a semnalelor. Acesta poate fi folosit cu diverse platforme hardware de radio frecvențe externe pentru a crea radiouri definite prin software, sau fără hardware pentru efectuarea de simulări. Acesta este utilizat pe scară largă în medii academice si comerciale pentru a sprijini atât activități de cercetare în domeniul comunicațiilor wireless, cât și sistemele radio din lumea reală, inclusiv procesare audio, comunicații mobile, urmărirea sateliților, sistemele radar, rețelele GSM și multe altele – toate în software-ul calculatorului.

Aplicațiile GNU Radio sunt în general cunoscute sub numele de flowgraphs(grafuri de semnal) și sunt reprezentate de o serie de blocuri de prelucrare a semnalului conectate între ele, descriind astfel un flux de date. Reconfigurabilitatea este o caracteristică esențială, ca și în cazul tuturor sistemelor radio definite prin software. În loc de a folosi diverse sisteme radio concepute în scopuri specifice, poate fi folosit un singur radio, de uz general, software-ul de procesare a semnalului (GNU Radio) ocupându-se de prelucrarea specifică fiecărei aplicații. Aceste flowgraph-uri sunt scrise în primul rând utilizând limbajul de programare Python, în timp ce funcțiile importante pentru performanțe, de procesare a semnalului sunt implementate în C++. Integrarea interfețelor C++ și Python se realizează cu ajutorul compilatorului SWIG. Structura unei aplicații GNU Radio este prezentată în următoarea figură.[19]

Figura 3-1 Structura unei aplicații GNU Radio

GNU Radio Companion este un program grafic ce realizează interfața cu utilizatorul aparținând GNU Radio, ce permite generarea unui flowgraph printr-o metodă simplificată. Utilizatorul realizează acest graf de semnal prin metoda drag and drop a unor blocuri care sunt caracterizate de anumiți parametri și îndeplinesc anumite funcții. Acesta poate modifica parametrii și să conecteze blocurile între ele, astfel încât să ajungă la aplicația dorită. Flowgraf-ul construit generează codul în limbajul de programare Python echivalent aplicației, cod ce poate fi vizualizat și modificat. Blocurile prelucrează fluxuri infinite de date ce le transmite de la porturile de intrare la porturile de ieșire. În GNU Radio Companion sute de blocuri sunt incluse pentru realizarea procesărilor de semnale. Cele mai populare categorii de blocuri și câțiva dintre membrii acestora:

Generatoare de unde : sursă constantă, sursă de zgomot, sursă de semnal…

Modulatori : modulator AM, Mod/Demod PSK, DPSK, QAM

Operatori matematici : Înmulțire, Adunare, Log10, Conjugat Complex

Filtre : Filtru trece/oprește bandă, Filtru trece sus/jos, Filtru FFT

Analiza Fourier : FFT

Cu ajutorul acestor blocuri, multe sarcini standard, precum normarea semnalului, sincronizarea, măsuratorile și vizualizarea se pot face doar prin conectarea blocului corespunzător la flowgraph-ul de procesare al semnalului. De asemenea, putem construi propriile noastre blocuri, care fie combină blocurile existente pentru a oferi noi funcționalități sau putem dezvolta blocuri care operează asupra datelor de intrare și a datelor rezultate.

Figura – Exemple de blocuri în GRC

Parametrii blocurilor pot fi configurați static prin scrierea unui număr exact în câmpul corespunzător sau cu valori variabile, care pot fi utilizați pentru anumite calcule dependente, sau care pot fi modificați în timp ce rulăm proiectului. O variabilă poate fi definită de către blocul GRC numit “Variable”. Exemple de variabile în GRC sunt prezentate în continuare:

Figure 3-3 Exemple de variabile în GRC

Valoarea unei variabile se poate modifica, în timp ce proiectul rulează, folosind slider. În blocurile GRC “Slider” valoarea minimă, valoarea maximă și valoarea curentă sunt setate. Valoarea pe care o ia slider-ul în momentul rulării proiectului este valoarea curentă, valorile minime și maxime definesc domeniul de valori posibile. GRC recunoaște dacă o variabilă este setată pentru un parametru și dacă are tipul de date necesar.

Figura – Mod de lucru în GRC

Modul în care platforma USRP (partea hardware) interacționează cu GNU Radio (partea software) este reprezentat în Figura .

Figura 3-5 Interacțiunea între GNU Radio și USRP N210

GNU Radio Radar Toolbox

Proiectul gr-radar [20] oferă un toolbox cu algoritmii radar utilizați în mod obișnuit. O parte importantă este blocul Echotimer, care permite ca un flux sincronizat la TX și RX de la platformele USRP să asigure o relație în fază a măsurătorilor. Exemple de flowgraph-uri pentru radar CW, FSK și FMCW sunt date și parțial testate pe hardware.

În primul rând, în aceste aplicații radar, un semnal este transmis și recepționat prin intermediul echipamentului hardware. Semnalele TX și RX sunt comparate cu un estimator și rezultatele sunt afișate pe ecran.

Toolbox-ul folosește fluxuri etichetate pentru împachetarea datelor și pentru a fi sigur că datele corespunzătoare sunt procesate împreună într-o singură apelare a funcției. În cele mai multe cazuri fluxurile sunt utilizate pentru calculul distanței și a vitezei.

Partea de transmisie și de recepție a flowgraph-ului este implementată în două moduri. În primul rând, se poate folosi USRP Echotimer. Acest bloc ia un flux etichetat și asigură că acest pachet este trimis și recepționat sincronizat. În cazul în care se dorește testarea unei aplicații fără a folosi echipament hardware, se poate folosi un simulator pentru efectele de propagare. În acest proiect este implementat un simulator pentru ținte statice cu atribute constante, cum ar fi distanța și viteza. Este posibil să se imite o țintă în mișcare dacă sunt utilizate slidere pentru variabile în GNU Radio Companion.

Figure 3-6 Schema generală a unei aplicații din toolbox

USRP Echotimer este o interfață UHD pentru platformele USRP. Este cunoscut că funcționează bine pe dispozitivele USRP N210, B210 șsi USRP2. În principiu, acesta răspândește un pachet de date definit ca un flux etichetat. Sincronizat, un pachet cu aceeași lungime este recepționat. Timpul de recepție este dat de identificatorul rx_time, care este eticheta de flux pentru primul element al fluxului etichetat. Acesta este pus în practică cu o comandă de transmisie și recepție, în același timp, pentru toate platformele USRP. Prin urmare, timpul trebuie să fie sincronizat pe toate dispozitivele folosite. Acest lucru fiind posibil utilizând un cablu MIMO sau un ceas GPS.

Aplicație practică

Configurarea Toolbox-ului

Am utilizat un laptop cu capabilități Gigabit Ethernet pe care rulează Ubuntu Linux v12.04 64 pentru implementarea și configurarea radarului definit prin software. Instalarea și configurarea software-ului se face prin intermediul comenzilor în Terminal. În următoarea imagine putem observa echipamentul utilizat pentru implementarea aplicației:

Figure 4-1 Imagine cu amplasarea echipamentului

Primele programe software pe care trebuie să le instalăm sunt UHD și GNU Radio. Putem realiza acest lucru foarte ușor utilizând scriptul build-gnuradio cu comanda următoare:

$ wget http://www.sbrac.org/files/build-gnuradio && chmod a+x build-gnuradio && ./build-gnuradio

În continuare, va trebui să configurăm o conexiune de rețea, astfel încât computerul să poată detecta platformele USRP. Parametrii conexiunii pot fi văzuți în următoarea figură :

Figura 4-2 Conexiunea USRP

Apoi, putem face conexiunea dintre USRP-uri și laptop. Pentru a fi siguri că platformele pot fi accesate, vom rula următoarea comandă $uhd_find_devices care va da răspunsul următor :

usrp@usrp-X550JK:~$ uhd_find_devices

linux; GNU C++ version 4.8.4; Boost_105400; UHD_003.010.000.git-242-gf693349f

–––––––––––––––––

– UHD Device 0

–––––––––––––––––

Device Address:

type: usrp2

addr: 192.168.10.3

name:

serial: E6R24N1UP

–––––––––––––––––

– UHD Device 1

–––––––––––––––––

Device Address:

type: usrp2

addr: 192.168.10.2

name:

serial: E5R24NAUP

Aceasta confirmă că dispozitivele sunt detectate. Altă comandă care poate fi folosită pentru a detecta și a găsi unele informații de bază despre platforma USRP este $ uhd_usrp_probe care va returna:

usrp@usrp-X550JK:~$ uhd_usrp_probe

linux; GNU C++ version 4.8.4; Boost_105400; UHD_003.010.000.git-242-gf693349f

– Opening a USRP2/N-Series device…

– Current recv frame size: 1472 bytes

– Current send frame size: 1472 bytes

– Detecting internal GPSDO…. Found an internal GPSDO

– Setting references to the internal GPSDO

_____________________________________________________

/

| Device: USRP2 / N-Series Device

| _____________________________________________________

| /

| | Mboard: N210r4

| | hardware: 2577

| | mac-addr: a0:36:fa:38:34:60

| | ip-addr: 192.168.10.3

| | subnet: 255.255.255.255

| | gateway: 255.255.255.255

| | gpsdo: internal

| | serial: E6R24N1UP

| | FW Version: 12.4

| | FPGA Version: 11.1

| |

| | Time sources: none, external, _external_, mimo, gpsdo

| | Clock sources: internal, external, mimo, gpsdo

| | Sensors: gps_gpgga, gps_gprmc, gps_time, gps_locked, gps_servo, mimo_locked, ref_locked

| | _____________________________________________________

| | /

| | | RX DSP: 0

| | | Freq range: -50.000 to 50.000 MHz

| | _____________________________________________________

| | /

| | | RX DSP: 1

| | | Freq range: -50.000 to 50.000 MHz

| | _____________________________________________________

| | /

| | | RX Dboard: A

| | | ID: WBX v3, WBX v3 + Simple GDB (0x0057)

| | | Serial: EBR23T9XW

| | | _____________________________________________________

| | | /

| | | | RX Frontend: 0

| | | | Name: WBXv3 RX+GDB

| | | | Antennas: TX/RX, RX2, CAL

| | | | Sensors: lo_locked

| | | | Freq range: 68.750 to 2200.000 MHz

| | | | Gain range PGA0: 0.0 to 31.5 step 0.5 dB

| | | | Bandwidth range: 40000000.0 to 40000000.0 step 0.0 Hz

| | | | Connection Type: IQ

| | | | Uses LO offset: No

| | | _____________________________________________________

| | | /

| | | | RX Codec: A

| | | | Name: ads62p44

| | | | Gain range digital: 0.0 to 6.0 step 0.5 dB

| | | | Gain range fine: 0.0 to 0.5 step 0.1 dB

| | _____________________________________________________

| | /

| | | TX DSP: 0

| | | Freq range: -50.000 to 50.000 MHz

| | _____________________________________________________

| | /

| | | TX Dboard: A

| | | ID: WBX v3 (0x0056)

| | | Serial: EBR23T9XW

| | | ID: WBX + Simple GDB, WBX v3 + Simple GDB, WBX v4 + Simple GDB, WBX-120 + Simple GDB (0x004f)

| | | Serial: EBR23SDGS

| | | _____________________________________________________

| | | /

| | | | TX Frontend: 0

| | | | Name: WBXv3 TX+GDB

| | | | Antennas: TX/RX, CAL

| | | | Sensors: lo_locked

| | | | Freq range: 68.750 to 2200.000 MHz

| | | | Gain range PGA0: 0.0 to 31.0 step 1.0 dB

| | | | Bandwidth range: 40000000.0 to 40000000.0 step 0.0 Hz

| | | | Connection Type: IQ

| | | | Uses LO offset: No

| | | _____________________________________________________

| | | /

| | | | TX Codec: A

| | | | Name: ad9777

| | | | Gain Elements: None

Acum că este stabilită conexiunea între laptop și platformele USRP, putem continua cu instalarea toolbox-ului gr-radar.

Pentru a realiza această instalare, trebuie ca în prealabil să avem instalate anumite programe și dependințe, pe lângă acelea cuprinse în scriptul build-gnuradio. Va trebuie să rulăm următoarele comenzi în Terminal:

$ sudo apt-get install git

$ sudo apt-get install python-matplotlib

Instalarea toolbox-ului presupune rularea următoarelor comenzi:

$ git clone https://github.com/kit-cel/gr-radar.git

$ cd gr-radar

$ mkdir build

$ cmake ../

$ make

În continuare se fac teste pentru a verifica dacă build-ul este instalat corect. Dacă unele teste au eșuat, problema se poate reabilita prin instalarea dependinței pyton-matplotlib. Pentru că unele teste folosesc memorii foarte mari, va trebui ca mărimea maximă a unui singur segment de memorie partajată să fie mărită:

$ sudo ./../examples/setup/setup_core

În plus, scriptul face unele configurări pentru platformele USRP. Acestea se șterg la fiecare resetare, de aceea trebuie rulat de fiecare dată când folosim platformele.

Pentru a rula testele se va folosi comanda :

$ ctest

Dacă această comandă va returna “100% tests passed” (100% teste reușite) , toolbox-ul este construit corect. Ultimul pas al instalării se va realiza prin rularea următoarei comenzi:

$ sudo make install

Radar folosind modulație FSK

Din exemplele din acest toolbox am ales să adaptez pentru echipamentul disponibil, modelul unui radar FSK. Această modulație este utilizată pentru măsurarea distanței foarte precisă, doar când aceasta este mică, prin comparația de fază a celor două frecvențe ale semnalului ecou. Aceasta are dezavantajul că semnalele de ecou de la mai multe ținte nu pot fi separate una de cealaltă, de aceea măsurătorile se pot face doar asupra unei ținte.

Flowgraph-ul folosit in GRC pentru măsurarea vitezei și a distanței este prezentat în Figura 4-3.

Figura 4-3 Flowgraph-ul utilizat în GRC

Blocul Signal Generator FSK generează un semnal FSK în banda de bază. Forma de undă este dată de un semnal cu o frecvență alternantă.

Am ales frecvența centrală de 850 MHz pentru că am fost limitat de antenele Log Periodic 400-1000 MHz și frecvența de eșantionare de 12.75 MHz.

În USRP Echotimer sunt introduse adresele platformelor USRP, tipurile de porturi pentru antenă( TX/RX și RX2) și are rolul de a răspândi un pachet de date definit ca un flux etichetat și de a realiza sincronizarea între TX și RX de la platformele USRP pentru a asigura o relație în fază a măsurătorilor.

Figura 4-4 Blocul USRP Echotimer

Blocul Find Max Peak estimează un singur vârf al unui spectru FFT dat ca flux etichetat. Ieșirea conține un mesaj cu informații despre frecvență, fază și puterea vârfului. Toate datele sunt etichetate cu identificatorii ‘frequency’, ‘phase’ și ‘power’. Valoarea de vârf este estimată pe întreg spectrul, iar în cazul în care nu este găsit un vârf adecvat, blocul returnează vectori cu identificatori fără informații.

În continuare, blocul Estimator FSK estimează distanța cu vârfurile date dintr-un spectru FSK. Identificatorii necesari sunt ‘frequency’ și ‘phase’. Viteza este calculată cu informația din ‘frequency’ și cu formula Doppler, iar faza vârfurilor Doppler este utilizată pentru a estima distanța. Prin urmare, identificatorii de la ieșirea estimatorului sunt ‘range’ și ‘velocity’.

Acești identificatorii sunt transmiși către blocurile de interfață grafică în care sunt implementate reprezentările în timp real pentru informațiile despre viteză și distanță.

Figura 4-5 Blocurile de interfață grafică

Rezultate experimentale

Radarul FSK, spre deosebire de alte tipuri de radar precum FCMW, are unele limitări. Un dezavantaj al acestuia îl reprezintă faptul că distanța pănă la țintă nu poate fi detectată corect în cazul în care obiectul nu se află în mișcare.

Caracteristici:

Frecvența centrală: 850 MHz

Frecvența de eșantionare: 12.75 MHz

Timpul de detecție: 100 ms

Rezoluția vitezei: 0.4 m/s (aprox)

Rezoluția distanței: 0.3 m (aprox)

În continuare sunt prezentate măsurători pentru diverse situații :

Figura 4-6 Distanța si viteza pentru mers ușor

Se poate observa că, în timp ce mă îndepărtam încet de aparat, distanța crește, iar viteza crește în sens negativ. Atunci când mă întorc, acestea se inversează.

Figure 4-7 Viteza și distanța pentru mers ușor si rapid

Din cauza limitărilor oferite de echipament, vitezele pe care le putem măsura nu sunt foarte mari. De aceea, toate măsurătorile au fost făcute doar în laborator. În următoare imagine, sunt măsurate distanța și viteza în timp ce alergam.

Figure 4-8 Măsurători în alergare

Observăm că, detectarea distanței se face cu întreruperi în cazul unor viteze mai mari.

Figure 4-9 Măsurători pentru mers normal și alergat

Concluzii

În acest proiect am început prin a prezenta principalele caracteristici ale tehnologiei radar, ale radarului definit prin software și principalele avantaje ale acestuia în raport cu cel clasic. Am descris, pe scurt, și tipuri de radar care pot fi implementate folosind platforme USRP și mediul de dezvoltare GNU Radio. Am continuat prin a prezenta aspectele generale ale componenetelor hardware și software folosite în măsurătorile efectuate utilizând echipamentele fizice USRP N210, dar și prin a descrie succint toolbox-ul ce oferă un set de algoritmi radar folosiți în mod obișnuit.

În ceea ce privește aplicația practică, am implementat un radar FSK definit prin software folosind platforme USRP care măsoară viteza și distanța. Din măsurătorile făcute se poate constata că acest tip de radar are performanțele cele mai bune pentru ținte aflate în mișcare în apropierea radarului. Dacă am fi folosit antene care să poată lucra la frecvențe mai mari, măsurătorile s-ar fi putut realiza și pentru distanțe mai mari.

Cred că în timp, radarul definit prin software va avea un rol major în dezvoltarea radarului datorită fiabilității, flexibilității ridicate și potențialului de dezvoltare rapid. Faptul că acest tip de radar poate fi implementat cu ajutorul unui calculator personal, două platforme USRP și software-ul GNU Radio face realizarea unor noi configurații mai simple și de cost redus.

Datorită acestor proprietăți, echipamentul poate avea o aplicabilitate la scară largă în industria automobilelor. Una din cele mai noi și inteligente aplicații în acest domeniu este asistența de frânare bazată pe tehnologia radar. Este de așteptat ca, în viitor, toate automobilele să poată fi capabile să detecteze și să evite coliziunile fără intervenția conducătorului. De aceea, se consideră, că această tehnologie va produce o îmbunătățire mai mare decât introducerea centurii de siguranță și a airbag-ului.

După cum se poate observa se mai pot realiza adaptări pentru performanțe mai bune, de aceea voi continua să lucrez la acest proiect pentru disertație. Pentru dezvoltarea aplicației voi încerca să implementez un radar FMCW cu care să pot măsura corect distanța pentru ținte ce nu sunt în mișcare și să folosesc antene cu frecvențe mai mari.

Bibliografie

[1] William L. Melvin, James A. Scheer, Principles of Modern Radar – Vol. III: Radar Applications, SciTech Publishing, Edison, NJ

[2] Radar, http://www.britannica.com/technology/radar accesat Iunie 2016

[3] The Radar Equation, http://tornado.sfsu.edu/Geosciences/classes/m415_715/Monteverdi/Radar/RadarEquation/ radar_equation.htm accesat Iunie 2016

[4] Radar, https://en.wikipedia.org/wiki/Radar

[5] Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 53, 417-435, 2013

[6] Software Defined RADAR a State of the Art, Thibault Debatty, Royal Military Academy, Brussels, Belgium

[7] Real Time Implementation of FMCW Radar for Target Detection using GNU Radio and USRP, Sundaresan S, Anjana C, Tessy Zacharia, Gandhiraj R

[8] GNU Radio Based Software-Defined FMCW Radar for Weather Surveillance Application, Aditya Prabaswara, Achmad Munir, Andriyan Bayu Suksmono

[9] Merrill I. Skolnik, Radar Handbook – Third Edition, McGraw-Hill Companies

[10] Ground Penetrating Radar, https://en.wikipedia.org/wiki/Ground-penetrating_radar accesat Iunie 2016

[11] Software Defined Radar: An Open Source Platform for Prototype GPR Development, Jonathon Ralston, Chad Hargrave

[12] Academic Press Library in Signal Processing: Volume 2 Communications and Radar Signal Processing, Elsevier Ltd.

[13] Passive Radar, https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_radar

[14] Passive Radar using a Software-Defined Radio Platform and Opensource Software Tools, Sebastiaan Heunis, Yoann Paichard, Michael Inggs

[15] A USRP-based Testbed for OFDM-based Radar and Communication Systems, Martin Braun, Marcus Mu¨ller, Manuel Fuhr, Friedrich K. Jondral

[16] “Introduction to Gnu Radio and USRP2” http://confluence.qu.edu.qa/display/NPRPRESEARCH/USRP2+Testbed – accesat Iunie 2016

[17]Universal Software Radio Peripheral, https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Software_Radio_Peripheral, accesat Iunie 2016

[18] “Ettus Research a National Instruments Company” http://www.ettus.com/ – accesat Iunie 2016

[19] GNU Radio http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki accesat Iunie 2016

[20] GNU Radio Radar Toolbox https://grradar.wordpress.com/ accesat Iunie 2016

[] Hermann Rohling, Christof Moeller, Radar waveform for automotive radar systems and applications, Radar Conference, 2008