Nazwa modułu: Telekomunikacja cyfrowa Rok akademicki: 2015/2016 Kod: ITE-1-504-s Punkty ECTS: 4 Wydział: Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Kierunek: Teleinformatyka Specjalność: - Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: - Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 5 Strona www: Osoba odpowiedzialna: Zieliński Tomasz (tzielin@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: dr inż. Bułat Jarosław (kwant@agh.edu.pl) Sikora Marek (msikora@kt.agh.edu.pl) dr inż. Wszołek Jacek (jacek.wszolek@agh.edu.pl) Krótka charakterystyka modułu Studenci nauczą się pisać programy cyfrowych odbiorników telekomunikacyjnych. Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Ma podstawową wiedzę w zakresie implementacji programowej algorytmów przetwarzania i korekcji sygnałów cyfrowych. M_W002 Zna i rozumie podstawowe ograniczenia transmisji cyfrowej. M_W003 Zna i rozumie podstawowe pojęcia używane w transmisji cyfrowej z wykorzystaniem jednej i wielu nośnych. M_W004 Zna i rozumie działanie podstawowych algorytmów cyfrowego przetwarzania i korekcji sygnałów w transmisji cyfrowej jednej i wielu nośnych. Umiejętności 1 / 7
M_U001 Potrafi pracować indywidualnie i w zespole, a także komunikować się i wymieniać informacje przy użyciu podstawowych technik sieciowych; umie oszacować czas potrzebny na realizację zleconego zadania. TE1A_U02 Projekt M_U002 Potrafi zaprojektować kod źródłowy dla poszczególnych modułów nadajnika i odbiornika transmisji cyfrowej (języki C/C++, Python). TE1A_U09 M_U003 Potrafi zaprojektować oraz wykonać symulację systemu transmisji cyfrowej (GNU Radio). TE1A_U09, TE1A_U07 Projekt M_U004 Potrafi przeprowadzić operację testowania poszczególnych modułów programowych toru transmisji cyfrowej (UT - unit testy). TE1A_U09 Kompetencje społeczne M_K001 Ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz potrafi podporządkować się zasadom pracy w zespole TE1A_K03 Projekt Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne terenowe warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 M_W003 M_W004 Umiejętności Ma podstawową wiedzę w zakresie implementacji programowej algorytmów przetwarzania i korekcji sygnałów cyfrowych. Zna i rozumie podstawowe ograniczenia transmisji cyfrowej. Zna i rozumie podstawowe pojęcia używane w transmisji cyfrowej z wykorzystaniem jednej i wielu nośnych. Zna i rozumie działanie podstawowych algorytmów cyfrowego przetwarzania i korekcji sygnałów w transmisji cyfrowej jednej i wielu nośnych. 2 / 7
M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 Potrafi pracować indywidualnie i w zespole, a także komunikować się i wymieniać informacje przy użyciu podstawowych technik sieciowych; umie oszacować czas potrzebny na realizację zleconego zadania. Potrafi zaprojektować kod źródłowy dla poszczególnych modułów nadajnika i odbiornika transmisji cyfrowej (języki C/C++, Python). Potrafi zaprojektować oraz wykonać symulację systemu transmisji cyfrowej (GNU Radio). Potrafi przeprowadzić operację testowania poszczególnych modułów programowych toru transmisji cyfrowej (UT - unit testy). Kompetencje społeczne M_K001 Ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz potrafi podporządkować się zasadom pracy w zespole Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład w ramach modułu składają się z wykładu (30 godzin), z przykładami w języku Matlab, oraz projektu (15 godzin), podczas którego studenci testują i modyfikują w grupach programy napisane w językach C/C++ oraz Python dla poszczególnych modułów wybranych nadajników i odbiorników cyfrowych. Podczas zajęć omawiane są konkretne algorytmy wchodzące w skład transmisji cyfrowej danych oraz pokazywane/tworzone odpowiadające im programy. W wyniku ich złożenia powstają urządzenia działające w czasie rzeczywistym lub ich symulatory. W projektach są używane odbiorniki USB-RTL-SDR (Software Defined Radio) i nadajniki/odbiorniki USRP (Universal Software Radio Peripheral) firmy Ettus Research / National Instruments oraz środowiska programowe SDR: Matlab-Simulink i GNURADIO (open source). WYKŁADY (zakres tematyczny, a nie kolejność, która musi być dopasowana do realizacji projektówu Podstawy/wprowadzenie budujemy cyfrowy odbiornik radia AM/FM 1.Wprowadzenie do transmisji cyfrowej: architektura i elementy składowe systemu. Podstawy projektowania transmisji programowalnej: wejście analogowe, bilans energetyczny łącza, obliczanie stosunku C/N mocy nośnej do mocy szumu. 2.Generowanie sygnałów sinusoidalnych: architektura CORDIC, tablice look-up, aproksymacja wielomianowa. 3.Wieloszybkościowe przetwarzanie sygnałów: struktury polifazowe i przepróbkowywanie sygnałów (interpolacja nadpróbkowanie, decymacja 3 / 7
podpróbkowanie). Struktura Farrowa. Filtry ułamkowo-opóźniające. 4.Konwertery częstotliwości. Sygnały zespolone IQ. Transformacja Hilberta i sygnały analityczne. 5.Filtry i struktury adaptacyjne. Automatyczna regulacja wzmocnienia (AGC). Pętla PLL synchronizacja i śledzenie częstotliwości i fazy sygnału nośnego. 6.Modulacja oraz demodulacja AM. 7.Modulacja oraz demodulacja FM na przykładzie cyfrowego nadajnika i odbiornika radia stereo FM. Sygnały i ich widma, nad/pod-próbkowanie, przesuwanie częstotliwości mnożenie przez nośną, odtwarzanie nośnej z użyciem pilota i pętli PLL. Problem opóźnienia wnoszonego przez filtry cyfrowe: synchronizacja sygnałów L+R i L- R. Jedna nośna wąskie pasmo 8.Wprowadzenie do modulacji cyfrowych jednej nośnej PAM, QAM, PSK, FSK, GMSK (Bluetooth). Diagramy konstelacji stanów nośnej. Filtr kształtowania impulsów. Szybkość symbolowa i bitowa. Parametr EB/N0, charakterystyki szumowe modulacji. SER, BER. Rodzaje transmisji: strumieniowa (np. RDS w radiu FM, DAB) i pakietowa (Wi-Fi). 9.Transmisja strumieniowa odbiornik RDS. Modulacja BPSK. Odbiornik z pętlą PLL i układem Costasa bez i z decymacją. Synchronizacja bitowa układami: Early-Late Gate, Muellera, Mullera, Gardnera. 10.Transmisja pakietowa odbiornik GSM, TETRA, Wi-Fi 802.11b,g (kod Barkera, CCK). Modulacje różnicowe na przykładzie /4-DQPSK. Ramka bitowa z kodem synchronizacyjnym (preambułą) oraz danymi. Synchronizacja czasowa ramkowa i bitowa. Wpływ AGC i sklamblera na SER i BER. 11.Korekcja kanału adaptacyjne korektory liniowe (ZF, SE/LS, MSE/LMS, tryb nauki i tryb sterowany decyzją) i nieliniowe (decision-feedback). 12.Korekcja błędów w odbiorniku. Kodowanie FEC. Kody blokowe. Kodowanie wielomianowe CRC. Kodowanie splotowe i dekoder Viterbiego. Turbo kody. LDPC. 13.Analiza programów kompletnych torów transmisji 4-PAM i 4-QAM. Wiele nośnych szerokie pasmo 14.Podstawy transmisji na wielu nośnych w liniach przewodowych (DMT). ADSL jako przykład. Estymacja kanału, korekcja czasowa (TEQ) i częstotliwościowa (FEQ) kanału. Synchronizacja czasowa na cyklicznym prefiksie i częstotliwościowa. Alokacja bitów. Analiza programu odbiornika ADSL. Transmisja PLC. 15.OFDM w radiu DAB. Struktura ramki (NULL, PhaseRef, Symbol OFDM). Synchronizacja czasowa (początku ramki). Synchronizacja częstotliwości pośredniej. Synchronizacja zegara przetwornika A/C. Analiza kompletnego odbiornika radia cyfrowego DAB (Digital Audio Broadcasting). 16.OFDM w sieciach Wi-Fi 802.11a,g,ac. Rodzaje modulacji, struktura ramki. 17.OFDM w telefonii LTE. 18.Transmisja CDMA. Odbiornik GPS. Sprzęt i oprogramowanie 19.Sprzęt (ASIC, FPGA, DSP, PC, GPU) i oprogramowanie dla transmisji programowalnej (open source Linrad, GNU Radio, military CORBA, JTRS, liquid-dsp). Ćwiczenia projektowe W module prowadzone są zajęcia projektowe (komputerowe), w trakcie których studenci piszą programy w językach C/C++ oraz Python dla poszczególnych modułów różnych nadajników i odbiorników transmisji cyfrowej. Moduły te są ze sobą integrowane, w wyniku czego powstaje działający, programowy tor transmisji nadajnik-odbiornik. Treści projektów ugruntowują i rozszerzają wiedzę przekazywaną podczas wykładów. Podczas projektów będą wykorzystywane platformy sprzętowe SDR 4 / 7
(Software Defined Radio), RTLSDR i USRP, oraz środowiska programowe SDR, m.in. open source (GNURADIO). Celem projektów jest przygotowanie oprogramowania i instrukcji do następujących ćwiczeń laboratoryjnych. Podstawy radio FM odbiornik RTL-SDR. 1.(De)modulacja FM. Różne metody cyfrowej demodulacji FM. Sygnał IQ. Transformacja Hilberta i sygnał analityczny. Decymator zwykły i polifazowy: filtr LP i podpróbkowanie. Odsłuch sygnału mono R+L. 2.(De)modulator AM 1. Filtracja BP sygnału wokół 38 khz. Generacja nośnej 38 khz lub wykorzystanie odfiltrowanego pilota. Mnożenie z nośną. Filtracja LP. Decymacja. Otrzymanie sygnału R-L. Odtworzenie sygnałów R i L z sygnałów (R+L) i (R-L). Odsłuch sygnału stereo. Małe odstrojenie nośnej i zmiana jej fazy. Problem opóźnienia wnoszonego przez filtry cyfrowe: synchronizacja sygnałów R+L i R-L. Opuszczenie filtra BP. 3.(De)modulator AM 2. Filtracja BP pilota 19 khz. Adaptacyjna synchronizacja z pilotem cyfrowej pętli PLL. Generacja nośnej 38 khz: aproksymacja wielomianowa, tablica look-up, architektura CORDIC. Powtórzenie demodulacji FM z Lab 2. 4.RDS 1. (De)modulacja cyfrowa BPSK proste dekodowanie bitów danych. Filtracja BP sygnału wokół 57 khz. Demodulacja AM sygnału RDS z użyciem pilota. Filtra LP. Decymacja. Synchronizacja bitowa: algorytmy Early-Late Gate, Muellera, Mullera, Gardnera. Wyświetlanie tekstu. 5.RDS 2. (De)modulacja cyfrowa BPSK zaawansowane dekodowanie bitów danych. Filtr BP wokół 57 khz, pętla Costasa pracująca na 57 khz ALBO decymacja 14-krotna i pętla Costasa pracująca na mniejszej częstotliwości 3428.6 Hz, dopasowany filtr LP, synchronizacja bitowa. Wyświetlanie tekstu. Jedna nośna nadajnik USRP, odbiornik RTL-SDR. Przesyłanie tekstu. 6.(De)modulacja 4-PAM. Symbole. Diagram konstelacji stanów symboli. Szybkość symbolowa i bitowa. Filtr kształtowania impulsów. Pojęcie ramki: preambuła synchronizacyjna + dane. Synchronizacja ramkowa i bitowa. Wykres oczkowy. Parametr EB/N0, krzywa szumowa modulacji. 7.(De)modulacja 4-PAM. Synchronizacja częstotliwościowa PLL. Automatyczna regulacja wzmocnienia. Korekcja kanału. 8.(De)modulacja 4-QAM z liniowym kodowaniem korekcyjnym FEC (M,N) i skramblowaniem danych. Demodulacja pętlą Costasa, synchronizacja czasowa, znalezienie danych treningowych, identyfikacja kanału, korekcja wpływu kanału, deskramblowanie i korekcja błędów. Pomiar SER i BER. 9.Korekcja amplitudowo-fazowa kanału. Adaptacyjne korektory liniowe: ZF, SE/LS, MSE/LMS. Tryb nauki i tryb sterowany decyzją. Korektory nieliniowe decision-feedback. 10.(De)modulacja /4-DQPSK TETRA. Badanie parametrów transmisji. Wiele nośnych nadajnik USRP albo DAB Kraków, odbiornik RTL-SDR. DAB. 11.DAB-USRP. Transmisja na wielu nośnych OFDM z modulacją DQPSK. Struktura ramki (NULL, PhaseRef, Symbol OFDM). Synchronizacja czasowa na symbolu NULL i PhaseRef. Demodulacja. Obserwowanie konstelacji stanów i wykresów oczkowych. 12.DAB-USRP. Synchronizacja częstotliwości pośredniej. Korekta błędu częstotliwości próbkowania przetwornika A/C. 13.DAB. Twarde i miękkie podejmowanie decyzji o odebranym symbolu. Splotowe kodowanie korekcyjne z dziurawieniem kodu (puncturing) i dekoder Viterbiego. 14.DAB. (De)kodowanie CRC. Zaliczenie 15.Wystawianie ocen. 5 / 7
Sposób obliczania oceny końcowej 1. Aby uzyskać pozytywną ocenę końcową niezbędne jest uzyskanie pozytywnej oceny z projektu oraz z egzaminu. 2. jest ustny student demonstruje wykonany projekt i odpowiada na pytania, związane z jego tematyką. 3. Ocena końcowa jest oceną zaliczenia projektu, podniesioną lub obniżoną o 0,5 oceny, jeśli wynik z egzaminu jest więcej niż o jedną ocenę różny od oceny z projektu. Wymagania wstępne i dodatkowe Znajomość podstaw cyfrowego przetwarzania sygnałów oraz programowania w językach C/C++ lub Python oraz Matlab. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1.Podstawy cyfrowych systemów telekomunikacyjnych. K. Wesołowski, WKŁ 2004. 2.Matlab i podstawy telekomunikacji. Jacek Izydorczyk i inni, Helion 2017. 3.Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji. Podstawy. Multimedia. Transmisja. T.P. Zieliński, P. Korohoda, R. Rumian (red.), PWN 2014, cz. III Transmisja, str. 805-965. 4.A Digital Communication Laboratory Implementing a Software-Defined Acoustic Modem. Lee C. Potter, Yang Yang, Matlab Courseware 2015, https://www.mathworks.com/academia/courseware/digitalcommunication-laboratory.html, licencja CC, darmowe pobranie PDF-a, możliwość wydruku. 5.Software Defined Radio using MATLAB & Simulink and the RTLSDR. Stewart, Robert W., et al., Strathclyde Academic Media, 2015. http://www.desktopsdr.com/, darmowy PDF (!) 6.Digital Communications: A Discrete-Time Approach, M. Rice, Prentice-Hall, 2009. 7.Digital Signal Processing in Communication Systems, M.E. Frerking, Springer 1994. 8.Communication System Design Using DSP Algorithms with Laboratory Experiments, S.A. Tretter, Springer 2008. 9.Contemporary Communication System Using Matlab, J. Proakis, M. Salehi, Cengage Learning 2012 (Matlab). 10.Telecommunication Breakdown or How I learned to Stop Worrying and Love the Digital Radio, C. R. Johnson, W. A. Sethares, Prentice Hall 2003 (Matlab). 11.Software Receiver Design: Build Your Own Digital Communication System in Five Easy Steps, C.R. Johnson, W.A. Sethares, A.G. Klein, Cambridge University Press 2011 (Matlab). 12.Signal Processing Techniques for Software Radios, B. Farhang-Boroujeny, 2008, 2010 (Matlab). 13.Sample Rate Conversion in Software Configurable Radios, Tim Hentschel, Artech House 2002. 14.Multirate Filtering for Digital Signal Processing: Matlab Applications, L. Milic, IGI Global 2009 (Matlab). 15.Multirate Signal Processing for Communication Systems, F. Harris, Prentice Hall 2004. 16.Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań, T.P. Zieliński, WKŁ 2005, 2007, 2009, 2014, Modem ADSL, str.740-786. Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu 1. Grzegorz Cisek, Tomasz P. Zieliński, Frequency Domain Multipath Fading Channel Simulator Integrated with OFDM Transmitter for E-UTRAN Baseband Traffic Generator, European Signal Processing Conference EUSIPCO-2017, Kos, Grecja, 2017. 2. Jarosław Bułat, Tomasz P. Zieliński i inni, Zrób to sam : komputerowy odbiornik RTL-SDR radia cyfrowego DAB+, Przegląd Telekomunikacyjny, Wiadomości Telekomunikacyjne, 2015, vol. 88, nr 8 9, s. 1384 1395. 3. Łukasz Zbydniewski, Tomasz P. Zieliński, Paweł Turcza, Influence of time-frequency tiling on BER performance in discrete wavelet multitone PLC power line transmission. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications ISPLC-2009, Dresden, Germany, 2009, str. 182 187. Informacje dodatkowe Podczas projektów są wykorzystywane układy RTL-SDR firmy Realtek oraz USRP (Universal Software Radio Peripherals) firmy Ettus Research. 6 / 7
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Udział w ćwiczeniach projektowych Wykonanie projektu Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Dodatkowe godziny kontaktowe z nauczycielem Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 30 godz 15 godz 35 godz 15 godz 5 godz 100 godz 4 ECTS 7 / 7