Detail předmětu

Implementace softwarových komunikačních systémů

FEKT-MIKSAk. rok: 2019/2020

Předmět se věnuje problematice softwarové implementace přijímačů a vysílačů signálů s jednou i s více nosnými. Důraz je kladen jak na teoretický popis jednotlivých algoritmů zpracování komunikačních signálů v RF transceiverech (změna vzorkovacího kmitočtu, filtrace , synchronizace, ekvalizace, atd.), tak zejména na jejich praktickou softwarovou implementaci s využitím dostupného hardware (celočíselná aritmetika, analýza parametrů vysílaného signálu, atd.). Během počítačových cvičení si studenti prakticky vyzkouší implementaci různých algoritmů vysílače/přijímače s využitím dostupných (USB-RTL SDR), ale i výkonnějších (např. USRP) softwarově definovaných rádií, či univerzálních desek s FPGA a AD/DA převodníky.

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- převést reálná čísla do reprezentace s pevnou řádovou čárkou a zpět
- sestavit program pro obvod FPGA implementující základní stavební bloky rádiového vysílače s jednou nosnou a s více nosnými
- sestavit program v prostředí MATLAB umožňující demodulaci rádiového signálu QAM/QPSK/OFDM přijímaného pomocí softwarově definovaného přijímače (USB-RTL, USRP), včetně synchronizace signálu a jednoduché ekvalizace kanálu
- diskutovat nutnost a možná řešení změny vzorkovacího kmitočtu signálů v rádiových transceiverech
- vysvětlit výhody a činnost algoritmu CORDIC a jeho aplikace v rádiových transceiverech

Prerekvizity

Student, který si zapíše předmět, by měl být schopen: - sestavit jednoduchý program v prostředí MATLAB - navrhnout jednoduchý filtr typu FIR (dolní a horní propust, raised cosine) - matematicky popsat signály základních číslicových modulací (PSK, QAM, OFDM) - diskutovat základní pojmy z oblasti zpracování signálů - diskutovat výhody a nevýhody základních komunikačních technologií

Doporučená nebo povinná literatura

REED, J.H., Software Radio: A Modern Approach to Radio Engineering, Prentice Hall, 2002. (EN)
TRETTER, S.A., Communication System Design Using DSP Algorithms, Springer, 2008. (EN)
BEHROUZ, F. -B., Signal Processing Techniques for Software Radios, LuLu publishing, 2008. (EN)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a praktická cvičení na počítači s použitím softwarově definovaných přijímačů (USB-RTL SDR) a transceiverů (USRP).

Způsob a kritéria hodnocení

až 30 bodů za cvičení (body student získává za samostatné vypracování jednotlivých úloh ve cvičení)
až 70 bodů za zkoušku (písemná část 50 bodů+ústní část 20 bodů)
Zkouška má povinnou písemnou část a nepovinnou ústní část. Pro postup do ústní části je nutné získat v písemné části alespoň 20 bodů.

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

Přednášky:
1. Architektury vysílačů a přijímačů, pásmové vzorkování, koncept softwarového a softwarově definovaného rádia
2. Reprezentace čísel, aritmetika v pevné řádové čárce, algoritmus CORDIC
3. Hardwarové/softwarové prostředky pro implementaci komunikačních systémů
4. Hodnocení kvality komunikačních signálů - EVM, ACPR, vektorová analýza
5. Celočíselná změna vzorkovacího kmitočtu - interpolace a decimace
6. Neceločíselná interpolace signálu, Farrow interpolátor
7. Číslicové filtry a jejich efektivní implementace v FPGA, FIR a CIC filtry
8. Základní stavební bloky komunikačních systémů - přímá číslicová syntéza, směšovače, metody číslicové demodulace FM signálu
9. Algoritmy pro časovou a frekvenční synchronizaci systémů s jednou (QAM) a s více nosnými (OFDM), synchronizace nosné
10. Ekvalizace komunikačních signálů
11. Efektivní implementace FFT - radix 2/4, DIT/DIF, mixed/split-radix
12. Adaptivní metody v komunikačních systémech, dynamický přístup ke spektru
13. QR dekompozice a její aplikace v rádiových komunikačních systémech

Počítačová cvičení:
1.-3. Celočíselná aritmetika, implementace QAM modulátoru ve VHDL
4.-6. CORDIC algoritmus, implementace FM demodulátoru
7.-9. OFDM modem, simulace a implementace kompletního řetězce
10.-11. FSK modem v prostředí MATLAB
12.-13. Pasivní multistatický příjem, metoda TDOA

Cíl

Cílem předmětu je seznámit studenty se základními koncepty a algoritmy nezbytnými pro implementaci moderních rádiových transceiverů, s důrazem na jejich softwarovou implementaci. Cílem počítačových cvičení je pak získat praktické zkušenosti s implementací modulátorů a demodulátorů signálů s jednou i s více nosnými (OFDM), včetně řešení algoritmů synchronizace symbolů a ekvalizace kanálu.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Počítačová cvičení jsou povinná.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-EST , 1. ročník, letní semestr, 6 kreditů, volitelný oborový
    obor M1-TIT , 1. ročník, letní semestr, 6 kreditů, volitelný mimooborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Cvičení na poč.

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor