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Juliana Camilo Inacio

Implementacao de um Radio Definido por Softwareusando MATLAB e um par Transmissor/Receptor

FM

Sao Jose – SC

Fevereiro / 2011

Juliana Camilo Inacio

Implementacao de um Radio Definido por Softwareusando MATLAB e um par Transmissor/Receptor

FM

Monografia apresentada a Coordenacao doCurso Superior de Tecnologia em Sistemasde Telecomunicacoes do Instituto Federal deSanta Catarina para a obtencao do diploma deTecnologo em Sistemas de Telecomunicacoes.

Orientador:

Prof. Mario de Noronha Neto, Dr. Eng.

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES

INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA

Sao Jose – SC

Fevereiro / 2011

Monografia sob o tıtulo “ Implementacao de um Radio Definido por Software usando

MATLAB e um par Transmissor/Receptor FM ”, defendida por Juliana Camilo Inacio e apro-

vada em 18 de fevereiro de 2011, em Sao Jose, Santa Catarina, pela banca examinadora assim

constituıda:

Prof. Mario de Noronha Neto, Dr. Eng.Orientador

Prof. Marcos Moecke, Dr. Eng.IFSC

Prof. Diego da Silva de Medeiros, Tecg.IFSC

O sucesso nasce do querer, da determinacao e persistencia em se chegar a um objetivo.

Mesmo nao atingindo o alvo, quem busca e vence obstaculos,

no mınimo fara coisas admiraveis.

Jose de Alencar

Agradecimentos

Dedico meus sinceros agradecimentos aqueles que muito me ajudaram para concluir este

trabalho. Agradeco a minha famılia e amigos pelo apoio e compreensao que me foram conce-

didos. Agradeco aos responsaveis pelo trabalho (ALVES, 2010), pelas orientacoes fornecidas.

Agradeco tambem ao meu orientador pelo auxılio prestado ao longo deste trabalho. Com cer-

teza essas pessoas tornaram a realizacao deste trabalho uma tarefa prazerosa.

A todos aqui citados, deixo um muito obrigada!

Resumo

Este trabalho implementa um sistema real de radio frequencia empregando o conceitode Radio Definido por Software atraves do software MATLAB. Ele realiza a transmissao erecepcao de caracteres alfanumericos, utilizando um par transmissor/receptor FM. As etapas dodesenvolvimento e as principais configuracoes sao descritas, tornando possıvel a reutilizacaodesse sistema pra outros trabalhos academicos.

Abstract

This paper implements a real system of radio frequency using the concept of SoftwareDefined Radio using the software MATLAB. It performs the transmission and reception ofalphanumeric characters, using a pair of FM transmitters/receiver. The stages of developmentand the main settings are described, making possible the reuse of this system for other academicwork.

Sumario

Lista de Figuras

Lista de Tabelas

1 Introducao p. 12

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13

1.2 Organizacao do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13

2 Radio Definido por Software p. 14

2.1 Arquiteturas de Sistema de Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 15

2.1.1 Arquitetura de um Sistema de Radio Definido por Hardware . . . . . p. 15

2.1.2 Arquitetura Ideal de um Sistema de Radio Definido por Software . . . p. 16

2.1.3 Arquitetura Hıbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 17

3 Sistema Implementado p. 19

3.1 Toolbox Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 21

3.2 Arquitetura Superheterodyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 22

3.3 Modulacao BPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 23

3.4 Configuracoes do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 23

3.5 Etapas de Implementacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 24

3.5.1 Informacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 24

3.5.2 Quadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 25

3.5.3 Formatacao do Sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 27

3.5.4 Estagio de Frequencia Intermediaria no Transmissor . . . . . . . . . p. 29

3.5.5 Conversao de Digital para Analogico . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 30

3.5.6 Conversao de Analogico para Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 30

3.5.7 Filtro de Recepcao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31

3.5.8 Sincronismo de Fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31

3.5.9 Controle Automatico de Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 35

3.5.10 Estagio Frequencia Intermediaria no Receptor . . . . . . . . . . . . . p. 35

3.5.11 Filtro Casado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 37

3.5.12 Sincronismo Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 37

3.5.13 Sincronismo de Quadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 39

3.5.14 Desmontagem do Quadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 39

3.5.15 Informacao Recuperada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 41

3.6 Funcionamento do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 42

3.6.1 Passo a Passo da Utilizacao do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . p. 45

4 Conclusoes p. 46

Lista de Abreviaturas p. 47

Referencias Bibliograficas p. 48

Lista de Figuras

2.1 Arquitetura Tradicional de um Sistema de Radio definido por Hardware . . . p. 16

2.2 Arquitetura Ideal de um Sistema de Radio Definido por Software . . . . . . . p. 17

2.3 Arquitetura Hıbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 18

3.1 Sistema de Radio Definido por Software Implementado . . . . . . . . . . . . p. 20

3.2 Visualizacao da transmissao do sinal na placa de som do computador . . . . . p. 21

3.3 Arquitetura Generica de um Receptor Superheterodyne . . . . . . . . . . . . p. 22

3.4 Diagrama de Bloco do Sistema de Comunicacao Implementado . . . . . . . . p. 25

3.5 Forma de Onda da Informacao em Sımbolos BPSK . . . . . . . . . . . . . . p. 26

3.6 Quadro Superamostrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 26

3.7 Pulso Raiz Quadrada do Cosseno Levantado . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 27

3.8 Comparacao entre o espectro do sinal antes e depois da formatacao de pulso . p. 28

3.9 Forma de Onda do Sinal Formatado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 28

3.10 Deslocamento do Sinal em Banda Base para Frequencia Intermediaria . . . . p. 29

3.11 Sinal Transmitido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 30

3.12 Sinal Capturado pela Placa de Som . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31

3.13 Densidade Espectral de Potencia do Sinal Recebido . . . . . . . . . . . . . . p. 32

3.14 Sinal na Saıda do Filtro de Recepcao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 32

3.15 Estrutura Basica de Funcionamento do Costas Loop . . . . . . . . . . . . . . p. 33

3.16 Algoritmo de Sincronismo de Fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 34

3.17 Curva do Desvio da Fase Estimada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 34

3.18 Algoritmo de Controle Automatico de Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 35

3.19 Forma de Onda apos o CAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36

3.20 Sinal Deslocado para Banda Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36

3.21 Sinal na Saıda do Filtro Casado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 37

3.22 Algoritmo de Sincronismo Temporal DD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 38

3.23 Sincronismo de Quadro - Correlacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 40

3.24 Sinal Sincronizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 40

3.25 Sımbolos Recuperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 41

3.26 Instancia do MATLAB Responsavel pela Transmissao . . . . . . . . . . . . . p. 42

3.27 Instancia do MATLAB Responsavel pela recepcao . . . . . . . . . . . . . . p. 43

3.28 Sinal Sincronizado com Erro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 44

3.29 Mensagem Recuperada com Erro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 44

Lista de Tabelas

3.1 Configuracao do Microfone no Computador . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 24

3.2 Configuracao do Auto-Falante no Computador . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 24

12

1 Introducao

Os sistemas de comunicacao sem fio estao em constante evolucao. Para a concepcao de no-

vos sistemas, alem da preocupacao com as taxas de transmissao de dados elevadas, ha tambem

a busca por transceptores mais flexıveis. Nesta linha, uma tendencia para tais transceptores e a

utilizacao do conceito de Radio Definido por Software (Software Defined Radio (SDR)) (SDR

FORUM, 2011).

A implementacao deste conceito implica numa serie de vantagens. Primeiramente, temos o

melhor desempenho do sistema, devido as vantagens fornecidas pelo processamento digital.

Em seguida temos o baixo custo, ja que varios componentes sao substituıdos por um unico

dispositivo digital programavel, podendo ser um Field Programmable Gate Arrays (FPGA), Di-

gital Signal Processors (DSP), entre outros. Alguns problemas que antes afetavam o hardware

passam a ser problemas de software, que podem ser resolvidos com uma reprogramacao, dando

maior flexibilidade ao sistema. Porem, a implementacao de um SDR utilizando FPGA ou DSP

ainda e uma tarefa complexa de ser realizada.

O objetivo deste trabalho e a construcao de um sistema real de radio frequencia, no qual

seja possıvel transmitir e receber caracteres alfanumericos, empregando o conceito de SDR. A

implementacao do conceito SDR e realizada atraves do software MATLAB, ja que este atende

as necessidades computacionais necessarias para este projeto, alem de utilizar para transmissao

e recepcao um par transmissor/receptor FM comum, encontrados com facilidade no mercado.

Ao final do trabalho temos como resultado um prototipo que implementa um sistema real de

comunicacao sem fio que podera servir como base para trabalhos futuros.

Algumas formas de implementacao de um SDR foram encontradas na literatura, como

(JOHNSON; SETHARES, 2003), (ALVES, 2010) e (FERNANDES, 2007), e tais referencias

foram de extrema importancia para a realizacao deste trabalho. Em (JOHNSON; SETHARES,

2003) e apresentada a construcao de um sistema tıpico de comunicacao digital, onde sao dis-

ponibilizados algoritmos do MATLAB que realizam funcoes do sistema. Em (ALVES, 2010)

pode-se encontrar um sistema com as mesmas caracterısticas do apresentado aqui, sendo que

1.1 Motivacao 13

o sistema de processamento foi realizado em um FPGA. Vale ressaltar que os algoritmos utili-

zados neste trabalho diferem em diversos aspectos quando comparados aos de (ALVES, 2010).

Em (FERNANDES, 2007) e apresentado um enlace de comunicacao digital utilizando sinais

acusticos e MATLAB.

Alem de nao se ter muitas referencias sobre este assunto, a documentacao encontrada nao

continha todas as informacoes necessarias para a realizacao do trabalho, o que dificultou seu

desenvolvimento. O aluno Mattia Edoardo Vismara participou da realizacao deste trabalho,

desde a parte de embasamento teorico ate a implementacao do codigo. No semestre 2011/1 ele

continuara este trabalho.

1.1 Motivacao

O interesse pela area de comunicacoes e processamento de sinais foi o que me impulsionou

a pesquisar novas tendencias e novas tecnologias nessa area. Com o auxılio do orientador surgiu

a ideia da elaboracao deste trabalho. A implementacao do sistema proporcionaria o emprego

de diversos conceitos obtidos ao longo do curso. Alem disso, ao final do trabalho teria como

resultado um prototipo que implementa um sistema real de comunicacao sem fio, ilustrando

todas as etapas entre transmissao e recepcao, e que poderia ser utilizado para fins didaticos.

1.2 Organizacao do texto

Nesta introducao foram apresentados os objetivos do trabalho, as justificativas para a realiza-

cao deste, e os motivos que impulsionaram sua realizacao. Nos proximos capıtulos serao des-

critos os principais conceitos e as etapas do sistema implementado.

No Capıtulo 2 sera descrito o conceito de Radio Definido por Software e algumas arquite-

turas de radio existentes. No Capıtulo 3 sera descrito o sistema implementado, a estrutura, as

tecnicas e os principais algoritmos utilizados, alem do funcionamento do sistema. Por fim, no

Capıtulo 4 sao apresentadas as conclusoes sobre este trabalho.

14

2 Radio Definido por Software

Primeiramente, um radio pode ser qualquer dispositivo sem fio que efetua a transmissao ou

recepcao de sinais (dados, voz, imagem ou vıdeo) em Radio Frequencia (RF) (SDR FORUM,

2011). Ate o seculo XX a comunicacao de audio, vıdeo e dados atraves de longas distancias era

feita por Radio Definido por Hardware (Hardware Defined Radio (HDR)). Isto significa que

todos os processos de transmissao e recepcao eram feitos por componentes de hardware, com

pouco ou nenhum controle de software (BURNS, 2002).

Por se tratar de componentes eletronicos, esse tipo de equipamento apresenta um tempo de

vida curto e funcoes fixas, ou seja, que nao podem ser atualizadas conforme a necessidade do

sistema ao longo do tempo.

Para a concepcao de novos sistemas, alem da preocupacao com taxas de transmissao de

dados elevadas, ha tambem a busca por transceptores mais flexıveis. Dispositivos de hard-

ware tradicionais limitam a funcionalidade do sistema e so podem ser modificados com uma

intervencao fısica. Isto resulta em maiores custos de producao e mınima flexibilidade para

o sistema RF, que se torna quase incapaz de acompanhar os diversos padroes existentes nos

sistemas de comunicacao (SDR FORUM, 2011). Entretanto, surge um conceito para tais trans-

ceptores, a utilizacao de Radio Definido por Software (SDR) que e considerado uma revolucao

nos sistemas de RF e tem se mostrado uma forte tendencia para as tecnologias futuras (GNU

RADIO, 2006).

O SDR pode ser entendido como uma digitalizacao da maioria dos processos que estao

envolvidos antes da transmissao e depois da recepcao dos sinais (TUTTLEBEE, 2002). O ob-

jetivo e que tal digitalizacao seja feita o mais proximo possıvel da antena, dispensando o uso

de inumeros componentes de hardware como multiplicadores, moduladores e demoduladores,

amplificadores, filtros, entre outros. Tal substituicao implica numa serie de vantagens. Primei-

ramente, melhor desempenho do sistema, devido as vantagens fornecidas pelo processamento

digital. Em seguida temos o baixo custo, ja que varios componentes sao substituıdos por um

unico dispositivo digital reconfiguravel - podendo ser um FPGA, DSP, processadores de uso ge-

2.1 Arquiteturas de Sistema de Radio 15

ral, entre outros - e ainda, dependendo do dispositivo, este pode ser reutilizado inumeras vezes,

prolongando o tempo de vida util do equipamento. Os problemas que antes afetavam o hard-

ware passam a ser problemas de software que podem ser resolvidos com uma reprogramacao,

dando maior flexibilidade ao sistema. Essa talvez seja a maior vantagem do SDR, sendo que o

sistema de radio pode ser alterado com uma simples atualizacao de software (BURNS, 2002).

Alem de todas as vantagens citadas, o SDR reduz o tempo que um produto leva para che-

gar ao cliente final (“time to market”) - passando pelas etapas de projeto, desenvolvimento,

producao e chegada ao mercado - quando comparado ao tempo gasto por transceptores tradici-

onais para as mesmas etapas, resultando em maior rotatividade de mercado.

2.1 Arquiteturas de Sistema de Radio

Para entender melhor a arquitetura do SDR implementado neste trabalho, e necessario en-

tender as principais arquiteturas de radio existentes.

2.1.1 Arquitetura de um Sistema de Radio Definido por Hardware

A Figura 2.1 ilustra uma arquitetura de radio defindo por hardware tradicional. Utilizando

um transceptor superheterodyne - este sera descrito no Capıtulo 3 - e possıvel identificar os

principais estagios de um sistema de comunicacao sem fio. Nesse tipo de arquitetura todos

os estagios ilustrados sao desempenhados por componentes eletronicos, sem nenhum controle

de software. Se o sistema necessitar de alguma alteracao em sua configuracao, e necessaria a

substituicao de componentes ou de ate mesmo equipamentos.

No transmissor o sinal analogico em banda base e modulado e em seguida passa pelo Filtro

Passa Baixa (FPB), chegando ao multiplicador que sera responsavel pelo deslocamento do sinal

para a Frequencia Intermediaria (FI). O sinal em FI e novamente multiplicado, agora pelo

Oscilador Local (OL) 1 que deslocara o sinal para uma frequencia mais alta. Logo, o sinal

passa pelo Amplificador de Potencia (AP) e novamente por um Filtro Passa Faixa (FPF), estando

agora pronto para a transmissao.

No receptor, o sinal que chega da antena passa pelo FPF para eliminar interferencias. Em

seguida, passa pelo amplificador de ruıdo baixo (Low Noise Amplifier (LNA)), e entao e deslo-

cado para a FI, resultado da multiplicacao do sinal de entrada com o OL1. Este sinal e filtrado

e mais uma vez deslocado, so que agora para banda base, pela multiplicacao realizada pelo

OL2. Logo, o sinal e demodulado pra reproduzir a informacao recebida analogica. O numero


de estagios de FI esta relacionado com a frequencia de operacao de RF do sistema. Quanto

mais alta for a frequencia de operacao do sistema, mais estagios de FI sao sugeridos (BURNS,

2002).

Figura 2.1: Arquitetura Tradicional de um Sistema de Radio definido por Hardware

2.1.2 Arquitetura Ideal de um Sistema de Radio Definido por Software

Em uma arquitetura ideal de SDR, como a ilustrada na Figura 2.2, temos um sistema digital

interagindo com um simples sistema analogico. Este e o objetivo do conceito SDR, trazer a

digitalizacao dos processos de um sistema de comunicacao sem fio o mais proximo possıvel da

antena. A parte analogica se restringe apenas as funcoes como antena (transmissao e recepcao),

filtragem de RF, amplificacao de ruıdo baixo (LNA), Amplificador de Potencia (AP) e OL de

referencia.

O software fica encarregado de funcoes como modulacao e demodulacao, codificacao e

decodificacao, deslocamento do sinal para banda base, entre outras. Na Figura 2.2 essas etapas

sao realizadas pelo bloco Recursos de Processamento Digital, que junto com o middleware -

responsavel pela mediacao entre software e demais aplicacoes - compoe o framework do sistema

(BURNS, 2002).


Figura 2.2: Arquitetura Ideal de um Sistema de Radio Definido por Software

2.1.3 Arquitetura Hıbrida

A arquitetura hıbrida de radio e basicamente uma combinacao de sistemas analogicos com

sistemas digitais. Podemos ate dizer que esta arquitetura seja uma combinacao das duas ja

citadas. Na Figura 2.3 temos um exemplo desta arquitetura, onde podemos observar que o

estagio analogico e responsavel pela conversao do sinal de RF para banda base no receptor,

passando por dois estagios de FI. Os filtros FI1 e FI2, presentes no estagio de deslocamento do

sinal, sao para garantir a seletividade e rejeitar o sinal imagem.

O sinal imagem, ou banda imagem, resulta do processo de downconversion. Este problema

esta relacionado ao fato do espectro de frequencias de um sinal sinusoidal real conter com-

ponentes em frequencias positivas e negativas (INVOCOM (VALKAMA, M. and RENFORS,

M.), 2006).

Os outros dois filtros, o FPB e o FPF do estagio analogico do receptor, fazem a ultima

conversao para banda base antes da conversao de analogico para digital e a limitacao em banda

do sinal de entrada, respectivamente (BURNS, 2002).

Depois que o sinal passa pelo Conversor Analogico/Digital (CAD), todas as funcoes ilus-

tradas no estagio digital, como demodulacao, codificacao de canal, equalizacao, entre outras,

sao realizadas por software implementado em dispositivos como DSP, FPGA (BURNS, 2002).


Figura 2.3: Arquitetura Hıbrida

A arquitetura implementada neste trabalho e semelhante a arquitetura hıbrida apresentada,

o Capıtulo 3 ira detalhar a arquitetura do sistema implementado com todas as suas funcoes e

algoritmos que o proprio realiza.

19

3 Sistema Implementado

Neste capıtulo, todas as etapas de desenvolvimento e implementacao do sistema de comuni-

cacao sem fio com o conceito de Radio Definido por Software sera descrita detalhadamente. O

objetivo deste e que o leitor consiga acompanhar as etapas para entender todo o funcionamento

do sistema. Ressalto que, para conseguir realizar este trabalho, entramos em contato com os

responsaveis pelo trabalho (ALVES, 2010) e seguimos algumas orientacoes dada por eles, a

respeito de configuracoes da placa de som do computador, pois as referencias encontradas, no

que diz respeito a parte pratica, e muito carente nesse assunto.

A Figura 3.1 ilustra o sistema implementado com todos os componentes fısicos utilizados.

Adquirimos um par transmissor/receptor FM padrao, encontrado facilmente no mercado, onde

o unico cuidado tomado foi que o receptor possuısse uma entrada auxiliar, para que este fosse

conectado ao computador. O transmissor e o receptor FM foram conectados na saıda e na

entrada da placa de som do computador, respectivamente, constituindo o estagio analogico do

sistema, como ilustra a Figura 3.1.

Ja o estagio digital e composto pelo computador, onde foram abertas duas instancias do

software MATLAB, uma para desempenhar as funcoes do transmissor e outra para desem-

penhar as funcoes do receptor. O software MATLAB foi a melhor opcao encontrada para

a implementacao do conceito de SDR, pois ele atende as necessidades computacionais ne-

cessarias para a implementacao do sistema e o tempo para desenvolvimento do algoritmo e

menor, quando comparado ao tempo de desenvolvimento com um dispositivo de processamento

digital reconfiguravel.

Um detalhe importante e que as configuracoes da placa de som do computador nao sao

as mesmas para qualquer sistema operacional, e depois de inumeras tentativas, foi fixada a

configuracao no Windowns VistaT M Business.

Optamos tambem por implementar o sistema em um unico computador com duas intancias

de MATLAB funcionando separadamente, simulando o cenario de dois computadores diferen-

tes.

3 Sistema Implementado 20

Figura 3.1: Sistema de Radio Definido por Software Implementado

Nesse sistema, o transmissor e o receptor FM ficam encarregados apenas da transmissao e

recepcao do sinal em alta frequencia, todas as funcoes de processamento do sinal sao realizadas

via software. O funcionamento do sistema e simples, e de maneira geral segue as seguintes

etapas:

• Uma frase fixa e gerada e processada pelo software responsavel pela transmissao;

• Depois do sinal processado, ele e enviado a saıda da placa de som que esta conectada ao

transmissor FM;

• O transmissor e o receptor FM estao sintonizados na mesma frequencia, 91.7MHz;

• O receptor, conectado a entrada da placa de som, captura o sinal enviado;

• Da placa de som, o sinal passa novamente pelo processamento digital, que e realizado

por um codigo e por uma instancia de MATLAB diferente da utilizada no transmissor, e

a frase enviada e entao recuperada.

Antes de iniciarmos a implementacao do sistema, algumas configuracoes foram definidas,

assim como escolhemos arquiteturas e ferramentas que auxiliaram o trabalho. As proximas

secoes descrevem as escolhas feitas.

3.1 Toolbox Data Acquisition 21

3.1 Toolbox Data Acquisition

Para fazer a integracao do software MATLAB com o par transmissor/receptor FM, utiliza-

mos o Toolbox Data Acquisition do MATLAB para realizar as aquisicoes e o envio dos sinais

a placa de som do computador. O toolbox permite ler, enviar, armazenar, e configurar dados,

sendo que estes dados podem ser entradas ou saıdas, analogicos ou digitais (MATHWORKS,

2005). A funcao demoai fft do toolbox foi muito utilizada para o acompanhamento do nıvel

de ruıdo e de sinal do objeto analog input (ai) criado. Esta funcao permite que o sinal de en-

trada e sua transformada rapida de Fourier sejam ilustradas graficamente, sendo que o grafico e

atualizado a cada 0,1 segundos 1.

A Figura 3.2 ilustra exatamente o momento em que o sinal estava sendo transmitido, ou

seja, o toolbox realizava a integracao do software com o hardware e a funcao demoai fft e quem

permite esta visualizacao. As principais configuracoes de aquisicao de dados para este trabalho

estao relacionadas ao trigger. O tipo de trigger escolhido indica de que forma a captura do audio

sera realizada. Seguindo orientacoes de (ALVES, 2010), optamos por um trigger acionado por

software, em borda de subida, com um limiar de tensao igual ou superior a 0,4V. A frequencia

de amostragem Fs foi definida como 44,1KHz, de acordo com a configuracao da placa de som

do computador, que sera descrita Secao 3.4.

Figura 3.2: Visualizacao da transmissao do sinal na placa de som do computador

1Help do MATLAB

3.2 Arquitetura Superheterodyne 22

3.2 Arquitetura Superheterodyne

Em um sistema de RF o sinal desejado se encontra geralmente em faixas de alta frequencia.

Para selecionar apenas o sinal desejado, seria necessario um filtro passa faixa com precisao

elevada, o que inviabiliza a implementacao. Para solucionar esse problema, existem diferentes

tipos de arquitetura de transceptores que fazem a conversao do sinal em banda passante para

banda base de diferentes formas. Neste trabalho optamos pela arquitetura de transceptores

superheterodyne para deixar o sistema mais didatico, pois desta forma podemos observar o

processo de modulacao utilizando a funcao exponencial, descrito na Secao 3.5.4, e podemos

visualizar atraves do MATLAB o deslocamento do espectro do sinal.

Optando por outra arquitetura, provavelmente o sistema tambem funcionaria, mas como o

transmissor FM seria o responsavel pelo deslocamento do espectro do sinal, nos nao poderıamos

observar esta etapa diretamente do MATLAB.

A arquitetura superheterodyne e caracterizada por converter o sinal recebido, ou sinal dese-

jado, para uma Frequencia Intermediaria (FI) mais baixa, diferente da banda base, e em seguida

o sinal e deslocado da FI para banda base (MIRABBASI; MARTIN, 2000). Na Figura 3.3 e

ilustrada uma arquitetura generica de um receptor superheterodyne, onde o sinal recebido pela

antena passa por um filtro de pre-selecao FPF, e depois pelo amplificador de ruıdo baixo (LNA).

O sinal e entao deslocado para a FI atraves da multiplicacao do sinal de entrada pelo OL. O sinal

na saıda do multiplicador passa novamente por um filtro seletor FPF, eliminando interferencias

no sinal desejado, e em seguida passa pelo Controle Automatico de Ganho (CAG), concluindo

o estagio de FI. A partir dai o sinal em FI pode ser deslocado para banda base (MIRABBASI;

MARTIN, 2000).

Figura 3.3: Arquitetura Generica de um Receptor Superheterodyne

3.3 Modulacao BPSK 23

3.3 Modulacao BPSK

A modulacao utilizada no sistema implementado foi a Binary Phase Shift Keying (BPSK).

Optamos por esta modulacao por ser de facil implementacao e robusta, onde os sımbolos pos-

suem uma variacao de fase de 0◦ e 180◦ (SKLAR, 2001), o que e desejavel para o nosso sistema

ja que o ruıdo inserido pelo canal e significativo. A modulacao BPSK pode ser expressa pela

equacao 3.1

si(t) =

√2ET

cos[ωo(t)+φi(t)] (3.1)

sendo 0≤ t ≤ T , i = 1, ...,M, E a energia de sımbolo, T e o tempo de duracao de sımbolo e

ωo a frequencia da portadora. O termo de fase φi(t) tera M valores discretos, dados pela equacao

3.2 (SKLAR, 2001). No nosso caso, modulacao BPSK, M = 2.

φi(t) =2πiM

(3.2)

3.4 Configuracoes do Sistema

A funcao demoai fft do toolbox Data Acquisition foi muito importante nesta fase de imple-

mentacao, pois gracas a ela, foi possıvel observar o comportamento do sinal na placa de som do

computador. Para o bom funcionamento do sistema, foram necessarias algumas configuracoes

de volume no sistema operacional do computador e no receptor FM. O volume do compu-

tador foi fixado no nıvel 6 e o receptor FM teve seu volume fixado no nıvel maximo. As

configuracoes, que serao descritas a seguir, foram realizadas em um notebook HP 540, com

o sistema operacional Windows VistaT M Business, 32 bits, processador Intel Core 2 Duo de

1,8GHz e memoria RAM de 3GB.

A Tabela 3.1 lista os parametros do dispositivo microfone, enquanto a Tabela 3.2 lista os

parametros do dispositivo auto-falante.

Esses parametros foram ajustados depois de varias tentativas e combinacoes diferentes, ate

chegar ao resultado desejado. A frequencia de amostragem do sinal Fs no sistema implemen-

tado, foi definida de acordo com a opcao avancado da Tabela 3.1 e 3.2, fixada em 44100Hz.

3.5 Etapas de Implementacao 24

Tabela 3.1: Configuracao do Microfone no Computador

Opcao Descricao EstadoPersonalizado Aumento de Sensibilidade Desativado

Nıveis 0 xAperfeicoamento Sem Filtragem x

Avancado Canal 2, 16 bits, 44100Hz (Qualidade de CD) xPermitir a aplicativos assumir controle exclusivo deste dispositivo Ativado

Dar prioridade a aplicativos em modo exclusivo Ativado

Tabela 3.2: Configuracao do Auto-Falante no Computador

Opcao Descricao EstadoNıveis Auto-Falante: 47 x

Entrada: 0 xBip do PC: 0 x

Avancado 16 bits, 44100Hz (Qualidade de CD) xPermitir a aplicativos assumir controle exclusivo deste dispositivo Ativado

Dar prioridade a aplicativos em modo exclusivo AtivadoHabilitar aperfeicoamento de audio Ativado

3.5 Etapas de Implementacao

A Figura 3.4 ilustra as etapas implementadas para o funcionamento do sistema. Cada bloco

presente nesta figura sera descrito nas secoes seguintes. No transmissor o estagio digital e

formado pelos blocos Conversao BPSK, Montagem do Quadro, Formatacao de Pulso e

Frequencia Intermediaria, enquanto que o estagio analogico e formado pelos blocos Conver-

sor Digital/Analogico (CDA) e Transmissor FM. Ja no receptor o estagio analogico e formado

pelos blocos Receptor FM e Conversor Analogico/Digital (CAD), enquanto que o estagio di-

gital e formado pelos blocos Filtro Passa Baixa, Sincronismo de Fase, Controle Automatico

de Ganho, Frequencia Intermediaria, Filtro Casado, Sincronismo Temporal, Sincronismo

de Quadro, Desmontagem de Quadro e Conversao BPSK.

3.5.1 Informacao

O principal objetivo do sistema e transmitir e receber uma sequencia de caracteres alfa-

numericos, e atraves da informacao transmitida que comecamos o desenvolvimento do sistema.

Optamos primeiramente por uma frase fixa, que foi armazenada, e em seguida convertida para

sımbolos BPSK, representado pelo bloco Conversao BPSK na Figura 3.4. A conversao foi re-


Figura 3.4: Diagrama de Bloco do Sistema de Comunicacao Implementado

alizada atraves de um codigo adaptado de (JOHNSON; SETHARES, 2003), e este basicamente

calcula o numero de caracteres presentes na frase escolhida, em seguida faz a conversao des-

ses caracteres alfanumericos para sımbolos BPSK utilizando a funcao dec2base do MATLAB.

Na conversao, para cada caracter sao necessarios sete sımbolos BPSK, sendo que na frase nao

pode conter acentos ou cedilhas, caso contrario o codigo apresenta erro. Na saıda do bloco

Conversao BPSK temos a informacao modulada em BPSK, como mostra a Figura 3.5.

3.5.2 Quadro

A segunda etapa do sistema e a composicao do quadro de dados para transmissao, como

mostra a Figura 3.4 o bloco Montagem do Quadro. Esta e uma tarefa simples, mas de grande

importancia para o funcionamento do sistema. Junto a informacao, foi adicionada uma palavra

de sincronismo no inıcio do quadro, sendo que esta e inserida uma unica vez, pois a cada

transmissao um quadro com toda a informacao e enviado. A vantagem de utilizar esta marcacao

e a simplicidade na hora de recuperar a informacao (SKLAR, 2001).

Optamos por uma palavra de sincronismo aleatoria, com o comprimento de 64 sımbolos

BPSK, que auxilia no sincronismo de quadro, no receptor, a identificar o inıcio da informacao.

Apos a montagem do quadro, este e superamostrado pelo fator M, aproximando o sinal digital


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450−2

−1

0

1

2Forma de Onda da String Convertida para BPSK

Am

plitu

de

Amostras(símbolos)

0 10 20 30 40 50 60−2

−1

0

1

2Zoom da Forma de Onda da String Convertida para BPSK

Am

plitu

de

Amostras(símbolos)

Figura 3.5: Forma de Onda da Informacao em Sımbolos BPSK

de um sinal contınuo e aumentando a distancia entre os sımbolos, diminuindo a Interferencia

Intersimbolica (IIS) (JOHNSON; SETHARES, 2003). A cada sımbolo BPSK sao inseridos M

zeros, sendo que neste sistema M = 100 . Na Figura 3.6 e ilustrado o formato do quadro na

saıda do bloco Montagem do Quadro.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

Amostras

Am

plitu

de

Quadro a ser Transmitido : Palavra de Sincronismo + Informação

2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3

x 104

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

Amostras

Am

plitu

de

Zoom do Quadro a ser Transmitido

Figura 3.6: Quadro Superamostrado


3.5.3 Formatacao do Sinal

Com o quadro montado para a transmissao, passamos agora pela etapa de formatacao do

sinal, como mostra a Figura 3.4. O pulso escolhido foi o Square Root Raised Cosine (SRRC)

ou Raız Quadrada do Cosseno Levantado, que e muito utilizado em sistemas de comunicacoes

de banda limitada e minimiza a IIS (JOHNSON; SETHARES, 2003). Ele conserva a largura

de banda efetiva do sinal e sua resposta impulso tende a zero rapidamente. A convolucao do

pulso formatador com o filtro casado na recepcao resulta em um pulso de Nyquist (JOHNSON;

SETHARES, 2003).

O pulso SRRC utilizado esta ilustrado na Figura 3.7 e foi implementado atraves da funcao

rcosfir do MATLAB, com fator de roll-off igual a 0,4 e ordem igual a 800. A Figura 3.8 mostra

uma comparacao entre o espectro do sinal antes e depois da formatacao de pulso, atraves da

Densidade Espectral de Potencia (DEP) de cada um, sendo visıvel a otimizacao da largura de

banda do sinal. Na Figura 3.9 temos a forma de onda do sinal na saıda do bloco Formatacao

de Pulso da Figura 3.4.

0 1 2 3 4 5 6 7 8−0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Amostras

Am

plitu

de

Pulso Formatador Raiz Quadrada do Cosseno Levantado

Figura 3.7: Pulso Raiz Quadrada do Cosseno Levantado


−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−80

−75

−70

−65

−60

−55

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Antes da Formatação de Pulso

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequência (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Depois da Formatação de Pulso

Figura 3.8: Comparacao entre o espectro do sinal antes e depois da formatacao de pulso

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

Amostras

Am

plitu

de

Forma de Onda do Sinal Formatado pelo Pulso

4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5

x 104

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

Amostras

Am

plitu

de

Zoom da Forma de Onda do Sinal Formatado pelo Pulso

Figura 3.9: Forma de Onda do Sinal Formatado


3.5.4 Estagio de Frequencia Intermediaria no Transmissor

Como citado na Secao 3.2, implementamos em software uma arquitetura de transceptor

semelhante a superheterodyne. A proxima etapa e o estagio de Frequencia Intermediaria (FI),

caracterıstico desta arquitetura. O sinal formatado na saıda do bloco Formatacao de Pulso e

multiplicado pela exponencial e j2π fLOt , realizando o deslocamento do sinal em banda base para

FI.

A frequencia da portadora foi fixada em 15KHz, pois a maioria dos radios FM operam ate

essa faixa de frequencia, mas esta pode ser alterada, desde que esteja de acordo com o teorema

de Nyquist e com a norma (RECOMMENDATION ITU-R BS.704, 1990). A Figura 3.10 ilustra

de forma clara, o deslocamanento do sinal em banda base para a FI antes da transmissao. Na

saıda do bloco Frequencia Intermediaria temos o sinal digital pronto para a transmissao,

ilustrado na Figura 3.11.

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Formatado em Banda Base

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequência (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Modulado para Frequência Intermediária

Figura 3.10: Deslocamento do Sinal em Banda Base para Frequencia Intermediaria


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

Amostras

Am

plitu

de

Forma de Onda do Sinal Transmitido

4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5

x 104

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

Amostras

Am

plitu

de

Zoom da Forma de Onda do Sinal Transmitido

Figura 3.11: Sinal Transmitido

3.5.5 Conversao de Digital para Analogico

Com o sinal digital pronto para transmissao, passamos do estagio digital para o estagio

analogico. A primeira etapa deste estagio e o envio do sinal a placa de som do computador

atraves do Toolbox Data Acquisition. Na placa de som ocorre a conversao, representada na

Figura 3.4 pelo bloco CDA. A placa de som do computador esta conectada ao transmissor FM,

e este foi sintonizado na frequencia 91.7MHz, pelo simples fato de nao estar sendo utilizada por

nenhuma estacao de radio.

3.5.6 Conversao de Analogico para Digital

Na recepcao o processo inverso da transmissao e realizado. Iniciamos com o receptor FM

sintonizado na mesma frequencia do transmissor, sendo este conectado a entrada da placa de

som do computador, responsavel pela conversao do sinal - neste caso de analogico para digital

- representado pelo bloco CAD na Figura 3.4.

Com a utilizacao do Toolbox Data Aquisition do MATLAB, foram configurados parametros

para a captura do sinal na placa de som. A principal configuracao foi o disparo do trigger para a

captura dos dados apenas na borda de subida com amplitude igual ou superior a 0,4V. A forma

de onda do sinal na saıda do bloco CAD da Figura 3.4 pode ser observada na Figura 3.12.


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

−1

−0.5

0

0.5

1

Amostras

Am

plitu

de

Sinal Capturado na Placa de Som

4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5

x 104

−1

−0.5

0

0.5

1

Amostras

Am

plitu

de

Zoom do Sinal Capturado na Placa de Som

Figura 3.12: Sinal Capturado pela Placa de Som

3.5.7 Filtro de Recepcao

O sinal recebido passa agora pelo filtro de recepcao para limitar a faixa de ruıdo no sinal

inserida pelo canal (ALVES, 2010). Esse e um filtro passa faixa, de ordem 64, e foi realizado

atraves da funcao fir1 do MATLAB. Na Figura 3.13 podemos observar a comparacao entre DEP

do sinal recebido e do sinal filtrado. Ja na Figura 3.14 temos ilustrada a forma de onda do sinal

na saıda do bloco Filtro Passa Faixa da Figura 3.4.

3.5.8 Sincronismo de Fase

Os sistemas reais de comunicacao necessitam de algum tipo de sincronizacao, e foram os

sincronismos (fase, temporal e de quadro) que geraram maior dificuldade e que consumiram

mais tempo para o entendimento e implementacao no sistema. Isso aconteceu devido ao fato

de que nao sao assuntos tratados ao longo do curso, e que foram encontradas poucas literaturas,

principalmente que tratam da parte pratica.

O sincronismo da frequencia da portadora nao foi implementado, pois a principal causa do

desvio de frequencia e a diferenca entre os osciladores do transmissor e receptor (JOHNSON;

SETHARES, 2003). Como as portadoras sao geradas digitalmente, o desvio de frequencia e

mınimo, e nao interfere no sistema.


−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−90

−80

−70

−60

−50

−40

−30

−20

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Recebido

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Filtrado

Figura 3.13: Densidade Espectral de Potencia do Sinal Recebido

0 1 2 3 4 5 6

x 104

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Amostras

Am

plitu

de

Sinal Filtrado para Eliminar Interferências

4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5

x 104

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

Amostras

Am

plitu

de

Zoom do Sinal Filtrado para Eliminar Interferências

Figura 3.14: Sinal na Saıda do Filtro de Recepcao


O primeiro sincronismo implementado neste trabalho foi o sincronismo de fase. A sincroni-

zacao da fase significa que, a fase da portadora do transmissor tem que estar de acordo com a

fase da portadora do receptor (SKLAR, 2001). Para realizar o sincronismo de fase, optamos

pelo algoritmo Costas Loop (JOHNSON; SETHARES, 2003), pois ele nao necessita de pre-

processamento como alguns outros algoritmos de correcao de fase encontrados na literatura, e

(ALVES, 2010) e (FERNANDES, 2007), referencias para este trabalho, utilizaram o mesmo

algoritmo.

Um dos problemas relacionados ao Costas Loop e garantir que os filtros passa baixa sejam

iguais, mas como se trata de filtros digitais e possıvel garantir a igualdade entre eles (SKLAR,

2001). Na Figura 3.15 temos a ilustracao do funcionamento do algoritmo Costas Loop, sendo

que as variaveis presentes estao de acordo com o codigo do algoritmo ilustrado na Figura 3.16.

O sinal recebido r(k) passa por dois caminhos. No primeiro, r(k) e multiplicado por

2cos(2πFct(k)+ θ [k]) , onde θ [k] e a variavel da fase estimada. Em seguida o sinal modulado

zc passa pelo FPB e chega ao multiplicador. No segundo caminho, o sinal r(k) e multiplicado

por 2sen(2πFct(k)+θ [k]), em seguida o sinal modulado zs passa pelo FPB e tambem chega ao

multiplicador. A saıda do multiplicador passa pelo bloco µΣ que estima uma nova fase. A nova

fase estimada θ [k] e armazenada e realimenta o algoritmo para a proxima estimacao, e assim

sucessivamente.

Figura 3.15: Estrutura Basica de Funcionamento do Costas Loop

Entendendo o funcionamento do algoritmo, vamos agora observar o funcionamento do

codigo utilizado para a sua implementacao. O algoritmo utilizado foi adaptado de (JOHN-

SON; SETHARES, 2003) e esta ilustrado na Figura 3.16. Iniciaremos com os filtros utilizados,

dois filtros passa baixa identicos de ordem 500, representados pela variavel h, implementados

atraves da funcao remez do MATLAB. Um vetor t, com o mesmo comprimento do sinal, foi cri-


ado para auxiliar no laco de estimacao de desvio de fase, e a variavel mu e o passo de adaptacao

deste laco, ela representa o bloco µΣ da Figura 3.15. O vetor da fase estimada θ [k] tem seu va-

lor inicial em zero, ou seja, θ [1] = 0. O funcionamento do laco e basicamente o procedimento

descrito na Figura 3.15. Com o vetor θ estimado, temos a curva do desvio da fase estimada,

ilustrada na Figura 3.17.

Figura 3.16: Algoritmo de Sincronismo de Fase

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4Costas Loop − Estimação de Fase

Amostras

Des

vio

de F

ase

(gra

us)

Figura 3.17: Curva do Desvio da Fase Estimada


3.5.9 Controle Automatico de Ganho

O controle automatico de ganho, ou CAG, foi realizado atraves da adaptacao de um al-

goritmo de (JOHNSON; SETHARES, 2003). O objetivo do CAG e amplificar os sinais mais

baixos e atenuar os sinais mais altos, de modo que o sinal resultante seja mantido dentro de uma

faixa normal de operacao no receptor (JOHNSON; SETHARES, 2003).

A Figura 3.18 ilustra o trecho de codigo adaptado, sendo que o vetor a, inicialmente com-

posto de zeros com excecao do primeiro termo inicializado em 1, e o vetor parametro do al-

goritmo. O sinal r(k) e multiplicado pelo valor a(k). Ou seja, a cada interacao do laco um

novo valor a(k) e calculado, sendo armazenado e utilizado na proxima interacao. A Figura 3.19

ilustra a forma de onda do sinal na saıda do bloco Controle Automatico de Ganho da Figura

3.4. Comparando com o sinal na saıda do filtro de recepcao, na Figura 3.14, podemos observar

o ganho de amplitude que o CAG proporcionou ao sinal.

Figura 3.18: Algoritmo de Controle Automatico de Ganho

3.5.10 Estagio Frequencia Intermediaria no Receptor

O sinal recebido em FI e agora multiplicado pela exponencial e− j2π fLOt para realizar deslo-

camento do sinal para banda base. O sinal deslocado, que esta na saıda do bloco Frequencia

Intermediaria da Figura 3.4, e ilustrado na Figura 3.20.


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

−3

−2

−1

0

1

2

3

Amostras

Am

plitu

de

Sinal após Controle Automático de Ganho

4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45

x 104

−3

−2

−1

0

1

2

3

Amostras

Am

plitu

de

Zoom do Sinal após Controle Automático de Ganho

Figura 3.19: Forma de Onda apos o CAG

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal na Frequência Intermediária Recebida

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20−120

−100

−80

−60

−40

−20

Frequencia (KHz)

dB/H

z

Densidade Espectral de Potência do Sinal Recebido em Banda Base

Figura 3.20: Sinal Deslocado para Banda Base


3.5.11 Filtro Casado

O filtro casado e um filtro linear projetado para que na sua saıda a relacao sinal/ruıdo seja

maximizada (SKLAR, 2001). Neste trabalho sua implementacao e atraves da funcao conv do

MATLAB, que realiza a convolucao do sinal em banda base com o mesmo filtro formatador

utilizado na transmissao descrito na Secao 3.5.3. Na Figura 3.21 temos a forma de onda do

sinal na saıda do filtro casado, representado pelo bloco Filtro Casado na Figura 3.4. Na Figura

3.21 e visıvel a maximizacao do sinal quando comparada sua amplitude com a amplitude do

sinal na Figura 3.19, depois do CAG.

0 1 2 3 4 5 6

x 104

−15

−10

−5

0

5

10

15

Amostras

Am

plitu

de

Forma de Onda do Sinal na Saída do Filtro Casado

4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45

x 104

−15

−10

−5

0

5

10

Amostras

Am

plitu

de

Zoom da Forma de Onda do Sinal na Saída do Filtro Casado

Figura 3.21: Sinal na Saıda do Filtro Casado

3.5.12 Sincronismo Temporal

A sincronizacao temporal e basicamente escolher um instante otimo para amostrar o sinal

recebido (SKLAR, 2001)(JOHNSON; SETHARES, 2003). Porem, vale lembrar que o sinal

analogico recebido, quando convertido para digital, e amostrado pelo CAD e essa amostragem

e realizada num instante qualquer (JOHNSON; SETHARES, 2003). A funcao do sincronismo

temporal e entao corrigir o instante otimo de amostragem, no nosso caso o pico do pulso de


Nyquist, sendo que esses instantes nao sao conhecidos no receptor e devem ser determinados

atraves das informacoes do proprio sinal recebido.

No sistema implementado optamos por um algoritmo de sincronizacao temporal Decisao

Dirigida (DD), adaptado de (JOHNSON; SETHARES, 2003), pois continha informacoes sufi-

cientes para sua implementacao.

A Figura 3.22 ilustra o trecho de codigo do algoritmo que realiza o sincronismo temporal,

este algoritmo basicamente estima um intante otimo de amostragem atraves da interpolacao.

A variavel mu e o passo de adaptacao do algoritmo e auxilia na estimacao do proximo desvio

temporal, representado pela variavel tau que e inicializada em zero. As funcoes interpsinc e

quantalph utilizadas no laco de estimacao de desvio temporal, tambem adaptadas de (JOHN-

SON; SETHARES, 2003), desempenham a funcao do interpolador e do demodulador BPSK,

respectivamente.

Figura 3.22: Algoritmo de Sincronismo Temporal DD

O desvio temporal e estimado atraves do sinal recebido y. O interpolador escolhe um valor

da direita, outro da esquerda - de acordo com os parametros fornecidos no momento em que

e chamada a funcao interpsinc -, diminui um pelo outro e armazena na variavel dx. Em tau e

calculado o desvio temporal estimado, que e armazenado e reutilizado para realimentacao do

laco de estimacao. Ao final do laco, o vetor xs contem o sinal sincronizado temporalmente.


3.5.13 Sincronismo de Quadro

Apos a realizacao do sincronismo de fase e temporal no receptor, implementamos a sincroni-

zacao do quadro, onde o sinal e correlacionado com a palavra de sincronismo para identificar

o inıcio do quadro (SKLAR, 2001). O sincronismo de quadro foi realizado basicamente com

a implementacao da correlacao. Segundo (JOHNSON; SETHARES, 2003), podemos utilizar a

correlacao para saber o quanto dois sinais sao semelhantes, sendo que atraves desta podemos

encontrar o tempo de amostragem adequado ou encontrar o inıcio da mensagem.

De maneira simples, a correlacao e a somatoria de multiplicacoes ponto a ponto de dois

sinais, sendo um deles deslocado no tempo, e pode ser expressa pela equacao 3.3 (JOHNSON;

SETHARES, 2003). Se o valor da somatoria for alto, significa que muitos termos sao seme-

lhantes.

Rwv( j) = limT→∞

1T

T/2

∑k=−T/2

w[k]v[k + j] (3.3)

No sistema implementado a correlacao foi realizada atraves da funcao xcorr do MATLAB,

onde a palavra de sincronismo e o sinal sincronizado temporalmente foram correlacionados. O

resultado esta ilustrado na Figura 3.23, onde o pico maximo indica que a palavra de sincronismo

foi encontrada.

Na saıda do bloco Sincronismo de Quadro da Figura 3.4 temos o sinal sincronizado ilus-

trado na Figura 3.24, obtida atraves das amostras do sinal. Essa Figura e interessante pois,

podemos observar o efeito causado pelo sincronismo de fase e temporal. Quando o sincronismo

de fase e realizado com sucesso, os pontos iniciais do grafico comecam com amplitude zero,

como na Figura 3.24, e vai aumentando ou diminuindo, ate estabilizar num valor unico de am-

plitude (JOHNSON; SETHARES, 2003). Porem como pode ser observado, ainda na Figura

3.24, o sinal depois de estabilizado ficou variando numa faixa de amplitude, mais ou menos en-

tre 0,4 e 0,6 e entre -0,4 e -0,6. Este comportamento, onde o sinal fica espalhado, e caracterıstico

do sinal sincronizado temporalmente com sucesso (JOHNSON; SETHARES, 2003).

3.5.14 Desmontagem do Quadro

Com o sinal sincronizado partimos para a recuperacao da informacao. O primeiro passo e

a retirada da palavra de sincronismo do inıcio do quadro. Esta etapa e representada pelo bloco

Desmontagem do Quadro na Figura 3.4.


5.51 5.52 5.53 5.54 5.55 5.56 5.57 5.58

x 104

−5

0

5

10

15

Amostras

Am

plitu

de

Correlacao do Sinal Recebido com a Palavra de Sincronismo de Quadro

Figura 3.23: Sincronismo de Quadro - Correlacao

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Amostras

Am

plitu

de

Sinal Sincronizado

Figura 3.24: Sinal Sincronizado


3.5.15 Informacao Recuperada

A ultima etapa do sistema e a recuperacao da mensagem recebida. O limiar de decisao

dos sımbolos para a modulacao BPSK e o zero. Se o sinal estiver acima de zero, o decisor

reconhece como sımbolo 1, se o sinal estiver abaixo de zero, o decisor reconhece como -1.

A implementacao e realizada atraves do algoritmo StringConversor adaptado de (JOHNSON;

SETHARES, 2003).

Este algoritmo alem de implementar a decisao dos sımbolos, converte os sımbolos recupe-

rados para caracteres alfanumericos, atraves da funcao base2dec do MATLAB. O processo e

exatamente inverso ao descrito na Secao 3.5.1. A Figura 3.25 ilustra os sımbolos BPSK recu-

perados, sendo que a informacao recuperada na saıda do bloco Conversao BPSK da recepcao

na Figura 3.4 e apresentada no prompt do MATLAB responsavel pela recepcao.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

Amostras

Am

plitu

de

Símbolos Recuperados

Figura 3.25: Sımbolos Recuperados

3.6 Funcionamento do Sistema 42

3.6 Funcionamento do Sistema

Ate aqui vimos todas as etapas e configuracoes necessarias para a implementacao do sitema,

agora vamos observar o funcionamento do sistema. O primeiro passo e inicializar o codigo

do receptor, pois ele fica aguardando o evento na placa de som, ou seja, quando ele receber

algum sinal com amplitude superior a 0,4V em borda de subida, ele o captura. Com o receptor

inicializado, iniciamos a transmissao. A Figura 3.26 ilustra a tela do MATLAB responsavel

pela transmissao. Ele informa ao usuario que a mensagem foi enviada, e ainda apresenta na tela

a frase enviada.

Figura 3.26: Instancia do MATLAB Responsavel pela Transmissao

Ja na Figura 3.27 temos a imagem da tela do MATLAB responsavel pela recepcao. No

momento que ele e inicializado ele informa ao usuario atraves da mensagem “Receptor Inici-

alizado! Aguardando Informacao....”. Quando o receptor detecta um evento na placa de som,

ele informa ao usuario atraves da mensagem “−−−− > Informacao Recebida Aguarde Pro-

cessamento....”. E enfim, depois do sinal processado e recuperado ele informa ao usuario a

mensagem recuperada.


Figura 3.27: Instancia do MATLAB Responsavel pela recepcao

Porem, ha casos em que o sistema sofre interferencias e nem sempre consegue recuperar

a mensagem. Como ha varios fatores que influenciam no desempenho do sistema, tais como,

configuracoes corretas, aparelhos eletronicos ligados muito proximos ou celulares, isso faz com

que a mensagem seja corrompida. A Figura 3.28 ilustra um exemplo do sinal sincronizado, mas

que sofreu interferencia, apresentando erro na recuperacao da informacao.

O resultado dessa interferencia e visıvel na mensagem recuperada ilustrada na Figura 3.29,

onde nao e possıvel aproveitar nada da mensagem. Ha casos que a interferencia nao e tao

significativa, e que apenas alguns caracteres sao afetados.


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Amostras

Am

plitu

de

Constelação do Sinal Sincronizado

Figura 3.28: Sinal Sincronizado com Erro

Figura 3.29: Mensagem Recuperada com Erro


3.6.1 Passo a Passo da Utilizacao do Sistema

1. Verifique as configuracoes dos dispositivos de Som do computador;

2. Conecte o transmissor FM na saıda da placa de som do computador;

3. Conecte o receptor FM na entrada da placa de som do computador;

4. Verifique a frequencia do par transmissor/receptor FM (91,7MHz);

5. Ajuste os volumes do sistema (PC = 6 e receptor FM = max.);

6. Inicie as instancias do MATLAB (transmissor e receptor) e a funcao demoai fft para ve-

rificar o nıvel de ruıdo na placa de som do computador;

7. Inicialize o codigo responsavel pela recepcao;

8. Inicialize o codigo responsavel pela transmissao;

46

4 Conclusoes

Como proposto, neste trabalho foi realizada a implementacao de um sistema real de Radio

Frequencia (RF) empregando o conceito de Software Defined Radio (SDR), que efetua a trans-

missao e recepcao de caracteres alfanumericos.

A realizacao deste trabalho proporcionou o conhecimento e o esclarecimento das principais

etapas de um sistema de comunicacao sem fio e dos principais conceitos vistos ao longo do

curso. E ainda, permitiu o estudo e implementacao das principais tecnicas de sincronizacao,

nao abordadas no curso, mas de extrema importancia para sistemas reais, tanto que geraram

dificuldades de implementacao e consumiram a maior parte do tempo de desenvolvimento do

sistema.

Para trabalhos futuros fica a sugestao do aprimoramento do codigo, pois este ainda apre-

senta alguns pontos a serem melhorados, e a reutilizacao deste sistema para a implementacao

de outras tecnicas, como por exemplo a Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM),

ou ainda a implementacao deste sistema em um dispositivo de processamento digital recon-

figuravel. O aluno Mattia Edoardo Vismara, que participou do desenvolvimento do sistema,

continuara este trabalho, aprofundando o estudo e analise de novas configuracoes tais como,

codificacao, diferentes modulacoes, analise espectral, entre outras.

47

Lista de Abreviaturas

ai analog input

AP Amplificador de Potencia

BPSK Binary Phase Shift Keying

CAD Conversor Analogico/Digital

CAG Controle Automatico de Ganho

CDA Conversor Digital/Analogico

DD Decisao Dirigida

DEP Densidade Espectral de Potencia

DSP Digital Signal Processors

FI Frequencia Intermediaria

FPB Filtro Passa Baixa

FPF Filtro Passa Faixa

FPGA Field Programmable Gate Arrays

HDR Hardware Defined Radio

IIS Interferencia Intersimbolica

LNA Low Noise Amplifier

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OL Oscilador Local

RF Radio Frequencia

SDR Software Defined Radio

SRRC Square Root Raised Cosine

48

Referencias Bibliograficas

ALVES, H. Plataforma Didatica de Radio Definido por Software. [S.l.]: UniversidadeTecnologica Federal do Parana, 2010.

BURNS, P. Software Defined Radio For 3G. [S.l.]: Artech House, 2002.

FERNANDES, F. G. Implementacao de um enlace de comunicacao digital em tempo realutilizando sinais acusticos. [S.l.]: UNICAMP, 2007.

GNU RADIO. Exploring gnu radio. In: . GNU Radio. Eric Blosson, 2006. v. 1.0.Disponıvel em: <http://www.gnu.org/software/gnuradio/doc/exploring-gnuradio.html#usrp>.Acesso em: 20 de fevereiro de 2011.

INVOCOM (VALKAMA, M. and RENFORS, M.). Receivers architectures. In:. Tampere University of Technology. Finland, 2006. v. 1. Disponıvel em:

<http://bruce.cs.tut.fi/invocom/p3-4>. Acesso em: 28 jan. 2011.

JOHNSON, C. R. J.; SETHARES, W. A. Telecommunication Breakdown. [S.l.]: Prentice Hall,2003.

MATHWORKS, T. Data Acquisition Toolbox 2.8. [S.l.]: The Mathworks Inc. MATLAB, 2005.

MIRABBASI, S.; MARTIN, K. Classical and Modern Receiver Architectures. [S.l.]: IEEECommunications Magazine, 2000.

RECOMMENDATION ITU-R BS.704. Characteristics of fm broadcasting reference receiversfor planing purposes. In: . Recommendation ITU-R BS.704. ITU-R/BS.704, 1990.Disponıvel em: <http://www.itu.int/rec/R-REC-BS.704-0-199006-I/en>. Acesso em: 01 demarco de 2011.

SDR FORUM. What is software defined radio? In: . SDR Forum. USA, 2011. v. 2.0.Disponıvel em: <http://www.wirelessinnovation.org>. Acesso em: 19 jan. 2011.

SKLAR, B. Digital Communications - Fundamentals and Applications. [S.l.]: PearsonEducation, 2001.

TUTTLEBEE, W. Software Defined Radio - Enabling Technologies. [S.l.]: John Wiley & Sons,2002.

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