Design and Implementation of BPSK Baseband Processing for UHF Radio

Abstract

Software defined radio can be used for cost-efficient and flexible digital signal processing development. Satel Oy is looking for a cost-efficient and easily scalable replacement for a radio circuit component. The proposed solution is implemented utilizing software defined radio. The replacement solution utilizes BPSK modulation which is spectrally inefficient but robust against noise. The implemented solution utilizes digital filtering for pulse shaping and reducing the effect of noise. RRC filters enable efficient frequency spectrum limiting and reduce inter-symbol interference. A coherent receiver requires the synchronization of the incoming signal and the local oscillator. Synchronization can be implemented using loop structures which estimate and correct errors in the incoming signal.

The designed solution consists of individual digital signal processing components which form a transmitter-receiver chain. Utilizing software defined radio enables individual development, addition and removal of the components without compromising the functionality of the chain. The designed implementation functions with BPSK and QPSK modulations via SDR-controlled variables. The implementation is invisible to the transmitted data. The designed transmitter consists of a modulator and a pulse shaping filter. The designed receiver consists of a coarse fre-quency correction, matched filter, automatic gain control, timing error correction, phase locked loop and demodulator. Cost-efficiency is considered by minimizing processing costs. Scalability is considered by including QPSK modulation functionality and enabling individual development of the components.

The functionality of the designed implementation was confirmed with measurements. USRP devices were utilized for measurements to provide an RF interface for the transmitted and received signals. The signal was artificially attenuated and interfered to simulate a realistic transmission scenario. The measurements consisted of the EVM of the transmitted signal, the effect of the signal-to-noise ratio on the bit-error rate, the ability of the receiver to correct carrier frequency offsets and the effect of adjacent channel distortion on the receiver. The results will be utilized in the future for further development.

In the future, the work in this thesis will continue towards a final replacement for the radio circuit component. In further development, the designed transmitter-receiver will be implemented on a DSP processor. The designed components will be developed further, and new features will be added. Measurements will be repeated and their results will be compared to the ones acquired in this thesis.

Ohjelmistoradiota voidaan käyttää kustannustehokkaaseen ja joustavaan digitaalisen signaalinkäsittelyn kehittämiseen. Satel Oy:n hyödyntämälle radiopiirikomponentille haetaan kustannustehokasta ja helposti skaalautuvaa korvaajaa. Ehdotettu ratkaisu toteutetaan hyödyntämällä ohjelmistoradiota. Korvaava ratkaisu hyödyntää BPSK-modulaatiota, joka on spektritehokkuudeltaan heikompi, mutta kohinaa vastaan kestävä digitaalinen modulaatio. Toteutettu ratkaisu hyödyntää digitaalista suodatusta pulssinmuokkaukseen ja kohinan vaikutuksen vähentämiseen. RRC-suodattimet mahdollistavat tehokkaan taajuskaistan rajauksen ja vähentävät symbolien välistä häiriötä. Koherentti vastaanotin vaatii vastaanotettavan signaalin ja paikallisen oskillaattorin synkronoinnin. Synkronointi voidaan toteuttaa silmukkarakenteilla, jotka arvioivat ja korjaavat vastaanotetussa signaalissa olevia virheitä.

Suunniteltu ratkaisu koostuu yksittäisistä digitaalisen signaalinkäsittelyn komponenteista, jotka muodostavat lähetin-vastaanotinketjun. Ohjelmistoradion hyödyntäminen mahdollistaa komponenttien itsenäisen kehittämisen, lisäämisen ja poistamisen, vaikuttamatta ketjun toimintaan. Suunniteltu toteutus toimii sekä BPSK- että QPSK-modulaatioilla, ohjelmistoradion hallitsemien muuttujien avulla. Toteutus on läpinäkyvä lähetettävälle datalle. Suunniteltu lähetin koostuu modulaattorista ja pulssinmuokkaussuotimesta. Suunniteltu vastaanotin koostuu karkeasta taajuuskorjauksesta, sovitetusta suotimesta, automaattisesta vahistuksen säätimesta, aikavirheenkorjauksesta, vaihelukitusta silmukasta ja demodulaattorista. Kustannustehokkuus toteutuksessa huomioidaan minimoimalla prosessorikustannukset. Skaalautuvuus huomioidaan sisällyttämällä QPSK-modulaatio toteutukseen ja mahdollistamalla jokaisen komponentin itsenäinen kehittäminen.

Suunniteltu toteutuksen toiminta vahvistettiin mittauksilla. Mittauksiin hyödynnettiin USRP-laitteita, jotka toimivat RF-rajapintana suunnitellun SDR-toteutuksen lähettämille ja vastaanottamille signaaleille. Mittauksissa signaalia vaimennettiin ja häirittiin keinotekoisesti RF-testauksen komponenteilla realistisen lähetysympäristön simuloimiseksi. Mittaukset koostuivat lähetetyn signaalin EVM:stä, signaali-kohinasuhteen vaikutuksesta bittivirhesuhteeseen, vastaanottimen kvystä korjata taajuusvirheitä ja viereisten kanavien häiriösignaalien vaikutuksesta vastaanottimeen. Mittausten tuloksia hyödynnetään tulevaisuudessa toteutuksen jatkokehitykseen.

Tulevaisuudessa tätä työtä jatketaan kohti lopullista radiopiirikomponentin korvaajaa. Jatkokehityksessä suunniteltu lähetin-vastaanotin toteutetaan DSP-prosessorilla. Suunniteltuja komponentteja tullaan kehittämään ja uusia ominaisuuksia tullaan lisäämään. Mittauksia tullaan toistamaan ja niiden tuloksia vertailemaan tässä työssä saatuihin tuloksiin.