Dechiffrierung von FSK-modulierten ISM

Dechiffrierung von FSK-modulierten ISM-Funksignalen mit NI LabVIEW
"Durch den modularen Aufbau des Programms wird
eine einfache und schnelle Umsetzung anderer
Modulationsarten, wie z. B. ASK, gewährleistet."
- B. Eng. Christian Merz, Hochschule Deggendorf, Fakultät Elektro- und Medientechnik (
http://www.hdu-deggendorf.de)
Die Aufgabe:
Vollständige
Die Programmierumgebung LabVIEW bietet durch das Zusatzpaket „NI Modulation Toolkit“ eine Vielzahl von Funktionen und Werkzeugen, die
sowohl eine Analyse, Darstellung und Verarbeitung als auch eine Generierung von standardisierten und benutzerdefinierten digitalen und analogen Kundenlösung
lesen
Modulationsformaten ermöglichen. Trotz dieser Möglichkeiten und des hohen Bedarfs von Industrie- und Forschungseinrichtungen wurde bis dato
noch kein Demodulationsprogramm auf einer der offiziellen Entwicklerplattformen veröffentlicht, welches eine FSK-Demodulation implementiert. Ein
derartiges Programm wird derzeit für ein Forschungsprojekt benötigt, bei dem eine Dechiffrierung und Speicherung von FSK-modulierten Signalen
notwendig ist.
Die Lösung:
Aus diesen Gründen wurde ein LabVIEW-Programm erstellt, welches jede Art von FSK-Demodulationen durchführen kann und in der Lage ist, die
dechiffrierten Daten abzuspeichern.
Autor(en):
B. Eng. Christian Merz - Hochschule Deggendorf, Fakultät Elektro- und Medientechnik (http://www.hdu-deggendorf.de)
Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2013 (http://www.amazon.de/Virtuelle-Instrumente-Praxis-2013-Embedded-Systeme/dp/3800734893/) des
Technologie- und Anwenderkongress "Virtuelle Instrumente in der Praxis" (http://www.ni.com/germany/vip) veröffentlicht.
Eingesetzte Produkte: grafische Programmierumgebung LabVIEW (http://www.ni.com/labview/d), NI Modulation Toolkit (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/210568), NI PXI-5661 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/203038), NI PXI-5600 (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/11535), NI PXI-5142 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/202655) NI PXI-5671 (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/201564), NI PXI-8110 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/206809), NI PXI-5610 (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/13478), NI PXI-5441 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/201568)
Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.
Kurzfassung
Die Programmierumgebung NI LabVIEW bietet durch das Zusatzpaket „NI Modulation Toolkit“ eine Vielzahl von Funktionen und Werkzeugen, die sowohl
eine Analyse, Darstellung und Verarbeitung als auch eine Generierung von standardisierten und benutzerdefinierten digitalen und analogen
Modulationsformaten ermöglichen. Trotz dieser Möglichkeiten und des hohen Bedarfs von Industrie- und Forschungseinrichtungen wurde bis dato noch
kein Demodulationsprogramm auf einer der offiziellen Entwicklerplattformen, wie z. B. der NI Developer Zone, veröffentlicht, welches eine
FSK-Demodulation implementiert. Ein derartiges Programm wird derzeit für ein Forschungsprojekt benötigt, bei dem eine Dechiffrierung und Speicherung
von FSK-modulierten Signalen notwendig ist. Aus diesen Gründen wurde ein NI LabVIEW-Programm erstellt, welches jede Art von FSK-Demodulationen
durchführen kann und in der Lage ist, die dechiffrierten Daten abzuspeichern. Durch den modularen Aufbau des Programms wird eine einfache und
schnelle Umsetzung anderer Modulationsarten, wie z. B. ASK, gewährleistet. Des Weiteren bietet das Programm eine benutzerfreundliche und
übersichtliche Oberfläche, welche eine schnelle und einfache Anpassung sämtlicher Systemparameter ermöglicht. Die Demodulationsaufgaben werden
mit der Entwicklungsumgebung NI LabVIEW 2012 und dem Hochfrequenz-Vektorsignalanalysator NI PXI-5661 verwirklicht.
Einleitung
In der modernen Nachrichtentechnik spielt die Modulation eine zentrale Rolle. Sie findet bei zahlreichen Anwendungsgebieten des täglichen Lebens
Verwendung, wie z. B. dem Mobilfunk, dem digitalen Fernsehen oder Datennetzen (wie z. B. Bluetooth, WLAN oder Ethernet). Das Wort „Modulation“ (von
lat. modulatio = Takt, Rhythmus) beschreibt im Allgemeinen einen Vorgang, bei dem ein niederfrequentes Nutzsignal (z. B. Sprache oder Musik), welches
übertragen werden soll, mit einem hochfrequenten Signal (üblicherweise ein Sinussignal) überlagert wird, wodurch eine Übertragung über einen Funkoder Datenkanal ermöglicht wird. Je nach Art des zu modulierenden Signals unterscheidet man bei der Demodulation zwischen analoger und digitaler
Modulation. Analoge Modulationsverfahren (z. B. Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation) werden z. B. bei analogen Funkanwendungen
verwendet, wobei digitale Modulationsarten, wie z. B. ASK oder FSK bei digitalem Fernsehen- oder bei Mobilfunkanwendungen benutzt werden. Das
hochfrequente Signal wird empfangsseitig durch einen Demodulator wieder zurückgewonnen. Im Folgenden wird ein virtuelles Instrument vorgestellt,
welches als FSK-Demodulator fungiert und den Vektorsignalanalysator NI PXI-5661 verwendet.
Projektbeschreibung
Für die Erstellung des virtuellen Instruments, das eine FSK-Demodulation und anschließende Datenaufzeichnung implementiert, wurde neben der
Entwicklungsumgebung NI LabVIEW 2012 das „NI Modulation Toolkit“ verwendet.
Hardwareseitig ist ein modulares Komplettsystem der Firma National Instruments benutzt worden, das aus dem Chassis NI PXI-1044 besteht, in dem die
folgenden Module verbaut worden sind:
1. Embedded-Controller NI PXI-8110: vollwertiges PC-System in kompakter Bauweise
2. Hochfrequenz-Signalanalysator NI PXI-5661, zusammengesetzt aus dem HF-Abwärtswandler NI PXI-5600 und dem Digitizer NI PXI-5142
3. Hochfrequenz- Signalgenerator NI PXI-5671, bestehend aus dem HF-Aufwärtswandler NI PXI-5610 und dem Signalverlaufsgenerator NI PXI-5441
Die Demodulation ist mit dem Hochfrequenz-Signalanalysator NI PXI-5661 durchgeführt worden.
Das Bild 1 zeigt das verwendete Hardwaresystem.
1/4
www.ni.com
Bild 1: Vorderseite des verwendeten NI-Systems
Der Aufbau des erstellten Demodulations-VIs ist in Bild 2 dargestellt.
Bild 2: Frontpanel des FSK-Demodulations-VIs
Die Parameter können durch Controls im Frontpanel vom Benutzer eingestellt werden und sind in drei Bereiche untergliedert.
Der erste Bereich stellt die Filterparameter dar. Dieser enthält die Controls „BT“ und „pulse shaping filter“. Letzteres ermöglicht entweder die Einstellung
eines Gaussfilters oder die Abschaltung der Filterparameter. Der einstellbare Parameter „BT“ stellt das Produkt aus der 3-dB-Bandbreite des Gaussfilters
und der Länge eines Symbols dar. Der Parameter spielt für die Charakterisierung eines Filters eine wesentliche Rolle.
Im zweiten Bereich können die Synchronisationsparameter spezifiziert werden. Diese bestehen aus dem Synchronisationswort („sync number“) und der
eingestellten Länge des Synchronisationswortes („bits per sync number“).
Die Sektion „system parameters“ ermöglicht die Festlegung der systemrelevanten Variablen. Die drei wichtigsten Systemparameter sind der
Modulationsindex („modulation index“), die Symbolrate („symbol rate“) und die Trägerfrequenz („carrier frequency“).
Unter dem Indikator „demodulated bitstream“ wird die demodulierte Bitfolge angezeigt. Gleichzeitig wird der Bitstream sowohl in einer Binärdatei
(Dateipfad kann unter „file path binary file“ festgelegt werden) als auch in einer CSV-Datei mit den dazugehörigen Zeitstempeln abgespeichert. Der Pfad
dieser CSV-Datei kann unter „file path measurement file“ eingestellt werden.
Stimmt ein im Frontpanel eingestellter Parameter nicht mit denen des gesendeten FSK-modulierten Signals überein, kann eine korrekte Demodulierung
der übermittelten Nachricht nicht stattfinden.
Der Indicator „error out“ zeigt bei einem auftretenden Fehler den Fehlerstatus, die Fehlerquelle und den dazugehörigen Fehlercode an.
2/4
www.ni.com
Zusammenfassung
Mithilfe eines NI-Hardwaresystems, bestehend aus einem Embedded Controller, einem HF-Signalanalysator und einem HF-Signalgenerator, ist mit NI
LabVIEW 2012 und dem Zusatzpaket „NI Modulation Toolkit“ ein FSK-Demodulationsprogramm erstellt worden. Dieses ist in der Lage, sowohl alle
beliebigen FSK-modulierten Signale zu dechiffrieren als auch den demodulierten Bitstream mitsamt Zeitstempeln dauerhaft zu speichern. Das
Hardwaresystem kann durch die entsprechende Programmierung auch weitere analoge und digitale Modulationen und Demodulationen ausführen und
spektrale Untersuchungen beliebiger Signale bewerkstelligen.
Autor:
B. Eng. Christian Merz
Hochschule Deggendorf, Fakultät Elektro- und Medientechnik (http://www.hdu-deggendorf.de)
Edlmairstraße 6 + 8
Deggendorf 94469
Deutschland
Tel: +49 (0)160 96210616
[email protected] (mailto:[email protected])
Bild 1: Vorderseite des verwendeten NI-Systems
Bild 2: Frontpanel des FSK-Demodulations-VIs
3/4
www.ni.com
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN
ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
4/4
www.ni.com