Ứng dụng MATLAB và RTL-SDR trong nghiên cứu sóng vô tuyến – p1

Giới thiệu Mablab và SDR trong nghiên cứu vô tuyến kỹ thuật số

Trong bài blog này, T17Lab sẽ tiến hình cài đặt và cấu hình trên phiên bản Matlab R2018A tương tác với thiết bị RTL-SDR, hi vọng sẽ cung cấp thêm tài liệu cho các bạn chuyên ngành vô tuyến viễn thông hoặc ngành mạng máy tính truyền thông.

Phần mềm Matlab

Matlab là một phần mềm toán học được sử dụng nhiều trong các trường đại học và phòng nghiên cứu tại Việt Nam, nó dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa, máy học,… mà không phải sử dụng các ngôn ngữ lập trình cổ điển.

Hiện nay, MATLAB có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiện ích. Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, MATLAB còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong các Toolbox, để mở rộng môi trường MATLAB nhằm giải quyết các bài toán thuộc các phạm trù riêng. Các Toolbox khá quan trọng và tiện ích cho người dùng như toán sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận thưa, logic mờ,…

Trong bộ thư viện hỗ trợ SDR, Matlab còn cung cấp một tài liệu khá hữu ích về các dạng kỹ thuật điều chế tín hiệu vô tuyến Software_Defined_Radio_using_MATLAB_Simulink_and_the_RTL-SDR.pdf . Ngoài ra tài liệu còn cung cấp các bài tập thực hành để người dùng có thể tương tác thành thạo hơn sau mỗi phần nội dung về lý thuyết.

Software Defined Radio (SDR)

SDR cung cấp những khả năng phát triển linh động hơn nhiều so với phương pháp truyền thống sử dụng Crystal Radio Set, việc sản xuất các phần cứng hỗ trợ SDR ngày nay đã đơn giản hơn và giá thành của những sản phẩm này từ mức $1 đến $700 tùy chức năng (thu/phát) và dãy tần số hoạt động (0.1MHz đến 6GHz). Cùng với xu hướng phát triển Mobile và IoT trong những năm gần đây, SDR đã đóng vai trò khá quan trọng trong việc hỗ trợ các giải pháp kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến có kích thước nhỏ. (xem thêm: https://www2.t17lab.com/blog/tong-quan-software-defined-radio-sdr/)

1. Chuẩn bị

Để phục vụ các tình huống giả lập điều chế tín hiệu trên Matlab, tôi sử dụng gói hỗ trợ sau:

  1. Phần cứng RTL-SDR Blog R820T2 RTL2832U 1PPM TCXO SMA Software Defined Radio with Dipole Antenna Kit
  2. Phần mềm Matlab và Simulink, yêu cầu cài đặt Signal Processing, Communications and DSP Sytem Toolboxes (tải bản cài đặt Matlab R2018A:),
    và gói phần mềm hỗ trợ RTL-SDR (https://www.mathworks.com/hardware-support/rtl-sdr.html). Hướng dẫn kích hoạt Matlab R2018A: https://www2.t17lab.com/blog/huong-dan-cai-dat-matlab-2018a/
  3. Các tập tin Matlab mẫu về điều chế tín hiệu trên Matlab, tải tập tin “Software Defined Radio using MATLAB Simulink and the RTL SDR book and support_files.zip” (https://drive.google.com/file/d/155WJpZ41iU_pOd7uY9W4oFvixR502M1C/view?usp=sharing)
  4. Phần mềm SDRSharp, kiểm tra hoạt động thiết bị RTL-SDR. Tải bộ công cụ hỗ trợ tại SDR Software Package.
  5. Tạo và kích hoạt tài khoản tại MathWorks: https://www.mathworks.com/mwaccount/register

2. Thiết bị RTL-SDR

Thiết bị thu tín hiệu vô tuyến RTL-SDR có giá thành thấp và dễ dàng sử dụng thông qua kết nối USB tốc độ cao. Thông thường, thiết bị này được biết đến như là công cụ thu tín hiệu DVB-T (Digital Video Broadcast-Terrestrial) sử dụng trong truyền hình kỹ thuật số. Đặc điểm của RTL-SDR này là chỉ có thể nhận tín hiệu (receive only), do vậy người dùng chỉ có thể tận dụng khả năng thu tín hiệu vô tuyến tại các băng tần khác nhau mà không gây ảnh hưởng đến việc làm nhiễu sóng tín hiệu khu vực xung quanh. Để có được thành quả này, các kỹ sư đã làm việc với test mode của thiết bị DVB và cho phép thiết bị có nhiều khả năng hơn mà nó vốn có.

Block diagram of the RTL-SDR receiver chain

Thành phần của RTL-SDR

Phần cứng của RTL-SDR bao gồm hai phần là:

a. DVT tuner (Rafael Micro R820T thường được sử dụng trong RTL-SDR, tuy nhiên một số trường hợp bạn sẽ gặp Elonics E4000) và
b. bộ giải điều chế Realtek RTL2832U DVB-T COFDM.

Dãy băng tần vô tyến mà thiết bị có thể thu nhận nằm trong khoảng 25Mhz đến 1.75GHz và được phân thành các loại phổ dụng như hình dưới.

3. Mô phỏng tín hiệu vô tuyến trên MATLAB

Sau khi tải tập tin Software Defined Radio using MATLAB Simulink and the RTL SDR book and support_files.zip và giải nén, tôi tiến hành cấu hình đường dẫn để Matlab có thể tải các thư viện RTLSDR như hình sau:

Chọn SetPath > Add with Subfolders và chọn đường dẫn đến thư mục rtlsdr_book_library > Save

Nhấn vào hình để phóng to

 Mở tập tin complex/qam_mod_demod.slx và tiến hành chạy mô phỏng điều chế tín hiệu QAM.

Giao diện cấu hình đường dẫn thư viện RTL
Sơ đồ khối xử lý điều chế, giải điều chế tại Matlab
Quá trình Modulation và Demodulation theo phương pháp QAM (nhấn vào ảnh đế phóng to)

4. Kết nối thiết bị RTL-SDR

Kết nối phần cứng thiết bị RTL-SDR vào cổng USB tại máy tính và thực hiện kiểm tra kết nối đến thiết bị.

Kết nối thiết bị RTL-SDR và laptop sử dụng cổng USB.

Sau khi cài đặt gói hỗ trợ phần cứng RTL-SDR (tải RTL-SDR Support from Communications System Toolbox tại https://www.mathworks.com/hardware-support/rtl-sdr.html ) và thực hiện cài đặt driver, người dùng có thể tìm thấy mô phỏng RTL-SDR Receiver tại giao diện Simulink của MATLAB. Người dùng cần xem chi tiết hướng dẫn cài đặt Driver trên từng hệ điều hành tại Support Package Hardware Setup – www.mathworks.com/help/supportpkg/rtlsdrradio/ug/support-package-hardware-setup.html.

Chú ý: Trong trường hợp cài đặt gói hỗ trợ nếu Matlab yêu cầu đăng nhập tài khoản, người dùng chỉ cần tạo một tài khoản, kích hoạt và tiến hành đăng nhập.

Tải gói hỗ trợ SDR cho Matlab
Quá trình cài đặt gói hỗ trợ SDR

Kiểm tra hoạt động RTL-SDR và Matlab

Người dùng truy cập đường dẫn intro/rtlsdr_rx_startup_simulink.slx để tiến hành kiểm tra hoạt động của toàn bộ quá trình cài đặt.

Matlab nhận đầy đủ driver của thiết bị phần cứng và hiển thị các thông tin chi tiết
Matlab và thiết bị hoạt động chính xác

Tại bước cấu hình này, người dùng đã chuẩn bị hoàn thành cho các bài thí nghiệm về SDR sử dụng MATLAB. Trong phần tiếp theo, tôi sẽ tiến hành phân tích các tình huống đặc trưng trong việc ứng dụng SDR vào cuộc sống và bảo đảm an toàn môi trường vô tuyến điện.

5. Tham khảo

  1. http://www.rtl-sdr.com/about-rtl-sdr/
  2. https://www.mathworks.com/hardware-support/rtl-sdr.html
  3. http://www.desktopsdr.com/
  4. Phần mềm Matlab và Simulink, yêu cầu cài đặt Signal Processing, Communications and DSP Sytem Toolboxes (tải bản cài đặt Matlab R2018A: https://drive.google.com/file/d/1GcYLJdtp3lf6zWIQDkDb6BsMZKE7fFuT/view?usp=sharing),
    và gói phần mềm hỗ trợ RTL-SDR (https://www.mathworks.com/hardware-support/rtl-sdr.html).
  5. Các tập tin Matlab mẫu về điều chế tín hiệu trên Matlab, tải tập tin “Software Defined Radio using MATLAB Simulink and the RTL SDR book and support_files.zip” (https://drive.google.com/file/d/155WJpZ41iU_pOd7uY9W4oFvixR502M1C/view?usp=sharing)
  6. Phần mềm SDRSharp, kiểm tra hoạt động thiết bị RTL-SDR. Tải bộ công cụ hỗ trợ tại SDR Software Package.