Реализация цифровой обработки в мониторинговом радиоприёмнике

Описываемая в данном проекте система радиомониторинга основана на ЦОС с цифровым конвертером частоты вниз. Аппаратно система выполнена в виде единого портативного блока, в котором объединены все компоненты: широкодиапазонный радиоприемник с широкополосным выходом промежуточной частоты, система ЦОС на DSP и встроенным цифровым конвертером вниз (DDC), а также одноплатный компьютер со всеми стандартными интерфейсами и встроенным внутрь блока 7-дюймовым TFT дисплеем и жестким диском на 100 Мб. Благодаря высокой скорости анализа, приемник позволяет быстро производить усреднение реализаций и получать усредненные спектры ЭМО с высоким качеством за небольшой отрезок времени: при скорости анализа 20 ГГц/с с разрешением 10 кГц вероятность обнаружения короткого сигнала близка к единице.

Обнаружение происходит на фоне картины всей электромагнитной обстановки, характерной для каждого региона, времени суток, точек расположения антенн и т.д., заготовленной заранее и хранящейся в памяти системы ЦОС или компьютера, загружающего эту картину в систему ЦОС. В этом случае система будет фиксировать все новые сигналы, превышающие порог, установленный в виде огибающей усредненного спектра.

Все сигналы, превысившие порог, то есть обнаруженные по энергетическому критерию, далее оцениваются и сравниваются с имеющимися в базе данных, где хранятся данные о частоте, амплитуде, ширине спектра, длительности, времени выхода или регистрации, числа регистраций, времени занятия диапазона и т.д. Этот процесс называется оценкой или изучением предыстории сигнала. Поисковые программы могут делать это по-своему. Их пишут, опираясь как на общепринятые каноны, так и на опыт разработчиков. Для анализа опасности или ценности сигнала используется цифровая запись отрезков сигнала с последующим анализом и демодуляцией, если в системе установлены требуемые демодуляторы или заложены алгоритмы цифровой демодуляции.

Из краткого экскурса в радиомониторинг можно понять, что основными компонентами системы радиомониторинга являются: радиоприемник с широкополосным аналоговым выходом, система ЦОС и управляющий компьютер. Границы между этими тремя компонентами могут двигаться в ту или другую сторону, например система ЦОС может только оцифровывать сигнал и передавать данные в компьютер для дальнейшей обработки, а может полностью решать задачу обнаружения и выдавать в компьютер только готовый результат для отображения или передачи потребителю. Чем мощнее DSP в системе ЦОС, тем больше задач следует передать ей для выполнения. Граница раздела цифровой и аналоговой частей имеет тенденцию все большего приближения к антенне приемника.

Описываемая ниже система радиомониторинга выполнена как единый портативный блок, в котором объединены все компоненты: широко диапазонный радиоприемник с широкополосным выходом промежуточной частоты, система- ЦОС с мощным DSP и встроенным цифровым конвертером вниз (DDC), а также одноплатный компьютер со всеми стандартными интерфейсами и встроенным внутрь блока 7-дюймовым TFT дисплеем и жестким диском на 100 МБ.

В настоящее время существует устойчивая тенденция разработки отдельных функциональных устройств (радиоприемников, демодуляторов, декодеров, регистраторов и др.), входящих в аппаратно-программные комплексы радиосвязи и радиоконтроля, либо в виде плат, встраиваемых в ISA- или PCI-слоты компьютера, либо в виде отдельных модулей, подключаемых к компьютеру через порты COM, LPT или PCMCIA. Благодаря такому решению обеспечивается высокая скорость обмена информации между такими устройствами и компьютером, а отсутствие у них дополнительных внешних органов управления позволяет достичь небольших массогабаритных параметров. Характерным примером специализированных компьютерных устройств являются компьютерные радиоприемники. В настоящее время разработаны различные типы компьютерных радиоприемных устройств: от самых простейших узко диапазонных FM-тюнеров до всеволновых приемников, отвечающих профессиональным требованиям к средствам радиоприема [35]. Существующие модели компьютерных FM-тюнеров предназначены для прослушивания широковещательных станций так называемого FM-диапазона на небольших удалениях от радиопередатчиков. Эти приемники представляют собой либо отдельные ISA- ли PCI-платы, либо они интегрированы в платы звуковых карт или TV-тюнеров. В настоящее время отдельные платы FM-тюнеров уже практически не выпускаются, так как использование одного слота только для обеспечения любительского FM-радиоприема на сегодняшний день представляется расточительным. Производителями такого оборудования для радиоприема являются фирмы Creative Labs, MediaForte, Averm, Leadtek и ряд других. В общем случае, выпускаемые ими компьютерные FM-тюнеры обладают следующими характеристиками: диапазон рабочих частот 88... 110 МГц, возможность автоматического сканирования с шагом перестройки до 50 кГц, запись в память до 20 частот. Для управления их работой служит программное обеспечение, поставляемое фирмой-производителем. Возможность создания собственного программного обеспечения для изменения настроек таких радиоприемников, как правило, отсутствует.

В классе профессиональных компьютерных приемников на мировом рынке наиболее широко представлены радиоприемники, создаваемые фирмой Winradio Communications. Приемники этой фирмы выпускаются в двух вариантах исполнения: внутреннем с индексом «i» в названии модели и внешнем с индексом «е». Первый вариант исполнения радиоприемника представляет собой компьютерную плату, которая устанавливается в ISA-слот персонального компьютера. На рисунке 2.4 показан производимый фирмой приемник WR-3150i-DSP.

Рисунок 2.13- Приемник WR-3150i-DSP

Размер платы для всех внутренних радиоприемников одинаковый: 114 х 290х 18 мм. Питание радиоприемника осуществляется от разъема компьютера.

Потребляемая мощность составляет 4 Вт. Со стороны компьютера радиоприемник идентифицируется как внешнее устройство на шине ISA. С помощью перемычек на плате приемника устанавливается один из 8 фиксированных адресов. Таким образом, возможна установка до 8 радиоприемников в один компьютер. Пример установки двух радиоприемников в персональный компьютер показан на рисунке 2.14

Рисунок 2.14-Установка двух радиоприемников в персональный

Компьютер

Радиоприемники серии WR-3...i-DSP имеют встроенный цифровой сигнальный процессор ADSP-2105. Они используют для работы одно прерывание и один канал прямого доступа к памяти, номера которых также устанавливаются с помощью перемычек на плате. Преимуществом моделей радиоприемников с внешним исполнением является возможность их использования, как в мобильном, так и в стационарных вариантах под управлением компьютеров различных типов. Однако при этом отсутствует возможность создания многоканальных малогабаритных комплексов на базе одного компьютера. На рисунке 2.15 показан пример соединения приемника WR-1500e с ноутбуком.

Рисунок 2.15-Соединение приемника WR-1500e с ноутбуком

Размеры корпуса приемников с внешним исполнением составляют 122 х 216 х 48 мм. Питание радиоприемника осуществляется от внешнего источника через сетевой адаптер. Взаимодействие с компьютером выполняется либо через стандартный последовательный порт, либо, как дополнительная опция, по интерфейсу PCMCIA.

Схожие по исполнению сканирующие компьютерные радиоприемники выпускаются фирмами ICOM (модели IC-PCR100 и IC-PCR1000) и OPTOELECTRONICS (модель OptoCom). Внешний вид приемника IC-PCR100 показан на рисунке 2.16

 

Рисунок 2.16-Приемник IC-PCR100

В настоящее время компьютерные радиоприемники создаются и российскими производителями. В качестве примера отечественных компьютерных радиосканеров можно привести приемники серии АРК-ЦТ. Внешний вид радиоприемника АРК-ЦТ 1 изображен на рисунке 2.17

Рисунок 2.17-Радиоприемник АРК-ЦТ1

Этот приемник обладает следующими характеристиками: диапазон частот — 20...2020 МГц, значение динамического диапазона — не менее 70 дБ, скорость перестройки в реальном масштабе времени с шагом 2 МГц под управлением ПЭВМ — не менее 140 МГц/с, потребляемая мощность — до 27 В А, объем конструктива — 5, 6 дм3. Управление перестройкой и передача данных осуществляется по одному параллельному порту, предусмотрено использование последовательного порта (как опция) для решения дополнительных задач. Все описанные выше модели компьютерных радиоприемников могут работать как под управлением фирменного программного обеспечения, так и под управлением специализированных программных средств, созданных независимыми разработчиками в интересах решения различных задач радиоконтроля [36]. Базовое программное обеспечение, поставляемое вместе с компьютерным приемником, предназначено для реализации основных функций управления приемником. Как правило, оно позволяет устанавливать различные параметры настройки приемника, выполнять несколько вариантов сканирования, осуществлять измерение относительного уровня сигнала на частоте приема, вести базу данных по результатам работы, декодировать в процессе приема сигналы некоторых стандартных протоколов и реализовывать выполнение определенных операции, например, запуска другой программы, при приеме заданной последовательности декодированных сигналов. На рисунке 2.18 приведен пример визуального отображения загрузки диапазона частот, полученной с использованием одной из русифицированных версий программного обеспечения для приемников Winradio.

Рисунок 2.18-Отображения загрузки диапазона частот

В настоящее время в состав стандартного программного обеспечения, поставляемого вместе со всеми описанными компьютерными приемниками, могут быть включены дополнительные опции, значительно расширяющие их функциональные возможности. Так, дополнительные программные средства, разработанные для приемников фирмы Winradio Communications позволяют проводить анализ временных и частотных характеристик сигналов, обработку сигналов DTMF, CTCSS, аналогового факсимиле, АХ.25, ACARS, МРТ-1327,

РОС SAG. Для проведения процедур анализа и обработки сигналов используется стандартная звуковая карта компьютера. Существует специальный программный модуль для обработки стандартных протоколов, используемых на линиях цифровой связи декаметрового диапазона. Этот модуль интегрируется в базовую программу и работает с радиоприемниками Winradio, имеющими встроенный цифровой процессор обработки сигналов.

Следует отметить, что управление большим числом различных моделей профессиональных компьютерных радиоприемников также обеспечивается такими программами радиомониторинга, как Филин, Патруль, Крот, ARCON EXPERT, созданными отечественными компаниями-разработчиками программного обеспечения. Пример одного из рабочих окон последней программы показан на рисунке 2.19

Образцами компьютерных демодуляторов-декодеров являются зарубежные изделия Wavecom, Hoka Code, Universal. Все они имеют варианты исполнения как в виде встраиваемых в компьютер плат, так и в виде отдельных модулей, подключаемых к компьютеру через соответствующие порты. Разработанное для них программное обеспечение позволяет проводить различные операции анализа аналоговых и цифровых сигналов, выделять сообщения, передаваемые с использованием основных видов протоколов в каналах декаметрового и метрового диапазонов. На рисунке 2.20 показан вариант представления спектра ФМ-сигнала, полученного с использованием изделия Wavecom W41PC.

Рисунок 2.20-Вариант представления спектра ФМ-сигнала

Следует отметить, что постоянно расширяется число реализованных только программным образом различных универсальных и специализированных демодуляторов и декодеров. Как правило, обрабатываемый ими сигнал поступает с низкочастотного выхода радиоприемника, при этом ввод сигнала в компьютер осуществляется либо через COM-порт, либо через стандартную звуковую карту. Характерными примерами универсальных программ являются зарубежные RadioRaft, Hamcomm и отечественная PC_Monitor. Пакет программ PC_Monitor предназначен для определения модуляционных параметров обнаруженных в эфире радиосигналов и демодуляции цифровых AM-, ЧМ- и ФМ-сигналов. Он может поставляться как в составе комплексов программ радиоконтроля Регламент-П и Патруль, рассматриваемых в следующем разделе, так и обладает возможностью самостоятельного функционирования. Особенностью пакета является использование только программных методов обработки, реализованных на обычном компьютере, при этом для ввода сигнала используется обычный саундбластер. Это дало возможность отказаться от применявшихся ранее для таких целей дорогостоящих аппаратных средств (частотомеров, спектроанализаторов, сонографов, демодуляторов и т. д.) и специализированных цифровых вычислителей. Пример представления спектра, полученного комплексом программ PC_Monitor в процессе анализа четырехпозиционного ЧМ-сигнала, представлен на рисунке 2.21

Рисунок 2.21-Анализ четырехпозиционного ЧМ-сигнала

Специализированные программы служат, как правило, для обработки сигналов только одного типа или достаточно узкого круга сигналов. Нередко такими сигналами являются сигналы, используемые в различных системах мобильной связи, радиолюбительской связи, сигналы различных систем сигнализаций, например DTMF, и т. д. Созданием таких программ занимаются как отдельные радиолюбители, так и крупные организации, и, в частности, это присуще для компаний-разработчиков компьютерных радио приемников. Они часто в качестве дополнительных опций предлагают различные варианты программного обеспечения по обработке сигналов конкретных типов, специально ориентированные на особенности конкретного применения поставляемых моделей радиоприемников.

Характерным примером компьютерной обработки радиосигналов является технология компьютерного пейджинга, т. е. прием с использованием ПЭВМ передаваемой по каналам пейджинговой связи информации. Используемые технические решения по обеспечению ввода поступающих пейджинговых сообщений в персональный компьютер по способу организации радиоприема можно разделить на два типа [37].

Мониторинговый радиоприемник содержит линейный приемник, или тюнер, систему ЦОС, преобразующую сигналы в цифровую форму и производящую основные математические операции для обнаружения, накопления, фильтрации и демодуляции сигналов, а также встроенный одноплатный коммуникационный компьютер, осуществляющий общее управление приемником, ввод данных, визуальное отображение настроек и результатов текущего мониторинга и их передачу по стандартным интерфейсам, например USB-2, 0 или LAN, конечному пользователю. Внешний вид мониторингового радиоприемника GigaJet показан на рисунке 2.22.

Диапазон частот приемника простирается от 3 МГц до 30 МГц. Шаг перестройки линейного приемника — 100 кГц. Высокую стабильность приемника по частоте обеспечивает термостатированный опорный кварцевый генератор, гарантирующий долговременную нестабильность частоты настройки приемника не хуже ±1 х 10-7/год. Линейный приемник построен по схеме двойного (для частот выше 2 ГГц — тройного) супергетеродина и имеет выход промежуточной частоты 140 МГц с полосой пропускания 20 МГц. После выхода ПЧ дальнейшая обработка сигналов осуществляется сразу в цифровом виде.

Система ЦОС, исполняющая роль цифрового спектрального анализатора — демодулятора, построена на базе DSP-контроллера TORNADO РХ/ DDC4G Rev.2A (рис. 2) фирмы Микро-ЛАБ Системе (www.mlabsYS.com).

Основным ядром контроллера TORNADO является процессор цифровой обработки сигналов (DSP) TMS320C6416 (32 бита, фиксированная точка, 8000 MIPS) фирмы Texas Instruments (TI), чья архитектура оптимизирована под параллельные вычисления. На плате установлены микросхемы высокоскоростной статической и динамической памяти SRAM и SDRAM, а также FLASH-память. Для обмена данными и управления периферийными устройствами (усилителями, приемниками и т.п.) используются параллельный РЮХ и последовательный XSL интерфейсы, а также интерфейсы RS232S (384 Кбит/с) и USB 2.0 для подключения к управляющему компьютеру.

Рисунок 2.22-Внешний вид мониторингового радиоприемника GigaJet

Для получения отсчетов входного сигнала у контроллера имеется два 14- разрядных параллельных синхронных АЦП с максимальной частотой тактирования 105 МГц. Значительно повышает функциональность наличие 4-канального прямого преобразователя вниз — DDC - GC4016 (TI) и 4-канального буфера FIFO емкостью 128 Кб на канал, который накапливает потоки данных с DDC либо напрямую с АЦП. Использование DDC дает ряд преимуществ, поскольку позволяет аппаратно на частоте тактирования АЦП осуществлять децимацию, необходимую фильтрацию и ресэмплирование входного потока независимо в четырех каналах для получения квадратурных составляющих входного сигнала, накапливаемых буфером FIFO. Таким образом, за счет использования DDC дальнейшая обработка данных со стороны DSP (вычисление БПФ и демодуляция), несомненно, облегчается. В частности, на получение логарифма амплитудного спектра входного сигнала в полосе 20 МГц с разрешением 10 кГц с использованием DDC контроллеру требуется 260 мкс, тогда как без использования DDC — 800 мкс. Значительный объем внешней памяти контроллера дает возможность в процессе работы создавать и хранить во всем диапазоне сканирования различные спектральные образы радиоэфира (текущий, усредненный и спектр максимумов), на фоне которых осуществляется обнаружение. Разнообразие коммуникационных интерфейсов контроллера расширяет возможности обработки данных за счет объединения и синхронизации нескольких идентичных модулей TORNADO-PX/DDC4G или их интеграции с другими продуктами фирмы МикроЛАБ Системе.

Использование контроллера TORNADO-PX/DDC4G наряду с высокой скоростью перестройки приемника позволило достичь скорости сканирования в 20 ГГц/с со спектральным разрешением ЮкГц, при этом параллельно выполнять задачи обнаружения новых сигналов и обмена данными с управляющим компьютером. Отладка программно-аппаратных средств осуществлялась при поддержке интегрированной среды разработки ПО Code Composer Studio IDE фирмы TI с помощью скан-эмуляторов MIRAGE-P510D и MIRAGE-NP2 фирмы МикроЛАБ Системе. Последний для связи с хост-компьютером использует интерфейс PCMCIA и может устанавливаться в ноутбуки, что дает программисту возможность отладки без привязки к рабочему месту, то есть так часто необходимую мобильность, что ускоряет время разработки, облегчает диагностику и поддержку готового продукта.

Цифровой приемник позволяет настраиваться на сигнал с точностью до 1 Гц. Загрузка специализированного программного обеспечения вычислителя осуществляется платой коммуникационного компьютера по шине USB 2, 0.

Приемник работает полностью в автономном режиме, выполняя установленные задания, либо управляется по компьютерной сети через встроенный контроллер LAN.

Встроенное программное обеспечение RS Digital Jet позволяет регистрировать любые новые, в том числе кратковременные, сигналы на фоне ранее подготовленной усредненной панорамы.

Мониторинговый приемник GigaJet может быть спроектирован для распределенной системы мониторинга в двухканальной либо многоканальной конфигурации. В удаленных точках объекта размещаются линейные приемники с непосредственно подсоединенными антеннами. Сигналы с выходов промежуточной частоты 140 МГц транслируются магистральными усилителями по кабелю в центр, где осуществляется цифровая обработка сигналов, их регистрация и анализ. Предложенная схема позволяет контролировать радиодиапазон до 30 МГц и выше в любых точках объекта. Необходимо отметить, что приемник является портативным устройством и не требует подключения внешнего компьютера для решения задач мониторинга, поиска несанкционированных передач и т.д. Основные технические характеристики мониторингового радиоприемника GigaJet представлены в таблице.

В заключение отметим, что благодаря высокой скорости анализа приемник позволяет быстро производить усреднение реализаций и получать усредненные спектры ЭМО с высоким качеством за небольшой отрезок времени. Простой расчет показывает, что при скорости анализа 100 МГц/с с разрешением 10 кГц вероятность обнаружения за один проход короткого сигнала, длительностью не менее 50 мс при просмотре полосы частот в 1 ГГц, равна единице.

Приблизительно аналогичные параметры имеет и система мониторинга R& S®ES.

 

3. Выбор и обоснование варианта построения функциональной схемы блока измерителя скорости манипуляции. Расчет требований к функциональным элементам

Общие сведения

В данной работе требуется разработать устройство автоматического распознавания типа модуляции входных сигналов на основе критерия, использующего характеристики кривой принимаемого сигнала. Критерий представляет собой отношение (величина R) дисперсии сигнала к квадрату математического ожидания Интуитивно, т.к. частотная модуляция имеет постоянную кривую, в то время как амплитудная модуляция не имеет, отношение R первого равно 0, а последнего ближе к единице. Выходит, что однополосная модуляция, балансная модуляция, амплитудная модуляция и угловая модуляция имеют очень различные величины R. Таким образом, данное отношение может быть принято в качестве способа для автоматического распознавания типа модуляции входных сигналов.. Определим, какими будут выражения для данного отношения при различных типах модуляции.

Допустим, принимается передача незнакомой несущей частоты:

f(t) = s(t) + w(t), (3.1)

которая уже переведена в какой-то подходящий диапазон. Сигнал s(t) имеет неизвестный тип модуляции и w(t) есть стационарный, гаусовый белый шум изменения o_w², который не коррелирует с s(t). Схема идентификации выполняет следующие шаги: она вначале вычисляет кривую f(t), затем среднее значение кривой (ц) и изменение (а) и, наконец, отношение R = а /\х. Величина R затем определяет тип модуляции, представленной в s(t). Как обсуждалось ранее, если s(t) является частотно модулированным сигналом, он обладает постоянной кривой и R = 0 в отсутствии шума. Напротив, амплитудно- модулированный сигнал будет иметь не нулевой R. В последствии показано, что R является различным свойством для различных типов модуляций и, следовательно, полезно для целей идентификации.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: