Специализированные компьютерные устройства и программы обработки сигналов систем связи

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 узкодиапазонных 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 2.1 показан производимый фирмой приемник WR-31501-DSP.

 

Рисунок 2.1- 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 рисунок 2.2

 

Рисунок 2.2-Установка двух радиоприемников в персон., 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 2.3 показан пример соединения приемника WR-1500e с ноутбуком.

Рисунок 2.3-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 2.4

Рисунок 2.4-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-ЦТ1 изображен на рисунке 2.5

Рисунок 2.5-Радиоприемник АРК-ЦТ 1

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 ВА, объем конструктива — 5, 6 дм. 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 2.6 приведен пример визуального отображения загрузки диапазона частот, полученной с использованием одной из русифицированных версий программного обеспечения для приемников Winradio.

Рисунок 2.6-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 2.7

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 2.8 показан вариант представления спектра ФМ-сигнала, полученного с использованием изделия Wavecom W41PC.

Рисунок 2.8-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 АМ-, 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 2.9

Рисунок 2.9-Анализ четырехпозициоиного 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].

Интерфейс системы

В режиме поиска источников радиоизлучений интерфейс пользователя должен обеспечивать задание оператором необходимых параметров поиска радиоизлучений (диапазон поиска, полосу пропускания, шаг перестройки радиоприемника, вид его детектора и уровень шумоподавления, вид и параметры модуляции интересующих сигналов). Результат сканирования указанного диапазона должен отображаться в графическом окне интерфейса в виде амплитудно-частотной характеристики. При необходимости диапазоны и параметры поиска источников радиоизлучений могут быть заданы заранее и храниться в формализованном виде в памяти компьютера. В процессе сканирования диапазона при обнаружении сигналов, уровень которых превышает заданный порог, или с интересующими значениями модуляционных параметров значения радиочастоты и параметры модуляции сигнала должны регистрироваться в ПЭВМ автоматически или после подтверждения оператором. Возможна приостановка сканирования для проведения регистрации сигнала на время установленной задержки или остановка на этой частоте до момента пропадания сигнала. Кроме этого, должна быть предоставлена возможность исключения повторно обнаруженных частот, отдельных заведомо неинформативных частот и участков анализируемого диапазона.

Таким образом, режим поиска должен позволять оператору получать полную информацию о загрузке рабочего диапазона в виде списка частот, на которых отмечены интересующие его сигналы, и графического отображения загруженности анализируемого диапазона в координатах «уровень излучения — частота». Эта информация также может храниться в компьютере в виде отдельных файлов.

В режиме контроля частоты сигналов, подлежащих мониторингу, результаты предварительно вводятся в память компьютера в любом режиме его функционирования, включая автоматическую запись в процессе сканирования. Каждая запись должна содержать информацию о номинале частоты, виде модуляции, скорости манипуляции, служебных параметрах источника излучения и поле дополнительной текстовой информации.

Вся накопленная информация о частотах и сигналах может быть сохранена в виде файлов, что позволяет считать память каналов приемного устройства неограниченной. В любой момент эта информация может быть целиком перезагружена из необходимого файла. Программное обеспечение должно давать возможность сортировки и классификации частот по видам модуляции и параметрам источников, кроме того, любая запись должна быть найдена по текстовому полю комментария.

Сканирование по каналам аналогично сканированию по диапазонам. Программа должна позволять выполнять выборочное сканирование частот по группам и видам модуляции. Кроме того, должен быть предусмотрен режим приоритетного сканирования. В качестве приоритетных могут быть выбраны любые частоты памяти каналов.

В режиме анализа параметров обнаруженных сигналов в автоматическом режиме в качестве инструмента технического анализа обнаруженных сигналов в реальном масштабе времени используемое в комплексе программное обеспечение должно осуществлять:

- графическое отображение значений амплитудных, фазовых и частотных параметров сигнала;

- получение мгновенного и усредненного частотных спектров сигнала;

- автоматическое, а также в режиме диалога с оператором определение модуляционных параметров сигнала (несущей частоты, разноса частот, скорости манипуляции и др.).

Результаты анализа сигнала должны позволять определять его технические параметры с точностью, необходимой для дальнейшей демодуляции. В режиме демодуляции заданных типов сигналов программное

обеспечение демодуляции основных типов сигналов, используемых в наземных системах радиосвязи, должно обеспечить:

- настройку демодулятора на модуляционные параметры входного сигнала в ручном или в автоматизированном режиме;

- демодуляцию заданных типов сигналов, при которой работоспособность демодулятора должна сохраняться при ошибке в установке значений несущей частоты или скорости манипуляции до 1%; установление и поддержание тактовой синхронизации при отношении сигнал/шум не ниже 3 дБ по мощности в диапазоне скоростей 10...2400 Бод;

- вывод в процессе демодуляции результатов обработки на монитор в виде номеров частотных позиций или позиций фаз, отображаемых различными цветами, что позволит производить визуальный анализ в реальном масштабе времени двух- и многопозиционных сигналов и оценку методов их двоичного сигналообразования;

- регистрацию демодулированного сигнала в цифровом или текстовом виде в файл на жестком магнитном диске ПЭВМ;

- возможность формирования по команде оператора дополнительного файла с информацией о модуляционных параметрах сигнала, времени начала и окончания его обработки.

В режиме регистрации сигналов запись принимаемых сигналов должна осуществляться при любом режиме работы системы радиомониторинга в звуковых файлах стандартных форматов (например, при использовании операционной системы Windows в файлах формата WAV). При этом необходимо обеспечить возможность автоматической регистрации сигнала в случае, когда он превышает установленный уровень обнаружения, соответствует по результатам автоматического анализа требуемым модуляционным параметрам или в любой момент по команде оператора. В ручном режиме оператор сам определяет моменты начала и остановки записи. Автоматический режим возможен в случае, когда система радиомониторинга работает в режиме сканирования диапазонов или каналов памяти. Для каждого обнаруженного сигнала параллельно с контролем в течение заданного времени должен формироваться отдельный звуковой файл. В служебных полях каждого файла должна содержаться информация о частоте, дате, времени и параметрах приема. Это позволяет формировать библиотеки звуковых файлов. В программе регистрации необходимо предусмотреть возможность управления форматом

записи WAV-файлов. Записанные звуковые файлы желательно прослушивать с помощью встроенного проигрывателя, обеспечивающего все необходимые операции по воспроизведению, шумоочистке, и т. д.

Связь с ПЭВМ требуется для отображения результатов обработки сигнала в одной из соответствующих программ и их сохранения. Для соединения прибора с компьютером можно использовать следующие интерфейсы [12]: — параллельное подключение — шины ISA, РСА, АОР; подключение – интерфейсы К8-232, К8-485, 118В. Интерфейсы параллельного подключения хороши большой скоростью передачи данных. Но использование этих интерфейсов сопряжено с некоторыми трудностями:

- для подключения необходимо вскрывать системный блок ПЭВМ, что не всегда удобно;

- поскольку цифровая система предусматривает работу также с другими устройствами, возникает проблема борьбы с помехами. Это осуществляется путем гальванической развязки системы и ПЭВМ. Для параллельных шин такую развязку тяжело сделать (необходимое количество изоляторов равно числу бит).

Поэтому предпочтительнее для разработанной системы использовать последовательный интерфейс передачи данных, а именно К8-232. Этот интерфейс самый дешевый, его легко развязать. Но необходимо отметить, что у этого интерфейса есть ограничение по скорости передачи данных. Это ограничение для разрабатываемой системы не существенно.

Принцип работы данного интерфейса заключается в следующем. Микропроцессор управляет работой системы и передает цифровой сигнал в ПЭВМ. Сигнал поступает в ПЭВМ в виде последовательного кода через устройство сопряжения (интерфейс) по протоколу Я8-232. Устройство преобразовывает уровень сигнала микроконтроллера ТТЬ в уровень сигнала персонального компьютера СМ08 и обратно. Разница между используемыми в интерфейсе К8-232 уровнями сигналов и уровнями сигналов, действующих в микроконтроллере показана на рисунке 2.10. На входе Я8-232 логический О (8РАСЕ) представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +12 В, а логическая 1 (МАКК) — отрицательным напряжением в диапазоне от -3 до -12 В. На выходе интерфейса формат кадра одной посылки состоит из стартового бита, восьми битов информации и стопового бита.

В интерфейсе К8-232 используется асинхронная передача данных. Принцип асинхронной последовательной передачи заключается в следующем: данные передаются в любой момент времени, и используется специальный формат последовательной кодовой посылки.

Стартовый бит необходим для синхронного запуска приемника этой кодовой посылки. Стоповые биты предназначены для разделения одной кодовой посылки от другой, в случае, если они передаются непрерывно одна за другой. Эти кодовые посылки формирует микросхема УАПП - универсальный асинхронный приемник-передатчик (ПАКТ), в ней автоматически задается формирование этого формата.

Асинхронная передача является менее быстродействующей, чем синхронная. Это связано с наличием в кодовой посылки дополнительной служебной информации (стартовые и стоповые биты). В то же время асинхронная передача данных имеет преимущество в том, что допускается некоторое рассогласование частот синхронизации в приемнике и передатчике (в пределах длительности бита) и возможна передача в любой момент времени.

Поскольку уровни RS-232 не являются ТТЛ - совместимыми, необходим конвектор ТТЛ - 232 и 232 - ТТЛ. Его можно реализовать на дискретных элементах, но удобнее использовать готовую интегральную схему фирмы ANALOG DEVICE ADM3202, скорость передачи информации которой составляет 460 кБит/с. Она содержит две пары преобразователей ТТЛ - 232, 232 - ТТЛ. Один передатчик используется для формирования сигналов RxD 232, а приемник - для TxD 232.

Схема включения данной микросхемы представлена на рисунке 2.20

Выполнение перечисленных требований к перспективным средствам обработки радиосигналов позволит решать широкий круг задач по поиску и обнаружению источников радиоизлучений, по оценке загрузки диапазона частот и контролю наличия источников на фиксированных частотах, по выделению передаваемых сообщений и архивации полученных данных. Исходя из этого, структурная схема системы радиомониторинга будет выглядеть в соответствии с рисунком 2.12

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: