CC BY
22УДК 004.75, 621.391
Построение территориально-распределённого испытательного комплекса для дистанционного проведения трассовых испытаний
Дяченко А.Н.
Аннотация: Постановка задачи: Анализ проблем, возникающих при оценке существующих и разработке новых каналов радиосвязи декаметрового диапазона волн, обзор имеющихся реализаций технологий программно-определяемого радио и формулировка требований к построению и составу территориально-распределённого испытательного комплекса. Цель работы: Формирование предложений по построению испытательного комплекса и оценка способов передачи информации между элементами комплекса. Практическая значимость: Представлен вариант построения узла испытательного комплекса, приведены расчёты объёмов информации мониторинга сигналов и способы её кодирования при передаче.
Ключевые слова: распределённый испытательный комплекс; программно-определяемое радио; SDR; декаметровая радиосвязь; открытые технологии.
Введение
Разработка и внедрение новых технологий открывает возможности по использованию инновационных подходов к проектированию и реализации решений в различных областях науки и техники. При этом, как правило, требуется сокращение сроков получения результатов деятельности. Несмотря на бурное развитие спутниковых систем, сотовых сетей и волоконно-оптических линий связи, важным остаётся наличие резервных каналов. В некоторых случаях использование подобных резервных каналов может оказываться экономически наиболее приемлемым вариантом в качестве основных, к данному виду можно отнести каналы радиосвязи декаметрового диапазона волн (ДКМВ). Вместе с тем нестационарность ДКМВ канала связи при ионосферном распространении радиоволн [1] не позволяет в полной мере отработать алгоритмы функционирования новых радиолиний путём имитационного моделирования без проведения трассовых испытаний макетного образца для различных географических координат приёма/передачи с учётом времени суток и сезонов года. В целях снижения сроков и стоимости таких испытаний, а также повышения их качества необходимо внедрение новых подходов.
Открытые технологии
Развитие цифровой техники привело к доступности и широкому распространению технологий software definition radio (SDR). Что позволило создать сеть доступных "online" SDR-радиоприёмных устройств. Одной из известных реализаций этого направления является решение на базе программного обеспечения WebSDR [2], где список доступных для прослушивания радиоприёмных устройств (РПУ) насчитывает порядка 190 позиций, их географическое расположение представлено на рис. 1.
Рис. 1. Территориальное расположение доступных для прослушивания приёмников
из списка сайта websdr.org
Типовой интерфейс для использования «удалённого» РПУ представлен на рис. 2 и включает в себя: отображение спектрограммы принимаемой полосы частот, кнопки настройки частот, кнопки управления демодулятором сигнала в задаваемой полосе приёма. Кроме того предусмотрен «звуковой» вывод демодулированного сигнала и его запись в файл с последующей загрузкой через браузер.
Рис. 2. Пользовательский интерфейс программы WebSDR
Пример другого интерфейса, реализуемого программным обеспечением ОрепЖвЬЕх [3, 4], сходного по возможностям с ЖеЬ8ПЯ представлен на рис. 3.
Under construction
We're working on the code right now, so the application might fail.
Audio buffer [0.2 s] Network usage [186.6 kbps]
Audio output[44.1 ksps] Server CPU [59%]
Audio stream [44 kbps] Clients [1]
145,7875 MHz n
145,8116 MHz ^
RTL-SDR USB Stick 2m komplett v FM WFM AM LSB USB CW DMR D-Star NXDN YSF
DIG
—•-im -•-
SQ •-— t. -•-
Рис. 3. Пользовательский интерфейс программы OpenWebRx
Одним из часто используемых в сети SDR-приёмников, является открытый проект KiwiSDR [5]. Приёмник построен по принципу Direct Down Conversion (DDC цифровое преобразование «вниз») и основан на 14-битном аналого-цифровом преобразователе (АЦП) LTC2248 (AnalogDevices) со скоростью выборки 65 млн. отсчётов в секунду и программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) XC7A35 (Xilinx). Связка АЦП и ПЛИС обеспечивает приём 4-х каналов для отображения спектрограмм и 4-х каналов для вывода звукового сигнала с фиксированной полосой 8,25 кГц [6]. Для формирования спектрограммы используется 2048 точечное дискретное преобразование Фурье. Доступно двенадцать уровней приближения с отображением полосы частот от ~30 МГц, с разрешением ~30 кГц/пиксель, до полосы частот ~15 кГц с разрешением ~15 Гц/пиксель.
Для решения задач быстрого прототипирования популярен открытый проект HackRf [7], являющийся полудуплексным трансивером с возможностью передачи 8-битного
квадратурного сигнала с частотой дискретизации до 20 млн. отсчётов/сек. Для формирования тракта в проекте используется ряд интегральных схем, таких как MAX5864 (Maxim, кодек сигнала с частотой до 22 млн. отсчётов/сек), MAX2837 (Maxim, широкополосный трансивер полосы 2,3-2,7 ГГц), RFFC5072 (RFMD, широкополосный синтезатор с встроенным смесителем до 6 ГГц), что обеспечивает приём/передачу сигнала в диапазоне частот от 1 МГц до 6 ГГц. Для обработки/формирования сигнала используется программное обеспечение с открытым исходным кодом GNU Radio [8], предоставляющее разработчикам программно-определяемых радиосистем «строительные блоки», обеспечивающие основные функции цифровой обработки сигналов.
Рассмотренные решения, однако, не обеспечивают выполнения всех требований при разработке систем связи и их элементов, но могут быть применены при построении комплексов сопровождения разработки технических средств обмена данными в декаметровом диапазоне волн.
Испытательный комплекс
Для решения вопросов, связанных с качественным улучшением характеристик радиолиний и упрощения проведения работ по разработке, отладке и испытаниям, целесообразно формирование сети, состоящей из центрального узла (на котором располагается коллектив разработчиков) и ряда периферийных узлов, реализующих функции приёма или передачи сигналов [9], в совокупности представляющими территориально-распределённый испытательный комплекс (ИТРК) систем декаметровой связи. Территориальное размещение узлов обуславливается радиотрассами, которые предполагается использовать при проведении испытаний. Дополнительно к стационарным, могут быть реализованы и мобильные периферийные узлы, расширяющие возможности по формированию радиотрасс с различными характеристиками.
Испытательный комплекс должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) приёмники и возбудительные устройства должны быть построены на SDR-технологии и обеспечивать возможность оперативного (в том числе дистанционного) внесения изменений в сигнально-кодовые конструкции разрабатываемых и испытываемых образцов средств передачи (приёма) информации;
2) информация о принимаемых на периферийных узлах сигналах должна быть доступна для предварительного анализа на центральном узле в реальном масштабе времени;
3) периферийные узлы должны обладать высокой степенью автономности, в пределе не требовать при функционировании в штатном режиме присутствия обслуживающего персонала.
Центральный узел ИТРК должен комплектоваться аппаратным и программным обеспечением в целях выполнения следующих задач:
- ведения разработки программного обеспечения испытываемого оборудования;
- дистанционного управления оборудованием периферийных узлов;
- отображения и хранение результатов испытаний;
- математического анализа полученных результатов;
- организации доступа к глобальным сетям связи;
- предоставления персоналу средств телекоммуникаций для ведения аудио- и видеопереговоров.
Периферийные узлы ИТРК должны комплектоваться аппаратным и программным обеспечением в целях выполнения следующих задач:
- дистанционного управления изделиями, входящими в состав узла;
- контроль технического состояния изделий;
- предоставления вычислительных ресурсов для обработки принимаемых/ передаваемых сигналов;
- ведение мониторинга эфира (для приёмных периферийных узлов);
- дистанционного внесения изменений в программное обеспечение испытываемого оборудования (при необходимости);
- организации доступа к глобальным сетям связи;
- предоставления персоналу средств телекоммуникаций для ведения аудио- и видеопереговоров.
Таким образом, узлы ИТРК должны комплектоваться рядом унифицированных изделий, основными из которых являются:
1) инструментальная электронно-вычислительная машина (ЭВМ) -высокопроизводительная вычислительная система, предназначенная для выполнения операций цифровой обработки сигналов и имеющая в наличии порты для подключения программаторов, обеспечивающих обновление конфигурации программируемых логических интергральных схем ПЛИС) и программ микроконтроллеров, входящих в состав испытываемых образцов. В случае проведения испытаний сигнально-кодовых конструкций, должна обеспечивать выполнение алгоритмов цифровой обработки над принятыми/передаваемыми сигналами. Должна обеспечивать обработку сигналов, принимаемых контрольным приёмником, и их запись в сетевое хранилище данных, а также их подготовку к отправке на центральный узел;
2) ЭВМ мониторинга - низкопроизводительная вычислительная система, предназначенная для выполнения программного контроля технического состояния узла, обеспечения дистанционного управления подачей электропитания на компоненты узлы;
3) сетевое хранилище данных - специализированное устройство для управления накопителями данных и обеспечения возможности записи/считывания информации по локальной вычислительной сети (ЛВС), предназначено для локального хранения больших объёмов оцфированного сигнала, принимаемого контрольным приёмником, либо получаемого с испытываемых образцов;
4) консоль управления - устройство, устанавливаемое в стандартную 19" стойку и включающее в себя выдвижной ЖК-монитор, клавиатуру, Touchpad и переключатель клавиатуры и монитора не менее чем четырёх вычислительных машин. Предназначена для местного управления компонентами узла, их настройки и периодического обслуживания;
5) коммутатор ЛВС - должен обеспечивать взаимодействие между компонентами узла на скорости обмена не менее 1 Гб/с, что обусловлено необходимостью передачи оцифрованных потоков между инструментальной ЭВМ, контрольным приёмником и сетевым хранилищем данных;
6) блок мониторинга - специализированное устройство, предоставляющее возможности управления по ЛВС дискретными входами/выходами. Предназначено для подключения различных датчиков контроля температуры, доступа и управления электропитанием;
7) блок бесперебойного питания - предназначен для обеспечения корректного завершения работы компонентов узла в случае исчезновения первичного электропитания;
8) контрольный цифровой приёмник - должен обеспечивать управление и получение оцифрованного сигнала по ЛВС. Предназначен для мониторинга и оценки прохождения сигналов. В отсутствие испытуемого образца выступает в роли основного приёмника;
9) цифровое возбудительное устройство - должно обеспечивать дистанционное управление и передачу потока оцифрованного сигнала принятого по ЛВС. В отсутствие испытуемого образца выступает в роли основного источника сигналов;
10) усилитель мощности - передатчик ДКМВ диапазона с мощностью излучения, определяемой требованиями испытаний, должен обеспечивать управление по ЛВС;
11) приёмные или передающие антенны;
12) маршрутизатор для доступа к медным и волоконно-оптическим линиям связи -предназначен для подключения к глобальным сетям связи и обеспечения взаимодействия с центральным узлом ИТРК (приём команд управления, передачи данных о состоянии технических средств, приём/передача сигналов и данных мониторинга);
13) маршрутизатор для доступа к мобильным сетям связи 3G/4G - предназначен для подключения к глобальным сетям связи посредством беспроводных каналов и обеспечения взаимодействия с центральным узлом ИТРК (приём команд управления, передачи данных о состоянии технических средств, приём/передача сигналов и данных мониторинга). Рассматривается в качестве резервного канала связи;
14) станция спутниковой связи типа «Гонец» - предназначена для обеспечения аварийного канала связи. Рассматривается в качестве средства приёма команд управления и передачи данных о состоянии технических средств при отсутствии других способов связи;
15) ГР-камера - предназначена для ведения визуального контроля состояния оборудования и организации видеосвязи между персоналом ИТРК;
16) ГР-телефон предназначен для организации телефонной связи между персоналом
ИТРК.
С учётом изложенного выше, на рис. 4 представлен вариант компоновки периферийного узла ИТРК с указанием функционального назначения некоторых элементов.
IP-Камера
Объёмы передаваемого и хранимого оцифрованного сигнала
Для оценки возможности передачи оцифрованного сигнала в исходном виде рассмотрим ряд формул, из которых определим поток информации, формируемой оцифрованным сигналом.
В соответствии с теоремой Котельникова, минимальное значение частоты дискретизации определяется формулой [10]:
где - частота дискретизации, Д/0- ширина оцифровываемого спектра (максимальная оцифровываемая частота).
При проектировании реальных цифровых устройств рекомендуется учитывать неидеальность преобразования сигнала и частота дискретизации, в таком случае, определяется из более общей формулы:
где к > 0, поправочный коэффициент на нелинейности при дискретизации. Для сохранения формы сигнала при расчёте частоты дискретизации рекомендуется задавать значение поправочного коэффициента не менее 8, следовательно:
Д * Ю-Л/0
Поток данных для передачи дискретного сигнала, определяется по формуле:
где п - количество бит, кодирующих значение отсчёта.
Таким образом, необходимая пропускная способность канала зависит от количества бит, кодирующих отсчёт и частоты дискретизации, выбираемой по полосе спектра, в которой располагается полезный (наблюдаемый) сигнал:
Кодирование в формате импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) 16 бит 2 канала, обеспечивает хранение значения квадратуры с разрешением до 16 бит (без потери информации), при этом объём пространства на один отсчёт равен 4 байтам или 32 битам.
Рис. 5. Ширина полосы и соответствующая её скорость информационного потока
(технология передачи данных)
На рис. 5 в логарифмическом масштабе приведён график зависимости ширины спектра оцифровываемого сигнала и потока данных (бит/с), формируемом для квадратурного значения сигнала разрешением 16 бит на каждую компоненту (п = 32) при значении поправочного коэффициента к = 1. Название технологии передачи данных, пропускной способности которой достаточно для передачи потока цифрового сигнала, приведено на рисунке в квадратных скобках. Таким образом можно сделать вывод, что для передачи сигнала с шириной спектра равной 1,04 МГц, в реальном масштабе времени, необходимо полностью использовать ресурс локальной вычислительной сети со скоростью 100 Мбит/с. Для качественного анализа сигнала передавать полосу шириной более 292 кГц (к = 8) проблематично при существующем уровне развития общедоступных глобальных сетей связи.
Передача сигналов на центральный узел в реальном масштабе времени
Исходя из данных, представленных на рис. 5, передачу информации в реальном масштабе времени целесообразнее осуществлять методами, отличными от передачи квадратурных составляющих оцифрованного сигнала. С учётом необходимости отображения информации на экране монитора, передача на центральный узел ИТРК может осуществляться в виде, пригодном для её непосредственного вывода в виде значений отображаемых пикселей (рис. 6).
Количество 5ит на значение шчплитуЭы
Рис. 6. Представление спектрограммы в растровом изображении
Разрешение по времени определяется, очередного отсчёта:
1
Т =
соответственно, периодом получения
Л '
где /3 - частота дискретизации сигнала.
Разрешение по частоте определяется количеством точек преобразования:
где А/в ширина спектра сигнала; N - количество точек дискретного преобразования Фурье (ДПФ).
В общем случае передача результата вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) ничем не отличается от передачи непосредственно отсчётов, за исключением предварительной обработки данных на периферийном узле.
Общая формула для расчёта необходимой пропускной способности в случае передачи строк на отображение:
В = ■
где N - количество бит для передачи информации о значении уровня сигнала отображаемого пиксела; W - количество выводимых на график пикселей; R - количество выводимых строк за секунду.
Необходимо при визуальном анализе обратить внимание на предельно возможное количество кадров, которые способен отображать монитор за единицу времени (частота «обновления» экрана). Однако, при записи данных на носитель такие ограничения не требуются.
Например, при разрешении по времени 10 мс и 8 битами (256 градаций) на значение необходимая пропускная способность канала должна быть равна:
, при использовании монитора с разрешением по
В = 3 * 1920 *
1000 10
ширине в 1920 пикселей.
В табл. 1 представлены расчётные значение пропускной способности канала в зависимости от параметров изображения и скорости обновления информации.
Таблица 1 - Необходимая пропускная способность для передачи изображения спектра
Количество выводимых строк в секунду Количество отображаемых точек
256 512 1024 1920
16 32,8 кБит/с 65,6 кБит/с 131,1 кБит/с 245,8 кБит/с
24 49,2 кБит/с 98,3 кБит/c 196,7 кБит/с 368,7 кБит/с
30 61,5 кБит/c 122,9 кБит/с 245,8 кБит/с 460,8 кБит/с
60 122,9 кБит/с 245,8 кБит/с 491,6 кБит/с 921,6 кБит/с
На рис. 7 приведена зависимость доступных объёмов передаваемой информации при использовании различных поколений мобильных сетей передачи данных.
Рис. 7. Размеры и скорость отображения информации в зависимости от вида мобильной сети связи
Из представленных данных можно сделать вывод, что для эффективного мониторинга принимаемых сигналов при использовании канала связи мобильной сети необходимо задействовать стандарт 4G.
Заключение
Формирование сети из приёмных и передающих узлов на основе предлагаемого варианта испытательного комплекса позволяет достичь качественно нового уровня в разработке средств передачи информации в декаметровом диапазоне, а также при проведении научных исследований в области ионосферного распространения радиоволн.
Предложенный испытательный комплекс может использоваться для проверок характеристик существующих средств связи и для повышения эффективности и качества разработки новых помехозащищённых радиолиний.
Литература
1. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. - М.: Связь, 1972. - 336 с.
2. A WebSDR is Software-Defined Radio receiver connected to the internet. URL: http://websdr.org (дата обращения 30.10.2020).
3. KiwiSDR Map. URL: http://kiwisdr.com/public/ (дата обращения 04.11.2020).
4. Open source, multi-user SDR receiver software with web interface. URL: https://github.com/ha7ilm/openwebrx (дата обращения 04.11.2020).
5. KiwiSDR: Wide-band SDR + GPS cape for the BeagleBone Black. URL: http://kiwisdr.com (дата обращения 04.11.2020).
6. KiwiSDR design review Version 2.1 - February 2016 John Seamons, ZL/KF6VO. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL:https://www.dropbox.com/s/i1bjyp1acghnc16/KiwiSDR.design.review .pdf?dl=1 (дата обращения: 04.11.2020).
7. HackRF. Open source hardware for software-defined radio. URL: https://greatscottgadgets.com/hackrf/ (дата обращения 06.11.2020).
8. GNURadio the free & open software radio ecosystem. URL: https://www.gnuradio.org/ (дата обращения 06.11.2020).
9. Николашин Ю.Л., Кулешов И.А., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. SDR Радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне частот // Наукоёмкие технологии в космических исследования земли. 2015. №1. С. 20-31.
10. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.
References
1. Dolukhanov M.P. Rasprostraneniye radiovoln. Uchebnik dlya vuzov [Propagation of radio waves. Textbook for universities]. Moscow. Svyaz'. 1972. 336 p. (in Russian).
2. A WebSDR is Software-Defined Radio receiver connected to the internet. Available from: http://websdr.org [Accessed 30th October 2020].
3. KiwiSDR Map. Available at: http://kiwisdr.com/public/ [Accessed 04th November 2020].
4. Open source, multi-user SDR receiver software with web interface. Available from: https://github.com/ha7ilm/openwebrx [Accessed 04th November 2020].
5. KiwiSDR: Wide-band SDR + GPS cape for the BeagleBone Black. Available from: http://kiwisdr.com [Accessed 04th November 2020].
6. KiwiSDR design review Version 2.1 - February 2016 John Seamons, ZL/KF6VO. Available from: https://www.dropbox.com/s/i1bjyp1acghnc16/KiwiSDR.design.review.pdf?dl=1 [Accessed 04th November 2020].
7. HackRF. Open source hardware for software-defined radio. Available from: https://greatscottgadgets.com/hackrf/ [Accessed 06th November 2020].
8. GNURadio the free & open software radio ecosystem. Available from: https://www.gnuradio.org/ [Accessed 06th November 2020].
9. Nikolashin Yu.L., Kuleshov I.A., Budko P.A., Zholdasov E.S., Zhukov G.A. SDR Radio devices and cognitive radio communication in the decameter frequency range. High tech in Earth space Research. 2015. No. 1. Pp. 20-31 (in Russian).
10. Sergiyenko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov [Digital signal processing]. Saint-Petersburg. Piter. 2002. 608 p. (in Russian).
Статья поступила 03 декабря 2020 г.
Информация об авторах
Дяченко Антон Николаевич - Начальник отдела ПАО «Интелтех». Тлф.: +7(812)313-13-17. E-mail: [email protected]. Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская д. 8.
Construction of a geographically distributed test complex for remote route testing
A.N. Dyachenko
Annotation: Problem statement: Analysis of the problems arising in the assessment of existing and development of new radio communication channels in the decameter wavelength range, a review of the available implementations of software-defined radio technologies and the formulation of requirements for the construction and composition of a geographically distributed test complex. Purpose of work: Formation of proposals for the construction of a test complex and assessment of ways of transferring information between the components of the complex. Practical relevance: A variant of constructing a test complex unit is presented, calculations of the amount of information for monitoring signals and methods of coding it during transmission are presented.
Keywords: distributed test complex; software-defined radio; SDR; decameter radio communication; open technologies.
Information about Authors
Dyachenko Anton Nikolaevich - Head of Department of PJSC "Inteltech". Tel.:+ 7 (812) 313-13-17. E-mail: [email protected]. Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, ul. Kantemirovskay, 8.
Для цитирования: Дяченко А.Н. Построение территориально-распределённого испытательного комплекса для дистанционного проведения трассовых испытаний // Техника средств связи. 2020. № 4 (152). С. 65-73.
For citation: Dyachenko A.N. Construction of a geographically distributed test complex for remote route testing. Means of communication equipment. 2020. No 4 (152). Pp. 65-73 (in Russian).
