CC BY
686
SDR-ТЕХНОЛОГИИ И НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ В СИМПЛЕКСНЫХ РАДИОЛИНИЯХ
Будко П.А., д.т.н., профессор, Военная академия связи, [email protected] Жолдасов Е.С., к.т.н., доцент, Военная академия связи, [email protected] Жуков Г.А., к.т.н., доцент, ОАО «Интелтех», [email protected] Будко Н.П., Северо-Кавказский Федеральный университет, [email protected]
Ключевые слова:
радиолиния, декаметровая радиосвязь, многоканальное радиоприемное устройство, оптимальная рабочая частота, программно-определяемое радио.
АННОТАЦИЯ
Предложен новый метод приема сообщений в симплексных радиолиниях, основанный на применении SDR-технологий и многоканальных перепрограммируемых радиоприемных устройств. Ранее качество оцифровки принятого радиосигнала было ограничено качеством звуковой карты, однако, за последние 5 лет произошел очередной прорыв в области миниатюризации и интеграции. Принцип работы SDR основывается на оцифровке принятого радиосигнала и дальнейшей обработке его уже в цифровой форме. При этом технология прямого цифрового преобразования и прямого цифрового синтеза с диапазонными фильтрами позволяет получить максимально высокие характеристики приёмного тракта. Большая нагрузка по окончательной обработке принимаемого сигнала ложиться на компьютер. В предлагаемом методе прием сообщения осуществляется за счет применения предварительной пространственной селекции и цифровой обработки сообщения с использованием SDR-технологий. При отсутствии сведений о географии расположения радиопередающего устройства применяется устройство формирования веера диаграмм направленности. Рабочая частота приема определяется автоматически. Фактически в многоканальном радиоприемном устройстве программно формируется множество радиоприемников по количеству разрешенных для данной радиолинии фиксированных рабочих частот. Шаг перестройки частотной сетки и вид радиолинии может быть изменен программно по исходным данным оператора (абонента). При этом под видом радиолинии понимается идентификационная автопусковая комбинация радиолинии, предшествующая началу передачи сообщения. Вероятность ложного приема автопусковой комбинации из-за увеличения количества каналов одновременного приема может быть снижена до заданного уровня за счет увеличения ее длины. Предлагаемый в статье метод можно отнести к ресурсосберегающим технологиям, поскольку он позволит: осуществить ведение декаметровой радиосвязи фактически без привязки на приемной стороне к радиоданным (без обратного канала связи и частотно-временного расписания); сократит количество персонала, обслуживающих радиолинии; исключит ошибки персонала при настройке (перестройке) парка радиоприемников приемного радиоцентра; снизит энергетику радиолиний; повысит экономический эффект; повысит вероятность доведения сообщений до абонентов за счет ведения радиосвязи на оптимальных рабочих частотах; позволит вести работу с унаследованными радиолиниями.
US
RESEARCH
Фильтры
Смеситель 1 ПЧ фильтр Смеситель 2
DSP
Звук
Синтезатор
Гетеродин
Рисунок 1 - Классическая схема супергетеродинного радиоприемника с цифровой обработкой сигнала
Рисунок 2 - SDR приемник с переносом спектра на низкую частоту
1 Фильтры АЦП ПЛИС
Скоростной порт (usb или ethernet)
Рисунок 3 - SDR приемник с обработкой на принимаемой частоте
Ввведение
Известно [1-4], что в системах связи специального назначения особое место принадлежит средствам «прямой» радиосвязи, обеспечивающим возможности оперативного обмена информацией между абонентами минуя каналы и линии первичной сети связи и сетей связи общего пользования. К классу таких средств относятся не только линии декаметровой (ДКМ, 100 м ^ 10 м) и метровой (МВ, 10 м ^ 1 м) радиосвязи (находят широкое применение практически во всех звеньях управления), но и линии тропосферной, радиорелейной и спутниковой радиосвязи. Учитывая территориальный размах РФ и ограниченные возможности гражданских сетей в экстремальной обстановке, можно ожидать, что ныне занимаемое ДКМ радиосвязью особое место в системе управления сил специального назначения сохранится и в обозримом будущем. Поэтому задачи изыскания путей эффективного развития ДКМ радиолиний безусловно приобретают все более актуальный и приоритетный характер. Все это требует пересмотра принципов построения сетей ДКМ радиосвязи и поиска путей формирования (построения) новых радиолиний сил специального назначения, основанных на применении широко внедряемых SDR-технологий.
Применение SDR-технологий
в декаметровой радиосвязи
Технологии прямого цифрового преобразования сигналов всё больше завоёвывают мир. Так перспективным направлением развития техники многоканального коротковолнового (КВ) радиоприема и радиопередачи, обеспечивающим достижение высоких технико-экономических показателей разрабатываемых комплексов различного назначения является использование SDR-технологий (Software Define Radio - программно определяемое радио).
Целью данной статьи является предложение нового принципа построения и функционирования современных радиолиний декаметрового диапазона волн, основанного на использовании многоканальных перепрограммируемых технических средств, реализуемых на базе SDR-технологий.
Классическая схема супергетеродина с цифровой обработкой сигнала приведена на рис. 1.
Многие модели трансиверов сейчас строятся по приведённой выше схеме. Цифровая обработка сигнала (DSP -Digital Signal Processing) начинается на низкой промежуточной частоте (ПЧ) (10 ^ 40 кГц), а до этого приёмный тракт имеет такую же структуру как у классического супергетеродинного приёмника. Это пока еще не SDR в чистом виде. Данная схемотехника характерна для современных трансиверов ICOM и YAESU. Недостатки супергетеродинов здесь сохраняются, хотя и частично компенсируются, за счёт цифровой обработки низкочастотного (НЧ)-сигна-ла. Главными элементами конструкции, определяющими характеристики приёмника, являются смесители и ПЧ фильтры, хотя цифровая обработка сигнала и вносит значительную лепту в конечный сигнал. Ярким представителем этой технологии является трансивер ICOM IC-7600.
Пример схемной реализации SDR радиоприемника с переносом спек-тра на низкую частоту представлен на рис. 2. На данной схеме представлен SDR приёмник, называемый условно, пер-
вого поколения. Недостаток данной схемной реализации в том, что принимаемый спектр сначала переносится на звуковую частоту и затем начинается его обработка. В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) может быть использована звуковая карта, она и определяет основные характеристики приёмника.
В данной схемной реализации первый смеситель квадратурный балансный работает в ключевом режиме, а далее размещается звуковая карта (АЦП). Чем больше разрядность АЦП и скорость - тем выше основные характеристики приёмника. Типовым представителем этой технологии, является трансиверная приставка к компьютеру SunSDR и SDR-1000, см. рис. 3.
Такая реализация уже относится к современным технологиям. Смеси-тель отсутствует. Промежуточная частота отсутствует. Сигнал, приходящий в антенну, сразу подвергается цифровой обработке. Это называется прямой оцифровкой сигнала. АЦП работает на приёмной частоте. При этом, понятно, что характеристики приёмника во многом определяет АЦП, а возможности определяются программой. Цифровую обработку сигнала после АЦП, произ-
HiS
RESEARCH
водят с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Таким образом, принцип работы SDR основывается на оцифровке принятого радиосигнала и дальнейшей обработке его уже в цифровой форме. При этом технология прямого цифрового преобразования и прямого цифрового синтеза (DDC/DUC), с диапазонными фильтрами, позволяет получить максимально высокие характеристики приёмного тракта. Большая нагрузка по окончательной обработке принимаемого сигнала ложиться на компьютер, поэтому он должен быть современным. В настоящее время активно развивается технология direct RF sampling. Это оцифровка сигнала на принимаемой частоте. Необходимые АЦП уже выпускаются.
Построение радиолиний
на SDR-технологиях
Изначально, с момента зарождения радиосвязи основным требованием успешного функционирования любой радиолинии являлось строгое соблюдение жестких требований по соответствию частот передачи и приема у абонентов. Для каналов связи в декаме-
тровом диапазоне волн данные частоты заранее известны по частотно-временной матрице и изменяются (устанавливаются) каждый час в соответствие с состоянием ионосферы по долгосрочному прогнозу, который в большинстве случаях лишь приблизительно характеризует состояние ее слоев.
Рассогласование (ошибка) в установке частоты передачи (приема) приводит к сбоям в приеме сообщений.
Вместе с тем, достижения в области SDR-технологии позволяют создать многоканальные радиоприёмные устройства (РПУ). Серийно уже вы-пу-скаются 32(64)-канальные РПУ, описание которых приведено в [5].
Анализ характеристик перспективной элементной базы и эффективных алгоритмов обработки цифровых сигналов показывает, что практически возможно реализовать РПУ в стандартном типоразмере Евромеханики (19 дюймов, 4(8) и) с числом независимых каналов параллельного приёма/обработки до 50 - 100 тысяч. Следовательно, при шаге сетки частот установки радиопередающего устройства 100 Гц двумя многоканальными РПУ будет
перекрыт диапазон до 20-ти МГц, чего фактически достаточно для реализации декаметровой связи.
Таким образом, представляется возможность реализации нового способа доведения сообщений до удалённых объектов по ДКМ радиоканалу без необходимости установки частоты передачи на приёмном радиоцентре и в то же время позволяющего вести передачу на оптимальной для данного момента времени частоте.
Внедрение предложенного способа функционирования радиолиний позволит повысить вероятность приёма сообщений за счёт исключения ошибок при установке частоты радиопередающего устройства (РПДУ) и РПУ, а также за счёт обеспечения работы на оптимальных частотах в реальном масштабе времени.
Определение оптимальных рабочих частот в реальном масштабе вре-мени может быть реализовано с использованием аппаратно-программного комплекса типа «Мицар» [6], в котором целесообразно дополнительно реализовать алгоритм выбора оптимальных рабочих частот радиотрассы по данным
Рисунок 4 - Структурная схема радиолинии построенной на предлагаемом методе: Ф - фильтр, ДМ - демодулятор, СФ - согласующий фильтр на автопусковую комбина-цию; АФУ - антенно-фидерное устройство; ФАР - фазированная антенная решетка
вертикального зондирования [7].
Уйти от жесткого закрепления РПУ за каналом (передатчиком) воз-мож-но увеличивая аппаратурные затраты (доводя количество радиоприемников до количества фиксированных рабочих частот радиолинии). И если данная проблема до недавнего времени была практически не разрешимой, то с внедрением многоканальных программно-настраиваемых радиоустройств, приближение к ее решению все отчетливее.
Развитие технологий происходит постоянно, и с каждым годом компьютер всё больше и больше входит в наш обиход. Применение компьютера в практике построения радиолиний на протяжении последних 15 лет ограничивалось ведением аппаратного журнала, управлением трансивера по RЮ-интер-фейсу да обработкой сигнала в цифровых видах связи. Со стремительным увеличением вычислительных мощностей и миниатюризацией интегральных схем, стало возможно встраивать микрокомпьютеры в классические трансиверы. Сначала обрабатывали детектированный НЧ сигнал, потом стали оцифровывать сигнал уже на низкой ПЧ - 12 48 кГц, и уже программно кодировать/ декодировать любые виды модуляции. На этом до недавнего времени и остановилось развитие всех трансиверов с упором на применение компьютера при расширении сервиса управления и отображения. Однако принципы обработки сигнала остались всё те же, что и 80 лет назад, когда появилась сама идея принципа обработки сигнала на промежуточной частоте. Ос-тались и те же проблемы с побочными каналами приёма, нелинейностью множества каскадов обработки сигнала, качественной фильтрации и задачами правильного баланса усиления по каскадам и связанными с этим шумами.
Отличительной особенностью предлагаемого метода является то, что на передающем радиоцентре (ПДРЦ) оптимальная частота передачи сообщения в интересах того или иного корреспондента (абонента) определяется в соответствие с его географическим размещением и с учетом частотно-временной матрицы автоматически. В то время как на приемном радиоцентре (ПРЦ) предварительной установки частоты приема и учета координат ПДРЦ не требуется. Это так-
His
RESEARCH
Рисунок 5 - Внешний вид действующего макета многоканального радиоприемного устройства, построенного на SDR-технологиях (в составе аппаратно-программного комплекса)
Рисунок 6 - Внешний вид широкодиапазонной антенны
же является отличительной особенностью предлагаемого метода от активно применяемых еще с прошлого века по настоящее время частотно-адаптивных радиолиний (ЧАРЛ) на автоматизированных радиоцентрах (АРЦ) [2, 3].
В предлагаемом методе прием сообщения осуществляется за счет применения предварительной пространственной селекции (если известны координаты ПДРЦ) и цифровой обработки сообщения с использованием SDR-техноло-гий. При отсутствии сведений о географии расположения ПДРЦ применяется устройство формирования веера диаграмм направленности. Рабочая частота приема определяется автоматически, например, на основе алгоритмов методики функционирования аппаратно-программного комплекса «Мицар» [6].
Фактически в многоканальном РПУ программно формируется множество радиоприемников по количеству разрешенных для данной радиолинии фиксированных рабочих частот
N=ДF/Дf,
где N - количество программно-формируемых приемников в многоканальном РПУ; ДF - полоса частот радиолинии; Дf - шаг частотной сетки возбудителя.
Схемная реализация предлагаемого способа формирования ДКМ радиолинии, работающей без использования заранее заданных рабочих частот (при-
ём, инвариантный к рабочим частотам передатчика) приведена на рис. 4.
Шаг перестройки частотной сетки и вид радиолинии может быть изменен программно по исходным данным оператора (абонента).
Под видом радиолинии здесь понимается идентификационная автопусковая комбинация радиолинии, предшествующая началу передачи сообщения.
При этом автопусковая последовательность (АП) (комбинация) является отличительным признаком радиолинии. Вероятность ложного приема АП из-за увеличения количества каналов одновременного приема может быть снижена до заданного уровня за счет увеличения ее длины.
На передающей стороне радиолинии шаг сетки возбудителя можно обеспечить с кратностью вплоть до 10 Гц (и даже 1 Гц), однако это влияет на рост числа радиоприемников, программируемых на основе использования ПЛИС.
Заключение
Если раньше качество оцифровки сигнала было ограничено качеством звуковой карты, то теперь этой проблемы не существует. За последние 5 лет произошел очередной прорыв в области миниатюризации и интеграции микросхем, что позволило вынести весь низкочастотный тракт обратно в корпус трансивера.
Предлагаемый в статье метод приема сообщений по декаметровым ради-
us
RESEARCH
олиниям сил специального назначения можно отнести к ресурсосберегающим технологиям, поскольку он позволит:
осуществить ведение декаметровой радиосвязи фактически без привязки на приемной стороне к радиоданным (без обратного канала связи и частотно-временного расписания);
сократит количество персонала, обслуживающих радиолинии;
исключит ошибки персонала при настройке (перестройке) парка радиоприемников приемного радиоцентра; снизит энергетику радиолиний; повысит экономический эффект; повысит вероятность доведения сообщений до абонентов за счет ведения радиосвязи на оптимальных рабочих частотах;
позволит вести работу с унаследованными радиолиниями.
В настоящее время ОАО «Интелтех», совместно с Военной академией связи
реализовала макет устройства приема сообщений без радиоданных (см. рис. 5) с количеством каналов в многоканальном перепрограммируемом РПУ до 16500, а также широкодиапазонной антенны к нему (см. рис. 6).
Литература
1. Исаков Е.Е. Устойчивость военной связи в условиях информацион-ного противоборства. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 400 с.
2. Адаптивные автоматизированные системы военной радиосвязи. / Килимнин Ю.П., Лебединский Е.В., Прохоров В.К., Шаров А.Н.; Под ред. А.Н. Шарова. - Л.: ВАС, 1978. - 284 с.
3. Аппаратура автоматизированного ведения связи адаптивных радиолиний. / Под ред. Д.Д. Наследова. - Л.: ВАС, 1985. - 102 с.
4. Хазан Г.К., Валеев М.М., Банников И.М. Современные коротковолновые радио-
приемные устройства. // Вестник Академии военных наук №3 (28). 2009.
5. Банников И.М., Березовский В.А., Ва-леев М.М., Хазан Г.К. Радио-приёмные устройства и радиоприёмные комплексы перспективных узлов коротковолновой связи. / Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь, РЭиС-2011», 2011. С. 121-125.
6. Андронова В.Н., Бредихин Д.В., Валов ВА, Макаров А.В. Разработка аппаратуры ионосферного мониторинга и диагностики радиоканалов с использованием ЛЧМ сигнала в ФГУП «НПП «Полёт». // Вестник академии военных наук, № 3(28), 2009. С. 167-171.
7. Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Котович Г.В. Расчёт характеристик наклонного распространения радиоволн по данным вертикального зондирования ионосферы. // Вестник академии военных наук,
№ 3(28), 2009. С. 95-98.
SDR-TECHNOLOGIES AND NEW PRINCIPLES OF RECEPTION OF MESSAGES IN SIMPLEX RADIO LINES
Budko P., Doc.Tech.Sci., professor, Military academy of communication, [email protected];
Zholdasov E., Cand.Tech.Sci., associate professor, Military
academy of communication,
Zhukov G., Cand.Tech.Sci., associate professor, Open Society
"Intelteh", [email protected]
Budko N., North-Caucasian Federal university,
Keywords: a radioline, short-wave a radio communication, a multichannel radioreception arrangement, the optimum working frequency, software define radio.
Abstract
The new method of reception of messages in the simplex radiolines, based on application of SDR-technologies and multichannel software define radioreception arrangements is offered. The principle of work SDR is based on numbering of the accepted radio signal and its further processing already in the digital form. Thus the technology of direct digital transformation and direct digital synthesis with band filters allows to receive at the most high characteristics of a reception path. The greater load on final processing an accepted signal to lay down on a computer. In an offered method reception of the message is carried out due to application of preliminary spatial selection and digital processing of the message with use of SDR-technologies. At absence of the information on geography of an arrangement of a radiopassing arrangement the arrangement of formation of a fan of diagrams of an orientation is applied. Working frequency of reception is defined automatically. In fact in a multichannel radioreception arrangement programmed the set of radio receivers by quantity of the fixed working frequencies resolved for a given radioline is shaped. The step of restructuring of a frequency grid and type of a radioline is maybe changed programmed on initial data of the operator (subscriber). Thus the type of a radioline is understood as the identification autostarting combination of a radioline previous the beginning of transfer of the message. The probability of false reception
of an autostarting combination because of an increase of quantity of channels of simultaneous reception is maybe lowered to the set level due to an increase of its length. The method offered in article can be carried to technology saving up resources as it will allow: to carry out conducting short-wave a radio communications in fact without a binding on a reception side to radiodata (without a return liaison channel and the time-and-frequency schedule); will reduce quantity of the personnel, serving radiolines; will exclude mistakes of the personnel at adjustment (restructuring) park of radio receivers of the reception radiocenter; will lower power of radiolines; will raise economic benefit; will raise probability of finishing of messages up to subscribers due to conducting a radio communication on wholesale.
References
1. Isakov E, 2009, 'Ustoychivost of military communication in the conditions of information antagonism', St. Petersburg, Publishing house Politekhn. un-that, 400 p.
2. Kilimnin Y, Lebedinsky E, Prokhorov V & Sharov A, 1978, 'The adaptive automated systems of a military radio communication', Leningrad, VAS, 284 p.
3. Nasledov D, 1985, 'The equipment of the automated conducting communication of adaptive radio lines', Under the editorship of D. D. Nasledov. Leningrad, VAS, p. 102.
4. Hazan G, Valeev M & Bannikov I, 2009, 'Modern short-wave radio-receiving devices', Messenger of Academy of military sciences, No. 3(28).
5. Bannikov I, Berezovsky V, Valeev M & Hazan G, 2011, 'The radio-receiving devices and the radio-receiving complexes of perspective knots of short-wave communication', International scientific and technical conference "Radio Engineering, Electronics and Communication, REIS-2011", pp. 121-125.
6. Andronova V, Bredikhin D, Valov V & Makarov A, 2009, 'Development of the equipment of ionospheric monitoring and diagnostics of radio channels with use of LChM of a signal in Federal State Unitary Enterprise NPP "Polyot"', Messenger of academy of military sciences, No. 3(28), pp. 167-171.
7. Ponomarchuk S, Grozov V & Kotovich G, 2009, 'Calculation of characteristics of inclined distribution of radio waves according to vertical sounding of an ionosphere', Messenger of academy of military sciences, No. 3(28), pp. 95-98 .
