Лабораторный комплекс "Универсальная программно-определяемая радиосистема"

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Воронежский государственный технический университет (ВГТУ), Воронеж, РФ

Лабораторный комплекс "Универсальная программно-определяемая радиосистема"

Д.В. Журавлев, М.А. Сиваш, О.В. Бойко

Аннотация

радиосистема сигнал частотный программный

В данной работе объектом исследования является возможность построения универсальной программно-определяемой радиосистемы сравнительно малых размеров и широкими возможностями по выполнению. В процессе работы проводились экспериментальные исследования передачи сигналов программно-определяемым модулем микрокомпьютера Raspberry Pi модели 3B, подробно были изучены принципы передачи сигналов в широком частотном диапазоне, исследовались его максимальные возможности на базе технологии программно-определяемого радио. Эффективность комплекса определяется его малыми размерами, быстрым развертыванием, высоким быстродействием, точностью вычисления частоты работы источников сигналов.

Ключевые слова: лабораторный комплекс, мобильность, система мониторинга, связь, прием, передача.

Abstract

LABORATORY COMPLEX «UNIVERSAL SOFTWARE-DEFINED RADIO SYSTEM»

D.V. Zhuravlev, M.A. Sivash, O.V. Boyko

Voronezh State Technical University (VSTU), Voronezh, Russia Federation

In this paper, the object of the study is the possibility of building a universal software-defined radio system of relatively small size and wide possibilities for implementation. In the course of work, experimental studies of signal transmission by the software-defined module of the Raspberry Pi model 3B microcomputer were carried out, the principles of signal transmission in a wide frequency range were studied in detail, its maximum capabilities were investigated on the basis of the software-defined radio technology. The efficiency of the complex is determined by its small size, rapid deployment, high speed with round-the-clock operation, the accuracy of calculating the frequency of signal sources.

Keywords: laboratory complex, mobility, monitoring system, communication, reception, transmission.

Введение

Начало XXI века ознаменовалось бурным развитием новых технологий в радиотехнике. Очередной научно-технический прогресс вывел радиоэлектронику на совершенно новый уровень, переведя ее практически полностью в цифровой вид. Современные технологии позволяют создавать радиоэлектронные устройства с широчайшими возможностями, позволяющими применять их в самых различных сферах деятельности цивилизации. Как база XX века послужила для разработок XXI, так и технология, о которой пойдет речь в данной работе, появилась в результате хорошо изученных и активно используемых методов передачи и приема радиоволн. Речь идет об SDR (Software-defined radio - программно-определяемом радио), которая включает в себя как привычное использование радиоволн, так и новые технологии, а также способы обработки радиосигналов, позволившие выйти на новый уровень качества и визуализации итоговых результатов. Она позволяет организовать достаточно мощную радиоэлектронную систему широкого спектра применения за счет разработки специального программного обеспечения для нее и, что особенно важно, при минимальных затратах на аппаратную часть, никоим образом не ухудшая технические характеристики разрабатываемой РЭС. Использование в данной технологии микроконтроллера как достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. В данной работе будет рассмотрено построение универсальной программно-определяемой радиосистемы для комплекса «УПОР». В рамках лабораторного проекта, возможности комплекса направлены на исследовательские и учебные цели. В основе проекта лежит вышеупомянутая технология, позволяющая разработать требуемый комплекс достаточно компактным и мобильным, в то же время обладающим достаточно хорошими техническими характеристиками, за счет чего будет организовано успешное выполнение требуемых задач обнаружения источников радиоизлучения, проведения анализа принимаемых радиосигналов. На этом возможности разработанного изделия не заканчиваются - данный комплекс, за счет применяемой в нем технологии, имеет огромный потенциал для дальнейшего развития и модернизации, постоянного наращивания его функционала, как аппаратного, так и программного. Некоторые из них применены в данной работе и будут наглядно представлены.

1. Описание лабораторной установки

Изделие имеет возможность выполнять следующие требуемые задачи как автономно, так и в составе дополнительных единиц комплекса: обеспечение автономного электропитания при работе всех составных частей комплекса; минимальное потребление электроэнергии составными частями комплекса при использовании автономных источников электропитания; мобильность комплекса, его быстрое развертывание и минимальное время подготовки к работе; широкий частотный диапазон работы радиоприемных и радиопередающих устройств всех составных частей комплекса, возможность мониторинга в радиочастотном эфире сразу нескольких источников радиоизлучения; проведение анализа принимаемых радиосигналов сразу от нескольких источников радиоизлучения, исследование различных современных протоколов цифровой связи; мощные вычислительные возможности (аппаратная составляющая) составных частей анализа для обеспечения минимального времени обработки принимаемых радиосигналов; использование нескольких антенно-фидерных систем (далее - АФС) для организации работы комплекса в различных радиочастотных диапазонах (ДВ, СВ, КВ, УКВ). Далее на рисунке 1 представлена общая структурная схема комплекса «УПОР».

Рис. 1

Система связи между единицами комплекса организована как по радиоканалу протокола IEEE 802.11n (Wi-fi 2.4 ГГц), а также по широкополосному радиоканалу с частотным диапазоном 1.5 кГц - 1.5 ГГц протокола Bell различных модификаций со скоростью 300, 700, 2100, 2400 и 4800 бит в секунду, а также RTTY со скоростью 45 бит в секунду.

2. Испытания прототипа

Далее были проведены лабораторные испытания комплекса. На рисунке 2 представлен общий внешний вид прототипа лабораторного комплекса «УПОР».

Рис. 2

На рисунке 3 представлена меню утилиты анализа, приема, декодирования и мониторинга.

Рис. 3

Ниже приведены примеры работы некоторых из режимов утилиты анализа, приема, декодирования и мониторинга (рис. 4-6).

Рис. 4 Внешний вид программы «CubicSDR» (а) и «URH» (б)

Рис. 5 Демодуляция ранее записанного радиосигнала и преобразование его в битовые последовательности

Произвели поиск и в результате были найденные требуемые нам станции в количестве трех штук (рис. 6.). Источники работают на частотах 98.1 МГц, 99.1 МГц и 99.5 МГц с хорошим качеством стерео звучания.

Рис. 6 Найденные вещательные станции гражданского FM диапазона

На рисунке 7 представлен процесс подавления. Видим, что ширина спектра сигнала, обеспечивающего подавление работающих источников радиосигналов, около 1300 кГц. Однако, это не предел, и заметим, что в ходе проведения в дальнейшем дополнительных исследований для модернизации прототипа и комплекса «УПОР» в целом в будущем, это значение будет увеличено.

Рис. 7

Проведенные исследования в пределах лаборатории показали, что комплекс «УПОР» удовлетворяет поставленным задачам. Интерфейс программного обеспечения интуитивно понятен и прост. Данный комплекс имеет возможность модернизации и дальнейшего аппаратного и программного обеспечения.

Заключение

Разработанный лабораторный комплекс показал высокую эффективность при изучении и исследовании студентами принципов работы программно-определяемого радио, отличия современного подхода к построению радиоприемных и радиопередающих устройств от классического. Изделие позволяет организовать систему радиомодемной связи по нескольким протоколам, что дает студентам в дальнейшем понять способы и методы кодирования информации в радиоканале.

Литература

1. Бойко О. В., Журавлев Д. В., Сафонов И. А. Исследование возможности построения системы мониторинга 2G-5G сетей на основе коммерческой SDR платформы / Бойко О.В. // RLNC 2018 «Радиолокация, навигация, связь»: материалы XХIV междунар. науч.-техн. конф. в 5-ти томах, Воронеж. 2018, - Т. 5, - С. 37-45;

2. Robert W. Stewart, Kenneth W. Barlee, Dale S. W. Atkinson, Louise H. Crockett «Software Defined Radio using MATLAB® & Simulink® and the RTL-SDR» / Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strathclyde Glasgow, Scotland, UK, 1st Edition (revised);

References

1. Boiko O. V., Zhuravlev D. V., Safonov I. A. Research of the possibility of building a monitoring system of 2G-5G networks on the basis of a commercial platform / Boiko O. V. / / RLNC 2018 "Radar, navigation, communication": materials XIV mezhdunarod. scientific.- techne. Conf. in 5 volumes, Voronezh. 2018, - Vol. 5, - P. 37-45;

2. Robert W. Stewart, Kenneth W. Barlee, Dale S. W. Atkinson, Louise H. Crockett «Software Defined Radio using MATLAB® & Simulink® and the RTL-SDR» / Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strathclyde Glasgow, Scotland, UK, 1st Edition (revised);

Размещено на Allbest.ru