СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТРЕВОЖНЫХ СООБЩЕНИЙ ПО РАДИОЭФИРУ
METHOD OF TRANSMISSION OF ALARM MESSAGES ON RADIO BROADCAST

Изобретение относится к способам передачи тревожных сообщений по радиоэфиру, в которых для передачи тревожных сообщений используется передатчик голосовой связи в случае, когда дальности обычной голосовой радиосвязи недостаточно.
Системы, осуществляющие передачу сообщений, описаны, например, в патентах RU №2074826, B60R 25/00, RU №2163871, B60R 25/00, G08C 17/02. Однако передача сообщений в известных технических решениях связана с использованием передающих устройств третьих лиц, например пейджинговых компаний. Естественно, такое использование требует дополнительных затрат и, кроме того, вызывает ограничение, связанное с ограниченным покрытием территории пейджинговой компании.
Поэтому желательно отказаться от услуг третьих лиц и непосредственно передавать сообщения получателю, используя стандартную радиоаппаратуру. Такой стандартной, широко распространенной радиоаппаратурой является, безусловно, передатчик голосовой связи. Передача сообщений по радиоэфиру, использующая передатчик голосовой связи, не имеет недостатков и ограничений, связанных с использованием передающих устройств третьих лиц.
Способ такой передачи давно известен и описан во множестве публикаций, например, в классической монографии И.С. Гоноровского "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва: Радио и связь, 1986 г., стр. 7-12.
В этом способе на передающей стороне модулируют сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи с использованием последовательных сигналов сообщения, усиливают модулированный сигнал и передают в радиоэфир, а на приемной стороне принимают модулированный сигнал и демодулируют его с получением сообщений.
При передаче голосовых сообщений источником сигналов сообщения, модулирующих сигнал несущей частоты, является микрофон.
При передаче цифровой последовательности с использованием передатчика голосовой связи таким источником последовательных сигналов сообщения, модулирующих сигнал несущей частоты, является модем.
В обоих случаях несущая частота передатчика голосовой связи модулируется сигналами, спектр которых лежит в полосе от 300 до 3000 Гц.
Модуляция несущей частоты осуществляется, как правило, методами частотной (ЧМ) или амплитудной модуляции (AM, SSB).
Дальность связи для любого радиоканала определяется, главным образом, мощностью передатчика и чувствительностью приемника. При этом полоса пропускания приемника должна быть не менее ширины спектра сигнала передатчика.
Например, при использовании в носимом передатчике голосовой связи ЧМ мощность передатчика не должна превышать 5 Вт. Такие параметры обеспечивают возможность для радиосвязи на расстоянии не свыше 4 км между носимыми радиостанциями и не свыше 15 км между носимой и стационарной радиостанциями.
Во многих случаях такой способ передачи сообщений по радиоэфиру обеспечивает недостаточную дальность передачи сообщений. Часто, в чрезвычайных ситуациях, необходимо передать тревожное сообщение на значительно большее расстояние, когда обычная голосовая радиосвязь уже не работает.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому является «Способ передачи сообщений по радиоэфиру», по патенту RU №2446480, B60R 25/00, G08C 17/02 от 31.03.2011 г., где на передающей стороне модулируют сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи с использованием последовательных сигналов сообщения, усиливают модулированный сигнал и передают в радиоэфир, а на приемной стороне принимают модулированный сигнал и демодулируют его с получением сообщений, на передающей стороне вырабатывают вспомогательный синусоидальный сигнал с частотой внутри диапазона модулирующих частот, используемого передатчиком голосовой связи, предварительно модулируют указанный вспомогательный синусоидальный сигнал последовательными сигналами сообщения, для формирования которых используют полосу частот, существенно более узкую, чем полоса модулирующих частот передатчика голосовой связи, полученным предварительно промодулированным сигналом модулируют при передаче сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи, при этом на приемной стороне прием осуществляют на частоте, связанной линейным преобразованием несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, фильтруют принятый сигнал в полосе частот, определяемой полосой частот вспомогательного синусоидального сигнала с учетом его предварительной модуляции последовательными сигналами сообщения, а упомянутую демодуляцию принятого сигнала выполняют в соответствии с выбранной модуляцией вспомогательного синусоидального сигнала.
Этот способ позволяет значительно увеличить дальность передачи тревожных сообщений, однако его недостатком является сложность реализации, т.к. реализация этого способа требует подачи модулирующего сигнала непосредственно на микрофонный вход радиостанции, что очень неудобно, т.к. при этом необходимо подключаться через разъем для выносной гарнитуры радиостанции. Необходимо так же учесть, что разные радиостанции имеют разные типы разъемов для подключения гарнитуры, а многие радиостанции просто не имеют разъема для подключения внешней гарнитуры. Подключение к радиостанции через дополнительный кабель снижает так же оперативность передачи тревожных сообщений. Кроме того, при передаче тревожных сообщений необходимо передавать координаты расположения передающей радиостанции.
Настоящее изобретение направлено на упрощение применения известного способа передачи тревожных сообщений и повышение оперативности его использования.
Предметом изобретения является способ передачи тревожных сообщений по радиоэфиру, при котором на передающей стороне модулируют сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи с использованием последовательных сигналов сообщения, усиливают модулированный сигнал и передают в радиоэфир, а на приемной стороне принимают модулированный сигнал и демодулируют его с получением сообщений, на передающей стороне вырабатывают вспомогательный синусоидальный сигнал с частотой внутри диапазона модулирующих частот, используемого передатчиком голосовой связи, предварительно модулируют указанный вспомогательный синусоидальный сигнал последовательными сигналами сообщения, для формирования которых используют полосу частот, существенно более узкую, чем полоса модулирующих частот передатчика голосовой связи, на приемной стороне прием осуществляют на частоте, связанной линейным преобразованием несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, фильтруют принятый сигнал в полосе частот, определяемой полосой частот вспомогательного синусоидального сигнала с учетом его предварительной модуляции последовательными сигналами сообщения, а упомянутую демодуляцию принятого сигнала выполняют в соответствии с выбранной модуляцией вспомогательного синусоидального сигнала, на стороне передачи определяют координаты местонахождения передатчика, преобразуют их в сообщение, содержащее также дополнительную служебную информацию, которым модулируют вспомогательный синусоидальный сигнал, затем преобразуют его в акустический сигнал, излучают акустический сигнал, принимают акустический сигнал и производят обратное преобразование акустического сигнала в электрический сигнал и модулируют этим сигналом сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи.
Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки предложенного способа:
- в качестве частоты приема используют частоту, равную сумме несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала;
- в качестве частоты приема используют частоту, равную разности несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала;
- прием модулированного сигнала проводят одновременно по двум алгоритмам, в одном из которых в качестве частоты приема используют сумму несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, а в другом - в качестве частоты приема используют разность несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, для каждой методики оценивают качество приема и выбирают методику с лучшим качеством приема;
- при использовании в качестве передатчика голосовой связи передатчика с частотной модуляцией индекс модуляции устанавливают в пределах от 1,5 до 2,5ж
- при использовании в качестве передатчика голосовой связи передатчика с амплитудной или однополосной модуляцией глубину модуляции устанавливают близкой к 100%.
Осуществление предлагаемого способа передачи тревожных сообщений по радиоэфиру поясняется на примере функционирования устройства, блок-схема которого приведена на Рис. 1.
Устройство содержит тревожную кнопку 1, состоящую из последовательно включенных GPS-приемника 2, процессора 3, усилителя 4 и звукового излучателя 5, а также кнопку 6 и источник питания 7. Тревожная кнопка 1 располагается на небольшом расстоянии 5…10 см от радиостанции 8 (передатчик голосовой радиосвязи), непосредственно напротив ее микрофона 9. В зоне связи с радиостанцией 8 располагается стационарная (мобильная) радиостанция 10, к аудиовыходу которой подключен персональный компьютер 11.
Тревожная кнопка 1 может быть выполнена в виде небольшого брелка с кнопкой управления 6.
В качестве GPS-приемника 2 может быть использован соответствующий модуль.
В качестве процессора 3 может быть использован микропроцессор, с соответствующим программным обеспечением.
В качестве усилителя 4 может быть использован простой усилитель мощности на транзисторах.
В качестве звукового излучателя 5 может быть использован любой миниатюрный динамик с мощностью 5…10 мВт.
В качестве радиостанции 8 может быть использована любая аналоговая носимая радиостанция голосовой радиосвязи.
В качестве стационарной (мобильной) радиостанции 10 может быть использована любая аналоговая стационарная (мобильная) радиостанция голосовой радиосвязи.
В качестве персонального компьютера 11 может быть использован любой компьютер, ноутбук, или планшет, имеющие аудиовходы и возможность установки специального программного обеспечения.
Осуществляется способ следующим образом. В исходном состоянии все узлы тревожной кнопки 1 подключены к источнику питания 7 (аккумулятор), но находятся в выключенном состоянии. При необходимости передачи тревожного сообщения нажимается кнопка 6, сигналом которой запускается процессор 3, который включает все узлы тревожной кнопки 1. По включении GPS-приемника 2, он выдает на процессор 3 координаты местонахождения тревожной кнопки 1. Процессор 3 преобразует их в последовательный сигнал сообщения, содержащий, помимо координат, дополнительную служебную информацию, например регистрационный номер тревожной кнопки 1, помехоустойчивое кодирование и др. Одновременно, процессор 3 формирует на своем выходе, подключенном к входу усилителя 4, вспомогательный синусоидальный сигнал, например, путем использования широтно-импульсной модуляции с последующим фильтрованием, с частотой расположенной внутри диапазона модулирующих частот, используемого радиостанцией 8 для голосовой радиосвязи (300 Гц … 3 кГц). Процессор 3 модулирует вспомогательный синусоидальный сигнал ранее сформированными последовательными сигналами сообщения. При этом спектр сформированного последовательного сигнала сообщения задается существенно уже, чем полоса модулирующих частот радиостанции 8. При модуляции вспомогательного синусоидального сигнала могут быть использованы любые известные виды модуляции, например амплитудная, фазовая или частотная модуляции. Промодулированный вспомогательный синусоидальный сигнал усиливается усилителем 4 и поступает на звуковой излучатель 5 (динамик). Звуковой излучатель 5 формирует акустические звуковые колебания с частотой промодулированного вспомогательного сигнала. Тревожная кнопка 1 располагается на расстоянии 5…10 см от микрофона 9 радиостанции 8.
Радиостанция 8 включается в режим передачи, сигнал, поступающий с микрофона 9, модулирует несущую частоту радиостанции 8, которая усиливается и передается в радиоэфир радиостанцией 8.
Переданное радиостанцией 8 тревожное сообщение принимается стационарной (мобильной) радиостанцией 10 и в виде выходного аудиосигнала поступает на аудиовход персонального компьютера 11. При этом прием осуществляют на частоте, связанной линейным преобразованием несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, принятый сигнал фильтруют в полосе частот вспомогательного синусоидального сигнала, с учетом его предварительной модуляции последовательными сигналами сообщения.
На персональный компьютер 11 устанавливается специальная программа для обработки аудиосигналов, включающая фильтрацию принятого вспомогательного синусоидального сигнала, его демодуляцию в соответствии с выбранной модуляцией вспомогательного синусоидального сигнала, выделение принятой информации и ее отображение на карте в виде координат тревожной кнопки и ее номера.
При этом обеспечивается значительно большая дальность передачи тревожных сообщений, чем дальность при использовании радиостанции 8 и стационарной (мобильной) радиостанции 10 для обычной голосовой радиосвязи. Достигается это за счет более высокой чувствительности приемного комплекса, состоящего из стационарной (мобильной) радиостанции 10 и персонального компьютера 11.
Так, чувствительность любого приемника определяется минимальным уровнем S сигнала, различимого на уровне шумов. Из радиотехники известно (И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы, Учебник для вузов, Москва: Радио и связь, 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:
0
S=N⋅(F-1)kT⋅Δf,
где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);
F - коэффициент шума приемника;
-23
k - постоянная Больцмана - 1,3806504(24)⋅10Дж/К;
0
Т - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);
Δf - полоса пропускания приемника.
В этой формуле все составляющие постоянны либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.
Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника голосовой связи является сокращение полосы пропускания.
Следовательно, значительное увеличение дальности приема сообщений может быть достигнуто при существенном сокращении полосы частот приемника, что и делается, т.к. спектр передаваемого сообщения выбирается значительно уже полосы частот, занимаемой в радиоэфире радиостанциями голосовой радиосвязи.
При использовании амплитудной (AM) или частотной (ЧМ) модуляции в радиостанциях голосовой радиосвязи, спектр радиосигнала содержит две одинаково промодулированные боковые полосы. Приемник стационарной (мобильной) радиостанции 10 настраивается на прием верхней или нижней боковой полосы частот спектра сигнала, передаваемого радиостанцией 8.
Так как для модуляции вспомогательного синусоидального сигнала в тревожной кнопке 1 был использован последовательный сигнал сообщения с полосой частот, существенно более узкой, чем полоса модулирующих частот радиостанции 8, при использовании голосовой радиосвязи, то и полоса приемного радиотракта стационарной (мобильной) радиостанции 10 также выбирается значительно уже, чем при обычной голосовой радиосвязи, за счет чего и достигается увеличение дальности радиосвязи, по сравнению с обычной голосовой радиосвязью.
Отношение полосы пропускания приемника, предназначенного для приема голосовой информации, к полосе пропускания приемника, предназначенного для приема боковой полосы спектра, определяет выигрыш в чувствительности приемника.
Например, при формировании сообщения со скоростью 25 бит/с и использовании AM ширина спектра промодулированной боковой полосы частот составляет около 50 Гц. Для приема такого сигнала полоса приемника может быть уменьшена до 100 Гц. Полученный при этом выигрыш по чувствительности N будет:
N=0,25×10000 Гц/100 Гц = 25
здесь полоса пропускания приемника при обычной голосовой связи взята 10000 Гц.
Известно, что дальность радиосвязи (в свободном пространстве) обратно пропорциональна квадратному корню из чувствительности приемника. Поскольку квадратный корень из 25 равен 5, то использование заявляемого способа позволяет увеличить дальность передачи тревожного сообщения до 5 раз, по сравнению с передачей тревожных сообщений через радиостанции обычной голосовой радиосвязи (в условиях прямой видимости). При этом, для обеспечения максимальной мощности боковых полос при AM модуляции, глубина модуляции должна обеспечиваться близкой к 100%, что обеспечивается размещением тревожной кнопки 1 на небольшом расстоянии (5…10 см) от микрофона 9 радиостанции 8.
Аналогично, при использовании радиостанций с ЧМ модуляцией, также образуются две боковые полосы частот, аналогичные AM.
При этом спектр ЧМ сигнала зависит от индекса m частотной модуляции. В частности, при m=2 боковые полосы имеют максимальную энергию. Поэтому с точки зрения достижения максимального эффекта, обеспечиваемого заявляемым способом, оптимальным является индекс частотной модуляции около 2 (реально от 1,5 до 2,5) - в этом случае несущая существенно подавлена и около 50% всей мощности сосредоточено в двух боковых полосах модулированного сигнала.
Если отбросить из рассмотрения боковые составляющие более высоких порядков, то спектр ЧМ сигнала становится очень похож на спектр AM сигнала, и, значит, все вышеизложенное для AM сигналов справедливо и для ЧМ сигналов.
Из рассмотренных выше спектров AM и ЧМ сигналов видно, что они содержат по две одинаково промодулированные боковые полосы, которые могут быть приняты двумя одинаковыми и независимыми приемниками (спектр одной боковой будет инверсным по отношению к спектру другой боковой). Прием двумя независимыми стационарными (мобильными) радиостанциями 10 (на Рис. 1 показана только одна радиостанция), одна из которых настроена на прием верхней, а другая, соответственно, - нижней боковой полосы, значительно повышает вероятность правильного приема, так как одна из боковых полос может быть поражена помехой. При этом вторая стационарная (возимая) радиостанция 10 подключается ко второму аудиовходу персонального компьютера 11, на котором запускается программа, предназначенная для одновременной обработки двух аудиосигналов и с выводом более достоверных результатов. При этом более узкополосная фильтрация по сравнению с голосовой радиосвязью может осуществляться как в самой стационарной (мобильной) радиостанции 10, так и с помощью программного обеспечения персонального компьютера 11, например при использовании цифровой фильтрации на основе быстрого преобразования Фурье.
Упрощение применения известного способа передачи тревожных сообщений достигнуто за счет того, что передача тревожных сообщений осуществляется без использования каких-либо переходных кабелей для подключения тревожной кнопки к радиостанции. Кроме того, могут быть использованы любые, более простые радиостанции, не имеющие дополнительного разъема для подключения гарнитуры. Дополнительно также повышается оперативность передачи тревожных сообщений, т.к. теперь не требуется подключать источник тревожных сообщений к микрофонному входу радиостанции с помощью специального кабеля, а достаточно поднести тревожную кнопку к микрофону радиостанции и включить ее на передачу.