Цифровой детектор микронаушников
DIGITAL EARPIECES DETECTOR

Изобретение относится к области радиотехники, а именно является приемником, и может быть использовано для обнаружения микронаушников.
Из существующего уровня техники известен металлоискатель “Топ-Топ” со стереоэффектом, патент РФ на изобретение № 2 604 962, опубликованный 24.06.2015 г. Изобретение содержит в своей структуре соединенные две когерентные катушки возбуждения и соосные им приемные катушки, образующих два измерительных контура, которые принимают сигнал и передают его на аналого-цифровой преобразователь, а далее на вычислительный модуль, который передает сигнал на модулятор фазы сигналов, а затем на соединенные головные телефоны.
Недостатком данного устройства является ограниченность в области применения только задачами нацеленными на поиск металлов под землей.
Известно аналоговое устройство для обнаружения микронаушников  (Асонов Д. Г., Дерюшев А. А. Мобильное устройство для борьбы с микронаушниками //Веб-программирование и интернет-технологии WebConf2018. – 2018. – С. 18-18.), которое было взято за прототип. Устройство содержит в своей структуре индуктивную катушку, на которую приходит электромагнитный сигнал от антенны микронаушника, соединенный усилитель низкой частоты, который усиливает принимаемый сигнал, и сформированный выходной канал для воспроизведения принимаемого сигнала для наушника или динамика.
Недостатками данного прототипа является низкая дальность действия, высокий уровень шумов на выходе усилителя, отсутствие цифровой обработки сигнала, что ограничивает возможность сделать устройство автономным.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является совершенствование устройства с увеличенной дальностью приема сигнала от системы микронаушника с повышенной помехоустойчивостью и максимальной автоматизацией процесса детекции системы микронаушников за счет совершенствования системы приема электромагнитных сигналов и последующей аналого-цифровой обработки низкочастотного электромагнитного сигнала от индукционной петли, входящей в систему микронаушника.
Задача увеличения дальности действия детектора решается за счет следующих усовершенствований конструкции:
1) Все конструктивные элементы устройства выполнены из материала, нейтрального для электромагнитных волн;
2) Сердечник в конструкции катушки выполнен из трансформаторной стали, так как данная сталь имеет сильные ферромагнитные свойства, улучшая дальность сигнала и его качество;
3) Усилитель звуковых частот состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности, созданных на комплементарных полевых транзисторах для увеличения коэффициента усиления;
4) В предварительном каскаде усилителя имеется транзистор для согласования большого внутреннего сопротивления катушки с малым входным сопротивлением усилителя;
5) Аккумуляторная батарея со стабилизирующим модулем напряжения обеспечивает нормальную работу всех элементов устройства и предохраняет их от досрочного выхода из строя за счет защиты аккумулятора от деградации аккумуляторных блоков, а именно не допускает превышения максимального напряжения и снижения напряжения ниже минимального.
Задача повышения помехоустойчивости детектора решается за счет следующих усовершенствований конструкции:
1) Полосовые фильтры, располагающиеся на выходе каскада усилителей, отсекают частоты за пределами речевой полосы частот;
2) Аналого-цифровой преобразователь, располагающийся на выходе системы фильтров, содержит встроенный вычислительный модуль с алгоритмом шумоподавления для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой сигнал;
3) Массив катушек индуктивности в разных плоскостях (минимум три катушки индуктивности в перпендикулярных друг к другу плоскостях) формирует сферическую диаграмму направленности; в случае использования одной катушки, диаграмма направленности имеет множество паразитных лепестков, что приводит к ложным срабатываниям и невозможности достоверно определить сигнал от  индукционной петли микронаушника;
4) Усилитель с входным дифференциальным каскадом на комплементарных полевых транзисторах во избежание внешних электронных помех.
Задача повышения автоматизации процесса детекции решается за счет следующих усовершенствований конструкции:
1) Программа, интегрированная в вычислительный модуль, анализирует весь доступный частотный диапазон, который ей передал аналого-цифрового преобразователь на предмет наличия уникальных паттернов сигнала от индукционной петли микронаушника. Модель была построена на основе алгоритмов машинного обучения (нейронная сеть) для распознавания уникальных паттернов сигнала микронаушника. Обучение заключалось в сравнении частотно-амплитудной модуляции в реальном времени с референсными значениями. Устройство с выключенным динамиком сравнивает частотный диапазон на момент повторяющихся паттернов частотного диапазона порядка 40 раз в секунду, что позволяет повысить его селективность. При получении схожего сигнала с имеющимся в нейронной сети, устройство переходит в режим максимальной чувствительности на момент повторения паттерна - при его наличии устройство издает громкую звуковую индикацию и включают динамики на воспроизведение принимаемого сигнала. При отсутствии паттернов сигнала - устройство выключает динамик и переходит в режим обычного определения спектра на наличие уникальных паттернов индукционной петли микронаушника;
2) Система фильтров триггера Шмитта на выходе для формирования прямоугольной петли гистерезиса, срабатывающего при наличии сигнала микронаушника, для упрощения понимания сигнала аналого-цифровым преобразователем;
3) Повышающий модуль напряжения используется для согласования уровней напряжения между контроллером и периферией;
4) Алгоритм свето-звуковой индикации при обнаружении сигнала микронаушника.
Достигаемый технический результат заключается в приведенной совокупности признаков, которые обеспечивают увеличение дальности приема на максимально возможную длину распространения электромагнитного сигнала микронаушниками, введения алгоритмов и фильтров шумоподавления для повышения чувствительности и уменьшения искажения сигналов при максимальной дальности работы изобретения.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Работа изобретения предполагает использование низкочастотного канала связи между индукционной петлей и магнитом из системы микронаушника на барабанной перепонке. Для этого  переменное электромагнитное поле низкой частоты от антенны микронаушника принимается катушкой индуктивности (1) и передается в каскад усилителей (предусилитель и усилитель) (2), которые увеличивают силу сигнала. Далее сигнал идет на полосовой фильтр (3), состоящий из фильтра низких и высоких частот для ограничения необходимого диапазона частот речевого диапазона, на котором работают все виды микронаушников, после чего сигнал идет на триггер Шмитта (4), преобразуя форму сигнала, далее сигнал идет на соединенный  аналого-цифровой преобразователь со встроенным вычислительным модулем (5), в котором встроена программа шумоподавления и алгоритма дифференциации сигнала для его индикации. Впоследствии наличия сигнала микронаушника, программа передает сигнал на динамик (6) или наушник. Для повышения качества приема сигнала было усовершенствовано питание изобретения, где стали использоваться повышающий модуль напряжения (7) и стабилизатор напряжения (8).
Катушка индуктивности (1), соединена последовательно с каскадом усилителей (2) на выходе из которого стоят полосовые фильтры (3), затем сигнал идет на  соединенный последовательно триггер Шмитта (4), преобразуемый сигнал передается на соединенный последовательно аналого-цифровой преобразователь с вычислительным модулем (5), затем сигнал идет на соединенный динамик (6) или наушник. Питание подведено от аккумулятора через соединенный последовательно повышающий модуль напряжения (7) и соединенный последовательно стабилизатор напряжения (8).
Изобретение поясняется чертежом, который не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
Сущность изобретения поясняется примерами, которые служат лишь для обеспечения понимания заявляемого технического решения и не являются ограничивающими.
Пример 1
Согласно экспериментам в искусственных условиях, при использовании микронаушника из 25 витков провода сечением 1 мм простой аналоговый детектор (Асонов Д. Г., Дерюшев А. А. Мобильное устройство для борьбы с микронаушниками //Веб-программирование и интернет-технологии WebConf2018. – 2018. – С. 18-18.), состоящий из индуктивной катушки, усилителя низкой частоты, наушника либо динамика, показал дальность приема до 0.4 метра.
В свою очередь, цифровой детектор,  состоящий из разработанной катушки индуктивности, каскада усилителей низких частот, полосовых фильтров, триггера Шмитта, аналого-цифрового преобразователя, вычислительного модуля с программой шумоподавления и алгоритма индикации речевого сигнала, повышающего модуля и стабилизатора напряжения, батарейки, динамика или наушника, при приведенных опытах показал дальность приема 3 метра 42 сантиметра, а также имеет АЦП для оцифровки сигнала и встроенный алгоритм, позволяющий автономно определять наличие голоса без участия преподавателя.
Пример 2
На базе Новосибирского Государственного Медицинского Университета был проведен эксперимент использования изобретения на  контрольных испытаниях. На экспериментальные процедуры было предоставлено 5 устройств, которые были размещены на различные кафедры университета. Применение устройств позволило выявить студентов, которые использовали микронаушники во время экзаменов, что доказывает актуальность существующей проблемы в образовательной сфере. Участники эксперимента оценили пользу изобретения и, тем самым, подтвердили необходимость оснащения изобретением помещений, предоставляемых для проведения контрольных испытаний, поскольку преподавательский состав свидетельствовал об изменениях ответов студентов на экзаменах в связи с распространением информации о наличии специального устройства, улавливающего сигнал системы микронаушника, на следующий день после первого введения устройства на экзамены.
Пример 3
Эксперимент, проводившийся в искусственно созданных условиях, включал помещение площадью 60 кв.м, 10 столов, располагающихся на расстоянии не менее 60 сантиметров друг от друга (санпин 2.4.2.2821-10), а также 4 системы микронаушников, первая из которых включала в себя 25 витков провода сечением 1 мм с питанием от кроны с напряжением 9 вольт, вторая - 25 витков провода сечением 1 мм и оснащение Bluetooth-модулем с питанием от аккумулятора с напряжением 3.7 вольт, третья система имела 25 витков провода сечением 1 мм, представляя собой Bluetooth гарнитуру с выносным микрофоном и питанием от аккумулятора с напряжением 3.7 вольт, а четвертая система - 50 витков провода сечением 1.5 мм, была оборудована питанием от аккумулятора 3.7 вольт и выносным микрофоном. Итогом эксперимента явилась 100% возможность определения и впоследствии устранения применения всех систем микронаушников в условиях, сопоставимых с реальными на контрольных испытаниях.
Пример 4
Программа автоматического определения прошла апробацию в искусственных условиях. Устройство было установлено за партой студента, использующего микронаушник, и при включении микронаушника устройство само определяло его наличие, издавало сигнальную индикацию и включало динамики на воспроизведение принимаемого сигнала. При выключении микронаушника устройство выключает динамик и переходит в режим слежения за спектром на определения амплитудно-частотных паттернов сигналов.