Способ организации адресной обработки сигналов в системах радиоконтроля с использованием буфера данных

Радиотехника и связь

УДК 621.391

СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ АДРЕСНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ РАДИОКОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БУФЕРА ДАННЫХ

Д.А. Алексеев, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев

Анализируется проблема выявления и выделения системами радиоконтроля отдельных радиосигналов для последующей обработки. Показано, что рост ширины контролируемого диапазона частот и объема передаваемой информации, всё более активное использование кратковременных пакетных сигналов и необходимость выделения конкретной группы радиосигналов из множества им подобных требуют новых подходов к хранению и обработке данных. Обсуждаются преимущества и недостатки различных вариантов буферизации обрабатываемых потоков данных

Ключевые слова: радиоконтроль, буферизация сигналов, адресная обработка сигналов

Введение

Для повышения эффективности использования частотного спектра в современных рацио-технических системах используются всё более разнообразные способы разделения сигналов различных источников радиоизлучений (ИРИ). Одному источнику полоса частот целиком предоставляется лишь в давно введенных в эксплуатацию телевизионных, радиовещательных и иных системах. Эти системы постепенно вытесняются новыми, использующими временное, кодовое, поляризационное, фазовое и другие виды разделения источников и абонентов. При этом, естественно, ужесточаются требования к соблюдению нормативных характеристик передатчиков и приёмников, а использование одних и тех же полос частот множеством ИРИ существенно усложняет их контроль. Осуществление радиоконтроля просто всех подряд излучений в какой-то полосе частот теряет смысл; для получения практически значимых результатов требуется «привязывать» результаты измерений к конкретным источникам сигналов. Адресной обработкой сигналов называют выявление, выделение, измерение параметров сигналов, принадлежащих конкретным ИРИ, с целью решения задач радиоконтроля, таких как локализация ИРИ, использующих кодовое разделение и работающих в одной полосе частот, выделение семантической информации из сигналов, использующих динамическое выделение частотных каналов и т.д. По приведенным выше причинам при разработке современных систем радиоконтроля обеспечение возможно-

сти адресной обработки сигналов является крайне актуальной задачей.

Следует иметь в виду, что технологии и трудоёмкость выделения подлежащих обработке сигналов из потока радиоизлучений различных ИРИ могут существенно различаться. Во многих случаях для выделения сигнала от одного источника необходимо обеспечивать синхронизацию с потоком передаваемых радиосигналов, и осуществлять декодирование принимаемых пакетов данных. В других случаях требуется осуществлять сканирование по направлению или поляризации. В ряде случаев, например, при приеме сигналов аналоговой радиосети, работающей в режиме симплексной голосовой передачи, сложно, а порой невозможно программно разделить сигналы от различных источников. Здесь для осуществления адресной обработки требуется участие оператора, который по ряду признаков, таких как тембр голоса или содержание передаваемой информации может различить работу различных корреспондентов.

Если сигналы ИРИ, будут появляться в обрабатываемой полосе частот сравнительно регулярно и оценка их принадлежности контролируемому подмножеству сигналов будет занимать примерно один и того же интервал времени, то для организации адресной обработки можно рекомендовать применение ПЛИС или цифровых сигнальных процессоров. Такой подход способен обеспечить достаточную для анализируемой ситуации вычислительную эффективность и проведение обработки полученных данных в реальном времени.

Если же подлежащий контролю диапазон частот достаточно широк и охватывает разнотипные радиотехнические системы, сигналы в которых формируются асинхронно по отношению к друг другу, то поток подлежащих исследованию радиосигналов будет характеризоваться ярко выраженной нестационарностью.

Алексеев Дмитрий Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: AlekseevDA@ircoc.vrn.ru, тел. 8 (920) 4063748 Козьмин Владимир Алексеевич - АО «ИРКОС», канд. техн. наук, доцент, e-mail: kv@ircoc.vrn.ru, Токарев Антон Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: TokarevAB @ircoc. vrn.ru, тел. 8 (920) 4665525

Рис. 1. Типовой алгоритм обработки сигналов с использованием буфера данных

В подобных условиях на отдельных интервалах времени будет наблюдаться явный избыток имеющихся аппаратных ресурсов, а на других, где по стечению обстоятельств будет наблюдаться повышенное по отношению к среднему число радиосигналов, напротив, из-за нехватки вычислительных ресурсов будет резко возрастать вероятность пропуска подлежащих обработке объектов контроля. Устранить или существенно ослабить описываемое противоречие можно за счет использования буферизации сигналов.

Буферизация сигналов - это сохранение выборок сигналов в буфере большого объема (в качестве устройства хранения буфера, как правило, выступает жёсткий диск) с возможностью выполнения оперативного запроса к хранимым данным с целью извлечения интересующей информации.

Типовой алгоритм обработки сигналов с использованием буфера данных представлен на рис. 1. При буферизации данных радиоконтроля, как правило, используют принцип FIFO (First In, First Out), предполагающий циклическую перезапись данных в пределах выделенного места на диске. Данные в буфере хранятся обычно либо в форме последовательности спектральных выборок, либо в виде временных I/Q-выборок. В последнем случае возможности по отложенной обработке хранящихся данных существенно выше, однако длительность хранения подобных данных обычно на порядок меньше, так как I/Q-выборки требуют для хранения гораздо больше дискового пространства.

В частности, при одноканальной обработке и записи данных в форме спектральных выборок объем данных, записываемых в буфер за секунду, можно определить по формуле

V = K • D • F / Fb,

где K - поправочный коэффициент на объем служебных данных, необходимых для записи информации в буфер, D - объем, занимаемый отдельным элементом данных, зависящий от выбранного формата хранения (байт), F - ско-

рость панорамного анализа (МГц/с), Fb - разрешение по частоте (МГц).

К примеру, для приемника со скоростью панорамного анализа 10 ГГц/с и разрешением по частоте Fь = 25 кГц при К = 1.3, D = 2 байта типовой объем подлежащих записи данных составляет около 1 МБ/с.

При работе системы радиоконтроля в режиме пеленгования объем сохраняемых данных увеличивается, поскольку они поступают от разных антенных элементов по нескольким каналам. Расчетная формула для определения объема сохраняемых данных приобретает вид

V = К• Dp • Np • Р • /р,

где Ыр - количество элементов в антенной решетке, Dp - объем, занимаемый отдельным

элементом данных пеленгования (байт), превышающий D из (1), поскольку предполагает хранение отсчетов от двух каналов приема в комплексной, учитывающей фазы форме. Хранение отсчетов в комплексной форме требуется для обеспечения возможности расчёта пеленгов при отложенной обработке.

Для пеленгатора с антенной решеткой из Ыр = 9 антенных элементов, со скоростью панорамного анализа Р = 3200 МГц/с и разрешением по частоте р = 6.25 кГц при К = 1.1, Dp = 16 байт объем поступающих для сохранения спектральных данных составляет 80 МБ/с.

Запись 1^-выборок производится обычно без перестроения по частоте, в полосе одновременного анализа и формируемый при этом поток данных характеризуется объемом

V = К • D • р ,

где р - частота дискретизации (МГц).

Для оборудования, осуществляющего запись в буфер с р = 25,6 МГц, К = 1.3 и D = 4

байта, скорость поступления данных составит 100 МБ/с. При такой скорости поступления данных буфер размером 1 ТБ позволит сохранять 1^-выборки для временного интервала длительностью примерно в 160 минут.

й смо-па

Файл Спектр Режимы Контроллеры Сераис Окно Помощь

О Работа с буфером данных РК

_ П

_

Ш Ш 1 X

Частота, МГц Полоса, кГц

Старт, время

Длительность, с Пеленг (

СКО I

108.246988 10Э.5Э6386 103.819277 98.740964 103.890625 98.6875

Полоса: 500.0 кГц

156.626 26.10.2015 10:28:22 253.012 26.10.2015 10:28:24 120.482 26.10.2015 10:28:25 228.916 26.10.2015 10:28:31 281.25 26.10.2015 10:30:01 437.5 26.10.2015 10:30:09

Длительность: 0:00:45

10

350.4

0.5

96.2

143.5

92.2

143.5

92.2

0.4

0.6

0.4

0.6

0.4

Спектр - [Test 100-110

_ п

10:59:4611:00:2511:01:0611:01:43-

24 605040302010-о

43

43

щ

+ и

- -Ю3 1 ' щ

109.596 1 1 1 98 ЧВД | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 99 100 101 102 103 104 105 97.00-119.00 [22.00] МГц I I I I I I I I 106 107 108 109 Порог = -3 д I I I I I I I I I I I I I I I I I I 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Б КП = 0 дБ WFM(250 274.344 МГц/с

Рис. 2. Пример представления данных буфера в форме ЧВД

Сохранение в буфере спектральных данных позволяет производить спектральные измерения, определять направление прихода сигнала, проводить статистическую обработку, направленную на анализ границ сеансов связи, оценку занятости частотных диапазонов и т.п.

При записи в буфер непрерывной временной выборки данных без перестроения приёмника по частоте (при хранении 1^-выборок) становятся дополнительно возможными:

• Демодуляция сигналов;

• Технический анализ сигналов;

• Определение сетевых идентификаторов передатчиков распределенных сетей;

• Расчет местоположения ИРИ разностно-дальномерным методом (при работе средств радиоконтроля в составе системы с высокой точностью временной синхронизации).

Для визуального контроля изменений радиообстановки на основе данных, поступающих в буфер, пользователь может воспользоваться

частотно-временной диаграммой (далее ЧВД), обеспечивающей удобную возможность оценки сигналов и по длительности, и по уровню. Пример подобного представления данных приведен на рис. 2. С помощью ЧВД пользователь может вручную выделить представляющие интерес сигналы и назначить им способ последующей обработки.

Для автоматической обработки необходимо заранее определить критерии, по которым должны быть выделены сигналы: уровень, длительность передачи, вид модуляции или, к примеру, идентификатор источника сигнала. На этапе поиска для его определения будет «на лету» производиться обработка заносимых в буфер данных.

Варианты обработки хранящихся в буфере данных зависят не только от их типа, но и от возможностей оборудования, а также от условий применения: работа одиночной станции радиоконтроля или системы, состоящей из нескольких станций.

Организация адресной обработки сигналов с буферизацией данных в распределенных системах радиоконтроля предполагает параллельную буферизацию информации на различных средствах радиоконтроля, работающих по единому заданию, с последующей возможностью запросить сведения по интересующему источнику из всех баз данных всех задействованных средств. Эффективность работы распределенной системы при этом существенно зависит от точности синхронизации баз данных по времени. Точность временной синхронизации определяет минимальные длительности сигналов, с которыми сможет работать система. Рас-синхронизация может приводить к невозможности выполнения запроса на обработку представляющего интерес сигнала или к обработке иного сигнала и выдаче невалидных результатов.

Обеспечение высокоточной синхронизации между базами данных территориально распределённых средств радиоконтроля может потребовать от разработчиков немало усилий, однако базирующаяся на подобной основе адресная обработка становится в последние годы критически важной. Дело в том, что широкополосные сигналы современных радиотехнических систем нередко занимают полосы частот в десятки мегагерц, а потому и разрабатываемые средства радиоконтроля ориентированы на широкополосную обработку и характеризуются частотами дискретизации не менее 80-100 МГц. Как следует из (3), получаемые при этом потоки данных характеризуются интенсивностями в сотни мегабайт в секунду. Пересылка данных подобного объема между территориально распределенными компонентами системы контроля требует наличия стабильных, высокоскоростных каналов связи, далеко не всегда доступных на практике.

Использование же адресной обработки, базирующейся на сохранении в буфере наблюда-

емых выборок данных позволяет радикально сократить объем данных передаваемых по каналам связи, так как между частями системы передаются лишь наиболее важные, конечные результаты объемной предварительной обработки.

Заключение Использование в системах радиоконтроля буферизации данных позволяет:

• осуществлять адресную обработку излучений на основе различных признаков, в том числе таких, использование которых в режиме реального времени при существующем быстродействии аппаратуры затруднительно;

• увеличить допустимое время реакции оператора на появление сигналов в контролируемых полосах частот;

• разрабатывать территориально распределенные системы радиоконтроля, базирующиеся на адресной обработке сигналов, позволяющей за счет существенного уменьшения объема передаваемой информации реализовывать сложную распределенную обработку данных даже при использовании каналов связи с относительно низкой пропускной способностью.

Литература

1. Рембовский, А.М. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин; под ред. А.М. Рембовского. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. - М: Горячая линия-Телеком, 2012. - 640 с.

2. Ашихмин, А.В. Цифровые радиоприемные устройства семейства АРГАМАК с улучшенными техническими характеристиками / А.В. Ашихмин, В.А. Козь-мин, П.В. Першин, А.В. Поляков, А.Р. Сергиенко, А.М. Рембовский // Спецтехника и связь. - 2012. - № 1. - C. 51-61.

3. Кривцун, А.В. Использование новых возможностей комплекса радиомониторинга и цифрового анализа сигналов «Кассандра-М» для обнаружения современных специальных технических средств с передачей информации по радиоканалу / А.В. Кривцун, А.В. Захаров // "Специальная техника". - 2011. - № 5. - C. 21-30.

Воронежский государственный технический университет АО «ИРКОС», г. Москва

APPROACH TO ADDRESS DATA PROCESSING IN THE RADIO MONITORING SYSTEMS WITH DATA BUFFERING

D.A. Alekseev, V.A. Kozmin, A.B. Tokarev

The article analyzes the problem of identifying and separating certain radio signals by radio monitoring system. It is shown that it's required new approaches to data storage and processing because of the extension of radiofrequency ranges, augmentation the volume of transmitting information, the more active usage of burst signals in relation to searching and separating the specific group of signals from similar ones. The advantages and disadvantages of different systems, which use the buffering of processed data streams, are discussed

Key words: radio monitoring, data buffering, address signal processing