Особенности проектирования программного обеспечения современного комплекса мониторинга радиоэфира

У

Особенности проектирования программного обеспечения современного комплекса мониторинга радиоэфира

Затрагиваются актуальные вопросы проецирования специального программного обеспечения, применяемого в современных многофункциональных комплексах мониторинга радиоэфира КВ и УКВ диапазонов. На основе современных подходов и принципов построения трактов приёма и аппаратной платформы в целом (концепции программно-определяемых радиосистем) определяется перечень технически реализуемых возможностей комплекса, основными из которых являются скоростной панорамный обзор в широкой полосе частот с построением панорамы частота-время и многоканальный приём узкополосных и широкополосных сигналов с возможностью изменения ряда основных параметров каналов приёма (таких как частота дискретизации принимаемых сигналов, ширина полосы фильтров, способ демодуляции). Рассматриваются вопросы обеспечения необходимой эргономики программного обеспечения с учётом специфики задач, решаемых современными комплексами мониторинга, и требуемого уровня автоматизации. Данная проблематика рассматривается на примере разработанного в НИЧ МТУСИ программно-аппаратного комплекса мониторинга систем мобильной связи КВ и УКВ диапазонов. Подробно формулируется круг решаемых комплексом целевых задач. Формулируются основные требования к функциональному составу программного обеспечения, формам ввода и отображения данных, элементам управления аппаратными средствами и их настройки, а также к алгоритмам управления техническими средствами. Исходя из выдвигаемых требований к реализации готовых программных модулей, а также текущей ситуации на рынке программных продуктов для разработки ПО, даются рекомендации по оптимальному проектированию с целью достижения комплексом мониторинга необходимых быстродействия и эргономики, а также сокращения времени разработки и дальнейшей модификации отдельных частей программного обеспечения. Даются рекомендации по выбору, разработке и применению программных библиотек, реализующих алгоритмы цифровой обработки сигналов, применяемые в комплексах радиомониторинга (оптимизированное быстрое преобразование Фурье, согласованная фильтрация и децимация сигналов) Приводится подробное описание примеров реализованных программных модулей и их возможностей, а также оценка их эффективности.

Ключевые слова: программное обеспечение, мониторинг радиоэфира, программно-аппаратный комплекс.

Виноградов А.Н.,

аспирант МТУСИ, vinogradov@srd.mtuci.ru

Терешонок М.В.,

заведующий НИЛ МТУСИ, к.т.н., доцент

Важнейшими направлениями развития современной телекоммуникационной отрасли являются создание и освоение принципиально новой техники и технологии. Активное развитие элементной базы, применяемой в современных комплексах радиомониторинга, а также стремительный рост производительности вычислительных систем, используемых в них, выдвигают ряд непрерывно ужесточающихся требований к функциональным возможностям, быстродействию и эргономике программного обеспечения. Задача проектирования современного качественного программного обеспечения комплексов радиомониторинга, несомненно, является крайне важной, так как от результата этой работы будут зависеть эксплуатационные характеристики всего комплекса в целом, определяя его конкурентоспособность по отношению к продукции ведущих отечественных и зарубежных производителей [1].

При решении задачи проектирования программного обеспечения современного комплекса радиомониторинга необходимо исхо-

36

дить из основных технических возможностей, предоставляемых используемой аппаратной платформой. На сегодняшний день наиболее перспективные решения [2] основываются на применении высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей с последующей обработкой принимаемого широкополосного группового сигнала с помощью высокопроизводительных ПЛИС и сигнальных процессоров.

Данная схема построения радиоприёмного тракта позволяет решать сразу несколько основных задач радиомониторинга:

1. Производить быстрый панорамный обзор в широкой полосе частот.

2. Осуществлять многоканальный приём узкополосных и широкополосных сигналов.

3. Выполнять сложную сигнальную обработку как непосредственно в аппаратуре, так и с помощью программно реализуемых модулей и блоков.

В общие задачи программного обеспечения комплекса радиомониторинга входят [1] отображение спектрально-временной панорамы анализируемого диапазона частот, обнаружение присутствующих там излучений, настройка узкополосных каналов приёма на выделенные частоты, запись принимаемых сигналов на жесткий диск, расчет и отображение спектров принимаемых сигналов, их демодуляция и прослушивание через звуковые интерфейсы,

технический анализ излучений с целью определения их параметров и характеристик (вид модуляции, символьная скорость и т.д.). Помимо перечисленных выше общих задач радиомониторинга можно отметить ряд специализированных задач, таких как мониторинг известных сетей и систем связи, например, сотовых либо транкинговых. Подробное описание программных модулей, реализующих эти узкоспециализированные режимы, выходит за рамки настоящей статьи, тем не менее, приводимые основные принципы разработки, несомненно, будут актуальны и для них.

При проектировании программного обеспечения комплекса радиомониторинга очень важным является правильный выбор средств разработки. Осуществлять его необходимо исходя из выдвигаемых требований к реализации готовых программных модулей. Так, можно выделить наиболее критичные к скорости выполнения вычислительных алгоритмов операции:

• выполнение операций быстрого преобразования Фурье (БПФ);

• демодуляция;

• цифровая обработка сигналов (фильтрация и т.д.).

Данные программные операции целесообразно реализовывать с использованием языков программирования и компиляторов, генерирующих высокопроизводительный код с оптими-

Т-Сотт #9-2014

т

Рис. 1. Отображение ЧВД

зацией под архитектуру современных процессоров. В настоящее время этим требованиям отвечают язык C++, среда разработки Microsoft Visual Studio и компилятор Intel C++ Compiler. Широкое признание среди разработчиков всего мира получила бесплатная, распространяемая в исходных кодах библиотека FFTW (http://www.fltw.org). Библиотека включает в себя набор функций для выполнения операций БПФ/ОБПФ с действительными и комплексными числами, может эффективно обрабатывать массивы данных произвольного размера. По результатам тестов (доступны для ознакомления на домашней странице) библиотека обеспечивает наивысшее быстродействие среди других бесплатных реализаций и является абсолютно конкурентоспособной в сравнении с коммерческими продуктами ведущих мировых производителей. Исходный код библиотеки FFTW написан на языке C, использование функций библиотеки возможно из ряда других языков программирования.

Вторым важным аспектом проектирования программного обеспечения является выбор средств разработки модулей, обеспечивающих интерфейс взаимодействия с пользователем, визуализацию результатов вычислений, отображение информации о режимах и ходе работы комплекса и т.д. Основные требования к реализации этих программных модулей можно сформулировать следующим образом:

• Развитый интерфейс взаимодействия с пользователем, использующий полный спектр элементов управления, доступных в операционной системе

• Возможность доступа к базам данных распространенных форматов

Помимо этого, немаловажной является скорость разработки и возможной дальнейшей модификации приложения. На сегодняшний день указанным критериям удовлетворяют сре-

T-Comm #9-2014

ды быстрой разработки приложений (RAD — rapid application design) Embarcadero RAD Studio различных редакций. Так, среда разработки Delphi XE текущих версий позволяет быстро создавать приложения с использованием метода визуального проектирования. Содержит средства отладки многопоточньх приложений, средства UML-моделирования, аудита кода, имеет встроенный инструментарий для профилирования производительности и автоматизации построения проекта. Обеспечивает интеграцию с централизованной системой управления версиями. В случае предпочтения языка программирования С++, разработку возможно осуществлять с использованием инструментария, предоставляемого библиотекой Qt (http://qt-project.org, http://qt.digia.com). Qt комплектуется визуальной средой разработки графического интерфейса "Qt Designer", позволяющей создавать диалоги и формы в режиме визуального программирования. Qt — полностью объектно-ориентированная библиотека, что обеспечивает легкое расширение возможностей и создание новых компонентов Отличительными особенностями библиотеки являются кросс-платформенность и мощный механизм коммуникации между объектами с помощью сигналов и слотов.

Вне зависимости от выбранного инструментария разработки, общие правила построения программного обеспечения комплекса радиомониторинга можно сформулировать следующим образом:

• Модульная структура позволяет разделить функционально-независимые блоки программы в отдельные модули;

• Использование библиотек функций цифровой обработки сигналов позволяет избежать дублирования кода и делает возможным дополнение библиотек новыми устройствами при сохранении совместимости с существующими

программами;

• Использование объектно-ориентированной модели (классы устройств, наследование, инкапсуляция, полиморфизм) позволяет максимально эффективно производить разработку;

• Максимальная унификация программного интерфейса устройств и модулей делает возможным их легкое использование и подключение к программам.

Специфика задач радиомониторинга и применяемых для него аппаратных платформ диктует разработчику определённую иерархию программных кодов, элементов управления и форм отображения информации. Так, для отображения радиообстановки в эфире наиболее удобно применять частотно-временные диаграммы (ЧВД, спектральные панорамы). Внешний вид окна, отображающего ЧВД, показан на рис. 1. В нижней части окна отображается спектр мощности сигнала, соответствующий выбранному курсором положению.

Общая спектральная панорама строится на основании операции быстрого преобразования Фурье (БПФ) с задаваемыми параметрами. ЧВД позволяет отображать энергетическую картину заданного диапазона радиочастот в координатах частота-время с помощью градаций цвета. В зависимости от выбранных настроек возможно получать различное частотное и временное разрешение (рис. 2), что немаловажно для решения отличающихся друг от друга задач радиомониторинга в разных диапазонах радиочастот.

Например, для оценки загруженности эфира в УКВ диапазоне необходимо выполнять операции БПФ над входными массивами сигнальных отсчетов с относительно небольшой размерностью, что обеспечивает возможность наблюдения значительной части искомого диапазона в окне ЧВД на экране ЭВМ. Для мониторинга эфира в КВ диапазоне более важно уделять внимание структуре передаваемых сигналов, увидеть которую можно только при больших размерностях входных массивов, что обеспечивает высокое частотное разрешение. При разработке классов, отвечающих за отображение ЧВД в программном обеспечении, необходимо принимать

^ Старт Ш 0 Сеть ОВПФ -

1048576-0,076 кГц/т

262144 - 0,305 «Гц/тЧ 1Э1072-0,610кГц|т 65536-1,220 кГц/т Й7М -2,141 кГи^т 16384 - 4,883кГц/т 8152 - 9,766 кГц/т 4096- 19,531 кГц/Т

V- Усреднение i/ Окотая функция

Рис. 2. Выбор частотного разрешения и параметров

37

т

Рис. 3. Приём и обработка сигналов

- 0

Iff f

; f [ . J Ik -

10.00000 МГц [7JT] [s] [ АН || Ш fu56 | LSB Q В*

| Эк I Юн Д 20к Д зок (о 50к I iak I гак I зоок | |" Co№tp|| ОжГ] Кн i

Рис. 4 Управление каналом приёма

ряд мер, направленных на оптимизацию хранения данных в памяти ЭВМ и быстрому доступу к ним при отображении какой-либо их части. Объем выделяемой памяти может достигать размеров нескольких гигабайт, что обуславливает необходимость разработки приложения на 64-х битной архитектуре.

Обнаруженные сигналы необходимо принять и обработать. Упрощенная схема выполня-

емых при этом последовательностей действий приведена на рис. 3.

При проектировании программного обеспечения необходимо предусмотреть возможность одновременной работы с несколькими узкополосными и широкополосными каналами приёма одновременно. Управление работой канала в этом случае можно осуществлять с помощью унифицированного элемента управле-

ния, представляющего отдельное окно программы (рис. 4).

Основными параметрами каналов приёма являются частота настройки и полоса принимаемого сигнала. Установка этих значений должна быть реализована максимально удобно для оператора. Во время приёма сигналов для визуального контроля необходимо визуализировать спектры мощности, при этом, вывод их на экран может осуществляться с прореживанием для экономии вычислительного ресурса ЭВМ.

В заключение отметим, что приведённые в статье принципы проектирования программного обеспечения успешно реализованы в разработанном в НИЧ МТУСИ программно-аппаратном комплексе мониторинга радиоэфира [3, 4]. Испытания в реальных условиях и практический опыт эксплуатации с участием ведущих экспертов в данной области подтверждают высокую эффективность разработанного программного обеспечения при решении широкого круга задач радиомониторинга.

Литература

1. Рембовский А. М. Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. — М.: Горячая линия - Телеком, 2006. — 492 с.

2. Романов Э.Ю., Иванкович М.В. Универсальный приёмник на основе высокоскоростного аналого-цифрового преобразования группового сигнала // Электросвязь. №6, Москва, 2008. — С. 37-40. — Библиогр. С.40.

3. Аджемов С.С., Виноградов А.Н., Лебедев АН, Терешонок М.В. Мониторинг систем мобильной радиосвязи: заявка 2007611856 Российская Федерация. — свидетельство 2007612088; зарег. 23.05.2007.

4. Аджемов С.С., Виноградов АН,, Лебедев АН, Терешонок М.В. Управление сигнально-параметри-ческой базой данных радиомониторинга: заявка 2007611531 Российская Федерация. — свидетельство 2007612090; зарег. 23.05.2007.

Features of approach to contemporary radio monitoring software development

Vinogradov A.N., PhD student, MTUCI, PhD Tereshonok M.V., head of scientific research laboratory, MTUCI, vinogradov@srd.mtuci.ru

Abstract. This article deals with approach to actual problems of radio monitoring software development taking into account hardware features of contemporary HF, VHF and UHF radio monitoring complexes and terms of their tasks. Based on modern approaches and principles of the receiver and the whole hardware platform (software-defined radio concept) list of technically feasible capabilities of the complex is defined. The most usable capabilities are high speed panoramic wideband spectrum view with sonogram visualization and multichannel narrow and wide band signals reception with ability to adjust a number of basic parameters of reception channels (such as sample rate of signals received, filter bandwidth, demodulation technique). The problems of efficient software ergonomics level achievement are considered, taking into account the specificity of radio monitoring tasks and required level of automation. This problem is considered as an example of the hardware-software complex for monitoring of HF, VHF and UHF mobile communication systems developed in MTUCI SRD. The range of tasks solved by the complex is formulated in detail. The article states basic requirements for the composition of the software, its graphical user interface, control and settings elements for hardware and also for the control algorithms. The recommendations are made for optimal design of the software modules, which aims at necessary performance achievement and also development and modification time reduction. This article also provides recommendations for choice, development and application of software libraries implementing the algorithms of digital signal processing such as optimized fast Fourier transform, matched filtering and sample decimation. Detailed description and efficiency estimation of implemented software modules and their capabilities is provided.

References

1. Rembovskiy A.M., Ashihmin AV., Kozmin V.A., Radio monitoring: problems, methods, tools. Moscow, 2006.

2. Romanov E.U. Universal receiver based on a high-speed analog-to-digital conversion of the wideband signal [Text], "Electrosvyaz" № 6, Moscow, 2008

3. Adjemov S.S., Vinogradov A.N., Lebedev A.N., Tereshonok M.V Mobile radio systems monitoring: request 200761 1856 Russian Federation / certificate №2007612088. 23.05.2007.

4. Adjemov S.S., Vinogradov A.N., Lebedev A.N., Tereshonok M.V. Signal-parametric database management for radio monitoring: request 200761 1531 Russian Federation / certificate 2007612090. 23.05.2007.

38 T-Comm #9-2014