Архитектурно-конфигурируемые SDR-технологии радиомониторинга и телеметрии


М. С. Костин, А. Д. Ярлыков
















        АРХИТЕКТУРНО-КОНФИГУРИРУЕМЫЕ SDR-ТЕХНОЛОГИИ РАДИОМОНИТОРИНГА И ТЕЛЕМЕТРИИ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.398+621.396+004.383.3
ББК 32.884+32.973+32.842
     К72




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиоэлектронных систем и комплексов РТУ МИРЭА Куликов Геннадий Валентинович;
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий теоретическим отделом ИОФ РАН Гусейн-заде Намик Гусейнага оглы




      Костин, М. С.

К72      Архитектурно-конфигурируемые SDR-технологии радиомониторин     га и телеметрии : учебное пособие / М. С. Костин, А. Д. Ярлыков. -Москва ; Вологда, Инфра-Инженерия, 2021. - 148 с.
           ISBN 978-5-9729-0599-7

     Даны ключевые понятия, термины и определения, радиотехнические характеристики и параметры средств радиосвязи. Рассматриваются практические решения архитектурного проектирования и моделирования SDR-систем посредством визуального программирования в среде GNU Radio. Приведены типовые задания по созданию проектов SDR-систем в программном обеспечении SDRSharp и GNU Radio с примерами решений и ответами.
     Для студентов и аспирантов, изучающих программный радиомониторинг, радиотехнику и программно-конфигурируемые системы радиосвязи. Может быть использовано студентами смежных направлений подготовки в рамках изучения курса радиомониторинга и телеметрии.

                                          УДК 621.398+621.396+004.383.3
ББК 32.884+32.973+32.842









ISBN 978-5-9729-0599-7

     © Костин М. С., Ярлыков А. Д., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...................................................5

1. SDR-ТЕХНОЛОГИИ И ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА РАДИОСИГНАЛОВ..............................................7
  1.1. Ключевые понятия, термины и определения, радиотехнические характеристики и параметры радиосвязи.......................7
  1.2. Классификация и описание модулированных радиосигналов.17
  1.3. Аналого-цифровое преобразование, цифровая обработка и фильтрация сигналов......................................21
  1.4. SDR-архитектура. Программно-определяемый радиосканер USB RTL-SDR на базе тюнера RTL2832 и его характеристики....27

2. ИНТЕРАКТИВНЫЙ РАДИОМОНИТОРИНГ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РАДИОВЕЩАНИЯ В ПРОГРАММНООПРЕДЕЛЯЕМОЙ СРЕДЕ SDRSHARP..................................35
  2.1. Инсталляция и знакомство с программно-определяемой средой SDRSharp..........................................35
  2.2. Регистрация и анализ данных SDR-устройств в программной среде SDRSharp.............................44
  2.3. Программный радиомониторинг, анализ и радиочастотные измерения каналов эфирного радиовещания в программноопределяемой среде SDRSharp................................47

3. АРХИТЕКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ SDR-СИСТЕМ ПОСРЕДСТВОМ ВИЗУАЛЬНОГО
ПРОГРАММИРОВАНИЯ В СРЕДЕ GNU RADIO...........................53
  3.1. Знакомство со средой визуального программирования программно-определяемых SDR-систем GNU Radio.............53
  3.2. Управление и настройка параметров SDR-модулей (блоков) в среде GNU Radio..........................................56
  3.3. Правила архитектурного проектирования, создание, компиляция, сохранение проекта в среде GNU Radio, а также трансляция проекта в программный листинг на языке Python......................71


3

  3.4. Визуальное программирование и моделирование радиотехнических блок-схем в среде GNU Radio.........73
  3.5. Настройка режимов моделирования регистрации сигналов
  в среде GNU Radio...................................80
  3.6. Архитектурное проектирование и анализ программноопределяемого ЧМ- и АМ-приемника на базе тюнера RTL2832
  в среде GNU Radio...................................83

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ...............................89
ПРИЛОЖЕНИЕ. ЧАСТОТНАЯ СЕТКА УКВ   РАДИОВЕЩАНИЯ.......142
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................144
СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНЫЕ РЕСУРСЫ.............144

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Программно-определяемые радиотехнологии (Software Defined Radio -SDR) - IT направление в радиотехнике, позволяющее на уровне программного проектирования создавать архитектуру и управлять параметрами и настройками радиочастотных устройств при помощи средств программирования.
     Сегодня программно-определяемые радиотехнологии вызывают большой интерес у исследователей и разработчиков современных устройств радиосвязи, радиомониторинга и телеметрии. Такие устройства отличаются возможностью реализации функций радиофизического уровня программным способом, что обеспечивает осуществление обработки различных типов сигналов без изменения аппаратной схемотехнической части радиоэлектронного изделия. С появлением доступных и гибких в управлении радиоприемных устройств интерес к SDR-технологии возрос еще больше, поскольку она позволяет создать SDR-системы, работающие в широкополосном радиочастотном диапазоне.
     Не менее важным при проектировании и моделировании SDR-устройств является выбор и практическое освоение специализированного программного обеспечения, позволяющего создавать проекты программно-конфигурируемых средств радиомониторинга и телеметрии.
     Учебное пособие имеет профильную направленность, ориентированную на формирование у обучающегося необходимых знаний и умений для успешного развития в направлении дальнейшей деятельности в области программного радиомониторинга и архитектурного проектирования SDR-систем посредством визуального (блочного) программирования USB RTL-SDR тюнера RTL2832 -цифрового приемника.

5

     Пособие состоит из трех тематических разделов, а также приложения практических заданий с примерами решений и ответами.
     В первом разделе сформулированы ключевые понятия, термины и определения, радиотехнические характеристики и параметры средств радиосвязи. Приведены основные сведения о параметрах и характеристиках USB RTL-SDR радиосканера на базе тюнера RTL2832.
     Второй раздел посвящен интерактивному радиомониторингу и спектральной визуализации каналов эфирного радиовещания в программно определяемой среде SDRSharp с использованием RTL-SDR радиосканера.
     В третьем разделе рассмариваются практические решения архитектурного проектирования и моделирования SDR-систем посредством визуального программирования в среде GNU Radio на базе RTL-SDR радиосканера.
     В приложении учебного пособия приведены типовые задания по созданию проектов SDR-систем в программном обеспечении SDRSharp и GNU Radio с примерами решений и ответами.

6

            1. SDR-ТЕХНОЛОГИИ
            И ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА РАДИОСИГНАЛОВ


    1.1.    Ключевые понятия, термины и определения, радиотехнические характеристики и параметры радиосвязи

     Радиотехника - область радиоэлектроники, изучающая методы и средства передачи, преобразования и получения информации с помощью радиоволн.
     Радиоволна - возмущенное электромагнитное поле (электромагнитное колебание), распространяющиеся в пространстве со скоростью света c, равной 300 000 км/сек. Радиоволны охватывают волновой диапазон от 1 мм до 100 км или же эквивалентный частотный диапазон от 3 кГц до 300 ГГц (рис. 1).
     Наиболее известное практическое применение радиоволн - средства телерадиовещания, радиосвязи, навигации и радиолокации.
     Радиосвязь - технология беспроводной передачи информации (радиосигналов), где в качестве информационного носителя используются радиоволны, которые могут свободно распространяться в пространстве.
     Радиосигнал - радиоволна, преобразованная при помощи радиотехнических решений для передачи информации на расстояние в воздушном пространстве.
     Радиоволны характеризуются тремя основными радиотехническими параметрами: длина волны Z, радиочастота f и мощность переносимой энергии W.


7

      Длина радиоволны X - расстояние, которое проходит электромагнитное колебание за время одного периода, распространяясь со скоростью света с. Единица измерения длины радиоволн - [мм, см, дм, м, км].
      Однако в радиотехнике наиболее удобнее оперировать радиочастотой f - числом колебаний радиоволны за единицу времени, поскольку длина радиоволны, также, как и ее фазовая скорость v ф, является величиной, зависящей от параметров среды (магнитная и диэлектрическая проницаемость), в которой она распространяется. В то же время радиочастота не зависит от свойств среды, поскольку нивелируется отношением фазовой скорости радиоволны к ее длине - f = v ф / X. Единица измерения радиочастоты - [кГц, МГц, ГГц].
      Мощность переносимой энергии W - мощность радиосигнала, передаваемая антенной в радиоэфир. Единица измерения мощности - [кВт, Вт, мВт, мкВт]. Мощность измеряется также в относительных величинах - [дБ, дБм].
      Шкала радиоволн перекрывается радиодиапазонами (полосами) и приведена на рис. 1 и в таблице 1.


Рис. 1. Радиодиапазоны и области их применения

8

Радиодиапазоны и области их применения

Таблица 1

  №    Полоса    Название  Диапазон    Название       Основные области   
полосы частот*    полосы   длин волн   диапазона         применения      
                  частот                                                 
                  Очень                                Служба точного    
4        3.30     низкие   100.10 км Мириаметровые  времени, радиосвязь  
         кГц    (ОНЧ, VLF)                              с подводными     
                                                          лодками        
        30.300    Низкие                               Радиовещание,     
5        кГц     (НЧ, LF)   10.1 км  Километровые    радиосвязь земной   
                                                     волной, навигация   
         300.   Средние      1000.                      Радиовещание     
6      3000 кГц (СЧ, MF)     100 м   Гектометровые  и радиосвязь земной  
                                                    волной и ионосферная 
                                                        Радиовещание     
                                                        и радиосвязь     
         3.30   Высокие                                 ионосферная,     
7        МГц    (ВЧ, HF)   100.10 м  Декаметровые      загоризонтная     
                                                       радиолокация,     
                                                       радиостанции,     
                                                      радиомониторинг    
                                                        Телевидение,     
                  Очень                                радиовещание,     
8       30.300   высокие    10.1 м   Метровые            радиосвязь      
         МГц    (ОВЧ, VHF)                         тропосферная и прямой 
                                                   волной, радиостанции, 
                                                      радиомониторинг    
                                                        Телевидение,     
                                                         радиосвязь      
                                                   тропосферная и прямой 
                                                     волной, мобильная   
                                                         телефония,      
                 Ультра-                               радиостанции,     
9        300.    высокие    10.1 дм  Дециметровые        медицина,       
       3000 МГц (УВЧ, UHF)                          микроволновые печи,  
                                                   спутниковая навигация,
                                                       радиосенсорная    
                                                        телеметрия,      
                                                      радиомониторинг,   
                                                         технологии      
                                                     беспроводной связи  

9

Окончание таблицы 1

  №    Полоса        Название   Диапазон       Название        Основные области    
полосы частот*        полосы    длин волн      диапазона          применения       
                      частот                                                       
                                                                 Радиолокация,     
                                                             интернет, спутниковое 
                                                                 телевещание,      
                                                                 спутниковая-      
          3.30        Сверх-                                  и радиосвязь прямой  
10         ГГц       высокие    10.1 см     Сантиметровые    волной, беспроводные  
                    (СВЧ, SHF)                                компьютерные сети,   
                                                                 радиовидение,     
                                                                радиосенсорная     
                                                                  телеметрия,      
                                                                радиомониторинг    
                                                               Радиоастрономия,    
                                                               высокоскоростная    
                                                             радиорелейная связь,  
                                                                 радиолокация      
                      Крайне                                  (метеорологическая,  
11       30.300      высокие    10.1 мм     Миллиметровые         управление       
           ГГц      (КВЧ. EHF)                                   вооружением),     
                                                             медицина, спутниковая 
                                                                  радиосвязь,      
                                                                 радиовидение,     
                                                                радиосенсорная     
                                                                  телеметрия       
          300.        Гипер-                 Децимиллимет-       Высокоточное      
12      3000 ГГц     высокие    1.0,1 мм         ровые           тепловидение      
                    (ГВЧ, THF)                                                     
*Полосы частот включают наибольшую и исключают наименьшую частоту, а диапазоны      
длин волн включают наименьшую длину и исключают наибольшую.                         

     Радиочастотный диапазон - это граничная область радиочастот, имеющая конкретное полосовое радиочастотное разделение по применению, а также электродинамическим условиям распространения радиоволн (рис. 2). При этом полосы частот включают наибольшую и исключают наименьшую частоту.
     Применительно к радиосвязи и телерадиовещанию отдельно выделяют:
     •  длинноволновый (ДВ)-диапазон (30.300 кГц);
     •  средневолновый (СВ)-диапазон (300 кГц.3 МГц);

10

     •  коротковолновый (КВ)-диапазон (3.50 МГц);
     •  ультракоротковолновый (УКВ)-диапазон (64.108 МГц);
     •  дециметровый (ДМВ)-диапазон (0,3.. .3,0 ГГц);
     •  диапазон цифровых стандартов связи (400.30 ГГц).



Рис. 2. Электродинамические условия распространения радиоволн

     В зависимости от типа диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:
     •  Радиоволны ДВ-диапазона сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.
     •  Радиоволны СВ-диапазона сильно поглощаются ионосферой днем, и район действия СВ определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отраженной волной.


11

     •  Радиоволны KB-диапазона распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует зона радиомолчания. Днем лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью - более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большие расстояния при малой мощности передатчика.
     •  Радиоволны УКВ-диапазона распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой, однако при определенных условиях способны огибать земной шар из-за разности плотностей воздуха в разных слоях атмосферы. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность, находят активное применение во всех видах наземной радиосвязи.
     •  Радиоволны ДМВ-диапазона и сантиметрового диапазона не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости. Используются в цифровых стандартах радиосвязи, как, например, GSM, WiFi, LTE, WiMax, UWB, Bluetooth, 4G, а также в системах спутниковой связи, в том числе в системах ГЛОНАСС, GPS, Galileo и т. д.
     Принцип формирования радиосвязи следующий: выбирается несущая радиочастота из конкретного радиочастотного диапазона в зависимости от заданных условий возможного распространения радиоволн, которая служит основой для передачи информации (голосовой речи, музыки, изображения, текстового сообщения и т. д.), а затем на нее накладывается сам передаваемый сигнал при помощи модуляции.
     Модуляция - видоизменение заданных радиотехнических параметров (одного или нескольких) сигнала несущей радиочастоты при воздействии на него сигнала передаваемой информации. Таким образом, радиосигнал несущей частоты принято называть модулируемым сигналом, а сигнал информации -модулирующим сигналом.
     Необходимость формирования радиосигнала высокой несущей частоты и его последующая модуляция обусловлена тем, что в системах радиосвязи сиг

12