Получение и анализ сигналов от радиоканальных систем сигнализации с использованием SDR приемника

868 МГц. В продаже существуют охранные системы, которые могут работать на частотах диапазона 433 МГц, так и диапазона 868 МГц.2,4 ГГц. Данный частотный диапазон используется намного реже, на данной частоте работают беспроводные системы Bluetooth, Wi-Fi и т. д.В приемнике RTL2832 возможен прием частот в диапазоне от 24 МГц до 1700 МГц. Примеры частотных планов для RTL2832 приведены в табл.2.1 и табл.2.2.Таблица 2.1 – Частотная сетка RTL2832 «европейский» PMRТаблица 2.2 – Частотная сетка RTL2832 LPD диапазонаСамым распространенным в беспроводных системах сигнализаций как было выше описано является диапазон 433 МГц. Множество беспроводных датчиков работает именно в этом диапазоне, который мы и можем выбрать в данном проекте.Рассмотрим возможности приёма сигнала при помощи SDR приёмника на примере радиоканальной системы сигнализации Риэлта Ладога-РК.Основные особенности системы Ладога-РК [20]:Двусторонний радиообмен в протоколе «Риэлта-Контакт-Р»Динамическое кодирование информации, передаваемой по радиоканалуЗащита от подмены извещателейДиапазон частот от 433,05 до 434,79 МГцРазделение канала на 4 частотные литерыАвтоматический переход на резервную частоту при сложной помеховой обстановкеПростота инициализации извещателейВозможность изменения периода выхода в эфирДальность действия – до 1000 мНаличие основной и резервной батареиПродолжительность работы от батарей до 10 летПоддержка ретрансляцииИнтеграция с различными ПКП, использование на объектах разной информационной емкостиШаг сеткиЛадога-РКЧастотные литерыЛадога-РК: 433,05 МГц433,63 МГц434,21 МГц434,79 МГцТип модуляции Ладога-РК – ЧМ (частотная модуляция).Для выбора типа модуляции в программном обеспечении SDR# определяется на вкладке «Радио» (см. рис.2.11). Здесь можно выбрать, какой тип режима демодуляции должен использовать сигнал на текущей настроенной частоте.Рисунок 2.11 – Вкладка «Радио» в SDR#Таблица 2.1 – Параметры вкладки «Радио»РежимРасширение аббревиатурыОбъяснениеNFMУзкополосная частотная модуляцияОбычно используемый режим, используемый рациями, метеорологическими радиостанциями и большинством цифровых сигналов VHF/UHF.BFMШирокополосная частотная модуляцияЭто режим, который используют вещательные FM-станции (например, музыкальные радиостанции).AMАмплитудная модуляцияИспользуется вещательными AM-станциями, которые принимаются обычными коротковолновыми радиоприемниками, а также используются голосовыми частотами эфирного диапазона, используемыми самолетами и службами управления воздушным движением. Некоторые цифровые сигналы также используют AM.LSB/USBНижняя боковая полоса / Верхняя боковая полосаИспользуется в диапазоне HF пользователями радиолюбителей для эффективной передачи голоса и данных с небольшой полосой пропускания.CWНепрерывная волнаИспользуется для прослушивания азбуки Морзе.DSWДвойная боковая полосаАналогично использованию AM, но требует настройки по центру.RAWНеобработанный сигнал IQИспользуется для прослушивания или записи данных RAW IQБольшинство беспроводных датчиков используют узкополосную FM модуляцию, что обеспечивает лучшую экономию электроэнергии в сравнении с амплитудной, потому выберем тип модуляции – NFM. Для настройки звуковых сигналов (звука или звукового оповещения) в программе SDR# используется вкладка «Аудио». Эта вкладка позволяет настроить параметры, связанные с обработкой звука (рис.2.12).Рисунок 2.12 – Вкладка «Аудио» в SDR#Таблица 2.2 – Параметры вкладки «Аудио»ПараметрРекомендуемое значение по умолчаниюОбъяснениеSamplerate (Частота дискретизации) 48000Устанавливает частоту дискретизации вашей звуковой карты. Некоторое программное обеспечение для декодирования может потребовать установки определенной частоты дискретизации. Обычно значение по умолчанию подходит для общего прослушивания. Обычно это неактивно, если не используется SDR на основе звуковой карты.Input(Вход)Звуковая картаОпределяет входную звуковую карту при использовании SDR# с источником «Другое (звуковая карта)». Используется в основном с программно-определяемыми радиостанциями на основе звуковой карты. При обычном использовании с RTL-SDR это не нужно устанавливать.Output(Выход)Компьютерные колонкиУстанавливает устройство вывода звука. По умолчанию он настроен на ваши динамики. Если вы передаете аудио в программу-декодер здесь, вы должны выбрать свой виртуальный аудиоканал (кабель VAC/VB) для отправки аудио.Gain(Усиление)ВЫКЛЮЧЕННЫЙОбычно этот флажок не установлен, так как он устанавливает усиление звука на 0 дБ.Filter Audio(Фильтр аудио)ВклУлучшает голосовые сигналы, фильтруя звук, удаляя высокочастотное шипение и постоянный шум. Обычно должен быть выключен при декодировании цифровых сигналов, но может помочь в некоторых случаях при наличии значительного смещения постоянного тока.Для настройки параметров отображения в программе SDR# используется вкладка «Дисплей». Эта вкладка позволяет настроить параметры, связанные с обработкой звука (рис.2.13).Рисунок 2.13 – Вкладка «Дисплей» в SDR#Таблица 2.3 – Параметры вкладки «Дисплей»ПараметрРекомендуемое значение по умолчаниюОбъяснениеВидОбеНастройте его на просмотр и РЧ-спектра, и водопада, или только одного из них, или вообще ничего. Удаление водопада может быть полезно на старых ПК с медленным оборудованием.ОкноБлэкман-Харрис 4Устанавливает тип оконного алгоритма для использования в БПФ, по умолчанию Blackman-Harris 4 является лучшим в большинстве случаев.разрешение32768Увеличение разрешения повысит качество того, как сигнал выглядит на ВЧ-дисплее и водопаде. Использование более высокого разрешения может оказаться полезным при точной настройке, так как высокое разрешение позволит вам более четко видеть пики и структуру сигнала. Имейте в виду, что высокое разрешение может замедлить работу вашего ПК и вызвать проблемы, особенно с одноядерными машинами. Как правило, следует использовать значение не менее 32768, если ваш компьютер может его обработать.Маркеры времениВЫКЛЮЧЕННЫЙДобавляет маркеры времени на дисплей водопада, чтобы вы знали, в какое время транслировался конкретный сигнал.Градиент Позволяет настроить цвета, используемые в отображении водопада.Марк ПиксВЫКЛЮЧЕННЫЙДобавляет круговой маркер на каждый пик сигнала в радиочастотном спектре.S-атака / S-распад Изменяет степень сглаживания и усреднения, выполняемых на дисплее спектра РЧ.W-атака / W-распад Изменяет количество сглаживания и усреднения, выполняемого в каскадном отображении.Скорость Изменяет скорость обновления радиочастотного спектра и водопада.2.3 Представление результатов прослушивания радиоэфира в зоне действия радиоканальной сигнализацииНа рис.2.10 мы можем видеть подключение приемника RTL.SDR к смартфону. Программное обеспечение SDR# может работать как с персональными компьютерами на оперативных системах Windows 8, 10, 11, OS, Linux, а также и с андроид устройствами.Рисунок 2.10 - Подключение приемника RTL.SDR к смартфонуНа рисунке 2.11 можно видеть, что активные каналы в радиоэфире в диапазоне частот передачи отображаются частотными пиками, именно так будет выглядеть сигнал на дисплее от беспроводного датчика в случае его срабатывания.Рисунок 2.11 - Прослушивание радиоэфира, вывод частотного спектраИсследование проводилось в зоне действия радиоканальной системы сигнализации Ладога-РК. Основные параметры схемы прослушивания:Расположение антенны SDR приёмника - на расстоянии 5 см. от радиорасширителя Ладога-БРШС-РК. Количество радиоканальныхизвещателей в зоне приёма радиорасширителя БРШС-РК – 6 извещателей [20]: Рассмотрим полученные результаты в интерфейсе ПО SDR#:Число извещателей – 4; -Частота передачи всех извещателей – 433,562МГцРисунок 2.12 – Прослушивание радиоэфира системы Ладога-РКРисунок 2.13 – Первый извещатель параметры: Мощность -74.8 dBFS, SNR=11.2 dBРисунок 2.14 – Второйизвещатель параметры: Мощность -77.6dBFS, SNR=8.7 dBРисунок 2.15 – Третийизвещатель параметры: Мощность -79.1dBFS, SNR=7.4dBРисунок 2.16 – Четвертыйизвещатель параметры: Мощность -80.1 dBFS, SNR=6.4 dBДля управления отображаемым частотным спектром в SDR# служит вкладка «Диспетчер частот».Вкладка «Диспетчер частот»Менеджер частот позволяет сохранять любые интересующие частоты в базе данных. Новую частоту можно добавить в базу данных, нажав кнопку «Новый». Это добавит частоту с текущей настроенной частотой и такими настройками, как полоса пропускания. Вы можете отредактировать имя частоты и поместить его в группу для удобства управления. Двойной щелчок по сохраненной записи мгновенно настроит SDR# на эту частоту и установит сохраненный режим и полосу пропускания.Если установитm флажок «Показать на спектре», то сохраненные частоты будут отображаться в радиочастотном спектре.Рисунок 2.14 – Вкладка «Диспетчер частот» в SDR#3 Анализ полученных сигналов3.1 Выделение полезного сигнала из радиоэфираПолезный сигнал принимаемый в нашем случае от беспроводных датчиков сигнализации в радиоэфире имеет достаточно широкую полосу частот около пика составляющую десятки килогерц, сигнальный пик при этом заметно выделяется на основном фоне как это видно из частотных диаграмм рис.2.10, рис.2.11. Помехи, например, импульсные помехи имеют вид одиночных импульсов что также можно видеть на вышеуказанных диаграммах. Для борьбы с разными типами помех программное обеспечение SDR# имеет ряд опций. Ниже приведем их описание.По данным прослушивания радиоэфира, видно, что период посылки извещателей составлял 10 с. Мощность на измерительном входе приемника от каждого извещателя и отношение сигнал/шум были одинаковы для каждого конкретного извещателя при каждой его посылке, а для разных извещателей имели различные значения. Таким образом были выделены четыре извещателя параметры которых зафиксированы на рис.2.12-рис.2.16.3.2 Определение помех в радиоэфиреЦифровое шумоподавлениеПолезно включать цифровое шумоподавление при прослушивании слабых и шумных аналоговых голосовых сигналов. Этот параметр уменьшает фоновый «шипящий» звук. Доступны две опции: IF и Audio. IF использует алгоритм шумоподавления для сигнала ПЧ, а параметр Аудио делает то же самое для выходного аудиосигнала. Как правило лучше работает цифровое шумоподавление ПЧ, но лучше использовать их комбинацию. С помощью ползунков контролируется сила применяемого алгоритма, а с помощью вкладки профиль оптимизируется типа НЧ сигнала (возможно звукового), который прослушивается. Варианты этого профиля: Hi-Fi, Talk, Speech, NarrowBand и пользовательский [14-15].Рисунок 3.1 – Вкладка «Audio Noise Reduction» в SDR#Подавитель шумаПодавитель шума — это алгоритм, который можно включить, чтобы уменьшить импульсный и пульсирующий шум от таких источников, как искровые разрядники. Примеры этого типа шума могут исходить от двигателей, линий электропередач, питания через Ethernet и импульсных источников питания. Аккуратное использование этой опции может помочь при приеме слабого сигнала на фоне пульсирующего шума, который чаще всего встречается в КВ-диапазонах. Подавитель шума работает, просто удаляя любые сэмплы, в которых есть большие импульсы энергии.В SDR# есть два разных типа шумоподавителя. Подавитель шума основной полосы работает во всем спектре и удаляет импульсы из частотного спектра и водопада, тогда как подавитель шума демодулятора работает только в пределах настроенной области, которая в данный момент демодулируется. Настройка параметров осуществляется в основном методом проб и ошибок. Следует перемещать ползунки, пока пульсирующий шум не исчезнет, ​​при этом следует поддерживать сигнал активным [15-16].Рисунок 3.2 – Вкладка «Baseband Noise Blanker» в SDR#3.3 Анализ полезного сигналаДля анализа и декодирования полезных сигналов в программе SDR# существует ряд плагинов и утилит. Например, в официальном руководстве по эксплуатации программного обеспечения SDR# приводятся следующие рекомендации [18]:Исследование цифровых сигналов и их декодирование с помощью специального программного обеспечения и виртуального аудиокабеля VAC. Через такой аудиокабель звук с выхода SDRSharp (или других SDR-программ) перенаправляется на внешние декодеры, представляющие принятое содержимое в понятной форме. В КВ диапазоне частот для этих целей обычно применяются программы MultiPSK, Fldigi, WSJT-X, Wefax, DReaM (1) и др., а в УКВ диапазоне — DSD+ (2), APRS [18].Таким образом для декодирования сигналов в УКВ диапазоне в котором работают беспроводные датчики можно использовать программы DSD+ (2), APRS.Однако существует и весьма популярная специализированная утилита RTL433 которая предоставляет декодеры для широкого диапазона устройств ISM-диапазона 433,92 МГц, 868 МГц, 315 МГц, 345 МГц и 915 МГц. Примеры таких устройств включают метеостанции, датчики сигнализации, коммунальные мониторы, мониторы давления в шинах и многое другое. Эта утилита и плагин для SDR# может быть скачана по адресу, указанному в [19]. Окно программы показано на рис.3.3.Рисунок 3.3 – Плагин RTL433 для SDR#Результаты декодирования сигналов датчиков плагином rtl_433 приведены на рис.3.4.Рисунок 3.4 – Декодирование данных полезного сигнала программой rtl_433На рис.3.4 видно, что программа предоставляет такие данные как:-время передачи данных;-тип датчика (сенсора);-номер канала передачи;-тип модуляции;-уровень сигнала;-данные температуры датчика, частоты передачи и др.Таким образом плагин rtl_433 может быть успешно использован для получения и декодирования данных от датчиков сигнализации.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе проводилось исследование и анализ сигналов от радиоканальных систем сигнализации с использованием SDR приемника на RTL2832 представляющим собой программно-определяемое радио. Приемник оснащен USB разъемом для подключения к стационарным персональным компьютерам, мини компьютерам, платам RaspberryPi, ноутбукам, андроид устройствам, смартфонам. Для анализа сигналов радиоэфира может быть использовано специальное программное обеспечение, в данной работе было использовано – ПО SDR#. Основные результаты по главам:В первой главеПроводился анализ современного состояния программно-определяемых цифровых радиосистем (SoftwareDigitalRadio, SDR). Приведены основные понятия технологии SDR. Проанализированы структурные схемы SDRприемо/передатчика. Приведены технические характеристики микросхемы цифрового приемника RTL2832U которая вместе с тюнером (приемником и усилителем радиосигнала с АЦП преобразователем) вместе составляет полноценные цифровой приемник программного радио RTL.SDR. Также в первой главе дана ознакомительная информация по программному обеспечению анализа сигналов RTL.SDR – SDR#.Во второй главеПриведено описание структуры и характеристик современных систем радиоканальной сигнализации, описаны типы датчиков, исследованы доступные в РФ частотные диапазоны беспроводных датчиков, определены частотные диапазоны приема сигналов приемником RTL.SDR на базе чипа RTL2832U который составляет 24 МГЦ – 1700 МГц. При этом наиболее распространенным диапазоном беспроводных датчиков сигнализаций является диапазон 433 МГц. Для чипа RTL2832U и диапазона 433 МГц приведен пример частотного плана для 8 каналов приема. Выбран тип модуляции для беспроводных датчиков – FM (ЧМ), который может быть указан в настройках SDR#. Приведена частотная диаграмма прослушивания радиоэфира в диапазоне 433 МГц.В третьей главе Проводился анализ и декодирование полезных сигналов. Приведены практические рекомендации по выделению полезного сигнала и помех в радиоэфире на частотных диаграммах, рассмотрены специальные методы борьбы с помехами с помощью программы SDR#. Далее приведены рекомендации по использованию плагинов и утилит для анализа и декодирования полезных сигналов. Одной из наиболее перспективных программ плагинов для декодирования сигналов датчиков является rtl433 предоставляющая все телеметрические данные получаемые от датчиков, позволяющая определять такие параметры как: время передачи, тип датчика (сенсора), номер канала передачи, тип модуляции, уровень сигнала, данные температуры датчика, частоты передачи и др. что позволяет получить полную информацию об их состоянии.В целом результаты выполнения дипломной работы вполне соответствуют поставленным задачам и целям.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Таттлби, WH (1999, апрель). Программно-определяемое радио: грани развивающейся технологии. IEEE PersonalCommunications, стр. 38-44.2. Бураккини, Э. (2000, сентябрь). Концепция программного радио. IEEE-коммуникации Журнал, стр. 138-143.3. Митола, Дж. (1999, август). Когнитивное радио: основанная на модели компетенция для программного радио. Королевский технологический институт, электронный ресурс, URL: http://www.ni.com/download/ni-usrp-1.0/2679/en/4. Касс, С. (2006 г., октябрь). Аппаратное обеспечение для вашего программного радио. IEEE Spectrum, стр. 53-56.5. Круз, П., Карвалью, Н.Б., и Ремли, К.А. (2010 г., июнь). Проектирование и тестирование программно-определяемых радиостанций. Журнал IEEE Microwave, стр. 83-94.6. Дхар, Р., Джордж, Г., Малани, А., и Стенкисте, П. (2006). Поддержка интегрированной разработки программного обеспечения MAC и PHY для USRP SDR. 1-й семинар IEEE по сетевым технологиям для программно-определяемых радиосетей (стр. 68–77).7. Диккенс, М.Л., Данн, Б.П., и Лейнман, Дж.Н. (2008 г., август). Проектирование и реализация портативной программной радиостанции. Журнал IEEE Communications, стр. 58-66.8. Акос, Д.М., Стокмастер, М., Цуй, Дж. Б., и Кашера, Дж. (1999, июль). Прямая полосовая выборка нескольких различных радиочастотных сигналов. IEEE Transactions on Communications, 47(7), 983-988.9. Феррейра, П.В., Диниз, П., Вейга, А., иКарнейро, М. (2012). Получение частотной характеристики цифрового радиопередатчика с использованием модуля USRP и программного обеспечения GNU Radio. Четвертая международная конференция по вычислительному интеллекту, моделированию и симуляции (стр. 243–248).10. Техническая документация микросхемы RTL2832U, URL: https://www.realtek.com/en/products/communications-network-ics/item/rtl2832u11. Руководство по SDR#, электронный ресурс, URL: https://airspy.com/downloads/SDRSharp_The_Guide_v2.2_RUS.pdf12. Джаймо, К. (2013). Принцип действия геркона. Получено 30-е Октябрь 2018 г. С https://simplisafe.com/blog/дверь-датчик-секреты13. Це, Давид и Вишванат, Прамод,Основы беспроводной связи, Издательство Кембриджского университета. 2005.14. Дербель, Фаузи, Проектирование и реализация беспроводных технологий для систем охранной сигнализации, SiemensBuildingTechnologiesFSPDEGmbH & Co. OHG.15. GSM сигнализация с беспроводными датчиками, электронный ресурс, URL: https://mysku.club/blog/aliexpress/15845.html16. Принципы работы беспроводной охранной сигнализации, электронный ресурс, URL: https://signalkaman.ru/remont/printsip-raboty-besprovodnoj-ohrannoj-signalizatsii-i-kriterii-vybora.html17. https://www.rtl-sdr.com/tag/433-mhz/18. Руководство по SDRsharp, v3.3 (сен. 2021) | Паоло Романи (PaoloRomani), IZ1MLL 19. https://github.com/marco402/Rtl_433_dll-for-plugin-SdrSharp20. Риэлта Ладога-РК, сайт производителя, электронный ресурс, URL: https://rielta.ru/radiokanal.html