KenBIT pomaga w monitorowaniu pasma sygnałów radiowych

Szerokopasmowy rejestrator radiokomunikacyjny SzRR, służący do monitorowania pasm radiowych, został wykonany przez konsorcjum w składzie: spółka KenBIT (lider) Urząd Komunikacji Elektronicznej i Wydział Elektroniki Politechniki Warszawskiej. Prace realizowano w ramach projektu rozwojowego nr. 4/2013, na które Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przeznaczyło pod koniec 2013 r. dofinansowanie w wysokości 11,5 miliona złotych.

Efektem tego współdziałania jest operacyjny zestaw, pozwalający nadzorować w jednym momencie bardzo szeroki zakres częstotliwości (do 500 MHz) i analizować wiele sygnałów, które nadchodzą w tym samym momencie – nawet wtedy, gdyby się one bardzo różniły pasmem pracy. Sama możliwość rejestracji danych daje przy tym sposobność wracania do tych emisji, które są interesujące, a z różnego powodu (np. zaangażowania operatora w inne działanie) nie mogły zostać np. przechwycone w momencie faktycznego ich odbioru.

Jest to więc rozwiązanie idealne dla systemów nadzoru emisji elektromagnetycznej, kontrolujących sposób wykorzystania dostępnych pasm częstotliwości, przez użytkowników  odpowiedzialnych m.in. za gospodarkę częstotliwościami oraz kontrolę spełniania wymagań dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej.

Rejestrator SzRR jest również idealnym rozwiązaniem dla wojskowych systemów rozpoznania radioelektronicznego, które zajmują się pod względem profesjonalnym podglądem oraz analizą widma elektromagnetycznego. Obecnie dla zabezpieczenia całego, użytecznego  zakresu częstotliwości często trzeba wykorzystywać wiele odbiorników wąskopasmowych jak i wielu operatorów jednocześnie.

Należy mieć przy tym świadomość, że zestaw SzRR to nie tylko szerokopasmowy rejestrator radiokomunikacyjny czasu rzeczywistego, ale również podsystem analizy i zobrazowania zarejestrowanych sygnałów oraz odbiornik radiowy o specjalnych, niespotykanych gdzie indziej parametrach. Okazało się bowiem, że stworzono rejestrator, który może pracować jednocześnie w szerokości pasma, jakiej nie zapewnia żadne, obecnie dostępne, odbiorcze urządzenie radiowe (które najczęściej mają pasmo rzędu kilu/kilkudziesięciu MHz).

Zdecydowano się więc stworzyć zestaw odbiorczy nie mający swojego odpowiednika na świecie. Dzięki takiemu podejściu powstał system SzRR, który pozwala na monitorowanie i rejestrację ciągłych w czasie sygnałów radiowych o szerokości pasma do 500 MHz w zakresie V/U/SHF.

Zestaw odbiorczy

Zadaniem zestawu odbiorczego jest akwizycja sygnału radiowego oraz przetworzenie go do postaci cyfrowej - pozwalającej następnie na jego bezstratną rejestrację. Zestaw ten został wykonany w dwóch wariantach: architekturze „0-IF” (o przemianie bezpośredniej) oraz o architekturze „IF”. Było to konieczne, ponieważ z powodu ograniczeń w dostępnej obecnie technologii w jednym przypadku uzyskano większą rozdzielczość (wyrażona w bitach), ale w drugim – większą częstotliwość próbkowania (wyrażoną w GS/s).

Część analogowa toru odbiorczego w obu wariantach odpowiada za selekcję, wzmocnienie oraz konwersję wybranego zakresu częstotliwości dla potrzeb przetwarzania AD.

W wersji „0-IF” stworzono odbiornik homodynowy na zakres częstotliwości od 1 do 6 GHz z układem „z pojedynczą analogową przemianą kwadraturową oraz z wykorzystaniem dwukanałowego przetwornika AD o rozdzielczości 14 bitów pracującym z częstotliwością próbkowania 1 GS/s”. Za najważniejszy problem uznano w tym przypadku opracowanie odpowiedniego rozkładu wzmocnienia oraz kontrolę zniekształceń nieliniowych wnoszonych przez poszczególne bloki urządzenia, tak aby „poprzez intencjonalną regulację wzmocnienia zapewnić możliwie optymalną akwizycję sygnału i przygotować go do dalszej obróbki”.

W przypadku odbiornika „IF” opracowano urządzenie, w którym zastąpiono układ analogowej przemiany kwadraturowej na całkowicie cyfrowym: „przemiana kwadraturowa realizowana jest w sposób cyfrowy w układzie FPGA”[przeznaczonym również do dalszej dystrybucji sygnału/danych za pomocą optycznych łączy ethernetowych]. Natomiast przetwornik AD jest przetwornikiem jednokanałowym pracującym z rozdzielczością 12 bitów (mniejszą niż w przypadku „0-IF”) i z częstotliwością próbkowania 3,6 GS/s (większą niż w przypadku „0-IF”).

Rejestrator szerokopasmowy

Transmisja sygnałów/danych do rejestratora szerokopasmowego (z przetwornika AD zestawu odbiorczego) odbywa się z wykorzystaniem sieci Ethernet z szybkością do 40 Gbit/s. By zapewnić ciągłą rejestrację danych w czasie rzeczywistym wykorzystano serwery, korzystające z oprogramowania opracowanego przez KenBIT oraz systemu operacyjnego Linuks. Każdy z tych serwerów ma możliwość zarejestrowania strumienia danych o przepływności do 800 MB/s.

W skład oprogramowania zarządzającego rejestratorem wchodzi m.in. baza danych, w której zapisywane są informacje „pozwalające zarówno na identyfikację pojedynczego nagrania (parametry, status akwizycji, itp.), jak również na synchronizację i rekonstrukcję sygnału”.

Elementem pośredniczącym pomiędzy zestawem odbiorczym, a rejestratorami jest wysokowydajny szerokopasmowy „switch”, którego zadaniem jest zarówno rozdzielenie strumienia danych do rejestracji na poszczególne serwery, jak również konwersja z łączy światłowodowych na miedziane w zależności od potrzeb (szybkości transmisji danych).

System analizy i zobrazowania sygnałów

To co zostało zarejestrowane na poszczególnych serwerach jest dostępne dla dedykowanych systemów analizy zewnętrznej, pracujących w czasie nierzeczywistym. Ich operatorzy mogą wybrać nagranie konkretnego sygnału i później, korzystając ze specjalistycznego oprogramowania zobrazować np. spektrogram wskazanego sygnału – przedstawiający ten sygnał w układzie: czas/częstotliwość. Oczywiście dla operatorów dostępne są również inne zobrazowania jak i narzędzia, pozwalające np. na wydzielenie wskazanego zakresem czas/pasmo sygnału i dalszą jego analizę.

Poszukiwanie interesujących użytkownika emisji może się odbywać również w sposób automatyczny, poprzez tzw. system automatycznego poszukiwania, z zdanymi parametrami. Wyniki takiej analizy są następnie zapisywane do bazy danych oraz zobrazowywane: zarówno w dziedzinie częstotliwości (na podkładzie spektrogramu) jak i w sposób tabelaryczny.

Artykuł opracowany na bazie informacji uzyskanych od spółki KenBIT