Маршрутный регистратор системы передачи данных

Метою кодування мови є використання надмірності сигналу, структури сигналу і знань про особливості людського сприйняття для використання різних швидкостей передачі даних зі збереженням при цьому максимально можливої якості сигналу. При оцінці продуктивності кодера мови більш підходять суб'єктивні вимірювання якості, ніж об'єктивні, наприклад, по відношенню сигнал / шум або середньоквадратичної помилки. Втім, надійні значення суб'єктивних вимірів, як правило, важче отримати.

З суб'єктивних вимірів, що використовуються як стандарт якості послуг, найбільш поширеним є усереднена оцінка чіткість мовлення (mean opinion score - MOS), яка встановлюється на основі суб'єктивного тестування. Для вимірювань параметра MOS групу суб'єктів просять прослухати зразок кодованої мови і оцінити його за п'ятибальною шкалою. Для підвищення надійності результатів тест проводиться декілька разів, з різними зразками мови та різними групами слухачів. Шкала MOS використовується в безлічі специфікацій як стандарт якості.

Великій виграш можна отримати, зазначивши що мовні  сигнали змінюються відносно повільно, тому можливо достатньо точно оцінити, або передбачити значення К-го відліку на основі значення попередніх відліків. Для оцінки К-го відліку m`(k) потрібно передати різницю d`(k)=m(k)-m`(k). Якщо використовувати достатньо точну оціночну функцію, то ця різність буде меншою різниці двох послідовних відліків. На приймачі, де використовується така ж оціночна функція, вхідне значення різниці буде додано до оцінки попереднього відліку, таким чином буде оцінений відлік. Цей принцип покладено в основу диференціальної імпульсно-кодової модуляції.

Продуктивність  диференціальної імпульсно-кодової  модуляції можна підвищити використовуючи адаптивні методи передбачення та квантування, які дозволять пристрою передбачення та квантування адаптуватися до змінних  характеристик мови що кодується.

На рисунку 2.4 показана спрощена схема передавача та приймача ADPCM. Передавач перетворює потік мови зі швидкістю 64 кбіт / с в стислий потік зі швидкістю 32 кбіт / с. Адаптивний пристрій передбачення використовує не тільки значення попередніх вихідних даних, а й значення попередніх квантованих різниць. У пристрої передбачення і в пристрої квантування параметри алгоритмів регулюються динамічно, в залежності від статистичних властивостей попередніх вибірок.

 

 Рисунок 2.4 – Спрощена схема передавача та приймача ADPCM

 

Адаптивний пристрій передбачення є комбінацією рекурсивного фільтру  другого порядку, та нерекурсивного фільтру шостого порядку. Це можна  представити у вигляді формули:

 

                 (2.4)

 

Коефіцієнти А та В обновлюються за допомогою алгоритмів адаптації  до швидкості зміни відліків S(k) та d(k). Таким чином адаптивний пристрій передбачення налаштовується на зміну  швидкості вимірювання різностей  відліків, а також на швидкість  зміни оціночних значень сигналу.

Далі потік сформований ADPCM кодером потрапляє на модулятор, структурна схема якого зображена на рисунку 2.5.

 

 

Рисунок 2.5 – спрощена схема GFSK модулятора

 

Фільтр Гауса використовується для згладжування різких переходів напруг маніпуляції, що звужує смугу частот, що займає промодульований сигнал.

Для декодування використовується звичайний частотний детектор.

Слід зазначити, що якщо індекс модуляції дорівнює 1 / 2 і забезпечується когерентна демодуляція із згладжуванням, то даний вид модуляції може бути перетворений у GMSK. Таким чином, принципово в DECT може бути використана і GMSK-модуляція, однак щоб не ускладнювати абонентські приймачі, когерентні методи демодуляції / модуляції сигналів в DECT зазвичай не використовуються.

 

2.3 Аспекти безпеки передавання  даних в стандарті DECT

 

Перелік стандартних послуг та процедур по забезпеченню безпеки в стандарті DECT включає в себе прописку РКМ, аутентифікацію РКМ, аутентифікацію БС, взаємну аутентифікацію РКМ та БС, аутентифікацію користувача, шифрування даних.

Прописка в DECT це процес завдяки  якому система допускає окремий  РКМ до обслуговування. Оператор мережі, або сервіс-провайдер забезпечує користувача РКМ секретним ключем прописки (PIN-кодом), який повинен бути введений як в РКМ так і в БС. До того як РКМ ініціює процедуру фактичної прописки вона повинна також знати ідентифікацію БС, в якій вона повинна прописатися. Час проведення процедури зазвичай обмежений, і ключ прописки може бути використаний лише один раз, це робиться для того, щоб мінімізувати ризик несанкціонованого використання. РКМ може бути прописаний в кількох базових станціях. РКМ можуть підключатись тільки до тієї мережі, в яку в них є права доступу.

Аутентифікація РКМ може виконуватись як стандартна процедура при кожному встановлення зв’язку. Під час сеансу аутентифікації БС перевіряє ключ не передаючи його по ефіру. Принцип не розкриття ідентифікаційної інформації полягає у наступному: БС посилає РКМ випадкове число, яке називається "запит”. РКМ вираховує «відповідь» комбінуючи аутентифікаційний ключ з прийнятим «запитом» та передає «відповідь». БС також розраховує «очікувану відповідь» та порівнює її з отриманою «відповіддю». В результаті порівняння виконується або встановлення зв’язку, або роз’єднання. Для того щоб вкрасти аутентифікаційний ключ необхідно знати алгоритм виявлення ключа з «запиту» та «відповіді». Цей зворотній алгоритм потребує величезної комп’ютерної потужності [3].

В усіх описаних  процедурах аутентификаційна відповідь розраховується по аутентификаційному запиту та ключу аутентификації відповідності до стандартного алгоритму DSAA (DECT Standard Authentication Algorithm), або іншого алгоритму, що відповідає вимогам безпеки зв’язку. Алгоритм DSAA є конфіденційною інформацією та поставляється по контракту з ETSI. Використання іншого алгоритму буде обмежувати можливості абонентських станцій, тому що виникнуть складнощі при роумінгу в мережах DECT.

Такий же принцип може бути застосований і до даних користувача, наприклад  до передачі мови. Під час аутентифікації обидві сторони також прораховують ключ шифрування. Цей ключ використовується для шифрування даних, що передаються по ефіру. Отримувач використовує той же ключ для дешифрування інформації. В DECT процес шифрування є частиною стандарту, хоча і необов’язковою.

 

3 Розробка та комп’ютерне  моделювання рухомого комунікаційного  модуля

3.1 Розробка структури рухомого  комунікаційного модуля та вибір  елементної бази

 

Функціонально мобільний модуль виконаний  у вигляді блоку мікроконтролера (БМК) до якого підключена антена, давачі різних типів з двопроводовим, або чотирьохпроводовим інтерфейсом та радіомодуль. Виконавчі пристрої підключаються до виходів типу відкритий колектор. Для комутації потужного навантаження передбачені релейні виходи.

БМК періодично опитує давачі, та відсилає зняті данні до центрального охоронного пульту за допомогою радіомодуля. До нього також приєднані дисплей та клавіатура, які призначені для налаштування системи, введення паролів та відображення інформації про стан системи. В якості сигналізації використовується підсилювач звукових частот (ПЗЧ) та звуковідтворювач (акустична система), які використовуються також для мовного зв’язку.

 

Рисунок 3.1 - Структура РКМ

 

Давачі підключені безпосередньо до порту мікроконтролера. Обмін даними між радіомодулем DECT та блоком керування відбувається за допомогою інтерфейсу RS-485.

Мікроконтролер - мікросхема, призначена для керування електронними пристроями. Типовий мікроконтролер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, може містити ОЗУ і ПЗУ. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми, замість цілого набору, як у випадку звичайних процесорів, що застосовуються в персональних комп'ютерах, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Сам по собі мікроконтролер нічого не вміє робити. Для нього потрібно написати програму, виконуючи яку, він зможе керувати електронним пристроєм. Після того, як програма написана і відкомпільована, її потрібно завантажити в пам'ять мікроконтролера за допомогою програматора. Після подачі живлення він відразу ж почне її виконання [22].

В таблиці 3.1 наведено основні параметри  деяких  
мікроконтролерів [22,23,24].

 

Таблиця 3.1 – Основні параметри  мікроконтролерів

Тип мікросхеми	ATmega64	DSP56F80	РІС18F46К22
Розмір Flash пам’яті (кБ)	64	128	64
Кількість портів I/O	6	14	5
Швидкодія (MIPS)	20	40	16
Напруга живлення (В)	1,8-5,5	1,8-5,5	1,8-5
Розрядність АЦП	10		10
Розрядність	8	32	8

 

Враховуючи достатню швидкодію, відносно невелику вартість та достатню кількість  портів вводу/виводу оберемо мікроконтролер  РІС18F46К22.

В якості радіомодуля оберемо мікросхему HW86010. Радіомодуль характеризується наступними параметрами [6].

1. Температурний діапазон: -10 - +50°С;
2. Напруга живлення: 3-5В;
3. Струм споживання: 300 мА при 500 кБод;
4. Робоча частота: 1,88-1,9 ГГц;
5. Потужність передавача: 250 мВт;
6. Інтерфейси: RS-485, I²C, ІКМ, шина даних;
7. Антена: дві вбудовані, роз’їм для підключення зовнішньої антени;
8. Радіус передачі: 300м на відкритому просторі, 60м в приміщенні.

3.2 Розробка підсилювача звукових частот

 

ПЗЧ буде використовуватись  для підсилення мовного сигналу або сигналу тривоги, тому йому необов’язково мати прецизійні характеристики. В даній системі навантаженням ПЗЧ виступає акустична система, номінальна вихідна потужність якої розраховується за формулою [16]:

 

                                                 (3.1)

 

де  - вихідна потужність підсилювача.

Для забезпечення мовного зв’язку  достатньо забезпечити вихідну  потужність на рівні 5 Вт. отже . Відповідно оберемо коефіцієнт 2.

Підставивши у (3.1) числові значення визначимо вихідну номінальну потужність ПЗЧ:

 

                                         (3.2)

 

Визначимо коефіцієнт підсилення ПЗЧ  за виразом:

 

                                                       (3.3)

 

де U_вих – напруга на виході ПЗЧ;

U_вих – напруга на вході ПЗЧ (1 В).

 

Напругу на виході ПЗЧ розрахуємо за виразом

 

                                             (3.4)

 

де R_н – активний опір акустичної системи.

 

Підставивши у (3.4) числові значення, отримаємо:

 

                                         (3.5)

 

Підставивши у (3.3) числові значення, отримаємо:

 

                                            (3.6)

 

В якості операційного підсилювача  вибираємо мікросхему OPA227. Це малошумний операційний підсилювач. Без ВЗЗ  сигнал підсилюється на 160 дБ. Коефіцієнт гармонік мікросхеми не перевищує 0,01%. На рисунку 3.2 зображено схему стандартного включення мікросхеми.

Резистор, що формуватиме вхідний  опір підсилювача оберемо 600 Ом згідно завдання. Отже резистор R буде типу С2-27-1 Вт-620 Ом 5%.

 

 

Рисунок 3.2 – Стандартне ввімкнення мікросхеми OPA227

 

Розрахуємо розділовий конденсатор  у відповідності до вхідного  опору підсилювача та необхідного  завалу за виразом:

 

 

Підставивши у вираз (2.1) числові  значення, отримаємо:

 

 

Отже обирається конденсатор С  К52-1-100 В-510 нФ.

             Резистор R1, що номіналом у декілька  кОм. Оберемо в якості резистора  R1 елемент С2-27-1 Вт-22 кОм 5%.

Номінал резистора R2 розрахуємо за виразом [20]:

 

                               (3.7)

 

Оберемо в якості резистора R2 елемент  С2-27-1 Вт-100 кОм 5%. 

Конденсатор С1 розраховується відповідно до необхідного завалу на 3  дБ або 1,6 за виразом [20]:

 

,                                                      (3.8)

 

де М – необхідний завал (в  нашому випадку 1,6 раза);

f_в – верхня частота вхідного сигналу (в нашому випадку 3,4 кГц).

Підставивши у (3.8) числові значення, отримаємо:

 

                  (3.9)

 

Обираючи з стандартного ряду номінальних  ємностей, приймемо С1    К21-7-250 В-2,2 нФ.

Розрахуємо співвідношення сигнал/шум  даного ОП за виразом:

 

                                           (3.10)

 

де  - густина шуму даного ОП (в нашому випадку ) [4].

Підставивши у (3.10) числові значення, отримаємо:

 

                        (3.11)

 

Отже підсилювач забезпечує достатнє значення сигнал/шум.