Автоматическая передача данных через радиоканал

[ru0aog]

Провёл условно "эфирные" испытания: приём вёлся на наклонный луч диапазона 80 м, источником сигнала являлся ГСС, работающий на отрезок провода длиной 10 см, уровень сигнала 3 В.
НЧ сигнал с выхода радиостанции заведён на плату Arduino UNO через разделительный конденсатор и цепь смещения.
Уровень сигнала регулируется ручкой громкости так, чтобы не возникало перегрузки АЦП.
.

0007.rar

(18.28 КБ) 1235 скачиваний

.
Примерно так выглядит НЧ сигнал на выходе радиостанции.
Среди шумов просматривается наличие сигнала 1 кГц, на слух тон определяется очень хорошо.
.

.
Считанные значения отсчётов с частотой сэмплирования 9 кГц, N=200, разрядность 10 бит, смещение 512

200 х9к.rar

(522 байт) 829 скачиваний

.
осцилограмма по отсчётам сигнала
.

.
Спектрограмма принятого сигнала (по кнопке "Анализ") с обработкой оконной функцией HAMMING
В реальности шумовая полка кишит перемежающимися пиками уровня до 5000, но сильный тон в 1 кГц читается довольно устойчиво.
.

.
без обработки оконными функциями сильно мешают низкочастотные компоненты
.

.

сложение сигналов.rar

(139.39 КБ) 1234 скачивания

[ru0aog]

Так, считанные пики не содержат полезной составляющей.
А если увеличить уровень входного сигнала в 2 раза, но ограничить разрядностью АЦП, т.е. усилить и подрезать?
делаю это пока в аналитическом виде на уже считанной последовательности:

200 х9к 2.rar

(523 байт) 875 скачиваний

.
на осциллограмме видно ограничение большинства пиков
.

.
думается, что некоторое ограничение имеет смысл.
Надо попробовать вариант схемы с диодами
.

[ru0aog]

Для облегчения работы цифрового детектора был собран предварительный аналоговый фильтр на ОУ
.

.
теоретическая характеристика
.

.
фактическая характеристика (по шуму эфира)
.

.
испытательные сигналы
.

[ru0aog]

Идея использовать частотный анализ для приёма сигналов RTTY по его протоколу оказалась ущербной.
Анализ требует длительного сбора данных, а протокол не предоставляет достаточно времени для этого.
Поэтому временно откладываем Гёрцеля в сторону и начинаем измерять непосредственно длительность интервалов прямоугольных импульсов.

Все RTTY-модемы имеют последним компонентом в своём составе компаратор. То есть, НЧ сигнал проходит диодный ограничитель, который срезает единичные выбросы (уровень сигнала подбирается заранее).
Далее сигнал фильтруется каскадом полосовых фильтров - выделяется нужная полоса частот.
Затем компаратором (усилитель без ООС, с большим Ку) итоговый сигнал превращается в прямоугольник.
На шумовом сигнале период импульсов постоянно меняется, при наличии полезного сигнала периоды постоянны.

Измеряя каждый период в отдельности можно получить представление о том сигнал какой частоты в данный конкретный момент времени присутствует на входе.

Нам нужно измерить и отличить частоты 1000 и 1170 Гц.
Период частоты 1000 Гц равен (1/1000)*1000000 = 1000 мкс. Полупериод 1000/2 = 500 мкс.
Для частоты 1170 Гц период (1/1170)*1000000 = 854,7 мкс. Соответственно , полупериод = 427 мкс.

Значит, нам нужно чётко отличать длительность импульса в 500 и 427 мкс. Разность в 73 мкс.

Ардуино позволяет производить отсчёт времени с квантом в 4 мкс.
Пробую написать скетч.
.

m001.rar

(1.58 КБ) 2453 скачивания

.
По входу D2 объявляю отслеживание прерываний - сначала по фронту сигнала, потом по спаду.
В прерывании устанавливается только флаг прерывания, обработка происходит в основном цикле.
- вычисляется интервал относительно предыдущего полупериода,
- по каждому полупериоду определяется длительность,
- по фронту определяется частота,
- если частота оказалась в допускаемых пределах - в таблицу вписывается MARK или SPACE с меткой времени,
- пока идёт обработка прерывания - новое прерывание запрещено.

При наличии единичных ошибок (MSM или SMS) - таблица принудительно корректируется.
Таблица постоянно, с каждый новым считанным полупериодом двигается от начала к концу. Нулевой элемент самый свежий.

Обработки таблицы по протоколу пока нет,
просто если 20 раз подряд повторилась одна и та же частота - зажигаем светодиод.


Для контроля нужен RTTY-маяк.
Например, вот такой
https://github.com/lu1aat/rtty-arduino- ... ree/master

[ru0aog]

Посмотрел, как распознают RTTY японцы.
Например K.Iwasa JI3BNB
https://k183.bake-neko.net/ji3bnb/page13.html#TELEMETRY
.

arduino_sk_02.zip

(1.25 КБ) 440 скачиваний

.
Периодически тикает таймер (каждую миллисекунду) и в прерывании читает состояние пина.
Если обнаружен стартовый бит, то через 10 мс от его начала запускается счётчик миллисекунд:
- через 22 мм читается состояние бит0,
- через 44 мм читается состояние бит1,
- через 66 мм читается состояние бит2,
- через 88 мм читается состояние бит3,
- через 110 мм читается состояние бит4 и выставляется флаг приёма данных.
На 135 миллисекунде приём символа прекращается. Таймер возвращается в исходное состояние.

[ru0aog]

Измерение времени полупериодов позволяет быстро и чётко различать частоты.
На меандре редко проскакивают ошибки в один квант:
- это от 992 до 1008 Гц для частоты 1000 Гц,
- и от 1157 до 1179 Гц для 1170 Гц.
На реальном сигнале достаточно определить +/- 50 Гц, это указал в программе
.

m004.rar

(1.13 КБ) 875 скачиваний

.

Код: Выделить всё

void ISR_UP() {
  // произошло прерывание по фронту
     detachInterrupt(0);                             // отключить прерывание 0
     TimeUp = micros();                              // старт таймера Up
     Time1 = TimeUp - TimeDwn;                       // длительность - полупериода
     attachInterrupt(0, ISR_DWN, FALLING);           // включить прерывание по спаду
}

void ISR_DWN() {
  // произошло прерывание по спаду
     detachInterrupt(0);                             // отключить прерывание 0
     TimeDwn = micros();                             // старт таймера Dwn
     Time2 = TimeDwn - TimeUp;                       // длительность + полупериода
     attachInterrupt(0, ISR_UP, RISING);             // включить прерывание по фронту
}

void loop() {

Freq = 1000000/(Time1+Time2);
     if (Freq <= Fm+dF && Freq >= Fm-dF)      {Mark  = true;}  // пишем MARK
     else if (Freq <= Fs+dF && Freq >= Fs-dF) {Space = true;}  // пишем SPACE
     else {Mark  = false; Space = false;}                      // если частота невнятная, то ничего

  // включить светодиоды LEDMARK или LEDSPACE
    if (Mark  == 1) digitalWrite(LEDMARK_PIN, HIGH);  else digitalWrite(LEDMARK_PIN, LOW);
    if (Space == 1) digitalWrite(LEDSPACE_PIN, HIGH); else digitalWrite(LEDSPACE_PIN, LOW);
    

.
При каждом нарастании амплитуды происходит прерывание ISR_UP, которое читает время TimeUp.
При каждом спаде амплитуды происходит прерывание ISR_DWN, которое читает время TimeDwn.
.

.
Разность этих точек составляет длительность положительного или отрицательного полупериодов Time1 и Time2.
Пока ждём следующее прерывание, на основании последних двух полупериодов вычисляем частоту.

Если полученная частота попадает в интервал +/- 50 Гц от частот MARK или SPACE, то поднимаем соответствующий флаг.

[ru0aog]

Чтобы добиться чёткости работы и проследить за изменениями уровней сигналов, я затормозил передачу символов до 500 мс на бит.
Передатчик передаёт напрямую через модуль Si5351 на частоте 3650 кГц - 1 кГц - 170 Гц для приёма в LSB.
.

RTTY.rar

(14.94 КБ) 659 скачиваний

.
MESSAGE[] = "CQ DE";
MARK = 1000 Гц
SPACE = 1170 Гц

Передаваемые символы
37 CR
37 CR
2 C
16 Q
36 SPACE
3 D
4 E
37 CR
37 CR

Передаются следующие уровни (длительность каждого бита DATA - 500 мс)

Код: Выделить всё

MARK1 = 200
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA1
DATA1
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA1
DATA1
DATA1
DATA0
DATA1
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA1
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA1
DATA0
DATA0
DATA0
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00
StartBit: SPACE0 = 500
DATA0
DATA0
DATA0
DATA1
DATA0
StopBit: MARK1 = 750.00

Передача ведётся на провод длиной 10 см.

На приёмной стороне антенна наклонный луч на 80 м и радиостанция Карат-3,5АТ. С разъёма гарнитуры через полосовой фильтр и компаратор сигнал подаётся на цифровой вход платы Arduino Uno.
.

m005.rar

(8.09 КБ) 845 скачиваний

.
Программным способом, о котором уже писал выше, определяется частота сигнала и выводится значения MARK, SPACE и их длительность:

Код: Выделить всё

                MARK=1 SPACE=0 DUR=221
23:44:52.584 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=2014
23:44:54.589 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=504
23:44:55.099 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=504
23:44:55.609 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=753
23:44:56.358 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=2014
23:44:58.362 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=502
23:44:58.872 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=502
23:44:59.382 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=755
23:45:00.130 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=1005
23:45:01.150 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=1509
23:45:02.644 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=504
23:45:03.154 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=753
23:45:03.902 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=504
23:45:04.412 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=1511
23:45:05.908 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=503
23:45:06.418 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=1258
23:45:07.676 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=1510
23:45:09.206 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=503
23:45:09.682 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=1008
23:45:10.701 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=753
23:45:11.449 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=503
23:45:11.960 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=504
23:45:12.470 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=1007
23:45:13.456 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=502
23:45:13.965 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=504
23:45:14.475 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=754
23:45:15.223 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=503
23:45:15.733 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=504
23:45:16.243 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=2015
23:45:18.248 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=751
23:45:18.995 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=2014
23:45:21.036 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=504
23:45:21.511 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=504
23:45:22.020 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=754
23:45:22.767 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=2013
23:45:24.806 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=504
23:45:25.315 -> MARK=0 SPACE=1 DUR=503
23:45:25.791 -> MARK=1 SPACE=0 DUR=1097

[ru0aog]

Как видим, со временем тайминги уплывают.
Для точной привязки думаю следует каждый раз определять время начала старт-бита и синхронизироваться по нему.
В течении передачи одного символа рассинхронизация маловероятна.
График по принятым выше данным:
.

.
Как можно определить стартовый бит?
Перед ним длительность уровня MARK приблизительно равна 1,5 от длительности тона,
т.е. это не единица, слившаяся со стоповым битом (тогда длина была бы больше),
и в то же время это не две смежные единицы в середине посылки.
Выявив MARK длительностью х1,5, можно предположить, что следующий за ним фронт SPACE будет началом стартового бита.
Но лучше подождать х0,8 длины, чтобы убедиться окончательно.
.

.
Теперь можно поднять флаг чтения символа и, отмеряя интервалы от красной линии, получать значения битов (зелёные линии).
Не очень хочу использовать таймер, т.к. пока непонятно, как его прерывание будет конфликтовать с прерыванием по чтению частоты.
Возможно позже таймер заменит все эти конструкции.

В данном случае передаётся код 0-0-0-1-0, что соответствует символу № 37 - Carriage Return

[ru0aog]

Первая версия предварительного аналогового фильтра-формирователя.
Питание предполагается от разъёма тангенты радиостанции Карат-3.5, поэтому последовательно стоят линейные стабилизаторы для аналоговой и цифровой частей на +9 и +5 В соответственно.
Так как размах сигнала на выходе радиостанции достигает 12 В, на входе установлен делитель 1:10 и диодный ограничитель, который срабатывает только на пиках сигнала (щелчки или перегрузка).
Далее идёт аналоговый трёхкаскадный полосовой фильтр с полосой пропускания 1000...1170 Гц (характеристика приведена ниже).
После фильтрации сигнал поступает на усилитель-ограничитель с высоким коэффициентом усиления, собранный на ОУ без обратной связи. Балансировкой (резистор R15) добиваются наивысшей чувствительности (размах сигнала на входе - 5...10 мВ).
Оконечная часть (триггер Шмитта на DD1) ещё находится на отладке.
.

.

.
Разводка выполнена на макетной плате 5х7 см
.

[ru0aog]

Полный размах сигнала на НЧ-выходе радиостанции (шум эфира)
.

.
то же (сигнал)
.

.
шум эфира на выходе фильтра-формирователя
.

.
полезный сигнал на выходе фильтра-формирователя
.