Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Radiokomunikacja cyfrowa w służbach ochrony i ratownictwa (cz. 1). Zarys zagadnień teoretycznych

Printer Friendly and PDF

leadW ostatnich latach mamy do czynienia z szybkim rozwojem systemów alarmowych oraz wizyjnych systemów dozorowych, jednakże nawet najdoskonalsze z nich nie są w stanie podwyższyć poziomu bezpieczeństwa na chronionych obszarach bez udziału ludzi.

Telefonia komórkowa – iluzja niezawodnej łączności

Użytkownikami profesjonalnych środków łączności są służby mundurowe, prawnie zobligowane do budowy własnych sieci radiokomunikacyjnych, jednakże, ze względu na swój specyficzny charakter, nie dzielą się one doświadczeniami ze służbami cywilnymi. Tymczasem firmy zajmujące się fizyczną ochroną obiektów cywilnych wykorzystują do komunikacji najczęściej telefony komórkowe.

Ta z pozoru prosta metoda komunikacji ma tę zaletę, że jest tania, jednak ma także poważne wady. Proces zestawiania połączeń głosowych jest czasochłonny, gdyż wymaga wybierania numerów konkretnych abonentów. Nie ma funkcji wywołania grupowego, więc trudno jednocześnie wydawać polecenia wielu osobom. Często zdarza się, że sieć komórkowa jest przeciążona i w ogóle nie można nawiązać żadnego połączenia – na przykład w noc sylwestrową, gdy wiele osób jednocześnie próbuje wysłać życzenia noworoczne do swoich znajomych. Na dodatek stacje przemiennikowe telefonii komórkowej są wyłączane w przypadku jakiegokolwiek podejrzenia o atak terrorystyczny, by nie można było tą drogą odpalić ładunków wybuchowych. W przypadku klęsk żywiołowych infrastruktura odpowiedzialna za działanie telefonii komórkowej ulega szybkiemu zniszczeniu. Tak więc telefonia komórkowa nie zapewnia niezawodnej łączności i może zawieść w krytycznych sytuacjach.

Najtańsze rozwiązanie – radiotelefony PMR

W handlu dostępne są tanie radiotelefony ręczne, przeznaczone do prywatnego użytku, jednak mają one zbyt mały zasięg, by mogły znaleźć profesjonalne zastosowanie w służbach ochrony czy ratownictwie. Te radiotelefony należą do kategorii PMR. Skrót jest zapożyczony z języka angielskiego i pochodzi od słów Private Mobile Radio.

Dla użytkowników radiotelefonów PMR wydzielony został specjalny zakres częstotliwości w paśmie 446 MHz, z którego korzystanie nie wymaga żadnych zezwoleń. Radiotelefony PMR mają tylko osiem kanałów a chętnych do prowadzenia rozmów jest wielu, co oznacza, że panuje spory tłok w eterze. Radiotelefony PMR są chętnie wykorzystywane przez firmy budowlane do łączności z operatorami dźwigów. Gdy znajdują się na wysokich dźwigach, mają duży zasięg, ale dla ich użytkowników nie ma to znaczenia – większy zasięg sprzyja jedynie zwiększeniu poziomu zakłóceń na dużym obszarze. Wszystkie te czynniki wykluczają możliwość stosowania radiotelefonów PMR w profesjonalnych sieciach łączności radiowej.

Rozwiązania profesjonalne – radiotelefony DMR

Z myślą o użytkownikach profesjonalnych systemów łączności radiowej stworzony został standard DMR. Skrót jest zapożyczony z języka angielskiego i pochodzi od słów Digital Mobile Radio. DMR jest otwartym standardem, opracowanym i zatwierdzonym przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych. Tak więc wszystkie urządzenia DMR są wzajemnie kompatybilne i mogą ze sobą współpracować. Standard DMR został opracowany z myślą o dotychczasowych użytkownikach analogowych systemów łączności, to znaczy o tych wszystkich osobach i instytucjach, które już kiedyś wystąpiły o przydział częstotliwości i uzyskały zezwolenia na korzystanie z określonych kanałów radiokomunikacyjnych. Podstawowe parametry urządzeń DMR, takie jak odstęp międzykanałowy, szerokość zajmowanego pasma, moc nadajnika, są zgodne z tymi samymi parametrami urządzeń analogowych. Dlatego zastępowanie starszych, analogowych systemów radiokomunikacyjnych współczesnymi, cyfrowymi systemami DMR nie wymaga ponownego ubiegania się o przydziały częstotliwości i uzyskiwania zezwolenia na ich użytkowanie.

Najistotniejsze cechy urządzeń DMR – modulacja cyfrowa ze zwielokrotnieniem w dziedzinie czasu

Jedną z cech urządzeń DMR, odróżniających je od stosowanych dotychczas urządzeń analogowych, jest czterowartościowa, cyfrowa modulacja częstotliwości ze zwielokrotnieniem w dziedzinie czasu. Te dziwnie brzmiące określenia mogą być obce dla wielu osób i dlatego zostaną wyjaśnione.

rys1

Czterowartościowa, cyfrowa modulacja częstotliwości jest w literaturze określana jako 4FSK. W istocie jest to zwykła modulacja FM, tyle że częstotliwość nośna nadajnika nie może się dowolnie zmieniać, lecz przyjmuje jedną z czterech ściśle określonych wartości. Tym wartościom są przyporządkowane dwubitowe symbole, które można traktować jak litery jakiegoś alfabetu. Czyli w systemie radiokomunikacyjnym z modulacją 4FSK operuje się czterema symbolami, które jak litery można układać w ciągi, dzięki czemu możliwa jest transmisja danych cyfrowych.

Drugi z wymienionych terminów, czyli zwielokrotnienie w dziedzinie czasu, oznacza, że w tym samym kanale radiowym mogą być jednocześnie nawiązane dwa niezależne połączenia głosowe, lub mogą być jednocześnie przekazywane informacje głosowe i dane cyfrowe. Zwielokrotnienie w dziedzinie czasu jest określane w literaturze jako TDMA. Skrót pochodzi od słów Time Division Multiple Access.

Zastosowanie TDMA oznacza, że radiotelefon na przemian nadaje i odbiera dane cyfrowe. Dzieje się to na tyle szybko, że użytkownik nie zdaje sobie z tego sprawy, jednak w systemie radiokomunikacyjnym zachodzi cykliczne przełączanie z nadawania na odbiór i z odbioru na nadawanie. Poszczególne interwały czasowe, w których odbywa się nadawanie i odbiór, są w literaturze określane jako szczeliny czasowe. W każdej ze szczelin czasowych można transmitować inne informacje i właśnie na tym polega zwielokrotnienie w dziedzinie czasu.

Najistotniejsze cechy urządzeń DMR – zastosowanie wokodera

Można powiedzieć, że w analogowym systemie radiokomunikacyjnym dźwięk jest przekazywany w swojej klasycznej, niezakodowanej postaci. Fala nośna emitowana przez nadajnik jest zmodulowana dźwiękiem, czyli de facto przenosi ten dźwięk bez jakiejkolwiek modyfikacji. W cyfrowym systemie radiokomunikacyjnym transmitowane są informacje na temat dźwięku, a nie sam dźwięk. Za przekształcenie dźwięku z postaci analogowej na postać cyfrową, czyli za wytworzenie informacji o dźwięku, odpowiada wokoder.

rys2

Wokoder został wynaleziony kilkadziesiąt lat temu i początkowo stanowił niezależne urządzenie elektroniczne. Rozwój technologii półprzewodników pozwolił na miniaturyzację wokodera i jego zamknięcie w pojedynczym układzie scalonym, przy czym zasada działania nie uległa zmianie.

Podstawową i najważniejszą częścią składową wokodera stosowanego w radiotelefonach DMR jest dwuwymiarowa matryca o rozmiarach około 30×30 elementów, czyli, mówiąc językiem matematyki, macierz zawierająca około 1000 pozycji. W każdej z tych pozycji jest zapisany określony dźwięk stanowiący fragment mowy ludzkiej. Innymi słowy jest to zbiór elementów fonetycznych, bardziej przypominających szelesty, trzaski czy piski niż jakiekolwiek artykułowane dźwięki, jednak przez odpowiednie uszeregowanie tych elementów można syntetycznie stworzyć głos ludzki o brzmieniu zbliżonym do naturalnego.

Zasada transmisji dźwięku w radiotelefonach DMR polega na analizie sygnału akustycznego dostarczanego przez mikrofon, na podziale tego sygnału na elementarne fragmenty odpowiedzialne za poszczególne dźwięki i na wyszukiwaniu takich elementów fonetycznych w jego matrycy, które są podobne do tych dźwięków. Tak więc w wokoderze sygnał akustyczny wytwarzany przez mikrofon zostaje zamieniony na ciąg liczb określających położenia wybranych elementów fonetycznych w matrycy wokodera. Ten ciąg liczb jest przekazywany do nadajnika, gdzie z użyciem modulacji 4FSK jest wysyłany w eter.

W odbiorniku następuje odwrotny proces. Odebrany ciąg liczb wskazuje na wybrane elementy w tablicy wokodera, które są pobierane, ustawiane kolejno jeden za drugim i w procesie syntezy łączone w jedną całość. W ten sposób na wyjściu wokodera odbiorczego uzyskuje się sygnał akustyczny bardzo zbliżony do tego, który występował w nadajniku na wyjściu mikrofonu.

Jaka korzyść wynika z tak skomplikowanego procesu transmisji dźwięku? Chodzi o to, że ilość informacji niezbędnych do wskazywania wybranych elementów w matrycy wokodera jest znacznie mniejsza niż ilość informacji, jaka byłaby niezbędna do przekazania właściwego dźwięku. Cały ten proces można porównać do posługiwania się szyfrem książkowym, gdy dwie korespondujące osoby zaopatrzone w egzemplarze tej samej książki nie przekazują sobie całych wyrazów, a jedynie odpowiednie numery stron i numery wyrazów. Osoba, która otrzymała tak zakodowany list, jest w stanie po kolei odtworzyć wszystkie wyrazy, czyli jest w stanie odczytać przekazywaną informację. Ciąg liczb zapisany w liście zajmuje o wiele mniejszą przestrzeń niż zajęłyby właściwe wyrazy, więc można mówić o silnej kompresji przekazywanych informacji.

Na tym kończy się zarys zagadnień teoretycznych związanych z transmisją dźwięku w radiotelefonach DMR. W drugiej części zostaną omówione zagadnienia praktyczne związane z budową cyfrowych systemów radiokomunikacyjnych.

 

Andrzej Walczyk

 

Zabezpieczenia 1/2014

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony