Az NKTH Nemzeti Technológia Programja keretében nyert támogatást a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. mint konzorciumi vezető. A konzorcium sikeresen végrehajtotta a kitűzött célokat, több működő rendszert tervezett és gyártott, számos új, innovatív elektronikai eszköz került kifejlesztésre, sőt a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. már külföldön is értékesített rendszereket

A cég az Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Karával, illetve a Budapesti Műszaki Egyetem Mobil Innovációs Központjával közös "Magas Intelligenciájú, Nagy Megbízhatóságú Elektronikai Felderítő Rendszer Katonai és Polgári Védelmi Célokra" című pályázatának zárása 2012 tavaszán esedékes.

Bevezetés
A Budapesti Műszaki Egyetem Mobil Innovációs Központja a projekten belül azt a feladatot vállalta, hogy nagy megbízhatóságú rádiós összeköttetést tervezzen és valósítson meg a földi irányítóállomás, illetve a repülő jármű között. A kitűzött hatótávolság kb. 20 km, repülési magasság maximum 2000 m, maximális repülési sebesség 120 km/h, az alkalmazott frekvenciasáv az 5 GHz-es sáv. Cikkünk célja a kommunikációs csatorna rövid áttekintése. Egy pilóta nélküli repülőgép (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) kommunikációs rendszere több, egymástól különböző követelményeket támasztó célt szolgál.

Egyrészt elengedhetetlenek a repülő irányítására, illetve aktuális állapotára, a repülés adataira vonatkozó ismeretek. Ehhez a lehető legnagyobb megbízhatóságú, de viszonylag kis sebességű, kétirányú csatornára van szükség. Másrészt egy alapvetően felderítési, monitorozási célokat szolgáló rendszer esetén a hasznos terhet jellemzően valamilyen kamera (látható fényű, infravörös vagy radar) jelenti, amely egy nagy sebességű, egyirányú, kevésbé robusztus csatornát igényel. A 2. ábra a földi irányítóállomás képernyőjét mutatja [1] a virtuális pilótafülkével, illetve a repülőgépre szerelt kamera képével. A képi adatok eljuttatása a bázisállomásra nagy sávszélességet igényel. A kommunikációs rendszerek alapvető tulajdonsága, hogy a nagy sávszélesség és a nagy megbízhatóság (zaj- és zavartűrés) nagy hatótávolság eléréséhez nehezen összeegyeztethető igények.
A rendszer tervezése során felmerült már létező, általános célú rendszer használata a kommunikáció céljára. Szóba jöhet például WiFi vagy ZigBee használata. Ezeket a rendszereket azonban kifejezetten kis távolságú, épületen belüli kommunikációra tervezték. Bár az adóteljesítmény növelésével és nagyobb nyereségű antennák használatával a hatótávolságuk akár néhány kilométerre is növelhető, a kültéren, külső zavarokkal és interferenciákkal terhelt környezetben nem tudnának jól működni. Mobilkörnyezetben szóba jöhet még valamilyen mobilinternet (GPRS, EDGE-) hálózat használata. Ezekkel azonban nem garantálható a kellő sávszélesség, és ami nehezíti vagy lehetetlenné teszi a terepi alkalmazást, nem mindenhol elérhetőek.
Célorientált kommunikációs rendszerre van tehát szükség. Ilyen jelfeldolgozási feladatokat általában célorientált, integrált áramkörökkel (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) szokás megvalósítani. Ez azonban kis gyártási darabszám esetén elviselhetetlenül drága lenne. A célintegrált áramkör alternatívája, az FPGA (Field Programmable Gate Array) és jelfeldolgozó processzor (Digital Signal Processor, DSP) használata. Rendszerünkben egy erre a célra tervezett és legyártott jelfeldolgozó kártyát, valamint egy szintén e célra készített mikrohullámú rádióegységet használunk.

Az átviteli idő felosztása, időzítés
A megvalósított rendszer három csatornát tartalmaz: egy föld-levegő irányú és két levegő-föld irányú csatornát. A föld-levegő csatorna a repülő irányítására szolgáló utasításokat közvetíti. Ennek a csatornának viszonylag kicsi a sávszélességigénye (kevés adatot kell továbbítani), viszont nagy megbízhatóságra van szükség. A levegő-föld irányban két csatornát különböztetünk meg: az egyik a repülési paraméterek (telemetria) és a vezetést segítő kisfelbontású kamera képét továbbítja, míg a másik a hasznos teher (például nagy felbontású kamera, radar) lesugárzására szolgál. Az első csatornának ugyanolyan megbízhatónak kell lennie, mint a vezetésre szolgáló föld-levegő csatornának, hiszen a repülőgép pozíciójának nyomonkövetése alapvető fontosságú. A második csatorna esetén az elsődleges szempont a nagy sávszélesség, és csak másodlagos (bár nem elhanyagolható) a megbízhatóság.
Mindhárom csatornát ugyanazon a vivőfrekvencián, ugyanazzal a rádióegységgel továbbítjuk, de a követelményeknek megfelelően különböző modulációs eljárás segítségével. A nagy megbízhatóságú csatornákhoz szórt spektrumú, ún. Chirp-modulációs eljárást, míg a hasznos teherhez az ún. OFDM-eljárást használjuk. (Ezekről részletesen szólunk később.)
A kommunikációs időt időkeretekre bontjuk egy időkeretnek nevezzük azt az időt, ami alatt egyszer megtörténik a föld-levegő, levegő-föld oda-vissza adásirányváltás.

Egy időkeret három részre oszlik:
1. Föld-levegő (up link) szakasz, rövid, Chirp-modulációval.
2. Levegő-föld (down link) telemetria-szakasz, Chirp-modulációval.
3. Levegő-föld (down link) hasznosteher-szakasz, OFDM-modulációval.
Az 1. és a 3. szakasz után szünetet kell tartani, amíg a rádióban az adásirányváltás megtörténik. A 2. és a 3. szakasz azonos ideig tart, de a különböző modulációs eljárások miatt az egy csomagban átvitt információ mennyiségében jelentős (1:50 arányú) eltérés van. Fontos szempont az időkeret tervezésekor, hogy egy-egy keret rövid ideig tartson, hiszen ez határozza meg, hogy egy eseményre mennyi idő alatt lehet a földi állomáson reagálni, beavatkozni. Ennek ellentmondó igény, hogy az adásirányváltáskor elvesző időt minimalizáljuk, ami viszont hosszú keretekkel lehetséges.

A Spread Spectrum-rendszer: Chirp-moduláció
A Chirp-modulációs rendszer lényege, hogy a szimbólumidő (egy elemi jel átvitelére szolgáló idő) alatt egy változó frekvenciájú szinuszjelet sugárzunk. Az egyik fajta jel frekvenciája a rendelkezésre álló sáv alsó széléről indul, és egyenletesen átsöpör a sáv tetejéig. A másik fajta jel a csatorna tetejéről indulva söpör az aljáig. A rendszer így egy jelváltással 1 bit információt visz át annak megfelelően, hogy a két lehetséges jel közül melyiket sugározzuk.

Ennek a fajta jelnek megvan az az előnyös tulajdonsága, hogy a két jel keresztkorrelációja nagyon kicsi érték, tetszőleges eltolás mellett, míg a jel saját magával vett korrelációja egyetlen nagy csúcsot tartalmaz, 0 eltolás esetén (tehát, amikor a hasonlított és a referenciaminták pont fedésben vannak). Ily módon a vett jelen két korrelátort futtatva nem csak azt tudjuk megállapítani, hogy a két jel közül melyiket sugározták (amelyikre a legnagyobb korrelációt mutató pillanatban nagyobb a korreláció), hanem a korrelációs csúcs helye a szimbólumhatárt is pontosan kijelöli (4. ábra). Ezáltal a vett jelből fáziszárt hurok alkalmazása nélkül is pontosan vissza tudjuk állítani az adás időzítési viszonyait.
A Chirp-jel az átviteli sebességhez képest többszörös (a mi rendszerünkben mintegy harmincszoros) sávszélességet foglal el (szórt spektrumú rendszer). Ez két előnnyel is jár:
1. Mivel a jel energiája eloszlik a teljes átviteli sávban, a rádiófrekvenciás tartományt analizálva a jel nem (vagy csak alig) vehető észre, beleveszik a zajba (zajküszöb alatti kommunikáció).
2. A rendszer nagymértékben érzéketlen az átviteli sávnak csak egy részét érintő (természetes vagy mesterséges) zavaró hatásokra. Egyszerűen az történik, hogy a szimbólumidőnek az a része, amikor a Chirp-jel éppen a zavarást szenvedett frekvenciatartományban tartózkodik, kiesik a korrelációból. Ha ez például a sáv felét érinti (ami már igen masszív zavar), akkor a korrelációs csúcs megfeleződik.

Az OFDM-moduláció
A hasznos teher átvitelére rendszerünkben OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulációs eljárást alkalmazunk. Ennek lényege az, hogy az átvitelre használt (esetünkben 20 MHz széles) sávot alsávokra bontjuk oly módon, hogy az egyes alsávok középfrekvenciája (vivője) egy alapfrekvencia egész számú többszöröse legyen. Mindegyik alsávban egyedileg moduláljuk a vivőt, és a kimenőjel az egyes alsávok modulált jelének az összege. Mindegyik alsávban QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulációt használunk, így vivőnként és jelváltásonként 2 bit adatot viszünk át.
Ennek a modulációs eljárásnak a jelentősége nem abban áll, hogy így egy adott csatornában több adat vihető át (nagyjából ugyanennyi egyetlen vivő modulációjával is), hanem abban, hogy a csatornát ért keskeny sávú zavarás (tipikusan ilyen keletkezik a többutas jelterjedés hatására) nem az összes alsávot érinti. Ily módon az adóban az adatokat redundánsan előkódolva, majd megfelelően szétosztva a csatornában, a vevőben a hibajavító eljárás (Forward Error Correction, FEC) a kieső csatornák ellenére képes lehet az eredeti üzenetet visszaállítani.
Az OFDM-moduláció megvalósítása FFT (Fast Fourier Transform) segítségével történik. Ennek FPGA-implementációjára kész modulok (magok, IP core-ok) állnak rendelkezésre, a nehézséget általában a szinkronizáció jelenti.
1. Az adó és a vevő oszcillátora nem pontosan azonos frekvencián rezeg, ettől az alapsávba lekeverés után az alapsávi jel a komplex síkon nem áll, hanem forog. Ezt a problémát vivőszinkronizálásnak nevezzük.
2. A vevőben FFT műveletet az adóban egy FFT blokkban előállított mintákra kell elvégezni, azaz tudni kell az egyes jelváltások (szimbólumok) határát. Ezt a problémát szimbólumszinkronizálásnak nevezzük.
A vivőszinkronizálást rendszerünkben differenciális kódolással oldjuk meg. Ennek lényege, hogy az információt nem az egyes szimbólumok abszolút fázishelyzete, hanem az (időben) megelőző szimbólumhoz képest elfoglalt relatív helyzete hordozza. Ez az eljárás addig működőképes, amíg az egymást követő jelváltások ideje alatt az elfordulás nem jelentős.
A szimbólumhatárok szinkronizálása a megelőző Chirp-modulációs szakasz alapján történik. Ezért a rendszert úgy terveztük meg, hogy a Chirp- és az OFDM-moduláció szimbólumideje megegyezzen (leszámítva, hogy a Chirp-eljárással ellentétben, itt egy jelváltással 100 bit információt viszünk át). Ily módon a Chirp-eljárásnál tárgyalt szinkronizáció átvihető az OFDM-szakaszra is.

Fizikai körülmények
A fent tárgyalt modulációs eljárások az alapsávi jel előállításának (az adóoldalon), illetve értelmezésének (a vevőoldalon) a módjáról szóltak. Ezt az alapsávi jelet egy alkalmasan megválasztott vivőfrekvenciára kell felkeverni, majd kisugározni. A digitális jelfeldolgozó egység (a modem) az alapsávi jelet állítja elő, majd egy digitális/analóg átalakító segítségével előálló analóg jelet egy analóg felkeverő egység (a rádió) keveri a ténylegesen kisugárzásra kerülő rádiófrekvenciára. Az alapsávi jel előállítása történhet 0 Hz körül (ténylegesen az alapsávban vagy egy középfrekvencia (KF, vagy angolul: Intermediate Frequency, IF) körül. Az előbbi módszer előnye, hogy a digitális jelfeldolgozó egységnek csak a tényleges hasznos frekvenciasávban kell működnie (jelen esetben ez 20 MHz), míg hátránya, hogy az alapsávi jelet komplex formában kell előállítani és keverni.
A vevőben az ellenkező irányú folyamat történik: a vett rádiófrekvenciás jelet KF frekvenciára vagy egyből alapsávba keverjük, és analóg/digitális átalakítóval mintavételezzük. A digitális mintákat a digitális jelfeldolgozó egység (demodulátor) értelmezi, amelynek kimenete már egy bitsorozat.

Rendszerünkben az 5 GHz-es sávot használjuk a rádiófrekvenciás kommunikációra, a digitális jelfeldolgozó egység be- és kimenete pedig 70 MHz körüli középfrekvencián van. Ez azt jelenti, hogy a hasznos jel a 70 ± 10 MHz frekvenciasávot foglalja el, azaz ezt a sávot kell az analóg/digitális átalakítás során mintavételezni. Ha ezt direkt módon tesszük, Shannon mintavételi tétele szerint ehhez legalább 160 MHz mintavételi sebesség szükséges. Ám kihasználva azt a tényt, hogy sávkorlátozott jelről van szó, alkalmazhatunk alul-mintavételezést. Ehhez az szükséges, hogy ne csak a hasznos jel, hanem a teljes (zajjal terhelt), vett jel sávkorlátozott legyen. Ezt úgy érhetjük el, hogy a vett jelet az A/D-átalakítást megelőzően egy kellően meredek karakterisztikájú KF-szűrővel megszűrjük (5. ábra).
A KF-jel sávkorlátozó szűrésére természetesen mind az adóoldalon (a D/A-átalakítás után), mind a vevőoldalon (az A/D-átalakítás előtt) szükség van, függetlenül attól, hogy alkalmazunk-e alul-mintavételezést vagy sem. A választott rendszertechnikai felépítés azonban különösen szigorú feltételeket ír elő a KF-szűrő amplitúdókarakterisztikájára. Ilyen szűrést magas fokszámú LC-szűrővel, vagy pedig akusztikus felületi hullámú szűrő (Surface Acoustic Wave, SAW filter) alkalmazásával érhetünk el. Rendszerünkben ez utóbbi módszert választottuk.

A SAW-szűrő torzító hatása
Bármilyen típusú szűrőt építünk is a rendszerbe, annak nem csak a jel amplitúdójára, hanem a fázisára is hatása lesz: különböző frekvenciákon eltérő mértékű fázistolást szenved a jel. Ezt a hatást a szűrő fázis­karakterisztikájának nevezzük. Ezzel ekvivalens a csoportkésleltetés frekvenciafüggését leíró függvény. A csoportkésleltetés frekvenciafüggő változása a hasznos sávban a jel torzítását eredményezi (ideális lenne a konstans csoportkésleltetés, azaz a fázistolás a frekvenciával arányos). Sajnos, a magas fokszámú, meredek vágású szűrőkre az jellemző, hogy a csoportkésleltetés a hasznos sávban erősen ingadozik. A SAW-szűrőkre az jellemző, hogy a csoportkésleltetés a hasznos sávban, sok perióduson át, relatíve kis amplitúdóval oda-vissza ingadozik, ellenben az LC-szűrők kevés számú, de nagyobb amplitúdójú változást produkálnak.
A kérdés az, hogy a két lehetséges szűrőcsalád torzító hatása közül melyik okoz nagyobb degradációt a vevő döntési paraméterében. A 6. ábrán látható görbesereg a döntési paraméter relatív értékét (D = 1 tartozik a konstans csoportkésleltetéshez) ábrázolja a csoport késleltetésingadozás-amplitúdójának függvényében [2]. Az egyes görbék a hasznos sávba eső ingadozási periódusokkal vannak paraméterezve. Számunkra az az előnyös, ha a görbe minél nagyobb, azaz a degradált döntési paraméter minél közelebb van az 1-hez.

Az ábrából leolvasható, hogy a SAW-szűrőkre jellemző sok, kis amplitúdójú periódus torzító hatása kevésbé hátrányos, mint az LC-szűrők kevés periódusú ingadozása.

A Doppler-effektus hatása
Mozgó jármű esetén számolnunk kell a Doppler-effektus hatásával, azaz amennyiben az adó távolodik a vevőtől vagy közeledik hozzá, a vevő az adó által kisugárzott jel frekvenciában eltolt változatát érzékeli. Ez a hatás pontosan olyan, mint amit az adó és a vevő helyi oszcillátorának az eltérése okoz, azaz a vivőszinkronizálás segítségével kezelhető.
A probléma mértékének megítéléséhez most számítsuk ki, mekkora eltolódásra kell számítanunk! Legyen a jármű sebessége 80 km/h (80/3,6=22,2 m/s), és a névleges vivőfrekvencia f0=5 GHz. Ekkor a frekvenciaeltolódás:

A Chirp-moduláció esetén ez azt jelenti, hogy a frekvenciasöprés ennyivel később kezdődik vagy korábban ér véget. Tekintve, hogy az elemi jel a 20 MHz széles sávon söpör végig, ez elenyésző hibát okoz.
Az OFDM-moduláció esetén az egyes alsávok vivője ennyivel eltolódik, azaz nem pontosan fognak az alap (367 kHz-es) frekvenciaraszterre esni (sérül az ortogonalitás). Jelen esetben ez az egyes alsávok szélességének 1 ezrelékével való eltolódást jelent, ami nem okoz jelentős torzulást. Tulajdonképpen ez a jelenség ad felső korlátot arra, hogy hány alsávra érdemes a hasznos sávot bontani.

Implementáció

A rendszer megvalósításához megterveztünk és megépítettünk egy PC-be illeszthető jelfeldolgozó kártyát (7. ábra), melynek tömbvázlata a 8. ábrán látható. A DSP-feldolgozást egy FPGA végzi. Ehhez kapcsolódnak a KF-jel előállítására és mintavételezésére szolgáló, nagy sebességű A/D- és D/A-átalakítók. A megfelelő jeltisztaság érdekében az órajelet nagy tisztaságú, kompenzált oszcillátormodul állítja elő.A vételi irányban a demodulátor kimenetén előálló bitsorozat egy jelfeldolgozó processzorba kerül, amelynek feladata a hibajavító kód (Forward Error Correction, FEC) dekódolása, a csomagkeretek feldolgozása, és megfelelő blokkolás után a PCIe buszon keresztül a host-PC-be továbbítása. Adáskor természetesen ugyanez történik, időben megfordítva.
Az adatok értelmezését, a robotpilóta és a kamera adatainak összefűzését (adásirány), illetve szétbontását (vételi irány) a host-PC végzi. Ennek érdekében a repülőn és a földi állomáson egyaránt egy beágyazott PC-kártya köré épített fedélzeti számítógép készült.

[1] Dr. Vámossy Zoltán, Dr. Molnár András: Mobil robotikai eredmények a Neumann János Informatikai Karon. A guruló robottól a robotrepülőig: 2. rész. Elektronet 2011/7
[2] Belső Zoltán, Szilágyi Tamás, Pap László, Elek Kálmán, Koller István: Joint application of spread spectrum and OFDM modulation for microwave radio communication used for Unmanned Aerial Vehicle. IEEE VTC2011-Spring, Budapest, 2011. 05. 15-2011. 05. 18.

A projektek a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap támogatásával valósulnak meg.
The projects are supported by the Research and Technology Innovation Fund.

A BHE Bonn Hungary Kft. honlapja