Блоки Gnu Radio. Комплексные числа. Обработка.

#3. Радио конструктор обработки цифровых сигналов.

Из аналоговой частоты в цифровой IQ сигнал.

SDR радиоприёмник получает радиочастотный сигнал и преобразует его в цифровой IQ сигнал, который затем обрабатывается программным обеспечением ... Программное обеспечение может выполнять различные операции с IQ сигналом, такие как демодуляция, фильтрация, декодирование и т. д. ... Это позволяет гибко настраивать радиоприёмник и выполнять различные задачи обработки сигнала ...

Как передаются IQ сигналы SDR радио приёмника ? ... IQ сигналы в SDR радиоприёмнике передаются в виде комплексных чисел, состоящих из двух компонент : In-phase (I) и Quadrature (Q) ...
* Компонента I представляет собой сигнал, который находится в фазе с некоторым опорным сигналом ... Компонента I представляет собой информацию о фазе сигнала ...
* Компонента Q представляет собой сигнал, который находится в квадратуре (90 градусов относительно опорного сигнала) ... Компонента Q - представляет информацию об амплитуде сигнала ...

Вот пример IQ сигнала SDR радиоприёмника в численном / цифровом виде на компьютере : ...
IQ = [0.5 + 0.3j, 0.2 + 0.1j, -0.4 + 0.6j, -0.2 - 0.8j, 0.7 - 0.5j] ...
В данном примере, каждый элемент IQ представляет собой комплексное число, где вещественная часть (I) и мнимая часть (Q) обозначены с помощью j ... Это простой пример IQ сигнала, который может быть получен с помощью SDR радиоприёмника и обработан на компьютере ... В реальности, IQ сигналы могут быть гораздо более сложными и содержать большее количество элементов ... Этот пример поможет представить, как SDR IQ сигнал выглядит в численно / цифровом виде на ПК ...

Что интересного в вещественной и мнимой части комплексных чисел z = a + b*i ? ... Есть несколько интересных особенностей ... Одна из основных особенностей комплексных чисел - наличие мнимой единицы " i ", которая определяется как квадратный корень из -1 ... Это позволяет выполнять операции, которые не могут быть выполнены с обычными действительными числами ... Комплексные числа поддерживают арифметические операции, а также - геометрические интерпретации ... Комплексные числа расширяют обычные числа и позволяют решать более широкий класс математических задач ... Они находят применение в различных областях, включая физику, инженерию, компьютерную графику и теорию сигналов ...

Для цифровой обработки сигнала важны следующие его параметры : ...
* Частота дискретизации - определяет разрешение и точность преобразования сигнала в цифровую форму ...
* Ширина полосы пропускания - определяет диапазон частот, в котором содержится сигнал, балансируя между количеством информации и требованиям к вычислительным ресурсам на ее обработку ...
* Частота сигнала - может потребоваться для выбора алгоритмов обработки ...
* Спектральные характеристики : фаза и амплитуда - может потребоваться для выбора алгоритмов обработки ...
* Использование IQ формата позволяет представить как амплитуду, так и фазу сигнала, что обеспечивает более полное представление информации о сигнале ... Это особенно полезно для обработки и анализа сигналов, таких как модулированные сигналы, где информация о фазе и амплитуде играют важную роль ... IQ формат также позволяет проводить операции сигнальной обработки, такие как демодуляция, фильтрация и декодирование, с использованием комплексных алгоритмов ... Это делает IQ формат - широко используемым в радиосвязи, радиофизике и других областях, где требуется анализ и обработка радиочастотных сигналов ... Эти две компоненты вместе образуют IQ сигнал, который представляет собой - цифровой сигнал, так как компоненты I и Q являются дискретными числами, которые могут быть представлены и обработаны с помощью цифровых методов ...

Подробнее о всей прелести обработки IQ выборок ...
В чем главный интерес IQ обработки сигналов ... IQ составляющие представляют главный интерес - в том, что изменением только амплитуды сигналов I, Q и их последующим суммированием - может быть получена любая форма модуляции - простым путем ... А угол 45 градусов сигнала демодуляции - как раз и является результирующим значением сложения I + Q ...
Акцентируется влияние режима IQ на распознавание модуляции ... FM - частотная модуляция ... FSK - FM манипуляция ... AFSK - FM + SSB + НЧ модулятор ... В большинстве случаев пользователь желает - простое поведение, но иногда - невозможно работать с сигналом - напрямую ...

Что такое дискретные числа и какие математические операции с ними выполняются ? ... Дискретные числа - это числа, которые принимают конкретные значения из определенного набора или интервала (диапазона) ... Они представляют собой отдельные точки на числовой оси, а не - непрерывный спектр значений ... Дискретные числа могут быть целыми числами, такими как 1, 2, 3, или дробными числами, такими как 0.5, 1.25 и т. д. ...

Дискретные числа получаются в результате дискретизации ... Дискретизация - это процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный формат, где значения сигнала фиксируются только в определенные моменты времени или интервалы ... При дискретизации непрерывный сигнал разбивается на отдельные отсчеты, которые представляют собой дискретные числа ...

В контексте аудио и видео, дискретизация используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровой формат ... Например, при дискретизации аудиосигнала, аналоговый звуковой сигнал измеряется и записывается в виде последовательности дискретных значений, которые представляют амплитуду звука в определенные моменты времени ... Аналогично, при дискретизации видеосигнала, аналоговый видеосигнал разбивается на дискретные значения яркости или цвета в каждом пикселе изображения ... Дискретные числа, полученные при дискретизации, могут быть обработаны и храниться в цифровом формате, что позволяет выполнять различные операции и анализировать сигналы с помощью цифровой обработки сигналов ...

Что является мерой дискретизации ? ... Мерой дискретизации является количество отсчетов или интервалов, на которые разбивается непрерывный сигнал при его преобразовании в дискретный формат ... Эта мера определяет точность представления непрерывного сигнала в дискретной форме ... Чем больше количество отсчетов или интервалов, тем выше разрешение и точность представления сигнала ... В SDR радио частота дискретизации регулируется параметром, называемым Sampling Frequency или Sample Rate ... Этот параметр определяет количество отсчетов, которые берутся в единицу времени для преобразования аналогового радиочастотного сигнала в цифровой формат ... Чем выше значение частоты дискретизации, тем больше точек отсчета и тем выше разрешение и точность представления сигнала в цифровой форме ...

Влияние частоты дискретизации на скорость обработки ... Дискретизация имеет влияние на скорость обработки сигналов ... Чем выше частота дискретизации, тем больше отсчетов или интервалов необходимо обработать в единицу времени ... Это может потребовать больше вычислительных ресурсов и времени для обработки сигнала ...
* Высокая частота дискретизации - может быть полезна для более точного представления сигнала и получения более высокого разрешения ... Однако, она также требует больше вычислительной мощности для обработки большего количества данных ...
* Низкая частота дискретизации - может привести к потере информации и снижению качества обработки сигнала ...
* Таким образом, выбор оптимальной частоты дискретизации влияет на скорость обработки сигналов в SDR радио ... Необходимо найти баланс между точностью представления сигнала и вычислительными ресурсами, доступными для обработки ...

Математика цифровых IQ сигналов.

Поскольку компоненты I и Q представляют собой простые дискретные числа сложного сигнала - к ним могут быть применены обычные математические операции, когда расчёты над IQ эквивалентами радиосигнала - могут явно изменить сам опорный входной сигнал, что и будет называться : демодуляция, фильтрация, коррекция фазы и амплитуды ... Математическая обработка эквивалента сигнала - значительно расширяет возможности анализа и обработки радиосигналов в цифровом формате, эффективно и точно, с возможностью последующего восстановления полученного результата пост обработки, из цифрового - в аналоговый вид ...

Математические операции над (дискретными) числами - включают : ... Сложение / суммы ... Вычитание / разности ... Умножение / произведения ... Деление / частные ... Возведение в степень ... Модуль / определение остатка от деления ... И все возможные математические операции вычисления и расчётов ...

В чем суть вычисления комплексных чисел ? ... Вычисление комплексных чисел - это ключевой аспект в математике, особенно в областях, где используются фаза и амплитуда сигналов, таких как радиофизика и обработка сигналов ... Комплексное число представляет собой число, которое включает в себя действительную и мнимую части ... Действительная часть отображается на реальной оси, а мнимая часть - на мнимой оси ... Это позволяет представить комплексные числа в виде точек на плоскости, что упрощает визуализацию и понимание их свойств ... Существуют различные операции, которые можно выполнять с комплексными числами, включая сложение, вычитание, умножение и деление ... Эти операции выполняются с использованием правил алгебры комплексных чисел, которые немного отличаются от обычной алгебры действительных чисел ... Важно отметить, что вычисления с комплексными числами - требуют особого подхода и понимания их свойств и особенностей ...

Довольно часто, при вычислении комплексных чисел, используют - векторы ... Комплексное число можно представить как вектор на плоскости, где действительная часть числа соответствует координате по оси X, а мнимая часть - по оси Y ... Это представление называется - комплексной или аргандовой плоскостью ... Векторное представление комплексных чисел позволяет наглядно иллюстрировать операции над ними, такие как сложение, вычитание, умножение и деление ... Например, сложение двух комплексных чисел эквивалентно сложению двух векторов на плоскости ... Также, векторное представление - используется для определения модуля и аргумента комплексного числа, которые соответствуют длине и углу вектора соответственно ...

При работе с комплексными числами наиболее часто используются следующие операции и методы ...
* Сложение и вычитание комплексных чисел - происходит по отдельности для действительной и мнимой частей ...
* Умножение комплексных чисел - произведение действительных частей становится одной частью результата, а произведение мнимых частей (с учетом того, что i^2 = -1) - другой ...
* Деление комплексных чисел - часто используется метод сопряженного числа, который позволяет преобразовать делитель в действительное число ...
* Модуль и аргумент : Модуль комплексного числа представляет собой длину вектора в комплексной плоскости, а аргумент - угол между вектором и положительной частью действительной оси ...
* Возведение в степень и извлечение корня : Для этих операций часто используются тригонометрическая форма комплексного числа и формула Муавра ...
* Комплексно-конъюгированное число - это число, полученное из исходного - заменой знака у мнимой части ... Оно используется во многих вычислениях, включая деление комплексных чисел ...
* Преобразование комплексных чисел ... Комплексные числа могут быть представлены в различных формах, включая алгебраическую, тригонометрическую и экспоненциальную формы ... Эти преобразования часто используются при решении математических задач ... Все эти методы и операции являются основными при работе с комплексными числами и используются в различных областях, включая физику, инженерию, обработку сигналов и многие другие ...

Использование и настройка блоков в GRC GNU Radio при создании радио схем.

Нужно ли знать и понимать математику комплексных чисел при работе с GRC GNU Radio - при настройке блоков и модулей ? ... Да, знание и понимание математики комплексных чисел - полезно при работе с GRC (GNU Radio Companion) для настройки блоков и модулей ... GRC - это графический инструмент для разработки программного обеспечения радиосистем с открытым исходным кодом ... Однако, важно отметить, что не все блоки и модули в GRC - требуют знания и понимания математики комплексных чисел ... В зависимости от конкретной задачи и используемых блоков, некоторые операции с комплексными числами - могут быть автоматизированы или скрыты от пользователя ... Таким образом, знание математики комплексных чисел может быть полезным, но не всегда является обязательным - для работы с GRC ...

В GRC используются различные блоки и модули для создания радиосигналов и обработки сигналов ... Некоторые из этих блоков и модулей могут работать с комплексными числами, так как комплексные числа - широко используются в радиосвязи и обработке сигналов ... Например, при работе с модуляцией и демодуляцией сигналов, а также при фильтрации и коррекции сигналов, комплексные числа - могут использоваться для представления и обработки фазы и амплитуды сигнала ... Понимание основных операций с комплексными числами, таких как сложение, вычитание, умножение и деление, а также понимание модуля и аргумента комплексного числа - может помочь в правильной настройке и использовании соответствующих блоков и модулей в GRC ...

Получается, что - нет простого способа приёма спутников при помощи GNU Radio и gr-satellites ? ... Ответ - неоднозначный ... GNU Radio и gr-satellites предоставляют мощные инструменты для разработки и настройки потоковых графов, которые могут использоваться для приема спутниковых сигналов ... Однако, прием спутниковых сигналов может быть сложным процессом, требующим знания специфических протоколов и параметров - для каждого спутника ... Может потребоваться изучить документацию и руководства, связанные с конкретным спутником, чтобы правильно настроить и связать блоки для его приема ... Также стоит отметить, что прием спутниковых сигналов может зависеть от различных факторов, таких как антенна, радиочастотное окружение и другие помехи ... Поэтому - может потребоваться некоторое время и эксперименты, чтобы достичь успешного приема спутниковых сигналов ...

Краткое введение в GNU Radio - всё, что нужно знать начинающим и радиолюбителям среднего уровня ... Действительно, без легкого погружения в теорию руководства GNU Radio, совсем - не обойтись ... Ну, хотя бы - для того, чтобы получить первичные сведения о способах построения компьютерных моделей радио устройств ... Но, это, действительно - приятное знакомство, а не нудная зубрёжка ... Хотя и это - не исключается, также ))) ... Вы берёте - только то, что считаете нужным и важным для себя - на данный и текущий момент времени ... А, также - получаете обзор возможностей - для будущего роста и развития ...

C:\ radioconda \ Library \ share \ gnuradio \ examples \ ... После основ теории, самое время - обратиться к практике и получить бесценные знания эффективной настройки и работы с блоками, построения графов, и вообще исследовать как и для каких целей применяют радио конструктор его многочисленные пользователи ... Практические знания - самые ценные ; примеры - легко запускать и модифицировать под собственные нужды, а приобретённый опыт - позволит увереннее двигаться дальше, от простых конструкций к более сложным ... Включая ... analog ... audio ... block ... channels ... ctrlport ... digital ... dtv ... fec ... filter ... metadata ... mp-sched ... network ... pdu ... qt-gui ... soapy ... tags ... trellis ... uhd ... vocoder ... zeromq ...

Не стоит ограничиваться только одной папкой примеров \ gnuradio \ ... В директории radioconda - много образцов сопутствующих тем - в соседних папках : ... adodbapi ... gettext ... gr-dest2 ... ieee802 ... gr-leo ... gr-lora_sdr ... gr-rds ... lzo ... pyqtgraph ... numpy ... uhd ... Всего можно найти, более 500 файлов *.grc и более 50000 *.py* программного кода Python ...

Сначала : яйцо или курица ? ...

Как проще понять суть работы блок схем в GNU Radio - с программного кода или блоков, связанных линиями в потоковые диаграммы ? ... Ведь, вставка блоков / модулей - нисколько не умаляет важность понимания программного кода и установки правильных значений переменных, а также - включение логических связей ...

Без знания специфики работы Python, начинать с программного кода, может оказаться - значительно сложнее ... И - не в плане создания / повторения базовых алгоритмов обращения к структурам, а - в устранении ошибок, которые могут возникнуть при программировании, которые - нужно уметь правильно обрабатывать и исправлять ... Пожалуй, это - и является главным препятствием начинаний не программистов, когда опыт, приходит - вместе со знаниями и временем ...

Создадим пример, как принимать спутниковые сигналы с помощью gnu radio и gr-satellites в виде диаграмм блок схем ...

Открыть GNU Radio Companion (GRC), это графический интерфейс для создания потоковых графов в GNU Radio ... Создать новый проект в GRC и открыть новый потоковый граф ... Путь к блокам зависит от пути установки, например C:\ radioconda \ Library \ share \ gnuradio \ grc \ blocks ...

Настроить значение переменной выборки Sample Rate = 2.048e6 = 2.048 MSPS ...

В меню списка блоков - найти блок RTL-SDR Source и добавить его на граф ... Настроить Device Arguments rtl=0 эта строка обычно часто используется при запуске донгла ... Настроить частоту 137.100 для 33591 NOAA 19 ...

Дальше - нужно добавить другие необходимые блоки для обработки сигнала, например, демодуляторы или декодеры для конкретных спутниковых протоколов ... А, затем - соединить блоки в графе, чтобы определить поток сигнала от спутника к выходу ... Здесь - также начинаются первые сложности ))) ...

Выбрать блок демодуляции, который соответствует формату сигнала NOAA ... Обычно это блок FM демодулятора или блок демодулятора AM/SSB ... Обычно потребуется указать частоту демодуляции и другие параметры, чтобы правильно декодировать сигнал NOAA ... Подключаю FM Demod и настраиваю ... Channel Rate 8e6 = 8 МГц ... Audio Decimation = 32 ... 8 МГц / 32 = 250 КГц на выходе ... Другие параметры, пока - не трогаю ...

Выбрать блок декодирования для дальнейшей обработки сигнала NOAA ... Это может быть блок декодирования аудио или блок декодирования данных, в зависимости от того, какой тип информации нужно получить из сигнала NOAA ... Настроить параметры блока декодирования в соответствии с форматом сигнала NOAA ... Это может включать выбор типа декодирования, настройку фильтров и другие параметры ...

Порядок соединения : выходной порт блока демодуляции с входным портом блока декодирования ... Выход блока декодирования может передавать сигналы дополнительным блокам визуального контроля ...
# WX GUI Constellation Sink - позволяет визуализировать созвездие демодулированного сигнала ... QT GUI созвездия имеет синий порт входа ... Подключаю прямо к выходу RTL-SDR Source ... Настраиваю Grid / сетка и AutoAcale / автомасштаб - в значение Да ...
# WX GUI Waterfall Sink - позволяет визуализировать спектр сигнала во времени ... QT GUI водопада - также имеет синий вход ... Здесь я указываю центральную частоту 137.1e6 ...
# WX GUI FFT Sink - позволяет визуализировать спектр сигнала в частотной области ...
# WX GUI Slider - этот блок позволяет настраивать параметры демодуляции и декодирования в реальном времени ...
# Примечание : современные версии не поддерживают WX GUI, что является аналогичным повторением функциональности QT GUI ...

Пропустив другие блоки - подключаю оранжевый выход FM демодулятора к оранжевому входу добавленного устройства вывода звука Audio Sink, которому настраиваю Sample Rate на обычную звуковую частоту 48 КГц ...

Конечно, получилась - полная хрень, благо что это - не имеет явных ошибок запуска, но исполнение кода приводит к RuntimeError : insufficient extremals -- cannot continue ... А, всё - потому, что какие-то из настроек - выставлены в настолько неприемлемые значения, что GNU Radio или Python - просто не в состоянии их прожевать ))) ...

Итак, ответ на вопрос : где получить первичные знания по правильной состыковке блоков и сборке схем в GRC - становится темой для специального отдельного урока, где все разрозненные отрывочные знания - нужно соединить - воедино ))) ...

AOS и DDE оповещения.

Рассмотрим теоретический пример, как использовать AOS оповещение DDE трекера программы Orbitron - для настройки GNU Radio на принимаемый спутник и с одновременным запросом соответствующих требуемых данных из gr-satellites ... Общий подход к использованию оповещения AOS (Acquisition of Signal) DDE трекера программы Orbitron для настройки GNU Radio и запроса требуемых данных из gr-satellites ...

Установить программу Orbitron и настроить ее для отслеживания спутниковых проходов ... Orbitron предоставляет возможность использовать DDE (Dynamic Data Exchange) для передачи данных о проходах спутников - в другие программы ...

В GNU Radio создать потоковый граф, который будет выполнять прием спутниковых сигналов ... Проблематично заранее включить необходимые блоки для демодуляции и декодирования сигналов, в соответствии с требованиями конкретного спутника - при множественном мониторинге ... В крайнем случае, сателлиты - можно объединить по общей принадлежности, например FSK, GMSK, и - только менять номер проходящего аппарата, не трогая настройки оснастки ...

Используем блок DDE Source в GNU Radio - для получения данных о проходах спутников из программы Orbitron ... Настроить параметры блока, чтобы указать путь к программе Orbitron и определенные каналы DDE, которые содержат информацию о проходах спутников ...

Подключить выходной порт блока DDE Source к следующим блокам обработки информации в потоковом графе GNU Radio ... Например, можно использовать эти данные для настройки параметров демодуляции или для выполнения операций только во время прохода спутника ...

Запустить потоковый граф в GNU Radio и наблюдать за результатами приема спутниковых сигналов ... При наступлении прохода спутника, данные из программы Orbitron будут передаваться в GNU Radio через блок DDE Source, и будет возможно использовать их - для настройки и выполнения операций в потоковом графе ...

Этот пример - предлагает общий подход, и может потребовать дополнительной настройки и адаптации в зависимости от конкретных требований спутникового приёма ...

Раздел linux : список всех страниц ...