Передача звука под водой

Россияне создали систему беспроводной связи под водой. Аналогов в мире нет

Подводная радиотелефония

Российская компания IVA Technologies (входит в группу компаний «Хайтэк») сообщила CNews о выпуске обновленной версии мобильного радиокомплекса подводной связи IVA S/W. Усовершенствованный радиокомплекс прошел успешные испытания в акватории Баренцева моря с участием боевых пловцов воинской части специального назначения Военно-морского флота (ВМФ) России.

В ходе испытаний группе водолазов с устройствами IVA S/W удалось установить стабильную голосовую связь высокой четкости на дальности до 2 тыс. м и на глубине до 26 м. Такие показатели являются «своеобразным рекордом», поскольку подводную связь на сравнимой дальности не обеспечивает ни одна из современных систем как в России, так и в мире, пояснили CNews в компании.

Характеристики радиокомплекса IVA S/W удалось обеспечить за счет сочетания радиосвязи на принципах распространения электромагнитных волн в тандеме с «традиционной» гидроакустической установкой. Как утверждают в IVA Technologies, в настоящее время в мире нет технических аналогов такому решению. Комбинированное решение позволяет нивелировать недостатки гидроакустических систем и избежать зависимости от гидрологии среды распространения, присутствия взвеси, водорослей, термоклина и других неоднородностей. Это особенно актуально при выполнении работ в загрязненной водной среде, а также в условиях сильных гидроакустических шумов, в том числе, в прибрежной зоне.

«Испытания модернизированного мобильного радиокомплекса IVA S/W позволили проверить его работоспособность и качество в реальных условиях, – отметил Сергей Черных, зампредседателя совета директоров группы «Хайтэк». – Там, где есть подводные течения, присутствует естественное волнение воды, а также наблюдаются изменения ее температуры в зависимости от глубины погружения. Наличие таких факторов может очень сильно повлиять на конечный результат, но этого не произошло, и разработанный нами комплекс успешно прошел все тесты».

Как работает радио IVA S/W под водой

В состав подводного радиокомплекса IVA S/W входит цифровой приемопередатчик, гидроакустическая и электромагнитная антенны, контроллеры управления связью и подводная гарнитура связи, встраиваемая в полнолицевую маску.

Радиокомплекс IVA S/W предназначен для голосовой связи и передачи данных как в морской и пресной воде, так и через границу раздела сред (вода–воздух). Габариты комплекса составляют всего 500 х 500 х 100 мм при весе порядка 4 кг, так что все модули комплекса с соединительными проводами размещаются на акваланге, не создавая помех для движения водолаза в воде.

Время автономной работы комплекса IVA S/W составляет 8 часов. Дополнительно для сопровождения группы водолазов с поверхности может использоваться вариант радиокомплекса, оснащенный надводной гарнитурой связи.

Сочетание гидроакустической и электромагнитной систем связи обеспечивает комплексу возможность обхода препятствий (водоросли, природные и искусственные преграды). «Применение принципа электромагнитной связи в нашем случае заключается в передаче информации с помощью магнитной составляющей электромагнитной волны, – рассказал CNews Сергей Черных. – Как известно, вода, воздух, лед, каменные горные породы – все это немагнитные субстанции. Проходя через них, магнитное поле не видит существенной разницы между ними. Именно за счет этого свойства возможна организация связи через границу раздела сред (воздух-вода и наоборот), в том числе, через ледовый покров, а также через препятствия – например, подводные рифы».

Радиокомплекс IVA S/W был разработан для проведения исследований шельфа и разведки новых месторождений полезных ископаемых под водой, в том числе, в бассейне Арктики. Он может применяться для мониторинга ситуации в прибрежных зонах, проведения ремонтов и техобслуживания стационарных подводных сооружений, профилактики и предотвращения чрезвычайных ситуаций в акваториях нефте- и газодобычи. Кроме того его можно задействовать для развития подводных беспилотных аппаратов, охраны акваторий, а также организации голосовой связи в разведывательной группе водолазов, в том числе глубоководных.

Как пояснил CNews Сергей Черных, радиокомплекс для подводной связи, разработанный IVA Technologies, включает электромагнитную антенну, то есть, по факту под водой производится именно радиосвязь, и подобных устройств в мире действительно нет.

На вопрос CNews о том, есть ли конкуренты у радиокомплекса IVA S/W, Сергей Черных пояснил, что разработанная в IVA Technologies система подводной радиосвязи не имеет аналогов, но вместе с тем ее конкурентами являются традиционные гидроакустические системы связи, имеющие только гидроакустическую антенну со всеми вытекающими плюсами и минусами гидроакустики.

«Мы же предлагаем комплексное решение, объединяющее в себе оба типа связи, максимизирующее плюсы и минимизирующее минусы каждого из них с целью достижения главной задачи — обеспечения качественной связи водолазов между собой и с поверхностью независимо от окружающей их обстановки», — отметил Сергей Черных.

Радиокомплекс на практике

В первой версии мобильной подводной радиостанции, которая была представлена в 2018 г., комплекс IVA S/W обеспечивал дальность связи до 500 м при погружении на глубину до 100 м, и до 60 м через границу раздела сред (вода-лед-воздух).

Как пояснили CNews в IVA Technologies, в акватории Баренцева моря испытывалась новая модернизированная версия радиокомплекса с улучшенными характеристиками в части дальности связи (в том числе между средами) и глубины погружения. Разработчикам также удалось уменьшить влияние направленности действия антенн и улучшить прием по всем направлениям, а также доработать систему переключения режимов прием/передача с целью возможности использования серийно выпускаемых гарнитур связи.

По итогам испытаний личный состав воинской части и представители командования Северного флота выразили готовность использовать комплексы связи IVA S/W, заявили в IVA Technologies.

Некоторые факты о «Хайтэке» и IVA Technologies

Направление по разработке телекоммуникационного оборудования под брендом IVA Technologies было открыто в компании «Хайтэк» в 2016 г. На сегодняшний день под ним осуществляется выпуск продуктовых линеек, включающих платформу для видеоконференций IVA MCU, IP-телефоны IVA, мобильный радиокомплекс беспроводной подводной связи IVA S/W, систему автоматического распознавания лиц IVA CV.

В IVA Technologies также ведутся разработки отечественных процессорных решений. Как ранее сообщал CNews, уже в I квартале 2021 г. компания намерена выпустить первые образцы чипов на базе процессорной архитектуры IVA TPU. Ожидается, что первые разновидности «систем на кристалле» IVA Technologies будут использоваться на отладочных платах для встраиваемых систем и серверного применения. Кроме того, на базе микропроцессоров разрабатывается несколько реализаций модулей, которые будут непосредственно применяться в электронных устройствах заказчиков.

Группа компаний «Хайтэк» также специализируется на поставке и внедрении решений в сфере информационной безопасности, телекоммуникаций, проектирования инженерных систем и объектов ИТ-инфраструктуры.

Соучредителями ООО «Хайтэк», зарегистрированного 21 ноября 2013 г., по данным выписки из ЕГРЮЛ, являются Адам Безиев, Юрий Месропов и Ольга Ильягуева с долями по 30% у каждого, а также Сергей Черных с долей в 10%. Бывшим соучредителем и гендиректором, а также действующим председателем совета директоров общества выступает Николай Ивенев, экс-помощник депутата Госдумы VI созыва (2011-2016 гг.) — члена комитета по обороне.

По данным «Контур.фокус», за компанией числится 124 госконтракта на общую сумму в 1 млрд руб. Среди заказчиков — МВД, Минфин, «Транстелеком», ФАС, МЧС, ракетно-космический центр «Прогресс», Корпорация по организации воздушного движения в России, «РТ-информ», «Гринатом», Росэлектроника и др. По итогам 2019 г. компания продемонстрировала выручку в 1,3 млрд руб. с приростом этого показателя на 26% по сравнению с предыдущим годом и уровнем чистой прибыли в 43,4 млн руб.

В апреля 2020 г. CNews выяснил, что «Хайтэк» в течение трех лет создаст и запустит в серийное производство собственную программно-аппаратную платформу связи корпоративного уровня — конкурента Cisco и Avaya, потратив на это немногим более 1 млрд руб.

Источник

Сеанс передачи видео звуком через воду с разоблачением

«Господь всемогущий! Кажется я только что убил мистера Мэя!… Но как бы то ни было, продолжим» (С) Дж. Кларксон

В этой статье я расскажу, как передать видео (ну, почти видео) при помощи звука через воду, используя обычный ноутбук, кусок провода, два джека 3.5 мм и две пьезо пищалки. А так же объясню почему и как это работает, расскажу забавную историю про то, как мы это придумали. А в качестве вишенки на торт, к статье прилагается проект на C# с исходниками, чтобы все, кому интересно, сами могли попробовать, ведь научное знание проверяемо, не так ли?

Если вдруг читатель хочет чуть глубже погрузиться в гидроакустическую тематику, предлагаю ознакомиться с нашими предыдущими публикациями, где мы рассказываем о наших проектах походя раскрывая сложности передачи информации через воду:

В общем, нужно усвоить одну простую истину: видео через воду на какие-либо значимые расстояния (ну хотя бы сотни метров) при помощи акустики передать нельзя. Дело в крайне узкой доступной полосе частот и сильной неравномерности затухания разных частот с расстоянием. Плюсом идет шум, многолучевое распространение, реверберация, изменение скорости звука в среде от плотности (то есть от давления, температуры и солености), эффект доплера, который кстати работает не совсем так, как в радиосвязи.

Предельные значения скоростей для самых современных гидроакустических модемов находятся очень далеко от того, чтобы ими можно было передавать видео. Насколько мне известно, рекорд принадлежит компании EvoLogics и составляет 62.5 kbps с заявленной максимальной дистанцией 300 метров. Более того, слова о невозможности передачи видео звуком через воду (на разумные дистанции) как раз и принадлежат Константину Георгиевичу, основателю и руководителю EvoLogics.

В бытность мою научным сотрудником НИИ Гидросвязи, тогда еще абсолютно несмышленым, мне хотелось великих свершений, побед на севере и на юге, большого разрыхления почв, (нет, мне и сейчас их хочется, но тогда я совсем был не отягощен багажом опыта и знаний и все казалось почти магическим и сказочным). В нашем тогдашнем коллективе (часть которого является моим настоящим) мы часто фантазировали на тему каких-нибудь нереальных гидроакустических проектов, рылись на свалке складе и пробовали использовать подряд всякие артефакты великой древней цивилизации, частью которой и является тот НИИ, попутно пытаясь постичь дао гидроакустической связи.

Погружение в те воспоминания вызывает во мне противоречивые чувства. Тогда казалось, ничто и никто не могло нас остановить: мы выбили у директора китайский фрезерный станок для макетирования изделий, собирали нормобарические корпуса из голландских водопроводных труб Van De Lande, производителю которых даже писали письмо на тему: “А не проверяли ли вы случайно, какое внешнее давление выдерживают ваши трубы?”. За собственные средства собирали макеты в контейнерах для завтраков и втайне от руководства самовольно выезжали на испытания, по коллегам и родственникам собирая ледобуры, санки, даже в складчину покупали китайскую ПВХ лодку в Ашане. Оглядываясь назад, я чувствую как сердце мое наполняется ужасом, ностальгией и трепетом.

Справедливости ради стоит отметить, что все это время мы получали огромную поддержку от некоторых наших руководителей – словом и делом, а в последствие все наши поделки легализовались в ОКР (имеется в виду Опытно-Конструкторская Работа а не Обсессивно-Компульсивное Расстройство), который даже был представлен на международном военно-морском салоне в 2013 году. Да-да, мы возили на салон наши водопроводные трубы, выкрашенные StDmitirev собственноручно в ярко-оранжевый! Вот они, в чемоданчиках:

Как-то раз мой друг и коллега StDmitirev в разгар беседы о спектрах и спекрограммах произнес сокраментальную фразу:

«А вот, было бы прикольно сделать такую систему: подводник сидит в подводной лодке и смотрит в монитор, на котором плавно движется спектрограмма, на которой как пальцем другого подводника по запотевшему окну другой подводной лодки написаны буквы и цифры».

Все посмеялись, поразвивали эту тему, вроде бы даже в тот же день нарисовали смайлик на спектрограмме и послушали как он звучит. Мне же страшно захотелось это привести к практическому виду.

Сейчас уже сложно вспомнить (дело было в далеком 2012 году). В моем распоряжении был рабочий компьютер с веб-камерой, разные артефакты-антенны и специальное “ведро гидроакустическое повышающее” (ВГ-1-П) с водой. Повышающим его назвали из-за того, что я всякому начальству показывал в нем работу разных макетов оборудования, что привело к моему повышению до старшего научного сотрудника.

Я не стеснен никакими обязательствами, сам метод давно опубликован в открытом доступе, а результаты многократно докладывались на конференциях.

Итак, рассказываю, как на духу – как передать видео через воду:

Как сформировать сигнал?

Мы помним, что идея основывается на «рисовании на спектрограмме», то есть, передаваемая картинка – это есть спектрограмма сигнала. Для преобразования сигнала из временной области в частотную и обратно удобно применять (ну, например) преобразование Фурье, точнее быстрое преобразование Фурье, для краткости называемое БПФ или, что более привычно FFT (Fast Fourier Transform).

Так как нам надо превратить картинку (кадр видео) в звуковой сигнал, который можно было бы излучить звуковой картой любого компьютера, то для формирования мы очевидно воспользуемся обратным преобразованием – IFFT. Мы будем излучать картинку по столбцам, а сигнал для одного столбца будет формироваться как на следующей схеме:

=
Допустим, что размер окна FFT у нас равен N и есть массив размером N. Если считать его спектром сигнала, то его нулевой элемент соответствует нулевой частоте (постоянка), а отсчет с индексом N-1 соответствует частоте дискретизации Sample Rate. Нужно выбрать такие размеры кадра изображения и размер окна FFT, чтобы с одной стороны все это хоть как-то было похоже на видео (передача одного кадра занимала бы разумное время), а с другой — используемая полоса частот была адекватной в принципе и адекватной доступному оборудованию. Теперь, если с какого-нибудь понравившегося отсчета мы (снизу вверх на схеме) впишем значения яркостей столбца картинки (Frame coloumn), а потом выполним обратное FFT, то на выходе получим сигнал, кодирующий один столбец изображения. Теперь нам остается таким же образом сформировать сигналы для остальных столбцов изображения и поочередно излучить их при помощи звуковой карты.

Стоит отметить что FFT на выходе дает массив комплексных значений, так вот наш сигнал – это вещественная часть. Само собой, получившийся сигнал по столбцам приводится к 16-ти битным знаковым целым (в таком виде обычно хранят цифровой звуковой сигнал) и нормализуется.

На самом деле в начале картинки я еще вписываю несколько столбцов максимальной яркости, в последствии, на стороне приемника это позволит определить АЧХ приемопередающего тракта (и канала передачи), которая будучи инвертирована и немного сглажена поможет нам улучшить принимаемый кадр.

На мой взгляд проще всего продемонстрировать устройство передатчика куском кода, вот он (метод Encode класса Encoder):

Код, естественно, ни на что не претендует и писался впопыхах чисто для демонстрации.

Так что на счет скорости передачи?

И как ее оценить? Нам удалось (со зла не со зла) около двух месяцев сохранять интригу и некоторые наши старшие товарищи и руководители в свободное время умудрялись исписывать кучу бумаги, прикидывая как могла получиться ТАКАЯ бешеная скорость передачи.

Например, если частота дискретизации 96 кГц, а размер окна FFT мы примем равным 512, на вход передатчику будем подавать картинки размером 120 х 120 пикселей (8 бит на пиксель), то время, которое потребуется для передачи одного кадра изображения составит:

120*512/96000 = 0.64 секунды

Битовая скорость вроде бы должна составить:

120х120*8 / 0.64 = 180 000 бит в секунду!

Сын директора в то время восторгался – да это же можно уже Интернет-протоколы использовать! Это же прорыв!

Как я покажу ниже, очень легко попасть в такое заблуждение. Что же тут не так? Ведь все так просто и изящно!

На самом же деле подобный расчет скорости неприменим к данному методу, так же, как например, он неприменим к аналоговому телевизионному сигналу, сколько там бит на пиксель? =) А как на счет простейшего детекторного приемника? =))

Описанный метод передачи по сути АНАЛОГОВЫЙ и понятия «бит» и «пиксель» к нему не применимы – можно в той же картинке, теоретически, взять не 8 бит на яркость пикселя а 16 и «скорость» автоматически возрастет двукратно.

Самое время показать самые первые результаты нашего «прорыва»:

Картинка выше была получена нами зимой 2012 года на реке Пичуга. Дистанция передачи составила 700 метров. Да, увы, мой дорогой читатель, это совсем не HD и даже не тянет на самый позорный CamRip. Не помню уже кто, но кто-то очень точно подметил, что все наши «видео» похожи на передачу сигналов о помощи с погибающей планеты.

Что примечательно, с натяжкой этот можно характеризовать как некое подобие OFDM – данные передаются на ортогональных поднесущих, что означает хорошую устойчивость к тональным и другим узкополосным помехам – в этом случае искажаются отдельные «строки» картинки. Импульсная же помеха – наоборот, искажает один или группу столбцов. Характерная «полосатость» картинок вызвана т.н. частотно-селективным замиранием вследствие многолучевого распространения, но об этом я расскажу как-нибудь в другой раз.

Как устроен приемник?

Сразу оговорюсь, что для того, чтобы попробовать этот метод в ведре или даже в небольшом бассейне, будет вполне достаточно двух часовых пьез (такие круглые) с припаянным к ним разъемом для звуковой карты. Для передатчика можно взять достаточно длинный (2-3-4-5 метров) и неэкранированный кабель, загерметизировав сам пьезоэлемент цапон-лаком или небольшим слоем герметика – на несколько раз точно хватит. Получившуюся гидроакустическую антенну (не, ну а что?) вставляем в разъем для наушников.

На фото внизу разные пьезы, оказавшиеся под рукой на момент написания статьи. Все показанные пьезоэлементы вполне годятся для «попробовать» и обычно есть в любом помойке радиомагазине. Пятак не обладает пьезоэффектом и присутствует на картинке для масштаба.

Для приемника лучше взять экранированный микрофонный кабель с таким же разъемом и замазанной герметиком или лаком пьезой на конце. Эту антенну вставляем в разъем для микрофона.

Для экспериментов на водоеме в качестве передатчика лучше взять какое-нибудь пьезокольцо и подавать на него усиленный (усилителя на TDA2030 с правильно намотанным трансформатором хватит на несколько сотен метров в хорошем водоеме или можно намотать ещё 5 витков) сигнал. Для приемника в этом случае тоже потребуется предусилитель и желательно полосовой фильтр. Если читателям будет интересно более подробно узнать про это – скажите об этом в комментариях и мы постараемся сделать статью, посвященную созданию усилителей мощности, предусилителей и антенн для гидроакустической связи.

Итак, вернемся к приемнику, точнее к его софтовой части

Самое главное в связи – это синхронизация и определение наличия полезного сигнала. В нашем примере детектирование производится по энергии в полосе: определяются места где она резко возрастает (начало кадра) и где резко спадает (конец кадра), с условием что от фронта до спада должно быть не меньше длительности кадра.

При всей своей простоте работает на удивление неплохо.

Данные со звуковой карты собираются по FFTSize отсчетов, над ними сразу выполняется FFT и в виде отдельных «слайсов» они хранятся, дожидаясь того момента, когда будут обработаны процедурой поиска, вот ее код (метод Search в классе Receiver):

А вот кусок кода, который отвечает за декодирование картинки (Encoder.DecodeEx):

А сейчас предлагаю посмотреть на результаты экспериментов по передаче «видео», проводившихся в разное время в разных водоемах.

Обе картинки (ниже) были записаны на международном военно-морском салоне в СПб в 2013 году на нашем (тогда) стенде через два ноутбука и аквариум.

Разобрать, что написано на бейдже не представляется возможным

А вот два «видео» записанных нами в одном из заливов Ладожского Озера в Карелии, они являются своего рода рекордом для данного метода (просто дальше мы никогда не пробовали и вряд ли будем) – первое из них получено на дистанции 500 а второе аж 1000 метров:

Поскольку «видео» писалось в реальном времени при помощи веб-камеры, то в кадр попадали разные странные вещи. Будет очень интересно, если кто-нибудь угадает и напишет в комментарии, что находится на заднем плане в последнем «видео» ).

В подтверждение того, что метод давным-давно опубликован — наша статья аж за 2013 год

Для захвата изображения с веб-камеры я использовал замечательную библиотеку AForge.

Функции работы с комплексными числами и FFT используются из прекрасной библиотеки AlgLib.

И, как я и обещал, весь проект на C# (VS2012) прилагается к статье в качестве материала для «домашней» работы. Для удобства отдельно лежит проект и бинарные файлы.
В демке предусмотрена возможность изменения (перемещения) занимаемой полосы частот а также гамма-коррекция выходного кадра (все можно менять в реальном времени).

Я давно не брал в руки C# и очень сложно найти время в рабочем графике, поэтому заранее извиняюсь за сумбурность и поспешность кода.

Кусок провода, два джека и две пьезы к статье не прикладываю – на всех не хватит.

Errata и Appendix

— По умолчанию демо-проект работает с частотой дискретизации 96 кГц, но не все современные звуковые карты ее поддерживают (Почему. ). Если оборудование не может 96 кГц то нужно установить в настройках 48 кГц, если нет, то 44100 уж точно поддерживается везде, однако, длительность передачи одного кадра будет соответственно больше.

Вот список ноутбуков и звуковых карт, которые можно считать оборудованием юного гидроакустика:

• Lenovo ideapad Y510P со звуком JBL
• Asus N55S
• Asus K501U
• внешняя звуковая карта Sound Blaster X-Fi Surround 5.1 (model no. SB 1095)

Источник