К вопросу о влиянии цианобактерий на речевые функции президента

Вступление

Мы уже писали про наш подводный GPS и УКБ систему (раз, два, три). В комментариях к самой первой статье пользователь r9laj заметил:«… логичным развитием вашего навигационного устройства было бы добавить в него средство общения для водолазов — типа рацию». И в прошлой статье мы обещали запись голоса президента, сделанную через 700 метров цианобактерий. И поскольку мы не стоим на месте, пришло время рассказать о новом устройстве для простых водолазов и выполнить обещание.

Как общаться водолазу?

Начнём с главного вопроса: как происходит общение «водолаз-водолаз» и «водолаз-поверхность»?

Из-за того, что радиосигналы практически не распространяются вглубь воды, за исключением диапазонов КНЧ и ОНЧ (смотрим тут и тут), использовать обычную рацию не выйдет и остаются лишь несколько способов:

• Дайв-сигналы — для свободного общения на любые темы ограниченный набор жестов для самых распространённых ситуаций. К основным минусам следует отнести ограниченность набора жестов и некоторые различия в жестах у водолазов разных стран (например, подумаете, что партнёр решил вас развлечь, изобразив «чебурашку», а он лишь пытается сказать, что к вашему мягкому месту уже примеряется акула-молот).
• Буйки на верёвке или спусковой конец за которые можно подёргать. В данном случае набор команд ещё более ограничен, да и после пятого рывка становится непонятно сигнал это или агония.
• Планшет с карандашом и почтовые караси для доставки сообщений.
• Телефонная связь через кабель-шланговые связки (КШС), обеспечивающая самое лучшее качество связи, но доступная только промышленным водолазам.
• Подводные громкоговорители. Только односторонняя связь и никаких лишних устройств на водолазе, зато легко изготавливаются из подручных средств.
• Системы гидроакустической связи или «водолазная телефония» (для краткости будем говорить «телефония»). Именно о такой системе и пойдёт речь.

А стоит ли?

Окинув выпуклым военно-морским взглядом рынок снаряжения для дайверов, можно найти много систем подводной связи, как проводные, так и беспроводные (раз, два, три и список можно продолжать).

Обычный состав оборудования — надводная станция связи и несколько водолазных устройств (приёмников или приёмо-передатчиков). Из-за ограниченности полосы частот и невозможности нормального разнесения по частоте, связь осуществляется только в полудуплексном режиме. Количество каналов, обычно, не превышает двух-трёх и их переключение осуществляется тангентой, расположенной на маске. Кстати, почти каждый производитель делает свою водолазную маску или крепления только под определённые маски, что несколько осложняет жизнь простому пользователю.

Японцы из фирмы CASIO пошли своим путём и в своём Logosease отказались от кнопок. Для переключения каналов и включения передачи необходимо постучать по корпусу устройства, да вот незадача, на мощный акустический сигнал реагирует как на постукивание и начинает сходить с ума. Из достоинств — компактность, возможность записи переговоров и использование костной проводимости. Из недостатков — высокая цена и малая дальность связи.

Существенным неудобством при использовании водолазной телефонии является необходимость применения полнолицевой маски. Без неё нормально говорить не получится. Вот забавный пример. Если на 54-й секунде вы не смотрели на субтитры и поняли говорящего, то полнолицевая маска вам не нужна.

А стоит ли делать своё, если есть много конкурентов, предлагающих кучу устройств по вполне приемлемым ценам? Конечно стоит!

АМа звук нам сладок и приятен

Видов модуляции существует множество, но в водолазной телефонии привычно используют амплитудную модуляцию с одной боковой полосой (SSB), хорошо известную любому радиолюбителю. Коротко почитать можно тут.

Стандартная частота — 32,768 кГц (верхняя боковая). Хорошим тоном и жизненной необходимостью считается совместимость, на этой частоте, устройств разных производителей. Мы решили не нарушать эту традицию, но каналов хотелось побольше. На данный момент мы используем 8 (даже в водолазном устройстве) наиболее распространённых:

Канал 1 = 32,768 кГц (USB — верхняя боковая)
Канал 2 = 32,768 кГц (LSB — нижняя боковая)
Канал 3 = 31,250 кГц (USB )
Канал 4 = 31,250 кГц (LSB)
Канал 5 = 28,5 кГц (USB )
Канал 6 = 28,5 кГц (LSB)
Канал 7 = 25 кГц (USB )
Канал 8 = 25 кГц (LSB)

Есть ещё несколько каналов используемых военными и находятся на более низких частотах. Например, в НАТО используют 8,0875 кГц (USB) [1].

Чего изволите или отметаем лишнее

Разработку собственного варианта водолазной телефонии мы довольно долго откладывали, пока нас не переубедили водолазы. И вот, за пару месяцев до МВМС-2017 мы приступили к разработке.

Для начала надо было определиться с названием будущего изделия и по доброй традиции оно получило название RedPhone-OS (надводная станция) и RedPhone (водолазное устройство), а также с параметрами. Для водолазного устройства имеем:

• Максимально возможное время автономности, возможность быстрой замены батареек/аккумуляторов между погружениями и их распространённость.
• Максимально возможная дальность связи. Поскольку диапазон частот и тип модуляции частот жёстко заданы, то повышение дальности возможно за счёт увеличения чувствительности приёмника и/или увеличения мощности передатчика (обычно 0,5-1Вт).
• Включение при погружении в воду и выключение только после выхода из воды.
• Простой механизм переключения каналов без возможности переключения во время погружения.
• Наличие АРУ (с диапазоном около 80 дБ) с регулируемыми временами нарастания и спада, для предотвращения клиппирования принимаемого сигнала. При работе вблизи передающей антенны на приёмной антенне можно довольно легко получить единицы вольт, а на расстоянии 700-800 метров приходится рассчитывать на жалкие милли- или микровольты.
• Компактность и минимализм! Никаких экранов с красивым меню, кучи кнопок и миллиона дополнительных функций.
• Совместимость с существующими на рынке устройствами.
• Поскольку мы не планируем делать собственные маски, необходимо предусмотреть сменное крепление.

Использование костной проводимости было решено отложить, ведь не каждый водолаз согласится на титановый болт в голове, и все процессы приёма и излучения звука полностью переложить на привычную нам пьезокерамику. А следом в мусор отправилась и идея сделать устройство полностью аналоговым. Это дало бы выигрыш в энергопотреблении, но этот плюс единственный.

Поскольку нам предоставили маску, то изготовление началось с тангенты. Она должна быть герметичной, достаточной большой для нажатия в перчатках и иметь большой ход. Основа кнопки — старый-добрый геркон и тут выбор однозначен. Дабы геркон не раздавило давлением воды, он залит компаундом. Снизу на тангенте располагается микрофон.

А вот и маска, снабжённая удобными дворниками, с установленной тангентой:

Корпус будущего устройства появлялся и эволюционировал вместе с платой, но окончательный размер задали аккумуляторы.

Первые испытания макета телефонии проводили в чудесной луже.

И после испытаний установили мощность в режиме изучения равную 5Вт (или 10Вт, для тех, кто любит погромче). В связи с этим аккумуляторы быстро выросли до 2-х литий-ионных типоразмера 18650 и появился окончательный вариант корпуса:

С обратной стороны корпуса расположен пьезодинамик. Основное его достоинство — крайне малая толщина и полная герметичность, а также, как приятный бонус — использование костной проводимости, в случае прилегания к виску. Крепление на маску съёмное и крепится на двух винтах. В случае необходимости его можно быстро переделать под нужды клиента. При замыкании двух контактов на лицевой части корпуса (в нашем случае это два винта) прибор включается. Включение происходит даже в дистиллированной воде.

Переключатель каналов уютно разместился в батарейном отсеке, исключая случайное переключение каналов, что особенно важно, когда голова занята совсем другим.

Для надводной части с аккумулятором решили не мелочиться и поставили 4 литий-железо-фосфатных аккумулятора ёмкостью 7000мАч.

Генеральное тестирование системы (без участия водолазов) проводилось на реке Пичуга в Волгоградской области и практически совпадало с тестированием УКБ системы Zima. Август в Волгограде — время жаркое и все местные водоёмы довольно быстро начинают «цвести». Пичуга не лишена этой участи и в иные годы цветёт так, что ходить по воде становится возможным даже не являясь святым.

Работать в таких условиях не могут (почти) никакие гидроакустические системы связи (даже наша). Даже если выходная мощность передатчика 100-200-300...1000Вт, орды молчаливых цианобактерий и водорослей заставят любую систему замолчать. Единственный вариант — отплыть от берега на сотню-другую метров, где количество водорослей несколько снижается, но и там их достаточно, чтобы неплохо гасить звук. Плюс они распределяются вытянутыми «облаками», что делает гидрологические условия совершенно непредсказуемыми.

Очень эффектно такие облака выглядят на картах Google. Вот фотография водохранилища недалеко места проведения испытаний:

Именно в таких условиях мы и решили испытать наш RedPhone-OS. В качестве эталонного голоса был выбрано выступление президента на генеральной ассамблее ООН.

Вот так выглядит временная реализация часовой записи: мы отплывали на лодке непосредственно от передатчика, закрепленного на плоту, (в начале записи сигнал в перегрузе) на 700 метров (в середине записи очень заметно падение амплитуды) и примерно на середине записи развернулись и поплыли в обратном направлении.

На общей спектрограмме видно последовательное переключение каналов:

В комментариях к нашим статьям часто волнуются по поводу звукового загрязнения, в качестве примера приведем часть спектрограммы на которой зафиксирован шум мотора лодки, проходившей на минимальном расстоянии от нас порядка 500-600 метров:

Тоненькая полоска в районе 25 кГц — это наш телефон, а широкополосное пятно — шум моторной лодки. Тут еще стоит учесть, что наше записывающее устройство содержит полосовой фильтр примерно 5-38 кГц, и значительная часть шума лодки просто не попала на запись.

Для полного погружения представляем этот кусок записи исходного сигнала со звуком моторной лодки, и самый главный результат этих испытаний — полную демодулированную запись голоса президента через 700 метров цианобактерий (С).

На записи хорошо слышны внезапные изменения громкости, вызванные неравномерным прохождением звука через слои водорослей, а также влияние эффекта Доплера. И, если слушать совсем внимательно, даже слышно удары вёсел о воду (хоть и понять это можно только по ритму).

А вот и полный комплект, представленный на МВМС-2017:

А что RedPhone может такого, чего нет у конкурентов?

Сразу скажу чего в нём нет. Нет здесь голосового меню (и никогда не будет), активации голосом, переключения каналов кнопкой и ручной регулировки громкости.

Есть, как у всех, измерение заряда батареи, тональные сигналы вызова, шумоподавление.
Странно было бы выпускать устройство ничем особенно не отличающееся от имеющихся на рынке. И у RedPhone есть несколько интересных особенностей:

• Интеграция (на данный момент частичная) с УКБ системой Zima. Согласитесь, приятно не только разговаривать с человеком, но ещё и знать, где он находится, а в случае с водолазом ещё и на какой он глубине. Иногда это жизненно необходимо.
• Возможность адресного вызова (а можно и широковещательного вызова) конкретного водолаза. Не важно сколько устройств слушают в том же канале, сообщение получит только нужный водолаз, а остальные не будут отвлекаться от работы.
• Возможность дистанционного подрыва переключения RedPhone в режим передачи или перевод его в режим аварийного маяка.

Стоит сказать, что все эти функции сейчас проходят тестирование и часть из них не будет добавлена в серийные изделия, но возможно и появление новых (уже в планах добавить сохранение всех переговоров и док-станцию для RedPhone).

1. Robert Istepanian,Milica Stojanovic. Underwater Acoustic Digital Signal Processing and Communication Systems. ISBN 978-1-4757-3617-5

Автор: Станислав Дмитриев

Источник