— А у меня и есть только 200Вт подводимой!
— При 200Вт подводимой 1кВт на выходе???
— Ну так это же УСИЛИТЕЛЬ мощности!
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 темыограниченный 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].
К слову сказать, Джеймс Кэмерон, при погружении в «Бездну Челленджера» на батискафе Deepsea Challanger, общался с судном обеспечения как раз таким вот способом.
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
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
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
подрывапереключения 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
Комментарии (33)
Hardcoin
05.10.2017 00:30+2Кликбейт-заголовок (только ради того, что бы на него кликнули) — это не очень хорошо.
r9laj
05.10.2017 11:28Ай, да молодцы! Я так понимаю, канал цифровой? Какая пропускная способность и какой кодек? Какая макс дальность и при какой мощности? Раскройте побольше технических подробностей пожалуйста.
Хочу предложить вам автоматическую сборку печатных плат ваших изделий в особо мелких сериях или прототипов. SMD автомат — Autotronik. Селективная пайка — Pillar House. Подробности почтой.
StDmitirev Автор
05.10.2017 11:53+2Канал передачи полностью аналоговый (SSB модуляция) и это, на данный момент, самый надёжный вариант. А вот передача команд — цифровой, но там достаточно скорости в десятки бит в секунду. С цифровой передачей сейчас экспериментируем, но в воде повышение скорости передачи неизбежно ведёт к сильному снижению помехоустойчивости.
Про автоматическую сборку говорить пока рановато, но спасибо. Рано или поздно такая потребность может встать в полный рост.r9laj
05.10.2017 11:57Скажите, какой битрейт можно реально выжать? У нас есть опыт запихивания Speex в 800 бит/сек. Ну и алгоритмы избыточного кодирования (FEC) никто не отменал :-).
AlekDikarev
05.10.2017 12:27+1Все очень сильно зависит от внешних условий. Выжать можно почти какой угодно разумный битрейт, но в реальных акваториях оно не взлетит. По нашим данным рекорд, доступный коммерчески — 80 кБит/с на дистанции не более 300 метров (evologics), тут нужно понимать что это теоретический максимум и без учета избыточной информации и не в любой акватории это вообще будет работать. Реально же что можно получить в широком диапазоне акваторий — 1-2 кБит/с максимум. То, что есть у нас — 560/1200 бит/с на 2500 м, на 8000 м — 88 бит/с. Но там, где не будет работать 88 битный модем — не будет работать практически ничего. С аналоговой модуляцией ситуация такая, что мозг человека лучше любого эквалайзера и rake-приемника борется с шумом и многолучевостью, распознавая речевой сигнал, который к слову тоже феерично избыточен (по сути в речи скорость передачи полезной информации 50-150 бит/с).
r9laj
05.10.2017 14:41+1Все понятно, спасибо. 1200 бит/сек уже что-то, можно попытаться впихнуть речевой кодек.
Про универсальный DSP внутри готовы мы знаем, сам учу телеграф и вижу как коллеги «вытаскивают» такой сигнал, который ни один DSP не распознает.
mmMike
05.10.2017 13:48+1Эх. Полнолицевая маска это не для любительского дайвинга…
А не пробовали с ларингофоном (на горле) под любительский дайвинг?
Если бы стоимость укладывалась в 5..7 т.руб, а вес в 100..150 грамм, я бы первым купил и народ бы уговорил.
20-30 метров расстояния — больше не надо.
Всякие свистелки и стучалки по баллонам так раздражают при большом количестве народа.AlekDikarev
05.10.2017 13:53С ларингофоном в статье как раз есть пример от CASIO с видео. Но правда стоит девайс $1k.
mmMike
05.10.2017 13:58Про то, что такие системы есть — я знаю.
Но купить что то за $1К что бы разобрать и посмотреть… как то перебор. (И так уже сухарь на замену просится. А это более актуально).
А вот узнать что это в принципе возможно в «наколенном» варианте… это ценно.
К сожалению, близко водоема для экспериментов нет.
А выезды даже на местные нырялки (300 км ближайший карьер где нормально понырять можно) это раз 5 в году. Не чаще.AlekDikarev
05.10.2017 14:32+2Не понял что даст разбор. Я вам и так скажу что там: батарейка, пьезопластина, предусилитель, усилитель и проц, который занят всем — от модуляции и фильтрации до записи всего на флешку. Причем все залито наглухо в компаунд. В самых простых Buddy phone — фильтрация и модуляция сделана на рассыпухе но вряд ли оно того стоит чтобы это реверсить.
mmMike
06.10.2017 06:03Я вам и так скажу что там: батарейка, пьезопластина, предусилитель, усилитель и проц, который занят всем
Ну блин… это я и сам могу сказать. На таком общем уровне. Микрофон + усилитель…
Просто у вас все.
А важны то конструктивные детали в которых дьявол кроется (не схемные):
- какой пьезодатчик (размеры, резонансная частота)
- А пьезодатчик ли там? Может классический электродинамический катушечный как в древних советских шлемофонных гарнитурах. Или еще что. Пьезомикрофон для частотной полосы речи не самый удачный выбор. Особенно для гарнитуры на горло.
- Как передается звук на «микрофон»? гелевая… жидкосная прослойка, прямой контакт (а как герметизация) или еще что что.
- какой вариант герметизации (ну как минимум на 100м) используется (выбран конструкторами как оптимальный? Наглухо залито компаундом… Совсем не факт.
И это только то, что первым приходит в голову.
Это не микрофон в полнолицевой маске для проверки концепции. Где можно сделать вентилируемы корпус устройства и не заботится особо о перепадах давления. Ну не заботится до первого затекания.
Полно лицевые маски разве что у владельцев ребризеров будут сухими. И то… там в курсе ребризера есть навык продувки маски (с перекрытием клапанов и пр.)
StDmitirev Автор
06.10.2017 10:22+1Про Ларингофон мы вам ничего и не скажем, поскольку на данный момент пользуемся микрофонами (динамическими или пьезо).
Пьезодатчики, если разработка не планируется для запуска в серию, придётся попробовать те которые есть в продаже. На алиэкспрессе, например.
С герметизацией, если вы про само устройство, вариантов 2:
1) Нормобарический корпус.
2) Различные заливочные пластики. В телефонии, в основном, такое и видим.mmMike
06.10.2017 10:50Саму то схему и пр. защитить не сложно (ну относительно). Вопрос только в микрофоне. Если не брать варианты с нормобарическими скафандрами,: )
А как будет работать микрофон внутри нормобарического корпуса?
Или… наверное… пьезомикрофон можно не защищать от перепадов давления.
Нормобарический корпус для глубины хотя бы 40м это минимум 4-5мм пластика. Если для передачи звука «вода->корпус (3-4мм)->воздух (1Атм) -> микрофон» это работает нормально (камеры подводные звуки хорошо пишут).
То та же камера в этом же корпусе на поверхности.
«воздух->корпус (3-4мм)->воздух (1Атм) -> микрофон»
рядом с ней орать нужно что бы хоть какой то звук был записан (сужу по своей камере).
Хотя вам виднее… если этим занимаетесь, то есть где и на чем экспериментировать.
Я не конкурент. Мне просто интересен вопрос, поскольку ныряю регулярно уже более 10 лет.
А уж как окликнуть бади, отплывшего метров на 15… или потерявшегося в мутняке в 2-х метрах от тебя — это очень актуально.
Статьи интересные — поэтому и вопросы.StDmitirev Автор
06.10.2017 11:10+1Про влияние корпуса приведу простой пример. Подводная лодка имеет прочный корпус, который и держит давление и лёгкий корпус, заполняемый водой. Между прочным и лёгким корпусом находится вся акустика. Поскольку вода, по сравнению с воздухом, среда плотная, то акустические колебания хорошо передаются корпусу.
Правда камеру водой заполнить не выйдет… Но вот заполнить корпус с микрофоном маслом — вполне. Пьезомикрофон можно и не защищать от давления. Главное защитить от воды, чтобы не замкнуло. Можно в интернете посмотреть соответствующие патенты.
mmMike
06.10.2017 06:11Вдогонку.
Можно забить на проблемы герметизации и пр.
Я видел конструкции «фонарей» (двублочных) состоящие из гелевого аккумулятора без всякой герметизации и обычного выключателя на проводе.
А чо… в пресной воде на 10-к дайвов хватит. Дешево и сердито.
Возможно и обычный ларингофон из старого танкового шлема без всякой герметизации будет работать. Но как то жалко времени на тупиковые ветки.
Вдруг кто то делал до тебя и знает какая конструкция лучше.
Psychosynthesis
05.10.2017 21:29Это же передача радиоволнами на сверхнизких частотах получается? Какие антенны используете? Как схемотехнически реализована модуляция\демодуляция?
AlekDikarev
05.10.2017 21:32+1В статье написано: Системы гидроакустической связи или «водолазная телефония» (для краткости будем говорить «телефония»). Именно о такой системе и пойдёт речь.
Все чаще обращаю внимание что люди читают заголовки и иногда текст по диагонали. Времена нынче такиеPsychosynthesis
05.10.2017 23:31+1Я, видимо, недостаточно образован и что такое «гидроакустическая связь» сходу не до конца понимал. Теперь погуглил, понял.
Речь, очевидно, идёт о передаче информации модулированной звуковой волной. Только вот в статье конкретно об этом (способ передачи) почти ничего не сказано. Даже слово «гидроакустика» упоминается всего два раза. Сами угадаете к чему я клоню?AlekDikarev
06.10.2017 00:32Почему же нет? Там указано что используется однополюсная амплитудная модуляция (АМ) с подавленной несущей (SSB). Не понял к чему вы клоните.
AlekDikarev
06.10.2017 00:32*однополосная
Psychosynthesis
06.10.2017 03:31+1Это тип модуляции. А где речь про то что именно является несущей? Звуковая волна или радиоволна? Вывод об этом можно сделать только зная, что конкретно такое «гидроакустическая связь». Потому что вначале написано что «использовать обычную рацию не получится» и далее что используется «система гидроакустической связи». Из сказанного я и начал думать что гидроакустическая связь это такая «необычная рация». Понятно что необычность её в том, что вместо радио там аудио, только понятно мне это стало лишь после гугления конкретно термина «гидроакустическая связь».
Собственно, клоню я как раз к тому, что описать различие между радиосвязью и гидроакустической связью было бы уместно описать одним кратким абзацем вначале статьи, а читал я её достаточно внимательно.AlekDikarev
06.10.2017 11:38Пардон, нам даже как-то не приходило в голову, что кто-то может неверно трактовать термин «гидроакустика» — у нас профдеформация.
StDmitirev Автор
05.10.2017 21:57+1Только гидроакустика, только хардкор!
Всё эти КНЧ, ИНЧ, ОНЧ — удел больших подводных лодок, где можно повестил большущую антенну. Антенны используем пьезокерамические.Psychosynthesis
06.10.2017 20:04А схемотехнику модулятора не освятите? Интересно. Ну и про антенны бы поподробнее чуть =)
StDmitirev Автор
06.10.2017 20:46К сожалению, не уполномочен раскрывать сокровенную доктрину. Сами понимаете, схемотехнические решения, даже самые простые, являются, в наш капиталистический век, коммерческой тайной.
Но вот книжку посоветую: С. Бунимович. Техника любительской однополосной радиосвязи. Москва. Издательство ДОСААФ, 1970
Про антенны боюсь надо отдельную статью писать и может не одну, поскольку это область крайне специфическая и очень объёмная по описанию. Рекомендую почитать в книге «Подводные электроакустические преобразователи» под редакцией В.В. Борогодского. Ленинград. Судостроение 1983. Очень хорошая книжка.
А также, Роберт Дж. Урик «Основы гидроакустики».
Psychosynthesis
06.10.2017 21:53+1Ну дык, конечно понимаю, самое интересное рассказывать низзя. Но вдруг вы альтруисты, я не мог не спросить =)
За книжки спасибо, первую почитаю обязательно, мне тоже пригодится, тем более она у меня в цифровой библиотеке валяется. А вот про антенны читать, пожалуй, не буду — очень специфичная область, врядли пригодится мне. Но краткую статью на эту тему я б посмотрел с удовольствием, так что если напишите, думаю не мне одному интересно будет. Спасибо!
Serge78rus
Интересно было бы подробней прочитать о возникших проблемах.
AlekDikarev
Проблем как таковых нет — некоторые функции просто не нужны пользователям и только усложняют использование устройств, о чем пользователи не стесняются сообщать и мы идем навстречу.
Serge78rus
Вы же перед проектированием наверняка интересовались пожеланиями потенциальных заказчиков. Поэтому я и предположил, что им не понравилась конкретная реализация их хотелок, а не их ненужность.
Creathor
Тут как бывает — товарищ водолаз говорит «а вот было бы неплохо!». Ты делаешь, потом товарищ водолаз понимает, что вроде бы неплохо, но особой пользы нет и жизнь усложняет.
Если этот эксплуатационный момент не учитывать и не выкидывать лишнее — появляются дурацкие системы распознавания голосовых команд для водолаза, например. Это когда количество функций прибора не позволяет ими пользоваться простыми органами управления (например, сотня функций — это то, что видим у одного российского производителя), и они прикручивают распознавалку голоса, которая в хороших условиях даёт 70% вероятность корректного распознавания команды, а под водой это делим на два. И получается страшное говнидло, которое на бумаге выглядит прекрасно («смотрите, сколько всего мы умеем»), а на практике приводит к тому, что базовые функции — ради чего всё затевалось — использовать невозможно.
Мы на всё это смотрим и задаём себе очень важный, с моей точки зрения вопрос: нахер так жить? (С)
В результате верного ответа на этот вопрос в приборах остаётся только то, что действительно важно.
Serge78rus
StDmitirev Автор
Это уже следствие. А причина — бесконтрольное наращивание функционала.