Блеск и горечь архитектуры OMAP 3530

Для встраиваемых систем выбор кубиков, которые можно сложить во что-нибудь путное, не так уж и велик. То, что находится прямо перед глазами, не дает однозначного выбора.

ARM хорош и к тому же быстро развивается, сопроцессор с плавающей точкой NEON с распараллеливанием выполнения (pipeline) уже само собой разумеющийся атрибут. В последнее время обозначилась новая мода — использовать GPU для решения вычислительных задач, таких как FFT. Программировать под ARM — одно удовольствие, если пользоваться кросс-компилятором на собственной машине, среда Embedded Linux как правило привычна и дружественна разработчику. За все это заплачено отсутствием реального времени и возможностей обработки данных в синхронном режиме. Что же, для этого есть другие инструменты.

FPGA мыслится как первое что можно поставить скажем после АЦП. Синхронная обработка параллельных данных и возможность фильтрации на высокой частоте выборок (до 500 MS/s) определяют ПЛИС как стандарт де-факто на первом месте в сигнальном тракте. После фильтрации и децимации сигнал получается использовать как в DSP, так и в том же ARM. Конечно, с ПЛИС лучше работать не программисту (который может получить вывих мозга), а традиционному инженеру-схемотехнику. В конечном счете, FPGA есть не что иное как миллионы логических элементов, которые нужно просто соединить правильным образом.

Роль DSP также понятна: числодробилка с собственным pipeline, которая к тому же может принимать данные с синхронного интерфейса и вести обработку на несущей частоте. В современных процессорах операция FFT над выборкой 1К чисел с плавающей точкой занимает буквально несколько микросекунд. Сколько гребенок доплеровского фильтра можно сделать с таким процессором!

Рано или поздно кому-нибудь пришла бы в голову мысль скрестить между собой попарно эти кубики. В результате родилась архитектура Zynq, где возник симбиоз ARM + FPGA, и архитектура OMAP, основанная на ARM + DSP. Вот про вторую конфигурацию я бы хотел поговорить подробнее.

ARM+DSP или DSP+ARM?

Идея работать в дружественной среде Linux и одновременно получить те возможности, которые дает DSP, выглядит очень привлекательно. Для радиоинженера логичной бы выглядела связка DSP+ARM (именно в этой последовательности), в которой сигнал через физический интерфейс поступает в обработку DSP, в результате которой извлекаются информационные параметры сигнала, и ARM принимая эти полученные данные доделывает уже остальное: организует третичную обработку, отображение, управление и контроль.

Однако, все получилось немного не так. По замыслу разработчиков архитектуры OMAP, которая позиционируется как мультимедийная, DSP выступает в роли Accelerator Subsystem, фактически как сопроцессор-акселератор на подхвате у ARM. В принципе понятно, для чего это придумывалось: ARM получает данные с какой нибудь камеры, а DSP сопроцессор берет на себя критичные куски алгоритма, для которых требуется производительность. Но мы не привередливые: пусть будет ARM+DSP, где Linux на первой руке получает блоки данных, пусть и в асинхронном режиме, а условный доплеровский фильтр берет на себя DSP. На том и порешили, после двинемся дальше.

Codec Engine

Поскольку мы имеем представление, что будут делать ARM и DSP порознь, сосредоточимся на том, как они будут обмениваться данными. Хотя эти ядра и расположены на одном кристалле, но все таки это два совершенно разных процессора. Интуитивно понятно, как это может быть сделано: для этих процессоров существует некая общая область памяти, которую заполняет ARM и читает DSP и наоборот, если мы хотим сделать обмен данными двунаправленным. Ну и конечно должны быть библиотеки неких функций, которые можно дергать со стороны ARM, что проявится в виде неких сигналов в подсистеме DSP: данные мол готовы, забирайте.

Для тех, кто сталкивался с обеспечением подобного рода взаимодействия, а точнее — с разработкой протокола, известно с какой головной болью это связано. Поэтому благой вестью для нас является то, что компания Texas Instruments, разработчик SoC OMAP 3530, очень сильно постаралась не только для создания такого протокола, но пошла еще дальше — создала целый программный API под названием Codec Engine. Вот как эта структура выглядит на практике:

OMAP 3530, ARM, DSP, Codec Engine

Codec Engine: передача данных между ARM и DSP

Codec Engine, или CE, берет на себя множество мелочей, в которых так легко сделать ошибку: выделение памяти под передаваемые данные как со стороны ARM, так и со стороны DSP, поддержку функций обмена, средства сборки проекта опять таки со стороны ARM Linux, так и со стороны SYS/BIOS DSP. Кроме этого библиотеки CE включают в себя средства отладки, что вообще замечательно в части DSP, потому как просто так в этот процессор не залезешь.

Механизм обмена между ядрами ARM и DSP я использовал в проекте пассивного радиолокатора, где DSP подсистема использовалась для тяжелонагруженного алгоритма нахождения функции неопределенности сигнала.

Ложка дегтя

Так и стали бы ARM с DSP жить и добра наживать, и потускнел бы заголовок нашей статьи — причем здесь горечь, видны только одни радости? Как обычно бывает, при погружении в каждую технологию начинают всплывать вещи, о которых вначале не подозреваешь. Ничего страшного конечно не происходит, но есть нюанс. Об этой ложке дегтя — далее.

Сам CE — достаточно тяжелое решение. То, что компилируется из исходников, у меня на машине состоит из 103599 файлов — ни много ни мало. Собственные приложения выглядят карликом на фоне этого монстра ) Проект был собран и запущен в работу, и все было ОК. Но как-то появилась необходимость опробовать новые приложения на ARM стороне, которые требовали версии ядра Linux постарше чем 2.16. В чем проблема, накатим новое ядро! И тут опс… Codec Engine не захотел собираться с новым ядром. В чем причина?

Как выяснилось, подсистема Линукс-ядра IOMMU, которая отвечает за отображение памяти на периферийные устройства и которую использует CE, существенно изменилась в версиях Linux старше 3.0.50. Почему именно этот номер версии — потому что это максимум, чего получилось достичь вместе с патчами ядра. Вот тут и  обозначился проблемный аспект архитектуры OMAP: на апргрейд Linux на стороне ARM можно ставить крест. Нет, вы конечно можете использовать только ARM ядро, без DSP с любой версией Linux. Но тогда про DSP можно забыть.

Второе. Само собой разумеется, моим приложениям на ARM понадобилась поддержка операций с плавающей точкой, и я решил поставить дистрибутив с аппаратной поддержкой этих операций. И соответственно перекомпилировать CE с новыми библиотеками.  И тут началось… как выяснилось Texas Instruments как бы это мягче сказать… не вполне наделил свои исходники возможностями брать конфигурацию с корневых make файлов. Я обнаружил кучу кода, который отказывался компилироваться просто по той причине, что он просто игнорировал замену конфигурации с arm-linux-gnueabi на arm-linux-gnueabihf. Приходилось править его вручную. Было заметно, что в дебрях ветвей CE находятся такие древние файлы, что похоже в TI могло не остаться людей которые могут подсказать что они там делают )

Так что будьте осторожны с такими комплексными архитектурами. После экспериментов со связкой ARM+DSP невольно стала напрашиваться мысль что лучше было бы сделать взаимодействие между ними на аппаратном уровне…

Что касается Zynq, то обмен между ARM и FPGA был выполнен на удивление просто: стандартными средствами Linux DMA через обычное устройство /dev/xdma. Простая поддержка файловых операций, не более того. Интересно, почему по этому пути не пошли Texas Instruments в Codec Engine?

 

 

Трансляция видео на два HDMI экрана

Raspberry Pi, HDMI, TV, Разветвитель HDMI, HDMI Splitter, omxplayer

Одновременная трасляция видео на два экрана

При проведении занятий и семинаров, да и при размещении нескольких экранов в больших залах возникает желание транслировать на них одну и ту же картинку. Конечно, для этого существуют готовые решения, но когда в загашнике есть Raspberry Pi, хочется побольше простору и гибкости. Поскольку для планирования трансляции можно написать какой угодно скрипт или даже программу, открываются следующие возможности:

  • проигрывать плейлист по расписанию, в зависимости от времени дня и дня недели;
  • делать рекламные вставки в паузах между видео, в том числе включающие трансляцию с собственных камер;
  • автоматически менять программу в зависимости от посетителей;
  • и многое, многое другое.

Raspberry Pi с флешкой содержащей видеофильмы и разветвитель HDMI интерфейса. Свисток Wi-Fi используется только для управления RPi по сети

Поскольку RPi содержит только один HDMI выход, нам понадобится разветвитель, или сплиттер. Я ограничился двумя выходами и установил коробочку, которую купил на AliExpress (хвала Поднебесной!). К коробочке не предъявляется никаких особенных требований, за исключением того что сплиттер должен быть активным, т.е. обеспечивать усиление сигнала для компенсации потерь при разветвлении.

Плюс к коробочке — два десятиметровых HDMI кабеля, которые будут подключаться к ТВ экранам. Любой из современных плоских ТВ сейчас имеет HDMI вход, так что с этим проблем нет.

Раздача сигнала по Wi-Fi представляется мне плохой идеей, поскольку во-первых требует от ТВ наличия Smart модуля, что удорожает девайс, а во-вторых — забивает локальную сеть непрерывно идущим видеотрафиком. Поэтому все делаем строго по кабелям.

С точки зрения общего замысла все это выглядит так. RPi проигрывает медиа-файлы, расположенные на флешке, и направляет поток на HDMI выход. К нему подключен сплиттер, который формирует два идентичных выходных потока из входного для двух экранов. Вот и все. Дальше — детали, связанные с тем как всем этим управлять, то есть плавно переходим к программной начинке RPi.

Настройка софта Raspberry Pi

Начнем сначала — с флешки. В качестве таковой используем накопитель на 64Гб, который отформатируем в NTFS:

Флешка на моей машине опознается как sdb1, не перепутайте со своим жестким диском!

Почему NTFS? Чтобы иметь возможность записывать фильмы большого размера (>4Гб) и чтобы иметь возможность использовать флешку отдельно вместе с ТВ, поскольку Linux-файловые системы телевизор не понимает.

Далее, дадим RPi возможность автоматически монтировать флешку на старте (поскольку она все время будет вставлена в разъем), для чего добавляем строчку в /etc/fstab:

На RPi флешка опознается уже как sda1: в общем, смотрите внимательно, чтобы не потерять свой основной накопитель. Здесь есть несколько нюансов: файловая система монтируется как доступная только для чтения (read only), ведь нам ничего не нужно записывать туда, верно? И это страхует нас от необходимости чистить файловую систему ntfs после отключений питания. И кроме этого задаем маску, которая позволяет читать файловую систему всем, иначе доступ к ней будет только из под root.

Уже в этой точке вы можете полюбоваться одновременной трансляцией на два экрана, запустив плеер:

Почему именно omxplayer? Потому что он использует API чипов RPi, которые содержат аппаратные кодеки видео. Поэтому медиа-трансляция не нагружает АРМ процессор — декодирование потока из h.264 выполняется аппаратным кодеком. Запустите на RPi top и увидите, что загрузка CPU редко превышает 30%.

Если вы запустите обычный плеер, то перегруз процессора за 100% при воспроизведении видео вам гарантирован.

Далее, нужно сделать процесс удобоваримым для участников, которые не разбираются в удаленном доступе через ssh и работой в командной строке. Для этого на компе администратора (Ubuntu) я сварганил следующий Питоновский скрипт.

 

Скрипт показывает окошко на машине админа, в котором содержится список фильмов (точнее, видеофайлов). Двойным кликом на имени файла админ запускает трансляцию этого видео, после чего все могут смотреть кино сразу на двух экранах.

Чтобы скрипт работал, нужно обеспечить беспрепятственный доступ к RPi с машины админа, а именно — однократно запустить команду

где rpi.local — адрес малышки RPi. В результате будут сформированы ключи и не нужно будет каждый раз вводить пароль при запуске скрипта.

При запуске скрипт заходит на RPi по ssh и командой ls /mnt формирует список видео, который сохраняется в локальном файле /tmp/out.txt. Мы же помним, что после автомонтирования на /mnt у нас теперь файловая система NFTS флешки? Далее, из этого файла формируется список, который выводится в окне.

При двойном клике на имени файла из списка, опять таки через ssh запускается omxplayer с заданным именем файла в качестве аргумента. Чтобы избежать повторных запусков разных видео, каждый раз перед запуском плеера все его процессы убиваются.

Если взять скрипт за основу, то можно делать все эти вещи, которые я привел в начале статьи. Да, и чуть не забыл: доступ к RPi обеспечивается через Wi-Fi свисток (донгл), который находится в локальной сети. Если назначение системы — просто непрерывно крутить плейлист, тогда и связь по Wi-Fi не нужна.

Когда будете воспроизводить систему, убедитесь в этом что источник питания RPi содержит достаточный запас по мощности: все таки два занятых USB порта и работающий Wi-Fi это хорошая нагрузка.

 

Импортозамещение СКРС / VCS методом China Copy

Импортозамещение — эвфемизм, который на самом деле указывает на отсутствие собственных производственных возможностей. В области систем связи и радиоэлектроники переход на отечественную комплектацию и решения получился настолько болезненным, что многие фирмы изобрели ряд легких способов как продемонстрировать свою «импортозамещенность».

В немалой степени этому способствовала неразбериха в формулировках того, какая продукция может считаться отечественной или попросту говоря — собственной разработки. Интуитивно понятно, что помимо российской прописки предприятие должно вести разработку технических решений и программного обеспечения собственными силами. При этом фактор собственного производства не так важен, поскольку производить железо можно где угодно, а вот развивать продукт и создавать на его основе другие решения (создавать «потомство») можно только обладая интеллектуальным заделом и ноу-хау вплоть до таких важных вещей, как исходные коды программного обеспечения — ПО. Говоря другими словами, только живое дает потомство, а от клона потомства ждать нечего.

Часто встречаешься с абсолютизацией производства, которое приравнивается чуть ли не к характеристике высокого уровня технического развития. Если брать пример телефонов Apple, которые производят на китайских заводах,  то точно также они могут изготавливаться на таиландских или индонезийских. Но ни один из этих заводов не в состоянии разработать следующую генерацию смартфона или по крайней мере ответить на один из множества подобных вопросов: например, как и почему выполнено согласование передающего, приемного модуля и антенны в смартфоне? Поэтому порой доходит до смешного: все хотят видеть огромные цеха со станками как признак продвинутого предприятия. И в то же время на этих станках делают старье, в котором уже никто не разбирается — как оно работает. С другой стороны команда разработчиков из 10 человек создает современные радиолокационные станции, которые изготавливаются по кооперации.

Соотношение возможности разработки и производства я описал в статье «Это действительно ваша разработка?», где дал определение «красной зоне» разработки и «зеленой зоне» производства.

Понятно, что есть проблемы в замещении критичных компонентов, таких например как высокопроизводительные АЦП LTC2174IUKG-14 американской компании Linear Technology, которые используются в отечественных системах посадки самолетов ILS. На подобные компоненты оформляется экспортная лицензия, которая должна быть одобрена Госдепартаментом США. В случае запрета на поставку можно обойтись микросхемами с характеристиками поскромнее за счет увеличения объема оборудования, снижения быстродействия и ухудшения качества изделия. Это не меняет общей картины, когда ты разрабатываешь ILS и понимаешь как должна работать эта система.

Другая ситуация возникает, когда в определенном направлении нет никакого задела (от слова «совсем») и на отечественный рынок представляют «цельнотянутое» с Запада изделие с собственными шильдиками и децималями на документации. Тут уже трудно говорить, что в таком продукте является отечественным и насколько его можно отнести к собственной разработке. Производить — да, сколько угодно, но с появлением любого запроса на дальнейшее развитие или модернизацию — увы… Как работает — понимаем только на уровне регулировки, исходных текстов ПО и алгоритмов нет, понимания замысла тоже нет. Тут и возникает понятие China Copy: клонирование чужих изделий на собственных производственных площадях под своим, отечественным именем. Вроде бы уже не перебитые шильдики на передних панелях и не замазанная англоязычная маркировка на платах — свои чертежи и децимальные номера в документации, все по ГОСТу. Но клон от этого не перестает быть таковым — он никогда не даст потомства.

Для оживления повествования проследим историю «импортозамещения» в одной из российских компаний. Для примера возьмем не самое сложное изделие: систему коммутации речевой связи (СКРС), с помощью которой диспетчеры аэропортов ведут радиообмен с пилотами воздушных судов.

Начнем с прелюдии, когда все было просто и понятно: купил на Западе, продал в России.

Прелюдия: поставки радиосредств Rohde&Schwarz серии 200

В начале 2000-х российская компания «Азимут» развернула процесс закупок радиостанций серии 200 фирмы Rohde&Schwarz с последующей перепродажей на российской территории. Поскольку импортное оборудование, по отечественным правилам, нельзя использовать для целей УВД, было принято простое решение: поменять передние панели немецких радиостанций на свои, на которых надписи были уже на русском языке, а вместо логотипа Rohde&Schwarz была нарисована синяя подкова Азимута. Можно сказать, что это было «импортозамещение» начальной, первой ступени, в самом примитивном варианте.

Приемопередатчик XU250A, Tranciever XU250A, Приемопередатчик Азимут, Импортозамещение

Оригинальный трансивер XU250A немецкой компании Rohde&Schwarz серии 200, используемый для связи диспетчер — пилот в гражданской авиации (на верхнем снимке)
Внизу — «Импортозамещенный» приемопередатчик XU250A российской компании «Азимут». Передняя панель заменена на содержащую надписи на русском языке. Решетка громкоговорителя выполнена отверстиями в отличие от вырезов в оригнале для упрощения технологии изготовления панели.
Назначение приемопередатчика — работа в российских приемо-передающих центрах для обеспечения радиосвязи диспетчер — пилот

Такое же превращение из немецких в российские претерпели модули радиостанции, такие как этот тестовый генератор.Приемопередатчик XU250A, Tranciever XU250A, Приемопередатчик Азимут, Импортозамещение

По фотографиям видно, что с названием радиостанции решили не заморачиваться: как она называлась XU250A в оригинальном варианте, так и осталось. Такие же обозначения остались у модулей приемо — передатчика.

В остальном видно, что компоненты установленные на передней панели — переключатели, разъемы, индикаторы не заменялись. Само собой начинка радиостанции осталась оригинальная немецкая.

Немцы скрепя сердце терпели такое отношение к своему бренду в надежде, что на российской территории будет развернуто изготовление и поставка радиостанций Rohde&Scwarz. Однако сотрудничество не состоялось. И видимо именно по этой причине из нашего повествования выпадает СКРС / VCS-4G Rohde&Schwarz: если дилер не обеспечил поставки одного продукта, то скорее всего со вторым будет то же самое. Поэтому СКРС VCS-4G в дальнейшем уже не рассматривалась как потенциальный кандидат для перепродажи на территории РФ.

К этому моменту «импортозаместительная» схема уже была обкатана и получила свое развитие в попытках наладить партнерство (читай — закупки/продажи) с другими европейскими компаниями.

СКРС Schmid Telecom VCS 200/60

По мере развития отечественного рынка средств УВД заказчики начали соображать, что покупать импортное железо под отечественными шильдиками это в некотором роде контры с государственной политикой в этой отрасли, которая была направлена на поддержку «настоящих» отечественных производителей. Поскольку разрабатывать свое хлопотно и дорого, и хочется быстро и выгодно продавать западную, было придумано «импортозамещение» второй ступени.

Его особенность заключалась в том, что народ начал все меньше интересоваться содержимым плат и узлов и гораздо больше — программным обеспечением. И также вопросами, кому это ПО принадлежит и кто владеет исходными текстами.

Для наглядности я сделал подробную диаграмму, в которой присутствует красная зона — интеллектуальная область разработчика, и зеленая зона — то чем располагает завод. В очередной попытке перепродажи западной СКРС нужно было показать заказчику, что помимо зеленой зоны отечественный поставщик также контролирует красную зону, если попросту — располагает исходными текстами ПО. И такая возможность представилась с известной фирмой Schmid Telecom, Швейцария.

СКРС,VCS 200/60, Shmid Telecom

СКРС VCS 200/60 Shmid Telecom

Эта швейцарская компания — признанный лидер на европейском рынке СКРС. И конечно, она была заинтересована в продвижении своей продукции — СКРС VCS 200/60 на объемный российский рынок. Переговоры шли на высокой ноте, под хрустальный звон бокалов с шампанским и соблазнительной перспективой создания совместного предприятия. Блестки и конфетти мешали руководству конторы вникнуть в смысл лицензионного соглашения, где в разделе Software прописывают условия поставки ПО. В сущности, в подобных документах пишут вполне очевидные вещи, как например:

The Installation Package includes all SW and FW Module Versions that build together a certified SW Release.

Пакет установки включает все Software и Firmware модули, которые собраны в один программный релиз.

Все ясно — это пакет инсталляции ПО, поэтому речь идет о бинарных модулях (зеленая зона). Ну и немного лирики на тему того, что для аборигенов этого вполне достаточно 🙂

The VCS SW and FW are highly configurable. Any dimensioning of the system extension, every kind of functional parameters settings, Touch screen HMI and roles definitions do not require any modification of the SW or FW.

Through a very comfortable Configuration program an authorised user is enabled to define and download all the characteristics of the system. To partially or completely rearrange the operator interfaces HMI.

Due to this enormous flexibility, the need to extension and modification of the running SW and FW is very improbable.

Краткий перевод выглядит следующим:

Программное обеспечение СКРС отлично конфигурируется. Любое изменение параметров не требует какой-либо модификации софта.

Посредством весьма удобной программы конфигурации можно задать все характеристики системы, частично или полностью изменить пользовательский интерфейс.

Благодаря высокой гибкости, потребность в расширении возможностей или модификации работающего ПО представляется невероятной.

Вот она, игла Кощея: расширение возможностей и модификация работающего ПО. Внимание, красная зона, вход посторонним воспрещен! Если очень нужно, берите инструменты для конфигурации софта, меняйте как хотите картинки на дисплее, но технологии мы вам не дадим — расширять возможности и модифицировать ПО вы не будете. И это правильно: в программном обеспечении сидит вся капитализация Schmid Telecom: вся история развития, ошибки, неудачи и находки, конкурентные преимущества, методы реализации требуемых параметров.

Насколько разработчики Schmid Telecom представляют ценность для компании, демонстрирует следующий пример. Если заказчику нужна доработка системы, которая требует участия программистов, какой бы высокой не была оплата этой опции, программистов на ее реализацию никто отвлекать не будет. Подобные решения принимаются на самом высоком уровне — совете директоров. Если доработка будет признана целесообразной, она будет включена в RoadMap для последующего воплощения. Вот такая мощная башня из слоновой кости.

Желание поскорее двинуть швейцарский продукт под своим шильдиком было настолько велико, что на выставке МАКС 2011 оборудование Shmid Telecom чуть было не «импортозаместили» на ходу путем использования технологии Azimutation Kit: клей, ножницы, бумага 🙂 Благо, на серии 200 все было обкатано, а для выставки пойдет просто поменять фирменные логотипы.

К этому моменту контора сообразила, что без того чтобы продемонстрировать интеллектуальную собственность красной зоны, включая исходные коды ПО, не получится убедить заказчиков, что это самый натуральный российский продукт в стиле «сделаноунас». Но была проблема. С одной стороны, Шмид ни под каким соусом не соглашался показывать свою исходную программную документацию, с другой — ее все таки надо было демонстрировать проверяющим и сертифицирующим инстанциям. В результате интеллектуальных брифингов родилась схема с легким налетом романтики аферистического толка. Она заслуживает того, чтобы продемонстрировать ее 🙂

В представлении интеллектуалов конторы все должно было выглядеть так. Центральную часть схемы занимает сейф. В этот сейф Шмид приносит исходные тексты ПО и никому не показывая, запирает его на свой ключ. Поскольку владелец ключа ни в коем разе не должен выглядеть европейцем, который разговаривает на немецком (документация-то типа отечественная!), ключ вручается под расписку местному товарищу. В расписке указано что партнер, то есть контора ни одним глазом не может заглянуть в доки — они демонстрируются только проверяющим от государства. Далее в игру должен вступить некий проверяющий и сертифицирующий субъект, которого провожают в комнату с сейфом и он, небрежно пролистывая несколько сотен страниц с распечатками, говорит: йес! верую, что это ваше! Поскольку на сейфе и на каждой странице будет надпечатан логотип конторы.

Гениально, правда? Только почему-то не заработало. Может, проверяющие товарищи не хотели слишком сильно пачкаться, или были другие причины — перспектива убедить соответствующие органы в том что «красная зона» — наша, начала таять.

Когда наконец пришло осознание того, что технологии красной зоны никто отдавать не собирается и от аборигенов требуется только клепать железо в стиле China Copy без подтверждения права на собственный софт, поднялся шум. В результате, как и с Rohde&Schwarz, проект приказал долго жить.

СКРС Sitti «Multiphono»

Следующим партнером, которого можно было приспособить на российской территории под российским брендом, планировалась миланская компания Sitti. Вообще список разработчиков СКРС не так уж и велик — не считая Sitti, осталось рассматривать только австрийскйю компанию Frequentis. Подробный обзор по Sitti у меня есть в отдельной статье, здесь я только дополню этот технический обзор краткой историей о том, как проходила попытка «импортозамещения» уже с этой компанией.

Итальянцы были жизнерадостны и обаятельны: продавать систему — пожалуйста, производить на территории России под брендом партнера — можно подумать, но передавать технологию, то есть исходные коды программ — no, è impossibile. До конторы начало доходить, что все готовы поделиться  (естественно не безвозмездно) своим урожаем, но продавать поле с которого ты кормишься (красная зона) никто не собирается. Никто и никогда не продает свои технологии, и в самом деле, для этого надо быть самоубийцей, чтобы добровольно отдать свой бизнес другому.

Контора сделала последнюю попытку: предолжила Sitti продаться целиком вместе с СКРС. По идее это должно было выглядеть круто, а на самом деле было жалко и смешно. Итальянцы вежливо посмеялись, помахали ручкой и уехали в Милан. На этом все закончилось.

Самое обидное для конторы было то, что технологии отказался продавать даже отечественный разработчик СКРС — небольшая зеленоградская компания 🙂

СКРС собственной разработки

Да-да, такое тоже случилось однажды. Когда продукта для перепродажи нет, в голову приходят невеселые мысли о собственной разработке. Невеселые — потому что своих специалистов нет, а если даже их набирать — плохо вписывается разработка в торгово — закупочную парадигму. Все равно что на автобазе выделить площади для центра высокой моды 🙂

Если сами не умеем, можно заказать у тех кто умеет. Была найдена небольшая компания, продвинутая в разработке VoIP решений — имменно в этом изюминка проекта, поскольку требования Евроконтроля к СКРС описывают именно современные, VoIP решения. И все может быть и состоялось, но концу проекта, когда надо было принять работающую систему у подрядчика, нарисовалась еще одна торгово — закупочная возможность: перепродать СКРС Frequentis VCS3020X.

СКРС Frequentis VCS3020X

Соблазн был слишком велик: с одной стороны, собственная разработка, которую надо сопровождать и развивать, а с другой — готовое решение, которое нужно только грамотно перепродать на территории РФ. И начиная с этого момента судьба собственной разработки была решена: контора начала судебную тяжбу за проект, которая закончилась не в пользу разработчика VoIP СКРС (ну этому удивляться не приходится, зная как работает отечественная судебная система).

Frequentis VCS3020X. Будущее российской импортозамещенной СКРС

И старая торгово-закупочная машина, заправленная новым топливом, завертелась снова. Австрийская компания Frequentis является разработчиком СКРС и точно также как и предыдущие фирмы, начинает штурмовать аэродромные просторы РФ. Вполне возможно, что отечественные диспетчеры получат неплохую западную систему VCS3020X, разработанную в 2004 году, пусть даже и с перебитыми шильдиками и переделанной документацией. Только логотип у фирмы размашистый, придется перекрывать его тоже чем — нибудь значимым 🙂

Остались только вопросы, правда они носят скорее риторический характер.

Вопросы напоследок

Зачем делать вид, что в критичном аэродромном оборудовании используются отечественные системы и компоненты? Переделка документации и производство, призванные скрыть оригинального производителя, за которым все равно остаются чужие технологии и программное обеспечение (красная зона), ведут только к удорожанию и невозможности дальнейшего самостоятельного развития направления.

Почему бы просто не пустить на отечественный рынок такие компании как Thales, Rohde&Schwarz, тот же Frequentis со своей VCS3020X? Конечно, после этого сразу прекратят свое существование торгово — закупочные конторы, занимающиеся «отмывкой» западного оборудования, но зато возникнет внутренний рынок для специалистов, в том числе разработчиков.

Есть еще один аспект, связанный с внедрением пресловутых «закладок» в Firmware чипсетов и ПО. И если для радиолокатора или пеленгатора, использующего импортные компоненты, трудно представить как может быть активирована эта закладка, то для связного и коммуникационного оборудования, каким является СКРС, сам бог велел. Не имея исходных кодов ПО и Firmware «красной зоны», вы не найдете эту закладку. Активировать ее можно множеством способов: звонок в систему с определенного номера, специально сконструированные кодовые конструкции в цифровом трафике RTP, команды в протоколах сигнализации, связанных с внешними телефонными системами. Возможностей огромное количество, и странно наблюдать спокойствие служб, которые обычно сильно заморочены на шпионских сюжетах в то время как под девизом «прибыль любой ценой» идет затаскивание троянского коня.

Да и в любой момент австрийцам из Frequentis могут напомнить про санкции и озвучат предложение, от которого невозможно отказаться. После этого хайтек оборудование «отечественного производителя» станет просто кирпичами.

Ну а пока лучшие представители российских фирм успешно демонстрируют на форумах и выставках свои China Copy под шумные аплодисменты ничего не подозревающих зрителей и участников 🙂

Это действительно ваша разработка?

При разборе проблем в отечественной промышленной политике обычно обращаются к китайской действительности, где производится большая номенклатура продукции. Да и китайские заводы у всех на слуху. При этом в дискуссиях незаметно происходит фетишизация производства и подмена понятий: создается впечатление, что если завод производит радиоэлектронные изделия, то он знает и понимает как эти изделия создавать. Для многих между этими двумя понятиями стоит знак равенства, но на самом деле между производством и разработкой (R&D, Research and Development) — пропасть.

Приведу небольшой пример. На снимке — небольшое радиоэлектронное устройство. Видно, что оно выполнено по технологии поверхностного монтажа; судя по разъемам и основаниям для крепления экранов, содержит СВЧ компоненты. Завод, производящий эту плату, может демонстрировать ее на выставках и она будет показателем высокого уровня технического развития и соответствия современным технологиям. И это на самом деле так.

Приемный модуль, Receiver

Пример приемного модуля, изготовленного по кооперации за две недели: печатная плата и монтаж компонентов. При небольших объемах держать свое производство нет смысла

Для чего предназначена эта плата и какую роль она выполняет в системе, частью которой она является? Завод об этом не знает (если только не производит всю систему целиком). Собственно, это устройство и было так изготовлено: производителю была передана печать и необходимая документация, перечень элементов, благодаря чему он самостоятельно закупил компоненты, изготовил печатную плату, установил компоненты на плату. При этом производитель не имел ни малейшего понятия, для чего предназначена плата — на все про все ушло 2 недели.

Если плата должна быть проверена на заводе (что совсем не обязательно), это делается по инструкции — включили, увидели, сравнили. И опять-таки без погружения в суть.

Мы, как разработчики, знаем что на снимке — приемник диапазона 60 — 1000 МГц, содержащий синтезатор частот, управляемый по I2C, с возможностью работы от внешнего синтезатора с целью поддержания когерентности системы. Выходной сигнал — квадратурные составляющие I/Q, предназначенные для оцифровки в быстродействующих АЦП. У нас на руках электрическая схема, описание работы и другие документы, которых у завода нет и которые ему не нужны.

Теперь представим, что заказчик, вдохновившись этой платой, которая изготавливается на «передовом производстве», задает заводчанам вопрос: ребят, а можно нижнюю частоту сделать 50 МГц? Или — у вас внешне подключаемые ФНЧ, какая оптимальная частотная характеристика будет если оцифровку выполнять на скорости 250 млн. выборок в секунду? Или — давайте упростим плату и перенесем синтезатор в другое устройство, какие фазовые шумы нужно обеспечить для того чтобы вы выполнили требования по когерентности? И тут в ответ — тишина… Заводу ответить нечего. И незачем — его задача обеспечивать партию выпуска по той документации, которую ему дал разработчик.

Смешная получается история: солидное предприятие, станки стоят, руководство ходит в галстуках, получает финансирование на развитие и модернизацию… а модернизировать ничего не может. Приходится обращаться к очкарикам, которые сидят в небольшой комнатке со своими приборами, паяльниками и компьютерами 🙂 Смешно потому, что когда рассказываешь о своих проектах, тебя спрашивают: а где у вас производство? Граждане, производство сейчас вообще не проблема! Любую деталь или плату вам сделают за милую душу где угодно — хоть в Рязани хоть в Таиланде. Только платите. Не про производство надо спрашивать, а про IP — интеллектуальную собственность, которая подтверждена реально работающими устройствами.

Посмотрите, как устроены и работают современные европейские компании. Большая часть узлов изготавливается по кооперации, поскольку для таких объемов нет смысла держать свое производство.

Обобщим данный пример и попробуем ответить на вопрос, вынесенный в заголовок: что считать своей разработкой, которая может быть воспроизведена на любой производственной базе? И с другой стороны — когда завод, производящий радиотехнические системы, может утверждать что он является разработчиком и следовательно может модернизировать, изменять и развивать свою продукцию?

Свое и чужое

Поскольку такие вопросы возникают постоянно, я не поленился и нарисовал вот такую схемку. Схема позволяет взглянуть на ситуацию как со стороны разработки (красная зона), так и со стороны производства (зеленая зона). Агрессивным красным цветом я наделил разработку потому, что эта область является чувствительной и всегда защищается от копирования и заимствования. Зеленая зона содержит информацию, которая и так доступна.

Характерно, что разработчик находящийся в красной зоне (R&D) хорошо представляет как его продукт начинает жить в зеленой (производство), поскольку принимает участие в испытаниях и сопровождении во время изготовления. Обратное далеко не всегда встречается: как правило, заводчане полагают, что знают все об изделии и системе (этим же грешат эксплуатанты), а на самом деле даже не представляют, какой пласт информации кроется за этим. Завод знает о том, как сделано, а разработчик — почему сделано именно так. Чувствуете разницу? В первом случае — конечная станция, просим освободить вагоны, а второй открывает множество дорог в будущее.

Но я немного отвлекся ) Итак, как построена наша схемка. Блоки имеют группировку по вертикали и относятся к наиболее типичным компонентам изделия или системы: антенно — фидерный тракт, аппаратура (сюда включается все — СВЧ узлы, устройства формирования и обработки, компьютерные устройства, средства передачи и отображения данных), программное обеспечение как Firmware — прошивки чипов расположенных на своих платах и программное обеспечение как Software — приложения работающие под управлением операционной системы на встраиваемых платформах SBC (Single Board Computer).

Символично то, что Firmware расположено между аппаратурой и ПО высокого уровня, поскольку это низкоуровневый софт, тяготеющий к железу и являющийся его неотъемлемой частью.

Разработка, R&D, производство

Схема разделения информации, которой располагают разработчик (красная зона) и производитель (зеленая зона). Данные из красной зоны никогда не передаются производителю и даже заказчику

Stupid piece of iron

Поскольку я заметил, что заводчане часто без понятия, откуда берется то что они производят, начнем с них, то есть с нижней части схемы. Про плату радиоприемного модуля мы уже сказали, что завод с ней сделать ничего не может (кроме того что изготовить): наличие конструкторской и технологической документации (информация зеленой зоны) не дает абсолютно никакой информации о способах развития и усовершенствования устройства. Возьмем другой пример: антенна радиолокатора. Документация на антенну позволяет изготовить детали и правильно собрать их. Технологическая остнастка обеспечивает достижение точности там, где это критично: например, соблюдение формы рефлектора и расположение излучателя. Антенну красят, устанавливают на пьедестал, запускают двигатели… и — вуаля! Вот тот момент, который обожают заказчики: здоровый кусок железа начал вращаться вокру своей оси. Мы сделали локатор!

Когда я работал в Риме по радиолокационному проекту, итальянцы — разработчики называли этот характерный момент «stupid piece of iron» — тупой кусок железа, который выглядит зрелищно, привлекает внимание, но мало кто понимает что самая соль содержится в небольших узлах обработки сигнала и ПО.

За границей зеленой зоны остается ряд вещей, о которых знает только разработчик. Как достигнут компромисс между уровнем боковых лепестков, шириной основного лепестка и размерами антенны? Как выдержать диаграмму в вертикальной плоскости во всем частотном диапазоне? Как обеспечить ветровую нагрузку? У разработчиков — антенщиков на руках огромное количество вариантов расчетов. Например, таких, которые никто не увидит — ни заводчане, ни даже заказчик:

Электрический расчет антенны, Radar Antenna

Электрический расчет отражателя антенны первичного радиолокатора. Математическая модель определяет парциальный вклад каждой точки рефлектора и рассчитывает диаграмму направленности. Подобные модели содержат большой опыт разработки и изготовления антенных систем. Если модель некорректная, то догонять форму отражателя придется уже в производстве: а это очень долго и дорого

Забираясь еще глубже, то есть в верхнюю часть красной зоны, мы увидим результаты исследований, которые проводились по анализу построения антенной системы. Завод не знает, что при определенных условиях это могла быть не антенна с рефлектором, а щелевая, или вообще фазированная антенная решетка. И если задать заводу вопрос типа того, что звучал выше: Ребят, а что если… поменять частоту… отжать лепесток от земли… поменять поляризацию… — ответов на эти вопросы в зеленой зоне нет. Нужно идти в маленькую комнату с очкариками, приборами etc.

Эту истину простую очень
Принимай как есть и не сетуй:
Есть дорога из лета в осень,
Нет дороги из осени в лето

(Неизвестный Автор)

Программное обеспечение: эта песня будет вечной

Если с оборудованием все более менее понятно — не имея электрической схемы и логики ее создания, бесполезно модернизировать устройство, то с софтом возникает отдельная песня. Проблема в том, что люди, причастные к принятию решений, не хотят, или не понимают, или то и другое вместе… скажем коротко: нет просто софта, или ПО. Когда вы говорите: программное обеспечение, уточните в каком виде оно у вас есть: исходные тексты или уже откомпилированные бинарные модули. Из первого можно получить второе, но дороги из осени в лето нет: по бинарному модулю практически невозможно получить исходный текст.

Конечно, вы можете занятся дизассемблированием на свой страх и риск, но если исходники вам официально не давали, не советую и начинать.

На самом деле уровней в компетенции ПО еще больше; я не стал рисовать дополнительные блоки на схеме чтобы не загромождать ее. Бинарный модуль — результат компиляции и сборки нескольких программ, каждую из которой разрабатывает кодировщик. В моей терминологии кодировщик — это программист, для которого четко очерчены рамки его программного модуля и что этот модуль должен делать. Кодировщик может себе позволить не знать абсолютно ничего об общей структуре проекта и о других модулях.

Программист имеет представление о задаче, то есть о физике процесса. Если он еще и инженер, это вообще замечательно: программирующий инженер может задать оптимальную границу в реализации между софтом и железом, используя выигрышные стороны того и другого. На вершине пирамиды, между главным конструктором с одной стороны и программистами и кодировщиками с другой, стоит системный архитектор: он определяет, как софт будет нарезан на модули, какая квалификация нужна для каждого модуля, и специфицирует интерфейсы между модулями.

Несмотря на то, что исходные тексты программ снабжаются комментариями, в ПО сложной архитектуры невозможно по одним комментариям и логике текста программы определить общий замысел. Для этого нужна документация, по структуре соответствующая MIL STD 498, что позволяет поддерживать разработку ПО и развивать ее. Эта документация — на вес золота, потому что в современных изделиях софт берет на себя больше функционала — за счет железа, которое реализуется относительно стандартными блоками. Алгоритмы обработки и формирования, математические модели, обеспечение быстродействия, удачные находки — в этой документации. Само собой, она не покидает стен фирмы и тем более не передается на производство.

Чтобы иметь возможность не трогать ПО в зависимости от различных хотелок заказчика, последнему предоставляют, помимо бинарных модулей, инструменты для конфигурирования. Заказчику могут даже отдать сделать собственный пользовательский интерфейс, но не более того. Наличие этого добра, вкупе с бинарными исполняемыми файлами и библиотеками не означает что это софт вашей разработки! И дело тут не в отношениях собственности. С бинарными модулями на руках вы не сможете решить ни одной задачи по устранению ошибок кода, его модификации, не говоря уже о создании следующих версий и расширения функциональности.

Все вышесказанное также относится и к Firmware. Это софт весьма специфичен и напоминает разработку драйверов устройств. Как правило, его пишут уже не программисты а чистые инженеры. Поскольку внешний мир для Firmware — это плата, связи между ними являются очень тесными и для производства не документируются. В этом ПО может содержаться существенная часть ноу-хау по обработке данных в критичных условиях: например, софт в ПЛИС обеспечивающий работу АЦП.

Разработчики, заводчики и заказчики

Эта статья принесет мало пользы разработчикам и заводчикам. Первым — по причине того что они и так все это знают, вторым — по причине что они и так прекрасно все это знают, но не в их интересах показывать, как все обстоит на самом деле. А вот для заказчиков польза может быть немалая. Это актуально с учетом последних трендов. До пресловутого импортозамещения все было просто: знай покупай импортную аппаратуру, перебивай шильдики и продавай под своим брендом (если кто-то думает что такое возможно только в ширпотребе, покажу примеры из области радиотехнического обеспечения полетов). Сейчас это уже не прокатывает и приходится действовать тоньше: например, перерисовывать чертежи под своими децимальными номерами и изготавливать узлы на своей производственной базе. Благо, зарубежные компании заинтересованные в российском рынке охотно передают ограниченную документацию для China Copy. Но свою технологию они передавать никогда не будут. А это — вечная зависимость. Ну и нехорошо вводить в заблуждение покупателей ложным термином «отечественная продукция».

АРП встраиваемый в РЛК «Комар-2»

Если к радиопеленгатору «Пихта-2С» применима фраза «первый микропроцессорный», то АРП «Комар-2» это следующий процессорный АРП, который базировался на технологиях Пихты. Его особенность в том, что он разрабатывался в составе чехословацкого радиолокационного комплекса «Комар-2», который создавался по заказу наших ВВС в Тесла Пардубице.

После разработки АРП «Пихта-2С» все пеленгационное направление перешло ко мне. Имеющийся задел требовал своего выхода, и такая возможность скоро представилась.

В начале 90-х почтовые ящики нашего профиля ни шатко ни валко занимались ОКР «Мельхиор», которая должна была обеспечить полной наземной радиотехнической инфраструктурой все военные стационарные, мобильные и высокомобильные аэродромы. Мы разрабатывали радиопеленгаторы для этой ОКР. В рамках работы должны были разрабатываться передовые технологии, такие как углепластиковые конструктивы, призванные существенно снизить вес оборудования. Углепластик так и не появился, и во время моей очередной встречи с ведущим конструктором ВНИИРА по высокомобильному КДП, который должен был располагаться на вертолете, он с тихой грустью сказал: — «просуммировал массу оборудования по документации всех поставщиков для КДП… вертолет не поднимет».

Тогда же на совещаниях во ВНИИРА, который был головной конторой по этой ОКР, хорошо была заметна особенность мышления военных заказчиков. Презентовался унифицированный кузов для размещения оборудования, единый для всех разработчиков ОКР. Авторы разработки дали изюминку: пневматические опоры для погрузки кузова на транспортное средство. Изюминка тут же незамедлительно была отправлена в корзину: ни к чему огород городить, солдаты закинут если нужно будет. Время показало, что в этой же корзине оказалась наша электроника, программное обеспечение (за что платить — за дырки в перфоленте, гы-гы) и многое чего. Символом подходов гензаказчика к нашей отрасли для меня стала кувалда, ручка которой покрашена в зеленый цвет (эта кувалда еще всплывет по ходу нашего повествования).

Близко к Мельхиору стояли еще две разработки радиолокационных комплесов: челябинская «Радиан-90» и чешская «Комар-2». И также ни шатко ни валко у нас до «Пихты-2С» велась разработка встраиваемого АРП для этих комплексов. Техническое руководство нашей конторы исправно ездило в Чехословакию для подписания протокола сопряжения РЛК и радиопеленгатора. То-ли кофе в Пардубицах был славный, то-ли пиво — но протокол никак не хотел подписываться. После очередного вояжа я, уже будучи главным конструктором АРП «Комар-2», недвусмысленно намекнул боссам, что техникой должны заниматься инженеры, а не начальники. После этого скрепя сердце меня «выпустили» за границу.

Бюджетная песня

90-е годы были под завязку набиты креативом. Тем, кто жил в эти времена, можно зачесть сутки за трое 🙂 Вместе с выборами директоров предприятий, в нашу контору пришел хозрасчет. Я как главный конструктор темы, получил реальный бюджет и чековую книжку, в которой выписывал исполнителям наличные за выполненные по проекту работы. Наличные выплачивались как премия каждый месяц.

После первых же выплат началось невообразимое. Народ забросил свои обычные занятия, как то: разработка по частным заказам металлоискателей и электрических сборщиков пчелиного яда, печать портретов на матричном принтере с фотокамеры на вокзалах и аэропортах, закупка кипятильников и бижутерии для последующей перепродажи в командировках, изготовление ювелирных изделий прямо на рабочем месте паяльником и пассатижами, сбор позолоченных выводов микросхем с последующей обработкой в кислоте и извлечения желтого металла и даже сбор ценного сырья — бычков с последующим извлечением и сушкой табака. Разработка пеленгатора за реальные деньги резко рванула вперед. Буквально за один месяц появились электрические схемы, в которых ядром был процессор 588 серии, плюс софт. Изготовление в цеху вместо пинания конструкторов и производственников превратилось в легкий и приятный процесс. Более того, была разработана и изготовлена складная пеленгационная 8-ми вибраторная антенна: работа, которая при прежних условиях могла занять годы.

АРП, РП, DF, Direction Finder, РЛК Комар-2, Radar Komar-2

Блок АРП «Комар-2». Встраивался в шкаф радиолокационного комплекса «Комар-2».

Чековая книжка худела, разработчики АРП начали слыть баснословными богачами, радиопеленгатор появился практически за полгода. Вот что делает животворящий бюджет! Ни до, ни после мне не приходилось возглавлять такой скоростной проект. К этому моменту за одну мою поездку в Тесла Пардубице был наконец согласован протокол сопряжения, где оговаривалось подключение АРП к радиостанциям РЛК и выдача пеленгационной информации. Как сейчас помню, это был стык ИРПС (токовая петля) 20 мА.

В результате, мы погрузили опытный образец, нестандартку, приборы и кувалду для забития костылей в основание антенны (ручка покрашена в зеленый цвет!) в ГАЗ-66 и он взял курс на Пардубице.

Хозрасчетная эпопея длилась недолго. Отчасти потому, что сразу выяснилось какие направления в конторе обеспечены договорами (такое как наше), а какие существуют просто сами по себе — дотационно. Руководство лишилось сильного рычага — перераспределения средств, и поэтому лавочку быстро прикрыли. Плюс был в том, что АРП «Комар-2» к этому моменту успели изготовить. Ну а с минусами понятно — не все смогли дальше работать в прежнем вялотекущем режиме: часть специалистов уволилась, а часть продолжала работать в режиме итальянской забастовки. Надвигался самый пик лихих 90-х с невыплатами зарплат по полгода, сгоревшими вкладами в сберкассах и погружением основной части населения в нищету и беспросветность.

Тесла — Пардубице

К моменту прибытия ГАЗ-66 в Пардубице обосновалась наша небольшая пеленгационная команда. Это был первый наш выезд за границу. Ехали в поезде, в вагоне который гремел буквально каждой железкой. Когда стояли на границе в Бресте и ждали когда поменяют тележки вагонов для перехода на европейскую колею, стала понятна причина, почему вагоны издают звуки имитирующие ведро с болтами. Таможенники зашли в вагон и начали откручивать буквально все, что держалось на винтах, в поисках тайников. Отвинчивали буквально до крышек на потолках. Тщательно проверяли багаж. Причины тотального шмона были понятны: возник огромный перекос в стоимости товаров между бывшим СССР и Западом, что породило целые потоки в прямом и обратном направлении. Чехи с удовольствием возили наши дверные замки и топоры, поскольку в exUSSR железо стоило пока еще дешево, а в Европе — уже дорого, и давно дорого. Были и курьезные ситуации: одно время, после тотальной войны против курильщиков и изчезновения сигарет, государство одумалось и начало спешно закупать импортную продукцию, которая дотировалась. Поэтому, купив в московском магазине блок каких нибудь Rothmans и перепродав его на Западе, можно было получить ощутимую прибыль )

Вспоминая Пардубице, я сразу ощущаю аромат кофе. Казалось, этот гостеприимный запах встречает тебя везде. Нас поселили в небольшой двухэтажной спортивной гостинице рядом с городским стадионом. Вот какие ассоциации вызывает у советского человека слово «гостиница»? В первую очередь конечно «мест нет», потом «после 24 часов прием посетителей запрещен», плюс дежурные по этажу, простреливающие своим взглядом тепловозного прожектора все коридоры. Еще анкеты, которые надо заполнять и которые судя по всему никто не читал, поэтому в графе «цель приезда» можно запросто внести запись: «ограбление банка».

После всего этого небольшим шоком для нас стало то, что хозяйка гостиницы выдала каждому по два ключа. Ну один это понятно — ключ от номера, а второй? Ключ от входной двери гостиницы. Вышли ночью — закрыли за собой, вернулись — открыли и снова закрыли. Все просто и логично, но похоже мы слишком долго жили в другой логике, поэтому такая простая и удобная вещь нам показалась сверхъестестественной. При этом заметно, что это не было новым приобретением освободившейся восточноевропейской страны: похоже, что и при социализме европа никуда не делась.

После этого мне стало особенно близка тихая печаль Радомира Герверта, руководителя проекта РЛК «Комар-2», когда во время приезда в Махачкалу он ознакомился с местным гостиничным сервисом. В центральной гостинице «Ленинград» ему дали номер в котором не работал замок, и на вполне резонный вопрос от получил ответ типа такого — «а что ты там собрался делать втайне от всех» ) Ну и выделив ему неубиваемое вафельное полотенце, горничная погрозила пальчиком: смотри мол, не сопри, знаем мы вас командировочных. Хотя Радомира конечно этим не удивить: он хорошо поколесил по СССР по позициям где стояли тесловские локаторы, в том числе в войсковых частях. Навидался всякого.

РЛК «Комар-2»

Tesla Pardubice — большая чешская фирма. Вообще для того времени правильнее было бы говорить — чехословацкая, но уже пошел на удивление мирный развод Чехии и Словакии по своим государством, и мы могли наблюдать его по тому, как на кроне появилась гербовая марка, означающая что теперь это чешская валюта, и потом уже появились чешские кроны. Чехия это  фактически центр Европы, и до войны технический уровень развития страны был выше, чем у Германии.

АРП, РП, DF, Direction Finder, РЛК Комар-2, Radar Komar-2

Схема расположения РЛК «Комар-2» на аэродроме

У Теслы радиолокационный комплекс «Комар-2» к моменту нашего появления был почти готов: не хватало радиопеленгатора и сущей мелочи: магнетрона для передатчика. Магнетрон должен был поставить ВНИИРА, но что-то постоянно не клеилось: от приезда к приезду питерских специалистов передающий тракт локатора запустить не получалось. В Пардубице как раз в это время был известный долгострой: автомобильный мост. И тесловские спецы спорили между собой, что случится раньше: появится мост или рабочий магнетрон.

Интересные особенности, которые запомнились после знакомства с проектом.

Конструктив Евромеханика 19»

Все было сделано в этом конструктиве, размеры плат — от 3U до 6U. Мы тогда все еще использовали рекомендованные конструктивные элементы УБНК. Тем не менее, по протоколу сопряжения блок АРП был вписан в то место, которое было отведено для него в шкафу — над радиостанциями.

Z80

Так неожиданно и странно было увидеть этот процессор на плате военного радиолокатора. Легендарный компьютер ZX Spectrum, который мы собирали сами, это одно, а тут… Объяснение было простое: доступно и функционально, поэтому использовали.

Сопряжение

Когда протоколы механического, электрического сопряжения разрабатываются между двумя конторами, одна из которых — зарубежная, то сразу ничего не запустится. Но — запустилось. Разъемы и ответные части подошли друг другу, распайка совпала, радиостанции корректно управлялись от АРП, токовая петля ИРПС 20мА исправно гнала пеленги в локатор, а он их отображал на экране. Никакой интриги, как с магнетроном.

Индикаторы кругового обзора

Именно ИКО мы рассчитывали увидеть, как это принято в военных радарах, но увидели… цветные дисплеи. Это было невероятно, потому что во-первых, наши военные ни за что бы не их не согласовали, а во вторых для тех времен, когда только появились персональные компьютеры и цветной экран был редкостью, цветной монитор в изделии выглядел настоящим модернизмом. На вопрос насчет наших военных заказчиков о замене ИКО на цветные дисплеи Радек ответил коротко, просто и снова логично: «дерьмо ставить не будем». Вот так.

Два босса

Управление проектом РЛК было разделено: Радомир отвечал за сроки, бюджет и результаты, а другой профи (к сожалению, не помню как зовут) — за технику. Это было непривычно, потому что в нашей системе координат главный конструктор отвечает за все. Понятие бюджета было эфемерным, потому что им всегда распоряжалось руководство конторы (все так и осталось, несмотря на внедрение PMI).

Радомир старался уложиться в бюджет, но похоже из-за магнетрона ему это не очень удалось )

Военпред

Да, на Тесле был наш настоящий представитель заказчика. Когда Чехия начала обособляться от советского блока, его присутствие стало чисто номинальным и вообще потеряло смысл когда фирма начала распродавать изделия, которые разрабатывались по заказу СССР. На территорию фирмы Юру еще пускали, но в планах компании он уже участия не принимал, хотя всячески помогал нам продвигать проект. В ходе очередного приезда, на вопрос: «Как дела?» Юра отвечал — «Отлично, сохраняю советское военное присутствие» )

Наш радиопеленгатор заработал сразу, и мы все ждали того момента, когда в локаторе наконец запустят магнетрон и можно будет провести комплексные испытания. Пользуясь затянувшейся паузой, мы прямо на месте дорабатывали и отлаживали софт, пробуя различные режимы работы АРП. В частности, было интересно пеленговать аппаратную с антенной системой РЛК, которая находилась в отдалении, поскольку как выяснилось она формировала паразитные излучения в широком спектре частот, в том числе и в диапазоне АРП.

Радиопеленгатор простреливает Пардубице

Процессы, которые шли в Чехии и бывшем СССР после распада последнего, разительно отличались. Было ощущение что мы летим в какую — то пропасть с распадом всех существующих связей и страны, а чехи наоборот — возвращаются к себе домой. Никаких конфликтов у чехов со словаками не было — они расстались тихо и незаметно. Универсальный индекс — стоимость кружки пива держался на уровне 5 — 7 крон, в то время когда с рублем творилась настоящая чехарда. Когда в один день встревоженные чехи показали новости по ТВ, где расстреливали здание Верховного Совета (мы в это время находились в Пардубице), это так контрастировало с почти беспечной обстановкой в этом городке. Помню, их сильно удивило то, что люди не бежали, а стояли и смотрели на расстрел — «как в кино».

Чехи деловито отодвигались от нас и встраивались в западные производственные цепочки. В Пардубице появилось много частных фирм, которые занимались в том числе радиоэлектроникой. Открывались новые возможности для бизнеса, и одну из них мы начали использовать.

Идея поиска угнанных автомобилей давно витала в воздухе, но именно в Чехии мы сделали практические шаги по направлению к ней. Пользуясь тем, что магнетрон локатора никак не приедет в Пардубице, мы прокачали все возможности со своей небольшой командой и сделали вот что.

Радек нашел авто с установленной FM радиостанцией и договорился с городским отелем, который располагался в многоэтажном здании. В один прекрасный субботний — или прекрасный воскресный день, сейчас уже не помню, мы вытащили блок АРП из аппаратной РЛК, сняли антенну (благо она складная и поэтому легко транспортируема) и обосновали на крыше отеля пеленгационную позицию. Автомобиль с радиостанцией пошел по маршруту, давая постоянные отсчеты, и мы отмечали пеленги на карте города. Результаты были очень даже неплохими, учитывая что Комар-2 имеет малобазовую 8 — вибраторную антенну. Погрешность составляла до 3 и в некоторых случаях — до 5. Используя триангуляцию, в таком малоэтажном городе как Пардубице, можно было получить хорошие результаты по определению местоположения угнанного авто.

Местные бизнесмены предлагали совместно запустить этот проект, и черт нас дернул преподнести это направление нашей родной конторе. Там эта тема и была похоронена: не вынесла тяжеловесного планирования и тотального отсутствия мотивации. Позиции опытного образца системы были развернуты на зданиях Махачкалы, и там и остались.

Помнится завершение нашей последней поездки: на вокзале ждем наш поезд, который идет с Праги до Москвы. Стоянка всего 5 мин, поэтому нужно быстро найти вагон и оперативно погрузиться со всеми вещами. Благо, на станции есть любовно выполненные макеты поездов с указанием номеров вагончиков. На станцию влетает поезд, мы подбегаем к своему вагону, а он… закрыт. Наши минуты истекают, и мы начинаем барабанить по вагону что есть силы. В результате дверь распахивается и показывается пьяная проводница (когда она успела по дороге из Праги?), которая выпучила глаза и начала кричать: «В Пардубице посадки нет!». Промелькнула мысль: «ну здравствуй, Родина…» и с этой мыслью, прорываясь сквозь заслон, мы заскочили в вагон.

Завершение истории

Оказывается, РЛК «Комар-2» не остался в 90-х, а получил свое дальнейшее развитие. В сети я нашел ссылки на брошюры этого изделия. Только пеленгатор там конечно уже не наш.

АРП, РП, DF, Direction Finder, РЛК Комар-2, Radar Komar-2

Радиолокатор «Komar-2»

Также я нашел в сети фирму, которая очень хотела делать пеленгационную систему: OM Complex, судя по сайту, она до сих пор здравствует. Сама Тесла прошла несколько трансформаций и по прежнему работает на этом рынке. Много лет спустя мы встретились с Радомиром Гервертом в Чешском доме в Москве и вспомнили старые добрые времена.

Никто из разработчиков этого проекта, включая меня, в конторе уже не работает. На память осталась только фотография пеленгационного блока, даже не помню когда и зачем ее сделали. К сожалению нет фото складной пеленгационной антенны — в ней были использованы оригинальные конструкторские решения. Программное обеспечение разработанное как для Комара, так и для Пихты-2С, легло в основу популярного АРП «Платан» (DF-2000), который я сделал уже 10 с лишним лет спустя.

Ковариационная матрица и линейная трансформация

При рассмотрении метода главных компонент я не стал подробно останавливаться на том, в чем смысл связи корреляционной функции и линейного преобразования исходных данных. Сейчас пришло время вникнуть в это поподробнее. К тому же этот материал пригодится нам в будущем, когда будем рассматривать такой метод сверхразрешения, как MUSIC.

В изложении я минимизировал формульную часть; там где это необходимо показал формулы в нотации Питона. Поэтому все выкладки которые приведены очень легко проверить буквально в режиме командной строки.

Начнем с формирования исходных данных.

Шум и ничего более

Будем работать с двумя массивами, или как любят говорить в линейной алгебре — векторами. Переменные x0 и x1 будут представлять из себя независимые друг от друга векторы с нормальным распределением со средним 0 и дисперсией равной единице.

Почему переменных будет именно две? Только по той причине, что двумерные распределения удобно смотреть на плоском графике 🙂 Можно конечно работать и с трех- и многомерными переменными, но в этом случае наглядность может пострадать 🙂

В любом случае, этот пример можно распространить на любое количество измерений.

Я сразу сохранил два этих вектора в одной матрице x для удобства дальнейшей работы. Вот что получилось при отрисовке при N=1500 (по оси абсцисс — x0, по оси ординат — x1):

Ковариационная матрица, линейное преобразование, собственные числа, собственные векторы, Covariation matrix, Eigen vectors, eigen values

Нормальное распределение двух независимых случайных переменных

Из графика видно, что наибольшая плотность вероятности действительно лежит в точке (0,0). Переменные независимы друг от друга, потому что точки с координатами (x0,x1) распределены равномерно вокруг центра.

Независимость, или некоррелированность, мы можем подтвердить также путем вычислений:

Единицы ковариационной матрицы по главной оси показывают, что переменные коррелированы сами с собой (другого и не ожидалось), а близкие к нулю значения, показывающие взаимную корреляцию говорят о том что переменные практически не зависят друг от друга.

Сделаем небольшое отступление: почему мы работаем с матрицей ковариации а не корреляции? Исторически сложилось, что корреляцию воспринимают как ковариацию, нормированную в диапазон -1, … +1. Нормировка нам не к чему, поэтому мы работаем с матрицей ковариации.

Теперь, когда мы знаем, с чем имеем дело, пора переходить к следующему шагу: подвергнуть наши векторы линейной трансформации.

Линейное преобразование двух случайных векторов

Трансформацию векторов x0,x1 получают перемножением векторов на матрицу трансформации A, в результате чего получится уже новая пара векторов. Трансформация будет состоять из двух частей: поворот на угол 20°

и масштабирование с коэффициентом 4 по оси х и коэффициентом 0.5 по оси y:

В результате матрица трансформации A как произведение только что заданных матриц поворота и масштабирования будет такой:

Ну и в результате получим трансформированные векторы, чего мы и добивались:

На рисунке изображение всех значений вектора xa выделено зеленым цветом.

Ковариационная матрица, линейное преобразование, собственные числа, собственные векторы, Covariation matrix, Eigen vectors, eigen values

Исходное нормальное распределение (синий цвет) и распределение после его трансформации: поворота и масштабирования (зеленый цвет)

Наше нормальное распределение деформировалось: теперь оно уже далеко не нормальное: вытянулось вдоль одной оси, сжалось вдоль другой и вдобавок еще повернуто. Но самое главное из того что произошо, это то что теперь новые векторы не являются зависимыми: например, если первый из трансформированных векторов принимает значения >10, то с высокой степенью вероятности второй вектор будет принимать значения >3, как следует из распределения. В исходном распределении такого не было: любому из значений x0 могло соответствовать любое значение x1 из области распределения.

Теперь эту зависимость отражает и ковариационная матрица:

Значение 5.135 недвусмысленно намекает на взаимосвязь между трансформированными векторами.

Здесь самое время задаться вопросом: поскольку ковариационная матрица является обобщенной характеристикой нового распределения, которое в свою очередь получено в результате трансформации A, существует ли связь между ковариацией и линейной трансформацией A?

Физический смысл ковариационной функции линейного преобразования

Заголовок отражает суть того, до чего мы докапываемся. Интуитивно понятно, что корреляция возникает в процессе изменения вектора, то есть линейной трансформации. Не вдаваясь в теорию процесса, выдадим сразу окончательный результат результат:

COV=A \cdot A^T

Картинку немного портит умножение на транспонированную матрицу линейного преобразования, но соответствие продемонстрировано однозначно.

Пройдемся еще раз по тому, что мы сделали. Итак, если подвергнуть линейному преобразованию нормально распределенные векторы, то ковариационная функция такого преобразования будет полностью определяться матрицей линейного преобразования.

Другими словами, все взаимосвязи в результате будут определяться матрицей линейного преобразования.

Можно решить и обратную задачу: если мы хотим получить результат с определенными корреляционными свойствами, можно найти матрицу линейного преобразования над случайным процессом, которое приведет к требуемому результату.

Поскольку мы занялись поисками смыслов, то самое время пристегнуть к нашей парочке ковариационная матрица — матрица линейного преобразования еще и собственные числа и собственные векторы.

В статье посвященной методу главных компонент мы занимались поиском собственных значений матрицы линейного преобразования. А что если найти собственные векторы и числа ковариационной матрицы? Сказано — сделано:

В результате получаем собственные векторы

и собственные числа:

Отрисуем их на нашем распределении красным цветом. При этом само собой масштабируем собственный вектор собственным числом:

Ковариационная матрица, линейное преобразование, собственные числа, собственные векторы, Covariation matrix, Eigen vectors, eigen values

Собственные векторы линейного преобразования: показаны красным цветом

Пусть вас не смущает отсутствие стрелочки справа: она как раз находится за полем рисунка.

Собственные векторы ковариационной функции показывают направления линейной трансформации исходного распределения. Это уже второй смысл ковариационной функции нормального распределения.

Подводим итоги. Ковариационная матрица полученных данных непосредственным образом связана с линейной трансформацией исходных некоррелированных данных, сформированных как белый шум с нормальным распределением. В свою очередь, линейная трансформация полностью определяется собственными векторами ковариационной матрицы. В то время когда собственный вектор соответствует матрице вращения, собственные числа соответствуют масштабированию входных данных по каждой из осей.

Схемотехника: однокаскадный усилитель

Сделаем небольшую разминку: потренируемся на однотранзисторном усилителе. Когда-то чтение аналоговых схем было сродни искусству; профи по внешнему виду безошибочно определяли функционал узла. Наверное, это один из немногих оставшихся навыков, для имитации которых не получится использовать поисковые системы.

Схема на рисунке, вопрос следующий: чему равно значение выходного напряжения Uout? Заметим, что на вход мы еще ничего не подали; таким образом речь идет о задании режима работы по постоянному току, или рабочей точки транзистора.

Однокаскадный транзисторный усилитель

Предсказываю, что зреет следующий вопрос: а какой собственно коэффициент усиления у этого транзистора? Отвечаю сразу: большой. И если после такого ответа вы собираетесь настаивать на своем вопросе, то что сказать… значит вы не понимаете как работает это устройство 🙂

На самом деле, коэффициент усиления, или передачи не играет здесь никакой роли. Вспоминаем, в каких случаях это происходит? А это происходит тогда, когда система (громкое название для нашей схемки) охвачена сильной отрицательной обратной связью, и поэтому ее параметры определяются уже параметрами обратной связи, и в меньшей степени — параметрами самой системы. Найдем здесь эту отрицательную обратную связь.

По Дерибасовской гуляют постепенно

Рассмотрим процесс как в замедленной съемке, например после подачи питания +12В. При этом предположим, что транзистор отрабатывает медленно — настолько медленно, чтобы мы могли провести свой мысленный эксперимент.

После включения, с делителя напряжения R1/R2 потенциал через резистор R3 подается на базу транзистора. Транзистор начинает открываться (мы договорились о замедленной съемке), и по мере его открывания ток, протекающий от эмиттера к коллектору начинает увеличиваться. Увеличивается ток — значит возрастает падение напряжения на резисторе R5, или другими словами на эмиттере транзистора. Поскольку транзистору интересна разность потенциалов между базой и эмиттером (на самом деле ему больше интересен протекающий ток, но не будем мелочиться), то увеличение напряжения на R5 приводит к уменьшению этой разницы. Уменьшение — это уже процесс запирания транзистора. Вот это и есть отрицательная обратная связь.

В конечном счете, в системе установится равновесное состояние. Все, замедленное кино закончилось.

Равновесие

В этом состоянии напряжение эмиттера всегда будет повторять напряжение базы — поэтому по отношению к сигналу на резисторе R5 схема будет себя вести как эмиттерный повторитель. Здесь будет уместна аналогия с системами автоматического управления, когда сигнал обратной связи вычитается из входного и возникает сигнал рассогласования, или ошибки. В нашем случае, на самом деле сигнал на эмиттере будет меньше базового на 0,6В — таково падение напряжение на переходе кремниевого транзистора.

Теперь у нас есть все, что нужно для расчета, а именно понятый принцип работы.

Напряжение на выходе делителя R1/R2 = 12В x 18к/ (33к + 18к)  = 4,2В. Предполагаем, что в режиме эмиттерного повторителя ток в базовой цепи мал, поэтому это напряжение полностью прикладывается к базе. Тогда на эмиттере транзистор будет поддерживать напряжение 4,2В — 0,6В = 3,6В. Напряжение будет стабильным даже тогда, когда наша схема будет испытывать температурные перепады: не забываем, при прочих условиях при увеличении температуры среды на 10° ток коллектора будет удваиваться! Поэтому простые решения в аналоговой технике работают у любителей и совершенно непригодны в профессиональной области 🙂

Сразу сделаем еще один вывод: решения, зависящие от коэффициента передачи транзистора, не термостабильны.

Но мы отвлеклись. Дальше — дело техники. Поскольку напряжение на R5=3,6В то ток в эмиттерной цепи = 3,6В / 1k = 3,6мА. Такой же ток течет в коллекторной цепи: ведь мы же пренебрегаем малым током базы, не правда ли? Чуть позже выясним, так ли это.

В коллекторной цепи ток 3,6мА создает падение напряжения на резисторе R4. Оно будет равно 3,6мА х 1,8к ≈ 6,5 В. Тогда напряжение Uout составит 12В — 6,5В = 5,5В. Задачка решена.

Самопроверка

Теперь когда мы знаем токовые соотношения, проверим, насколько корректны допущения которые мы сделали. Если коэффициент передачи транзистора по току большой, как я сказал вначале, пусть он будет равен 100 (поскольку диссертации никто не читает, примем h=100). Тогда ток базы составит 36мкА. При таком токе падение напряжения на резисторе R3 составит 36мкА х 12к = 0.4В. Это очень мало по сравнению с тем напряжением, который держит делитель R1/R2: поэтому мы сделали правильно, что пренебрегли резистором R3 при расчете.

Далее, входное сопротивление цепи базы будет 4,2В / 36мкА = 117кОм. Это значение на порядок больше, чем сопротивления в плечах делителя напряжения R1/R2, поэтому делитель практически не нагружен и его выходное напряжение соответствует действительности.

Зачем тогда вообще нужен резистор R3, если мы пренебрегаем им сплошь и рядом? Несмотря на то что в цепи базы входное сопротивление — высокое, оно все равно шунтируется относительно низкоомным делителем R1/R2. Эта величина соответствует параллельному включению этих резисторов (поскольку для переменного входного сигнала цепь питания и «земля» это одно и то же — можно считать, что по переменному току они замкнуты). Входное сопротивление каскада составит 11,6кОм, и чтобы сделать его побольше, стоит резистор R3. С ним для источника сигнала нагрузка составит 11,6+12 = 23,6кОм, что уже неплохо. Повторюсь еще раз: входное сопротивление транзисторного каскада будет высоким — 117кОм, поэтому значение входного сопротивления всего каскада будет определять резистивная цепь.

AC/DC

Все наши рассуждения были справедливы как для постоянного тока (установка рабочей точки), так и для переменного (для усиления которого собственно и предназначена схема). Однако, есть нюанс. За счет отрицательной обратной связи усиление сигнала будет подавляться точно также, как и для постоянного тока. И точно также значение коэффициента транзистора будет играть второстепенную роль. Коэффициент передачи будет соответствовать соотношению номиналов резисторов R4 и R5 и будет составлять довольно скромную величину 1.8. Для того чтобы избавиться от обратной связи для сигнала, предназначен конденсатор C2. Для переменного напряжения он закорачивает резистор R5, что резко повышает коэффициент усиления всей схемы. Однако, не все так просто — после этого немедленно и кратно упадет входное сопротивление, хотя термостабильность останется. В результате возникнут проблемы для предыдущего каскада — у него упадет коэффициент усиления за счет дополнительной нагрузки.

Но кто обещал, что будет легко? Аналоговая схемотехника — это один сплошной компромисс. Компромиссным решением может стать дополнительный резистор, включенный последовательно с конденсатором C2. Это снизит эффект усиления и соответственно падения входного импеданса.

Роль конденсатора C1 в схеме тривиальна: развязка от предыдущих цепей по постоянному току.

Вот и все. За скобками остался анализ максимального тока коллектора, мощности, паразитных емкостей и частотной характеристики схемы. А так — все будет прекрасно работать.

FFT-on-Chip: Cross — ambiguity function в реальном времени на GPU

В статье про кросс-компиляцию я рассказал о том, как подготовить удобный инструментарий для работы с Raspberry Pi. Напомню, что статья началась с новости о том, что Broadcom открыл спецификации своего чипа GPU, который используется в RPi, что открыло возможности по быстродействующим вычислениям преобразования Фурье: БПФ/FFT на этом чипе.

Поскольку бродкомовские библиотеки у меня поднялись сразу, я не стал торопиться и подготовил пару питоновских утилит для моделирования входной выборки и визуализации выходных данных (спектр выборки). Дальше — больше: чтобы наработанный материал не пропадал зря, я сразу решил приспособить fft-on-chip технологию для нахождения кросс — функции неопределенности, которая используется в пассивной локации (PCL). В итоге, у меня получилось три приложения.

Три источника и три составные части FFT-on-Chip

Первое приложение — питоновская программа для формирования входной I/Q выборки. Для того чтобы обеспечить последующую визуализацию результатов работы, данные формируются блоками по принципу один блок — одна картинка. В результате все записывается в бинарный файл, который отдается приложению на RPi.

Для какого сигнала будем определять кросс — функцию неопределенности? Вначале я планировал сделать выборку близкой к реальному речевому/музыкальному сигналу, который транслируется ФМ станциями, что и нужно пассивному радару. Однако я обнаружил что закапываюсь в звуковых и ALSA модулях Питона и трачу много времени на то, чтобы распатронить mp3 запись с песней Тото Кутуньо в PCM формат, который уже можно преобразовать в I/Q последовательность. Поэтому я поступил просто: чтобы визуализация/анимация была наглядной, выбрал в качестве входного сигнала выборку М-последовательности, которые славятся хорошими автокорреляционными свойствами.

Алгоритм формирования этих последовательностей нетривиален. В старых добрых потрепаных книжках даются рекурсивные алгоритмы, реализуемые на сдвиговых регистрах с обратной связью. В одной радиолокационной конторе искали такие последовательности самостоятельно, чтобы получить большую длину и соответственно одновременно хорошее разрешение по скорости и дальности.

Мы пойдем простым путем. Помните, что каждый раз когда надо сделать просто, на помощь приходит Питон? Одна строчка и последовательность у нас в кармане, то есть в переменной m_seq:

Девятка — это длина последовательности как степень двойки. Дальше, самое время вспомнить что мы собираемся генерировать «кросс» функцию неопределенности, поэтому полученную выборку будем интерпретировать как опорную для пассивного радиолокатора, то есть полученную с базовой ФМ станции. Сам сигнал, отраженный от цели, должен получить доплеровский сдвиг по частоте (движение цели) и сдвиг по времени (задержка при отражении от цели). Опять таки, для наглядности будущей анимации сделаем эти параметры линейно меняющимися во времени. Сигнал и опору записываем в файл, и на этом генерация данных завершена.

Второе приложение на RPi: программа обработки данных и нахождения кросс — функции неопределенности. Здесь мы вовсю используем наработанный инструментарий. Приложение работает на ARM процессоре RPi и для вычисления FFT использует GPU модуль. Вне зависимости от того, какой из методов нахождения кросс — функции неопределенности мы используем, для входной выборки нужно выполнить серию FFT преобразований. И было бы обидно, если быстродействующую функцию БПФ нужно было вызывать каждый раз, теряя драгоценное время на вызов.

К счастью, разработчики спецификаций и библиотек дали возможность отправлять на разработку целый пакет выборок, возвращая пакет спектров БПФ. Пакетную обработку выполняет функция API gpu_fft_execute(fft). В результате, пакет комплексных переменных записывается в файл уже для последующей анимации.

С третьим приложением все просто. Питоновская программа получает файл с 2D блоками кросс — функций неопределенности и прокручивает его на экране. Поскольку в качестве входной выборки я задавал М — последовательности, хорошо видно пик диаграммы.

Естественно, пик перемещается, потому как мы задавали изменение доплеровской скорости и задержки во входных данных. Для наглядности я крутил функцию неопределенности в разные стороны, чтобы были видны ее сечения как по времени, так и по частоте.

Coming Soon

В основном приложении я не упомянул про важный модуль, который обеспечивает подавление опорного сигнала во входных данных. Этот метод основан на сложной математической процедуре и реализован адаптивным способом. Об этом я расскажу в другой статье; надеюсь к этому моменту можно будет использовать вместо М — последовательностей аудио — данные.

Приближенность к спектру реального сигнала позволит оценить эффективность подавления. Пока что в своих экспериментах я достигал величины 60 дБ, но нет предела совершенству.

АЗН-В/ADS-B: изделие — система — сервис

«Два мира — два Шапиро»
(популярная цитата советских времен)

Рассказывая про поездку в американскую компанию ITT Exelis, отложил на потом самую суть: как устроена федеральная сеть ADS-B, которую разрабатывала эта компания. Это именно сеть, поскольку осмысливая результаты этого визита, стало ясно, что на западном рынке никто уже не работает на уровне абстракций изделия: «изготовили — поставили». Изделие уже не является продуктом как таковым, а всего лишь входит в состав сети, главным коммерческим выхлопом которой являются сервисы (услуги).

Но обо всем по порядку.

Поучительная история

Краткая история того, как строилась сеть ADS-B. Для нас она поучительна в том смысле, что раскрывает схему взаимодействия США как государства и частного бизнеса в этой отдельно взятой области. Джон Кефалиодис рассказал про истоки этого сетевого проекта.

Когда в системах независимого наблюдения за воздушным движением явно обозначился тренд от классических вторичных радиолокаторов в сторону существенно более дешевого зависимого наблюдения — ADS-B (АЗН-В, где буковка «З» так об этом и говорит — зависимого), возникла потребность покрыть страну сетью зависимого наблюдения. При этом американское государство в лице FAA — Federal Aviation Administration озвучило свои подходы к решению этой задачи. Заметим сразу, что никто не писал тяжеловесных ТЗ и не указывал, какие антенны должны быть в станциях ADS-B, какие процессоры они должны использовать и даже какую информацию передавать. Всю философию FAA в отношении этого проекта можно было выразить двумя предложениями:

  • исполнитель создает сеть за свой счет;
  • исполнителю предоставляется возможность стать оператором созданной сети и предоставлять на ней сервисы определения местоположения для FAA, зарабатывая таким образом.

Весь фокус именно в сервисах, а какое железо будет использовано — вопрос глубоко второстепенный. Все услуги прописываются в контрактах, и показатели качества услуг (SLA) также прописываются в терминах работы сети.

Можно предположить, что такой подход мигрировал из телекоммуникационной области, где намного раньше фокус переместился с железа на сервисы. Забегая вперед, отмечу, что в сети ADS-B созданной ITT Exelis есть и существенная нативная сетевая компонента — IP/MPLS с хорошо известными в телекоме средствами сетевого мониторинга, предоставления и контроля качества услуг такими как HP Open View и Remedy (вот уж не мог предположить, где встречу этих старых знакомых по своему предыдущему опыту работы в системных интеграторах).

Я не расспрашивал Джона, какие были риски вхождения в этот проект для его компании, и были ли они вообще существенными? В конце концов, операторская гарантия FAA обеспечивает прибыльный бизнес на многие годы вперед, а где найти инвестиции — для американского бизнеса вообще не проблема. Интереснее было то, какой вклад американского государства (в лице опять таки FAA) был сделан в этот проект. FAA взяло на себя все документальное обеспечение, в том числе формирование требований к сети и предоставляемым услугам. Джон оценил эту бумажную работу очень высоко, практически 50 на 50: то есть организационный вклад FAA был сопоставим с инвестиционным пакетом ITT Exelis (интересно, могут похвастаться таким наши отечественные структуры, такие как ГосНИИГА и сертификационные конторы?).

В сетевом контексте этого повествования даже нет смысла рассказывать о том, откуда появились сами станции ADS-B: их разработку просто заказали у одной из европейских компаний. То, что в отечественной практике является полем битвы в добывании контрактов у заказчика, в сетевой структуре ITT Exelis ушло глубоко вниз и было отдано на откуп профессиональным исполнителям. Бизнес не в железе а услугах!

Структура сети ADS-B: «у них» vs «у нас»

Раз уж мы заговорили про структуру сети, в которой понятие изделия находится внизу иерархии, приведем ее полностью (на рисунке слева). Справа отечественный аналог, в котором изделие является центральной и единственной частью (сопряжение и передача данных на понятие сети не тянут).

Как работает эта схема, напоминающая сетевой стек протоколов, хорошо известна тем кто работает в телекоме. Вот только к своему удивлению, я обнаружил что смена парадигмы с железа на услугу никак не приживается в головах отечественных заказчиков и разработчиков радиоэлектроники: блоки, шкафы, кузовы — понимаем, стройку на позициях — понимаем, сеть и услуги — все, полная блокировка сознания. Поэтому сделаем еще одну попытку и будем двигаться снизу вверх: по мере продвижения будет становиться меньше железа, зато больше сервиса и соответственно денег 🙂

АЗН-В, ADS-B, IP/MPLS

Информация со всех станций ADS-B объединяется с помощью сети IP/MPLS. На уровне сети появляются термины источников и потребителей информации, и не только. На уровне сети возникают такие понятия, как обнаружение и управление сетевыми отказами (Fault Management), управление провключением услуг на уровне сетевого оборудования (Service Provisioning) и другие сетевые инструменты. Центр управления этими сетевыми инструментами находится в штаб — квартире ITT Exelis, где ведется постоянное дежурство (уровень качества услуг надо поддерживать — иначе штрафы по SLA!)

Сеть является прозрачной для приложений — программного обеспечения (ПО) которое крутится на серверах компании. Серверы приложений обеспечивают обработку всей информации о местоположении и выдачу этой информации потребителям услуг.

Серверами приложений управляет следующий уровень, расположенный этажом выше: это хорошо знакомая специалистам телекома абревиатура SDP (Service Delivery Platform — платформа предоставления услуг) и тарификация услуг, или, говоря простыми словами, сколько потребителю требуется оплатить за каждый вид услуги. Биллинговая система обсчитывает все сервисы системы и выдает счета пользователям.

На следующем выше уровне иерархии — сам оператор, или как сейчас говорят, провайдер сервисов, который ведет бизнес с клиентами (самый высокий уровень у тех кто платит деньги). Станции работают, по сети бегают данные, приложения их обрабатывают, клиенты платят, ITT Exelis зарабатывает — бизнес в деле.

На следующей картинке я привел небольшой фрагмент сети — схему взаимодействия серверов приложений (слева, серверы мультилатерации, ADS-B, ADS-R, TIS-B и FIS-B) и платформы предоставления услуг SDP. Как мы видим, мультилатерация тоже отлично прижилась в сетевой структуре.

Специалисты по УВД увидят здесь стыки в соответствии с милыми сердцу категориями Asterisk. Из схемы хорошо видно, что сопряжение уровней сервисной иерархии между собой — достаточно сложная задача, далеко выходящая за рамки разработки собственно радиотехнического оборудования.

АЗН-В, ADS-B, IP/MPLS

Взаимодействие уровня приложений и предоставления услуг

Более наглядное представление всего стека взаимодействия (назовем его так) представлено на этом рисунке. В нем сервисный принцип и иерархичность выражены не так явно, но зато видно взаимодействие всех уровней системы на плоскости.

АЗН-В, ADS-B, IP/MPLS

Вслед за телекомом

Как я уже упомянул пару раз, концепция сервиса, давно известная в телекоме, так и не прижилась в обеспечении центров УВД навигационными комплексами. На моей памяти были попытки сократить разрыв между услугами и железом: помню обращение одного федерального мобильного оператора, который попытался найти для себя новый рынок, используя свою сеть для интеграции данных центров УВД. Получился разговор слепого с глухим: поставщики оборудования так и не поняли, каким концом нужна сетевая инфраструктура и что такое сервис, а сам оператор также достаточно смутно представлял себе, как формируется информация в системе и кто является ее потребителем (покупателем).

Для тех кто все таки попробует двигаться в этом направлении, ждет еще одна засада, связанная с отечественным законодательством. Ну не получится так легко и просто, как в США, отдать федеральную сеть в управление и под предоставление услуг. Одних лицензий сколько нужно будет придумать…

 

Термопринтер Zebra: печать из МоегоСклада под Ubuntu/Linux

Пришло очередное время пополнения инструментария. В хозяйстве появился принтер этикеток Zebra ZD410 — как оказалось вещь крайне нужная, потому что печатать таблицы на клейкой бумаге — это сущий ад. В онлайн — сервисе «МойСклад», который мы используем как облегченную версию 1С, есть функционал печати термоэтикетки для каждого товара из справочника. Вначале я не обращал на него никакого внимания, но с покупкой термопринтера вспомнил про эту фичу и попробовал сделать распечатку. Первая же попытка показала, что эта опция носит чисто декоративный характер.

Нет, конечно же сама этикетка формируется, причем как ods файл. Можно сохранить ее и попробовать распечатать из LibreOffice на вновь обретенном термопринтере Zebra: только ничего толкового из этого не вышло. Также не помогло расхваленное в сети приложение gLabels. С другой стороны, делать это не особенно и хотелось: в оплаченные возможности термопринтера входят самостоятельное формирование шрифтов, штрихкодов и даже логотипов, что очень полезно с точки зрения быстродействия. Правда для этого пришлось погружаться в язык разметки ZPL. И вот что из этого получилось.

У вас есть план, мистер Фикс?

Наш план будет таков. Во первых, нужно подкрутить шаблон термоэтикеток МоегоСклада таким образом, чтобы он не формировал графическое изображение штрихкода, а оставил просто его численное значение (принтер нарисует штрихкод сам). Также я выкинул печать артикула товара — это ни к чему. К плюсу сервиса «МойСклад» относится то, что поддержка оперативно реагирует на вопросы, во всяком случае на изменение и доработку шаблонов печати. Так получилось и в этот раз: мне прислали шаблон, который требуется. К сожалению, заменить избыточный ods файл на plain text они не могут — ну и не надо, сами справимся.

Поскольку с термопринтером будут работать барышни — администраторы, то процедура печати должна быть максимально простой, желательно в один клик. Видится это примерно следующим образом.

Заходим в карточку товара и жмем печать с новым шаблоном термоэтикетки. Вежливо соглашаемся сохранить ods файл куда — нибудь. Конечно, тут было бы полезно сразу перехватить данные каким — нибудь скриптом, но мне не хотелось сильно погружаться в API броузера. Дальше, жмем на ods правой клавишей мышки, где в меню уже предусмотрительно прописан наш скрипт, после чего скрипт получает файл, преобразует его для начала в csv, а потом уже в файл разметки zpl. Этот файл скрипт отдает принтеру. Все!

Сказано — сделано, начинаем претворять план в жизнь.

Установка термопринтера Zebra ZD410 на Ubuntu/Linux

Само собой, вначале нужно установить принтер. Как обычно, под Linux все запускается или сразу (хвала принтерам HP), или с недетской кривизной, которая сопровождается поиском и установкой драйверов (злосчастный Canon, который взяли только из-за белого цвета — уступка женскому коллективу). На этот раз обошлось: после подключения Зебры по usb принтер обнаружился и встал нормально. Его я назвал — ни за что не догадаетесь — «Zebra». Вот как он выглядит в моей Убунте:

Теперь необходимо сделать следующую вещь. Поскольку в Зебру мы будем посылать коды разметки, понятные ей, нам не нужно чтобы высокоуровневый cups драйвер принтера умничал и по-своему вносил изменения в поток на печать. Для этого, на самом деле мы будем использовать новый принтер в raw режиме и создадим его так:

Среди принтеров появляется новый — ZebraRaw, и только с ним мы будем работать дальше.

Уже сейчас мы можем напечатать что — нибудь, например сделаем тестовый файлик test.zpl

и пошлем его на принтер:

после чего вылезет этикетка с распечаткой.

Все, принтер работает, поехали дальше.

Главный скрипт

Не отвлекаясь пока на детали, сразу начну со скрипта. Скрипт сделан на bash’е и принимает в качестве аргумента имя ods файла термоэтикетки, который как вы помните мы выгрузили с МоегоСклада. Вот он (zebraconv.sh):

Скрипт содержит три существенных пункта. Первое — это преобразование из ods формата в csv, в котором в свою очередь содержится только наименование товара, его цена и численное значение штрих — кода. Это преобразование выполняет команда unoconv.

Внимание! Потратил много времени чтобы обнаружить одну засаду: в Убунте 16.04 unoconv работает не совсем так как в 14.04: она самостоятельно добавляет расширение .csv к имени выходного файла (хотя ее об этом никто не просил). Вот уж действительно: лучшее — враг хорошего! Поэтому учтите это в скрипте, если используете Ubuntu 16.04.

Второе — это подстановка данных полученных из csv в zpl — шаблон. Эту задачу выполняет Perl — скрипт zebraconv.pl. Zpl шаблон этикетки хранится в нем же.

И наконец третье — это собственно печать zpl шаблона с подставленными значениями. Перед печатью bash скрипт спросит еще количество копий, которое требуется.

Остальное в скрипте — это создание временных csv и zpl файлов в директории /tmp с последующим их удалением, чтобы не засорять систему. Как видно из логики скрипта, основная нагрузка на создание файла для печати ложится на Perl скрипт zebraconv.pl. Почему именно Perl? Просто по старой памяти и потому, что это самый подходящий язык для всяческих манипуляций с текстом. Правда, особо существенных манипуляций не было, перловый код выглядит топорно (наверняка есть более элегантное решение, которое не было использовано из-за недостатка времени), но все работает.

Формирование zpl файла для печати из шаблона

Сейчас может сложиться впечатление, что все проходило гладко и быстро. На самом деле, львиную долю времени отняло создание шаблона для печати. Во-первых, в шаблончик хотелось добавить графический логотип, во вторых, чтобы печать была кириллицей, ну и чтобы на маленькой этикетке размером 2х3 см все это выглядело прилично.

Рекомендую для эксперименов с zpl разметкой этот онлайн — просмотрщик. Особую ценность ему добавляет то, что ему можно отдать свой логотип и он конвертнет его в последовательность символов для принтера. Я долго промучился с GIMP пытаясь сохранить наше лого в формате который понимает принтер с нулевым результатом, и этот сайт выручил.

Собственно сам перловый скрипт (zebraconv.pl) выглядит так:

Шаблон сидит в переменной $template. Длинная строчка под тегом GFA содержала описание рисунка логотипа, и для удобства чтения кода я ее укоротил (пропавшая часть была на месте троеточия). Как вы наверное догадались, конструкции типа <— —> это placeholders, т.е. местоблюстители для переменных, которые будут подставлены из csv файла.

Скрипт работает так. На его вход поступает трехстрочный csv файл, который в цикле while разбивается на строки и заносится в список @str. С помощью выражения поиска/замены (три строчки содержащие конструкцию вида =~ s/ищем placeholder/данные для замены/) в переменную $template попадают данные из csv файла: наименование товара, цена и штрихкод.

Шаблон с подставленными значениями направляется на выход скрипта.

Как я уже говорил, обработать шаблон можно более изящно, вообще не используя цикл, или даже обойтись такими программами как sed или awk. Для меня главное было быстро получить результат. Скрипт работает, теперь нужно привязать все это к правой клавише мыши.

Ubuntu desktop: контекстное меню

Как вызвать свой скрипт и скормить ему файл, кликнув на файле правой клавишей мышки? В недрах системы есть каталог /usr/share/applications, где живут файлы с расширением .desktop. Они как раз и отвечают за попадание в контекстное меню.

Берем любой файл за образец и сохраняем его в этом каталоге под именем zebra.desktop:

Запись Name содержит строку, которую будет показывать меню Убунты. Самая главная запись это Exec: она показывает путь к нашему главному скрипту zebraconv.sh. Параметр %f будет содержать имя файла.

Я добавил MimeType для ods файлов, чтобы меню срабатывало только на ods файлы и не светило на всех остальных. Предолжение Terminal=true подразумевает, что скрипт будет запускаться в окне терминала (что нам и нужно).

Перегружаемся, ищем наш ods файл, кликаем правой клавишей мыши… и ничего не происходит. Почему? Есть маленькая засада: чтобы все это работало, нужно помимо всего прочего, чтобы наш скрипт был прописан в главном меню системы. Для этого идем в Приложения -> Системные утилиты -> Параметры -> Главное меню и создаем в любом месте элемент со ссылкой на полный путь нашего скрипта. После этого все заработает.

Принтер печатает очень шустро. Ну на эксперименты я половину бобины потратил, а что поделаешь.

ToDo: сделать обработку ошибок.