Тема 7. Скрытность радиосигналов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Радиотехнические сигналы (радиосигналы) формируются при модуляции высокочастотного несущего гармонического колебания передаваемым информационным сигналом (видеосигналом) со сравнительно низкочастотным спектром (рис. 7.1). Ширина спектра такого сигнала много меньше несущей частоты ( ) и с этой точки зрения все радиосигналы являются узкополосными.

Рис. 7.1

Различия в свойствах радиосигналов определяются передаваемыми (информационными) видеосигналами, видами модуляции и способами обработки принимаемых сигналов.

Простые двоичные информационные сигналы с символами 0 и 1 при амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции (манипуляции) показаны слева на рис. 7.2а, 7.2б и 7.2в соответственно. Их спектры соответствуют спектру радиосигнала на рис. 7.1.

Ширина спектра простого радиосигнала зависит от вида модуляции и ширины спектра видеосигнала. Для сигнала с АМ примерно , у ЧМ и ФМ сигналов ширина спектра в несколько раз больше .

Сложность внутренней структуры информационного (модулирующего) сигнала характеризуют его базой , равной произведению ширины спектра информационного элемента

45

на его длительность ,

. (7.1)

Для простых информационных видеосигналов вида рис. 7.3 ширина спектра обратно пропорциональна длительности элемента ,

, (7.2)

тогда база равна . Видео- и радиосигналы с малой базой ( ) называют узкополосными.

Рис. 7.2

46

Видеосигналы со сложной внутренней структурой информационного элемента с большой базой называют широкополосными сигналами (ШПС). Такие сигналы называют и шумоподобными, так как их свойства похожи на свойства шумовых сигналов. Полученные в результате модуляции (обычно ЧМ или ФМ) радиосигналы также называют широкополосными (ШПС), хотя и для них .

Рис. 7.3

Особенностью ШПС со специально подобранной структурой является возможность их корреляционной обработки (согласованной фильтрации), в результате которой отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе в раз выше, чем на входе коррелятора (согласованного фильтра),

. (7.3)

Для надежного выделения выходного сигнала необходимо обеспечить условие . Например, при и получим , то есть на входе устройства обработки мощность сигнала много меньше мощности шума. На рис. 7.4 показаны полученные в результате статистического имитационного моделирования временные диаграммы фазоманипулированного ШПС с базой (рис. 7.4а) и аддитивного узкополосного шума (рис. 7.4б) на входе устройства обработки при отношении сигнал/шум , а на рис. 7.4в – сигнала на его выходе с отношением сигнал/шум .

47

Рис. 7.4

Как видно, обеспечивается уверенное выделение выходного сигнала.

Все ШПС можно разделить на аналоговые (непрерывные) частотно-модулированные (ЧМ), многочастотные, фазоманипулированные (ФМ) на основе псевдослучайных двоичных последовательностей, дискретные частотные (ДЧ) и множество других вариантов.

Частотно-модулированные ШПС формируются при непрерывной (чаще всего линейной) частотной модуляции (ЛЧМ) гармонической несущей. Временная диаграмма двух одинаковых элементов сигнала с ЛЧМ показана на рис. 7.5а,

а его спектр амплитуд – на рис. 7.5б, - номер гармоники.

48

Рис. 7.5.

Если частота сигнала меняется в интервале и длительность элемента равна , то база равна (7.1) и может быть значительно больше 1. Сигналы с ЛЧМ используются, например, в радиолокационных системах. Для их обработки (приема) используются дисперсионные линии задержки.

Информационный элемент многочастотного сигнала длительностью представляет собой сумму из гармонических сигналов вида

, (7.4)

где - номер элемента (в двоичном случае 0 или 1), -

амплитуда, частота и начальная фаза - й гармонической компоненты, - коэффициент, равный 1, если -я компонента входит в -й элемент сигнала и 0 в противном случае. Частоты выбираются с постоянным шагом, в частном случае могут быть кратными минимальной частоте как гармоники в спектре периодического сигнала.

Временная диаграмма двух различных элементов многочастотного сигнала показана на рис. П6а, а его спектр амплитуд – на рис. 7.6б,

Фазоманипулированные ШПС представляют собой гармонический сигнал, фаза которого манипулируется двоичной псевдослучайной последовательностью.

49

Рис. 7.6

Простейшим примером псевдослучайных последовательностей являются М-последовательности (последовательности максимальной длины). Они формируются с помощью -разрядного двоичного регистра сдвига с обратными связями, длина последовательности равна

. (7.5)

Ширина спектра сигнала определяется длительностью элемента последовательности ,

, (7.6)

а база ШПС равна длине М-последовательности,

. (7.7)

При заданной структуре генератора двоичных М-последовательностей (регистра сдвига с обратными связями) число циклически сдвинутых последовательностей равно базе сигнала.

Дискретные частотные (ДЧ) сигналы представляют

50

собой последовательность из отрезков гармонических колебаний различных частот вида рис. 7.7а. На рис. 7.7б показан спектр ДЧ сигнала.

Рис. 7.7

Переключение частот осуществляется в соответствии с частотно-временной матрицей, пример которой показан на рис. 7.8. На интервале длительности микроэлемента сигнал излучается на одной частоте,

Рис. 7.8 занимая полосу частот , а затем

переключается на другую в общем интервале частот .

Число частотных каналов равно

, (7.8)

а при база сигнала определяется выражением

, (7.9)

где

(7.10)

51

- число временных элементов ДЧ сигнала, а - длительность ДЧ сигнала.

Сигналы с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) используются в сетях радиосвязи с большим числом корреспондентов и формируется следующим образом. Передатчик радиолинии по определенной программе выбирает рабочую частоту из заданного множества и с помощью узкополосных сигналов передает на ней короткий информационный пакет, затем частота по программе меняется и передается следующий пакет и так далее до завершения сеанса связи. Приемник переключается по рабочим частотам синхронно с передатчиком по той же программе.

Различные радиолинии (пары абонентов) используют разные программы смены рабочих частот, при этом обеспечивается их ортогональность – в данный момент времени на одной частоте работает только одна радиолиния.

Для стороннего наблюдателя (противника) программы смены рабочих частот неизвестны (частоты выбираются случайно) и могут достаточно часто изменяться.

Свойства сигналов с ППРЧ определяются числом рабочих частот и скоростью смены частот , измеряемой числом скачков в секунду. Различают медленную ( скачков в секунду), быструю ( скачков в секунду) и поэлементную ППРЧ (каждый бит информации передается на отдельной частоте),

Значительное разнообразие временных и частотных свойств различных сигналов приводит к необходимости введения общего для них признака, при фиксированном значении которого можно проводить сравнительный анализ скрытности сигналов. В этом качестве удобно использовать базу передатчика , равную произведения общей полосы частот , используемой для всех вариантов сигналов, на их общую длительность ,

. (7.11)

52

Для узкополосных видеосигналов в общей полосе частот передатчика их общая длительность равна при полосе частот отдельного сигнала и числе возможных вариантов частотной настройки (арсенале) , тогда для базы передатчика получим

. (7.12)

Для широкополосного сигнала с ЛЧМ длительностью в общей полосе частот с базой получим

. (7.13)

Применительно к фазоманипулированным ШПС с базой на основе -элементных М-последовательностей с

длительностью элемента и общей длительностью в общей полосе частот база передатчика равна

. (7.14)

Для ДЧ сигналов в общей полосе частот с частотными каналами и числом элементов база передатчика равна базе сигнала,

. (7.15)

Как видно, база ШПС является его универсальной характеристикой, равна базе передатчика - числу степеней свободы формируемого передатчиком сигнала.

53

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение узкополосных и широкополосных сигналов. Приведите примеры.

2. Опишите временных и спектральные свойства узкополосных сигналов. Какие виды модуляции используются при их формировании?

3. Опишите временных и спектральные свойства широкополосных сигналов (ШПС). Как они формируются (приведите примеры)? Какие цели преследуются при использовании ШПС?

4. Как определяется база передатчика? Как она связана с базой сигнала и арсеналом его параметров для узкополосных и широкополосных сигналов?

5. Для чего используются сигналы с ППРЧ, как они формируются, чем характеризуются?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Задание 7.1. На частоте 10 МГц в полосе частот 500 Гц работает телеграфная линия связи со скоростью передачи 200 двоичных элементов в секунду. К какому типу (узкополосному или широкополосному) относятся сигналы радиолинии и почему?

Задание 7.2. На частоте 500 МГц в полосе частот 500 кГц работает линия передачи дискретной информации со скоростью 1000 двоичных элементов в секунду. К какому типу (узкополосному или широкополосному) относятся сигналы радиолинии и почему?

Задание 7.3. В полосе частот 1 МГц введена сетка несущих частот с шагом 25 кГц, на которых может работать узкополосная дуплексная радиолиния с шириной спектра сигналов 4кГц.

54

Какова длительность элемента сигнала?

Каков арсенал сигналов радиолинии?

Какова ее арсенальная скрытность при необходимости выявления двух рабочих частот? Определите ее арсенальную скрытность при необходимости выявления одной из рабочих частот.

Какова скрытность симплексной радиолинии в этой же сетке частот?

Задание 7.4. В полосе частот 1 МГц может работать широкополосная радиолиния с шириной спектра сигналов 500кГц. Какова длительность элемента сигнала?

Какова база сигнала при скорости передачи 489 двоичных элементов в секунду? Каков арсенал ШПС на основе фазоманипулированных М-последовательностей?

Можно сформировать 32 различных М-последователь-ности длиной 511 элементов. Какова скорость передачи информации в числе двоичных элементов в секунду? Чему равна база ШПС?

Задание 7.5. В полосе частот 1 МГц может работать широкополосная радиолиния с ППРЧ с сеткой несущих частот с шагом 25 кГц и шириной спектра сигналов 4кГц.

Какова минимальная длительность передачи на одной частоте (поэлементная ППРЧ)?

Сколько рабочих частот для ППРЧ?

Сколько элементов будет передано на одной частоте при скорости перестройки 100 скачков в секунду? Сколько независимых отсчетов можно получить за это время?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

7.1. Радиолиния с ШПС на основе двух -элементных М-последовательностей (одна используется для передачи сим-

55

вола «0», а другая – «1») может работать на одной из рабочих частот. При смене частоты случайно выбираются новые пары М-последовательностей.

Определите арсенал сигналов радиолинии. Как он зависит от параметров сигналов?

Как изменится арсенал сигналов на основе четырех -элементных М-последовательностей (одна используется для передачи пары символов «00», вторая – «01», третья – «10» и четвертая - «11»)?