В.П. Литвиненко

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СКРЫТНОСТЬ СИГНАЛОВ И ЗАЩИЩЕННОСТЬ РАДИОЛИНИЙ

Учебное пособие

Воронеж 2009

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.П. Литвиненко

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СКРЫТНОСТЬ СИГНАЛОВ И ЗАЩИЩЕННОСТЬ РАДИОЛИНИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2009

УДК 621.3.013

Литвиненко В.П. Энергетическая скрытность сигналов и защищенность радиолиний: учеб. пособие / В.П. Литвиненко. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 166 с.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210300 «Радиотехника», специальности 210302 «Радиотехника», дисциплине «Основы теории скрытности».

Учебное пособие охватывает вторую часть материала по дисциплине «Основы теории скрытности». Рассматриваются методы обнаружения и оценки энергетической скрытности узкополосных и широкополосных сигналов, сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Проводится оценка классификационной скрытности сигналов.

Рассматривается защищенность радиолиний от внешних воздействий и, прежде всего, от радиоподавления. Дается методика оценки защищенности в различных условиях.

Предназначено для студентов очной формы обучения.

Табл. 1. Ил. 90. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор профессор Г.В. Макаров

Рецензенты: кафедра радиотехники и антенно-фидерных

фидерных устройств Военного авиацион-

ного инженерного университета (нач. ка-

федры канд. техн. наук, доц. В.П. Дунец);

канд. техн. наук Н.Т. Хакимов

 Литвиненко В.П., 2009

 Оформление. ГОУВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2009

Введение

Скрытность сигналов системы радиосвязи оценивается временными затратами противника на выявление их рабочих параметров. В значительной степени она определяется имеющимися у противника априорными сведениями о системе связи и способом обработки наблюдаемых сигналов.

При отсутствии необходимых сведений противник вынужден принимать допущения о свойствах ожидаемых сигналов и использовать соответствующие их модели. Например, если неизвестно множество рабочих структур ШПС, то их корреляционное обнаружение становится практически невозможным ввиду огромной мощности множества полных двоичных кодов даже при сравнительно небольшой базе сигнала.

Минимальный набор априорных данных приводит к необходимости использования энергетического подхода в задаче разведки радиосигналов. Обнаружение рабочих сигналов осуществляется энергетическим приемником, формирующим решение по результатам анализа интенсивностей отсчетов принимаемых сигналов без учета их внутренней структуры. Скрытность сигналов в этом случае можно назвать энергетической, ее величина определяется затратами противника (в двоичных измерениях или единицах времени), необходимых для обнаружения сигнала с заданной достоверностью [1].

Результаты разведки рабочих сигналов системы связи могут использоваться противником для организации их радиоподавления источниками преднамеренных помех. При проектировании системы радиосвязи необходимо обеспечивать требуемый уровень ее защищенности от внешних воздействий, который можно оценивать необходимыми для этого суммарными затратами мощности источников помех в точке приема.

Чем точнее имеющиеся у противника сведения о сигналах, тем проще реализуется их подавление. Таким образом возникает взаимосвязь скрытности и защищенности систем радиосвязи.

3

1. Обнаружение сигналов

1.1. Алгоритмы обнаружения сигналов

Оптимальные алгоритмы обнаружения радиосигналов определяются объемом априорных сведений о свойствах сигналов и помех на входе разведывательного приемника. Полная осведомленность позволяет построить абсолютно оптимальное решающее правило и оптимальный алгоритм обнаружения сигнала.

На практике разведприемник располагает ограниченной и в основном статистической информацией о форме и интенсивности сигнала и характере помех в точке приема.

Если обоснована возможность использования параметрического описания сигнала (формула, вектор параметров) и помех (закон распределения вероятностей, корреляционная функция, спектр), то строятся параметрические оптимальные решающие правила [1,2]. Существуют универсальные алгоритмы обработки принимаемых случайных процессов, эффективные при отсутствии информации об интенсивностях сигнала и помехи, сведений о начальной фазе сигнала и других параметрах.

Ориентация на параметрические процедуры разведки должна предусматривать возможность ответной реакции системы радиосвязи, которая может случайно для противника изменять параметры рабочих сигналов (например, смещать несущую частоту), чтобы снизить эффективность параметрического обнаружения. Подобные задачи рассматриваются в рамках теории игр, позволяющей сформировать оптимальные стратегии противников.

Нельзя обнаружить сигнал, о котором ничего не известно. Осторожное поведение должно предусматривать минимум априорной информации для проектирования параметрического алгоритма обнаружения. Наиболее подходящей для этого является стохастическая модель сигнала, например, в виде ста-

4

ционарного нормального случайного процесса [1]. Существенный интерес представляют марковские модели сигналов и помех.

Оптимальный алгоритм обнаружения и его возможности существенно зависят от выбранной модели радиосигналов и помех. В условиях априорной неопределенности целесообразно применение процедур, инвариантных к их уровням.

Непараметрические алгоритмы [2] обнаружения сигналов не требуют знания функций распределения вероятностей анализируемых процессов и, следовательно, каких-либо их параметров. Они основаны на анализе упорядоченности наблюдаемого процесса, которая зависит от наличия или отсутствия в нем сигнала. Наиболее распространены знаковые и ранговые алгоритмы.

Решение о наличии или отсутствии сигнала на фоне помех принимается по принятой реализации наблюдаемого процесса, для которой вычисляется некоторая решающая статистика , значение которой сравнивается с порогом . Сигнал обнаруживается, если решающая статистика превышает выбранный порог,

, (1.1)

а в противном случае выносится решение об отсутствии сигнала.

В современной аппаратуре обнаружения сигналов широко применяются цифровые алгоритмы их обработки, в которых осуществляется квантование принятой реализации по времени и уровню, в результате чего формируется выборка отсчетов , , где - объем выборки (число отсчетов) в заданном интервале времени.

Основными параметрами процедуры обнаружения являются вероятности ложной тревоги P_лт и пропуска сигнала P_пр, которые зависят от априорных сведений о сигнале и поме-

5

хах, их уровней, объема выборки отсчетов сигнала и алгоритма обработки.

По характеру использования наблюдаемой выборки алгоритмы можно разделить на два класса:

• с фиксированным объемом выборки N;

• последовательного принятия решения (вальдовские процедуры).

В равных условиях оптимальными с точки зрения временных затрат являются последовательные решающие правила, в рамках которых и следует определять скрытность сигналов.

В большинстве случаев решающая статистика монотонно увеличивается с ростом уровня сигнала. Тогда с ростом порога увеличивается вероятность пропуска сигнала и уменьшается вероятность ложной тревоги и наоборот.

1.2. Критерии принятия решения

Порог сравнения решающей статистики определяется выбранным критерием.

Критерий максимального правдоподобия (идеального наблюдателя) предполагает одинаковую стоимость (важность) ошибок и формирование решения по максимуму функции правдоподобия [1] соответствующих решений. При этом порог выбирается из условия равных вероятностей ошибок

. (1.2)

Подобная ситуация имеет место, например, в системах передачи информации, когда одинакова значимость ошибочного приема нуля и единицы. Очевидно, что с ростом уровня помех одинаково увеличиваются вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала.

Критерий Неймана-Пирсона широко применяется в радиолокации и заключается в выборе порога таким, чтобы

6

вероятность ложной тревоги была равна заданной величине

, которую называют значимостью критерия. Порог определяется из уравнения

. (1.3)

С ростом уровня помех необходимо повышать порог до тех

пор, пока не выполнится условие (1.2), при этом возрастает вероятность пропуска сигнала.

1.3. Энергетическая скрытность

Энергетическая скрытность сигнала характеризуется затратами (временными и аппаратными) на его обнаружение по энергетическим признакам без использования информации о форме, структуре и других характеристиках. Устройство такого обнаружения сигнала назовем энергетическим приемником.

Энергетическое обнаружение [1,2] предполагает принятие решения о наличии или отсутствии сигнала в смеси с помехой по результатам оценки энергии (мощности) поступающего воздействия. В более широком смысле могут использоваться и другие оценки свойств смеси сигнала с помехой.

Энергетическая скрытность представляет интерес при разведке в условиях значительной априорной неопределенности о параметрах системы радиосвязи и может использоваться для сравнительного анализа скрытности различных сигналов в этих условиях.

В дальнейшем энергетическую скрытность будем определять как среднее число отсчетов , необходимое энергетическому приемнику для формирования решения о наличии или отсутствии сигнала с заданной достоверностью. Если используется оптимальный энергетический приемник, то получим потенциальную энергетическую скрытность сигнала.

7