Демаскирующие признаки сигналов

Понятие «сигнал» достаточно емкое и в общем случае обозначает изменяющуюся физическую величину, однозначно отображающую сообщение. Часто люди для передачи конфиденциальной информации обмениваются условными сигналами, используя для этого различные предметы, надписи, слова, звуки. Например, незнакомые люди при встрече обмениваются условными фразами. В радиоэлектронике под сигналом понимается изменяющаяся физическая величина.

По существу сигнал представляет распространяющийся в пространстве носитель с информацией, содержащейся в значениях его физических параметров. К сигналам относятся: собственные (обусловленные тепловым движением электронов, радиоактивные) из лучения объектов, отраженные от объектов поля и волны, электромагнитные поля и электрический ток от созданных человеком источников сигналов. Информация, содержащая в любом сигнале, представлена значениями его информационных параметров.

Классификация сигналов представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация сигналов

К аналоговым сигналам относятся сигналы, уровень (амплитуда) которых может принимать произвольные значения в определенном для сигнала интервале.

Амплитуда простого и достаточно распространенного в природе гармонического сигнала изменяется по синусоидальному закону:

s(t) = Asin(ω t + φ),

где А— амплитуда; ω = 2πf— круговая частота колебания; φ — фаза колебания.

Частота f измеряется в Гц и называется линейной.

Большинство аналоговых сигналов имеют более сложную форму. Периодические (повторяющиеся через время Т_п — период) сигналы произвольной формы могут быть представлены в соответствии с формулой Фурье в виде суммы гармонических колебаний:

где С_о — постоянная составляющая сигнала; С_k — амплитуда k-й гармоники сигнала (k = 1, 2, ..., n); kω₁, и ф_k — частота и фаза k-й гармоники сигнала; ω₁ — основная (1-й гармоники) частота.

Параметры ряда Фурье вычисляются по соответствующим формулам, например. Ряд Фурье представляет собой математическую модель периодического сигнала, так же как любой цвет может быть разложен на составляющие красного, зеленого и синего цветов. Совокупность гармонических (спектральных) составляющих сигнала образует его спектр.

Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию соответствующей гармоники основной частоты сигнала. Чем выше скорость изменения амплитуды сигнала, тем больше в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотами спектра сигнала, между которыми сосредоточена основная часть, например 95% энергии, называется шириной спектра ΔF Пример графического изображения спектра периодического сигнала представлен на рис. 1.4.

Частоты составляющих спектра непериодического аналогового сигнала непрерывно меняются. При наблюдении спектра такого сигнала на экране анализатора спектра положение и уровень различных спектральных составляющих непрерывно изменяются и спектр выглядит как сплошной.

Весьма удобной и широко применяемой является комплексная форма записи ряда Фурье, которая в соответствии с формулой Эйлера определяет тригонометрические функции через показательные: cos x = (e^jx + e^-jx)/2 и sin x = (e^jx - e^-jx)/2j. Представление сигнала в виде ряда Фурье в комплексной форме имеет вид:

Как следует из приведенного выражения, спектр в комплексной форме называемый линейчатым, симметричен относительно 0, а C_k^*=1/2C_k для k≠0.

Рис. 1.4. Пример спектра периодического аналогового сигнала

В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его энергия или мощность, пропорциональная квадрату амплитуды. В зависимости от времени измерения энергии сигнала различают среднюю и мгновенную мощность. Десятичный логарифм отношения максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазоном сигнала. Динамический диапазон речи диктора радио и телевидения составляет 25-30 дБ, вокального ансамбля — 45-65 дБ, а симфонического оркестра достигает 70-95 дБ.

Аналоговый сигнал описывается набором параметров, являю­щихся его признаками. К ним относятся:

• частота или диапазон частот;

• амплитуда или мощность сигнала;

• фаза сигнала;

• длительность сигнала;

• вид модуляции;

• ширина спектра сигнала;

• динамический диапазон сигнала.

У дискретных сигналов амплитуда имеет конечный, заранее определенный набор значений. Наиболее широко применяется двоичный (бинарный) дискретный сигнал: в ЭВМ, в телеграфии, при передаче данных. Информационные сигналы, циркулирующие в ЭВМ IBM PC, имеют два уровня амплитуды: низкий (L-уровень — 0 В) и высокий (Н-уровень — 5 В). Осциллограмма бинарного сигнала показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Осциллограмма бинарного сигнала

Дискретный сигнал характеризуется следующими параметрами: амплитудой А и мощностью Р, длительностью импульса τ_и , периодом Т_п или частотой F_п = 1/Т_п повторения импульсов (для периодических дискретных сигналов), шириной спектра сигнала ΔF_c, скважностью импульсов α = Т_п/τ_и .

Спектр дискретного периодического сигнала содержит бесконечное количество убывающих по амплитуде гармоник. Вид спектра для бинарного периодического сигнала иллюстрируется рис. 1.6.

Рис. 1.6. Пример спектра бинарного периодического сигнала

Он характеризуется следующими свойствами:

• форма огибающей спектра описывается функцией |sinf/f|;

• амплитуда гармоник C_k имеет нулевое значение в точках k/τ_и,

k =1, 2,...;

• в области частот спектра (0 - 1/τ_и) располагаются α-1 гармоник;

• постоянная составляющая сигнала равна А/α.

Учитывая, что большая часть энергии сигнала сосредоточена в области частот 0 - 1/τ_и, ширина спектра бинарного периодического сигнала приблизительно оценивается по формуле: ΔF_и ≈ 1/τ_и. Ширина спектра телеграфного сигнала в виде двоичной последовательности, ограниченного третьей гармоникой, оценивается величиной ΔF_т ≈ l,5v, где ν — скорость передачи в бодах (двоичных символах в секунду). Например, ширина спектра телеграфного сигнала, передаваемого со скоростью 50 Бод, приблизительно равна 75 Гц.

При прохождении дискретных сигналов по реальным электрическим цепям радиотехнических средств в силу их частотно-избирательных свойств и ограниченной полосы пропускания спектр сигналов изменяется, в результате чего искажается их форма и уменьшается крутизна импульсов. Прямоугольный импульс приобретает колоколообразную форму. В результате этого размывается граница между формами аналогового и дискретного сигналов. Искажения формы и уменьшение амплитуды импульсных сигналов в проводах кабелей ограничивают дальность их передачи, например, для обеспечения межмашинного обмена данными в локальных сетях.

По физической природе сигналы могут быть акустическими, электрическими, магнитными, электромагнитными (в радиодиапазоне — радиосигналы), корпускулярными (в виде потоков элементарных частиц) и вещественными, например, пахучие добавки в газ подают сигнал об его утечке.

Сигналы по виду передаваемой информации делятся на речевые, телеграфные, телекодовые, факсимильные, телевизионные, о радиоактивных излучениях и условные. Телеграфные и телекодовые сигналы используются для передачи буквенно-цифровой информации с низкой и высокой скоростью соответственно. Факсимильные и телевизионные сигналы обеспечивают передачу неподвижных и подвижных изображений. Сигналы радиоактивных излучений являются демаскирующими признаками радиоактивных веществ. Условные сигналы несут информацию, содержание которой предварительно определено между ее источником и получателем, например горшок с цветком на подоконнике в литературных произведениях о разведчиках — о провале явки.

Вид информации, содержащейся в сигнале, изменяет его демаскирующие признаки: форму, ширину спектра, частотный и динамический диапазон. Например, стандартный речевой сигнал, передаваемый по телефонной линии, имеет ширину спектра 300-3400 Гц, звуковой — 16-20000 Гц, телевизионный — 6-8 МГц и т. д. Произведение В = ΔF_c Т_с. называется базой сигнала. Если В ≈ 1, то сигнал узкополосный, при В > 1 — сигнал широкополосный.

По времени проявления сигналы могут быть регулярными, время появления которых получателю информации известно, например сигналы точного времени, и случайные, когда это время неизвестно. Статистические характеристики проявления случайных сигналов во времени могут представлять собой достаточно информативные демаскирующие признаки источников, прежде всего, об их принадлежности и режимах функционирования. Например, появление в помещении радиосигнала во время ведения в нем разговоров может с достаточно высокой вероятностью служить демаскирующим признаком закладного устройства с акустическим автоматом.

По аналогии с демаскирующим объектом и с такой же целью целесообразно ввести понятие демаскирующий сигнал, факт обнаружения которого может служить информативным признаком объекта защиты. Например, побочные излучения на определенной частоте конкретной радиостанции могут служить в качестве ее прямого, а иногда именного признака. Во время войны по «почерку» работы на ключе опознавали радиста и выявляли радиоигру, затеянную противником.