Sistemy_shirokopolosnoy_radiosvyazi_2009

320 Глава 8 | Практические системы связи с шумоподобными сигналами

•По каналу обмен информацией не идёт (пауза), но канал занят данной парой абонентов; в этом случае после адреса абонента (рис. 8.19) следуют короткие импульсы, фиксирующие занятость канала, т. е. не дающие возможность другим абонентам занять канал, который при отсутствии импульсов мог бы быть принят как свободный.

•По каналу передаётся сигнал перебоя, реализуемый введением в обычный вызов добавочной избыточности; например, если обычно вызов начинается с повторения 15-импульсного адреса 5 раз подряд, то команда перебоя может состоять из повторения адреса 10 раз.

Рис. 8.20. Формат канального интервала в режиме обмена информацией

Организация симплексного режима дискретно-адресной связи выражается в том, что оба работающих между собой корреспондента используют поочерёдно один и тот же временной канал (слот). В случае организации и ведения дуплексной связи необходимо иметь двойной комплект оборудования и занимать два временных канала.

Рассмотрим теперь кратко, как протекает работа радиостанции, входящей в состав синхронной дискретно-адресной системы связи — рис. 8.21.

Для вызова того или иного абонента набирается в регистре адресов адрес вызываемого абонента. Специальное устройство — «искатель» — на базе микропроцессорной системы (МПС), апробируя поочерёдно каналы, находит свободный временной канал. По этому каналу передаётся сигнал вызова. Пока абонент не ответит, в каждом цикле повторяется сигнал вызова — адреса. Согласованный фильтр СФ1 служит для осуществления общей синхронизации по циклам TЦ (рис. 8.19), а согласованный фильтр СФ2 — для канальной синхронизации. Адрес занимает только часть времени канала (рис. 8.20),

322 Глава 8 | Практические системы связи с шумоподобными сигналами

Заметим, что рассмотренный принцип накопления лежит в основе практически всех современных синхронных протоколов связи, в частности, синхронных систем персонального радиовызова пейджинговой связи.

8.9. Аналоговые системы связи

сзасекречиванием информации

Впоследние годы с развитием коммерческой и предпринимательской деятельности увеличилось число попыток несанкционированного доступа к конфиденциальной информации, а проблема защиты информации оказалась в центре внимания многих учёных и специалистов из разных стран не только в научных и военных сферах, но также и в финансовых, промышленных, торговых и социальных сферах.

Аппаратура шифрования (засекречивания) аналоговых сигналов существует со времён изобретения телефона. Эта аппаратура удовлетворяет (или должна удовлетворять) следующим основным практическим требованиям:

•не увеличивать (существенно) полосу частот, занимаемую сигналом;

•быть недорогостоящей, надёжной и простой в эксплуатации;

•несущественно ухудшать качество и разборчивость речи;

•быть совместимой с каналом связи, использующим тот или иной заданный вид модуляции.

Впервое время для предотвращения прослушивания широко использовались два основных принципа защиты речевого сообщения — принцип полосового инвертирования (одновариантный) и принцип перестановки парциальных полос речевого сигнала (многовариантный) — рис. 8.22. Сущность этих принципов состоит в следующем. Инвертор на основе балансного модулятора преобразует исходный спектр речевого сигнала так, что частота 300 Гц передаётся как 3400 Гц и наоборот (рис. 8.2, a). При этом частоты вблизи опорной частоты сдвигаются незначительно. Инвертированная речь оказывается совершенно неразборчивой, однако является одновариантной, что позволяет легко вскрыть эту систему шифрования.

Второй принцип засекречивания речи (рис. 8.22, б) является многовариантным, причём каждая парциальная полоса может передаваться в прямом или инверсном виде. Нетрудно подсчитать число всевозможных частотных перестановок — правил шифрования, однако ясно, что не все правила будут приводить к полностью неразборчивой речи.

8.9. Аналоговые системы связи с засекречиванием информации 323

Рис. 8.22. Принцип полосового инвертирования — а и принцип перестановки парциальных полос речевого сигнала — б

Другое направление в области шифрования аналогового сигнала состоит в использовании принципа разделения во времени — рис. 8.23.

Рис. 8.23. Функциональная схема засекречивания речевого сигнала на основе принципа временной перестановки

Речевой сигнал r(t) от источника сообщений (ИС) подвергается дискретизации с частотой 7,2 кГц. Последовательность отсчётов разбивается в запоминающем устройстве (ЗУ) на кадры в соответствии с заранее запрограммированным в микропроцессорной системе (МПС) правилом шифрования. Длительность кадра выбирается, например, равной 320 мс (2304 отсчёта). Каждый кадр представляется в виде 8 сегментов длительностью 40 мс (288 отсчётов) каждый. В соответствии с текущим правилом шифрования осуществляется переименование сегментов, т. е. каждый сегмент может быть задержан относительно других на некоторое количество тактов работы, что и составляет сущность временной перестановки. Далее может

324 Глава 8 | Практические системы связи с шумоподобными сигналами

проводиться инверсия времени следования сегментов и полная инверсия спектра кадра. Инверсия спектра сегментов осуществляется простым умножением каждого нечётного числа на «-1», а инверсия времени — изменением порядка следования отсчётов в сегменте на обратный. Восстановление речевого сигнала в условиях помех (t) осуществляется в обратном порядке.

Заметим, что рассмотренный принцип шифрования — принцип временной перестановки — предложен Хартли в 1921 г. и впервые широко использовался англичанами в период второй мировой войны. Оказалось, что степень защиты такого многовариантного метода шифрования является весьма высокой, однако недостаточной для ряда приложений. Дальнейшее развитие техники засекречивания речевых сообщений характеризуется применением шумоподобных сигналов (дискретных последовательностей) — ШПС, в частности, сигналов с ППРЧ — псевдослучайной перестройкой рабочих частот, как это было рассмотрено ранее в гл. 1.

8.10.Цифровая технология помехозащищённых телекоммуникаций на основе плотно упакованных ЧВМ-сигналов

В настоящее время во всех развитых странах быстрыми темпами внедряются новейшие достижения компьютерных и телекоммуникационных технологий практически во все сферы научной и производственной деятельности, включая финансовые, промышленные, торговые и социальные сферы. При этом, наряду с проблемами помехоустойчивости, эффективности и электромагнитной совместимости, значительно возросла проблема защиты информации от несанкционированного доступа [5,9,10].

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих совместное разрешение отмеченных проблем, является применение ансамблей шумоподобных сигналов (ШПС) с заданными корреляционными и структурными свойствами. Системы связи и, в частности, системы пакетной радиосвязи с ШПС, известны давно, однако современная технология ШПС получила своё новое развитие, состоящее в том, что для передачи данных используется значительно более широкая полоса частот, например, в США допускается для коммерческих целей использовать всю полосу частот величиной 26 МГц

8.10. Цифровая технология помехозащищённых телекоммуникаций 325

в диапазоне 902-928 МГц, при этом специальные государственные комитеты (комиссии) существенно ограничили допустимый уровень используемой радиосистемами мощности и определили другие специальные ограничения. Подобная технология передачи данных широко известна под названием — метод Spread Spectrum. Вместе с тем вопросы применения ШПС для решения комплексной задачи помехозащищённости систем связи, включая решение задач помехоустойчивости, электромагнитной совместимости и защиты информации от несанкционированного доступа, находятся на первоначальной стадии своего разрешения. Рассмотрим одну из возможных конкретных цифровых технологий помехозащищённой передачи речевых сообщений.

Технология шумоподобного ЧВМ-сигнала. Сущность физических принципов технологии ШПС на основе ЧВМ-сигналов со свойством не более одного совпадения состоит в следующем [25].

Разбиваем длинный цифровой поток данных на пакеты

в соответствие ИР-слово (парциальную импульсно-временную двоичную кодирующую последовательность) со свойством не более одного совпадения

Множество всех ИР-слов образуют ИР-код T {Ti }, i 1, k , веса w и временной базы L kw . Потребуем, чтобы ИР-код удовлетворял свойству плотной упаковки парциальных ИР-слов, т. е.

ИР-код, удовлетворяющий свойству (8.19), позволяет построить ШПС с оптимальной величиной пик-фактора ( KП 1) и тем самым в наибольшей степени использовать энергетические ресурсы передатчика на основе метода расширенного спектра, мощность которых существенно ограничена, обычно Pпер 0,1 Вт.

Информационная модуляция осуществляется по такому правилу: если i 0 , то Ti модулирует поднесущее колебание на частоте f2i ; и если i 1, то Ti модулирует поднесущее колебание на частоте

326 Глава 8 | Практические системы связи с шумоподобными сигналами

f2i 1 , при этом получаем парциальный сигнал Si (t), i 0, k 1 . Таким образом, каждому разряду i пакета выделяется две поднесущие частоты. Сетка частот { fi }, i 0,2k 1 выбирается из условия ортогональности каждой пары поднесущих.

В результате суммирования всех парциальных сигналов

Примем, что при передаче речевых сообщений размер пакета k 8 , пусть при этом вес каждого ИР-слова w 3, тогда технология (формирование) ЧВМ-сигнала для конкретного пакета, например {10111001} , показана на рис. 8.24, где частота заполнения fi каждой поднесущей условно представлена (на длительности элементарного импульса и ) своим номером i , i 0,2k 1 .

Рис. 8.24. Иллюстрация принципа плотной упаковки ЧВМсигнала и принципа частотной информационной модуляции каждого бита i пакета

8.10. Цифровая технология помехозащищённых телекоммуникаций 327

Из анализа рассмотренной технологии следует, что принятый сигнал S (t) должен обрабатываться парциально, т.е. схема оптимального приемника представляет собой набор из k декодеров (дешифраторов) для каждого парциального сигнала Si (t), i 0, k 1 . Особенность рассмотренной технологии состоит в том, что, во-первых, каждый парциальный сигнал позволяет исправить t — кратную ошибку из условия w 2t 1 , и, во-вторых, плотно упакованный сигнал S (t) , как следствие построения, может в итоге исправлять пачечные ошибки с размером пачки tп (k 1) , поскольку импульсы парциальных кодов разнесены во времени. В этом состоит одно из принципиальных отличий предложенной технологии от ранее известной технологии, используемой в системе BLADES [5].

Защита информации от несанкционированного доступа.

Проведенное рассмотрение физических принципов построения системы пакетной радиосвязи на основе плотно упакованных ЧВМсигналов позволяет констатировать наличие большого разнообразия способов Z защиты информации от несанкционированного доступа, основанных исключительно на предложенной технологии ШПС

где — некоторая многопараметрическая функция, k — размер пакета ;

w — вес кодовых слов ИР-кода со свойством не более одного совпадения ( 1 );

N— число асинхронно работающих систем пакетной радиосвязи

взаданном диапазоне частот;

Рассмотренные физические принципы метода построения пакетной радиосвязи на основе плотно упакованных систем ЧВМ-сигналов позволяют при каждых конкретно заданных условиях сформулировать требования на техническую разработку различных устройств и приборов в рамках метода Spread Spectrum, а также уточнить реальное число уровней защиты информации.

328 Глава 8 | Практические системы связи с шумоподобными сигналами

Контрольные вопросы и задачи

1.Поясните основные четыре модели принимаемых шумоподобных сигналов (ШПС).

2.Приведите классификацию оптимальных методов приема ШПС различных моделей.

3.* Приведите алгоритм работы и экономичную схему когерентного приемника различения симплексных сигналов длины N 15 .

4.Приведите алгоритм работы и экономичную схему некогерентного приемника различения шумоподобных сигналов с когерентным накоплением.

5.Приведите алгоритм работы и экономичную схему некогерентного приемника различения шумоподобных сигналов с некогерентным накоплением.

6.Поясните основные принципы построения радиотелеграфной системы связи «Rake»: принцип разделения лучей; принцип построения ортогональных ЧМ-сигналов; принцип синхронного гетеродинирования.

7.Поясните принцип формирования ШПС в системе «Rake» и приведите схему ее передающей части.

8.Приведите функциональную схему и поясните принцип работы приемной части системы «Rake».

9.Что такое принцип корреляционно-временной модуляции шумоподобных сигналов непрерывной структуры?

10.Приведите схему и поясните принцип работы передающей части телеграфной системы Ланге-Мюллера с непрерывной структурой ШПС.

11.Приведите схему и поясните принцип работы приемной части телеграфной системы Ланге-Мюллера с непрерывной структурой ШПС.

12.В чем преимущества и недостатки автокорреляционных систем радиосвязи по сравнению с взаимокорреляционными системами?

13.Приведите функциональную схему радиостанции асинхронной адресной системы связи типа АИМ-ЧМ с импульсно-частотной модуляцией и поясните принцип ее работы.

14.Поясните сущность метода дельта-модуляции. Что такое ошибки перегрузки?

15.Приведите функциональную схему радиостанции синхронной адресной системы связи типа ДМ-АМ с накоплением отсчетов и поясните принцип ее работы.

8.10. Цифровая технология помехозащищённых телекоммуникаций 329

16.Поясните основные принципы построения аналоговых и цифровых систем связи с засекречиванием информации.

17.Что такое плотно упакованные ЧВМ-сигналы, какими достоинствами они обладают?

18.** Постройте функциональную схему цифровой системы передачи речевых сообщений на основе технологии плотно упакованных ЧВМ-сигналов, что показаны на рис. 8.24.