Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

•усиление выделенного сигнала;

•детектирование (съем информации);

•усиление видеоили низкочастотного первичного сигнала.

Различают два вида радиоприемников: прямого усиления и супергетеродинные. Появившиеся первыми приемники прямого уси­ ления уступили супергетеродинным почти во всех радиодиапазо­ нах, за исключением сверхвысоких частот. Такая тенденция объяс­ няется более высокой селективностью и чувствительностью супер- I стеродинного радиоприемника по сравнению с приемником пря­ мого усиления.

В приемниках прямого усиления сигнал на входе приемника (выходе антенны) селектируется и усиливается без изменения его частоты. Качество информации, снимаемой с этого сигнала, тем ныше, чем меньше уровень помех (сигналов различной природы с частотами, близкими частоте настройки приемника). В идеале цепи селекции должны обеспечивать П-образную форму с полосой пропускания, равной ширине спектра принимаемого сигнала.

Такие фильтры имеют многозвенную, достаточно сложную конструкцию из тщательно настраиваемых многозвенных LC — элементов, или реализуются с использованием пьезоэлектричес­ ких и магнитострикционных эффектов (в пьезоэлектрических и электромеханических фильтрах).

Сложность проблемы обеспечения избирательности в радио­ приемниках прямого усиления обусловлена техническими труд­ ностями создания одновременно перестраиваемых по частоте уз­ кополосных фильтров с высокими показателями по селективнос­ ти, в особенности при их промышленном производстве. Только на сверхвысоких частотах удалось достигнуть высоких показателей по чувствительности и избирательности благодаря применению в широкополосных цепях высокой частоты специальных материалов и устройств: фильтров из железоиттриевого граната и малошумящих ламп бегущей волны.

В супергетеродинном приемнике проблема одновременного обеспечения высоких значений чувствительности и селективнос­ ти решена путем преобразования принимаемого высокочастотно­ го сигнала после его предварительной селекции и усиления в уси­ лителе высокой частоты в сигнал постоянной частоты, называемой

промежуточной частотой (рис. 17.7).

511

Примечание:

УВЧ— усилитель высокой частоты; УПЧ— усилитель промежуточной частоты; УНЧ— усилитель низкой частоты.

Рис. 17.7. Структурная схема супергетеродинного приемника

Усиление и селекция сигналов после преобразования выпол­ няются на промежуточной частоте. Для постоянной промежуточ­ ной частоты задачи по обеспечению высокой избирательности и чувствительности решаются проще и лучше.

Преобразователь частоты состоит из гетеродина и смесителя. Гетеродин представляет собой перестраиваемый вручную или ав­ томатически высокочастотный генератор гармонического колеба­ ния с частотой, отличающейся от частоты принимаемого сигна­ ла на величину промежуточной частоты. Процесс преобразования частоты происходит в смесителе, основу которого составляет нели­ нейный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, радиолам­ па). На него поступают принимаемый сигнал с частотой f и гар­ монический сигнал гетеродина с частотой f На выходе смесителя возникает множество комбинаций гармоник принимаемого сигна­ ла и колебаний гетеродина, в том числе на промежуточной частоте fn = f - f . Селективные фильтры усилителя промежуточной часто­ ты пропускают только сигналы промежуточной частоты, которые усиливаются до величины, необходимой для нормальной работы детектора. В длинноволновом и средневолновом радиовещатель­ ном диапазонах fn = 465 кГц, в УКВ — 10 МГц и более.

Однако супергетеродинному приемнику присущ ряд недостат­ ков, вызванных процессом преобразования частоты. Основной из них состоит в том, что фильтры усилителя промежуточной час­ тоты пропускают не только полезные сигналы, частота которых равна f = f + fn, но и ложные с частотой f = f - f , симметрич­ ной («зеркальной») по отношению к частоте гетеродина f. Помехи на «зеркальной» частоте ослабляются путем двойного или даже

512

тройного преобразования частот в супергетеродинном приемни­ ке. Промежуточная частота каждого последующего преобразова­ ния понижается. В результате этого первую промежуточную час­ тоту можно без ущерба для избирательности приемника выбрать достаточно высокой. При больших значениях промежуточной час­ тоты «зеркальная» частота существенно отличается от сигнала и подавляется входными фильтрами радиоприемника.

Возможности радиоприемника определяются следующими техническими характеристиками:

•диапазоном принимаемых частот;

•чувствительностью;

•избирательностью;

•динамическим диапазоном;

•качеством воспроизведения принимаемого сигнала (уровнями нелинейных и фазовых искажений);

•эксплуатационными параметрами.

Диапазон принимаемых частот обеспечивается шириной по­ лосы пропускания селективных элементов входных фильтров и интервалом частот гетеродина. Настройка приемника на нужный диапазон или поддиапазон частот производится путем переключе­ ния элементов входных контуров и контура гетеродина, а настрой­ ка на частоту внутри диапазона (поддиапазона) — путем измене­ ния частоты гетеродина. В радиоприемниках все шире в качестве гетеродина используется устройство — синтезатор частот, создаю­ щее множество (сетку) гармонических колебаний на стабилизиро­ ванных фиксированных частотах с интервалом, соответствующих шагу настройки частоты приемника.

Чувствительность радиоприемника оценивается минималь­ ной мощностью или напряжением сигнала на его входе, при ко­ торой уровень сигнала и отношение сигнал/шум на выходе при­ емника обеспечивают нормальную работу оконечных устройств (индикации и регистрации). Такая чувствительность называется реальной. Предельная чувствительность соответствует мощнос­ ти (напряжения) входного сигнала, равного мощности (напряже­ нию) шумов входных цепей радиоприемника. Информация полез­ ного сигнала мощностью менее мощности шумов радиоприемника настолько сильно ими искажается, что передача информации воз­

513

можна только при кодировании ее специальными помехоустойчи­ выми кодами.

В диапазонах дециметровых и более коротких волн чувстви­ тельность измеряют в ваттах или децибелах по отношению к уров­ ню в 1 мВт (дБм), в спектральной плотности в Вт/Гц или децибелах (по отношению к Вт/Гц), на метровых и более длинных — в микро­ вольтах (мкВ). Реальная чувствительность современных професси­ ональных супергетеродинных приемников дециметровых и санти­ метровых волн составляет 10~12-10 15 Вт или -180 ... -200 дБ по от­ ношению к Вт/Гц, приемников метровых и более длинных волн — 0,1-10 мкВ.

Избирательность приемника оценивается параметрами ам­ плитудно-частотной характеристики (АЧХ) его селективных це­ пей, определяющей зависимость коэффициента усиления приемно­ го тракта от частоты. Избирательность приемника максимальная, когда его амплитудно-частотная характеристика повторяет форму спектра принимаемого сигнала. В этом случае будут приняты все его спектральные составляющие, но не пропущены спектральные составляющие других сигналов (помех). Практически реализовать это требование чрезвычайно трудно, так как спектр сигналов с раз­ личной информацией имеет изрезанную постоянно меняющуюся форму и существуют большие технически проблемы при формиро­ вании амплитудно-частотной характеристики сложной заданной формы. В качестве идеальной АЧХ рассматривается П-образная форма с шириной, равной средней ширине спектра сигнала.

Избирательность реального приемника оценивается двумя ос­ новными показателями: шириной полосы пропускания и коэффи­ циентом прямоугольности АЧХ радиоприемника, реальная форма которой имеет колоколообразный вид.

Ширина полосы пропускания измеряется на уровне 0,7 по на­ пряжению, а коэффициент прямоугольности оценивается отно­ шением полосы пропускания на уровне 0,1 к полосе пропускания на уровне 0,7. Чем более пологой является АЧХ радиоприемника, тем шире полоса пропускания на уровне 0,1 по отношению к уров­ ню 0,7 и тем больше величина коэффициента прямоугольности. Коэффициент пропускания позволяет количественно оценить по­ логий характер амплитудно-частотной характеристики радиопри­

514

емника. Чем ближе коэффициент прямоугольности АЧХ к 1, тем круче ее скаты и тем меньше помех «пролезет» по краям полосы пропускания. С целью уменьшения мощности помех, прошедших в тракт приемника, ширину его полосы пропускания устанавлива­ ют соответствующей ширине спектра сигнала. В приемниках для приема сигналов, существенно отличающихся по ширине, напри­ мер речи и телеграфа, ширину полос пропускания различных се­ лективных цепей изменяют путем коммутации селективных эле­ ментов (катушек индуктивности, конденсаторов).

Так как активные элементы усилительных каскадов радиопри­ емника (транзисторы, диоды и др.) имеют достаточно узкий интер­ вал значений входных сигналов, при которых обеспечивается их линейное преобразование, то при обработке сигналов с амплиту­ дой вне этих интервалов возникают их нелинейные искажения, в результате которых искажается информация. Возможность прием­ ника обрабатывать с допустимым уровнем нелинейных искажений входные радиосигналы, отличающиеся по амплитуде, характери­ зуется динамическим диапазоном. Величина динамического диа­ пазона оценивается отношением в децибелах максимального уров­ ня к минимальному уровню принимаемого сигнала.

Для повышения динамического диапазона в современных ра­ диоприемниках применяется устройство автоматической регули­ ровки усиления (АРУ) приемного тракта, изменяющего его коэф­ фициент усиления в соответствии с уровнем принимаемого сиг­ нала.

Несоответствие амплитудно-частотной и фазовой характерис­ тик, динамического диапазона радиоприемника текущим характе­ ристикам сигнала приводят к его частотным, фазовым и нели­ нейным искажениям и потере информации.

Частотные искажения в радиоприемнике вызываются неоди­ наковыми изменениями составляющих спектра входного сигнала. Из-за частотных искажений сигнал на входе демодулятора иска­ жается, что приводит к изменению содержащейся в нем информа­ ции.

Фазовые искажения сигнала возникают из-за нарушений фазо­ вых соотношений между отдельными спектральными составляю­ щими сигнала при прохождении его цепями тракта приемника.

515

Искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спект­ ре выходного сигнала дополнительных составляющих, отсутству­ ющих во входном сигнале, называются нелинейными. Нелинейные искажения вызывают элементы радиоприемника, имеющие нели­ нейную зависимость между выходом и входом. Они возникают при превышении отношения значений максимального и минимального напряжений сигнала на входе приемника к его динамическому диа­ пазону. Эти виды искажений приводят к изменению информацион­ ных параметров сигнала на входе демодулятора и, как следствие, к искажению информации после демодуляции.

Кроме указанных электрических характеристик возможнос­ ти радиоприемников оцениваются также по их надежности, опера­ тивности управления, видам электропитания и потребляемой мощ­ ности, масса-габаритным показателям.

Традиционные аналоговые радиоприемники постепенно вы­ тесняются цифровыми, в которых сигнал преобразуется в цифро­ вой вид с последующей его обработкой средствами вычислитель­ ной техники.

Большие возможности по перехвату радиосигналов в широ­ ком диапазоне частот предоставляют сканирующие приемники. Особенностями этих радиоприемников являются:

•очень быстрая (электронная) перестройка частоты настройки приемника в широком диапазоне частот;

•наличие устройств (блоков) «памяти», которая запоминает вво­ димые априори, а также в процессе поиска, частоты радиосиг­ налов, не представляющие или, наоборот, представляющие ин­ терес для оператора;

•информационно-техническое сопряжение на базе, как правило, интерфейса R-232S, приемника с компьютером, обеспечиваю­ щим возможность передачи сигналов в компьютер для их обра­ ботки и управления приемником.

«Память» сканирующего радиоприемника позволяет запоми­ нать частоты обнаруженных радиосигналов и не тратить время на их анализ при последующем сканировании диапазона частот. В ре­ зультате этого резко сокращается время просмотра широкого диа­ пазона частот.

Во многих приемниках (AR-2700, AR-3000A, AR-5000, AR-8000, ДС-RIO, ICR-8500 и др.) предусмотрены интерфейсы сопряжения с

516

ПЭВМ, что позволяет автоматизировать поиск сигналов по задава­ емым признакам, в том числе использующих простые виды техни­ ческого закрытия.

На основе сканирующих приемников и ПЭВМ созданы авто­ матизированные комплексы радиоконтроля (радиомониторин­ га) помещений. Комплекс работает под управлением ПЭВМ, в ре­ альном масштабе времени обеспечивает отображение на экране монитора амплитудно-частотных характеристик сигналов, их ре­ гистрацию на жесткий диск с возможностью последующей обра­ ботки. Ускоренный просмотр диапазона частот обеспечивается с помощью программно-аппаратных средств быстрого панорамного анализа (на основе быстрого преобразования Фурье).

Для перехвата радиосигналов со сложной структурой, приме­ няемых в сотовой, пейджинговой и других видах мобильной связи, создаются специальные приемные комплексы.

Перехват наиболее информативных радиоизлучений усилите­ ля и экрана монитора ПЭВМ возможен с помощью телевизионного приемника широкого применения с переделанными блоками строч­ ной и кадровой синхронизации. Примером специального средс­ тва перехвата побочных излучений ПЭВМ в диапазоне частот 252000 МГц может служить комплекс 4625-COM-INT, который име­ ет 100 каналов памяти для накапливания перехваченной информа­ ции. После обработки информация восстанавливается в виде, отоб­ ражаемом на экране монитора ПЭВМ. Комплекс обладает высокой чувствительностью (0,15 мкВ), имеет размеры 25 х 53 х 35 см и вес 18 кг. Следует отметить, что, хотя при перехвате радиоизлучений от иных источников побочных радиоизлучений ПЭВМ (системно­ го блока, дисководов, принтера) не возникают серьезные пробле­ мы, возможность добывания информации из перехваченных сиг­ налов этих источников преувеличена. Достоверные факты о реали­ зации такой потенциальной возможности отсутствуют.

17.1.3. Технические средства анализа сигналов

Технические средства измерения признаков сигнала включа­ ют большой набор различных программно-аппаратных устройств и приборов, в том числе устройства панорамного обзора и анали­ за спектра сигнала, селективные вольтметры, измерители времен­

517

ных параметров дискретных сигналов, определители видов моду­ ляции кода и др.

Портативные анализаторы спектра при сравнительно неболь­ ших габаритах и весе (9,5-20 кг) позволяют принимать сигналы всех диапазонов частот (30 Гц-40 ГГц) и анализировать их тонкую структуру с высокой точностью. Погрешность измерения часто­ ты сигнала составляет 15-210 Гц для частоты 1 Гц и 1-1,2 кГц — для частоты 10 ГГц, а погрешность измерения амплитуды сигнала 1-3 дБ. Например, цифровые анализаторы спектра НР8561Е фирмы «Hewlett Packard» измеряют параметры сигнала в диапазоне частот 30 Гц-6,5 ГГц, а анализаторы спектра 2784 фирмы «Tektonix» — в

.диапазоне 9 кГц-40 ГГц.

Селективные микровольтметры позволяют измерять ампли­ туду с погрешностью 1 дБ и частоту с погрешностью 10-100 Гц в диапазоне частот до 1-2 ГГц. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 17.1.

Высокоэффективными и компактными средствами техничес­ кого анализа являются специальные приборы контроля радиосвязи (радиотестеры). К ним относятся «Stabilock 4015» (1,45-1000 МГц), «Stabilock 4032» (2-1000 МГц), HP 8920 A/D (0,4-1000 МГц) и д£. Чувствительность указанных приборов не более 2 мкВ, а вес 13, 18,5 и 20 кг соответственно.

В составе радиотестера конструктивно объединены различные устройства приема и анализа сигналов: анализатор спектра, гене­ ратор сигналов, запоминающий осциллограф, устройства демоду­ ляции и декодирования служебных сигналов, интерфейсы сопря­ жения с ПЭВМ и с принтером для регистрации результатов изме­ рений.

518

17.1.4.Средства определения координат источников радиосигналов

Информативными признаками источника радиосигналов явияются его координаты. Для определения координат применя­ ется радиоприемник с поворачиваемой антенной, диаграмма на­ правленности которой имеет острый максимум или минимум. I [оворачивая антенну в направление достижения максимума (ми­ нимума) сигнала на выходе антенны, определяют направление на источник радиосигнала. Этот процесс называют пеленгованием, значения углов между направлениями на север и источник — пе­ ленгами, а средство для пеленгования — радиопеленгатором, или пеленгатором.

Координаты источника радиоизлучений на местности рассчи­ тываются по двум или более пеленгам из разных точек или по од­ ному пеленгу и дальности от пеленгатора до источника. Для расче­ та координат источника радиоизлучений необходимы также коор­ динаты пеленгаторов.

Принципы пеленгования источника радиосигналов двумя пе­ ленгаторами или одним подвижным из двух точек А и В иллюст­ рируются схемой на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципы пеленгования

Расстояние между двумя точками, из которых определяются пеленги, называется базой пеленгования. Координаты источника

519

соответствуют точке пересечения пеленгов на топографической карте или рассчитываются в результате решения триангуляцион­ ной задачи.

Инструментальные ошибки пеленгаторов, изменения усло­ вий распространения радиоволн, влияние объектов вблизи ис­ точников радиосигналов, отражения от которых искажают элект­ ромагнитное поле у антенн пеленгаторов, погрешности считыва­ ния пеленгов вызывают систематические и случайные ошибки пе­ ленгования. Угловые ошибки пеленгования образуют эллипс оши­ бок (см. рис. 17.8), очерчивающий границы площади на местности, внутри которых находится источник радиоизлучений.

Для повышения точности координат применяют антенны пе­ ленгаторов с большей крутизной изменения диаграммы направ­ ленности от угла поворота антенны, уменьшают систематичес­ кие ошибки пеленгаторов и погрешности измерений, при расче­ тах учитывают условия распространения радиоволн от источни­ ка до пеленгаторов, увеличивают количество пеленгов. Более вы­ сокую точность пеленгования обеспечивают фазовые методы пе­ ленгования на основе сравнения фаз, приходящихся от источника радиоволн на разнесенные в пространстве антенны пеленгаторов. Ошибки пеленгования измеряют в градусах, точность пеленгова­ ния — в процентах от дальности. Точность пеленгования в УКВ диапазонах на открытой местности составляет доли градусов: 0,1°, 0,2°; точность определения координат в этих диапазонах — доли процентов, в КВ-диапазоне — 3-5% от дальности. В городских ус­ ловиях точность пеленгования ниже из-за влияния радиоволн, от­ раженных от зданий и автомобилей.

Процессы перехвата включают также регистрацию (запись, за­ поминание) сигналов с добытой информацией. Регистрация сиг­ налов производится путем аудио- и видеозаписи, записи на маг­ нитные ленту и диски, на оптические диски, на обычной, элект­ рохимической, термочувствительной и светочувствительной бума­ ге, запоминания в устройствах полупроводниковой и других ви­ дов памяти, фотографирования изображений на экранах монито­ ров ПЭВМ, телевизионных приемников, осциллографов и спектро­ анализаторов.

520