Методы и средства передачи информации (Лекция №18)

зи. Тем не менее к СПС относят еще сети транкинговой связи – связи по радиолиниям с подвижными объектами в пределах ограниченной области (к ним относятся и бытовые телефонные радиоудлинители, а, кроме того, специальные радиотелефоны с радиусом действия до 40– 50 км), а также сети персонального радиовызова (СПР), или пейджинговые сети (paging – вызов) – это сети односторонней мобильной связи, обеспечивающие передачу коротких сообщений, которые по существу повторяют принцип сотовой связи, но обеспечивают её только в одностороннем виде (передача SMS сигналов).

Эти СПС, а также различные их модификации основаны на определенных стандартах связи, среди которых в результате исторического отбора «выжили» (т.е. применятся в соответствии со стандартами) лишь системы:

D-AMPS (Digital-Advanced Mobil Phone Service −цифровой вариант широко распространенного в США и др. странах аналогового мобильного телефонного стандарта AMPS − усовершенствованная мобильная телефонная служба, разработанного в 1983 г. фирмой Bell Laboratories, имеет рабочие диапазоны 800 и 1900 МГц ;

GSM (Global System for Mobil Communication − глобальная система мобиль-

ной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц. Это второй по распространенности стандарт мира;

CDMA (Code Division Multiple Access) − стандарт, применяющий шумопо-

добные сигналы с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 800 и 1900 МГц, распространен в США, Китае, ряде стран Европы и Восточной Азии, требует наличия системы синхронного времени, т.е. наличия космической группировки типа GPS или ГЛОНАСС (в России не получил распространения ввиду отсутствия (на период выбора и развертывания СПС) отечественной космической группировки);

JDC (Japanese Digital Cellular) − японский стандарт цифровой сотовой свя-

зи.

Сравнительные характеристики цифровых стандартов приведены в табл.

18.1.

2

вования существующих систем аналоговых и цифровых сетей для предоставления услуг мультимедиа, повышенной скорости передачи информации и повышения качества связи, факсимильных сообщений и данных. С развитием СПС набор услуг мобильной связи нового поколения должен приближаться к перечню, предоставляемому в сетях ISDN (Integrated Services Digital Network − цифровая сеть с интеграцией служб − ЦСИС).

Наш интенрес в данной лекции ограничен схематичным описанием современных передающих и приемных устройств, подключаемых к радиолиниям (предполагая, что один из концов таких линий (фидеров) нагружен на антенну, а другой − соответственно, на выходной каскад передатчика, или приемника. Учитывая указанное выше многообразие современных СПС, ограничим рассмотрение частным вариантом построения когерентной радиолиния радиосвязи, а именно к построению систем радиосвязи с применением сложных сигналов с фазовой манипуляцией и криптографических методов ее защиты.

Рассматриваемая система представляет радиолинию в системе передачи аналоговой и дискретной информации (такие системы развивались еще в конце прошлого века, см., например, Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи ин-

формации - М.: Радио и связь, 1982, с.233, рис.12.2 и другие).

Рассмотрим вариант современной системы на примере описанной в патенте РФ «Когерентная радиолиния» (патент РФ № 2.329.608, H04L 27/227, 2007).

Эта радиолиния обеспечивает защиту передаваемой дискретной информа-

ции от несанкционированного доступа посторонних лиц путем создания шумо-

подобных сигналов (можно сказать − шумовой завесы), а также криптографической защиты конфиденциальной дискретной информации от несанкционирован-

ного доступа посторонних лиц.

Ниже дано краткое описание системы, которое не требует запоминания, но преследует цель продемонстрировать сложность функционального построения современных устройств связи.

Структурная схема предлагаемой когерентной радиолинии представлена на рис. 17.1.

4

Передающая часть когерентной радиолинии (рис.17.1,а и рис. 17.1,б) содержит последовательно включенные источник 1 дискретных сообщений, кодирующее устройство 2, цифровой скремблер 26, первый модулятор 3, второй выход которого соединен с выходом первого генератора 4 высокой частоты, первый передатчик 5 и первую передающую антенну 6, последовательно включенные генератор 7 псевдослучайной последовательности (ПСП), второй модулятор 8, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 9 высокой частоты, второй передатчик 10 и вторую передающую антенну 11.

Приемная часть когерентной радиолинии (рис. 17.1, в) содержит последовательно включенные приемную антенну 12, приемник 13, первый синхронный детектор 14, второй вычитатель 23, цифровой дескремблер 27, декодирующее устройство 24 и блок 25 регистрации и анализа сообщений, последовательно подключенные к выходу приемника 13. Он также содержит блок 15 поиска по частоте и блок 16 выделения опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, а выход подключен к второму входу первого синхронного детектора 14. Кроме того, содержит последовательно подключенные к выходу блока 16 (блоку выделения опорного напряжения) фазовращатель 17 на −30°, второй синхронный детектор 19, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, первый вычитатель 21 и фазовращатель 22 на +90°, выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя 23. Ещё приемник содержит последовательно подключенные к выходу блока 16 выделения опорного напряжения фазовращатель 18 на +30° и третий синхронный детектор 20, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, а выход подключен к второму входу первого вычитателя 21.

Когерентная радиолиния работает следующим образом.

Дискретные сообщения с выхода источника 1 через кодирующее устройство 2 поступают на вход цифрового скремблера 26, который реализует криптографический метод защиты дискретных сообщений от несанкционированного доступа посторонних лиц. Указанный метод включает шифрование, кодирование и преобразование сообщений, в результате которых их содержание становится

5

недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Так, например, при цифровом методе закрытия последовательных сообщений условно выделяются четыре основные группы:

1)подстановка − символы дискретных сообщений заменяются другими символами в соответствии с заранее определенным правилом;

2)перестановка − символы дискретных сообщений переставляются по некоторому правилу в пределах заданного блока передаваемых дискретных сообщений;

3)аналитическое преобразование − шифруемые сообщения преобразуются по некоторому аналитическому правилу;

4)комбинированное преобразование − исходные дискретные сообщения шифруются двумя или большим числом методов шифрования.

Скремблированные дискретные сообщения в виде модулирующего кода M(t) с выхода цифрового скремблера 26 поступают на первый вход модулятора 3, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 4 высокой частоты

uc (t) =Uc m cos(ωct +ϕc ),

где 0 ≤t ≤Tc .

На выходе модулятора 3 образуется фазоманипулированный (ФМн) сиг-

нал

u1(t) =Uc m cos(ωct +ϕк(t) +ϕc ) ,

где 0 ≤t ≤Tc ,

ϕк(t) ={0,π} − манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕк(t) = const при kτэ < t < (k +1)τэ и может изменяться скачком при t = kτэ,

т.е. на границах между элементарными посылками, а k =1, 2, 3... N −1 ;

τэ и N − длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc ( причем Tc = N τэ).

6

Этот сигнал после усиления в передатчике 5 (усилитель мощности) излучается передающей антенной 6 с направленной диаграммой направленности в сторону приемной части когерентной радиолинии.

Псевдослучайная последовательность (ПСП) с выхода генератора 7 поступает на первый вход модулятора 8, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 9 высокой частоты.

uш(t) =Uшm cos(ωшt +ϕш) ,

где 0 ≤t ≤Tш,

ωш −ωс = ∆ω≤∆ωд − полоса пропускания синхронных детекторов 14, 19 и

20.

На выходе модулятора 8 образуется шумоподобный сигнал (ШПС) u2 (t) =Uшm cos(ωшt +ϕш(t) +ϕш)

где 0 ≤t ≤Tш

ϕш(t) ={0,π} − манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с ПСП.

Указанный сигнал после усиления в передатчике 10 (это усилитель мощности) излучается передающей антенной 11 с направленной диаграммой направленности в сторону приемной части когерентной радиолинии. Мощность этого сигнала много больше, чем мощность информационного сигнала, для которого он создает шумовую завесу.

Смесь ФМн-сигнала u1(t) и ШПС-сигнала u2(t) uΣ (t)=u1(t)+u2(t)

с выхода приемной антенны 12 через приемник 13 (усилитель высокой частоты) одновременно поступает на первые (информационные) входы синхронных детекторов 14, 19 и 20, на вторые входы которых подаются опорные напряжения соответственно с выхода блока 16 выделения опорного напряжения непосредственно и через фазовращатели 17 и 18 на +30° и −30°.

Получаем:

u01(t) =U0m cos(ωct +ϕc ) ,

7

u02(t) =U0m cos(ωct +ϕc +300 ), u03(t) =U0m cos(ωct +ϕc −300 ).

На выходе синхронных детекторов 14, 19 и 20 выделяются следующие низкочастотные напряжения соответственно:

uн1(t) =Uн1m cosϕк(t) +Uн2m cos [(ωш −ωс)t +ϕш(t) +ϕш −ϕc ],

uн2 (t) =Uн1m cos [ϕк(t) −300 ]+Uн2m cos [(ωш −ωс)t +ϕш(t) +ϕш −ϕc −300 ], uн3(t) =Uн1m cos [ϕк(t) +300 ]+Uн2m cos [(ωш −ωс)t +ϕш(t) +ϕш −ϕc −300 ]

На выходе вычитателя 21 образуется разностное напряжение,

∆uн1(t) =Uн2m (t) −Uн3m (t) =Uн2m sin [(ωш −ωс)t +ϕш(t) +ϕш −ϕc ],

которое представляет собой оценку ШПС-сигнала и отличается от ШПС-сигнала на выходе синхронного детектора 14 поворотом по фазе на 90°.

Разностное напряжение ∆uн1(t)с выхода вычитателя 21 поступает на вход фазовращателя 22 на +90°, на выходе которого образуется разностное напряжение

∆uн2 (t) =Uн2m sin [(ωш −ωс)t +ϕш(t) +ϕш −ϕc +900 ]=

=Uн2m cos[(ωш −ωс)t + ϕш(t) + ϕш −ϕc ].

Это напряжение поступает на второй вход вычитателя 23, на выходе которого образуется разностное напряжение

∆uн3(t) =uн1 −uн2 =Uн1 cosϕк(t) ,

представляющее собой аналог передаваемого сообщения. Напряжение ∆uн3 (t) с

выхода вычитателя 23 поступает на вход цифрового дескремблера 27, принцип работы которого соответствует принципу работы цифрового скремблера 26, но имеет противоположный характер. На выходе дескремблера 27 образуется кодовая информация, которая поступает на вход декодирующего устройства 24, на

8

а

б

в

17

18

Рисунок 17.1 − Функциональные схемы передающих устройств а и б и приемного устройства когерентной радиолинии

9

выходе которого образуется исходная информация источника 1 дискретных сообщений, которая поступает на вход блока 25 регистрации и анализа сообщений.

Когерентная радиолиния под прикрытием мощной шумовой завесы может успешно выполнять свои функции. При этом значительно снижается возможность несанкционированного доступа посторонних лиц к конфиденциальной информации, которая передается по когерентной радиолинии, так как сигнал шумовой завесы скрывает информационный сигнал за счет энергетического превышения этого сигнала шумоподобным сигналом завесы в заданном диапазоне частот.

Кроме того, сложные сигналы с фазовой манипуляцией с точки зрения обнаружения обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема оказывается замаскированным не только шумоподобными сигналами, но и шумами и помехами. Причем энергия сложного информационного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотновременной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника. Сложные ФМн-сигналы позволяют применять новый вид селекции − структурную селекцию.

Таким образом, мы схематично познакомились с принципом построения современных радиолиний передачи информации на базе одного из технических решений − когерентной радиолиния, которая обеспечивает не только шумовую, энергетическую и структурную защиту конфиденциальной дискретной информации, но и криптографическую ее защиту. Криптографическая защита конфи-

10