главная . информация . каталог . форум . faq . контакты

вход
 
логин
пароль
 

Разделы
Статьи (1)
Статьи (2)
Статьи (3)
Статьи по нелинейной радиолокации
Книги
Защита информации от утечки по техническим каналам. Технические каналы утечки информации
Методы и средства поиска электронных устройств перехвата информации.
Способы и средства защиты информации
Учебно-методический курс "Информационная безопасность волоконно-оптических технологий"
Документы
Ссылки
СМИ о техническом шпионаже
Обнаружение СТС
Зарубежные спецслужбы
О прослушке
Общие вопросы безопасности
Галерея

Поиск

 Поиск по форуму


       





DTest

статьи (1)

Данная cтатья была опубликована в журнале "Конфидент" (№4, 1998 год). Размещена с разрешения компании "Конфидент"

 

В.С. Орлов, главный инженер производственной фирмы «Эльвира».

Современные системы аудиоконтроля и российский «Spread Spectrum».

В данной статье рассматриваются некоторые аспекты современных радиосистем аудиоконтроля, в частности, анализируются характеристики западных систем, использующих радиолинии с широкополосными (шумоподобными) сигналами с фазовой модуляцией (ФМ-ШПС). В англоязычной литературе они получили название Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), то есть радиолинии с «распределённым» спектром. Впервые приводится информация о российской разработке системы аудиоконтроля с использованием ШПС, основные технические характеристики которой не уступают западным прототипам.

Современные тенденции в развитии радиолиний аудиоконтроля.
Предлагаемая ниже классификация требований, предъявляемых к современным радиолиниям аудиоконтроля (АК), не претендует на полноту, но в то же время отражает современные тенденции в развитии систем АК.
Основными техническими требованиями, предъявляемыми к современным АК, являются:
1. минимальные габариты (особенно толщина) и энергопотребление радиопередающего устройства (РПУ) (многовариантность камуфлирования и длительность работы РПУ);
2. функционирование радиолинии вне диапазона частот бытовых радиоприёмников с быстрым вхождением в связь, (удобство работы и исключение возможности случайного перехвата бытовыми радиоприёмниками);
3. качественная передача речевой (аудио) информации в условиях различных акустических шумов (возможность последующей аутентификации личности говорящего и представление аудиозаписей в качестве доказательств в суд);
4. отсутствие признаков передаваемой информации (реакции на ритм и акустической завязки) при несанкционированном приёме на поисковый приёмник (сканер) (снижение вероятности случайного перехвата широкополосным детектором с акустозавязкой или сканером);
5. повышенная скрытность функционирования радиолинии (снижение вероятности обнаружения работающей радиолинии АК поисковым приёмником);
6. обеспечение помехозащищённости канала передачи (возможность работы радиолинии в условиях внешних помех, находящихся в полосе приёма или в сложных реальных условиях прохождения радиоволн из-за явлений интерференции).
     Первое требование является базовым, основополагающим для всех без исключения систем АК. Габариты радиопередающего модуля в первую очередь зависят от его функциональной насыщенности и используемой элементной базы. Обеспечивать выполнение пятого требования позволяет введение в систему АК радиоканала дистанционного управления (ДУ), приводящее ещё и к радикальному снижению энергопотребления в то время, когда мероприятия АК не проводятся.
     Современные аналоговые ЧМ (WFM) радиолинии АК с кварцевой стабилизацией частоты в основном удовлетворяют только первым трём из вышеперечисленных требований. Следует отметить, что защита передаваемой речевой информации методами инверсии спектра (в том числе сложной) не удовлетворяет четвёртому требованию по маскировке. Дополнительное повышение качества съёма аудиоинформации (комфортности звучания) достигается применением двухканальных (стерео) радиопередатчиков АК, которые получили распространение за рубежом (примерами могут служить изделия COF-301, COF-334 фирмы «COFREXPORT» [4]), а также завершающиеся отечественные разработки (11]).
     Отечественная цифровая радиолиния АК «Дельта-М» вполне удовлетворяет первым четырём из вышеперечисленных требований, последние модификации данной радиолинии имеют динамический диапазон сквозного тракта канала информации более 80 дБ [11] .
     Повышенная скрытность функционирования (пятое требование) может достигаться путём использования специальных радиолиний, работающих либо под прикрытием естественных или искусственно создаваемых мешающих сигналов, либо использующих метод разнесения времени записи аудиосигнала и передачи его в эфир. Методы построения подобных радиосистем в данной статье не рассматриваются.
     Частный, но достаточно эффективный способ повышения помехозащищённости (шестое требование) заключается в переключении несущей частоты радиопередатчика в процессе проведения мероприятия АК по каналу ДУ. Это достигается включением в состав радиопередатчика системы АК синтезатора частоты. Примером может служить восьмиканальный радиопередатчик ТХ-1186 фирмы «WESTINGHOUSE» [5], а также новые российские разработки [11].
     Несколько лет назад на западном рынке спецтехники появились системы АК с использованием шумоподобных сигналов (ШПС). Их создание объясняется, с одной стороны, «системными» свойствами ШПС, способствующими частичному решению пятого и шестого требований, а с другой - появлением соответствующей элементной базы, прежде всего, специализированных микросхем для радиотракта системы.

О «системных» преимуществах ШПС.
     О том, что радиосистемы с ШПС потенциально позволяют повысить как скрытность, так и помехозащищённость канала передачи, было известно со времен К. Шеннона. Теоретические вопросы построения радиолиний с ШПС широко освещались в отечественной литературе 70-80 годов, а практическая их реализация до последнего времени относилась исключительно к сфере высоких технологий ВПК страны. В последнее время радиосистемы с ШПС, преимущественно западного производства, уже нашли широкое применение в космических средствах передачи информации, радионавигации, радиосвязи и радиолокации, а сейчас планируются разработки сотовых сетей связи XXI века с их применением [1-3,8,10].
     Широкополосными или шумоподобными применительно к цифровым системам связи называют сигналы, у которых произведение ширины спектра F на длительность информационного символа Т много больше единицы. Это произведение называют базой (В) ШПС, соответственно, B = F x T.
     Характерной особенностью ШПС является метод передачи, в котором для расширения полосы передаваемого сигнала используется дополнительная модуляция или некоторый кодирующий сигнал, которые никак не связаны с передаваемой информацией.
     После введения К. Шенноном в 40-х годах понятия пропускной способности канала связи стало известно, что безошибочный приём (помехоустойчивость) зависит только от отношения энергии сигнала (Е) к спектральной плотности шума (N) и степени различия (коррелированности) сигнала и шума, в частности:
Е/N = (Рс х Т)/(Рш/F) = (Pс/Pш) x F x T=(Pс/Pш) x B .
     Следовательно, помехоустойчивый приём возможен при отношении (Pс/Pш) << 1 путём увеличения полосы частот F при заданной скорости передачи информации (1/Т) или снижения скорости при заданной полосе.
     Практическая реализация приёма ШПС при отношении (Pс/Pш) << 1 достигается специальной (корреляционной) обработкой ШПС в приёмном устройстве, в результате которой мощность полезного сигнала сосредоточивается в информационной полосе в В раз меньшей, чем исходная полоса спектра ШПС. На рис. 1 и 2 схематично показаны спектры сигнала, помехи и флуктуационного шума до и после корреляционной обработки.

     Как видно из рис.1 и 2, спектры сигнала и помехи после обработки становятся взаимно обратными и основная часть помехи остается за пределами полосы пропускания приёмника ШПС. В общем случае это справедливо для любых видов помех (флуктуационных, импульсных и гармонических) при выполнении главного условия - некоррелированности помехи и ШПС.
     Расширение спектра в системах с ШПС достигается дополнительной модуляцией несущего колебания кодообразующей псевдослучайной последовательностью (ПСП). В системах АК нашли применение преимущественно системы с фазовой модуляцией несущего колебания [3-6].
     При практической реализации системы АК интерес представляют два основных способа введения информационных сигналов в ШПС [1]:
• фазовая манипуляция несущей частоты двумя квазиортогональными ПСП, одна из которых соответствует передаче «1» информационного двоичного цифрового сигнала, а другая — «0»;
• частотная модуляция информационным сигналом несущей частоты с последующей фазовой манипуляцией результирующего сигнала кодообразующей ПСП (в этом случае в качестве исходного информационного сигнала может выступать как аналоговый, так и цифровой сигнал).
     ФМ-ШПС, формируемую по первому способу, будем называть в дальнейшем ШПС I типа, а по второму - ШПС II типа.

     Выигрыш при обработке в системах с ШПС.
     Под выигрышем при обработке ШПС будем понимать увеличение отношения сигнал/шум на выходе схемы корреляционной обработки приёмного устройства ШС по сравнению с отношением сигнал/шум на его входе.
     Рассмотрим структурные схемы возможных вариантов построения схем обработки приёмного устройства для сигналов вида ШПС I и ШПС II.
     На рис. 3 и 4 приведены обобщённые схемы обработки ШПС I и II типов соответственно.

     Потенциально реализуемый выигрыш по обработке ШПС может быть рассчитан по формуле [1]:
G = F/2R, где F - ширина полосы радиосигнала ШПС, a R - необходимая скорость передачи аудиоинформации требуемого качества.
     Для ШПС I типа выигрыш по обработке определяется используемой базой (В) кодообразующей ПСП (G = В), причём база ПСП равна числу её элементов. В качестве ПСП для систем АК возможно использование последовательностей Хаффмена, Баркера и других, обладающих хорошими взаимокорреляционными свойствами [10].
     Для качественной передачи аудиоинформации в системах АК необходимая скорость R на сегодняшний день составляет порядка 80-100 Кбит/с. С другой стороны, современная элементная база позволяет обеспечить построение тракта приёмного устройства с полосой по ПЧ в 10-20 МГц. Следовательно, при построении системы с ШПС I типа потенциальный выигрыш при обработке составит 100 раз (по мощности), или 20 дБ. Это означает, что если пренебречь потерями в корреляционном приёмнике ПСП I и считать минимально допустимым отношением сигнал/шум на входе дельта кодека 10 дБ, то качественный приём аудиоинформации возможен при отношении сигнал/шум на входе корреляционного приёмника минус 10 дБ.
     Для системы с ШПС типа II выигрыш при обработке можно оценить по формуле G = F / f, где         f - минимально допустимая полоса частот на входе частотного демодулятора, обеспечивающая отношение сигнал/шум на входе дельта кодека 10 дБ, при условии, что база кодообразующей       ПСП В ≥ G.
     В общем случае при прочих равных условиях значение f зависит от используемого индекса частотной модуляции, порогового значения частотного демодулятора и уровня сигнала на входе ЧМ-приёмника. Экспериментально полученные значения f составляют значения порядка 100-120 кГц. Следовательно, при построении системы с ШПС II типа потенциальный выигрыш при обработке составит также порядка 100 раз (по мощности), или 20 дБ, а длина ПСП должна быть более 100 битов. Отметим, что в обоих рассмотренных вариантах качество передаваемой аудиоинформации определяется используемым дельта кодеком.

     О скрытности ШПС.
     Повышенная по сравнению с распространёнными ЧМ-сигналами сложность обнаружения ШПС определяется видом модуляции и значением базы В кодообразующей ПСП.
     Конечно, при значениях В порядка 100 говорить об энергетической скрытности вблизи передатчика ШПС не приходится, но реальное снижение радиуса обнаружения по сравнению с традиционными WFM радиолиниями достижимо.
     При двухфазной манипуляции со сдвигом фазы на 180°, реализуемой на обычном балансном смесителе, образуется радиосигнал с подавленной несущей. Спектр мощности ШПС имеет вид (sinx/x)2 с шириной основного лепестка спектра (от нуля до нуля), равной удвоенному значению частоты FT следования двоичных символов ПСП. В основном лепестке спектра ШПС содержится 90% всей мощности сигнала. Ширина полосы этого лепестка, измеренная на уровне 3 дБ, соответствует величине 1,2 х FT, и в этой полосе сосредоточено 50% мощности [11].
     Например, при тактовой частоте ПСП, равной 6 МГц, в полосе 6 МГц почти равномерно сосредоточено 70% излучаемой мощности радиопередатчика. Спектральная плотность мощности сигнала составит при этом около 10 нВт на 1 Гц или 1 мВт на 100 кГц при мощности радиопередатчика 100 мВт.
     Так как из практики измерения реальной дальности систем АК известно, что для удвоения дальности связи требуется увеличение мощности сигнала передатчика на 10-12 дБ и что при ЧМ-модуляции значительная часть излучаемой мощности приходится на полосу частот 100 - 200 кГц, можно утверждать, что радиус обнаружения радиопередатчика ШПС по сравнению с ЧМ-передатчиком такой же мощности будет ниже в 3-5 раз.

     О помехозащищённости и чувствительности систем с ШПС.
     Под помехозащищённостью системы будем понимать влияние внешних помех на её функционирование (например, снижение дальности связи). Помехами могут быть широкополосные, импульсные и узкополосные радиосигналы, а также быстрые и медленные замирания радиоволн, характерные при использовании диапазона УКВ в условиях города.
     Чувствительность приёмной системы определяется минимально допустимым значением входного сигнала, обеспечивающего заданную помехоустойчивость приёма информационных сигналов. Причём в качестве шума принимают флуктуационную помеху, обусловленную внутренними шумами приёмника (в нашем случае шумами атмосферы можно пренебречь). Корреляционный приём, применяемый при обработке ШПС, является оптимальным по отношению к помехе типа «белого» шума. Поэтому при отсутствии внешних помех и потерь в корреляционном приёмнике отношение сигнал/шум в полосе ШПС, соответствующее чувствительности, будет определяться выигрышем при обработке и составит (-8...-10) дБ. Для рассматриваемых сигналов это эквивалентно следующему утверждению: дальность радиолинии с ШПС равна дальности ЧМ-радиолинии с радиопередатчиками равной мощности. К сожалению, на практике это не произойдет по причине неминуемых потерь при практической peaлизации корреляционного приёмника. Наиболее реалистическая оценка потерь составляет 6-8 дБ, что снизит дальность эквивалентной радиолинии с ШПС в 1,3-1,8 раза.
     Влияние внешних (не флуктуационных) помех на приём ШПС имеет другую природу. Как показывает анализ, действие помехи, сформированной по любому закону, определяется только средней (за время длины ПСП) мощностью в пределах полосы частот F, причём её действие ослабляется ещё в базу В раз [10].
     При необходимости дальнейшего снижения влияния импульсных и узкополосных помех возможно применение усилителя-ограничителя, который ценой дополнительных потерь в помехоустойчивости от 1 до 6 дБ полностью устраняет воздействие внешних помех. В общем случае для осуществления наилучшего режима подавления помехи рекомендуется не работать на предельной дальности, а всегда иметь запас по помехоустойчивости в 3 дБ [1].
     Системы с ШПС менее подвержены влиянию многолучевости при распространении радиосигналов по сравнению с обычными системами, если длительность бита ПСП меньше минимальной задержки между лучами |1|.

     Разделение каналов в системах с ШПС.
     Ещё одно не упомянутое нами «системное» достоинство ШПС - это возможность осуществления кодового разделения (или разделения по форме) различных ШПС как альтернативное частотному или временному разделению каналов обычных узкополосных сигналов. Этому методу сулят большое будущее даже в системах сотовой связи [8, 9], а в литературе он известен под названием многостанционный доступ в системах с кодовым разделением (CDMA).
     Суть кодового разделения заключается в выборе для каждого канала передачи различных, в общем случае - квазиортогональных ПСП. При этом на выходе корреляционного приёмника «чужая» ПСП будет давать сигнал, соответствующий взаимной корреляционной функции ПСП ожидаемого и принятого. При определенном выборе ансамблей ПСП данные внутрисистемные помехи имеют существенное значение только при большом числе одновременно излучаемых ШПС (десятки или сотни), что не актуально при построении систем АК [10].
     Кроме кодового разделения возможно использование и традиционного частотного разделения, которое применяется в зарубежных системах АК.

     Анализ существующих систем АК с использованием ШПС.
     Рассмотрим характеристики систем с ШПС (DSSS) ведущих западных производителей спецтехники [4-7]. К сожалению, нам были доступны только данные из каталогов, по которым не всегда удавалось дать однозначное толкование всех параметров систем. В табл. 1-3 (столбцы 2-5) представлены основные характеристики анализируемых радиолиний с ШПС, радиопередающих и приёмных устройств соответственно (в скобках указаны предполагаемые параметры).
     Во всех системах используется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK) несущей кодообразующей ПСП. Система фирмы SIM использует ШПС II типа, в котором осуществляется модуляция несущей вида QPSK (ОФМ-4) групповым цифровым сигналом дельта кодеков, в остальных системах, по-видимому, используется ШПС I типа.

     Для всех рассматриваемых систем утверждается (правда, без цифровых показателей), что системы обладают:
• повышенной помехозащищённостью против естественных и искусственных помех, вызванных, например, мощными радиопередатчиками или многолучевым распространением, и высокой помехозащищённостью по отношению к мощным радио- и телевизионным станциям;
• большой сложностью обнаружения сигналов вследствие низкой спектральной плотности мощности излучаемых сигналов;
• система практически «невидима» для сканеров.
     Из таблиц следует, что выигрыш по обработке G существующих систем ШПС составляет примерно одну и ту же величину и, несмотря на небольшие абсолютные значения G (10-20 дБ), позволяет получить значимый эффект по реальной помехозащищённости и скрытности.

     Для системы SS-500 приводятся данные по реальной дальности системы. Утверждается, что система с передатчиком 100 мВт обеспечивает дальность в условиях городской застройки порядка 300 метров, что соответствует (по спектральной плотности мощности) узкополосному передатчику мощностью порядка 1 мВт. Если приведённые характеристики соответствуют действительности, это означает увеличение эффективности системы с ШПС по сравнению с узкополосной ЧМ-системой по дальности в 3-5 раз.
     Следует отметить, что приёмник ДУ используется только в наиболее сложной системе DSS-2000 для переключения мощности излучения ПРД и, по-видимому, для изменения значения центральной частоты ШПС. В первом случае возможно дополнительное улучшение характеристик по скрытности (если есть запас по дальности связи), во втором - по помехозащищённости. Система ДУ работает на частоте 418 МГц.
     КПД передатчиков с ШПС западных производителей составляет 21% при мощности 750 мВт, 7-15% при мощности 100 мВт и 2% при мощности 10 мВт.

     Российский «Spread Spectrum».
     В 1 квартале 1998 года производственная фирма «ЭЛВИРА» изготовила первые отечественные образцы радиолинии АК с использованием ШПС.
     На рис. 5 приведена обобщённая структурная схема системы АК с ШПС «Дельта-ШПС». Как видно из рисунка, качество передачи аудиоинформации в системе «Дельта-ШПС» определяется дельта-кодеком и в зависимости от используемой тактовой частоты преобразователя динамический диапазон сквозного тракта может составлять 60-80 дБ.

     Сравнительный анализ технических характеристик (см. табл. 1-3) показывает, что по основным параметрам российская система не уступает западным. Основным достоинством отечественной системы является более доступная цена (в 2-3 раза ниже импортных прототипов).
     Представляют интерес экспериментальные данные о дальности, скрытности и помехозащищённости радиолинии «Дельта-ШПС». Так, при мощности передатчика 60/6/0,6 мВт дальность радиолинии составила 450/250/140 метров соответственно.
     Для оценки реальной скрытности (дальности обнаружения) использовался приёмник AR-8000, настроенный в ручном режиме на максимум спектральной плотности ШПС (фиксация по зажиганию индикатора). Дальность обнаружения составила 150/110/50 метров.
     Помехозащищённость радиолинии «Дельта-ШПС» оценивалась в лабораторных условиях  методом
оценки воздействия узкополосной помехи, расположенной в спектре ШПС. Превышение мощности узкополосной помехи над максимальной спектральной плотностью ШПС составило 17 дБ, при этом функционирование радиолинии не нарушалось.
     К недостаткам изготовленного комплекта аппаратуры (присущее и западным прототипам) следует отнести низкий коэффициент полезного действия передающего устройства ШПС (при 60 мВт он составляет 5,6%).
     В последующих модификациях радиолинии «Дельта-ШПС» предполагается реализовать:
• значительное повышение КПД передатчика;
• дистанционное переключение несущей частоты ШПС;
• кодовое разделение (до 4) различных ПРД ШПС.
     В заключение несколько слов о разработчике и изготовителе радиолинии «Дельта-ШПС». Производственная фирма «ЭЛВИРА» чисто российская, обладающая собственной научно-производственной базой и специализирующаяся на разработке и выпуске профессиональных специальных технических средств для субъектов оперативно-розыскной деятельности.
     Стратегией фирмы является разработка малогабаритных универсальных модулей на новейших импортных электронных компонентах и построение на их базе функционально законченных радиосистем специального назначения.

 

Литература
1. Диксон Р. К. Широкополосные системы. Связь. 1979.
2. Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов. Советское радио. 1970.
3. The Arrl SPREAD SPECTRUM Sourcebook. American Radio Relay League, 1993.
4. Каталог фирмы COFREXPORT FRANCE, 1996.
5. Каталог фирмы WESTINGHOUSE Audio Intelligence Devices (WAID), 1996.
6. Каталог фирмы Gesellschart fur Funkkommunikation und Goniometrie mbH (FUGON), 1996.
7. Каталог фирмы Security & Electronic Systems (SIM), 1996.
8. Варакин Л. Е. и др. Технические аспекты сотовых и персональных сетей связи с многостанционным доступом и кодовым разделением каналов МДКР. Доклад на форуме «Подвижная связь в России и СНГ». Май, 1996.
9. Николаенко Ю.С. Специальные системы радиосвязи. // «Системы безопасности», 1, 1997.
10. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. Пестрякова В. Б. Советское радио, 1973.
11. Каталог фирмы ЭЛВИРА, 1998.

Страницы: 1 |

Вернуться назад

 




Copyright © 2006 analitika.info
Подробнее об авторских правах

Дизайн: $SMax$
Создание сайта - рекламное агентство Sparkler
Система управления сайтом - SiteInBox