CC BY
175
С.А. Шерстюков, Д.С. Толстых
доктор технических наук, доцент
СПОСОБ ЗАКРЫТИЯ РАДИОКАНАЛА СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ METHOD OF CLOSING THE RADIO CHANNEL RADIO SYSTEM
Приведены структурные схемы трактов формирования и приёма радиосигнала с частотной модуляцией, маскированного шумовым фазомодулированным сигналом, алгоритмы работы структурных схем и результаты моделирования.
The block diagrams of circuits and the formation of the reception signal with a frequency modulation, phase-modulated noise masked the signal, the algorithm of block diagrams and simulation results are shown
Введение. В настоящее время системы радиосвязи (СРС) органов внутренних дел (ОВД) в субъектах Российской Федерации в основном проектируются по методу множественного доступа (ММД) с частотным разделением каналов (ЧРК) [1], и лишь в некоторых крупных регионах страны реализован ММД с частотно-временным разделением каналов (ЧВРК). Одной из основных задач, стоящих перед сотрудниками подразделений связи ОВД РФ, является техническая защита радиоканалов от несанкционированного прослушивания не категорированной служебной информации ограниченного распространения, циркулирующей в ведомственных СРС, которая в большинстве случаев решается применением устройств преобразования речи (УПР) в аналоговых системах радиосвязи. Однако устаревшие алгоритмы кодирования речи в УПР, сложность программирования, наличие остаточности артикуляции речи при прослушивании радиоканала и ряд других недостатков делают тривиальной задачу по радиоперехвату служебной информации [2]. Что же касается защиты цифровых систем радиосвязи, стоящих на вооружении в Министерстве внутренних дел Российской Федерации, то в большинстве случаев реализация их оборудования, включая производство шифраторов, выполнена на зарубежных предприятиях-изготовителях, что может привести к потере служебной информации.
Целью данной работы является разработка способа радиосвязи с угловой модуляцией с повышенной степенью защиты от прослушивания.
1. Рассмотрение существующих способов закрытия радиоканала системы радиосвязи.
Анализ технической литературы по данному направлению показал, что за последние 10 лет предлагаются способы защищённых систем радиосвязи, основанные на широкополосных сигналах [3—5], и способы передачи маскированных сигналов, в которых применяют двухканальную передачу кодированных колебаний. В первом случае широкая полоса частот несущих сигналов используется как для повышения скорости передачи информации, так и для повышения устойчивости работы систем в условиях внешних помех. Известными достоинствами сигналов с расширением спектра являются допустимость работы при малых отношениях сигнал-шум, устойчивость к селективному замиранию при многолучевом распространении сигнала, распределение сигнала по большой частотной полосе, распределение информационного сигнала на широкую передаваемую полосу и сжатие его в приемнике, что обеспечивает устойчивость приема при интерференции со стороны других сигналов.
Аппаратная реализация такого способа (рис. 1) может заключаться, например, в том, что на передающей стороне формируют широкополосную несущую в виде произвольного случайного процесса, который модулируют путем изменения его многомерной функции распределения вероятностей в соответствии с информационным сигналом и нормируют по дисперсии, а на приемной стороне принятую несущую демодулируют путем измерения упомянутой многомерной функции распределения вероятностей [5].
Рис. 1. Структурная схема способа передачи информации, основанного на широкополосных сигналах: 1 — входной сигнал; 2 — формирователь сигнала; 3 — модулятор; 4 — блок нормировки по дисперсии; 5 — канал передачи информации; 6 — демодулятор; 7 — приемник
Также на практике встречается формирование широкополосной несущей с помощью хаотической динамической системы, структуру которой предварительно синтезируют по заранее заданным характеристикам несущей, по меньшей мере спектральным, а модуляцию осуществляют путем формирования в соответствии с информационным сигналом хаотических радио- или видеоимпульсов заданной длительности с заданными временными интервалами между этими импульсами. Прием и демодуляцию на приемной стороне выполняют с помощью динамической системы, согласованной по своему поведению с хаотической динамической системой передающей стороны.
Недостатками здесь являются ограниченная защита от несанкционированного доступа, так как двоичный информационный сигнал выбирается таким образом, чтобы
123
«1» соответствовал хаотический сигнал определенной длительности, а «0» — отсутствие сигнала, что легко зафиксировать внешними устройствами; недостаточная устойчивость работы при наличии возмущающих факторов, связанная с тем, что пороговое устройство демодулятора реагирует на любые внешние помехи и шумы; низкая достоверность приема, в связи с тем, что мощность информационного сигнала должна быть много меньше мощности сигнала в канале связи.
Реализация второго способа повышения скрытности передачи информации заключается в большинстве случаев в том, что по первому каналу передают сумму полезного сигнала (ПС) и мешающего сигнала (МС), но МС преобразуют по амплитуде и фазе, а по второму — не преобразованный МС. На входе «своего» приемника принятый по второму каналу МС подвергают преобразованию, аналогичному в передатчике, и вычитают из суммарного сигнала, принятого по первому каналу. В результате этого после вычитания остаётся только ПС. Данный способ не обеспечивает надежную скрытность передачи информации, т.к. не исключает возможность компенсации МС и выделения ПС. Вследствие раздельной передачи преобразованного и не преобразованного маскирующих сигналов появляется возможность раздельно принимать не только сумму ПС и преобразованного по амплитуде и фазе МС, но и не преобразованный МС. Это облегчает определение законов модуляции МС, получение из не преобразованного МС преобразованного по амплитуде и фазе МС и вскрытие структуры ПС.
Также известны и другие реализации второго способа, подробно описанные в литературных источниках [6, 7] и имеющие известные недостатки, которые частично устранены в [8] (рис. 2). В схеме на рис. 2 одновременно излучаются манипулирован-ные по амплитуде и фазе несколько полезных сигналов и маскирующий сигнал, далее производится их суммирование и подавление маскирующего сигнала при приеме, при этом используют излучение маскирующего сигнала, которое не только не отличается от полезного сигнала по поляризационным, пространственным, временным и частотным параметрам, но и перекрывает диапазон изменения частоты излучения каждого полезного сигнала, затем формируют два опорных сигнала с равными начальными фазами, причем все параметры одного из них совпадают с параметрами излучаемого полезного сигнала, а у второго опорного сигнала отличается только несущая частота, формируют взаимно корреляционную функцию между принимаемой аддитивной смесью маскирующего сигнала и соответствующим опорным сигналом, а затем из первой взаимно корреляционной функции вычитают вторую.
Приведенное решение не только обеспечивает повышение скрытности передач бинарных полезных сигналов с расширенным спектром посредством модуляции с использованием ортогональных или комплементарных кодов за счёт одновременного излучения мощных ортогональных маскирующих сигналов, но и снижает возможности по расшифровке структуры полезных сигналов. Однако данная схема содержит и ряд существенных недостатков. Например, одновременное излучение мощных ортогональных маскирующих сигналов требует существенных затрат энергетического ресурса передатчика и одновременно повышает радиозаметность передатчика в частотном диапазоне, что упрощает задачу радиоперехвата для радиоприёмных систем противника.
Рис. 2. Структурная схема системы связи, реализующая двухканальный способ: 1 ПС, 1 МС — передатчики полезных и мешающего сигнала с антеннами; 2 ПС, 2 МС — линии (каналы) связи соответствующих сигналов; 3 — приемная антенна своей радиолинии; 4 — приемник ПС; 5 — коррелятор приемника ПС; 6 — формирователь опорных сигналов с равными амплитудами и фазами;
7 — второй коррелятор приемника ПС; 8 — схемы вычитания;
МПК — межспектральная послекорреляционная компенсация маскирующего сигнала, включающая формирование двух опорных сигналов, двух взаимно корреляционных функций и их последующее вычитание
2. Схема приёмо-передающего тракта системы радиосвязи с угловой модуляцией, реализующая способ с повышенной степенью защиты от прослушивания.
Учитывая вышеизложенное, авторы ставят перед собой задачу по разработке способа и реализующего его устройство, в котором: маскированный радиосигнал должен передаваться и приниматься на одной и той же частоте несущего колебания; сформированный маскированный радиосигнал должен содержать постоянную огибающую выходного спектра, что даёт возможность использования в радиопередатчиках высокоэффективных усилителей мощности с отсечкой выходного тока и имелась бы возможность изменения в значительных пределах ширины спектров выходных радиосигналов для повышения сложности обнаружения формируемых радиоизлучений сторонними сканирующими радиоприёмными устройствами.
На рис. 3, а, б представлено устройство, реализующее способ радиосвязи с угловой модуляцией с повышенной степенью защиты от прослушивания, предполагающий работу приёмо-передающей аппаратуры как в стандартной сетке частот ОВД РФ на основе ММД с ЧРК (с шириной выходных спектров ЧМ-сигналов 12,5 кГц или 25 кГц) [1], так и работу в смежных диапазонах частот несущего колебания от 20 МГц до 3 ГГц с индексами модуляции ЧМ-сигналов от 0,5 до 300 [9, 10].
а
б
Рис. 3. Структурная схема приёмо-передающего тракта системы радиосвязи с угловой модуляцией, реализующая способ с повышенной степенью защиты от прослушивания: а — тракт формирования радиосигналов в составе: МФМН — матрица форм модулирующих напряжений: ИМН — источник модулирующего напряжения, ИНТ — интегратор, ФП 1-1 — ФП 1-№ — функциональные преобразователи, ФФНЧ 1-1 — ФФНЧ 1-К — формирующие фильтры нижних частот; БСЧ — блок синтезатора частот; ВМ 1126
1 — ВМ 1-К, ВМ 2-1 — ВМ 2-К — векторные модуляторы; МФШН — матрица форм шумовых напряжений: БФШН — блок формирования шумового напряжения, ФП 2-1 — ФП 2-№ — функциональные преобразователи, ФФНЧ 2-1 — ФФНЧ 2-№ — формирующие фильтры нижних частот; КШС — контроллер ширины спектров; УВЧК — управляемый высокочастотный коммутатор; УМ — усилитель мощности; б — тракт приёма и обработки радиосигналов в составе: ПРС — преселектор; ВДМ 2-1 — ВМ 2-N ВДМ 1-1 — ВМ 1-№ — векторные демодуляторы; ВМН 1-1 — ВМН 1-К — вычислители модулирующего напряжения
На первом этапе работы структурной схемы выбирается номер частотного канала БСЧ, устанавливающего значение несущего колебания радиопередатчика и значение резонансной частоты приёма радиоприёмника, а также значения ширины спектра ЧМ-сигналов в МФМН; значения ширины спектра маскирующих шумовых ФМ-сигналов в МФШН и значения полосы пропускания в ПРС на резонансной частоте.
На втором этапе МФМН синтезирует управляющие напряжения, определяющие спектральные маски выходных ЧМ-сигналов с заданными индексами частотной модуляции от mfl-l<0,5 до mfl-N<300 на выходах, соответственно, ВМ 1-1 — ВМ 1-№ [11, 12]. Одновременно, МФШН синтезирует управляющие напряжения, определяющие спектральные маски шумовых ФМ-сигналов с заданными индексами фазовой модуляции от mq>l-l< ж/4 до mq>l-N<100п, на выходах, соответственно, ВМ 2-1 — ВМ 2-№. На третьем этапе, в результате квадратурных преобразований [11], на выходах ВМ 2-1 — ВМ 2-№ формируются ЧМ-сигналы, маскированные шумовыми ФМ-сигналами, имеющими постоянные огибающие и не известные для радиоразведок противника законы изменений фазовых углов. На четвёртом этапе сформированные радиосигналы поступают на входы УВЧК, который в соответствии с управляющим напряжением щ-пр от КШС передаёт на УМ выбранный радиосигнал.
На пятом этапе в радиоприёмном устройстве маскированный радиосигнал с выхода ПРС поступает на высокочастотный вход соответствующего ВДМ 2. Одновременно на управляющие входы ВДМ 2 в квадратуре подаются низкочастотные формы шумовых напряжений от МФШН (эта же матрица используется в радиопередатчике). На шестом этапе в результате исполнения алгоритмов демодуляции на выходе ВДМ 2 формируется исходный (формируемый в радиопередатчике) ЧМ-сигнал, из которого на седьмом этапе в соответствующем ВДМ 1 выделяются синфазная и квадратурная низкочастотные составляющие полезного сигнала. На восьмом этапе ВМН 1 обрабатывает низкочастотные составляющие таким образом, что на выходе выделяется модулирующее напряжение eмн.
Заключение. Приведенные этапы формирования и обработки сигналов позволяют не только повысить эффективность использования радиочастотного спектра, выделенного для МВД России, но и защитить ведомственные радиоканалы от несанкционированного прослушивания не категорированной служебной информации за счёт введения в законы модуляции и демодуляции специальных алгоритмов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стандарт отрасли. Наземные радиостанции с угловой модуляцией стационарные, возимые и перевозимые автомототранспортом, носимые и переносные, предназначенные для работы в радиосетях органов внутренних дел и внутренних войск МВД России: виды, основные параметры, технические требования ОСТ 78.01.0004-2000. — М.: РИО ГУ НПО «Специальная техника и связь» МВД России, 2002. — 55 с.
2. Шерстюков С.А., Бабкин А.Н. Способ защищённой радиосвязи с угловой модуляцией // Радиолокация, навигация, связь: материалы 18-й Международной научно-технической конференции, 17-19 апреля 2012 г., том 1, секции 1—3, 16, 17, 18—20. — Воронеж: НПФ «Саквоее», 2012. — С. 512 — 522.
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985. — 384 с.
4. Патент на изобретение RU 2309547 C2, Н 04 К 1/00. Способ передачи информации / О.В. Брягин, А.К. Егоров, Г.Н. Розоринов. — № 2005132031/09; заявл. 18.10.2005; опубл. 27.10.2007. — Бюл. № 30.
5. Дмитриев А.С., Панас А.И., Старков С.О. Динамический хаос как парадигма современных систем связи // Зарубежная радиоэлектроника. — 1997.— № 10. — С. 4—26.
6. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989. — С.320—322.
7. Адаптивная компенсация помех в каналах связи / Ю.И. Лосев [и др.] / под ред. Ю.И. Лосева. — М.: Радио и связь, 1988. — С.13, 72.
8. Патент на изобретение RU 2438250 С1, Н 04 К 1/00. Способ передачи и приема сигналов / В.Я. Архипкин, А.И. Гелесев, С.Н. Игнатьков, Р.С. Иргизов. — № 2010120945/09; заявл. 26.05.2010; опубл. 27.12.2011.
9. Патент на изобретение № 2493646 РФ, H03C3/38. Способы и устройства повышения индекса угловой модуляции / С.А. Шерстюков.— №2012116011; Заявл. 21.04.12; Опубл. 20.09.13. — Бюл. № 26.
10. Пучков Г.Ю., Сергеев С.В. Методические рекомендации по частотно-территориальному планированию радиосетей и обеспечению электромагнитной совместимости РЭС ОВД. — М.: РИО ГУ НПО «Спецтехника и связь» МВД России, 1999. — 90 с.
11. Квадратурные формирователи радиосигналов: монография / П.А. Попов, С.А. Шерстюков, Д.А. Жайворонок, В.В. Ромашов; под ред. П.А. Попова. — Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2001. — 176 с.
12. Шерстюков С.А. Функциональные преобразователи модулирующего напряжения в квадратурных формирователях радиосигналов с угловой модуляцией: монография. — Воронеж: Научная книга, 2010. — 207 с.
REFERENCES
1. Standart otrasli. Nazemnyie radiostantsii s uglovoy modulyatsiey statsionarnyie, vozimyie i perevozimyie avtomototransportom, nosimyie i perenosnyie, prednaznachennyie dlya rabotyi v radiosetyah organov vnutrennih del i vnutrennih voysk MVD Rossii: vidyi, os-novnyie parametryi, tehnicheskie trebovaniya OST 78.01.0004-2000. — M.: RIO GU NPO «Spetsialnaya tehnika i svyaz» MVD Rossii, 2002. — 55 s.
2. Sherstyukov S.A., Babkin A.N. Sposob zaschischYonnoy radiosvyazi s uglovoy modulyatsiey // Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz: materialyi 18-y Mezhdunarodnoy nauch-no-tehnicheskoy konferentsii, 17-19 aprelya 2012 g., tom 1, sektsii 1—3, 16, 17, 18—20. — Voronezh: NPF «Sakvoee», 2012. — S. 512 — 522.
3. Varakin L.E. Sistemyi svyazi s shumopodobnyimi signalami. — M.: Radio i svyaz, 1985. — 384 s.
4. Patent na izobretenie RU 2309547 C2, N 04 K 1/00. Sposob peredachi informatsii / O.V. Bryagin, A.K. Egorov, G.N. Rozorinov. — # 2005132031/09; zayavl. 18.10.2005; opubl. 27.10.2007. — Byul. # 30.
5. Dmitriev A.S., Panas A.I., Starkov S.O. Dinamicheskiy haos kak paradigma sov-remennyih sistem svyazi // Zarubezhnaya radioelektronika. — 1997. — # 10. — S. 4—26.
6. Uidrou B., Stirnz S. Adaptivnaya obrabotka signalov: per. s angl. — M.: Radio i svyaz, 1989. — S.320—322.
7. Adaptivnaya kompensatsiya pomeh v kanalah svyazi / Yu.I. Losev [i dr.] / pod red. Yu.I. Loseva. — M.: Radio i svyaz, 1988. — S.13, 72.
8. Patent na izobretenie RU 2438250 S1, N 04 K 1/00. Sposob peredachi i priema signalov / V.Ya. Arhipkin, A.I. Gelesev, S.N. Ignatkov, R.S. Irgizov. — # 2010120945/09; zayavl. 26.05.2010; opubl. 27.12.2011.
9. Patent na izobretenie # 2493646 RF, H03C3/38. Sposobyi i ustroystva po-vyisheniya indeksa uglovoy modulyatsii / S.A. Sherstyukov.— #2012116011; Zayavl. 21.04.12; Opubl. 20.09.13. — Byul. # 26.
10. Puchkov G.Yu., Sergeev S.V. Metodicheskie rekomendatsii po chastotno-territorialnomu planirovaniyu radiosetey i obespecheniyu elektromagnitnoy sovmestimosti RES OVD. — M.: RIO GU NPO «Spetstehnika i svyaz» MVD Rossii, 1999. — 90 s.
11. Kvadraturnyie formirovateli radiosignalov: monografiya / P.A. Popov, S.A. Sherstyukov, D.A. Zhayvoronok, V.V. Romashov; pod red. P.A. Popova. — Voronezh: Vo-ronezhskiy institut MVD Rossii, 2001. — 176 s.
12. Sherstyukov S.A. Funktsionalnyie preobrazovateli moduliruyuschego naprya-zheniya v kvadraturnyih formirovatelyah radiosignalov s uglovoy modulyatsiey: monografi-ya. — Voronezh: Nauchnaya kniga, 2010. — 207 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Шерстюков Сергей Анатольевич. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: sherstykovsa@vimvd.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-26.
Толстых Денис Сергеевич. Начальник кабинета кафедры инфокоммуникационных систем и технологий.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: tolstykhds@vimvd.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-26.
Sherstyukov Sergey Anatolyevich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of technical sciences, assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: sherstykovsa@vimvd.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-26.
Tolstykh Denis Sergeyevich. The office chief of the chair of Infocommunication Systems and Technologies.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: tolstykhds@vimvd.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-26.
Ключевые слова: метод множественного доступа с частотным разделением каналов; частотная модуляция; фазовая модуляция; квадратурные преобразования; маскированный радиосигнал.
Key words: method of multiple access frequency division channels; frequency modulation; phase modulation; quadrature conversion; the masked radio signal.
УДК 621.396.62
