CC BY
98
этой уязвимости программного обеспечения, условия использования и вредоносный код эксплуатации.
Сформированная геолокационная база данных используется для осуществления специальных воздействий на радиоэлектронные объекты по принадлежности к стране, региону или городу (рис. 4) . Комплекс «Бастион» автоматически формирует и отображает перечень стран, регионов, городов и соответствующих им диапазонов IP-адресов.
Для организации специальных программных воздействий на РЭО взаимодействующих посредством беспроводных сетей в комплексе «Бастион» разработан модуль сканирования Wi-Fi, который позволяет выполнять поиск и обнаружение скрытых точек
доступа и подключённых к ним абонентских терминалов (рис. 5). Модуль выполняет перехват данных, передаваемых по беспроводным сетям стандарта 802.11 и определяет используемый тип шифрования. В процессе работы модуль отображает уровень сигнала беспроводной сети, скорость передаваемых данных и используемый канал.
Для определения ключа шифрования данных, собранных модулем сканирования Wi-Fi, используется модуль подбора ключей аутентификации (рис. 6). В процессе аудита используются уязвимости в протоколах обеспечения безопасности беспроводной передачи данных, а именно WEP и WPA-PSK.
Рисунок 6 - Работа модуля подбора ключей комплекса «Бастион»
Разработанный программный комплекс используется для анализа информационной инфраструктуры
радиоэлектронных объектов, что позволяет эффективно определять уязвимости в системах военного и двойного назначения.
ЛИТЕРАТУРА
Бабин С.А. Инструментарий хакера // БХВ-Петербург. - 2015. - С. 240.
Weidman G. Penetration testing: a hands-on introduction to hacking // No Starch Press. -- С. 531.
Уолтон Ш. Создание сетевых приложений в среде Linux // Издательский дом «Вильямс». - 2001. -
1. 2.
2014.
3.
С. 464.
4. Кулыгин В.Н. Особенности создания базы данных для современных автоматизированных систем проектных исследований надежности электронных средств. / В.Н. Кулыгин, Ю.О. Серебрякова, А.Е. Цеплина - Труды международного симпозиума «Надежность и качество», 2019. - 4 с.
5. Мехтиева А.М. Анализ показателей надежности мультисервисных корпоративных сетей на базе SDN технологий. / А.М. Мехтиева, И.Н. Бахтияров - Труды международного симпозиума «Надежность и качество», 2019. - 4 с.
УДК 615.035.4
Семенюк А.В., Сычев И.В., Алферов Ю.В., Громов Ю.Ю., Шатских В.В., Губсков Ю.А.
Межвидовой центр подготовки и боевого применения войск радиоэлектронной борьбы (учебный и испытательный) , Тамбов, Россия
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЧЕРЕЗ АНАЛИЗ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОБСТАНОВКИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ SDR-ПРИЕМНИКА
В работе рассматриваются вопросы применения технологии SDR при анализе радиоэлектронной обстановки полученной с помощью БПЛА. Рассмотрены основные принципы технологии SDR. Описана модель функционирования программного комплекса обработки цифровой информации с SDR-приемника. Рассмотрена математическая модель обработки сигналов, поступающих с SDR-приемника. Показано отображение спектра сигнала полученного с помощью написанного программного обеспечения для SDR-приемника. Приведено описание процесса воспроизведения частотно-модулированного сигнала с помощью программного обеспечения, написанного для SDR-приемника. Цель работы — уменьшение времени на анализ радиосигналов оператором путем разработки программного средства обработки цифровой информации с SDR-приемника. Объектом исследования в данной работе является программное обеспечение для обработки цифровой информации с SDR-приемника. Предметом исследования являются модели и алгоритмы реализации основных функций цифровых систем радиосвязи.
Ключевые слова:
БПЛА, РАДИОРАЗВЕДКА, ПРОГРАММНО-ОПРЕДЕЛЯЕМАЯ РАДИОСИСТЕМА, ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, СПЕКТР СИГНАЛА
Одной из целевых задач, которые возлагаются на БПЛА, является радиоразведка. Для ее выполнения необходим своевременный анализ радиоэлектронной обстановки в зоне действия данного БПЛА. Такой анализ может быть осуществлен с применением концепции SDR.
Программно-определяемая радиосистема (SDR) -это любое устройство передачи данных, в котором
некоторые или все функции физического уровня являются программно-определяемыми. Суть технологии Software Defined Radio заключается в том, что базовые параметры приёмопередающего устройства определяются именно программным обеспечением, а не аппаратной конфигурацией, как мы привыкли видеть в классических конструкциях. Таким образом, это словосочетание можно перевести, к примеру, как «радио, определяемое программным
обеспечением», но можно пойти дальше и сократить до двух слов: «программное радио», но с этим вариантом следует быть осторожным и в контексте стараться подчёркивать, что несмотря на упоминание эпитета «программный», мы имеем дело именно с аппаратным обеспечением, параметры которого определяются программно.
Цель работы - уменьшение времени на анализ радиосигналов оператором путем разработки программного средства обработки цифровой информации с БВЙ-приемника.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать алгоритмы обработки цифровой информации с БВЙ-приемника;
- разработать «дружественный» интерфейс, позволяющий оператору использовать необходимые функции программного обеспечения.
Объектом исследования в данной работе является программное обеспечение для обработки цифровой информации с БВЙ-приемника. Предметом исследования являются модели и алгоритмы реализации основных функций цифровых систем радиосвязи.
В БВЙ-оборудовании форма модулированного радиосигнала задается в программном обеспечении. Формируется цифрой сигнал, который затем с помощью широкополосного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) преобразуется в аналоговый на промежуточной частоте (ПЧ) [1]. Далее сигнал ПЧ посредством преобразования вверх превращается в высокочастотный сигнал. В приемнике все происходит в обратном порядке. Широкополосный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует в цифровой вид множество узкополосных сигналов, попадающих во входной тракт приемника (рис. 1).
Приемник с цифровой ПН
Рисунок 1 - Сравнение традиционного аналогового приемника и цифрового SDfi-приемника
В соответствии со встроенным программным обеспечением приемник извлекает, преобразует вниз и производит демодуляцию сигналов каждого канала, т.е. технология SDR позволяет изменять эксплуатационные параметры радиооборудования на уровне программного обеспечения. Разрабатываемые в рамках тех или иных стандартов улучшенные алгоритмы обработки сигнала и новые виды сервиса не могут быть внедрены по причине их низкой окупаемости. Аналогичный эффект - в случае перехода от одного стандарта связи к другому. Существующие приемопередатчики разработаны, как правило, для работы с сигналами, соответствующими одному определенному стандарту связи. При необходимости работы с сигналами других стандартов пользователь вынужден полностью менять оборудование. Конкурентные преимущества в этих условиях получают системы с наибольшей гибкостью [2].
Технология SDR позволяет решать такие проблемы и позволяет "малой кровью" модернизировать одну из наиболее сложных и дорогих частей при-емо-передающей аппаратуры - ее трансивер. Трансивер, разработанный в концепции SDR, обеспечивает поддержку широкого спектра стандартов связи. Перепрограммирование трансивера для его адаптации под другой стандарт связи не влечет за собой изменения в аппаратной части. Отличительными чертами таких устройств являются:
- сверхширокополосная и малошумящая радиочастотная часть, обладающая большим динамическим диапазоном;
- высокоскоростной с большим динамическим диапазоном тракт аналого-цифрового преобразования;
- обладающий большой вычислительной мощностью сигнальный процессор и специализированный цифровой тракт фильтрации.
Одной из реализаций SDR-приемника является ТВ-тюнер на базе чипа RTL2832U, который представляет собой компактное устройство, подключаемое к компьютеру с помощью стандартного интерфейса USB 2.0. Стоимость данного устройства в
комплекте с антенной составляет менее 12 долларов США, его электронные компоненты производятся в Тайване, что исключает возможные проблемы с приобретением из-за санкций [3].
Помимо самого чипа RTL2832U ТВ-тюнер содержит микросхему радиомодуля и небольшое количество аналоговых элементов, что упрощает и снижает стоимость специальных проверок. Данный радиомодуль для заданной ему несущей частоты
f0 =е [24 МГц, 1766 МГц] (1)
в штатном режиме эксплуатации выдает промежуточную частоту с шириной полосы 6, 7, 8 МГц.
Данный сигнал S(t) поступает на вход квадратурного демодулятора в чипе RTL2832U, в котором происходит разделение сигнала на две составляющие: синфазную и квадратурную
S(t) = iQ(t) + /(t), (2)
подаваемые затем на входы двухканального АЦП, также входящего в состав чипа RTL2832U. Данный АЦП работает с частотой дискретизации 28,8 МГц, задаваемой кварцевым резонатором, а сами компоненты цифровых отсчетов сигнала Id и Qd представляются в виде целых чисел разрядностью 8 бит.
Перед выдачей оцифрованных отсчетов в компьютер по интерфейсу USB 2.0 происходит их передискретизация с фильтрацией на частоту дискретизации ¥ЩП, не превышающую 3,2 МГц. Однако, на практике реально достижимое значение этой частоты дискретизации Еадд составляет 2,4 МГц, так как существуют ограничения, накладываемые реализацией интерфейса USB. Одновременно с заданием значения Еащ программной библиотекой управления выполняется перенастройка ширины полос пропускания фильтров на значение, равное половине Еадп [4]. Далее выполняется их преобразование в формат с плавающей точкой и приведение значений в диапазон [-1;1].
Для перехода в частотную область выполняется преобразование Фурье согласно выражению:
П
где N - количество точек дискретного преобразования Фурье, равное числу комплексных отсчетов сигнала вида Б = I + 10, над которыми выполняется преобразование [5].
В результате преобразования получаются комплексные значения частотных компонент спектра
гк=Хк + 1¥к (4)
по которым вычисляются нормализованные значения амплитуд этих частотных компонент,
А = lz"l = '
к N
(5)
соответствующие частотам в диапазоне
[Го-^,Го+^\ (6)
где И - центральная частота радиомодуля, принадлежащая указанному диапазону.
Поскольку в состав радиомодуля входят аналоговые фильтры, которые ограничивают полосу частот сигнала, подаваемого на входы АЦП, получаемые значения амплитуд сигнала на границах диапазона уменьшаются по сравнению со значениями вблизи центральной частоты Для получения ак-
туальных данных из указанного диапазона выбирается лишь заданный процент вблизи центра, для чего вводится значение процента использования полосы частот 11. В таком случае реально используемый диапазон частот будет составлять
+ (7)
I/0 2 100%% 10 2 100%]
Для оценки распределения амплитуд сигнала каждой частотной компоненты спектра на одной центральной частоте радиомодуля выполняется М циклов оцифровки цифровых отсчетов по N отсчетов в каждом из них [6].
Для каждой группы из N отсчетов выполняются рассмотренные ранее операции дискретного преобразования Фурье и нахождение амплитуд частотных компонент [7]. Итогом данных вычислений будет формирование выборки из М значений амплитуды А1,
I = хм.
Для каждой полученной выборки определяются значения выборочного среднего А и выборочной дисперсии Б2 в соответствии с выражениями
А = 1X1=1.А„ (8)
" " (9)
м
При увеличении объема выборки выборочное среднее стремится к значению математического ожидания ц, а выборочная дисперсия - к значению дисперсии о2.
lim A = р, lim S2 = а2. (10)
Эти значения используются для построения теоретической функции плотности распределения амплитуд сигнала для нормального закона [8]:
1 (А-у)2
. w
' 100%,
ляться выражением:
tn=-
F АЦП
(15)
При сканировании широкого диапазона частот производится циклическая перестройка центральной частоты радиомодуля от начальной до конечной границы анализируемого диапазона частот в допустимых пределах [9] . Для каждой частотной компоненты спектра из рассматриваемого диапазона частот формируется и сохраняется вектор параметров вида
К= {^■,^МШ,№мАХ,°',а'мШ,а'мАХ,Х2,ХмШ,ХмАх). (16) Так же для осуществления мониторинга определенного частотного диапазона необходимо прослушивание сигнала на заданной частоте. На рис. 2 показана схема реализации процесса воспроизведения частотно модулированного сигнала.
(11)
Теоретическое значение вероятности попадания амплитуды шумового сигнала в 1-ый интервал определяется как
Р1 = Р(А1)-Р(А1-1) (12)
где Е (А) является функцией распределения для нормального закона
р(А)=1[1 + егГ(^)\ ЦЗ)
В результате проведенных вычислений каждая частотная компонента участка спектра в диапазоне частот при заданной центральной частоте радиомодуля в текущий момент времени характеризуется вектором параметров:
С = ^с°сХс). (14)
Время, необходимое для выполнения М циклов приема и оцифровки отсчетов радиосигнала по N отсчетов в каждом цикле при заданной центральной частоте радиомодуля и частоте дискретизации АЦП ЕАЦП, что позволяет получить информацию об
Рисунок 2 - Схема реализации процесса воспроизведения частотно-модулированного сигнала
Данные, полученные от источника сигнала, выбираются с отступом 250000 Гц для того чтобы избежать проблем смещения, свойственных ТВ-тюнеру на базе чипа RTL2832U. Затем принятый сигнал фильтруется и обрабатывается таким образом, чтобы сфокусировать его на информативной составляющей, которая имеет полосу пропускания 200 кГц. В дальнейшем сигнал передается на частотный детектор, который осуществляет операцию демодуляции. Также нужно осуществить перенос сигнала на стандартную частоту дискретизации звука (примерно 44,1-48 кГц) и, наконец, воспроизвести его [10].
В качестве среды для реализации программного средства был выбран О^геа^г, что обусловлено следующими факторами:
Обширная справочная библиотека, встроенная в среду;
Наличие большого количества официальных и сторонних библиотек, позволяющих применять готовые функции;
Возможность кроссплатформенной разработки, в том числе для операционных систем, сертифицированных Министерством Обороны [11].
Языком программирования, который был выбран для реализации комплекса, является С++. Это компилируемый, статически типизированный язык программирования общего назначения. Его выбор обусловлен следующими преимуществами:
Высокая совместимость с языком Си;
Как следствие предыдущего пункта - вычислительная производительность;
Поддержка различных стилей программирования [12].
На рис. 3 показан интерфейс модуля сканирования спектра сигнала в заданном диапазоне частот. Оператору предлагается ввести минимальную и максимальную частоту диапазона для сканирования, а также выбрать частоту дискретизации, которая влияет на шаг сканирования.
X2.+Y,
Рисунок 3 - Интерфейс модуля сканирования спектра сигнала в заданном диапазоне частот
На рис. 4 изображен интерфейс модуля воспроизведения сигнала на заданной частоте. Для прослушивания сигнала необходимо задать частоту воспроизведения, которая может быть выбрана на спектре сканированного сигнала или введена вручную.
В данной работе рассмотрена математическая модель функционирования БВЙ-приемника на базе чипа КТЬ2832и. При использовании современных многоядерных процессоров сканирование широкого диапазона частот хорошо поддается распараллеливанию, при котором в одном вычислительном потоке организуется перенастройка радиомодуля на следующую центральную частоту и получение оцифрованных отсчетов, тогда как в другом вычислительном потоке параллельно производится обработка ранее полученного блока цифровых отсчетов.
Разработанное программное обеспечение позволяет оператору проводить мониторинг радиочастотного диапазона. Визуальное отображение данных, поступающих на БВЙ-приемник, позволяет оператору наглядно видеть разницу в уровнях сигналов, отслеживать изменения мощности сигналов во времени, а также прослушивать частотно модулированный сигнал на заданной частоте (рис. 5) .
Рисунок 4 - Интерфейс модуля воспроизведения сигнала на заданной частоте
Рисунок 5 - Разработанное программное обеспечение
Таким образом, программное обеспечение для разведку радиочастотных диапазонов конкретной устройства, поддерживающего технологию .SDR, поз- территории на предмет несанкционированных излу-волит оператору пункта управления БПЛА вести чений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Койнов А. Решения SDR для аппаратуры WiMAX: ПЛИС, DSP или нечто иное? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - 2007. - C. 76.
2. Руднев П. Технологии SDR на службе у разработчиков систем // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - 2009. - C. 3.
3. Панченко А.А. Оценка возможностей мониторинга радиоэфира с помощью программно-определяемой радиосистемы на основе чипа RTL2832U // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2014. - С. 132-135.
4. Панченко А.А. Мониторинг работы генератора электромагнитного шума с помощью программно-определяемой радиосистемы под управлением ОС Astra Linux // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2015. - С. 22-28.
5. Понятие I/Q сигналов и квадратурной модуляции [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://radioprog.ru/post/415 (дата обращения 10.05.2019)
6. Тропченко А.А. Цифровая обработка сигналов. Методы предварительной обработки. Учебное пособие по дисциплине «Теоретическая информатика» // СПб: СПбГУ ИТМО. - 2009. - C. 100.
7. Боков А.С. Ретрансляционный имитатор сигналов для проверки характеристик бортовых радиолокационных систем и устройств // Надежность и качество сложных систем. - 2019. - С. 40-49.
8. Боков А.С. Учет переменных параметров линейной частотной модуляции в имитаторе отраженных сигналов для радиовысотомеров // Надежность и качество сложных систем. - 2017. - С. 60-67.
9. Матвеев Ю.Н. Цифровая обработка сигналов. Учебное пособие по дисциплине «Цифровая обработка сигналов» // СПб: СПбНИУ ИТМО. - 2013. - C. 166.
10. Capture and decode FM radio [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://witestlab.poly.edu/blog/capture-and-decode-fm-radio/ (дата обращения 16.01.2020)
11. QtCreator [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.qt.io/product (дата обращения 17.01.2020)
12. Страуструп Б. Язык программирования C++ // СПб: Невский диалект. - 1999. - C. 884.
УДК 615.035.4
Рогачёв А.И., Шайхаматов А.А., Попов Д.С.
Межвидовой центр подготовки и боевого применения войск радиоэлектронной борьбы (учебный и испытательный) , Тамбов, Россия
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ КАНАЛА СВЯЗИ С УЧЕТОМ НЕПОЛНОТЫ ДАННЫХ
Проведен анализ различных моделей каналов связи, с целью построения обобщенной модели, в ходе которого была решена задача оценки точности модели и ее полноты. Во время работы были рассмотрены, особенности моделирования среды распространения между передающим и приемным радиоэлектронным устройством такие, как совпадение дискретности временных отсчетов моделирующего устройства и спектральная плотность распределения энергии радио и радиотехнических сигналов. Выполнен сравнительный анализ, работы с многомерными массивами данных для группирования логически коррелируемых параметров радиосигналов, каналов связи и приемопередающих радиоустройств. Возможность применения многомерными массивами данных полученных при моделировании канала связи для работы с базами данных радиосигналов. В работе учтено использование электрических и магнитных параметров среды распространения при создании естественных и антропогенных помех. Добавление корреляционной связи между физическими характеристиками среды распространения и естественными и антропогенными помехами, как инструмент добавления шумовой помехи в модели каналов связи.
Ключевые слова:
МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭЛЕКТРО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, РАДИОСИГНАЛЫ, МНОГОМЕРНЫЕ МАССИВЫ ДАННЫХ.
Введение
Известно, что математическое моделирование поведения радиотехнических систем существенно облегчает процесс их практического воплощения. Выбор и последующее использование системы моделирования во многом определяется условиями выполняемой задачи, объектом моделирования и установленными ограничениями и допущениями. В данной работе был применен программный пакет МАТЬАБ 2009Я. Этот выбор обусловлен развитыми возможностями по работе с матрицами, которые позволяют существенно упростить и ускорить выполнение различных математических операций с ними.
Основная часть
В процессе ведения радио- и радиотехнического контроля требуется максимально быстрая идентификация сигнала и определение его параметров. Развитие науки и техники обусловливает расширение спектра применяемых радиосигналов (РС) во всех областях радиотехники: связи, управлении, локации и навигации. Используя моделирование,
можно спрогнозировать изменение формы и параметров РС с достаточной точностью, в случае наличия данных о параметрах передающего, приемного радиоустройств (РУ) и среды распространения сигнала, которые вместе образуют канал связи. Высокая сложность моделирование канала связи проистекает из стохастической природы среды распространения РС, обусловленной действующими помехами различного вида.
В действительности параметры РУ получить достаточно просто, параметры среды распространения являются изменяемыми во времени и распределенными в пространстве, поэтому эти параметры в моделировании имеют вид статистических данных.
В таблице 1 приведены некоторые параметры среды распространения, которые можно использовать для моделирования. Например, зная характеристики телефонного провода можно рассчитать тепловые потери вследствие электрического сопротивления, как часть влияния на затухание сигнала.
Примеры статистических и детерминированных данных среды распространения
Таблица 1
№ Тип Материал Протяженность Температура окружающей среды
1 Радиотрасса 7 8% - N2 21% - 02 127 километров 2 4,4о С
2 Телефонный провод 98% - Cu 1,89% - CuO 2245,4 5±0,55 метров 2 0о С
3 Печатный проводник 24% - Cu 7 5% - Ag 15,9±0,5 миллиметров 317±0,1о К
В среде распространения сигнал подвергается воздействию помех, что уменьшает его информационную составляющую. Это воздействие может происходить различно. Выделяют аддитивные и мультипликативные помехи. Воздействие последних при-
водит к таким изменениям сигнала, которые, в отличие от аддитивных помех, нельзя представить в виде простой суперпозиции сигнала и помехи [3].
Один из способов моделирования канала связи построен на принципе, что один параметр будет имеет наибольшее влияние на форму и параметры РС, а остальные параметры канала связи только
