CC BY
1
Сок 10.36724/2409-5419-2024-16-3-46-54
ОДНОВРЕМЕННАЯ ПЕРЕДАЧА ЗАЩИЩЕННОГО СООБЩЕНИЯ И ГАММА-КЛЮЧА К НЕМУ В ОДНОМ ЧАСТОТНОМ КАНАЛЕ С ПРИЕМОМ НА АНТЕННУЮ РЕШЕТКУ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
БЕЛОВ АННОТАЦИЯ
Никита Вадимович1 Введение: представлены результаты анализа и моделирования приема двух
независимых последовательностей, передаваемых на одной частоте, но с про-РЕПИНСКИЙ тивоположными эллиптическими поляризациями. Методы: При вращении ан-
Владимир Николаевич 2 тенны в том числе и электрическом путем поочередного переключения дипо-
лей, в простейшем случае двух перпендикулярных полуволновых вибраторов, спектр волны с круговой поляризацией, совпадающей по направлению с вращением антенны, смещается по частоте вверх, а волны противоположного направления вращения электрического вектора, соответственно вниз. Вращение возможно для антенн различного типа, как традиционных, так и магнитных, представляющих собой взаимно перпендикулярные катушки. Принципиальным здесь является только вращение вектора поляризации, что обеспечивает лучшее разделение каналов, чем перпендикулярные линейные поляризации Показано, что выделение этих смещенных спектров возможно с помощью частотной фильтрации после преобразования в управляемой антенной решетке. Результаты: проанализированы переходные помехи между ортогональными поляризационными каналами и показано, что максимальный уровень мощности переходной помехи не превышает 15% от суммарного уровня сигнала вблизи приемной антенны, а в случае небольшой эллипсности траектории вектора Е составляет от долей до единиц процентов. Вследствие этого появление переходных помех, обусловленных отличием поляризации волн от круговой, практически не влияет на процесс обнаружения, то есть описываемы здесь способ одно-частотной передачи кодированного сообщения и ключа актуален. В силу того, что для обнаружения ортогональных поляризационных составляющих необходимо техническое решение, не связанное с ориентацией антенны, делается вывод об удовлетворительной защищенности сообщения, передаваемого в оперативной обстановке.
Сведения об авторах:
"'старший преподаватель кафедры ИСУиА МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: круговая поляризация, управляемая поляризационная доцент кафедры ИСуиА МТуСИ, Москва, характеристика, переходные искажения, спектральная плотность, гамма-^ссия гертэШга^ет.ш последовательность.
Для цитирования: Белов Н.В., Репинский В.Н. Одновременная передача защищенного сообщения и гамма-ключа к нему в одном частотном канале с приемом на антенную решетку с управляемой поляризационной характеристикой // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2024. Т. 16. № 3. С. 46-54. Сок 10.36724/2409-5419-202416-3-46-54
Мо!. 16. N0. 3-2024 И&ЕБ РЕБЕАРОИ
ЯР TE0ИN0L0GY AND 00MMUNI0ATI0N
Введение
Авторы считают необходимым почтить добрую память д.т.н., профессора С.С. Аджемова с участием и под руководством которого были начаты эти исследования.
Гаммирование передаваемых дискретных сообщений стало фактически методическим примером для курса информационной безопасности и вытесняется из практики гораздо более эффективными методами шифрования, в частности, системами с открытыми ключами. Однако, сочетание физических и математических методов защиты может быть весьма эффективным и при использовании простейших алгоритмов криптозащиты, к которым относится и метод гаммирования дискретных сообщений.
Использование поляризационной модуляции при передаче дискретной информации известно достаточно давно и осуществляется в радиорелейной связи [1], околоземном космическом пространстве [2] или при решении задач радиолокации [3]. Из всех видов поляризации волн как правило используются ортогональные волны с линейной поляризацией, однако в последние годы появляются работы, описывающие системы связи с круговой поляризацией волн [4, 5].
Прием волны, в которой дискретные посылки передаются на одной частоте и отличаются только поляризацией, с наибольшей эффективностью возможен лишь на соответственно расположенные антенны. При приеме на изотропную антенну (или близкую к таковой) различение посылок становится затрудненным, особенно при деполяризации волн, возникающей из-за неблагоприятных условий распространения, таких как многолучевость, замирания и различные процессы в электромагнитном поле ионосферы.
Но тем не менее, ионосферный механизм распространения волн по-прежнему привлекателен из-за огромных расстояний и высокой защищенности канала ионосферной радиосвязи. Это дает возможность осуществить дважды защищенную передачу - кодированное сообщение и аппаратную защиту.
Переходные искажения
Круговая (или эллиптическая) поляризация [6] чаще всего рассматривается либо как средство для передачи на изотропную приемную антенну, либо как побочный продукт при ионосферном распространении высокочастотных волн вдоль магнитно-силовых линий поля Земли [7]. Однако, определенный интерес представляет и осуществление модуляции волны, путем формирования двух волн одной частоты, но с противоположными вращениями электрического вектора, что в простейшем случае может быть осуществлено путем применения переключаемых спиральных антенн с противоположным ходом спиралей [8] (рис. 1).
В [9] показано, что использование вращающейся приемной антенны, позволяет разнести на разные частоты колебания с правой и левой круговыми или эллиптическими поляризациями. В последнем случае возникают переходные искажения, которые тем меньше, чем ближе поляризация к круговой.
Рис. 1. Система спиральных антенн для манипуляции круговой поляризацией противоположного направления
Реализовать прием вращающейся антенной можно с помощью триортогональной антенны с соответственно переключаемыми вибраторами, то есть вращение имитируется поочередным подключением вибраторов (рис. 2).
Рис. 2. Активная малогабаритная приемная антенна (АМП) с триортогональными вибраторами
Воздействие волны на вращающуюся антенну приводит к проявлению стробоскопического эффекта (можно интерпретировать как эффект Доплера) [10], при котором на выходе антенны наблюдаются колебания с разностной (суммарной) частотами [11]. Если на антенну одновременно действуют две волны с противоположными направлениями вращения электрических векторов, происходит разделение их по частоте с возможностью дальнейшей фильтрации.
Вращать поляризационную характеристику антенны, придавая ей необходимую конфигурацию огибающей, можно меняя эквивалентную длину вибраторов, что реализуется путем управления уровнем поступающего от антенны напряжения [12-13].
Меняющаяся длина вибратора рассчитывается по формуле:
Ь
Р = -
ф - е2(со8(2яО,/))
(1)
где Ь - физическая длина вибратора антенны, 0.А - угловая
частота вращения поляризационной характеристики антенны, вА — эксцентриситет эллипса, описываемого огибающей вращающейся антенны. Антенне, вращающейся по кругу, соответствует значение еА = 0.
Координаты мгновенного значения огибающей вращающейся антенны имеют вид:
РУ, = рх, =
Vi - ea2(cos(2^Qat))
_b_
yjl - el(cos(2nnj))
• sin(2 яЦ/)
• cos(2 nD.at)
(2)
Разделенные по частоте колебания встречно вращающихся электрических векторов можно использовать как для образования дополнительного канала приема (поляризационное разнесение) так и для передачи дополнительной информации. В последнем случае в суммарную волну можно вложить как закодированное сообщение, так и ключ для его прочтения. Прием такого колебания на обычную неподвижную антенну не позволяет разделить два канала передачи.
Таким образом может быть осуществлена двойная защита передаваемой информации - физическая и криптографическая. При этом следует учитывать, что при поляризации волн, отличных от круговой, между разнесенными по частоте составляющими возможно появление переходных помех. Эти переходные помехи (рис. 3), наряду с обычными помехами при распространении волны, снижают помехозащищенность системы и в худшем случае недопустимо снижают качество приема, что в данном случае может фатально отразиться на процессе декодирования принятого сообщения (для лучшего разрешения волны показаны с амплитудной модуляцией разными частотами).
В данной статье приводится оценка влияния уровня переходных искажений при передаче гаммированного сообщения и его гамма-последовательности в разнесенных каналах с противоположной круговой поляризацией и эфирными шумами. Особенность описываемого метода разделения колебаний с помощью виртуального вращения поляризационной характеристики фазированной антенной решетки заключается в исключительно электрически переключаемых антенных элементах, полном отсутствии механических вращающихся частей, вследствие чего достижима высокая надежность системы и возможность установки ее на высоко вибрационных платформах типа беспилотных летательных аппаратов.
приеме символа, которая, в свою очередь, определяется и внешними шумами и переходными помехами. Так в рассматриваемом примере при вероятности ошибки в приеме символа р = 10_э, вероятность ошибки декодирования комбинации из трех разрядов равна (при независимости посылок и помех) р = 1 - 0.9993 = 2.997 *103. При более длинных гамма-
последовательностях вероятность неправильной расшифровки почти пропорционально увеличивается.
Мощность помехи, действующей на передаваемый символ, определяется выражением:
N = N + n2
(3)
где N - мощность эфирных шумов (помех распространения), Ы2 - мощность переходных помех.
Расчет мощности переходных помех позволит определить степень помехоустойчивости такого способа передачи информации. Для расчета модифицируем математическую модель, предложенную в [4]. Координаты конца вектора волны, несущей информационное сообщение эллипс которой повернут на угол у относительно вектора волны, несущей гамма-последовательность:
Если посылка (элемент сигнала) представляет собой отрезок гармонического колебания:
и. ____
рх\{ = -
./1 - е*(г.г,чПяП АУ
(4)
• эт(2 яЛ/)
д/l - e2(cos(2^m))2 U
РУ, =
д/l - e2(cos(2^m))2
где — эксцентриситет эллипса информационной волны, О. - угловая частота колебания информационной волны, и - максимальное значение электрического вектора информационной волны.
Аналогичные выражения справедливы и для волны, несущей гамма-последовательность:
U..
PW, =
РУГ, =
- e2(cos(2^/ ))2
Ur
- e2(cos(2^. t ))2
• cos(2 nCl.t)
■ sin(2ft£l t)
(5)
Рис. 3. Перенос спектров двух колебаний одной частоты, но противоположно направленными эллиптическими поляризациями с взаимными переходными помехами
Рассмотрим в качестве примера случай передачи кодированного сообщения последовательностью 010. Использованная при кодировании гамма-последовательность имеет вид 001, следовательно исходная комбинация будет 011. Ошибка при декодировании определяется вероятностью ошибки в
(pxit X = pxit cos(^) - pyit sin(^) (pyit X = pxit cos(^) + pyit sin(^)
(6)
где рх11, ру1 проекции конца вектора информационной
волны на произвольно выбранную систему координат.
Координаты конца вектора наведенного напряжения от информационной волны во вращающейся антенне:
рХi = (pxi,)wpx, - (pyi)wpy, PYi, = (Pxi, )wpy, + (py., )wPx,
Vol. 16. No. 3-2024 H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Координаты конца вектора волны, несущей гамма-последовательность:
{pxyt ),{pyyt)
(8)
Координаты конца вектора наведенного напряжения от гамма-волны во вращающейся антенне:
рХГt = (pxr, )vpx, - (pyiy, \py, pYrt = (px/t \py, - (РУУt )¥Pxt
(9)
В качестве выходного сигнала приемной антенны в случае круговой (эллиптической) поляризации можно использовать колебание с любого из виртуально вращающихся вибраторов, например:
{рХГt + pXUi}
(10)
Для расчета уровня переходных искажений в зависимости от степени вытянутости эллипса поляризации (отношения большой и малой полуосей эллипса) найдем спектральную плотность преобразованного колебания и по ней определим его энергию:
\S(Q)|2 = £ (рХГ, + PXit )e~ jntdt
(11)
Аналитическое решение (11) в общем виде весьма громоздко, поэтому было проведено численное моделирование с помощью пакета МаШса^4 [14] и выявлена зависимость доли энергии волны, переходящей в виде помехи в другой канал, в виде простой формулы:
Дэ =-10~6 е10е 3
Эта зависимость приведена на рисунке 4.
(12)
БПЛА, в силу динамики роя, оказавшихся на одной линии определенного азимута (рис. 5), выбранного системой управления, как элемента решетки с управляемой поляризационной характеристикой.
Рис. 4. Доля энергии волны, переходящая на частоту соседнего канала в зависимости от величины эксцентриситета эллипса поляризации
Как видно, максимальная доля энергии переходной помехи составляет примерно 15% от энергии порождающей ее волны, при этом соответственно уменьшается и ее энергия. Так как по обоим каналам передается независимая информация, помеху в приближении можно считать некогерентной и рассматривать ее мощность аддитивно по отношению к эфирным помехам.
Реализация приема на вращающуюся антенну возможна и в рое беспилотных летающих аппаратов (БПЛА), когда антенна состоит из нескольких линейных антенн отдельных
Рис. 5. Переключения антенн в рое БПЛА для реализации антенной
решетки с управляемой поляризационной характеристикой
Для обеспечения виртуального вращения антенны в следующий момент для образования повернутого антенного луча выбирается другое сочетание дронов, образующих другой антенный луч, повернутый на угол А ^, определяемый
рабочей частотой обрабатываемого сигнала, и характеристиками фильтров постобработки (рис. 11).
Разумеется, строго соосное размещение летательных аппаратов возможно не всегда, поэтом у приходится мириться с неточностью построения, то есть рассматривать в качестве элементов фазированной антенной решетки антенны аппаратов, расположенные неточно по лучу предполагаемого виртуального вращения, так и под углом, неравным АI// . Однако влияние этих неточностей положения предположительно не уничтожает саму идею такого построения фазированной антенной решетки, но определяет направление дополнительного исследования влияния такого фактора на эффективность системы.
При проектировании системы следует помнить, что использование некоторых видов сигналов, в частности шумопо-добных, в диапазоне декаметровых волн, обеспечивающих не только дальнее распространение (до 2500-3000) км, но и дополнительную защиту от прослушивания возможно лишь в полосе частот до 50 кГц [15]. В силу этого значительная доля решений, принимаемых системой управления, должны быть отдана искусственному интеллекту. Отметим важные преимущества, предоставляемые настоящей системой:
1. Скрытность передачи сигналов управления роем БПЛА за счет использования шумоподобных сигналов с полосой до 50 кГц.
2. Скрытность передачи сигналов управления роем БПЛА за счет использования шифрования сигнала по методу гамми-рования.
3. Скрытность передачи гамма-последовательности за счет использования одного частотного канала и поляризационного разнесения.
Необходимые условия для реализации системы
1. Значительная доля использования искусственного интеллекта в алгоритме системы управления в силу малой пропускной способности декаметрового радиоканала с шумопо-добным сигналом.
Влияние переходных помех на ошибку обнаружения
Помеха, действующая в информационном канале и в канале с гамма-последовательностью в полосе частот, определяемой преселектором приемника и, в небольшой степени антенны, может считаться случайным колебанием с гауссовым распределением, определяющим вероятность ошибки в приеме символа. Как известно [16], вероятность ошибки в этом случае может быть рассчитана по формуле:
Р = 1 - F (Н )
ош V /
где F(H) - интеграл вероятности, а аргумент.
Н =
(Е + Е,)
'2 ад-ъ
(13)
(14)
в выражении которого Ео и Е\ энергии посылок, N - соответственно шума, а коэффициент Л в случае фазовой манипуляции на п при равенстве энергий посылок равен 0, следовательно:
Я =
Е
(15)
Ра_ = 1" F (Н1 )
где
Н =
Еп
N 0 +АМ э
(16)
(17)
ANэ - доля энергии, поступающая в канал из-за переходных помех, вызванных эллиптичностью волны.
г- Г £,- г.
1
Ук
Г, ^ ГтГА гд
Рис. 6. Модуль спектральной плотности колебаний волн, вращающейся с частотой/а, с круговой поляризацией, принятой антенной с вращающейся поляризационной характеристикой
Спектр информационного колебания (/ — /А; / — /А ) переносится «вниз» на частоту вращения поляризационной характеристики антенны, а спектр сигнала с гамма-информацией (/ + /А' /2 + /А ) на частоту выше. Если вращать антенную характеристику в противоположную сторону, спектры поменяются местами [17].
Разница в уровне спектральных составляющих на выходе антенны на рисунке 5 объясняется особенностью рассматриваемого примера, когда из трех посылок две одной частоты. На рисунке 5 не видны переходные помехи, возникающие из-за эллиптичности поляризации волн, они показаны отдельно на рисунке 7.
Для оценки влияния на вероятность ошибки степени эллиптичности поляризации волны воспользуемся выражением (15), добавляя к знаменателю долю энергии, переходящую из канала с противоположным направлением вращения электрического вектора:
Рис. 7. Образование переходных помех между каналами с противоположным вращением электрического вектора
Если волны поляризованы по кругу, переходных помех нет, они в этом случае появляются, когда огибающая поляризационной характеристики вращающейся антенны эллипс. Из этого следует, что при организации канала связи в пределах прямой видимости и без подстилающих поверхностей (например, в космосе) переходных помех нет и передача гамма-шифрования не снижает пропускной способности по сравнению с традиционным каналом связи без такой передачи. Если изобразить это колебание в виде фазового портрета, то это динамически меняющаяся в зависимости от расстановки битов в сообщении фигура с огибающей в виде круга (рис. 8). Если же одного из каналов нет, то просто круг.
Рис. 8. Фазовый портрет двухканального одночастотного поляризованного колебания
М. 16. N0. 3-2024 И&ЕБ РЕБЕАРОИ
ЯР TE0ИN0L0GY AND 00MMUNI0ATI0N
Рассчитав энергию переходной помехи с помощью (11) и вероятность ошибки по (13-17), построим кривую зависимости вероятности ошибки от смеси отношения уровней сигнала к суммарной энергии переходной помехи и аддитивных гауссовых шумов (рис. 9).
Как видно, при малом уровне входного колебания антенны превалируют канальные помехи, уровень переходных помех между поляризационными каналами мал и на вероятность ошибки влияет мало. А при относительно большом уровне переходных искажений, возникающих при сильной эллиптичности волновой поляризации (е>0.8) и высоком уровне энергии волны возле антенны, вероятность ошибки может возрастать в десятки и даже сотни раз по сравнению с неподвижной антенной. Однако эллипсы поляризации с эксцентриситетом более 0.7 в свободном пространстве редки (рис. 9), поэтому можно сделать вывод о пренебрежимо малом влиянии переходных помех на помехоустойчивость двухканальной системы связи с круговой поляризацией противоположного вращения.
0.1
§ 001
1« ю
1x10
ю 1x10"
1x10"
-3
- \ 1 1
- Ю.95
1 е-о\\ 1 1 \ , р \
0 1 2 3 4 5
Отношение сигнал потеха па входе антенны
Рис. 9. Зависимость вероятности ошибки при приеме символа от суммарного уровня шумовых и переходных помех
1х103
100
О 1 2 3 4 5
-е=0.75 _^0.35
/(Го? 0.95 Л }
| < 1 1 1
Рис. 10. Кратность увеличения вероятности ошибки в зависимости от отношения сигнал-помеха и эксцентриситета эллипса поляризации
Моделирование
Для более ясного представления приведем результаты моделирования преселекции и детектирования эллиптически поляризованного двухканального сигнала с последующей ил-люстрациейпорогового решения(рис. 11) [18].
Искажения принятой и преобразованной последовательностей определяются эфирными помехами и переходными шумами между поляризационными каналами передачи.
Рис. 11. Структурная схема процесса детектирования двух ЧМ колебаний, передаваемых с поляризационным разнесением
При значении эксцентриситета эллипса поляризации, не превышающем 0.75,на временной диаграмме входного и выходного сигналов демодулятора влияние переходных искажений на фоне эфирных помех практически неразличимо (рис. 12).
Рис. 12. Колебания на входе и выходе демодулятора в двух поляризационных каналах с круговой поляризацией
Колебание на выходе антенны в случае сильной эллипсо-идности поляризации (рис. 13), хотя и происходит в условиях действия тех же эфирных шумов, парадоксальным образом выглядит лучше, чем при круговой поляризации и отсутствии переходных помех.
. е-0.97
Рис. 13. Колебания на выходе демодулятора при эллиптической и круговой поляризациях
Если взглянуть на спектр выходного колебания антенны (рис. 14), то напрашивается объяснение, что энергия волн переходит не только на суммарные и разностные, но теперь и на комбинационные частоты, не попадающие в полосу пропускания канальных фильтров. Появление большого числа частотных переходов создает условия для проявления параметрических преобразований, подобных описываемым уравнениями Мэнли-Роу, поскольку в информационном и гамма-каналах помехи сильно коррелированы (одно и то же неполяри-зованное колебание).
Рис. 14. Спектр колебания на выходе антенны при эксцентриситете эллипса поляризации волны 0.97
Колебание, в котором информационная часть заключается в правосторонней круговой составляющей поляризации волны, а ключ в виде гамма-последовательности в левосторонней составляющей, на приемнике-анализаторе спектра выглядит как простое одноканальное двухчастотное колебание (ЧТ) и в этом аспекте обеспечивает определенную скрытность (рис. 15).
Рис. 15. Спектр колебания ЧМ с двумя поляризационными составляющими
Заключение
Прием волн с круговой поляризацией на вращающуюся антенну позволяет осуществить эффективное частотное разделение двух колебаний с противоположными направлениями вращения электрического вектора.
Помехоустойчивость каналов передачи информации с противоположными направлениями вращения электрических векторов по крайней мере не хуже, чем при частотной разделении.
Использование одного из круговых поляризационных каналов для передачи информационного кодированного сообщения, а второго канала для передачи ключевой гамма-последовательности, позволяет осуществлять устойчивый обмен защищенной информацией при простом способе кодирования.
Существенным является то обстоятельство, что осуществить разделение информационного и ключевого сообщений возможно лишь при наличии приемной антенны с управляемой поляризационной характеристикой. Улучшение формы колебания на выходе демодулятора при эллиптической поляризации волны упрощает алгоритм его работы.
Литература
1. Томаси У. Электронные системы связи. Litres, 2022.
2. Гульельми А.В., Потапов А.С. Частотно-модулированные ультранизкочастотные волны в околоземном космическом пространстве //Успехи физическихнаук. 2021. Т. 191. №5. С. 475-491.
3. Елисеев Б.П. и др. Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация. М.: Дашков и К, 2022. 196 с. ISBN 978-5-39404693-3. URL: https://www.iprbookshop.ru/120752.html
4. Аджемов С.С., Репинский В.Н. Прием обыкновенной и необыкновенной волн антенной решеткой с управляемой поляризационной характеристикой. М: Радиотехника и электроника, 2019. Т. 64. №5. С. 455-461.
5. Adzhemov S.S., Repinsky V.N. Selection of a splitted ionospheric wave using the rotation of polarization of the receiving antenna II T-Comm: Телекоммуникацииитранспорт, 2018. Т. 12. № l.C. 4-8.
6. Буняк Г.А., Дмитриева B.B. Исследование антенн с круговой поляризацией II Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции. В 4-х томах, Санкт-Петербург, 15-16 февраля 2022 года / Под. редакцией А.В. Шестакова, сост. B.C. Елагин, Е.А. Аникевич. Том 3. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2022. С. 61-65. EDN YTSOPS.
7. Adzhemov S.S., Repinsky V.N. Increasing the efficiency of separation of single-frequency signals with elliptic polarization by using a phased antenna array control II Scientific aspect, 2018, Vol. 7. No. 4, pp. 763-770.
8. Huang Y. Antennas: from theory to practice. John Wiley & Sons, 2021.
9. Adjemov S.S., Belov N.V., Repinsky V.N., Shmelev I.A. Intelligent Location of a Multi-beam Ionospheric Wave by Isolating the Polarization Characteristics of Partial Channels II 2020 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology (EMCTECH), Vienna, Austria, 2020, pp. 1-7, doi: 10.1109/EM-CTECH49634.2020.9261552.
10. Поворознюк M.B., Бондарь С.В. Использование эффекта доплера в науке и технике II Естественные и математические науки в современном мире. Сборник материалов студенческой конференции на базе Республиканского РУМО. Сост. Л.А. Полякова, А.И. Бака-рюка, Н.С. Сидаш. ЕПОУ «ХТТ ДОННТУ», 2022. С. 112.
11. Repinsky V.N., Belov N.V. Minimization of Transient Distortions in the Ionospheric Wave Reception System by a Phased Array Antenna with Controlled Polarization Characteristic II 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, SOSG 2022 - Conference Proceedings, Moscow, 2022. DOI 10.1109/IEEECONF53456.2022.9744269. EDN SKAKBU.
Vol. 16. No. 3-2024 H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
12. Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Rastyagaev D.V., Bova Y.I. The method of mathematical modeling of wave fields and caustic structures in the process of propagation of electromagnetic radiation in the ionospheric plasma II2021 XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS), 2021. Rome, 28 August - 4 September Publisher: IEEE, pp. 1-4.
13. Ищенко E.A., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Федоров С.М. Применение технологии виртуальных антенных решеток для минимизации погрешности пеленгации Антенны и распространение радиоволн II Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2021. 120 с.
14. БурьковД.В. Mathcad, Matlab, Matlab Simulink, Scilab в электротехнике: учебное пособие. Ростов-на-Дону, Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2021. 171 с. ISBN 978-59275-3961-1. URL: https://www.iprbookshop.ru/121901.html
15. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V., Elsukov A.A., Ryabova M.I., Chernov A.A. Software-defined radio technology in the problem concerning with the successive sounding ofHF ionospheric communication channels II Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. 7(61), pp. 767-775.
16. Коптев Д. Теория радиотехнических сигналов. Litres, 2023.
17. Аджемов С.С., Репинский В.Н. Повышение эффективности разделения одночастотоных сигналов с эллиптической поляризацией с помощью управления фазированной антенной решеткой. Научный аспект. 2018. Т. 7. № 4. С. 763-770.
18. Корнеее П.Е. Обработкаэллиптическиполяризованного сигнала в радиолокационных станциях с цифровым синтезированием апертуры антенны II Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. Т. 22, № 1, 2019. С. 83-92.
SIMULTANEOUS TRANSMISSION OF A SECURED MESSAGE AND A GAMMA KEY TO IT IN ONE FREQUENCY CHANNEL WITH RECEPTION ON AN ANTENNA ARRAY WITH CONTROLLED POLARIZATION CHARACTERISTICS
NIKITAV. BELOV
Moscow, Russia, [email protected]
VLADIMIR N. REPINSKY KEYWORDS: Circular polarization, controlled polarization response,
Moscow, Russia, repinski@rambler. ru transient distortion, spectral density, gamma sequence.
ABSTRACT
Introduction: The results of analysis and simulation of the reception of two independent sequences transmitted at the same frequency, but with opposite elliptical polarizations, are presented. Methods: when the antenna rotates, including electrically, by alternately switching dipoles, in the simplest case, two perpendicular half-wave vibrators, the spectrum of a wave with circular polarization, coinciding in direction with the rotation of the antenna, shifts upward in frequency, and waves in the opposite direction of rotation of the electric vector, respectively, downward. Rotation is possible for antennas of various types, both traditional and magnetic, which are mutually perpendicular coils. The only principle here is the rotation of the polarization vector, which provides better channel separation than perpendicular linear polarizations. Results: It is shown that the
selection of these shifted spectra is possible using frequency filtering after conversion in a controlled antenna array. Transient interference between orthogonal polarization channels is analyzed and it is shown that the maximum level of transient interference power does not exceed 15% of the total signal level near the receiving antenna, and in the case of a small ellipse of the vector E trajectory it ranges from fractions to a few percent. As a result, the appearance of transient interference due to the difference in wave polarization from circular polarization has practically no effect on the detection process, that is, the method of single-frequency transmission of an encoded message and key described here is relevant. Due to the fact that detection of orthogonal polarization components requires a technical solution that is not related to the orientation of the antenna, it is concluded that the message transmitted in an operational environment is sufficiently secure.
REFERENCES
1. U. Tomasi, "Electronic communication systems," Litres, 2022.
2. A.V. Guglielmi, A.S. Potapov, "Frequency-modulated ultra-low-frequency waves in near-Earth space," Advances in Physical Sciences. 2021. Vol. 191. No. 5, pp. 475-491.
3. B.P. Eliseev et al. Radar. Propagation of radio waves. Aeroradionavigation. Moscow: Dashkov and K, 2022. 196 p. ISBN 9785-394-04693-3. URL: https://www.iprbookshop.ru/120752.html
4. S.S. Adzhemov, V.N. Repinsky, "Reception of ordinary and extraordinary waves by an antenna array with a controlled polarization characteristic," Moscow: Radio engineering and electronics, 2019. Vol. 64. No. 5, pp. 455-461.
5. S.S. Adzhemov, V.N. Repinsky, "Selection of a splitted ionospheric wave using the rotation of polarization of the receiving antenna," T-Comm, 2018, Vol. 12.No. 1, pp. 4-8.
6. G.A. Bunyak, V.V. Dmitrieva, "Research on antennas with circular polarization," Current problems of information telecommunications in science and education (APINO 2022): Collection of scientific papers of the XI International Scientific-Technical and Scientific-methodological conference. In 4 volumes, St. Petersburg, February 15-16, 2022. Under. edited by A.V. Shestakova, comp. V.S. Elagin, E.A. Anikevich. Volume 3. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Telecommunications. prof. M.A. Bonch-Bruevich, 2022, pp. 61-65.
7. S.S. Adzhemov, V.N. Repinsky, "Increasing the efficiency of separation of single-frequency signals with elliptic polarization by using a phased antenna array control," Scientific aspect, 2018, Vol. 7.No. 4, pp. 763-770.
8. Y. Huang, "Antennas: from theory to practice," John Wiley & Sons, 2021.
9. S.S. Adjemov, N.V. Belov, V.N. Repinsky and I.A. Shmelev, "Intelligent Location of a Multi-beam Ionospheric Wave by Isolating the Polarization Characteristics of Partial Channels," 2020 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology (EMCTECH), Vienna, Austria, 2020, pp. 1-7, doi: 10.1109/EMCTECH49634.2020.9261552.
10. M.V. Povoroznyuk, S.V. Bondar, "Use of the Doppler effect in science and technology," Natural and mathematical sciences in the modern world. Collection of materials from the student conference on
the basis of the Republican Department of Education and Science. Comp. L.A. Polyakova, A.I. Bakaryuk, N.S. Sidash - GPOU "HTT DON-NTU", 2022, p. 112.
11. V.N. Repinsky, N.V. Belov, "Minimization of Transient Distortions in the Ionospheric Wave Reception System by a Phased Array Antenna with Controlled Polarization Characteristic," 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, SOSG 2022 - Conference Proceedings, Moscow, March 15-17, 2022. Moscow, 2022. DOI 10.1109/IEEECONF53456.2022.9744269.
12. A.S. Kryukovsky, D.S. Lukin, D.V. Rastyagaev, Y.I. Bova, "The method of mathematical modeling of wave fields and caustic structures in the process of propagation of electromagnetic radiation in the ionospheric plasma," 2021 XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS), 2021. Rome, 28 August - 4 September Publisher: IEEE, pp. 1-4.
13. E.A. Ishchenko, Yu.G. Pasternak, V.A. Pendyurin, S.M. Fedorov, "Application of virtual antenna array technology to minimize direction finding error Antennas and radio wave propagation," Collection, reports of the All-Russian Scientific and Technical Conference. SPb.: SPbSETU "LETI". 2021. 120 p.
14. D.V. Burkov, "Mathcad, Matlab, Matlab Simulink, Scilab in electrical engineering," Rostov-on-Don, Taganrog: Southern Federal University Publishing House, 2021. 171 p. ISBN 978-5-9275-3961-1. URL: https://www.iprbookshop.ru/121901.html
15. D.V. Ivanov, V.A. Ivanov, N.V. Ryabova, A.A. Elsukov, M.I. Ryabova, A.A. Chernov, "Software-defined radio technology in the problem concerning with the successive sounding of HF ionospheric communication channels," Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. 7(61), pp. 767-775.
16. D. Koptev, "Theory of radio signals," Litres, 2023.
17. S.S. Adzhemov, V.N. Repinsky, "Improving the separation efficiency of single-frequency signals with elliptical polarization using phased array antenna control," Scientific aspect. 2018. Vol. 7. No. 4, pp. 763-770.
18. Pavel E. Korneev, "Processing of an elliptically polarized signal in radar stations with digital synthesis of the antenna aperture," Scientific Bulletin of the Moscow State Technical University of Civil Aviation, vol. 22, no. 1, 2019, pp. 83-92.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Nikita V. Belov, Senior Lecturer, Department of ISUiA MTUCI, Moscow, Russia
Vladimir N. Repinsky, Associate Professor at the Department of ISUiA MTUCI, Moscow, Russia
ш
For citation: Belov N.V., Repinsky V.N. Simultaneous transmission of a secured message and a gamma key to it in one frequency channel with reception on an antenna array with controlled polarization characteristics. H&ESReserch. 2024. Vol. 16. No 3. P. 46-54. doi: 10.36724/2409-54192024-16-3-46-54 (In Rus)
