ОПИСАТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННОГО РАДИОСИГНАЛА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

И ТВОРЧЕСТВА

ОПИСАТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННОГО РАДИОСИГНАЛА

Ушакова Светлана Анатольевна, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Е-таИ: ткакоуа. яуе^апа. 95@таИ. ги

Аннотация. Данная статья посвящена анализу радиосигнала, способу его распространения и методу его защиты.

Ключевые слова: радиосигнал, радиофизика, защита информации.

Информация - совокупность сведений о каких-либо явлениях, событиях, предметах, предназначенных для передачи, приема, хранения или непосредственного использования. [1]

Информация для современного общества является неотъемлемой частью социума, без которой невозможно дальнейшее его движение. Как говорил американский инженер и криптоаналитик К.Э. Шенон: «Информация - это послание, которое уменьшает неопределенность». Во все времена информация предопределяла судьбу человечества и то, с какой скоростью и в какой форме она передавалась, тем или иным способом влияло на дальнейшее развитие событий.

Первым, и наиболее долгим, способом передачи являлся сам человек. Гонец, отправляясь из пункта А в пункт Б, мог потратить не один месяц в пути, а в случае скорой необходимости информирования, данный фактор только все затруднял. Также информация не была защищена от кражи, взлома, перехвата и ее утраты. В связи с этими факторами в дальнейшем стали разрабатываться альтернативные источники транспортирования сообщений. Голубиная почта, лошадь и тому подобные «живые передатчики» значительно помогли ускорить передачу информации, но они все также оставались не самыми безопасными методами. С появлением телеграфа в конце XVIII в. скорость передачи информации значительно увеличилась, но вместе с тем осложнился непосредственный процесс ее передачи. В ход пошли такие физические процессы, как свет, звук, электричество, радиоволны.

На сегодняшний день используют три основных способа передачи

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

информации на большие расстояния - телефонные линии, радиоэлектроника, оптоволоконные кабели. Все они предусматривают наличие пространства между передающей и принимающей антенной в качестве линий связи, а также кабельные (проводные), волноводные и световодные линии связи.

Связующим звеном между передающей и принимающей антенной является радиосигнал. Сигнал - физический процесс, отображающий сообщение. Радиосигнал электромагнитные волны или электрические высокочастотные колебания (волны), которые заключают в себе передаваемое сообщение. Скорость удаления радиосигнала от радиостанции равна скорости света - 3 ООО ООО км/с, а это в 1 млн раз быстрее распространения звука в воздухе. Радиосигнал может существовать не только в воздушной среде, но и там, где ее нет - в космосе. Таким образом, радиоволна отличается от, например, звуковой волны, для которой необходима какая-либо проводящая среда.

Расстояние, на которое распространяется энергия электромагнитного поля за период колебания тока в антенне радиостанции, т.е. в источнике радиосигнала, называется длиной волны. Длину волны можно определить только с помощью специальных измерительных приборов, либо с помощью математических моделей, если известна частота тока, возбуждающего эти волны. Одна радиоволна возникает за время одного периода колебания в пространстве вокруг антенны передатчика. Количество радиоволн прямопропорционально частоте тока, т.е. чем выше частота тока, тем больше радиоволн друг за другом в течение секунды излучается антенной.

Распространение радиоволны в пространстве зависит от длины волны, но не определяется ею. Это значит, что например, передача радиосигнала длиной волны в несколько десятки метров, может быть распознано на расстоянии в несколько сотен или тысяч километров, но, в то же время, не слышима на более близких территориях с приемниками, распознающими короткие волны. Таким образом, различные радиостанции имеют диапазон различных принимающих длин волн, они работают только в определенной, отведенной для нее частоте волны, но несет постоянный характер. Это дает возможность принимать передачи каждой радиостанции в отдельности, а не все одновременно.

Радиовещательные станции имеют довольно обширный участок диапазонов частот, который подразделен на: длинноволновый (ДВ), средневолновый (СВ), коротковолновый (КВ), ультракоротковолновый (УКВ). Для стран СНГ разрешенный диапазон ДВ распространяется на длины волн от 735,3 до 2000 м равное частотам от 408 до 150 кГц; для СВ от 186,9 до 571,4 м и 1605-525 кГц соответственно; для КВ 24,8-75,5 м, 12,1-3,95 МГц; для диапазона УКВ длины 4,11-4,56 м и частоты 73-65,8 МГц. УКВ волны также известны как метровые волны. Это все волны, имеющие длину волны короче 10 м. В данном диапазоне ведутся телепередачи, работают передвижные связные радиостанции автомобилей пожарной охраны, медицинских служб, полиции, такси и т.д. КВ радиочастоты неравномерно располагаются по диапазону частот: больше всего

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

рабочими длинами волн являются длины приблизительно равные 25, 31, 41 и 50 м. Исходя из этого КВ диапазон подразделяют на соответствующие метрам поддиапазоны. Также существует общепринятая длина волны, которая отведена для передачи сигналов бедствия кораблям в море. Она равна длине волны 600 м с частотой 500 кГц.

Для того, чтобы радиовещательная станция смогла передать сигнал, в ней должен находиться набор базовых приборов и устройств для передачи: студийный микрофон, усилитель звуковой частоты (34), генератор колебаний радиочастоты (РЧ), усилитель мощности колебаний радиочастоты, антенна для излучения электромагнитной энергии радиоволн (рис. 1).

Рис. 1 Структурная схема устройств в радиостанции

В случае, когда микрофон выключен, в антенне протекает ток высокой, постоянной частоты и амплитуды. При этом антенна излучает радиоволны неизменной длины и мощности. Когда радиостанция начинает свою работу, то микрофон, подающий колебания звуковой частоты на усилитель 34, передаются на модулятор, входящий в усилитель мощности передатчика. Модулятор, в свою очередь, изменяет амплитуду колебаний звуковой частоты, воздействуя на ток высокой частоты генератора. Так изменяется электромагнитная энергия

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

излучаемая антенной передатчика (рис. 2).

^ААт1

Ненздулирода^1 Модулураданны? Тые колебаний** ТвШШШя

Микрофон

Микрофзн охлючвн

дьшючен

Рис. 2. Изменение частоты сигнала при включении/выключении устройства

Чем больше частота тока, поступающего из радиостудии в передатчик, тем с большей частотой изменяются амплитуды тока в антенне. Процесс изменения амплитуд высокочастотных колебаний под действием тока звуковой частоты называют амплитудной модуляцией (АМ). Изменяемые же по амплитуде токи высокой частоты в антенне и излучаемые ею радиоволны носят название модулированных колебаний радиочастоты. Кроме амплитудной модуляции существует еще так называемая частотная модуляция (ЧМ). При таком виде модуляции изменяется частота, а амплитуда колебаний радиочастоты в антенне радиостанции остается неизменной. [2]

Разные модуляции применяются в различных средах. Например, частотная модуляция применяется в радиовещании на УКВ или для передачи звукового сопровождения в телевидении. Амплитудную же модуляцию применяют только в радиовещании на ДВ, СВ, КВ.

Физический смысл передачи сигнала основан на улавливании энергии радиоволны антенной приемника. В антенне приемника, в этом случае, происходит модуляция колебаний радиоволн. Модулированные колебания радиочастоты, возбужденные в антенне, приемник преобразует в электрические колебания звуковой частоты, а затем в звук.

Для образования сигнала параметры высокочастотных колебаний изменяются (модулируются) с помощью управляющих сигналов, которые представляют собой напряжение, изменяющееся по заданному закону. В качестве модулируемых обычно используются гармонические высокочастотные колебания:

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

и (0 = ио 8т(а)01)

где о>0 = - высокая несущая частота; ио - амплитуда

высокочастотных колебаний.

Передача радиосигнала осуществляется благодаря нескольким факторам. Сигнал, подаваемый на антенну, характеризуется амплитудой, частотой и фазой. За счет изменения этих параметров можно посредством радиосигналов передавать информацию. Амплитуда определяет интенсивность радиочастотного сигнала. Мерой амплитуды является мощность, которая аналогична затраченным усилиям человека, преодолевающего на велосипеде определенное расстояние. Мощность — это количество энергии, необходимой для преодоления сигналом определенного расстояния. Если мощность возрастает, то увеличивается и дальность связи. В общем случае, передача радиосигнала происходит через воздушную среду, что обусловливает уменьшение его амплитуды. В случае отсутствия препятствий радиосигналы испытывают потери в свободном пространстве, они являются одной из причин затухания сигнала, и передача радиосигнала теряет прежнее качество. Амплитуда сигнала уменьшается экспоненциально по мере увеличения расстояния между передатчиком и приемником. Экспоненциальное затухание модулированного сигнала вызывает атмосфера, если он распространяется достаточно далеко от антенны. Следовательно, сигнал должен обладать достаточной мощностью для того, чтобы преодолеть нужное расстояние и иметь после этого уровень, достаточный для выделения его из шумов приемным устройством. [3]

Радиоволны разных диапазонов обладают неодинаковыми свойствами, которые влияют на дальность их действия. Существуют волны, которые для достижения приемника преодолевают расстояния в тысячи километров, но в то же время не могут быть уловимы на коротких расстояниях. Все это происходит благодаря самому крупному проводнику тока - Земле. Земная атмосфера, состоящая из трех слоев - тропосфера, стратосфера, ионосфера - способна распространять радиоволны на любые расстояния. Большую роль в это играет ионосфера, простирающаяся до 400 км от Земли (рис. 3).

58

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

Рис. 3. Распространение радиоволны в земной атмосфере

Благодаря тому, что самый верхний слой сильно ионизирован, он способен на искривление и поглощение всех волн. Антенны радиостанций могут излучать волны под различными углами относительно земли. Существуют волны, распространяющиеся вдоль поверхности, - поверхностные (земные) и волны под различными углами - пространственные. Энергию поверхностных волн в основном используют ДВ радиостанции. Эти волны могут хорошо огибать поверхность Земли. Поскольку наша планета является отличным проводником, то естественно, что она поглощает излучаемую энергию радиоволн, поэтому при удалении от ДВ радиостанции «громкость» ее сигнала постепенно затухает. Волны среднего диапазона лучше поглощаются, но хуже огибают Землю. Из-за этих факторов средние волны имеют более короткую дальность действия. Для того чтобы улучшить дальность средних волн, радиостанции ставят устройства для увеличения мощности сигнала. КВ радиоволны очень плохо поглощаются поверхностью и плохо огибают ее же, поэтому на расстоянии уже в несколько десятков метров эти поверхностные волны не обнаружить приемником. Такие же волны, но угловые (пространственные), могут преодолевать сотни километров и даже достигать противоположную точку Земли. Такое свойство достигается за счет того, что пространственные волны, искривляясь в ионосфере, могут преодолеть очень длинный путь и достигнуть необходимой точки далеко от радиостанции-источника. Но короткие волны имеют свои недостатки: есть зоны, в которых передача КВ радиостанции абсолютно не слышима - зона молчания (рис. 3). Размеры этой зоны зависят от длины волны и состояния ионосферы, которая зависит от интенсивности излучения солнечных лучей. И наконец, УК радиоволны имеют очень схожее строение со световыми лучами. Эти волны по своей природе прямолинейны и поглощаются всем, что попадается на их пути. УК волны свободно проходят сквозь слой ионосферы, поэтому этот диапазон используют для связи между земными и космическими станциями на орбите.

При распространении радиосигналы способны подвергаться различного

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

рода преобразованиям, часть из которых является необходимой для всех систем радиосигналов, независимо от назначения и характера передаваемой информации.

Сигнал, который передается по каналу связи, подвергается воздействию помех. Источниками внешних помех являются атмосферные явления, шумы космического пространства, индустриальные помехи, помехи других каналов связи и пр. Внутренние помехи возникают вследствие дискретной природы заряженных частиц, а также из-за несовершенства аппаратуры. [4] Под действием помех сигнал, проходя через канал связи, искажается. Поэтому при организации канала связи важным фактором является повышение помехоустойчивости канала.

Радиолокационные системы (РЛС) имеют ряд необходимых, для их существования, факторов, одним из которых является помехозащищенность.

Помехозащищенность - свойство радиоэлектронной системы или средства выполнять функциональные задачи в условиях ведения противником радиолокационной войны. Помехозащищенность обеспечивается скрытностью и помехоустойчивостью радиоэлектронной системы.

Скрытность - свойство радиоэлектронной системы или средства противостоять добывания аппаратурой радиоэлектронной разведки противника данных, необходимых для создания эффективных радиопомех.

Помехоустойчивость - свойство радиоэлектронных систем или средств выполнять функциональные задачи с требуемым качеством при воздействии на них радиопомех.

Одной из основных задач системы радиосвязи является обеспечение эффективного функционирования на заданных расстояниях как при отсутствии помех, так и при их наличии. Для решения поставленных задач с минимальными энергозатратами, необходимо использовать узконаправленные антенные системы. В настоящее время в качестве таких систем используются фазированные антенные решетки, позволяющие не только центрировать передаваемую энергию в заданном направлении, но и проводить пространственное сканирование, «перенацеливая» диаграмму направленности (ДН) с одного абонента на другого [9]. В цифровой антенной решетке (ЦАР) к каждому излучающему элементу подключен приемопередающий модуль (ППМ), а диаграммообразование происходит на цифровом уровне. Подобная схема позволяет применять пространственно-цифровые методы обработки сигнала в таких системах и повышать помехоустойчивость и разведзащищенность устройства. Для систем радиосвязи рационально использовать кольцевые ЦАР с небольшим количеством излучающих элементов, которые позволяют проводить круговое сканирование при незначительных технических и материальных затратах [10].

К современным системам радиосвязи предъявляются высокие требования. В большинстве случаев от них требуется обеспечение высокой пропускной

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

способности, устойчивости и безопасности. [5] Высокая пропускная способность предполагает использование ультравысоких и сверхвысоких рабочих частот и широкополосных сигналов. Устойчивость определяется живучестью, помехоустойчивостью и надежностью. Безопасность включает в себя радиозащищенность. Вследствие этого современные средства радиосвязи 6-го поколения являются широкодиапазонными, созданы на принципах программно-определяемого радио и позволяют реализовывать системы радиосвязи в виде адаптивных к радиоэлектронной обстановке радиосетей. [6] В таких сетях могут быть использованы специальные виды сигналов и их ретрансляции. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней могут быть оптимизированы для обеспечения разведзащищенности сети. Это позволяет повысить энергетическую скрытность элементов радиосети и ограничить возможности радиотехнической разведки (РТР) и, соответственно, негативных воздействий на системы радиосвязи. Особое внимание отводится вопросам обеспечения конфиденциальности передаваемой информации при разработке систем радиосвязи. [7] Например, существуют и используются практически повсеместно различные методы технического маскирования речи, негармонические базисы формирования сигналов. Но такие методы явно указывают на сокрытие информации, что привлекает излишнее нежелательное внимание к радиоканалу. Также существуют такие методы маскировки как режимы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Такой способ маскировки в основном используется различными силовыми ведомствами, хотя в текущий момент ППРЧ проникает в массы и пользуется интересом у радиолюбителей. Еще одним эффективным средством защиты передачи цифровой информации от преднамеренных помех является применение сигналов с расширенным спектром, таких как шумоподобные сигналы (ШПС). Системы связи с расширением спектра оцениваются по многим критериям, например по помехоустойчивости и скрытности, скорости передачи, сложности реализации, емкости сети, проблеме ближний-дальний, популярности применения на практике того или иного метода. В условиях воздействия шумовой помехи во всей полосе помехоустойчивости одинаковых видов обработки (когерентной и некогерентной) ШПС и ППРЧ совпадают. Наихудшей помехой для ППРЧ является шумовая помеха в части полосы, которая по своей эффективности совпадает с наихудшей помехой для ШПС (импульсной помехой), где доля перекрытия спектра помехой в части полосы соответствует скважности импульсной помехи. [8]

На данный момент в радиолокации сформировалось своеобразное направление технологии Стеле, которое является результатом системного подхода к обеспечению высокой помехозащищенности радиоэлектронных средств (РЭС) за счет скрытности, поскольку традиционные методы и способы, основанные на разработке и реализации мер помехоустойчивости, к настоящему времени исчерпали себя.

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

Материальной основой обеспечения скрытности РЭС являются:

- разработка эффективных алгоритмов цифровой обработки сигналов;

- достижение в области вычислительной техники (создание высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных систем, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП));

- создание специального программно-математического обеспечения и стендового оборудования, позволяющего в полной мере реализовать концепцию программно-реконфигурируемого радио.

Благодаря этим достижениям появилась возможность реализовать в РЛС цифровую согласованную фильтрацию и когерентное накопление сигналов при приеме [11].

Системы радиолокации, построенные на базе этой технологии, называются LPI-радарами (Low Probability of Intercept Radar). Базовыми элементами этой технологии являются:

- формирование диаграммы направленности антенны (ДНА) с низким уровнем боковых лепестков;

- применение методов согласованной фильтрации и когерентного накопления при приеме;

- высокая скорость сканирования ДНА;

- использование «новых» диапазонов длин волн;

- адаптивная регулировка выходной мощности передатчика;

- высокая чувствительность приемника, обусловленная малыми собственными шумами;

- оптимизация спектрально-временной структуры зондирующих сигналов.

Смысл данной технологии в том, чтобы скрыть работу радара от средств

радиотехнической разведки под естественными шумами, в первую очередь за счет применения так называемых «сигналов с распределенным спектром».

Сигналы с распределенным спектром - это сигналы, энергия которых распределена не только во временной области, но и в частотной области, за счет внутриимпульсной модуляции известным для конкретного радара способом. При этом ширина полосы сигнала увеличивается с помощью расширяющей функции до максимально возможных пределов.

Прием сигналов с распределенным спектром осуществляется методами согласованной фильтрации и когерентного накопления, позволяющие выделить их из естественных шумов.

Применение сигналов с распределенным спектром могут резко понизить импульсную мощность передатчика. При этом средняя мощность излучаемой энергии остается на уровне, необходимом для обнаружения заданных целей.

«

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

Литература:

1. Васин В.А., Калмыков В.В. Радиосистемы передачи информации. 2005.

2. Учебное пособие для радиолюбителей. Радио химия. - URL: http://www.radio-schemy.ru/beginner/lesson-radio/491 -lesson 10-radio .html

3. URL: https://secandsafe.ru/stati/sputnikovyy_monitoring/peredacha_radiosignala

4. URL: http://jstonline.narod.ru/rsw/rsw_aO/rsw_aOaO/rsw_aOaOe.htm

5. Дворников C.B., Манаенко С.С., Дворников С.С. Параметрическая мимикрия сигналов, модулированных колебаниями и сформированных в различных функциональных базисах II Теория и техника радиосвязи. 2015.

6. Макаренко С.И., Иванов М.С., Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты: монография, 2013.

7. Дворников C.B., Кудрявцев А.М, Симонкавичюс Д.П., Тихонов С.С. Аналитический аппарат поиска сигналов с ППРЧ II Теория и техника радиосвязи. 2017.

8. Чаркин Д.Ю., Алехин С.Ю., Григорьев Е.В., Лимарев А.Е., Прохоров В.Е. Сравнительный анализ помехоустойчивости и скрытности различных методов расширения спектра сигналов II Теория и техника радиосвязи. 2017.

9. Аверина Л.И., Шапошникова Ж.В., Аверина Е.В., Левенков Н.О. Влияние отказов приемопередающих модулей кольцевой цифровой антенной решетки на ее основные характеристики II Теория и техника радиосвязи. 2017.

10. Аверина Л.И., Гриднев A.A., Корольков М.А., Никитенко Е.П., Шапошникова Ж.В. Увеличение помехоустойчивости системы радиосвязи за счет амплитудно-фазового синтеза кольцевой антенной решетки II Теория и техника радиосвязи. 2016.

11. Култышев H.A., Суворов А.Ф. Пути повышения скрытности радиолокационных систем обзора морской поверхности II Вопросы радиоэлектроники. 2017.

63