CC BY
129
УДК 621.396.62
ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ СВЯЗИ
С ЗАШУМЛЕНИЕМ
С.Н. Панычев, С.В. Канавин
В статье рассматривается процедура оптимизации передачи и обработки сигналов в канале связи с зашумлени-ем. Предложены структурные схемы основных элементов передающих и приемных устройств канала связи с зашум-лением
Ключевые слова: квадратурный формирователь, оптимальный обнаружитель, фазомодулированная шумовая помеха
В современном обществе в связи с развитием новых информационно-телекоммуникационных
технологий возникает проблема защиты информации, циркулирующей в каналах телекоммуникационных систем.
Анализ угроз информационной безопасности показывает, что при необходимости защиты конфиденциальных данных в каналах связи используют методы зашумления и маскирования. В связи с этим задача совершенствования методов защиты информации в каналах связи путем их зашумления является актуальной.
В данной статье приводится обоснование структурной схемы канала связи с зашумлением, в котором происходит скрытая передача и прием полезного сигнала. Маскирование полезного сигнала производится мощным узкополосным фазомодули-рованным помеховым сигналом.
Известен способ скрытной передачи информации в канале связи [1], где для эффективного маскирования информационного сигнала в канале связи в передающем тракте полезный сигнал синхронно суммируется с мощным помеховым сигналом. В приемном тракте сигнал отделяется от помехи на основе известного закона формирования зашумлляющего сигнала.
На основе этого способа была разработана функциональая схема канала связи с зашумлением, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема канала связи с за-шумлением
Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, e-mail: [email protected] Канавин Сергей Владимирович - ВИ МВД России, адъюнкт, e-mail: [email protected]
Обозначения на рис. 1:
1 - Г енератор опорного сигнала;
2 - Формирователь ФМ - помеховых сигналов;
3 - Сумматор;
4 - Линии, каналы связи;
5 - Оптимальный обнаружитель на базе корреляционной схемы обработки.
В передающей части полезный сигнал $(ґ) линейно суммируется с маскирующим фазомоду-лированным помеховым сигналом п(ґ). После этого аддитивная смесь поступает на вход антенны и передается по линии связи, в общем случае по радиолинии. На приемной стороне используется оптимальный обнаружитель для извлечения полезного сигнала $ (Ґ ) из замаскированного У (ґ).
Описание передающей части канала связи
Основным блоком передающей части канала связи с зашумлением является формирователь узкополосных фазомодулированных сигналов, отвечающий за генерирование помеховой составляющей. Подробно он рассмотрен в работах [2,3]. Известно, что узкополосные шумовые помехи с угловой модуляцией, несмотря на малую ширину излучаемого спектра частот, обеспечивают, (в отличие от широкополосных помех) более высокие маскирующие свойства в части подавляемой полосы за счёт совпадения их характеристик с характеристиками модулирующего шума.
Формирователь узкополосных ФМ - сигналов с использованием квадратурного метода, основан на нелинейном расширении спектра модулирующего напряжения и квадратурного сложения высокочастотных составляющих. Структурная схема КФМ квадратурного фазового модулятора на базе балансных модуляторов в квадратурных каналах приведена на рис. 2.
На рис. 2 приведены следующие обозначения: ГВЧ - генератор высокой частоты, ИМС - источник модулирующего сигнала, БМ1, БМ2 - балансные модуляторы (высокочастотные перемножите-
ли), ФВ п/2 - фазовращатель на п/2, С - линейный сумматор, ВКФ - вычислитель функции со&(х), вычислитель функции $т(х). Алгоритмы работы схемы, амплитудные и фазовые модуляционные характеристики устройства, а также исследование параметрической чувствительности характеристик приведены в монографии [4].
Сформированный таким образом в КФМ маскирующий сигнал обладает ярко выраженными шумоподобными свойствами.
После того как узкополосный фазомодулиро-ванный помеховый сигнал сформирован в КФМ, он в сумматоре складывается с полезным сигналом и на выходе сумматора получаем аддитивную смесь полезного сигнала маскированного узкополосной маскирующей помехой. Применение указанной схемы обеспечивает формирование маскирующего шума в передатчике (рис.2).
| х(ґ) • у(і)йі, (1)
где х(*) - ожидаемый полезный сигнал; у(*) - принимаемое колебание, представляющее собой аддитивную смесь маскирующего шума Пт (*) и полезного принимаемого сигнала
$(*), собственных шумов приемника Пс (*) с истинными параметрами.
х(*) = Пт (*) + пс (*) + А • $ (*). (2)
Параметр А принимает значения 1 (полезный сигнал есть в шуме) и 0 (полезного сигнала нет).
Применим корреляционный способ выделения сигнала для нашего канала связи с зашумлени-ем. С этой целью используем усовершенствованную схему оптимального корреляционного обнаружителя, рассмотренную в работе [5]. Структурная схема коррелятора представлена на рис.3.
Канал 1
Интегратор 1
*
Устройство _________^ Пороговое
вычитания устройство
Рис. 2. Структурная схема КФМ на базе балансных Умножитель 2 ""г"2
модуляторов "
Описание приемной части канала связи
Для эффективного извлечения полезного сигнала из смеси собственных шумов приемника и шумоподобного маскирующего сигнала широко применяется корреляционная схема обработки. Особенностью работы корреляционной схемы является то, что при корреляционном перемножении двух сигналов у (*) и Х(*) на выходе корреляционного перемножителя происходит значительное возрастание амплитуды сигнала. Увеличение отношения сигнал/(шум+помеха) тем больше, чем более сильна корреляционная зависимость двух перемножаемых сигналов, один из которых является опорным.
Общепринятым критерием оптимального обнаружения сигналов на фоне шума служит критерий отношения правдоподобия (критерий минимума среднего риска). Практическое применение критерия сводится к вычислению отношения правдоподобия и сравнению его с определенным порогом, величина которого определяет вероятность ложной тревоги. Решение о наличии сигнала принимается, если отношение правдоподобия превышает пороговую величину, в противном случае принимается решение об отсутствии сигнала.
Отношение правдоподобия является монотонной функцией корреляционного интеграла. Корреляционный интеграл сигнала с полностью известными параметрами определяется выражением.
Рис. 3. Структурная схема оптимального обнаружителя
Основными элементами схемы, приведенной на рис. 3, являются умножители, интеграторы, устройство вычитания и пороговое (решающее) устройство.
На первый умножитель совместно с принимаемой смесью у () подается опорное колебание собственной помехи п(1)
На второй умножитель основного приёмного канала 2 вместе с колебанием У (*) поступает опорное колебание $ (*).
Непосредственное интегрирование произведений пт (*) У (* ) и $(*) • У () дает значения корреляционных интегралов в соответствующих каналах устройства приема и обработки сигналов.
Результирующий корреляционный интеграл 2р (* ) = 7 2 (*)- 71 (*) на выходе вычитающего
устройства содержит информацию о полезном сигнале.
Сигнальная составляющая А ^ $ 2( 1)$1 корреляционного интеграла 7 (*) определяется энер-
гией принимаемого в смеси полезного сигнала. Чем больше значение (*), тем выше вероятность
правильного обнаружения РПО при фиксированном значении вероятности ложной тревоги РЛО .
Последняя однозначно связана с уровнем порога, устанавливаемого для принятия решения о наличии полезного сигнала.
Практика последнего десятилетия показывает, что шумоподобные системы обеспечивают на порядок более эффективное использование радиочастотного спектра и географического и временного радиопространства. Это направление развития представлено сегодня ОР8-навигацией, СБЫА-телефонией, ИШБ-системами локального позиционирования компании Тте-Бошат и т.п. А представленная схема канала с зашумлением может найти свое применение в реализации линий конфиденциальной радиосвязи.
Характерным отличием рассмотренной схемы корреляционной процедуры извлечения полезного сигнала из помех и маскирующего шума является то, что в ней используется в качестве опорного сигнала не только копия полезного сигнала (как в традиционных схемах), но и опорная маскирующая фазомодулированная шумовая помеха. С целью вычитания маскирующего шума из результирующей смеси помеха+сигнал+маскирующий шум в схеме применено вычитающее устройство.
Выводы
Таким образом, практическое применение формирователя маскирующего фазомодулирован-
ного помехового шума в передающей части канала связи и применение усовершенствованной корреляционной схемы извлечения полезного в приемной части канала связи обеспечивают передачу полезной информации на фоне искусственно организованных шумовых помех. При этом оптимизация передачи информации, в каналах связи с зашумле-нием обеспечивается путем оптимальной фильтрации сигналов в канале. Наиболее целесообразно привлечение такого методического подхода в современных цифровых телекоммуникационных системах.
Литература
1. Заявка ФРГ БЕ 3605350 А1, Н 04 1/02. 1987
2. Шерстюков С.А., Недомолкин В.В., Канавин С.В., Недомолкина Т.В. Экспериментальное исследование и моделирование квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения в режиме импульсношумового модулирующего воздействия // Вестник Воронежского государственного технического университета / ВГТУ. - Воронеж, 2010. - том 6. - № 6. - С. 136-141.
3.Шерстюков С.А. Теория и применение квадратурных формирователей радиосигналов с угловой модуляцией: Монография / С. А.Шерстюков, Н.С.Хохлов, С.С. Никулин - Воронеж: «Научная книга», 2009 - 144с.
4. Квадратурные формирователи радиосигналов: Монография / Попов П.А., Шерстюков С.А., Жайворонок Д.А., Ромашов В.В.; Под ред. П.А. Попова. - Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2001. - 176 с.
5. Панычев С.Н. Нелинейные радиоизмерения и контроль характеристик изделий военной электроники: Монография/ С.Н. Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004.-178с.
Воронежский государственный технический университет
Воронежский институт Министерства внутренних дел Российской Федерации
OPTIMIZATION OF TRANSMITTING AND RECEIVING INFORMATION IN A COMMUNICATION CHANNEL WITH NOISY
S.N. Panichev, S.V. Kanavin
The article shows how to optimize the transmission and processing of signals in the channel due to noise pollution. The structural scheme of the main elements of transmitting and receiving devices, a communication channel with noise pollution
Key words: the quadrature shaper, the functional converter of a modulating voltage, phase modulated noise interference
