Формирование и обработка маскирующих радиопомех в защищенных каналах связи

На правах рукописи

Канавин Сергей Владимирович ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА МАСКИРУЮЩИХ РАДИОПОМЕХ В ЗАЩИЩЕННЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2012 2

Работа выполнена в Воронежском институте МВД России.

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Панычев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

Тихомиров Николай Михайлович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Концерн «Созвездие», начальник научно-технического управления Макаров Олег Юрьевич, доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет, профессор кафедры конструирова ния и производства радиоаппаратуры

Ведущая организация: ФКУ НПО «Специальная техника и связь МВД России» (г. Москва)

Защита состоится « 19 » марта 2013 года в 14 часов, в ауд. № 215 / 1 корп.

на заседании диссертационного совета Д 203.004.01 в Воронежском институте МВД России по адресу: 394065, г. Воронеж, пр. Патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Голубинский Андрей Николаевич Актуальность темы. В настоящее время идет интенсивное развитие инфо коммуникационных систем различного назначения, использующих радиоканал как среду для передачи данных. При этом применяют комплекс технических и организа ционных мероприятий, направленных на повышение скрытности полезного сигнала в радиоканале. В совокупности эти мероприятия называют радиомаскировкой.

Целью радиомаскировки является защита сигнальной информации в каналах связи.

Вопросы маскирования полезных сигналов искусственными помехами в кана лах радиосвязи рассматриваются в работах Цветнова В.В., Демина В.П., Куприянова А.И., Шустова Л.Н., Вакина С.А., Палия А.И., Максимова А.И., Борисова В.И., Зинчука В.М., Лимарева А.Е., Тихомирова Н.М., Нечаева Ю.Б. и др.

Маскирование осуществляют в зависимости от информационных параметров полезного сигнала по несущей частоте, амплитуде, фазе и спектру. В результате маскирования ухудшаются параметры обнаружения, увеличиваются ошибки опре деления параметров сигналов. Эффективность маскирующих радиопомех зависит от частотной и временной структуры помехового и полезного сигналов и их энергети ческого соотношения на входе приемника.

Для осуществления радиомаскировки используют аддитивные и мультиплика тивные маскирующие и имитирующие помеховые сигналы.

В целях радиомаскировки применяют как заградительные, так и прицельные по частоте радиопомехи. С точки зрения качества помехи предпочтительными явля ются прицельные помехи, поскольку они характеризуются большей спектральной плотностью мощности.

В интересах радиомаскировки линий связи в последнее время широко приме няют также узкополосные искусственные шумовые помехи с угловой модуляцией, обладающие хорошими маскирующими свойствами. При этом методы формирова ния сигналов радиопомех основаны на квадратурных схемах с амплитудной частот ной и фазовой модуляцией.

В концепции развития подвижной связи органов внутренних дел Российской Федерации приоритетными направлениями являются повышение эффективности и помехозащищенности радиосредств. В рамках этой тенденции развития актуальны задачи совершенствования способов формирования и передачи сигналов и помех в каналах с радиомаскировкой, а также разработки методов оптимального приема и извлечения информации при наличии искусственных помех в каналах связи.

В связи с тем, что происходит усложнение структуры передаваемого сигнала и элементной базы приемо-передающей аппаратуры, методы формирования маски рующего сигнала и скрытной передачи информации постоянно претерпевают изме нения.

Все вышеизложенное подтверждает актуальность темы диссертации.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ: «Исследование эффективности функционирования, информационной безопасности и живучести информационно-телекоммуникационных систем органов внутренних дел в условиях конфликтного взаимодействия», «Исследование помехозащищенности цифровых систем радиосвязи ОВД в условиях информационного конфликта», «Исследование эффективности функционирования, живучести и скрытности систем управления ОВД на базе цифровых транкинговых систем радиосвязи», выполненных на кафедре инфокоммуникационных систем и технологий Воронежского института МВД России.

Цель работы. Целью исследования является совершенствование методов формирования маскирующих радиопомех для повышения качества защищенных ка налов связи и развитие метода обработки сигналов в канале связи с зашумлением.

Для достижения цели диссертационного исследования возникла необходи мость решить следующие основные задачи:

1. Разработать и исследовать способ формирования маскирующего помехово го радиосигнала на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией.

2. Обосновать способы применения маскирующих радиопомех применительно к задаче маскирования сигналов в типовом защищенном канале радиосвязи.

3. Разработать методику оценки качества сформированного помехового мас кирующего радиосигнала по энтропийному критерию качества шума и оценить эффективность маскирующих помех для типовых каналов связи.

4. Разработать модель канала связи с зашумлением посредством применения маскирующих помех.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использо ваны методы теории формирования радиосигналов, статистической радиотехники, теории информации, оптимального приема и обработки сигналов, схемотехническо го моделирования.

Научная новизна работы состоит в том что в ней:

1. Разработан и исследован способ формирования маскирующих помеховых сигналов на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией, в которой осуществ лено формирование маскирующих ФМ сигналов на основе нелинейного расширения спектра модулирующего напряжения и квадратурного сложения высокочастотных составляющих.

2. Предложены структурная схема и алгоритм обнаружения сигнала в канале связи с зашумлением применительно к задаче обнаружения бинарного сигнала на фоне узкополосного шума с угловой модуляцией, в котором применен информа ционный критерий качества обнаружения.

3. Разработана методика оценки качества маскирующих помеховых сигналов в каналах связи, в которой использован энтропийный коэффициент качества маски рующей помехи.

4. Разработана имитационная модель формирования радиопомех в каналах связи с использованием узкополосной ФМ помехи для маскирования защищенного канала связи.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ формирования маскирующих узкополосных помеховых сигналов на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией и результаты экспериментального исследования.

2. Структурная схема и алгоритм оптимального обнаружения сигнала в канале связи с зашумлением на фоне узкополосного шума с угловой модуляцией с приме нением информационного критерия качества обнаружения и новой статистической процедуры различения сигналов и помех путем количественного определения раз личия плотностей вероятностей распределения их информационных параметров.

3. Методика оценки качества маскирующих помеховых сигналов и методика выделения полезного радиосигнала из маскирующих помех на основе анализа их статистических характеристик.

4. Имитационная модель формирования узкополосных ФМ радиопомех в канале связи с зашумлением.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заклю чается в том, что в ней обоснованы технические предложения по разработке уст ройств формирования и обработки сигналов, сформированных квадратурными мо дуляторами узкополосных помех в каналах с радиомаскировкой, разработаны алго ритмы функционирования устройств. Полученные результаты могут быть использо ваны при разработке требований к перспективным средствам скрытной радиосвязи.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационного исследования использованы в научных исследованиях Воронежского института МВД России, внедрены в деятельность Департамента информационных технологий, связи и защиты информации МВД России, в учебный процесс Воронежского института МВД России для курсантов и слушателей специальности «Защищенные системы связи».

Апробация работы. Основные положения диссертации работы докладыва лись и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях «Акту альные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникацион ных систем» (Воронеж, 2009 – 2012 гг.);

на Международных научно-практических конференциях «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2011, 2012 гг.);

на Между народной научно-практической конференции «Техника и безопасность объектов УИС», (Воронеж, 2011 г.);

на Всероссийском научно-техническом семинаре под руководством В.В. Шахгильдяна (Москва, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ. Работы [1-5] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

В работах, выполненных в соавторстве, лично соискателем: в [1] – разработа на схемотехническая модель КФМ, получены результаты экспериментального и схемотехнического моделирования;

в [2, 3] – получены результаты моделирования квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразова телями при модулирующем воздействии в виде частотно-манипулированного поло сового шума при различных значениях индексов модуляции;

в [4] – получены результаты воздействия узкополосного гауссовского случайного процесса на квад ратурный фазовый модулятор;

в [5] – предложена функциональная схема системы связи с зашумлением и структурные схемы формирователя маскирующей помехи и оптимального обнаружителя;

в [6] – предложена процедура оптимизации передачи и обработки сигналов в канале связи с зашумлением;

в [8] – представлен результат воздействия частотно-модулированной шумовой помехи на узкополосную систему цифровой радиосвязи;

в [9, 10] – предложен частотно-модулированный формирова тель помехового радиосигнала;

в [12] – предложены способ и устройство радиопо давления каналов связи;

в [13-17] – неразделенное соавторство соискателя и научно го руководителя.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссер тации составляет 158 страниц, включая 109 иллюстраций, 3 таблицы, список литера туры из 116 наименований на 10 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуаль ность темы, определена цель, на решение которой направлено диссертационное исследование, приведены научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также представлены основные научные положения и наиболее существен ные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе осуществлен анализ современного состояния теории и техни ки формирования и обработки маскирующих радиопомех в каналах связи. Рассмот рены способы маскирования полезных сигналов в каналах связи с помощью маски рующих активных помех. Рассмотрены вопросы проблематики оперативно технической скрытности и защиты информации в каналах радиосвязи. Приведены результаты анализа новых и перспективных способов маскирования радиоканалов по материалам патентного поиска. Проведен сравнительный анализ существующих методов и техники маскирования сигналов в каналах радиосвязи, а также осуществ лена постановка научной задачи исследования.

Проведен детальный анализ следующих видов помех: непрерывные шумовые, хаотические импульсные и последовательности детерминированных импульсных сигналов. Наилучшей помехой является гауссов шум, так как он обеспечивает ми нимально возможное отношение сигнал/помеха (с/п) и обладает наилучшими маски рующими свойствами. Однако, на практике, для маскирования радиосигналов в ка налах радиосвязи используют помехи, отличные от гауссовых, это позволяет снизить энергетические требования и упростить техническую реализацию формирователя маскирующих радиопомех.

Идеальная шумовая помеха с точки зрения информационного критерия эффективности должна иметь нормальную (гауссову) плотность распределения мгновенных значений и равномерный энергетический спектр в заданной полосе частот f п. В наибольшей степени к такой помехе приближается прямошумовая по меха, которая получается за счет прямого усиления шума первичного высокочастот ного источника (например, шумящего генератора) либо за счет переноса спектра шума, создаваемого низкочастотным источником, в заданную высокочастотную область. Такой шум по свойствам напоминает гармонический сигнал, случайно модулированный по амплитуде и фазе:

(t )], (1) U (t ) U 0 (t ) cos[ t гдеU 0 (t ) и (t ) – медленно меняющиеся функции по сравнению с cos 0t.

Энтропийный коэффициент качества прямошумовой ограниченной помехи 0,7...0,8.

эн Спектральный коэффициент качества помехи сп определяется как:

S пш max S пш min 1 0,96, (2) сп S пш max S пш min где S пшmax, S пшmin – максимальное и минимальное искажения спектральной плотно сти помехи. Неравномерность спектра помехи учтена в пределах эффективной ши Fm Fm рины спектра f п, где Fm ширина спектра.

fп fп 2 Результирующий коэффициент качества этой помехи: 0,7...0,8.

эн сп Шумовые помеховые сигналы обеспечивают принципиальную возможность маскировки полезных сигналов любой структуры и формы. Если помеховый сигнал представляет собой белый гауссов шум, то вероятность правильного обнаружения полезного сигнала в шумах на выходе оптимального приемника определяется только отношением энергии сигнала Е к спектральной плотности мощности шума G и не зависит от формы сигнала. Более того, как показывает теория обнаружения сигналов в смеси с шумом, пороговое отношение ( E / G) пор, соответствующее заданной веро ятности обнаружения при некоторой вероятности ложной тревоги, не зависит и от реализованного способа оптимальной обработки сигнала. Поэтому при создании эффективных шумовых помех необходимо и достаточно обеспечить лишь опреде ленное значение отношения E / G, соответствующее допустимому значению веро ятности правильного обнаружения полезного сигнала и заданной вероятности лож ной тревоги.

Так как плотность распределения мгновенных значений реальной амплитудно модулированной шумовой помехи (АМШП) в канале не является гауссовой, то маскирующие способности такой помехи ниже, чем у прямошумовой. Теоретически рассчитанный энтропийный коэффициент качества такой помехи низок, это ог раничивает ее практическое применение в каналах связи с зашумлением. Из-за малых значений энтропийного коэффициента качества энам 0,3 и спектрального коэффициента качества спам 0,3 результирующий коэффициент качества АМШ помехи имеет весьма низкое значение: ам 0,1, вследствие чего спам энам АМШП является наихудшей с энтропийной точки зрения по маскирующим свойствам. Вместе с тем, асимметричный характер плотности распределения вероятностей (ПРВ) АМШП можно использовать для эффективной маскировки АМ сигналов, передаваемых и принимаемых без ограничения амплитуды.

Для маскирования линий радиосвязи с сигналами с аналоговой несущей все более широко применяют частотно-модулированные шумовые помехи (ЧМШП) и фазомодулированные шумовые помехи (ФМШП). Несмотря на низкий коэффициент качества спфм, ФМШП находит практическое применение вследствие простоты реализации и возможности получения достаточно равномерного спектра. С ростом индекса ФМ спектр расширяется, а мощность боковых составляющих спектра по вышается за счет «перекачки» энергии несущей в боковые полосы. Узкополосные помехи с угловой модуляцией, в отличие от широкополосных, обеспечивают более высокие маскирующие свойства. При использовании зашумления канала радиосвязи узкополосными маскирующими помеховыми сигналами радиус действия системы связи уменьшается на 19%, а скрытность значительно улучшается.

Использование таких маскирующих помех эффективно для обеспечения скрытности радиоканала, а переход в практических задачах к негауссовым видам помеховых колебаний реализуется узкополосным шумовым процессом гармониче ского сигнала высокочастотного генератора, что обеспечивает возможность эффек тивного маскирования канала связи.

Во второй главе проведено исследование и разработка квадратурного форми рователя помеховых маскирующих радиосигналов с угловой модуляцией.

Исследования по данной тематике проводились Самойловым Г.П., Асеевым Б.П., Артымом А.Д., Поповым П.А., Шерстюковым С.А., Хохловым Н.С., Леньшиным А.В. и др.

Главным достоинством квадратурных фазовых модуляторов (КФМ) является возможность осуществлять модуляцию в широком диапазоне изменения частоты не сущего колебания без перестройки схемы ввиду отсутствия в ней реактивных эле ментов. Общим недостатком КФМ, использующих преобразования балансно модулированного и амплитудно-модулированного колебаний в фазомодулирован ный сигнал, является невозможность получения фазомодулированного сигнала с большим индексом модуляции, так как при увеличении индекса модуляции в КФМ возникают амплитудные и фазовые искажения. Для эффективной компенсации пара зитной модуляции необходимо применять комбинирование методов амплитудно фазового управления с методами векторного сложения сигналов, когда амплитудные модуляторы или фазовращатели могут быть выполнены с использованием принципа квадратурного сложения сигналов. При выполнении квадратурного сложения сигна лов в каждом из каналов может использоваться амплитудно-фазовое управление, а воздействие паразитного откло U1 U ГВЧ БМ нения в этом случае не будет за висеть от природы искажающего U ec фактора.

U ФВ /2 БМ2 С В работе проведено экспе es cos(x) риментальное исследование Uвых ИМС структурной схемы КФМ на базе ec Е0 = 1В балансных модуляторов в квад С - e / ратурных каналах с аналоговыми e2/ функциональными преобразова e телями модулирующего напря ПС1 АТ1 ИНВ жения (АФПМН) (рис. 1), реали - e3/ e3/ зующей индекс фазовой модуля e ции m /2. На рис. 1 обозначе ПС2 АТ2 ИНВ но: ГВЧ – генератор высокой sin(x) частоты, ИМС – источник моду e / e лирующего сигнала, БМ1, БМ2 – ПС3 АТ балансные модуляторы (высоко частотные перемножители), ФВ e5/120 С e /2 – фазовращатель на /2, ПС4 АТ С1, С2, С3 – линейные суммато Рис. 1. Структурная схема КФМ на базе ры, ПС1 – ПС4 – низкочастотные балансных модуляторов КФМ на базе балансных модуляторов Рис. 1. Структурная схема в квадратурных каналах и перемножители, E0 – источник в квадратурных каналах и АФПМН, формирующего без АФПМН, формирующего без искаженийm/2 ФМ искажений ФМ сигнал с индексом модуляции постоянного напряжения, АТ1 – сигнал с индексом модуляции m/ АТ4 – аттенюаторы, ИНВ1, ИНВ2 – инверторы. В соответствии с этой структурной схемой была разработана и реализована принципиальная электрическая схема КФМ, представленная на рис. (а – низкочастотная часть и б – высокочастотная часть). Принципиальная схема со стоит из аналоговых прецизионных перемножителей сигналов К525ПС3Б, операци онных усилителей TLC084, диапазонного симметрирующего трансформатора ETC1-1-13 (диапазон 4,5 – 3000 МГц), радиочастотной интегральной микросхемы векторного модулятора HPMX2005 (диапазон 25 – 250 МГц);

а 4,5...3000 МГц СЧ 5 U0 1 HPMX ФМ 50 14 БСВМ 4 3 ETC1-1- 10 к 1: 10 к 2,5V 2 10 к COS DA1 3 2,5V+U1 +5 V SO - при f = 140 – 10 к 250МГц 2,5V DA2, DA2 - TL084 (К1401УД2Б) 10 к SIN 6 U1 = 0,75 V U0 = -12dBm (58 mV) 10 к 2,5V+U DA 10 к +5 V 5 Uвых = -5 dBm (125 mV) 10 к б Рис. 2. Принципиальная электрическая схема КФМ, реализующая индекс фазовой модуляции /2: а – низкочастотная часть, б – высокочастотная часть m Функциональные схемы экспериментальных установок для проверки КФМ в режиме формирования ФМ сигнала с использованием АФПМН при заданном ин дексе модуляции m =/2, представлены на рис. 3 а, б. Параметры испытательных сигналов: значения частот несущего и модулирующего колебаний выбраны равными 30 МГц и 1 кГц соответственно;

амплитуда модулирующего напряжения e =1,57В, что соответствует m = /2;

амплитуда высокочастотного напряжения 56 мВ. Измере ния проводились при температуре 250С.

e3 e При этом использованы аппроксимирующие полиномы sin( x) e и 3! 5!

e2 e.

cos( x) 2! 4!

Универсальный Анализатор НЧ генератор спектра HP8657B HP8959A HP3245A HP8959A COS HPMX Исследуемый HP6626A СКП АФПМН HP3245A SIN Источник постоянного тока Осциллограф Agilent D HP6626A б а Рис. 3. Функциональные схемы экспериментальных установок для исследования принципиальной электрической схемы КФМ в режиме формирования узкополосного фазомодулированного помехо вого радиосигнала с индексом m =/2: а – для исследования ВЧ части: HP8657B – ВЧ генератор, HP3245A – универсальный НЧ генератор, HP8959A – анализатор спектра, HP6626A – источник по стоянного тока;

б – для исследования АФПМН: дополнительно осциллограф Agilent D3000.

На рис. 4 – 9 представлены результаты измерений экспериментального иссле дования в сравнении с результатами моделирования КФМ с АФПМН на выходах следующих функциональных блоков структурной схемы (рис. 1): ПС1 – ПС4, С (выход косинусного преобразователя), С2 (выход синусного преобразователя), С (высокочастотный выход КФМ). На рисунках слева вверху изображены осцилло граммы напряжения, справа вверху – временные диаграммы, полученные в резуль тате схемотехнического моделирования в программе OrCAD 9.1, слева внизу – экс периментальные спектры, справа внизу – спектры, полученные в результате схемо технического моделирования в программе OrCAD 9.1.

Рис. 6. Результаты экспериментального ис Рис. 4. Результаты экспериментального ис следования (слева) и моделирования (справа) следования (слева) и моделирования (справа) КФМ при U=1,57 В: на выходе ПС КФМ при U=1,57 В: на выходе ПС Рис. 7. Результаты экспериментального ис Рис. 5. Результаты экспериментального ис следования (слева) и моделирования (справа) следования (слева) и моделирования (справа) КФМ при U=1,57 В: на выходе ПС КФМ при U=1,57 В: на выходе ПС Рис. 9. Результаты экспериментального ис следования (слева) и моделирования (справа) Рис. 8. Результаты экспериментального ис следования (слева) и моделирования (справа) КФМ при m /2: ФМ-сигнал на выходе КФМ при U=1,57 В: на выходе С2 (выход си- векторного модулятора HPMX нусного преобразователя) Практическая ширина полосы частот, занимаемая ФМ сигналом, составляет 8 кГц, при учте составляющих спектра с амплитудами не менее 1 % от амплитуды немодулированного сигнала, что совпадает с теоретической шириной полосы частот.

Имеющая место допустимая (порядка 3 %) паразитная амплитудная модуляция (рис. 9, слева вверху), возникает вследствие: 1) неточности функционального преоб разования модулирующего напряжения (порядка 1 %);

2) утечки напряжения несу щей частоты во входных транзисторных цепях микросхемы векторного модулятора;

3) отклонения в пределах 1 – 2 мВ режима по постоянному току на симметричных входах для подачи модулирующих напряжений;

4) модуляционной погрешности из-за неточности сдвига фазы несущего колебания на /2, а также неточностей перемножения, суммирования и усиления в микросхеме HPMX2005.

Важно отметить, что перечисленные выше дестабилизирующие факторы незначи тельно влияют на появление паразитной фазовой модуляции (рис. 9, слева внизу) (порядка 1,5 %), обычно проявляющейся в виде дополнительных комбинационных составляющих частот и нарушении пропорций между амплитудами гармоник спектра выходного ФМ сигнала. На этом же рисунке видно, что огибающая спектра ФМ сигнала имеет симметричную относительно несущей частоты выходную форму.

Полученные результаты подтверждают высокую эффективность и точность формирования ФМ сигналов с использованием квадратурного метода, основанного на нелинейном расширении спектра модулирующего напряжения и квадратурного сложения высокочастотных составляющих.

Разработанное устройство квадратурного формирователя узкополосных фазо модулированных помех может найти применение в технике радиоэлектронного мас кирования каналов систем радиосвязи. Основным блоком передающей части канала связи с зашумлением является формирователь узкополосных фазомодулированных сигналов, отвечающий за гене U рирование помехи. Формиро U ГВЧ БМ ватель узкополосных ФМ сигналов с использованием U U квадратурного метода постро ФВ/2 БМ2 С ен с использованием нелиней ec ного расширения спектра мо ВКФ дулирующего напряжения и es квадратурного сложения высо ИМС кочастотных составляющих.

ВСФ Структурная схема КФМ на базе балансных фазовых моду Рис. 10. Структурная схема КФМ на базе балансных ляторов в квадратурных кана модуляторов лах приведена на рис. 10, на котором обозначено: ГВЧ – генератор высокой частоты, ИМС – источник моду лирующего сигнала, БМ1, БМ2 – балансные модуляторы (высокочастотные перемножители), ФВ /2 – фазовращатель на /2, С – линейный сумматор, ВКФ и ВСФ вычислители функций cos(x), sin(x).

После того как узкополосный фазомодулированный помеховый сигнал сформирован в КФМ, он в сумматоре суммируется с полезным сигналом и затем на выходе смесителя получается аддитивная смесь полезного сигнала с маскирующей узкополосной помехой. Сформированная таким образом в КФМ маскирующая помеха обладает ярко выраженными шумоподобными свойствами и имеет высокий коэффициент качества шума.

В третьей главе приведены результаты разработки способов оптимальной обработки сигналов на фоне маскирующих помех в каналах связи. В ней приводится описание процедуры разработки устройства оптимальной обработки сигналов в канале связи с зашумлением.

Критерием оптимального обнаружения сигналов на фоне маскирующего шума выбрано отношение правдоподобия. 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 (3) Z y(t ) x(t )dt, где y(t) – ожидаемый полезный сигнал;

x(t) – принимаемое колебание, представ ляющее собой аддитивную смесь маскирующего шума M (t ) и полезного прини маемого сигнала, собственных шумов приемника n(t ) с истинными параметрами.

x(t ) AU (t ) M (t ) n(t ). (4) Параметр A принимает значения 1 (полезный сигнал есть в шуме) и 0 (полезного сигнала нет).

В диссертации применен корреляционный способ выделения сигнала в канале связи с зашумлением. Для повышения качества различения сигнала на фоне маски рующего ФМ шума в схему введен дополнительный блок измерения энтропии.

Структурная схема такого корреляционного обнаружителя представлена на рис. 11.

M(t) Канал Интегратор Умножитель A=1 (Есть Y(t) сигнал) Пороговое Блок Устройство устройство измерения вычитания A=0 (Нет сигнала) энтропии Умножитель 2 Интегратор Пороговое Канал 2 значение энтропии U(t)+n(t) Рис. 11. Структурная схема корреляционного обнаружителя На первый умножитель совместно с принимаемой смесью Y t подается опорное колебание собственной помехи M(t). На второй умножитель основного примного канала 2 вместе с колебанием Y t поступает опорное колебание U(t).

Непосредственное интегрирование произведений M (t ) Y t и U(t) Y t дает значе ния корреляционных интегралов в соответствующих каналах устройства приема и обработки сигналов. Результирующий корреляционный интеграл Z1 t на выходе вычитающего устройства содержит информацию о Zp t Z2 t полезном сигнале. Сигнальная составляющая A U 2 (t )dt корреляционного инте грала Z р t определяется энергией принимаемого в смеси полезного сигнала. Далее происходит измерение энтропии. Чем больше значение энтропии, тем выше вероят ность правильного обнаружения PПО при фиксированном значении вероятности ложной тревоги PЛО. Последняя однозначно связана с уровнем порога, устанавли ваемого для принятия решения о наличии полезного сигнала.

При оптимальной вероятностной фильтрации сигналов, важнейшими обна ружительными процедурами являются измерение плотности распределения вероят ностей (ПРВ) шумов их смеси с сигналом, расчет энтропии указанных ПРВ и их раз личение с помощью пороговой процедуры. В соответствии с этим алгоритмом структурная схема оптимального вероятностного фильтра имеет вид, представлен ный на рис. 12.

Измеритель Измеритель энтропии ПРВ НС ( х) Н МШ ( х) PС ( х) PМШ ( х) Генератор решение Блок вычисления Решающее (имитатор) отношения пороговое маскирующего I0 (НС (х) НШ (х))/ HМШ(x) устройство шума Пороговое значение Н Измеритель энтропии Измеритель маскирующего шума ПРВ PМШ ( х ) Н (х) МШ Рис. 12. Структурная схема оптимального вероятностного фильтра Для принятия решения об обнаружении полезного сигнала на фоне шумов применяется пороговое устройство. Порог обнаружения задается исходя из требуе мой вероятности обнаружения сигнала при фиксированном уровне ложных тревог.

Предложенная схема реализует корреляционный принцип различения случайных процессов сигнал + маскирующий шум + внутренний шум, соответственно, путем выявления отличий в их законах ПРВ. Корреляционный прием требует формирова ния опорного колебания (например, эталона маскирующего сигнала), что, усложняет аппаратурную реализацию приемника. Для упрощения аппаратуры приема в схеме, приведенной на рис. 12, использован блок имитатора шумов приемника. В качестве имитатора шумов на практике целесообразно использовать второй приемный тракт, по техническим характеристикам идентичный основному каналу. При этом основ ной канал подключен к антенне, а вспомогательный канал должен быть защищен от внешних воздействий.

Оптимальный фильтр предложенной структуры будет эффективным в том случае, если он будет обеспечивать максимум отношения правдоподобия на выходе решающего устройства. Максимизация различий законов распределений в ряде ти повых ситуаций приема и обработки сигнала достигается включением в приемный тракт элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При прохождении случайного сигнала с определенным законом распределения одного из его парамет ров через нелинейный элемент форма закона распределения существенно изменяет ся. Использование этого свойства в процедуре оптимальной фильтрации способст вует повышению вероятности обнаружения полезного сигнала на фоне маскирую щего шума с известной статистикой.

В четвертой главе рассматриваются вопросы оценки эффективности маски рующих помех методами информационно-энтропийной теории оптимального прие ма и обработки сигналов на фоне маскирующих помех применительно к типовым защищенным каналам радиосвязи.

Усложнение радиосредств формирования и обработки сигналов на фоне маскирующих радиопомех диктует необходимость разработки практически применимых методик оценки эффективности каналов связи. В диссертации для оценки эффективности канала с искусственным зашумлением применены методы математической статистики и теории вероятностей. Для оценки качества приема радиосигналов введен новый информационно-энтропийный критерий качества.

Данный критерий основан на измерении и сравнении одной из моментных характеристик законов распределения сигнала и маскирующей помехи. Отличием нового критерия от традиционного критерия отношения правдоподобия является замена энергетической процедуры оптимального приема на более общую информационно-энергетическую процедуру.

Информационно-энтропийный подход основан на учете различий статистиче ских свойств сигналов и маскирующих помех, а именно различия энтропий (форм) законов их распределения в технологической процедуре различения или оценивания параметров сигналов на фоне маскирующих помех. Эта методика применена как теоретически, так и практически для повышения качества обработки сигналов в при емных устройствах на фоне маскирующих помех. При этом прирост качества обра ботки сигналов оценивается количественно по увеличению вероятности правильного обнаружения сигнала на фоне помех. Структурная схема установки для оценки каче ства канала с зашумлением приведена на рис. 13.

1 2 3 4 Рис. 13. Структурная схема оценки качества канала для фазо-модулированных и частотно модулированных маскирующих шумовых помех:1 – источник маскирующей помехи, 2 – измери тельный приемник с частотным (фазовым), амплитудным демодулятором, 3 – измеритель корреля ционных характеристик типа Х6-4, 4 – АЦП, 5 персональный компьютер Представленная на рис. 13 структурная схема реализована в виде установки для оценки влияния ФМ и ЧМ маскирующих шумовых помех на качество маски ровки сигнала в канале. В данной схеме маскирующую ФМ или ЧМ шумовую поме ху формируют в блоке 1 и излучают в окружающее пространство с помощью антен ны. В блоке 2 принятую помеху демодулируют и преобразуют в электрический сигнал, который подают на измеритель корреляционных характеристик типа Х6- (блок 3). В блоке 3 осуществляют дискретизацию по времени принятого электриче ского сигнала, измерение уровней сигнала для дискретных моментов времени и строят гистограмму ПРВ значений электрического сигнала маскирующего шума.

Построенную гистограмму преобразуют в АЦП (блок 4) и вводят в персональный компьютер (блок 5), где вычисляют энтропию закона распределения значений напряжений электрического сигнала щума, энтропию эталонного равномерного закона распределения и энтропийный коэффициент качества маскирующей помехи.

Значение энтропийного коэффициента качества используют для оценки качества маскирующей помехи в конкретном канале. При использовании предлагаемого способа для оценки качества маскирующей помехи, описанной в разделе 2, получено значение энтропийного коэффициента, равное 0,03-0,04. Теоретическое значение энтропийного коэффициента качества маскирующей помехи стремится к нулю, что подтверждает эффективность рассмотренного вида помех для зашумления каналов.

Введение энтропийных параметров для оценки качества маскирующих канальных сигналов позволяет оценивать потенциальные возможности помех безотносительно к конкретным способам их обработки в подавляемых устройствах.

В заключении дана развернутая характеристика проведенной научной работы, сформулированы полученные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан и исследован способ формирования маскирующих помеховых сигналов на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией, в ней осуществлено формирование маскирующих ФМ сигналов на основе нелинейного расширения спектра модулирующего напряжения и квадратурного сложения высокочастотных составляющих, получены результаты экспериментального исследования.

2. Предложены структурная схема и алгоритм обнаружения сигнала в канале связи с зашумлением применительно к задаче обнаружения бинарного сигнала на фоне узкополосного шума с угловой модуляцией с применением информационного критерия качества обнаружения в новой процедуре различения сигналов и помех.

3. Разработана методика оценки эффективности маскирующих помеховых сигналов в каналах связи, отличающаяся тем, что для оценки использован энтропий ный коэффициент качества маскирующей помехи и учтены статистические свойства сигналов и помех.

4. Разработана имитационная модель формирования радиопомех в каналах связи, в ней использована узкополосная помеха для маскирования защищенного канала связи и учитываются статистические свойства сигналов и помех.

5. Проведена оценка качества различного рода маскирующих радиопомех по энтропийному критерию качества.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Канавин С.В. Экспериментальное исследование квадратурного формирова теля узкополосных помеховых радиосигналов с фазовой модуляцией в режиме гармонического модулирующего воздействия / С.В. Канавин, С.А. Шерстюков, В.В. Недомолкин // Вестник Воронежского государственного технического универ ситета. – 2010. – Том 5. – №6. – С. 140 – 147.

2. Канавин С.В. Моделирование квадратурного формирователя радиосигналов с фазовой модуляцией в режиме импульсно-шумового модулирующего воздействия / С.В. Канавин, С.А. Шерстюков, В.В. Недомолкин // Вестник Воронежского инсти тута МВД России. – 2010. – №2. – С. 58 – 67.

3. Канавин С.В. Экспериментальное исследование и моделирование квадра турного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения в режиме импульсно-шумового воздействия / С.А. Шерстюков, С.В. Канавин, В.В. Недомолкин // Вестник Воронежского государ ственного технического университета. 2010. – Том 5. – №7. – С. 23 – 29.

4. Канавин С.В. Воздействие узкополосного гауссовского случайного процес са на квадратурный фазовый модулятор / С.А. Шерстюков, С.В. Канавин, В.В. Недомолкин // Вестник Воронежского государственного технического универ ситета. 2010. – Том 5. – №6. – С. 62 – 68.

5. Канавин С.В. Оптимизация передачи и приема информации в каналах связи с зашумлением / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Вестник Воронежского государст венного технического университета. – 2011. – Том 7. – №10. – С. 106 – 108.

В иных изданиях:

6. Канавин С.В. Применение алгоритма оптимальной обработки сигналов для защиты информации в каналах связи с зашумлением / В.Б. Авдеев, С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Вестник Воронежского института ФСИН. 2012. – Т.1. – ИПЦ «Научная книга». – 2011. – С. 103 – 108.

7. Канавин С.В. Защита информации в системах радиосвязи методом маскиро вания помеховыми сигналами / С.В. Канавин // Использование современных инфор мационных технологий и проблемы обеспечения информационной безопасности в деятельности правоохранительных органов: сборник научных статей. – Калинин град: Калининградский филиал СПбУ МВД России. – 2012. – С. 89 – 92.

8. Канавин С.В. Моделирование процесса радиоэлектронного подавления узко полосной цифровой системы радиосвязи с использованием частотно-модулированной шумовой помехи / С.А. Шерстюков, С.В. Канавин, М.П. Горелышев // Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Воронеж: Воронежский институт МВД России. – 2009. – С. 48 – 50.

9. Канавин С.В. Частотно-модулированный формирователь помехового радиосигнала для радиоэлектронного подавления радиолиний управления взрывны ми устройствами / С.В. Канавин, С.А. Шерстюков, В.В. Недомолкин // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов Всероссийского научно-технического семинара / под ред. В.В. Шахгильдя на. – М.: Инсвязьиздат. – 2010. – С. 50 – 53.

10. Канавин С.В. Метод компенсации регулярных помех частотно модулированного синтезатора частот в режиме формирования помехового радио сигнала / С.В. Канавин, С.А. Шерстюков, Т.В. Недомолкина // Системы синхрониза ции, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара/ под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Инсвязьиздат. – 2010. – С. 75 – 78.

11. Канавин С.В. Способ и устройство радиоподавления каналов связи стан дарта GSM / С.В. Канавин, Т.В. Недомолкина // Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Воронеж: Воронежский инсти тут МВД России. – 2010. – С. 103 – 105.

12. Канавин С.В. Использование средств маскирования информации в кана лах связи / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем: сборник материалов Всерос сийской научно-практической конференции. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2011. – С. 115 – 117.

13. Канавин С.В. Фильтрация сигналов с угловой модуляцией при работе радио связи в условиях взаимных помех / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Охрана, безопасность и связь – 2011: сборник материалов Международной научно-практической конферен ции. Часть 1. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2011. – С. 155 – 158.

14. Канавин С.В. Методы скрытной передачи полезной информации в кана лах связи / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Охрана, безопасность и связь – 2011:

сборник материалов Международной научно-практической конференции. Часть 2. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2011. – С. 41-44.

15. Канавин С.В. Принципы построения канала связи с зашумлением / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Техника и безопасность объектов УИС – 2011: сборник материалов Международной научно-практической конференции. Том 1. – Воронеж:

Воронежский институт ФСИН России. – ИПЦ «Научная книга»;

2011. – С. 103 – 108.

16. Канавин С.В. Вопросы выбора и оптимизации маскирующих помех для защищенного канала радиосвязи ОВД / С.В. Канавин, С.Н. Панычев // Охрана, безопас ность и связь – 2012: сборник материалов Международной научно-практической кон ференции. Часть 1. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2012. – С. 41 – 44.

17. «Исследование эффективности функционирования, информационной безопасности и живучести информационно телекоммуникационных систем органов внутренних дел в условиях конфликтного взаимодействия»: Отчет о НИР (заключи тельный) / Воронежский институт МВД России;

Руководитель Н.С. Хохлов. – ГИАЦ МВД России. – № ГР 03083292. – Инв. №04117186, 2010. – 145 с. – С.В. Канавин:

разделы 1, 2 – С. 24 – 39.

Подписано в печать..2013 г. Формат 60 84 Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1,0.