Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения сверхширокополосного сигнала

Изобретение относится к средствам радиомониторинга электронного оборудования и может быть использовано для обнаружения несанкционированно установленных радиоэлектронных устройств, использующих импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы.

В настоящее время существуют следующие определения СШП сигнала:

1. Под СШП сигналом понимают сигнал, показатель широкополосности которого удовлетворяет условию (Лазоренко О., Черногор Л. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. Основные понятия, модели и методы описания [Электронный ресурс]. URL: http://www.twirpx.com/file/472895/?rand=7383906 (дата обращения 19.02.2013 г.)):

где показатель широкополосности задается соотношением:

где f₀, f_min, f_max - средняя, минимальная и максимальная частоты функции спектральной плотности (ФСП) одномерного преобразования Фурье (ОПФ) S(f) данного сигнала s(t); Δf=f_max-f_min - ширина полосы частот сигнала.

2. Согласно определению, введенному комиссией управления перспективных военных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства Обороны США, μ_min=0.25, a f_min и f_max следует находить по уровню -20 дБ уменьшения ФСП относительно главного максимума.

3. Согласно определению Федеральной комиссии США, появившемуся в 2002 году, предлагается считать μ_min=0.20, a f_min и f_max определять по уровню -10 дБ, причем ширина полосы частот, занимаемая СШП сигналом, должна удовлетворять условию Δf≥500 МГц (Судаков А. Сигналы, используемые в СШП радиосистемах [Электронный ресурс]. URL: http://www.sanechka.nightmail.ru/my_articles/2005_1.pdf (дата обращения 19.02.2013 г.))

К сигналам, которые могут использоваться в СШП радиосистемах, относятся:

- гауссовы импульсы;

- радиоимпульсы;

- импульсы Эрмита;

- хаотические сигналы;

- линейные частотно-модулированные сигналы;

- многочастотные сигналы (Лазоренко О., Черногор Л. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. Методы анализа и применения. [Электронный ресурс].URL: http://www.ri.kharkov.ua/journal/Papers/Paper568.pdf (дата обращения 19.02.2013 г.))

Использование СШП сигналов с очень малой длительностью (порядка 1 нсек и менее) и большой скважностью для передачи информации по радиоканалу дает следующие преимущества по сравнению с сигналами, имеющими узкую полосу частот:

- низкая средняя излучаемая мощность, которая обычно не превышает единиц-десятков милливатт и определяется дальностью и скоростью передачи информации;

- скрытная работа линии связи благодаря низкой спектральной плотности мощности на единицу полосы частот; электромагнитная совместимость с узкополосными системами, работающими в той же полосе частот;

- высокая скорость передачи информации;

- эффективная борьба с многолучевым распространением за счет временной селекции прямых и переотраженных сигналов или корреляционного приема;

- минимум радиочастотных цепей в приемнике/передатчике (отсутствие высокочастотных генераторов, смесителей, умножителей и пр.);

- простота конструкции (I.J. Immoreev, A.A. Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002).

Это приводит к возможности применения данных методов для скрытия излучения средств негласного съема информации и, соответственно, усложнению поиска радиоканалов средств негласного съема информации.

Системы связи с применением сверхширокополосных сигналов описаны в ряде статей и патентов.

Примерами могут служить устройства СШП импульсной системы связи, защищенные патентами США: (US 4641317 Spread Spectrum Radio Transmission System. Larry W. Fullerton. 03.12.84; US 5677927 Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton; Ivan A. Cowie. 14.10.1997; US 5687169 Full Duplex Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997). Эти системы импульсной радиосвязи для передачи информации используют одну или несколько импульсных поднесущих. В импульсном радиоприемнике используется кросс-коррелятор, осуществляющий свертку близких по форме входного сигнала с эталонным сигналом, состоящих из ста пятидесяти - двухсот импульсов, засинхронизированных по времени с известным кодом передатчика.

Однако при этом накладываются ограничения на уровень искажения формы принимаемого сигнала, так как при распространении СШП сигнала форма его изменяется в зависимости от расстояния приемопередачи. Из-за широкой полосы частот и сверхкороткой длительности импульсов требования к точности синхронизации в этих системах необычайно высоки. В этих известных СШП системах сигналы синхронизации и автоподстройки связаны между собой и с основными информационными сигналами на одном энергетическом уровне, а так как спектральная плотность всех сигналов находится на уровне шумов, то система в значительной степени подвержена сбоям.

К недостатку также можно отнести необходимость сравнения с эталонным сигналом, априорную известность параметров сигнала, что невозможно в случае поиска средств негласного съема информации.

Известна более современная система (US 6925108. Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronizaton. Timothy R. Miller. 02.08.2005). Метод идентификации фазы входного СШП сигнала заключается в следующем: на многоканальный коррелятор поступают принимаемые импульсы и импульсы с различными временными промежутками между ними, которые соответствуют отдельным временным промежуткам опорной кодовой последовательности. При совпадении любого указанного промежутка (фазовый интервал) один из корреляторов формирует первый максимум. При очередном совпадении на втором фазовом интервале второй коррелятор формирует второй максимум. Если второй максимум выше первого максимума, то применяется решение о запуске опорной импульсной последовательности и система входит в синхронизм. К недостаткам можно отнести работоспособность синхронизации этой системы связи только при большом отношении сигнал/помеха на входе приемного устройства.

К недостатку также можно отнести необходимость знания опорной кодовой последовательности, априорную известность параметров сигнала, что невозможно в случае поиска средств негласного съема информации.

Известен патент (US 6925109. Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals. James L. Richards, Mark D. Roberts. 02.08.2005), сущность метода в котором состоит в использовании любой части многолучевого распространения кодовой последовательности импульсного радиосигнала. За счет увеличенного импульсного потока многолучевого радиосигнала возникает возможность корреляционной обработки с образцовым импульсным потоком и при их совпадении система входит в синхронизм.

Недостатком данной системы является неработоспособность в мобильном исполнении, так как условие многолучевости непредвиденно изменяется в зависимости от дальности и относительного положения приемника и передатчика, а также необходимость обработки с образцовым импульсным потоком, априорная известность параметров сигнала, что исключено в случае поиска средств негласного съема информации.

Известен патент (RU 2315424. Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. Бондаренко В.В., Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. 20.01.2008), сущность поиска и обнаружения сигнала в котором состоит в двухкратной передаче синхросигнала, состоящего из импульсного широкополосного сигнала и гармонического сигнала.

Недостатком данной системы является необходимость знания основной частоты работы системы, необходимость знания синхропоследовательности, априорная известность параметров сигнала, что невозможно в случае поиска средств негласного съема информации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является система связи (устройство): (П.А. Сторожев, А.С. Григорьев СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ С МАЛЫМ ОТНОШЕНИЕМ СИГНАЛ/ШУМ, Труды ТГТУ: сборник научных статей молодых ученых и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2007. - Вып.20., стр. 141), взятая за прототип.

В данной системе реализован способ автокорреляционного приема широкополосных шумоподобных сигналов, который заключается в том, что принятый сигнал перемножается с его задержанной на время Т копией, время Т совпадает с периодом повторения переданного широкополосного шумоподобного сигнала. Результат усредняется за время, равное длительности (n-1) элементов сигнала, где n - число переданных повторяющихся элементов за время длительности бита. По результату усреднения принимается решение о наличии или отсутствии сигнала.

Особенность данного способа заключается в том, что если на входе приемника присутствует лишь шум, имеющий случайный характер, то на выходе будет результат, пропорциональный значению автокорреляционной функции шума с временем сдвига, равным Т, математическое ожидание этого результата равно нулю. Если на входе приемника помимо шума присутствует полезный сигнал, то напряжение на выходе приемника будет пропорционально энергии этого сигнала за время усреднения. Накопление энергии сигнала позволяет произвести его обнаружение, даже если по уровню он не превосходит шум.

При построении системы связи применены две ветви для обнаружения (детектирования) и различения логических сигналов 0 и 1, настроенные соответственно на шумоподобные сигналы с различными периодами повторениями Т1 и Т2.

Недостатком прототипа является необходимость априорных знаний о длительности переданного сигнала, его периодах повторения.

Заявляемое техническое решение свободно от этого недостатка.

Техническим результатом заявленного изобретения является обнаружение несанкционированно установленных радиоэлектронных устройств, использующих сверхширокополосные сигналы в предварительно заданном диапазоне частот в условиях неопределенности параметров сигналов, а также определение основной частоты работы НУОЭУ.

Технический результат достигается за счет того, в известном способе обнаружения сверхширокополосного сигнала, заключающемся в том, что принимают электромагнитные сигналы в предварительно заданном диапазоне частот, переносят их на промежуточную частоту, выделяют огибающую спектра, преобразовывают в цифровой вид, для чего сигналы дискретизируют по времени и квантуют по уровням, дополнительно предварительно весь заданный диапазон частот разбивают на m взаимопримыкающих поддиапазонов (каналов фильтрации) одинаковой величины, причем ширина поддиапазона (канала фильтрации) гораздо меньше ширины спектра сигнала Δw_пф<<Δw_c, по случайному закону из m каналов фильтрации выбирают i пар каналов, вычисляют коэффициент корреляции R_s между каналами в каждой выбранной паре, сравнивают вычисленное значение коэффициента корреляции R_s с пороговым значением R_пор, при коэффициенте корреляции, превышающем пороговое значение (R_s>R_пор), принимают решение о наличии сигнала, записывают вычисленные значения коэффициента корреляции R_s в матрицу и сравнивают их, определяют номер канала с максимальным значением коэффициента корреляции R_{s max}, определяют основную частоту сигнала f_осн.

Проведенный анализ позволил установить, что аналоги, характеризующие совокупностью признаки, тождественные всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.

Заявленная система поясняется чертежами:

Фиг. 1 - обобщенный алгоритм предлагаемого способа обнаружения сигналов;

Фиг. 2 - обобщенная структурная схема способа обнаружения СШП сигнала;

Фиг. 3 - спектр короткого радиоимпульса;

Фиг. 4 - матрица значений коэффициента корреляции

Заявленный способ заключается в следующем:

Сигналы от несанкционированно установленных радиоэлектронных устройств систем негласного съема информации должны рассматриваться как случайные процессы в условиях неизвестности их параметров.

Для обнаружения таких сигналов, как правило, используются способы автокорреляционного приема, когда опорное напряжение формируется из принятого сигнала путем различных преобразований, обусловленных видом принимаемого сигнала, в частности из самого сигнала, задержанного в линии задержки (П.А. Сторожев, А.С. Григорьев СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ С МАЛЫМ ОТНОШЕНИЕМ СИГНАЛ/ШУМ, Труды ТГТУ: сборник научных статей молодых ученых и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2007. - Вып. 20., стр. 141; Л.Ф. Черногор «Дистанционное радиозондирование атмосферы и космоса: Учебное пособие. - Х.: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009, стр. 181-182.)

Для обнаружения СШП сигнала с априорно неизвестными параметрами предлагается применить сходную идею, только в качестве опорного канала использовать один из каналов фильтрации в выбранной паре. Это обуславливается свойствами сверхширокополосных сигналов (Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. «Обработка сверхширокополосных сигналов и помех». – М.: Радиотехника, 2009 г., с. 28-40) и закономерностями преобразования сверхширокополосного сигнала полосовыми фильтрами (Сосулин Ю.Г. «Теоретические основы радиолокации и радионавигации». - М.: Радио и связь, 1992 г., с. 43-48).

Алгоритм работы предлагаемого способа заключается в следующем (фиг. 1, фиг. 2):

Сверхширокополосный сигнал поступает на все т параллельно включенных полосовых фильтров ПФ (бл. 1, 2 фиг.1, бл. ПФ₁ - ПФ_m фиг. 2), со взаимопримыкающими полосами пропускания одинаковой величины, причем ширина полосы пропускания полосовых фильтров гораздо меньше ширины спектра сигнала Δw_пф<<Δw_c. В целях сокращения времени обнаружения переключение между выходами полосовых фильтров ПФ и входами преобразателей частоты ПЧ (бл. ПФ₁ - ПФ_m и ПЧ₁ - ПЧ_m фиг. 2) предлагается осуществлять коммутатором (Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. «Сверхширокополосная связь. Теория и применение». - М.: СОЛОН-Пресс, 2009 г., стр. 176-177), то есть предлагается обрабатывать сигналы, выделенные не всеми m полосовыми фильтрами ПФ, а случайно выбранными i парами из них.

В этих целях по случайному закону выбирают i пар каналов фильтрации (бл. 3 фиг. 1) для дальнейшей обработки.

Количество выбираемых пар каналов в каждом отдельном случае может быть разным и определяется заданными временем и вероятностью обнаружения.

Для снижения требований к быстродействию аналого-цифровых преобразователей АЦП (бл. АЦП₁ - АЦП_m фиг. 2) и других цифровых элементов сигналы с выхода фильтров переносят на промежуточную частоту (бл. ПЧ₁ - ПЧ_m, фиг. 2). Далее при помощи амплитудных детекторов АД (бл. АД₁ - АД_m, фиг. 2) выделяют огибающую спектра. При помощи аналого-цифрового преобразователя АЦП сигналы дискретизируют во времени и квантуют по уровням (бл. 6, фиг. 1, бл. АЦП₁ - АЦП_m, фиг. 2).

Затем производят анализ степени взаимосвязи выбранных каналов фильтрации путем попарного вычисления коэффициента корреляции R_s по формуле 1 (бл. 7, фиг. 1, бл. R_s-R_sj, фиг. 2) [Айфичер Эммануил С, Джервис Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004 г. - 992 с., стр. 282, 287]:

где

x_i(n) - последовательность значений отсчетов сигналов в i-м канале фильтрации,

x_j(n) - последовательность значений отсчетов сигналов в j -м канале фильтрации,

N - количество пар значений.

Вычисленное значение коэффициента корреляции сравнивают с порогом принятия решения (бл. 8, фиг. 1, бл. ПУ₁ - ПУ_j, фиг. 2), определяемое по критерию Неймана-Пирсона, т.к. при таком выборе порога априорные вероятности отсутствия или наличия сигнала не требуются (Сосулин Ю.Г. «Теоретические основы радиолокации и радионавигации». - М.: Радио и связь, 1992 г., с. 32-33).

При коэффициенте корреляции, превышающем пороговое значение (R_s>R_пор), принимают решение об обнаружении сигнала (бл. 9, фиг. 1, бл. «Решающее устройство», фиг. 2), вычисленные значения коэффициента корреляции R_s записывают в соответствующую номерам каналов ячейку предварительно сформированной матрицы (бл. 10, фиг. 1). Определение максимального значения данного коэффициента корреляции R_smax определяет основную частоту f_осн сигнала.

Допустим, на m каналов фильтрации подается сигнал, спектр которого представлен на фиг. 3. Фрагмент матрицы с вычисленными значениями коэффициента корреляции по формуле (1) представлен на фиг. 4.

Для упрощения расчетов было взято нормированное значение огибающей спектра сигнала S(f) от 0 до 1.

Из фиг. 4 видно, что в столбце (строке) 11 наблюдается наибольшее значение коэффициента корреляции R_s, что соответствует максимальному значению огибающей спектра сигнала S(f) (фиг. 3). Благодаря выполнению данной последовательности действий становится возможным определение канала фильтрации, в котором будет сосредоточена основная энергетическая мощность сигнала.

Варьируя шириной канала фильтрации, можно повысить точность определения основной частоты работы несанкционированно установленных радиоэлектронных устройств.

Таким образом, даже при неизвестных параметрах сигнала при реализации данного способа будут обнаружены НУОЭУ, использующие сверхширокополосные сигналы, и определена основная частота работы НУОЭУ.