Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных тенденций, определяющих развитие современных систем связи, является непрерывное ужесточение требований к помехозащищенности таких систем, а также к скрытности передачи информации. Это вынуждает разработчиков использовать во вновь создаваемых системах все более сложные широкополосные сигналы, но одновременно традиционные квазилинейные методики расчета узлов каналообразующей аппаратуры перестают отражать суть реально протекающих внутри систем физических процессов Назрела необходимость отказа от упрощенных подходов и более детального, чем ранее, изучения ряда конкретных радиотехнических проблем, в числе которых следующие:
-
синтез структур, оценивание предельно достижимых значений показателей качества и расчет рабочих характеристик систем передачи данных, в которых для маскировки информационной последовательности символов применяется модуляция несущего колебания по какому - либо из параметров непрерывным шумовым сигналом;
-
выявление условий работоспособности и, в частности, условий синхронного функционирования передающей и принимающей подсистем управления колебаниями в системах передачи данных, где для маскировки информационной последовательности символов применяется модуляция несущего колебания по какому-либо из параметров непрерывным хаотическим сигналом;
-
анализ традиционных систем слежения за несущей (ССН), или фазовых автоматических систем (ФАС), обслуживающих космические радиолинии, при нетрадиционных входных воздействиях, а именно при наличии на входе таких систем одновременно полезного сигнала, узкополосной (гармонической) помехи и широкополосной помехи типа белого гауссовского шума,
-
поиск новых подходов к проблеме синтеза структур демодуляторов AM, ФМ и ЧМ сигналов, альтернативных простому переводу существующих схемных решений на новую элементную базу и позволяющігх существенно повысить запас устойчивости таких демодуляторов как по параметрам, так и по начальным условиям,
-
оптимизация, исходя из критерия максимума среднего времени до срыва синхронизации, параметров приемных устройств в системах управления оружием, где
-4-для противодействия помехам применяется расширение спектра сигнала, излучаемого в
пространство, за счет псевдослучайного изменения частоты или фазы несущей; 6) вероятностный анализ систем обработки видеосигнала на базе логических элементов (цифровых автоматов), реалшующих при воспрошведснии принятого сигнала поисковые процедуры и, как следствие, характеризующихся случайной длительностью интервалов времени между последовательными сменами состояний (цифровые системы синхронизации, вхождения в связь и т.п.).
Интерес к изучению шести проблем, перечисленных выше, продиктован устойчивым платежеспособным спросом, предъявляемым в настоящее время на научные разработки, связанные с криптографией (задачи N1 и N2), космической связью (задачи N3 и N5), а также с цифровыми системами передачи данных по радио- и телефонному каналам (задачи N4 и N6).
Помимо этого, с точки зрения разработчика, шесть вышеперечисленных проблем представляют собой единое целое, поскольку все они так или иначе приводят к необходимости проектирования систем связи, где на приемном конце канала осуществляется когерентная обработка широкополосного сигнала, а сам приемник (для реализации указанного алгоритма) строится по принципу одно-, двух- или много- кольцевой ФАС, содержащей в качестве детекторов рассогласования широкополосные перемножители. Традиция совместного изучения когерентных демодуляторов широкополосных сигналов (независимо от схемотехнических особенностей), а также проблем, возникающих при их проектировании, существовала вплоть до недавнего времени и в научной литературе (Г.Ван Трис, В.И.Тихонов, ДЛ.Снайдер, Дж.Дж.Стиффлер, М.И.Жодзишский, А.Ф.Фомин и др.); однако в конце 80-х - начале 90-х годов эта традиция прервалась. Возобладала тенденция к обособленному изучению систем, функционирование которых основывалось на новых физических и математических принципах: реализации алгоритмов субоптимальной нелинейной фильтрации (В.С.Пугачев, И.Н.Синицын, М.С-Ярлыков, М.В.Максимов, В.И. Меркулов и др.) либо использовании эффектов хаотической динамики (L.O.Chua, B.C. Афраймови^, В.С.Анищенко, В.ДШалфсев, А.С.Дмитриев и др.); помимо этого, наметилась специализация применительно к изучению интенсивно развивающихся цифровых систем (М.И. Жодзишский, Е.С. Побережский, С.Ю.Сила-Новицкнй, Р.Б.Мазепа и др.) и даже отдельных проблем (В.И.Журавлев - поиск, A.L.
-s-
We'ti, B.Z.Bobrovsky - срыв слежения и т.д.). В настоящее время утрата былого структурного и схемотехнического единства в области проектирования когерентных демодуляторов широкополосных сигналов, а также определенная изолированность данной области от смежных направлений, и в частности, от теории собственно систем синхронизации (Р.Л.Стратонович, В.И.Тихонов, А-Витерби, W.C.Lindsey, БИ. Шахтарин, В.Н. Кулешов, В.Н. Белых, В.Д. Шалфеев, В.Д. Разевиг, МИ. Жодзишский, В.В.Шахгильдян, В.П Сизов и др.) вступают в противоречие с общемировой тенденцией к унификации систем и устройств радиотехники и связи. Возникла необходимость в появлении новых работ по данной тематике, где восстанавливалась бы ранее существовавшая традиция и разнообразные проблемы, возникающие при проектировании когерентных демодуляторов широкополосных сигналов, изучались бы комплексно, в рамках единой терминологии и параметризации.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является изучение детерминированной (регулярной и нерегулярной) и статистической динамики демодуляторов широкополосных сигналов, построенных на базе ФАС; усовершен-ствованне математического описания, разработка методов анализа и синтеза таких демодуляторов; построение аналитико-численных алгоритмов, позволяющих рассчитывать характеристики подобных устройств, формализация указанных алгоритмов в виде расчетных методик и прикладного программного обеспечения.
Задачами диссертационной работы являются;
1) исследование систем защиты информации, использующих шумовой сигнал (включая
математическое моделирование, синтез алгоритма функционирования демодулятора мас
кирующей поднесущей, а также оценку качества восстановления информации путем про
ведения численных экспериментов);
-
исследование систем защиты информации, использующих хаотический сигнал (включая определение условий возникновения хаоса в неавтономной ФАС второго порядка - генераторе поднесущей, а также условий возникновения синхронизма в работе двух связанных ФАС второго порядка: передающей и принимающей);
-
исследование ССН при одновременном поступлении на их вход полезного сигнала, гармонической помехи и белого гауссовского шума (включая предварительный анализ детерминированных систем первого, второго и произвольного порядка методами нели-
нейной теории колебаний, а затем изучение стохастических систем, расчет плотности распределения вероятностей (ПРВ) сигнала ошибки, среднего времени до срыва слежения и среднего значения частотного рассогласования);
-
исследование демодуляторов AM, ФМ и ЧМ колебаний с небольшой глубиной модуляции (на примере двухкольцевой структуры, включающей в себя ФАС первого или второго порядка и когерентную систему АРУ, с выявлением степени оптимальности подобной структуры, влияния конструктивных особенностей и определением областей устойчивости демодулятора по параметрам и начальным условиям);
-
исследование демодуляторов псевдошумового сигнала (ПШС), построенных по принципу следящих систем (включая математическое моделирование, расчет статистических характеристик схемы слежения за задержкой (ССЗ), входящей в состав вспомогательного канала, и оптимизацию параметров ССЗ по критерию максимума среднего времени до срыва синхронизации);
6) исследование цифровых систем тактовой синхронизации с дискретными усредняю
щими устройствами.
Методы исследования. Современными методами исследования детерминированной и статистической динамики систем обработки широкополосных сигналов являются методы нелинейной теории колебаний, теории нелинейной оптимальной фильтрации, теории марковских и полумарковских случайных процессов. В соответствии с этим, в диссертационной работе
при исследовании систем защиты информации, использующих шумовой сигнал, применялся новый аналитический метод решения уравнения Стратоновнча-Кушнера, основанный на разложении оцениваемой функции по взаимному базису;
при исследовании систем защиты информации, использующих хаотический сигнал, применялся метод Мельникова, методы теории бифуркаций и численные методы; - при исследовании ССН, находящихся под воздействием одновременно двух гармонических сигналов и шума, применялся точный метод фазовой плоскости, приближенные методы гармонического баланса и усреднения, а также комбинированный метод (точный марковский плюс приближенный квазигармонический) для анализа статистической динамики;
- при исследовании демодулятора AM, ФМ и ЧМ колебаний с небольшой глубиной мо
дуляции на базе ФАС с когерентной АРУ применялся метод нормальной аппроксимации
апостериорной ПРВ для синтеза структуры демодулятора и прямой метод Ляпунова для
анализа его устойчивости;
- при исследовании ССЗ ПШС применялся асимптотически точный метод возмущений в
сочетании с методом припасовывания для решения уравнения Фоккера-Планка (ФП)
Научная новизна.
-
Предложена система защиты информации, в которой для маскировки информационного ФМ сигнала используется поднесушая - случайный процесс с энергетическим спектром Баттерворта первого порядка; для получения алгоритма функционирования такой системы предложен общий аналитический метод решения уравнения Стратоновича - Кушнера в предположении линейности уравнения сообщения и сугубо нелинейного характера ур-знения наблюдения, выведены соотношения для априорного оценивания качества синтезированного алгоритма.
-
Осуществлено разбиение плоскости параметров частота - амплитуда вынуждающего воздействия на области существования различных режимов (колебательного, вращательного и хаотического) для неавтономной ФАС второго порядка с пропорционально - интегрирующим фильтром (ПИФ) и вырожденным пропорционально - интегрирующим фильтром (ВПИФ), произведено сравнение с результатами метода Мельникова, подтверждена моделированием возможность синхронной работы двух связанных ФАС с ПИФ и ВПИФ в различных режимах.
-
Исследована динамика ССН при одновременном воздействии на нее полезного сигнала, узкополосной (гармонической) помехи и широкополосной помехи типа белого гаус-совского шума. Для детерминированной системы первого порядка (порождающей) осуществлено разбиение плоскости параметров разность частот полезного сигнала и помехи
- разность частот полезного сигнала и собственных колебаний системы на области суще
ствования различных режимов (захвата за сигнал, захвата за помеху и асинхронного);
полученные качественные представления уточнены количественно для детерминирован
ной системы второго порядка (методом усреднения), произвольного порядка (методом
гармонического баланса) и для стохастической системы первого порядка
(комбинированным методом).
-
Построена математическая модель демодулятора AM, ФМ и ЧМ колебаний с небольшой глубиной модуляции, представляющего собой ФАС первого или второго порядка с когерентной АРУ, выявлены сходство и различия между приемлемой для практики схемой построения такого демодулятора и оптимальной схемой, синтезированной методами теории нелинейной оптимальной фильтрации, указаны области допустимых значений параметров фильтров в кольцах слежения за амплитудой и фазой принимаемого сигнала, когда в оптимальной и реальной схемах, независимо от первоначальной частотной неопределенности, реализуется устойчивый (по меньшей мере, локально) режим слежения.
-
Найдены аналитические выражения для доминирующего (экспоненциально нарастающего с ростом отношения сигнал / шум (ООН)) множителя в произведении, задающем зависимость среднего времени до срыва слежения от параметров ССЗ ІШІС второго и третьего порядков; найденные соотношения, в отличие от предшествовавших результатов, устойчивы к предельным переходам, приводящим х понижению порядка системы; даны рекомендации по оптимальному выбору параметров фильтра в кольце регулирования задержки, когда режим слежения в ССЗ сохраняется максимально долго.
-
Проведено сравнительное исследование ряда типовых и нестандартных систем тактовой синхронизации с дискретными усредняющими устройствами.
Практическая значимость.
Результаты диссертационной работы внедрены в НИР: "Метрологическое обеспечение НИР и учебного процесса. Разработка автоматизированной системы поверки генераторов типа Г5 и осциллографов типа СГ (НИМО НИЧ МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1990г.), "Исследование фазовых автоматических систем при наличии помех" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996 г.), «Некоторые вопросы теории синхронизации и синтеза частот» (Академия ФСБ России, 1997 г.), а также используются в учебном процессе кафедры «Кибернетические устройства и системы» ПГТУ, кафедры N 721 Академии ФСБ России, кафедры М-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана (издано два учебных пособия, апробированы семестровое домашнее задание и цикл лабораторных работ для студентов третьего курса), что подтверждено четырьмя Актами о внедрении.
Фактические данные, полученные в результате выполнения диссертационной работы, послужили исходным материалом при разработке автоматизированного рабочего места оператора - поверителя (АРМОП) радиоизмерительной аппаратуры, используемого
в настоящее время для текущих работ в НИМО НИЧ МГТУ им. Н.Э. Баумана, a t.iksc.-
при разработке комплексного стенда полунатурного моделирования (КСПМ) работы автономного радиоэлектронного устройства управления в сложной помеховой обстановке (ГНПП «Дельта», тема «Дистанция», дог. N2887 от 4.08.97 с в/ч 45878).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на XLVIII научной сессии РНТОРЭС нм.АС.Попова, посвященной Дню радио (1993 г., Москва), на Российской научно - технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем» (1993 г., Калуга), на семинаре в НИМО НИЧ МГТУ ИМ.Н.Э. Баумана (1993 г.), на семинаре кафедры N 721 ИКСИ Академии ФСБ России (1996 г.), а также на семинарах кафедры М-5 МГТУ нм.Н.Э.Баумана (1993 - 1997 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти Глав и Заключения. Объем диссертации 250 страниц. Из них 180 страниц основного текста, 40 страниц иллюстраций и таблиц, 13 страниц списка литературы (157 наименояа-ний). Объем Приложения - 17 страниц.
