Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние теории и техники формирования и обработки сигналов на фоне радиопомех в защищенных каналах связи 11
1.1 Анализ методов маскирования сигналов в каналах современных систем радиосвязи 11
1.1.1 Вводные замечания 11
1.2 Анализ эффективности маскирующих канальных помех 12
1.2.1 Вводная часть 12
1.2.2 Маскирование сигналов в каналах связи с помощью активных маскирующих помех 15
1.2.3 Маскирование с помощью прямошумовой помехи 16
1.2.4 Маскирование с помощью непрерывной шумовой помехи 23
1.2.5 Маскирование с помощью амплитудно-модулированных шумовых помех 24
1.2.6 Маскирование с помощью фазомодулированных шумовых помех 31
1.2.7 Маскирование с помощью частотно-модулированных шумовых помех 35
1.2.8 Маскирование с помощью хаотических импульсных канальных маскирующих помех 42
1.3 Выводы по главе 1 46
1.4. Цель и задачи исследования 47
ГЛАВА 2 Разработка квадратурного формирователя помеховых маскирующих радиосигналов с угловой модуляцией
2.1 Квадратурные сигналы в системах радиосвязи 48
2.1.1 Вводные замечания 48
2.2 Квадратурные фазовые и амплитудные модуляторы с компенсацией амплитудно-фазовых искажений 54
2.3 Моделирование квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями в режиме импульсно-шумового модулирующего воздействия
2.4 Воздействие узкополосного гауссова случайного процесса на квадратурный фазовый модулятор 61
2.5 Экспериментальное исследование квадратурного формирователя узкополосных помеховых радиосигналов с фазовой модуляцией в режиме гармонического модулирующего воздействия 66
2.6 Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3 Разработка оптимальных структур и алгоритмов обнаружения полезных сигналов на фоне маскирующих радиопомех для защищенных каналов связи 76
3.1 Разработка устройства и алгоритма оптимальной корреляционной фильтрации сигналов на фоне маскирующих радиопомех 76
3.2 Разработка структурных и принципиальных схем устройства формирования и обработки помеховых маскирующих сигналов 81
3.3 Сущность метода оптимальной вероятностной фильтрации сигналов 84
3.4 Маскировка и идентификация сигнала в радиотелекоммуникационных системах 88
3.5 Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4 Оценка эффективности маскирующих помех на основе информационной теории оптимального приема для типовых каналов связи 92
4.1 Информационный подход к оптимальному приему для типовых каналов связи с зашумлением 92
4.1.1 Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов на фоне маскирующих помех 92
4.2 Информационно-энтропийный критерий качества приема радиосигналов в канале с зашумлением 100
4.3 Способ радиосвязи, основанный на оптимальной обработке сигналов в каналах связи с зашумлением 113
4.4 Разработка методики оценки качества маскирующих шумовых помех 119
4.5. Выводы по главе 4 125
Заключение 127
Список источников и литературы
- Анализ эффективности маскирующих канальных помех
- Моделирование квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями в режиме импульсно-шумового модулирующего воздействия
- Разработка структурных и принципиальных схем устройства формирования и обработки помеховых маскирующих сигналов
- Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов на фоне маскирующих помех
Введение к работе
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 организационных 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 каналах 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 определения параметров сигналов. Эффективность маскирующих радиопомех зависит от частотной и временной структуры помехового и полезного сигналов и их энергетического соотношения на входе приемника.
Для осуществления радиомаскировки используют аддитивные и мультипликативные маскирующие и имитирующие помеховые сигналы.
В целях радиомаскировки применяют как заградительные, так и прицельные по частоте радиопомехи. С точки зрения качества помехи предпочтительными являются прицельные помехи, поскольку они характеризуются большей спектральной плотностью мощности.
В интересах радиомаскировки линий связи в последнее время широко применяют также узкополосные искусственные шумовые помехи с угловой модуляцией, обладающие хорошими маскирующими свойствами. При этом методы формирования сигналов радиопомех основаны на квадратурных схемах с амплитудной частотной 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 маскирующего сигнала и скрытной передачи информации постоянно претерпевают изменения.
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 каналов связи и развитие метода обработки сигналов в канале связи с зашумлением.
Для достижения цели диссертационного исследования возникла необходимость решить следующие основные задачи:
-
Разработать и исследовать способ формирования маскирующего помехово- го радиосигнала на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией.
-
Обосновать способы применения маскирующих радиопомех применительно к задаче маскирования сигналов в типовом защищенном канале радиосвязи.
-
Разработать методику оценки качества сформированного помехового маскирующего радиосигнала по энтропийному критерию качества шума и оценить эффективность маскирующих помех для типовых каналов связи.
-
Разработать модель канала связи с зашумлением посредством применения маскирующих помех.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы теории формирования радиосигналов, статистической радиотехники, теории информации, оптимального приема и обработки сигналов, схемотехнического моделирования.
Научная новизна работы состоит в том что в ней:
-
-
Разработан и исследован способ формирования маскирующих помеховых сигналов на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией, в которой осуществлено формирование маскирующих ФМ сигналов на основе нелинейного расширения спектра модулирующего напряжения и квадратурного сложения высокочастотных составляющих.
-
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 информационный критерий качества обнаружения.
-
Разработана методика оценки качества маскирующих помеховых сигналов в каналах связи, в которой использован энтропийный коэффициент качества маскирующей помехи.
-
Разработана имитационная модель формирования радиопомех в каналах связи с использованием узкополосной ФМ помехи для маскирования защищенного канала связи.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
-
-
Способ формирования маскирующих узкополосных помеховых сигналов на основе квадратурной схемы с угловой модуляцией и результаты экспериментального исследования.
-
Структурная схема и алгоритм оптимального обнаружения сигнала в канале связи с зашумлением на фоне узкополосного шума с угловой модуляцией с применением информационного критерия качества обнаружения и новой статистической процедуры различения сигналов и помех путем количественного определения различия плотностей вероятностей распределения их информационных параметров.
-
Методика оценки качества маскирующих помеховых сигналов и методика выделения полезного радиосигнала из маскирующих помех на основе анализа их статистических характеристик.
-
Имитационная модель формирования узкополосных ФМ радиопомех в канале связи с зашумлением.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в том, что в ней обоснованы технические предложения по разработке устройств формирования и обработки сигналов, сформированных квадратурными модуляторами узкополосных помех в каналах с радиомаскировкой, разработаны алгоритмы функционирования устройств. Полученные результаты могут быть использованы 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 докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем» (Воронеж, 2009 - 2012 гг.); на Международных научно-практических конференциях «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2011, 2012 гг.); на Международной 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] - разработана схемотехническая модель КФМ, получены результаты экспериментального и схемотехнического моделирования; в [2, 3] - получены результаты моделирования квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями при модулирующем воздействии в виде частотно-манипулированного полосового шума при различных значениях индексов модуляции; в [4] - получены результаты воздействия узкополосного гауссовского случайного процесса на квадратурный 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 формирователь помехового радиосигнала; в [12] - предложены способ и устройство радиоподавления каналов связи; в [13-17] - неразделенное соавторство соискателя и научного руководителя.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая 109 иллюстраций, 3 таблицы, список литературы из 116 наименований на 10 листах.
Анализ эффективности маскирующих канальных помех
Активные маскирующие помехи создают на входе приемника РСПИ фон, который затрудняет или исключает обнаружение (выделение) полезных сигналов. К маскирующим помеховым сигналам предъявляют требование, чтобы они исключали обнаружение полезного сигнала с вероятностью, которая превышает пороговое значение вероятности обнаружения. Для этого формируют маскирующие радиопомехи (маскирующие помеховые сигналы), которые создают шумоподобный фон в дополнение к фону, образованному собственными шумами приемника. При взаимодействии на входе приемника маскирующие помехи линейно суммируются с сигналом и собственными шумами приемника и образуют аддитивную смесь. Поэтому приемник, получив такой сигнал, не может выделить из него информационную составляющую, так как структура результирующего сигнала на входе приемника РСПИ может значительно отличаться от структуры полезного сигнала, сформированного в передатчике [19].
Для различения используют дополнительные функциональные блоки, такие как оптимальные приемники или цифровые фильтры, которые ослабляют мощность помехи в пределах полосы частот. Однако никакой фильтр не может устранить помеховое воздействие полностью, в этом случае составляющая помехи изменяется по случайному закону, соответствующему информационному параметру полезного сигнала РСПИ. Случайный характер такого изменения делает практически невозможным полное устранение помехового воздействия с применением специализированных схем помехозащиты. Поэтому такого рода маскирующие помеховые радиосигналы являются перспективными и способны обеспечить маскирование полезных сигналов любой формы и структуры [83,84].
Маскирование можно осуществлять в зависимости от информационных параметров полезного сигнала (по несущей частоте, амплитуде, фазе и спектру). В результате маскирования ухудшаются параметры обнаружения, увеличиваются ошибки параметров сигналов.
Эффективность маскирующих радиопомех зависит от частотной и временной структуры помехового и полезного сигналов и их энергетического соотношения на входе.
Активные маскирующие помехи делят на три группы: непрерывные шумовые помехи, хаотические импульсные помехи, модулированные помехи. Использование маскирующих помех любого типа приводит к уменьшению вероятности правильного обнаружения полезного сигнала, увеличению вероятности ложной тревоги и снижению точности измерения его характеристик [20].
Аналогичная картина имеет место при воздействии помехи на канал передач радиотелеграфных или радиотелефонных сигналов. Помеха, складываясь с полезными сигналами, искажает последние на выходе приемника, что снижает вероятность правильного распознавания переданных сигналов.
Эффективность маскирующих помех зависит от многих факторов и, в первую очередь, от временной и частотной структуры как помехи, так и сигнала, от энергетического соотношения энергии помехи и сигнала на входе приемника РСПИ, от их информационных параметров (в общем случае, имеющих вероятностный характер).
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 А/п [28]. В наибольшей степени к такой помехе приближается прямошумовая помеха, которая получается за счет прямого усиления шума первичного источника высокочастотного шума (например, шумящего генератора) либо за счет переноса спектра шума создаваемого источником низкочастотного шума в заданную высокочастотную область диапазона радиоволн. Такой шум по свойствам напоминает гармонический сигнал, случайно модулированный по амплитуде и фазе: Un(t) = U0(t)cos[wnt + (put], (1.2) где/0(/) и (pnt - медленно меняющиеся функции по сравнению с cosw0f. Реальные станции помех первого поколения содержали различные нелинейные устройства, которые снижают качество помехи. Значительное влияние на маскирующие свойства прямошумовои помехи оказывают ограничители, применяемые в целях повышения КПД выходных усилителей.
Двустороннее ограничение шумов ухудшает как энтропийный, так и спектральный коэффициенты качества помех.
На рис. 1.2, а представлена осциллограмма неограниченных (пунктирная линия) и ограниченных на уровне h шумов (сплошная линия). В случае предельного ограничения, когда эффективное напряжение помехи стж существенно больше порога ограничения h(crn » h), помеха вырождается в меандровое напряжение, частота которого совпадает со средней частотой исходной (неограниченной) помехи (рис. 1.2, б).
Моделирование квадратурного фазового модулятора с аналоговыми функциональными преобразователями в режиме импульсно-шумового модулирующего воздействия
Сигнал всех типов ФМ может быть получен с помощью балансной схемы (КАМ-модулятора), причем обеспечение ОФМ достигается соответствующим изменением битового потока в кодере.
Несмотря на кажущуюся простоту метода фазовой модуляции, ему присущи некоторые недостатки, связанные с трудностями технической реализации.
Один из недостатков связан с тем, что в случае квадратурной фазовой модуляции при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, -1 на -1, +1 или с +1, +1 на -1, -1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180. Такие скачки фазы, имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.
Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к так называемой квадратурной фазовой модуляции со сдвигом (Offset QPSK, OQPSK). При таком типе модуляции формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180 отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270 (-90).
Другим, более серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об «эталонном» синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определять абсолютный сдвиг фазы. Следовательно, необходимо каким-то способом синхронизировать сигнал передатчика с. эталонным сигналом приемника (по этой причине фазовая модуляция получила название синхронной). Реализация синхронной передачи достаточно сложна, но эту задачу легко решить, если в приемнике применять способы оптимального извлечения сигнала.
Известно, что при больших индексах модуляции маскирующие свойства помех с угловой модуляцией оказываются невысокими в силу малых значений энтропийной мощности [39]. Этот факт, в случае частотной модуляции, можно объяснить высоким значением девиации модулируемой частоты и сравнительно небольшими значениями, отношение мощности помехи к мощности сигнала существенно меньше, чем в средней части спектра. А узкополосная шумовая помеха с угловой модуляцией, несмотря на малую ширину излучаемого спектра частот, в отличие от широкополосной помехи обеспечивает более высокие маскирующие свойства в части подавляемой полосы за счет совпадения ее характеристик с характеристиками модулирующего шума. Однако в процессе генерирования, формирования и усиления помеховых сигналов в трактах передатчиков помех под воздействием дестабилизирующих факторов возникают дополнительные помехи, состоящие из регулярных шумовых компонент и проявляющиеся в виде паразитной амплитудной и фазовой модуляций высокочастотного сигнала, так как частоты паразитного модулирующего шума могут находиться как вне полосы частот полезного шума, так и совпадать с частотами полезного модулирующего шума [22]. В любом случае возникающая паразитная модуляция ведет к неэффективному расходу мощности помехового ресурса. Для компенсации паразитной амплитудной (ПАМ) и фазовой (ПФМ) модуляций рассмотрим схемы компенсации на квадратурных формирователях радиосигналов. 2.2 Квадратурные фазовые и амплитудные модуляторы с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений
Вопросы исследования методов и разработка устройств получения фазовой модуляции из амплитудной после предложенной в 1936 году Армстронгом [21] схемы, осуществляющей сложение под углом 90 градусов незатухающего и балансно-модулированного колебания, рассматривались многими авторами в своих работах.
Исследования по данной тематике проводились Самойловым Г.П., Артымом А.Д., Поповым П.А., Шерстюковым С.А., Хохловым Н.С., Леныпиным А.В. и др.
Главным достоинством квадратурных фазовых модуляторов является возможность осуществлять модуляцию в широком диапазоне изменения частоты несущего колебания без перестройки схемы ввиду отсутствия в ней реактивных элементов. Необходимо отметить, что общим недостатком КФМ, использующих преобразования балансно-модулированного и амплитудно-модулированного колебаний в фазомодулированный сигнал, является невозможность получения фазомодулированного сигнала с большим индексом модуляции, так как при увеличении индекса модуляции в них возникают амплитудные и фазовые искажения [22].
Для эффективной компенсации паразитной 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, а при квадратурном сложении сигналов в каждом из каналов может использоваться амплитудно-фазовое управление. В результате воздействие паразитного отклонения параметра не будет зависеть от природы искажающего фактора.
Разработка структурных и принципиальных схем устройства формирования и обработки помеховых маскирующих сигналов
Традиционный прием сигналов в канале с зашумлением с помощью супергетеродинного обнаружительного приемника на фоне внутренних шумов и внешних помех крайне неэффективен из-за низкого энергетического отношения сигнал/шум на выходе приемника. Это обусловлено широким спектром маскирующего сигнала и узкой полосой пропускания супергетеродинного приемника. В этой ситуации, как уже отмечалось, оптимизация процедур обнаружения и обработки сигналов фильтровым и корреляционным способами не обеспечивает требуемого качества обнаружения. Покажем, что альтернативным путем разрешения этого противоречия является применение вероятностного метода оптимальной фильтрации.
Основной функцией оптимального вероятностного фильтра, в отличие от энергетического, является не только увеличение отношения сигнал/шум на его выходе, но и получение количественной информации о различии законов распределений шумов приемника и сигнальной смеси сигнал + шум. На практике это достигается путем оценивания параметров формы плотностей распределения вероятностей (ПРВ) указанных оцениваемых случайных процессов. Из радиотехнических приложений теории вероятности известно, что наиболее информативными показателями, характеризующими форму ПРВ, являются такие числовые моментные характеристики закона распределения случайной величины, как энтропия ПРВ и производная от нее характеристика коэффициент качества шума. Энтропия ПРВ как моментная (числовая) характеристика закона распределения является интегральным показателем, количественно показывающим отличие формы закона распределения от стандартного нормального закона распределения. Аппаратурное измерение энтропии ПРВ и коэффициента качества шума с помощью современных цифровых технологий реализуется достаточно просто [116].
Теоретической предпосылкой, обеспечивающей возможность обнаружения регулярного сигнала на фоне маскирующего шума является тот факт, что, при появлении полезного сигнала форма ПРВ сигнальной смеси шум + сигнал отличается от формы ПРВ шума. Измерение энтропии сигнальной смеси и шума позволяет решать задачу обнаружения полезных сигналов на фоне маскирующего шума следующим образом.
Так же, как и статистический энергетический оптимальный фильтр, вероятностный фильтр определяет отношение правдоподобия, сравнивает его с порогом и принимает решение о наличии сигнала среди шумов.
По сравнению с традиционным алгоритмом обнаружения в нашем подходе отличие заключается в новой физической сущности отношения правдоподобия, которое определяется следующим соотношением: где 1(х) - относительное количество информации, полученное в результате обработки смеси сигнала и шума (помехи); Нсш(х), Нш(х) - соответственно, энтропии ПРВ рсш(%) и рш(х); х - оцениваемый параметр полезного сигнала (амплитуда, время запаздывания импульса и т.д.).
Аппаратурное измерение плотностей распределения параметров случайных сигналов и помех реализуется статистическим путем: определяется сглаженная гистограмма оцениваемого параметра случайного процесса при обработке статистически достаточного количества реализаций. На следующем этапе статистических измерений определяют энтропию ПРВ сигнальной смеси и шума на основе известных соотношений Нш(х) = -CO0Pm(x)lnpul(x)dx, #сш00 = - ПоРсшО) lnpcul(x)dx. (3.12) Таким образом, решение о наличии полезного сигнала в принимаемой и обрабатываемой смеси принимается путем сравнения измеренных энтропии (3.12) относительно заранее установленного порога (3.11). При этом результирующая энтропия сигнальной смеси является аддитивной смесью шумовой и сигнальной составляющих: Н(х) = Нш(х) + АНс(х) = = СтРш№ 1прш(х) + A J pс(х) - Inpc(x)dx. (3.13) Оптимальный вероятностный параметрический фильтр должен обеспечивать возможность наилучшего различения энтропии ПРВ вида (3.12). Параметр А принимает значения 0 или 1.
Рассмотренные выше теоретические предпосылки к обоснованию вероятностного метода оптимальной фильтрации позволяют синтезировать структурную схему фильтра, обеспечивающего максимизацию отношения (3.13) на его выходе. В частных случаях в вероятностном критерии (3.13) отношение энтропии можно заменить любым другим измеряемым параметром ПРВ, т. е. математическим моментом закона распределения, влияющим на его форму (эксцесс, асимметрия и т.д.). Алгоритм оптимального обнаружения и структурная схема оптимального вероятностного фильтра Как следует из сущности метода оптимальной вероятностной фильтрации сигналов, важнейшими обнаружительными процедурами являются измерение ПРВ шумов, их смеси с сигналом, расчет энтропии указанных ПРВ и их различение с помощью пороговой процедуры. В соответствии с этим алгоритмом структурная схема оптимального вероятностного фильтра имеет вид, представленный на рис. 3.5 [61,62].
Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов на фоне маскирующих помех
В настоящее время широко применяются способы организации цифровой радиосвязи с помощью шумоподобных сигналов (ШПС) [99]. ШПС обладают большой базой сигнала (В = тихДі"с»1, где ти длительность посылки, Afc - ширина спектра посылки). К ним относятся рассмотренные в главе 1 шумовые сигналы в каналах с зашумлением.
В работе применяем ортогональный фазомодулированный помеховый сигнал. При оптимальной обработке принятого сигнала на выходе оптимального фильтра обеспечивается энергетический выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с простыми сигналами с малой базой (например, за счет обработки ФМ ортогонального сигнала). В системе цифровой связи с ШПС формируют информационную двоичную последовательность, модулируют ей сигнал с большой базой, излучают в сторону абонента, принимают сигнал, обрабатывают в оптимальном фильтре и выделяют информационную двоичную последовательность. Такие средства связи характеризуются высокой помехозащищенностью, поскольку для передачи информации на заданную дальность требуется затратить минимальную энергию. Этот прием используем для построения приемника канала с зашумлением.
Недостатком цифровых систем связи с ШПС является необходимость строгой временной синхронизации передающей и приемной аппаратуры для обеспечения работы оптимального фильтра. Необходимость временной синхронизации цифровых систем связи с ШПС усложняет аппаратурную реализацию способа цифровой радиосвязи с ШПС.
Например, в системах связи, построенных по стандарту CDMA, большую базу сигнала обеспечивают за счет применения процедуры прямого расширения спектра псевдослучайной последовательностью (ПСП). Сформированный узкополосный информационный цифровой поток в виде двоичных последовательностей подвергают модуляции с использованием псевдослучайных последовательностей (М-последовательностей, функций Уолша и др.). Несущую частоту F модулируют сигналом с расширенным спектром и излучают с помощью антенны в пространство. Принятый сигнал подвергают оптимальной обработке на промежуточной частоте Fn4. В передающей аппаратуре генератор ПСП выполняет роль формирователя ШПС. В приемной аппаратуре генератор ПСП используется в качестве генератора опорного сигнала в корреляторе (оптимальном фильтре) для увеличения отношения сигнал/шум на выходе последнего. Выбор вида ПСП обеспечивает возможность кодового разделения каналов, что позволяет работать одновременно нескольким абонентам на одной несущей частоте.
Недостатком системы цифровой радиосвязи стандарта CDMA (IS-95) является необходимость синхронизации генераторов ПСП в приемнике и передатчике. Сбои в синхронизации указанных генераторов приводят к срыву связи или ошибкам при приеме цифровых последовательностей.
Предложим способ организации радиосвязи, отличающийся от известных повышенной помехоустойчивостью при передаче информации. Этот способ основан на алгоритме оптимальной нелинейной обработки информации.
В известном способе организации цифровой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов (CDMA) выполняются операции формирования, на передающей стороне двоичной информационной последовательности, модулированной псевдослучайной последовательностью, излучения сигнала, приема сигнала на приемной стороне, синхронизации и оптимальной корреляционной обработки сигнала. Покажем, что помехоустойчивость связи можно обеспечить более простым способом. При этом исключается на передающей стороне операция синхронизации за счет модуляции информационной последовательности шумоподобным сигналом с известным законом плотности распределения вероятности (ПРВ), а на приемной стороне вводится операция измерения параметров закона распределения принимаемого сигнала.
Сущность предлагаемого способа передачи и обработки информации заключается в замене операции модуляции информационной последовательности генератором ПСП модуляцией этой последовательности генератором шума с известным ПРВ (в передатчике) и добавлении операции измерения характеристик ПРВ (в приемнике). При введении данных операций не требуется синхронизировать работу генераторов ПСП приемника и передатчика.
Похожие диссертации на Формирование и обработка маскирующих радиопомех в защищенных каналах связи
-
-
-
