СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2009 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «случайные антенны» (СА).

Наличие антенн (передающих, приемных, приемопередающих) является характерным признаком любой радиосистемы и любого радиоканала. При этом под антенной понимается любое радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования (как прямого, так и обратного) электромагнитной (ЭМ) энергии связанных волн в энергию свободно распространяющихся ЭМ волн (радиоволн).

К СА относятся излучатели ЭМ волн (источники ЭМ полей), не соответствующие либо традиционным схемам построения антенн, либо условиям, в которых принято определять их рабочие характеристики. Согласно [1-2] СА конструктивно входят в состав выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников, размещаются случайным образом в случайно-неоднородных средах, представляют собой совокупность модулей стационарного и подвижного базирования, а также просто отсутствуют в явном виде - например, если речь идет об ЭМ излучении элементов ЭВМ. Специфическими особенностями СА являются неопределенность их геометрических (число, размеры, пространственное расположение, ориентация элементов и т.д.) и электрических (уровни излучения, число каналов излучения и приема, рабочие частоты и т.д.) характеристик. Задача экспериментального определения параметров реальных многоканальных СА имеет в настоящее время важное значение для решения целого ряда прикладных задач: связанных с обеспечением электромагнитной совместимости и безопасности для окружающей среды радиосредств различного назначения, защитой конфиденциальной информации (КИ) от утечки по ЭМ каналам в инфокоммуникационных сетях [2-3] и т.д.

Известны методы определения параметров радиоэлектронных средств, характеризующие их взаимную электромагнитную совместимость [4-8]. Эти методы включают известные способы определения интермодуляционных (ИМ) характеристик [4-5], а также предложение использовать ИМ каналы для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [8]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [9].

Наиболее близким по технической сущности является способ определения уровней побочных ЭМ излучений ИМ типа по полю [5, с.63-66, рис.3.7] (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие основные операции:

- воздействие на контрольный передатчик с частотой f_c ЭМ излучением дополнительного передатчика с частотой f_∂;

- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;

- расчет частот ИМ составляющих f_u2=|fc±f_∂| второго порядка; f_u3=2f_c±f_∂; f_u3=2f_∂±f_c третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка f_i=|mf_c±nf_∂|, m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…;

- измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте f_с контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;

- измерение уровней мощности Р_i (или напряжения U_i) ИМ составляющих, создаваемых на частотах f_i на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков;

- расчет относительных уровней χ_им для сигналов (или пересчет для ЭМ полей) для всех ИМ составляющих f_i=f_u2; f_u3; … |mf_c±nf_∂| с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.

Основным недостатком способа-прототипа является невозможность оценки комплексных параметров, характеризующих эффективность СА в целом и относящихся ко всем N каналам утечки КИ, главным из которых является помехоустойчивость приема при использовании всех N каналов утечки КИ, определяющая потенциально-достижимый информационный ущерб за счет работы СА. В прототипе возможно определение параметров СА только по отдельным каналам утечки КИ, однако, во-первых, помехоустойчивость одиночного приема (определяемая значением вероятности ошибки P_1ош) существенно отличается от потенциально-достижимой помехоустойчивости приема при использовании всех N каналов (определяемой значением вероятности ошибки Р_Nош). Во-вторых, пересчет N значений Р_1nош; n [1; N], измеренных в отдельных каналах утечки КИ, в значение вероятности ошибки P_Noш (что необходимо для комплексной оценки эффективности N-канальной СА в целом) невозможен ввиду неизвестной статистической зависимости сигналов в каналах утечки КИ друг от друга. В-третьих, предположение о взаимной независимости сигналов в каналах утечки КИ ведет к применению расчетной формулы

и нежелательному росту неопределенности

при оценке параметров СА: поскольку известно, что сигналы в каналах утечки КИ ни статистически однородными, ни взаимно независимыми не являются [2-3].

Решение проблемы состоит в том, чтобы в качестве критерия оценки эффективности СА использовать значение вероятности ошибки Р_Nош, характеризующей помехоустойчивость приема сигнала по всем N каналам утечки КИ, потенциально возможным в СА, одновременно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности оценки комплексных параметров СА, относящихся ко всем N каналам утечки КИ, потенциально возможным в ней, путем оценки помехоустойчивости приема сигналов утечки КИ по всем N каналам одновременно с помощью системы N-канального разнесенного приема. Дополнительным результатом является повышение эффективности процесса определения параметров СА за счет возможности его автоматизации.

Сущность предлагаемого способа оценки эффективности случайной антенны, включающего воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂; определение частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; состоит в том, что вместо одиночного измерительного приемника используют схему (N+1)-канального приема на частотах f_с и f_i; i [1; N] с оконечным устройством, подключенным к схеме (N+1)-канального приема, которое производит определение вероятности ошибки одиночного приема

Р_1ош на частоте f_c и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема Р_Nош на N частотах f_i и рассчитывает значение критерия оценки эффективности случайной антенны S_Э=(1-P_Nош)/(1-Р_1ош).

На Фиг.1 приведена структурная схема аппаратурной реализации прототипа - известного способа определения уровней побочных излучений ИМ типа по полю (см. [5], с.63, рис.3.7), где 1 - дополнительный передатчик; 2 - направленный ответвитель; 3 - контролируемый передатчик; 4 - фильтр; 5 - аттенюатор; 6 - измерительный приемник; 7 - экранированная камера.

На Фиг.2 приведена структурная схема реализации предлагаемого способа оценки эффективности СА, где 1 - дополнительный передатчик; 2 - исследуемая СА; 3 - схема (N+1)-канального приема; 4 - оконечное устройство.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Рассмотрим отличия предлагаемого способа от способа-прототипа. В способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту f_c; на дополнительном передатчике 1 - частоту f_∂ с заданной расстройкой Δf=f_c-f_∂ (знак и значения расстройки Δf определяют значения ИМ частот 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка f_u3). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту f_c и производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на частоте f_c измерительного тракта К_с). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте f_c производят измерение мощности Р_с (или напряжения U₀) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего контролируемый передатчик 3 выключают.

На втором этапе определяют частоты ИМ составляющих второго порядка:

f_u2=f_c+f_∂=2f_∂+Δf; f_u2=f_c-f_∂=Δf; если f_c>f_∂;

f_u2=f_c+f_∂=2f_с+Δf; f_u2=f_∂-f_с=Δf; если f_∂>f_с;

и частоты ИМ составляющих третьего порядка:

f_u3=2f_c+f_∂=2f_∂+f_с+Δf; f_u3=2f_c-f_∂=f_с+Δf; если f_c>f_∂;

f_u3=2f_∂+f_с=2f_с+f_∂+Δf; f_u3=2f_∂-f_с=f_∂+Δf; если f_∂>f_с;

На частотах ИМ составляющих 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка f_u3 производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на i-ой частоте f_i; где i=1÷4, измерительного тракта К_i).

На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте f_с и дополнительный передатчик 1 на частоте f_∂ одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ составляющих f_i и каждый раз измеряют мощность P_i (или напряжение U_i) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им рассчитывают по формулам

, или .

Применительно к условиям решаемой задачи: оценке эффективности реальных СА, способ-прототип обладает следующими недостатками.

1. Относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им в каналах утечки КИ косвенно характеризуют информационный ущерб за счет работы СА, тогда как предпочтительна прямая оценка: с помощью критериев Р_1ош при одиночном приеме и P_Nош при N-канальном (N-кратном разнесенном) приеме (поскольку относительный информационный ущерб S=Q_пp/Q₀=(Q₀-Q_ош)/Q₀==1-Р_ош, где Q₀ - общее число принятых символов (знаков, единиц информации); Q_пр - число правильно принятых символов; Q_ош - число неправильно принятых символов в канале утечки КИ - как при одиночном, так и при N-канальном разнесенном приеме).

2. Одного канала приема и одного измерительного приемника (см. Фиг.1) недостаточно для того, чтобы оценить эффективность СА в целом, поскольку потенциально-достижимый информационный ущерб за счет работы СА характеризует вероятность ошибки в схеме N-канального приема P_Nош, а не вероятность ошибки в схеме одиночного приема Р_1ош, то есть S_max=1-P_Nош.

3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения f_c; подключать и калибровать элементы измерительного тракта (направленный ответвитель, фильтр, аттенюатор); подключать измерительный приемник непосредственно к СА - без чего определить значения χ_им с помощью способа-прототипа невозможно.

Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, вместо измерительного приемника 6 (см. Фиг.1) использовать схему (N+1)-канального приема 3 (см. Фиг.2) и, во-вторых, в качестве критерия оценки эффективности СА использовать значение параметра S_Э=(1-Р_Nош)/(1-Р_1ош), непосредственным образом характеризующего относительный информационный ущерб за счет утечки КИ по всем N каналам на частотах f_i, потенциально возможным в СА, одновременно.

В предлагаемом способе на первом этапе с помощью схемы (N+1)-канального приема 3 и оконечного устройства 4 (см. Фиг.2) определяют значения частоты f_c сигнала и N частот интермодуляционных составляющих излучения СА f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; i [1; N]. На втором этапе с помощью оконечного устройства 4 определяют значения вероятности ошибки одиночного приема P_1ош на частоте f_с и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема Р_Nош на N частотах f_i. На третьем этапе по найденным P_Nош и Р_1ош рассчитывает значение критерия оценки эффективности S_Э=(1-Р_Nош)/(1-Р_1ош).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет оценить эффективность N-канальной СА по критерию относительного информационного ущерба, более объективному по сравнению с энергетическими критериями, используемыми в способе-прототипе. Поскольку значение Р_Nош определяется для реальных каналов утечки КИ на N частотах f_i (соответствующих N ветвям в схеме разнесенного приема), необходимость в дополнительных предположениях о свойствах сигналов в этих ветвях (независимость, однородность и т.д.), приводящая к нежелательному росту неопределенности при оценке параметров СА, отпадает.

Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, удобен для практической реализации. Поскольку оконечное устройстве 4 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс оценки эффективности СА легко поддается автоматизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - С.12-15.

2. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.

3. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Защита информации: аспект электромагнитной совместимости и безопасности // Вестник связи. 2005. №2. - С.65-72.

4. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.

5. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.

6. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. - 120 с.

7. Воронин Е.Н., Шашенков В.Ф. Микроволновая селективная голография. М.: Радио и связь, 2003. - 535 с.

8. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г., Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2271065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюл. №6.

9. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенными термином «случайные антенны» (СА). Техническим результатом является повышение точности и достоверности оценки комплексных параметров СА, относящихся ко всем N каналам утечки (КИ), потенциально возможным в ней, путем оценки помехоустойчивости приема сигналов утечки КИ по всем N каналам одновременно с помощью системы N-канального разнесенного приема. Дополнительным результатом является повышение эффективности процесса определения параметров СА за счет возможности его автоматизации. Способ оценки эффективности случайной антенны включает воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂; определение частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…. Используют схему (N+1)-канального приема на частотах f_c и f_i; i [1; N] с оконечным устройством, подключенным к схеме (N+1)-канального приема, которое производит определение вероятности ошибки одиночного приема P_1ош на частоте f_c и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема P_Nош на N частотах f_i и рассчитывает значение критерия оценки эффективности случайной антенны S_Э=(1-P_Nош)/(1-P_1ош). 2 ил.

Способ оценки эффективности случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂; определение частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…, отличающийся тем, что используют схему (N+1)-канального приема на частотах f_c и f_i; i [1; N] с оконечным устройством, подключенным к схеме (N+1)-канального приема, которое производит определение вероятности ошибки одиночного приема P_1ош на частоте f_c и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема P_Nош на N частотах f_i и рассчитывает значение критерия оценки эффективности случайной антенны S_Э=(1-P_Nош)/(1-P_1ош).