СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ШУМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H04K3/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для оценки параметров помехозащищенности радиоэлектронных информационных систем различного назначения, обладающих возможностью поляризационной селекции, а также в современных, помехозащищенных и конфиденциальных системах связи, в системах защиты информации, в контрольно-измерительных системах и иных радиоэлектронных информационных системах с возможностью поляризационной обработки сигналов.

Технический результат заключается в создании формирователя сигнала со случайными законами распределения амплитуды, фазы и поляризации.

Известные способы формирования шума позволяют формировать амплитудный, амплитудно-фазовый или фазовый (частотный) случайные процессы. В радиодиапазоне наиболее общим случаем является амплитудно-фазовый шум. При этом электромагнитная волна формируется либо с линейной, либо круговой (эллиптической) поляризацией. Вид поляризации определяется антенной системой.

Известны различные способы создания шумовых сигналов (Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. - М.: Мир, 1986), которые используются при проектировании генераторов шума. Известны также технические средства для формирования как аналоговых (Тетерич Н.М. Генераторы шума. - М.: Госэнергоиздат, 1961), так и цифровых (П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014.) шумовых сигналов.

Разработаны цифро-аналоговые генераторы шума на основе N-разрядного регистра сдвига, сумматора по модулю два и дополнительного введения аналогового хаотического генератора (патент RU 2472286 C1, МПК Н03В 29/00, Опубликовано: 10.01.2013).

Постоянно идет улучшение известных устройств, расширение полосы генерируемого шума, уменьшение габаритов устройства, уменьшение веса устройства и расширение функциональных возможностей устройства (патент RU 52639 U1, МПК G01R 29/26, Опубликовано: 10.04.2006), а также увеличение числа независимых каналов (патент RU 56746 U1, МПК Н03В 29/00, Опубликовано: 10.09.2006).

Недостатком описанных методов является невозможность управления поляризацией излучаемого шума.

Наиболее близким к описываемому способу техническим решением является постановщик помех, позволяющий формировать любой тип поляризации (патент RU 2690664 C1, МПК H04K 3/00, Опубликовано: 05.06.2019). Недостатками указанного метода является невозможность применения для формирования шума аналоговые источники, из-за чего имеется возможность генерации только псевдослучайных последовательностей, а также ограниченность диапазона частот частотой дискретизации АЦП, следствием чего является сложность формирования шума в диапазоне СВЧ.

Техническим результатом является реализация способа формирования шума с произвольной поляризацией, расширение частотного диапазона применения такого шума и возможность применения в качестве первичного источника любых известных генераторов.

Указанный технический результат достигается путем формирования двух ортогональных компонент ЭМП двумя независимыми процессами со случайной амплитудой и фазой и последующим формированием ЭМП в дальней зоне путем суперпозиции этих компонент. Случайные процессы в двух каналах формируются двумя физическими аналоговыми некоррелированными источниками шума с гауссовской амплитудой и равномерным распределением фазы. Результатом служит двумерный случайный процесс с гауссовским распределением. Помимо этого имеется возможность формирования пространственных компонент от одного источника шума с регулировкой разности фаз между компонентами. Это позволяет реализовать линейную и эллиптическую поляризации с изменяемым углом пространственной ориентации. Предлагаемый способ позволяет дополнительно к амплитудно-фазовому случайному процессу добавить случайную во времени ориентацию вектора поляризации и, тем самым, получить амплитудно-фазо-поляризационный шум.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве излучателя используется биортогональная антенна, на ортогональные составляющие которых подается сигнал как от двух некоррелированных аналоговых источников шума с гауссовской амплитудой и равномерным распределением фазы, так и от одного источника шума. За счет встроенных фазовращателей регулируется разность фаз между каналами. В результате пространственной суперпозиции формируется сигнал с линейной, эллиптической и изменяющейся по равномерному закону случайного распределения пространственной поляризацией.

Формирование случайного во времени положения вектора поляризации при одновременных случайных процессах по амплитуде и фазе осуществляется на основе суперпозиции двух ортогональных по поляризации линейно поляризованных электромагнитных полей со случайными, в общем случае независимыми, процессами изменения амплитуды и фазы. Аналитически результирующий процесс определяется выражением:

где и - вертикальная и горизонтальная пространственные компоненты электромагнитного поля, и - антенный фактор, R - расстояние от излучающей антенной системы, u_B(t) и u_r(t) - сигналы, подаваемые на вертикальную и горизонтальную компоненты антенной системы, определяемые как:

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи радиолиний, и - амплитуды некоррелированных случайных процессов, и - фазы случайных процессов, ωt - несущая частота, ϕ₁ и ϕ₂ - начальные фазы несущих.

Формирование ортогональных линейно поляризованных электромагнитных полей осуществляется антенной системой, в простейшем случае представляющей собой два идентичных независимых ортогональных диполя с общим фазовым центром, в качестве примера на Фиг. 1 и Фиг. 2 схематично изображены случайные электромагнитные поля, формируемые каждым из ортогональных диполей с вертикальной (Е_в) и горизонтальной (Е_г) поляризациями соответственно, а на Фиг. 3 - результирующее электромагнитное поле такой антенной системы в дальней зоне, соответствующее выражению (1).

Устройство содержит последовательно соединенные генератор несущей частоты 1, разветвитель 2, управляемый фазовращатель 3 смеситель 5. Второй выход разветвителя 2 через управляемый фазовращатель 4 соединен с первым входом смесителя 6. Первый источник шума 7, через последовательно соединенные ключ 8, разветвитель 9, управляемый усилитель 10 подключен ко второму входу смесителя 5. Второй источник шума 11, через последовательно соединенные ключ 12, коммутатор 13, управляемый усилитель 14 подключен к второму входу смесителя 6. Второй выход разветвителя 9 подключен ко второму входу коммутатора 13. Выходы смесителей 5 и 6 через полосовые фильтры 15, 16 и усилители 17, 18 соответственно подключаются к ортогональным элементам антенной системы 19. Первый, второй, третий и четвертый выходы схемы управления 20 подключены к входам управления управляемых фазовращателей 3 и 4, управляемых усилителей 10 и 14, ключа 8 и коммутатора 13. Вход схемы управления 20 является входом управления устройством.

Устройство работает следующим образом: случайный процесс с выхода источника шума 7 через ключ 8 разветвитель 9 и управляемый усилитель 10 поступает на второй вход смесителя 5. Случайный процесс с выхода источника шума 11 через ключ 12, коммутатор 13 и управляемый усилитель 14 поступает на второй вход смесителя 6. Случайные процессы, формируемые источниками шума 7 и 11 статистически не зависимы. На первые входы смесителей 5 и 6 через разветвитель 2 и управляемые фазовращатели 3 и 4 поступает гармоническое колебание от генератора несущей частоты 1. Выходные сигналы смесителей 5 и 6 являются балансно-модулированными случайными процессами. Эти сигналы с выходов смесителей 5 и 6 через фильтры 15 и 16 и усилители 17 и 18 подаются на ортогональные входы антенной системы 19, обеспечивающей формирование в дальней зоне электромагнитного поля с изменяющимся по случайному закону пространственной ориентацией вектора поляризации. Мгновенное значение модуля и угла пространственной ориентации вектора поляризации определяется мгновенными значениями случайных процессов, подаваемых на вторые входы смесителей 5 и 6, которые можно рассматривать как проекции вектора поляризации на ортогональные оси, соответствующие ортогональным входам антенной системы 19, что поясняется фиг. 5.

Устройство, за счет наличия управляемых элементов (фазовращателей 3 и 4, ключей 8 и 12, коммутатора 13, усилителей 10 и 14) позволяет получать электромагнитные поля различной структуры. Наиболее общим случаем является формирование электромагнитного поля со случайными амплитудой, фазой и ориентацией вектора поляризации. В этом случае ключи 8 и 12 замкнуты, коммутатор 13 подключает источник шума 11 на вход регулируемого усилителя 14. В этом случае, если источники шума 7 и 11 формируют статистически независимые гауссовские процессы, формируемое в дальней зоне антенной системы электромагнитное поле представляет собой, в плоскости нормальной вектору Умова-Пойтинга двухмерный гауссовский шум, иллюстрируемый фигурами 5а-5д. Математическое описание дается формулами (1), (2) и (3) при и - независимых случайных процессах, подчиняющимся закону распределения Рэлея, и - независимых случайных процессах, подчиняющимся равномерному закону распределения, k₁=k₂ и ϕ₁=ϕ₂=0. На Фиг. 5А приведен пространственный годограф формируемого амплитудно-фазо-поляризационного шума, проекция которого на плоскость, нормальную вектору Умова-Пойтинга, образуемую ортогональными осями Е_в, Е_г, приведена на Фиг. 5Б. Законы распределения параметров формируемого шума приведены на Фиг. 5В-5Д.

Частным случаем реализации процесса, описанного формулой (1), является формирование классического шума с линейной вертикальной или горизонтальной поляризацией. При реализации режима излучения шума на вертикальной поляризации ключ 8 замкнут, ключ 12 разомкнут и коммутатор 13 подключает вход с ключа 12 на выход. Сигнал с первого выхода разветвителя 9 через усилитель 10 и смеситель 5 подается на вертикальную составляющую антенной системы. Формируемый в дальней зоне процесс представляет собой вертикально поляризованный случайный процесс с амплитудой подчиняющейся закону распределения Рэлея, и фазой изменяющейся по равномерному закону распределения, определяемой источником 7. Горизонтальная составляющая u_г(t)=0.

При реализации режима излучения шума на горизонтальной поляризации ключ 8 разомкнут, ключ 13 замкнут, коммутатор 13 подключает сигнал с источника шума 11 на вход управляемого усилителя и через смеситель 6 выводиться на горизонтальную составляющую антенной системы. Статистические характеристики формируемого случайного процесса определяются источником 11. Электромагнитное поле в дальней зоне, сформированное гауссовскими источниками шума с огибающей и фазой проиллюстрировано на Фиг. 6А-6Е. Вертикальная компонента u_в(t)=0.

Еще одним случаем является режим с управляемой наклонной поляризацией и коэффициентом эллиптичности. Ключ 12 размыкается, коммутатор 13 замыкает второй вход с разветвителя 9 на управляемый усилитель 13. Ключ 8 замкнут и источник шума 7 через разветвитель 9, управляемые усилители 10, 14, смесители 5 и 6, полосовые фильтры 15 и 16 и усилители 17 и 18 подключается к обоим компонентам антенной системы 19. Эллиптичность вращения поляризации полученного электромагнитного излучения регулируется фазовращателями 3 и 4. Наклон эллипса поляризации регулируется управляемыми усилителями 10 и 14. Закон изменения коэффициента эллиптичности и наклона эллипса поляризации может быть произвольной. Для гауссовского шума при постоянной разности фаз на фазовращателях ϕ₁-ϕ₂=π/4 и отношении коэффициентов усиления в каналах формируемое электромагнитное поле проиллюстрировано на Фиг. 7А-7Е.

Реализуемость данного устройства подтверждена экспериментально. В соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг. 4, разработано устройство, где генератором несущей частоты 1 является микросхема ADF5355, разветвителем 2 - NCR-123+, фазовращетелем 3,4 - MAPS-010166, смесителем 5,6 - НМС412, первичными источниками 7,8 - NC506/12, ключ НМС435,. В эксперименте оценивались статистические и поляризационные характеристики формируемого шума. Для этого напротив формирователя устанавливалось устройство записи сигнала, состоящее из антенной направленной системы, принимающей вертикальную и горизонтальную компоненты электромагнитного поля, приемных каналов, двух АЦП и ПЛИС с интерфейсом записи на CD карту. Полученные выборки обрабатывались в пакете программирования Matlab. На Фиг. 8А-8Б приведен пространственный годограф изменения мгновенного положения вектора поляризации для ЭМП с вертикальной поляризацией (8А) и неполяризованного (8Б). На Фиг. 9 приведена гистограмма плотности распределения амплитуд сигнала в каналах, соответствующим ортогональным компонентам ЭМП. Наблюдается соответствие экспериментальных характеристик заявленным.

Таким образом, заявленный способ действительной позволяет достичь заявленного технического результата.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для оценки параметров помехозащищенности радиоэлектронных информационных систем различного назначения, обладающих возможностью поляризационной селекции, а также в современных, помехозащищенных и конфиденциальных системах связи, в системах защиты информации, в контрольно-измерительных системах и иных радиоэлектронных информационных системах с возможностью поляризационной обработки сигналов. Технический результат заключается в создании формирователя сигнала со случайными законами распределения амплитуды, фазы и поляризации. Для этого формируют две ортогональные компоненты ЭМП двумя независимыми процессами со случайной амплитудой и фазой и последующим формированием ЭМП в дальней зоне путем суперпозиции этих компонент. Случайные процессы в двух каналах формируются двумя физическими аналоговыми некоррелированными источниками шума с гауссовской амплитудой и равномерным распределением фазы. Результатом служит двумерный случайный процесс с гауссовским распределением. Кроме этого есть возможность формирования пространственных компонент от одного источника шума с регулировкой разности фаз между компонентами для реализации линейной и эллиптической поляризации с изменяемым углом пространственной ориентации. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Способ формирования амплитудно-фазо-поляризационного шума, заключающийся в формировании двух ортогональных компонент электромагнитного поля двумя независимыми процессами со случайной амплитудой и фазой и последующим формированием электромагнитного поля в дальней зоне путем суперпозиции этих компонент, реализующий линейную и эллиптическую поляризации с изменяемым углом пространственной ориентации путем добавления к амплитудно-фазовому случайному процессу случайной во времени ориентации вектора поляризации, получая амплитудно-фазо-поляризационный шум.

2. Устройство для формирования амплитудно-фазо-поляризационного шума, содержащее генератор несущей частоты 1, соединенный с разветвителем 2, выход которого соединен с двумя каналами, каждый из которых состоит из последовательно соединенных управляемого фазовращателя 3, (4), смесителя 5, (6), полосового фильтра 15, (16) и усилителя 17, (18), выходы двух каналов соответственно подключены к ортогональным элементам антенной системы 19, последовательно соединенные первый источник шума 7, первый ключ 8, разветвитель 9 и управляемый усилитель 10, выход которого соединен со вторым входом смесителя 5 первого канала, последовательно соединенные второй источник шума 11, ключ 12, коммутатор 13, второй управляемый усилитель 14, выход которого подключен ко второму входу смесителя 6 второго канала, второй выход разветвителя 9 подключен ко второму входу коммутатора 13, выходы схемы управления 20 подключены к входам управления управляемых фазовращателей 3 и 4, управляемых усилителей 10 и 14, ключей 8, 12 и коммутатора 13, вход схемы управления 20 является входом управления устройством.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирование в дальней зоне антенной системы 19 электромагнитного поля со случайными амплитудой, фазой и ориентацией вектора поляризации осуществляется при замкнутых ключах 8 и 12 посредством коммутатора 13, который подключает источник шума 11 на вход регулируемого усилителя 14, источники шума 7 и 11 формируют статистически независимые гауссовские процессы.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирование классического шума с линейной вертикальной поляризацией, осуществляют посредством реализации режима излучения шума на вертикальной поляризации, при которой ключ 8 замкнут, ключ 12 разомкнут и коммутатор 13 подключает вход ключа 12 на свой выход, что исключает прохождение сигнала с выхода второго источника шума 11 на вход усилителя 14, сигнал с первого выхода разветвителя 9 через усилитель 10 и смеситель 5 подается на вертикальную составляющую антенной системы, формируемый в дальней зоне процесс представляет собой вертикально поляризованный случайный процесс с амплитудой подчиняющейся закону распределения Рэлея, и фазой изменяющейся по равномерному закону распределения, определяемому источником 7, при этом горизонтальная составляющая u_г(t)=0.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирование классического шума с горизонтальной поляризацией осуществляют посредством реализации режима излучения шума на горизонтальной поляризации, при которой ключ 8 разомкнут, ключ 12 замкнут, коммутатор 13 имеет возможность подключения сигнала с источника шума 11 на вход усилителя 14, с возможностью через смеситель 6 выводиться на горизонтальную составляющую антенной системы 19, при этом статистические характеристики формируемого случайного процесса определяются источником 11.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирование управляемой наклонной поляризации с коэффициентом эллиптичности осуществляют посредством разомкнутого ключа 12 и замкнутого ключа 8, позволяющих первому источнику шума 7 через разветвитель 9 и замыкающий коммутатор 13 подавать сигнал через усилители 10, 14, смесители 5 и 6, полосовые фильтры 15 и 16 и усилители 17 и 18 к обоим компонентам антенной системы 19, при этом эллиптичность поляризации полученного электромагнитного излучения регулируется фазовращателями 3 и 4, наклон эллипса поляризации регулируется управляемыми усилителями 10 и 14.