Устройство для формирования имитостойких нелинейных рекуррентных последовательностей
DEVICE FOR FORMING SPOOFING RESISTANT NONLINEAR RECURRENT SEQUENCES

Изобретение относится к технике формирования дискретных сигналов, использующихся в системах связи и радиолокации со сложными шумоподобными сигналами (ШПС).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению и принятому за прототип является устройство для формирования нелинейных рекуррентных последовательностей дискретных сигналов (см. АС 1457650 СССР, МКИ G06F 15/20). Устройство для формирования нелинейных рекуррентных последовательностей [Текст] / Сныткин И.И., Горбенко И.Д., Литвиненко П.Т. (СССР). - 4239614/24-24; заявл. 04.05.87). Оно содержит сумматор по модулю два, элемент задержки, первый элемент И, регистр сдвига, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока управления, сумматор по модулю два, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига, а первый вход сумматора по модулю два соответственно соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом четырехвходового первого элемента И, четвертый вход которого соединен с первым инверсным выходом регистра сдвига, блок управления, состоящий из первого и второго счетчиков, ключа, генератора тактовых импульсов, элемента ИЛИ, первого и второго регистров, где выходы первого регистра соединены с соответствующими выходами блока управления, а входы с первого по четвертый первой группы блока управления соответственно соединены со входами «Кода начальной фазы» устройства, причем первый вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с первым прямым выходом регистра сдвига и подключен к первому информационному входу первой группы блока управления, второй вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с вторым прямым выходом регистра сдвига и подключен к второму информационному входу первой группы блока управления, третий вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с третьим прямым выходом регистра сдвига, третьим входом сумматора по модулю два и подключен третьему информационному входу первой группы блока управления, четвертый вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с четвертым прямым выходом регистра сдвига, первым входом первого элемента И, вторым входом сумматора по модулю два и подключен к четвертому информационному входу первой группы блока управления, первый инверсный выход регистра сдвига подключен к четвертому входу первого элемента И, первый, третий, пятый и седьмой выходы регистра сдвига являются прямыми, а второй, четвертый, шестой и восьмой выходы регистра сдвига - инверсными выходами соответственно первого, второго, третьего и четвертого разрядов, первый, третий, пятый и седьмой выходы регистра сдвига подключены соответственно к первой, второй, третьей и четвертой шинам первого входа блока управления, первый выход которого соединен с первым синхровходом второго счетчика и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с первым информационным входом ключа, с первым синхровходом и вторым счетным входом первого счетчика, с выходом генератора импульсов, вход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, вторым синхровходом считывания обоих регистров памяти, вторым выходом «отпирания» ключа и входом запуска блока управления, третий вход которого соединен с первыми синхровходами записи обоих регистров, третьим входом «запирания» ключа и выходом второго счетчика, второй счетный вход которого соединен с выходом ключа, а первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, четыре входа предварительной установки второго счетчика соединены соответственно с четырьмя выходами второго регистра памяти, четыре информационных входа которого подключены соответственно к четырем шинам четвертого входа блока управления.
Данное устройство-прототип обеспечивает формирование различных кодовых словарей нелинейных рекуррентных последовательностей и их программную смену в процессе работы длительностью L=11. Однако данное устройство-прототип не обеспечивает формирование различных словарей нелинейных рекуррентных последовательностей и их программную смену в процессе работы длительностью L=12. Для повышения помехозащищенности и имитостойкости необходимо иметь возможность формирования различных кодовых словарей нелинейных рекуррентных последовательностей и их программную смену в процессе работы большей длительности, одной из таких длительностей является длительность L=12.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет формирования различных словарей нелинейных рекуррентных последовательностей (НЛРП) обеспечивающее формирование различных кодовых словарей и их программную смену в процессе работы длительностью L=12.
Работу устройства можно разбить на два цикла: формирование одной НЛРП и одной неинверсно-изоморфной НЛРП - НЛРП (НИ) и формирование словарей НЛРП и словарей неинверсно-изоморфных НРЛП - НЛРП (НИ).
Устройство содержит: регистр сдвига, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока управления, сумматор по модулю два, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига, а первый вход сумматора по модулю два соответственно соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом четырехвходового первого элемента И, четвертый вход которого соединен с первым инверсным выходом регистра сдвига, блок управления, состоящий из первого и второго счетчиков, ключа, генератора тактовых импульсов, элемента ИЛИ, первого и второго регистров, где выходы первого регистра соединены с соответствующими выходами блока управления, а входы с первого по четвертый первой группы блока управления соответственно соединены со входами «Кода начальной фазы» устройства, причем первый вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с первым прямым выходом регистра сдвига и подключен к первому информационному входу первой группы блока управления, второй вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с вторым прямым выходом регистра сдвига и подключен к второму информационному входу первой группы блока управления, третий вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с третьим прямым выходом регистра сдвига, третьим входом сумматора по модулю два и подключен третьему информационному входу первой группы блока управления, четвертый вход кода начальной фазы устройства объединен с помощью элемента МОНТАЖНОЕ ИЛИ с четвертым прямым выходом регистра сдвига, первым входом первого элемента И, вторым входом сумматора по модулю два и подключен к четвертому информационному входу первой группы блока управления, первый инверсный выход регистра сдвига подключен к четвертому входу первого элемента И, первый, третий, пятый и седьмой выходы регистра сдвига являются прямыми, а второй, четвертый, шестой и восьмой выходы регистра сдвига - инверсными выходами соответственно первого, второго, третьего и четвертого разрядов, первый, третий, пятый и седьмой выходы регистра сдвига подключены соответственно к первой, второй, третьей и четвертой шинам первого входа блока управления, первый выход которого соединен с первым синхровходом второго счетчика и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с первым информационным входом ключа, с первым синхровходом и вторым счетным входом первого счетчика, с выходом генератора импульсов, вход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, вторым синхровходом считывания обоих регистров памяти, вторым выходом «отпирания» ключа и входом запуска блока управления, третий вход которого соединен с первыми синхровходами записи обоих регистров, третьим входом «запирания» ключа и выходом второго счетчика, второй счетный вход которого соединен с выходом ключа, а первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, четыре входа предварительной установки второго счетчика соединены соответственно с четырьмя выходами второго регистра памяти, четыре информационных входа которого подключены соответственно к четырем шинам четвертого входа блока управления, в блок внешней логики введены: вместо двухвходового элемента ИЛИ введен трехвходовый элемент ИЛИ и дополнительно введен трехвходовый элемент И, причем первый прямой выход регистра сдвига подключен к первому входу второго и пятого элементов И, первому входу второго элемента ИЛИ, второй прямой выход регистра сдвига подключен к первому входу третьего элемента И, третий прямой выход регистра сдвига подключен к третьему входу пятого элемента И, выход которого подключен к третьему входу третьего элемента ИЛИ, четвертый прямой выход регистра сдвига подключен к вторым входам второго и четвертого элементов И соответственно, второй инверсный выход регистра сдвига подключен к третьему входу первого элемента И и к второму входу пятого элемента И, третий инверсный выход регистра сдвига подключен к второму входу первого элемента И, первому входу четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого является выходом нелинейной рекуррентной последовательности устройства, к второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, выход которого подключен к второму входу элемента НЕ, инверсный выход второго элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и второму входу элемента НЕ, выход которого является выходом инвертированной нелинейной рекуррентной последовательности устройства.
Внесенные в устройство изменения соответствуют признакам «существенные отличия» и обеспечивают возможность формирования различных кодовых словарей нелинейных рекуррентных последовательностей и их программной смены в процессе работы длительностью L=12.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для формирования имитостойких нелинейных рекуррентных последовательностей, содержащая: сумматор по модулю два 1, регистр 2 сдвига, первый, второй, третий, четвертый и пятый, соответственно 3, 5, 7, 8, 9, элементы И, элемент задержки 4, первый, второй и третий, соответственно 6, 10, 11, элементы ИЛИ, а также входящие в состав устройства элементы блока управления первый и второй регистры 12 и 14, первый и второй счетчики 13 и 16, ключ 15, элемент ИЛИ 17 и генератор 18, с соответствующими связями.
На фиг. 2 представлена таблица истинности состояний устройства, которая поясняет его работу по формированию одной формы нелинейной рекуррентной последовательности длительностью L=12.
На фиг. 3 представлена логическая функция устройства, синтезированная и минимизированная с помощью метода карт Карно.
Внутренняя логика
Хв={010110111000}
Хв(ни)={00011110110}
Внешняя логика БФОП:
Оптимальный по своим свойствам и характеристикам псевдослучайных последовательностей (ПСП) длительностью L=12 является позиционный код (μ) квадратичных вычетов с двухуровневой периодической функцией автокорреляции Rμ(m)=12, m≠0, (mod 12), построение которого базируется на использовании характера ψ(•) мультипликативной группы поля GP (р=12).
ни
Нелинейная рекуррентная последовательность (НЛРП) длиной L=12 имеет вид μ*=010110111000, а неинверсно-изоморфная НЛРП имеет вид μ*=00011110110.
Использование данной НЛРП обеспечивает помимо помехоустойчивости и криптоустойчивость. Возможность применения словарей НЛРП данной длительности, построенных на основе автоморфных, неинверсно-изоморфных и изоморфных преобразований исходной НЛРП (μ) с использованием программных принципов смены НЛРП в одном словаре, смены самих словарей НЛРП, обеспечивает еще большую имитоустойчивость, криптоустойчивость и скрытность специальных систем связи.
Формирование НЛРП
В первый тактовый момент на вход устройства поступает код исходной начальной фазы для состояния разрядов регистра 2, но предварительно код записывается в регистр 14 с помощью синхроимпульса «Запись исходного состояния», подаваемого на вход записи исходного состояния устройства. Во второй тактовый момент на вход запуска поступает импульс «Начало работы», который, пройдя на вход генератора 18, включает его, а также, пройдя на вход считывания регистра 14, обеспечивает списывание кода начальной фазы из регистра 14 в регистр 2, а пройдя через элемент ИЛИ 17 на вход записи регистра 2, обеспечивает запись кода начальной фазы в регистр 2. Одновременно код начальной исходной фазы появляется на выходах 3, 4, 5, 6 регистра 2.
β
β(ни)
В последующие тактовые моменты, с третьего по пятнадцатый импульсы с генератора 18, поступающие на вход регистра 2 через элемент ИЛИ 17, обеспечивают последовательное изменение состояний разрядов регистра 2 в соответствии с функцией внутренней логики так, что, начиная с пятнадцатого такта, состояния разрядов регистра 2 повторяются. Таким образом, с периодом L=12 обеспечивается повторение состояний разряда регистра. Формирование при этом оптимальных ПСП (НЛРП) Х=μ=(010110111000) и Х=μ:=(00011110110) длительностью L=12 обеспечивается с помощью элементов И 5, И 7, И 8, И 9 и элементов ИЛИ 6, ИЛИ 10 и ИЛИ 11.
Цикл работы может повториться, начиная с пятнадцатого тактового момента, с помощью «кода шифра словаря», подаваемого на вход шифра устройства.
Рассмотрим режим формирования определенного типа словаря НЛРП. Объем словаря НЛРП, как и любого другого словаря кодовых рекуррентных последовательностей (в том числе ЛРП), определяется числом автоизоморфных преобразований.
β
β(ни)
Формирование определенного типа словаря НЛРП и словаря неинверсно-изоморфных НЛРП-НЛРП-НЛРПНИ происходит следующим образом. Объем словаря НРЛП, как и любого другого словаря кодовых РП, определяется числом авто- и изоморфных преобразований. Для НЛРП L=12 имеется два неинверсных изоморфизма, остальные (18) - автоморфные преобразования, которые представляют собой циклические сдвиги каждого неинверсного изоморфизма. В нашем случае неинверсными изоморфизмами являются НЛРП Х=(010110111000) и Х=(00011110110), формирование которых обеспечивается устройством при начальной фазе регистра 2 «1000».
Для формирования других (автоморфных) НЛРП, следуя таблице истинности на фиг. 2, достаточно обеспечить начало формирования НЛРП не с начальной фазы «1011», а с начальной фазы такой, которая соответствует какому-либо промежуточному состоянию разрядов регистра 2 (по таблице истинности это соответствует тактам с третьего по четырнадцатый). Выбор в качестве начальной фазы любого промежуточного состояния регистра 2 (по таблице истинности) не нарушает циклической работы (с периодом L=12) регистра 2, так как это не зависит от качества (структуры) начальной фазы из определенного в таблице истинности объема (набора) начальных фаз (промежуточных расстояний регистра 2).
Характер словарей НЛРП и НЛРПНИ, таким образом, зависит от того, какая начальная фаза устанавливается в регистре 2 после того, как были сформированы какие-то определенные (предыдущие) НЛРП и НЛРПНИ. Порядок чередования (выбора) начальных фаз таким образом определяет вид формируемых словарей НЛРП и НЛРПНИ. Они могут состоять только из одних постоянно формируемых НЛРП и НЛРПНИ, только из двух постоянно формируемых НЛРП и НЛРПНИ, только из трех НЛРП и НЛРПНИ и т.д. и в конце концов из двенадцати НЛРП и НЛРПНИ. В порядок чередования (выбора) начальных фаз таким образом закладываются свойства имитостойкости, криптоустойчивости словарей НЛРП и НЛРПНИ. Чем сложнее этот порядок чередования, тем выше имитостойкость, криптоустойчивость словарей НЛРП и НЛРПНИ. Оптимальными в этом смысле являются словари, построенные с помощью такого порядка чередования НЛРП, который носит псевдослучайный характер. Однако в любом конкретном случае, определяемом условиями функционирования, должна иметься возможность изменять этот порядок. Эти возможности и реализованы в устройстве с помощью запоминания в регистре 14 промежуточного состояния регистра 2 в соответствии с кодом шифра словаря, подаваемого на вход кода шифра устройства.
В 1-м такте на вход кода шифра устройства оператором заносится код цифры 8 (1000). Это означает, что в регистре 2 после начала формирования первой НЛРП будет заполнено третье промежуточное состояние регистра 2 (в нашем случае это будет в 5-й тактовый момент состояние 0110 регистра 2), поскольку счетчик 16, в который будет записан код цифры 8 (1000) в качестве его начального состояния, будет переполняться и выдавать импульс переполнения через три тактовых импульса. Затем после окончания формирования первых НЛРП и НЛРПНИ запомненное промежуточное состояние регистра 2 будет считано из регистра 12 в регистр 2, но уже в качестве его начальной фазы. После начнется процесс формирования других НЛРП и НЛРПНИ. И если к этому моменту не был изменен код шифра словаря, то в последующем опять будет запоминаться в регистре 12 каждое третье промежуточное состояние регистра 2 и затем считываться в регистр 2 в качестве его начальной фазы. Понятно, что, например, порядок чередования типа «каждая третья фаза» переберет в конце концов (спустя 12 циклов) все возможные начальные фазы, как и любой другой порядок типа «каждая n-я фаза», где n=2,3,…, 12, а порядок типа «каждая 1-я фаза» обеспечивает формирование словарей, состоящих только их одной определенной НЛРП и НЛРПНИ. Таким образом, числом n в законе «каждая n-я фаза» закладывается порядок чередования НЛРП-й и НЛРПНИ в словарях, т.е. характер (тип) словарей НЛРП и НЛРПНИ.
В режиме формирований различных словарей НЛРП и НЛРПНИ устройство работает следующим образом.
В 1-м такте в регистр 14 записывается код шифра словаря в виде двоичного кода ключевой цифры (например «8» - «1000»). Во втором такте синхроимпульс «Начало работы» обеспечивает считывание из регистра 14 в счетчик 16 код цифры 8 (1000). В 3-м такте вместе с началом формирования первой НЛРП и НЛРПНИ тактовые импульсы с генератора 18 поступают для счета в счетчик 13, а через открытый ключ 15 на счетный вход счетчика 16. Так как в счетчик 16 было записано состояние «8» (1000), то спустя три такта на его входе появится импульс переполнения, который закроет ключ 15, обеспечит, если изменится код шифра, запись в регистр 14 кода другой цифры и запись 3-го промежуточного состояния регистра 2. Если код шифра (код цифры) не изменился, то состояние регистра 14 не изменится в этом такте. Спустя 12 тактовых импульсов генератора 18 на выходе счетчика 13 появится импульс переполнения, который откроет ключ 15 и обеспечит считывание кода цифры 8 (в данном случае) на счетчик 16 и считывание в регистр 2 кода заполненной начальной фазы. Таким образом, в 14-м такте заканчивается формирование первых НЛРП и НЛРПНИ и все устройство подготавливается для формирования последующих НЛРП и НЛРПНИ из данных словарей, определяемых шифром-цифрой «8».
3
НИ
Начиная с 15-го такта, начинается формирование НЛРП и НЛРПНИ, определяемых начальной фазой 0110, которая была промежуточным состоянием регистра 2 в 5-м такте (по фиг. 2). Эти НЛРП и НЛРПНИ будут иметь вид μ=011011100001 и 011110100100 и тем самым будут представлять трехсимвольный сдвиг влево исходных НЛРП и НЛРПНИ μ={010110111000} и μ={00011110110}.
К
НИК
Таким образом, процесс формирования НЛРП и НЛРПНИ будет продолжаться по ранее описанному принципу так, что через каждый 12 тактов будут формироваться новые НЛРП, сдвинутые на 3 символа влево. Конец формирования словарей таких НЛРП и НЛРПНИ на фиг. 2 обозначены как конец НЛРП и НЛРПНИ. В 28-м такте записывается (по усмотрению или оператора, или других программных средств) новый код цифра словаря (код цифры, например «4-0100»). Это, начиная с 31-го такта, обеспечивается формирование таких словарей НЛРП и НЛРПНИ, в которых каждые последующие НЛРП и НЛРПНИ будут отличаться от предыдущих сдвигов на 5 тактов влево. Процесс формирования НЛРП и НЛРПНИ будет таким же, какой был описан ранее за исключением того, что импульс переполнения с выхода счетчика 16 будет появляться спустя 5 тактовых импульсов, а вследствие этого запоминаться в регистре 12 будет пятое промежуточное состояние регистра 2 после начала формирования НЛРП и НЛРПНИ.