КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для приема сигналов побочного электромагнитного излучения (ПЭМИ) методом марковской теории нелинейной фильтрации. Также может быть использована в радиолокации, средствах связи.
Предлагаемый приемник позволяет осуществлять прием бинарного сообщения, близкий к оптимальному по критерию минимума среднего риска при меньшем количестве априорных сведений о сигнале.
Актуальной задачей является определение степени защищенности средств вычислительной техники от перехвата информации по каналам побочного электромагнитного излучения. Как правило, возможность перехвата в значительной степени зависит от априорных сведений о характере излучения, параметрах информационного сообщения и помехи, которыми обладает перехватчик [4].
Для построения оптимальных приемников требуются точные априорные сведения. Однако методы приема, основанные на нелинейной фильтрации, позволяют восстанавливать сигнал с достаточной точностью при меньшем количестве априорных сведений [5].
Таким образом, возникает необходимость синтезировать приемники сигналов ПЭМИ методом нелинейной фильтрации. Теория оптимальной нелинейной фильтрации марковских информационных сообщений, содержащихся в радиосигналах, когда сигнал принимается совместно с шумом, разработанная Р.Л. Стратоновичем, дает единую основу для определения структурных схем оптимальных приемников [1].
Известен оптимальный приемник с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), который осуществляет квазикогерентный прием сигналов. Он имеет основной информационный канал, на выходе которого получается оценочное значение передаваемого сообщения и систему ФАП для выработки опорного сигнала. См. книгу В.Н. Тихонов, Н.К. Кульман. «Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов». М., Сов. радио, 1975, с. 655-656.
Также известен оптимальный приемник, который имеет два канала. В первом канале происходит оптимальная нелинейная фильтрация широкополосного процесса от белого гауссовского шума. Во втором канале осуществляется квазикогерентный прием полезного радиосигнала. Опорный сигнал для синхронного детектора вырабатывается системой ФАП - ПРОТОТИП. Литературный источник тот же, с. 639.
Недостатки этих приемников заключаются в низком качестве фильтрации полезного сообщения при приеме:
- смеси сигнала и помехи в нестационарном режиме;
- смеси сигнала и помех, имеющих негауссовскую плотность распределения.
Технической задачей является повышение эффективности приемника при значительно меньших априорных сведениях о сигнале и помехе, что на практике при перехвате ПЭМИ является основополагающим фактором.
λ
λz
z
Технический результат достигается за счет построения электрической схемы квазиоптимального приемника нелинейной фильтрации двухкомпонентного марковского процесса в нестационарном режиме для сигналов ПЭМИ путем введения в схему дополнительных блоков обработки принимаемого сообщения, в которых происходят фильтрация и выделение дополнительных параметров смеси сигнала и помех y(t), поступающих на вход приемника: полезное сообщение λ(t); помеха z(t); дисперсия D(t) отфильтрованного полезного сообщения λ(t); совместная дисперсия D(t) отфильтрованного полезного сообщения λ(t) и помехи z(t); дисперсия D(t) отфильтрованной помехи z(t). Дополнительные блоки позволяют выделять параметры сообщения и помехи и подавать их на блок фильтрации полезного сообщения в цепях обратной связи. Это позволяет более качественно отфильтровывать полезное сообщение в отличие от прототипа, в котором есть только один блок фильтрации полезного сообщения и отсутствуют блоки выделения дополнительных параметров.
λ
λz
z
Для решения поставленной задачи предлагается квазиоптимальный приемник, содержащий блок фильтрации и блок квазикогерентного приема полезного сигнала, отличающийся тем, что содержит семь блоков: первый блок фильтрации полезного сообщения λ(t), второй блок выделения дисперсии D(t) отфильтрованного полезного сообщения λ(t), третий блок выделения совместной дисперсии D(t) отфильтрованного полезного сообщения λ(t) и помехи z(t), четвертый блок выделения дисперсии D(t) отфильтрованной помехи z(t), пятый блок фильтрации помехи z(t), шестой блок обработки входного сообщения y(t), седьмой блок промежуточной обработки параметров сообщения и помехи.
/
//
λ
λz
z
Каналы связаны между собой следующими соединениями: входная смесь полезного сообщения и помехи y(t) соединена с первыми входами первого, пятого и шестого блоков, выход первого блока является выходом квазиоптимального фильтра и обратными связями соединен со вторыми входами первого, пятого и шестого блоков; выход нелинейного преобразования q(z) пятого блока соединен с четвертым, третьим и пятым входами соответственно первого, шестого и своего же пятого блока; выход нелинейного преобразования q(z) пятого канала соединен с четвертым и третьим входами шестого и седьмого блоков соответственно; выход нелинейного преобразования q(z) пятого блока соединен только с пятым входом шестого блока; выход шестого блока обработки входного сообщения соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого блоков; выход второго блока выделения дисперсии D(t) отфильтрованного полезного сообщения соединен с третьим и вторым входами первого и третьего блоков соответственно; выход третьего блока выделения совместной дисперсии D(t) связан с первым и третьим входами седьмого и пятого блоков, а также со вторыми входами второго и четвертого блоков; выход четвертого блока выделения дисперсии D(t) отфильтрованной помехи связан с третьим и вторым входами третьего и седьмого блоков; первый выход седьмого блока промежуточной обработки связан с пятым и четвертым входами соответственно первого и третьего блоков, а также с третьими входами второго и четвертого блоков; второй выход седьмого блока промежуточной обработки связан с пятым и четвертым входами соответственно третьего и пятого блоков.
На фиг. 1 представлена обобщенная структурная электрическая схема квазиоптимального приемника, на фиг. 2 показана подробная структурная электрическая схема приемника, на фиг. 3 показаны зависимости вероятности ошибки приема бинарного сообщения от отношения мощности помехи и мощности сигнала для различных вариантов приемников.
На фиг. 1 изображены семь блоков квазиоптимального приемника:
блок 1 осуществляет фильтрацию полезного сообщения λ(t);
λ
блок 2 - выделение дисперсии D(t) отфильтрованного полезного сообщения λ(t);
λz
блок 3 - выделение совместной дисперсии (ковариации) D сигнала λ(t) и помехи z(t);
z
блок 4 - выделение дисперсии D(t) отфильтрованной помехи z(t);
блок 5 - выделение помехи z(t);
блок 6 - преобразование входного сигнала y(t) смеси сигнала и помехи, поступающей на вход фильтра;
z
λz
блок 7 - преобразование дисперсии D(t) отфильтрованной помехи z(t) и совместной дисперсии D.
На фиг. 2 изображено:
1÷16 - сумматоры;
17÷28 - умножители;
29 - блок коэффициента усиления, обратно пропорционального длительности одиночного импульса сигнала λ(t);
1
30 - блок удвоенного коэффициента усиления K;
31 - коэффициент усиления, пропорциональный частоте дискретизации системы;
2
32 - блок удвоенного коэффициента усиления K;
1
2
33 - блок сложения K+K (позиции 29+31);
0
34÷38 - блок коэффициента усиления, обратно пропорционального значению средней односторонней спектральной мощности помехи N=N[z(t)];
39÷43 - интеграторы;
44÷45 - умножители на два;
46÷50 - блок возведения в квадрат;
51 - блок нелинейного преобразования q(z);
//
52 - блок нелинейного преобразования q(z);
/
53 - блок нелинейного преобразования q(z);
λ
54 - блок коэффициента усиления, пропорционального значению средней односторонней спектральной мощности формирующих шумов N случайного процесса сигнала λ(t);
λz
55 - блок коэффициента усиления, пропорционального значению средней односторонней спектральной мощности формирующих шумов N смеси случайных процессов сигнала λ(t) и помехи z(t);
z
56 - блок коэффициента усиления, пропорционального значению средней односторонней спектральной мощности формирующих шумов N случайного процесса помехи z(t);
y(t) - блок смеси сигнала и помехи, поступающей на вход фильтра;
λ(t) - случайный марковский процесс, оценочное значение сигнала (полезного сообщения);
z(t) - случайный марковский процесс, оценочное значение помехи;
q(z) - нелинейное преобразование;
λ
D - дисперсия сигнала λ(t);
z
D - дисперсия помехи z(t);
λz
D - совместная дисперсия (ковариация) сигнала λ(t) и помехи z(t).
L
н
На фиг. 3 приведены три графика для разработанного приемника, основанного на методе нелинейной марковской фильтрации. Графики отображают зависимости вероятности правильного приема от отношения мощностей S-шума к сигналу для трех различных значений мощностей нормального шума Ш, характеризующего, например, внутренние шумы приемника или дополнительную аддитивную помеху.
L
Кривая 3, нарисованная сплошной черной линией, построена для условий действия негауссовской S помехи Джонсона и внутреннего шума приемника с мощностью -10 дБ по отношению к сигналу. Фактически кривые 3 и 4 определяют эффективность приемников по критерию минимума среднего риска и нелинейной фильтрации для одинаковых условий. Проигрыш в эффективности приемника нелинейной фильтрации не превышает 2 дБ и является незначительным при приеме сигнала ПЭМИ, когда мощность помехи превышает мощность сигнала.
Данное построение электрической структурной схемы квазиоптимального приемника вытекает из следующего.
L
Рассмотрим процесс формирования алгоритма нелинейной фильтрации бинарного сообщения при приеме суммы сигнала, несущего такое сообщение, помехи, имеющей S распределений Джонсона и белого гауссовского шума. Выбор распределения группы Джонсона удобен тем, что процессы с такими распределениями могут быть сформированы нелинейными безынерционными преобразованиями нормальных случайных процессов и позволяет сформировать достаточно широкий класс распределений, близких к распределениям реальных помех [3].
Задача формирования алгоритма нелинейной фильтрации видеосигнала в сумме с негауссовской помехой и белым гауссовским шумом решается при следующих основных допущениях:
- сигнал представляет собой последовательность видеоимпульсов положительной полярности, параметры которых (сообщение λ(t), амплитуда, длительность, время прихода) неизвестны за исключением частоты следования;
- помеха является некоррелированным дискретным случайным процессом, который можно описать как результат нелинейного безынерционного преобразования марковского гауссова процесса;
- сигнал и помехи представляют нестационарные процессы.
Пусть на вход приемника поступает сигнал
Помеха ξ(t) определяется как безынерционное нелинейное преобразование q над нормальным марковским процессом z, ξ(t)=q(z), тогда
n(t) - белый гауссовский шум с функцией автокорреляции
λ(t) - полезное сообщение, представляющее марковский процесс, который задается априорным стохастическим дифференциальным уравнением [2]
λ
n(t) - формирующие белые шумы.
Помеха z(t) задается априорным стохастическим дифференциальным уравнением
z
n(t) - формирующие белые шумы.
В результате решения системы уравнений (6-7) квазиоптимальной нелинейной фильтрации для двумерных марковских процессов в нестационарном режиме [1]
получаем выражения (8-12), определяющие схему оптимального приемника:
Полученные уравнения позволяют синтезировать квазиоптимальный нестационарный приемник сигналов побочного электромагнитного излучения, представленный на фиг. 1 и 2.
Анализ эффективности выделения сообщения, проведенный методом цифрового моделирования, позволяет оценить потенциальную защищенность средств вычислительной техники от утечки информации для различных случаев априорной неопределенности и характеристик помех.
Схема приемника реализована в программе MATLAB.
ош
L
SL
В результате моделирования получены зависимости вероятности ошибки правильного приема бинарного сообщения р от отношения мощности S-помехи Ш к мощности сигнала С, представленные на фиг. 3.
Синтез и результаты моделирования оптимального приемника по критерию минимума среднего риска также проведены авторами и представлены, в частности в работе [5]. Следует отметить, что потенциальная (наибольшая) эффективность приема определяется именно критерием минимума среднего риска.
Таким образом, разработан квазиоптимальный приемник сигналов побочного электромагнитного излучения методом марковской теории нелинейной фильтрации. Результаты цифрового моделирования оптимального приема бинарного сообщения показали некоторый проигрыш в эффективности по сравнению с оптимальным приемом по критерию минимума среднего риска. При этом для реализации разработанного алгоритма нелинейной фильтрации не требуется знать априорных сведений об амплитуде и времени прихода первого импульса в отличие от оптимального алгоритма по критерию минимума среднего риска, что на практике при перехвате ПЭМИ является основополагающим фактором.
Литература
1. Тихонов В.И. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. / В.И. Тихонов, Н.К. Кульман. М., Сов. радио, 1975, 704 с.
2. Первачев С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. / С.В. Первачев. М.: Радио и связь, 1982, 296 с.
3. Кендал М. Теория распределений. / М. Кендал, А. Стюарт, пер. с англ. Сазонова В.В., Ширяева А.Н., под ред. Колмогорова А.Н. - М.: Наука, 1966.
4. Хорев А.А. Техническая защита информации: Учеб. пособие для студентов вузов. В 3 т. Т. 1. Технические каналы утечки информации. / А.А. Хорев. М: НПЦ «Аналитика», 2008. 436 с.
5. Astretsov D.V., Nifontov Yu.A., Sokolov R.I. Analyzes of potencial noise immunity binary signal extraction in condition of Gaussian and nongaussian noise. Physics and technical applications of wave processes: works of XI International scientific-technical conference. / Yu.E. Mitelman. - Ekaterinburg: UrFU, 2012, p. 147-149.
Условные обозначения
y(t) - смесь сигнала и помехи, поступающей на вход фильтра;
λ(t) - случайный марковский процесс, оценочное значение сигнала (полезного сообщения);
z(t)- случайный марковский процесс, оценочное значение помехи;
q(z) - нелинейное преобразование;
λ
D - дисперсия сигнала λ(t);
z
D - дисперсия помехи z(t);
λz
D - ковариация (совместная дисперсия) сигнала λ(t) и помехи z(t);
0
N=N- односторонняя спектральная мощность помехи z(t);
λ
N - односторонняя спектральная мощность формирующих белых гауссовских шумов случайного процесса сигнала λ(t);
z
N - односторонняя спектральная мощность формирующих белых гауссовских шумов случайного процесса помехи z(t);
λz
N - односторонняя спектральная мощность формирующих белых гауссовских шумов смеси случайных процессов сигнала λ(t) и помехи z(t);
1/р - интегратор;
1
K - коэффициент усиления, обратно пропорциональный длительности одиночного импульса сигнала λ(t);
2
K - коэффициент усиления, пропорциональный частоте дискретизации системы;