Способ формирования и обработки сигнала, встроенного в маскирующую помеху
METHOD FOR GENERATING AND PROCESSING A SIGNAL EMBEDDED IN A MASKING NOISE

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения конфиденциальности работы радиолинии.
Известен «Способ адаптивной передачи данных в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» (Патенту РФ № 2707572, H04B 1/713, опубл.: 28.11.2019, Бюл. № 34). В известном способе на передающем конце радиолинии производят преобразование информационной скорости в техническую, выделение пакетов информации, состоящих из фреймов и слотов, модуляцию служебных слотов на соответствующих частотах передачи в соответствии с первой псевдослучайной последовательностью и информационных слотов на соответствующих частотах передачи в соответствии со второй псевдослучайной последовательностью, излучение модулированных слотов в пространство, на приемном конце радиолинии – разделение принятого сигнала на информационные и служебные части, для служебной части на соответствующих частотах в соответствии со второй псевдослучайной последовательностью осуществляют выбор канала передачи, формирование синхросигнала, пиков взаимно корреляционной функции для точной синхронизации при демодуляции, проводят анализ качества принятой синхропоследовательности, который используют для определения вероятности ошибки на служебный бит, которую передают в служебных фреймах на передающую сторону, для информационной части осуществляют демодуляцию служебных фреймов на соответствующих частотах приема в соответствии с первой псевдослучайной последовательностью, полученные при демодуляции значения переменных используют для формирования следующего пакета, причем по принятому информационному фрейму производят анализ качества информации с выделением ошибки на информационный бит, которую передают в служебных фреймах передающей стороне, а также используют для расчета вероятности правильного приема возможных способов помехоустойчивого кодирования. Дополнительно на передающем конце радиолинии на основе списка состояния частот корреспондента определяют частоты передачи, формируют цифровую тестовую последовательность, которую в совокупности со списком состояния частот добавляют в виде служебного слота в информационный фрейм, излучают модулированные слоты в пространство, на приемной стороне выделяют служебный слот, разделяют тестовую последовательность и список состояния частот корреспондента, определяют количество неправильно принятых битов тестовой последовательности, принимают решение об исключении частоты, формируют новый список состояния частот, при превышении заданного количества непригодных частот все частоты в списке состояния определяют пригодными.
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает конфиденциальной передачи сигналов при использовании широкополосного обнаружителя.
Известен «Способ формирования сигнала в режиме программной перестройки рабочей частоты с изменяющейся полосой частот» (Патент РФ № 2749863, МПК H04B 1/713, опубл.: 17.06.2021, Бюл. № 17). В известном способе генерируют первичный сигнал S(t), модулируют его цифровой последовательностью C(t), формируют опорное колебание M(t), частоты которого f1, f2, … определяют в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой цифровой последовательностью O2(t), перемножают модулированный сигнал S'(t) с опорным колебанием M(t), параметры первичного сигнала S(t) выбирают в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой цифровой последовательностью O1(t) синхронно с изменением частоты опорного колебания M(t). Причем в качестве первичного сигнала S(t) выбирают гармоническое колебание, а в качестве параметров первичного сигнала S(t) определяют коды Баркера с различной разрядностью, которыми расширяют цифровую последовательность C(t), при этом количество элементов псевдослучайной кодовой цифровой последовательности O1(t), выбирают равное количеству используемых типов кодов Баркера, после чего передают сформированный сигнал на приемную сторону, при этом осуществляют синхронный выбор номера частоты и номера кода Баркера, в соответствии с кодовыми словами последовательностей O2(t) и O1(t).
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает конфиденциальной передачи сигналов при использовании широкополосного обнаружителя.
Известен способ, реализованный в патенте РФ № 2329608 «Когерентная радиолиния», опубликованном: 20.07.2008 Бюл. № 20. В известном способе когерентная радиолиния, содержащая на передающей стороне последовательно включенные источник дискретных сообщений, кодирующее устройство, первый модулятор, первый передатчик и первую передающую антенну, а на приемной стороне последовательно включенные приемную антенну, приемник, блок поиска по частоте, блок выделения опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом приемника, и первый синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, последовательно включенные декодирующее устройство и блок регистрации и анализа сообщений. Дополнительно она снабжена на передающей стороне двумя генераторами высокой частоты, генератором псевдослучайной последовательности, вторым модулятором, вторым передатчиком и второй передающей антенной, причем первый генератор высокой частоты подключен к второму входу первого модулятора, к выходу генератора псевдослучайной последовательности последовательно подключены второй модулятор, второй вход которого соединен с выходом второго генератора высокой частоты, второй передатчик и вторая передающая антенна, а на приемной стороне фазовращателем на +30°, фазовращателем на -30°, фазовращателем на +90°, вторым и третьим синхронными детекторами и двумя вычитателями, причем к выходу блока выделения опорного напряжения последовательно подключены фазовращатель на +30°, второй синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый вычитатель, фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора, а выход подключен к входу декодирующего устройства, к выходу блока выделения опорного напряжения последовательно подключены фазовращатель на -30° и третий синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к второму входу первого вычитателя.
Недостаток известного способа заключается в том, что он имеет ограниченную область применения, так как для эффективного функционирования радиолинии необходимо наличие дополнительного оборудования для формирования и радиопередачи широкополосного сигнала.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу, является «Способ формирования и обработки сигнала, встроенного в маскирующую помеху» (Патент РФ № 2602598, МПК H04K1/02, опубл.: 20.11.2016. Бюл. № 32.
В способе-прототипе формируют полезный сигнал и маскирующую помеху на передающей стороне радиолинии, передают их по радиолинии, принимают и выделяют полезный сигнал путем компенсации маскирующей помехи в результате когерентной обработки на приемной стороне радиолинии. Кроме того, формируют полезный сигнал и маскирующую помеху на передающей стороне в виде аддитивной смеси, причем несущую частоту полезного сигнала выбирают таким образом, чтобы занимаемый им частотный спектр находился в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой, при этом структуру маскирующей помехи выбирают такой, чтобы на частотных позициях, занимаемых полезным сигналом, спектральные компоненты маскирующей помехи отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала, а на остальных частотных позициях, не занятых полезным сигналом, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи по модулю была равной амплитуде спектральных компонент полезного сигнала.
Недостатком способа-прототипа является то, что согласно реализованного в нем технического решения, радиолиния работает только на одной несущей частоте. Следовательно, в ходе работы радиолинии в насыщенной сигнально-помеховой обстановке может произойти существенное ухудшение качества связи, в виду возникновения помех на изначально выбранной несущей частоте, обусловленных работой сторонних радиоэлектронных средств. Причем факт снижения качества связи будет выявлен на передающей стороне только по окончанию передачи информации.
Задачей изобретения является создание способа, который позволяет снизить вероятность ухудшения качества связи при работе радиолинии на изначально выбранной несущей частоте в виду возникновения помех, обусловленных работой сторонних радиоэлектронных средств.
Техническим результатом является согласованное изменение структуры маскирующей помехи,которое приводит к снижению вероятности ухудшения качества связи при работе радиолинии на изначально выбранной несущей частоте,в соответствии с перестройкой несущей частоты, в ходе работы когерентной радиолинии.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования и обработки сигнала, встроенного в маскирующую помеху, формируют полезный сигнал и маскирующую помеху на передающей стороне радиолинии в виде аддитивной смеси, причем несущую частоту полезного сигнала выбирают таким образом, чтобы занимаемый им частотный спектр находился в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой, при этом структуру маскирующей помехи выбирают такой, чтобы на частотных позициях занимаемых полезным сигналом спектральные компоненты маскирующей помехи отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала, а на остальных частотных позициях, не занятых полезным сигналом, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи по модулю была равной амплитуде спектральных компонент полезного сигнала, передают полезный сигнал и маскирующую помеху в виде аддитивной смеси по радиолинии, а принимают и выделяют полезный сигнал путем компенсации маскирующей помехи в результате когерентной обработки на приемной стороне радиолинии, дополнительно периодически изменяют значение несущей частоты полезного сигнала в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой, и соответствующую ему структуру маскирующей помехи, причем порядок изменения значений несущей частоты полезного сигнала, и соответствующие им изменения структуры маскирующей помехи, а также время работы радиолинии на текущей несущей частоте изначально известны и на передающей стороне, и на приемной стороне, при этом продолжительность непрерывной работы радиолинии на одной несущей частоте выбирают таким образом, чтобы она не превышала 1% от общего времени передачи сообщения от передающей стороны на приемную сторону.
Благодаря новой совокупности существенных признаков, заключающихся в том, что согласованно на передающей и приемной сторонах изменяют значение несущей частоты полезного сигнала в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой, и соответствующую ему структуру маскирующей помехи, обеспечивается согласованное изменение структуры маскирующей помехи, которое приводит к снижению вероятности ухудшения качества связи при работе радиолинии на изначально выбранной несущей частоте, в соответствии с перестройкой несущей частоты, в ходе работы когерентной радиолинии.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 – модули спектры полезного сигнала и маскирующей помехи, причем в спектре маскирующей помехи на частотных позициях, соответствующих спектральным компонентам полезного сигнала, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи имеет значения близкие к нулевым;
на фиг. 2 – модули спектры полезного сигнала и маскирующей помехи, где в спектре маскирующей помехи на частотных позициях, соответствующих спектральным компонентам полезного сигнала, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи имеет значения близкие к нулевым, причем значения частотных позиций полезного сигнала отличаются от значений частотных позиций, представленных на фиг. 1;
на фиг. 3 – модуль спектра суммарного сигнала, представляющего аддитивную сумму полезного сигнала и маскирующей помехи;
на фиг. 4 – модуль спектра маскирующей помехи, которую аддитивно вычитают (фильтруют) в радиоприемном тракте;
на фиг. 5 – спектр восстановленного полезного сигнала, полученного в результате вычитания (фильтрации) из суммарного сигнала маскирующей помехи.
Реализации заявленного способа осуществляется следующим образом.
На передающей стороне формируют полезный сигнал и формируют маскирующую помеху. Причем маскирующую помеху формируют таким образом, чтобы спектр полезного сигнала располагался в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой. При этом структуру маскирующей помехи выбирают такой, чтобы на частотных позициях занимаемых полезным сигналом ее спектральные компоненты отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала. А на остальных частотных позициях, не занятых полезным сигналом, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи по модулю была бы равной амплитуде спектральных компонент полезного сигнала.
При этом периодически изменяют значение несущей частоты полезного сигнала в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой. А вместе с изменением значения несущей частоты изменяют и соответствующую ему (значению несущей частоты) структуру маскирующей помехи. И изменяют структуру маскирующей помехи таким образом, чтобы на частотных позициях занимаемых полезным сигналом ее спектральные компоненты отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала.
Порядок изменения значений несущей частоты полезного сигнала, и соответствующие им изменения структуры маскирующей помехи, а также время работы радиолинии на текущей несущей частоте изначально известны и на передающей стороне, и на приемной стороне. При этом продолжительность непрерывной работы радиолинии на одной несущей частоте выбирают таким образом, чтобы она не превышала 1% от общего времени передачи сообщения от передающей стороны на приемную сторону.
В качестве примера на фиг. 1 показаны модули спектров полезного сигнала и маскирующей помехи, удовлетворяющие указанным выше условиям, для одного значения несущей частоты, а на фиг. 2 – для другого.
Поскольку полезный сигнал и маскирующая помеха формируются в одном радиопередающем тракте, то на выходе радиопередающего тракта будет суммарный сигнал, представляющий аддитивную смесь полезного сигнала и маскирующей помехи, причем спектр суммарного сигнала будет по своей структуре близок к спектру маскирующей помехи, у которой все спектральные коэффициенты имеют примерно равные значения.
В качестве примера на фиг. 3 представлен модуль спектра суммарного сигнала, спектральные коэффициенты которого имеют примерно равные значения, в условиях канальных шумов.
Сигнал, встроенный в помеху, становится недоступным для средств радиоприема, которым неизвестна форма спектра маскирующей помехи.
Принимают и выделяют полезный сигнал путем компенсации маскирующей помехи в результате когерентной обработки на приемной стороне радиолинии.
Реализация указанных процедур осуществляется в результате вычитания маскирующей помехи из принятого суммарного сигнала. На практике такая операция реализуется путем фильтрации посредством фильтра, амплитудно-частотная характеристика которого соответствует структуре маскирующей помехи, в которую встраивают полезный сигнал.
В качестве примера на фиг. 4 показан модуль спектра маскирующей помехи, которую аддитивно вычитают в радиоприемном тракте (реализуют процедуру фильтрации).
На фиг. 5 показан спектр восстановленного полезного сигнала, полученного в результате вычитания из суммарного сигнала маскирующей помехи (после реализации процедуры фильтрации).
Поскольку в ходе работы радиолинии на передающей стороне контроль качества связи не осуществляется, то не исключена ситуация, при которой в насыщенной сигнально-помеховой обстановке на несущей частоте, на которой работает радиолиния, могут возникнуть помехи, создаваемые работой сторонних радиоэлектронных средств. В то время как качество связи на соседних частотах может оставаться по-прежнему высоким. Причем факт снижения качества связи в способе-прототипе будет выявлен на передающей стороне только по окончанию передачи информации.
Вместе с тем предложенное техническое решение предполагает периодическую смену несущей частоты и согласованную с ней изменение структуры маскирующей помехи с периодичностью, при которой непрерывная работа радиолинии на одной частоте не превышала бы 1% от общего времени передачи сообщения от передающей стороны на приемную сторону. Такой подход позволит снизить вероятность ухудшения качества связи из-за возникновения помех на несущей частоте, обусловленных работой сторонних радиоэлектронных средств.
При этом полоса частот, занимаемая аддитивной смесью полезного сигнала и маскирующей помехи, останется неизменной, что позволит снизить вероятность ухудшения качества связи при работе радиолинии на изначально выбранной несущей частоте в виду возникновения помех, обусловленных работой сторонних радиоэлектронных средств.
Реализация изобретения осуществляется последовательностью выполнения следующих технических процедур.
П.1 На приемной и передающей стороне определяют порядок изменения значений несущей частоты полезного сигнала. Причем несущую частоту полезного сигнала выбирают таким образом, чтобы занимаемый им частотный спектр находился в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой.
П.2 На приемной и передающей стороне задают время работы радиолинии на текущей несущей частоте. При этом продолжительность непрерывной работы радиолинии на одной несущей частоте выбирают таким образом, чтобы она не превышала 1% от общего времени передачи сообщения от передающей стороны на приемную сторону.
П.3 На приемной и передающей стороне задают структуру маскирующей помехи выбирают такой, чтобы на частотных позициях занимаемых полезным сигналом спектральные компоненты маскирующей помехи отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала, а на остальных частотных позициях, не занятых полезным сигналом, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи по модулю была равной амплитуде спектральных компонент полезного сигнала.
П.4 При этом задают структуру маскирующей помехи для каждого значений несущей частоты полезного сигнала, определяемого в п.1, таким образом, чтобы она соответствовала требованиям п.3.
П.5 Формируют полезный сигнал и маскирующую помеху на передающей стороне радиолинии в виде аддитивной смеси.
При этом процедуру П.5 осуществляют для каждого значения несущей частоты полезного сигнала, определяемой в соответствии с п. 1.
П.6 Передают полезный сигнал и маскирующую помеху в виде аддитивной смеси по радиолинии. При этом периодически изменяют значение несущей частоты полезного сигнала в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой в соответствии с П.2.
П.7 Принимают и выделяют полезный сигнал путем компенсации маскирующей помехи в результате когерентной обработки на приемной стороне радиолинии. Причем указанную процедуру приема выполняют на каждой несущей частоте, определяемой П.1
Процедуры формирования и приема полезного сигнала и маскирующей помехи по радиоканалу известны, см. («Способ защиты информации и система радиосвязи с повышенной разведзащищенностью», Патент РФ № 2253184, МПК H04L 9/00, опубл.: 27.05.2005, Бюл. № 15, а также «способ радиоподавления каналов связи» Патент РФ № 2450458, МПК H04K 3/00, опубл.: 10.05.2012 Бюл. № 13).
Процедуры формирования и приема полезного сигнала и маскирующей помехи по радиоканалу известны из («Способ защиты информации и система радиосвязи с повышенной разведзащищенностью», Патент РФ № 2253184, МПК H04L 9/00, опубл.: 27.05.2005, Бюл. № 15, а также «Способ радиоподавления каналов связи» Патент РФ № 2450458, МПК H04K 3/00, опубл.: 10.05.2012 Бюл. № 13).
Процедуры формирования аддитивной смеси полезного сигнала и маскирующей помехи, в роли которой может выступать гауссов шум известныиз (с. 124, Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. М.: Вильямс, 2003. 1104 с.)
Процедуры когерентной обработки сигналов (реализация операции аддитивного вычитания маскирующей помехи) известны из (с. 207, Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. М.: Вильямс, 2003. 1104 с.)
Процедуры формирования спектров сигналов, а также технических особенностей их когерентного приема и обработки известны, из «Когерентная радиолиния», патент РФ № 2329608, опубл.: 20.07.2008 Бюл. № 20.
Процедуры работы радиолинии на различных частотах известны из («Способ адаптивной передачи данных в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты», патент РФ № 2707572, опубл.: 28.11.2019, Бюл. № 34.
Процедуры фильтрации известны из («Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, патент РФ № 2382495, опубл.: 20.02.2010 Бюл. № 5.
Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет выполнения процедур формирования полезного сигнала и маскирующей помехи на передающей стороне в одном радиопередающем устройстве, в выборе несущей частоты таким образом, чтобы спектр сигнала находился в пределах полосы частот, занимаемой маскирующей помехой, а также выборе такой структуры маскирующей помехи, чтобы ее спектральные компоненты на частотных позициях занимаемых полезным сигналом отсутствовали или же значение модуля их амплитуд не превышало 5% от значений модуля амплитуд спектральных компонент полезного сигнала, а на остальных частотных позициях, не занятых полезным сигналом, амплитуда спектральных компонент маскирующей помехи по модулю была бы равной амплитуде спектральных компонент полезного сигнала, ограничения продолжительности непрерывной работы радиолинии на одной несущей частоте не более 1% от общего времени передачи сообщения от передающей стороны на приемную сторону, обеспечивается расширение области применения способа формирования и обработки сигнала встроенного в маскирующую помеху.