СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
METHOD FOR FORMING SIGNAL WITH PSEUDORANDOM TUNING OF WORKING FREQUENCY TUNING

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для применения в системах радиосвязи, использующих широкополосные сигналы.
Заявленный способ может быть использован при построении систем радиосвязи, использующих шумоподобные сигналы, с высокими требованиями к структурной скрытности передаваемой информации.
Известен способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), описанный в патенте РФ №2343638 (опубл. 10.09.2009) [1]. В этом способе входную информацию разбивают на K параллельных потоков, преобразуют в модулированные радиочастоты, переносят на выходные радиочастоты, определяемые псевдослучайной последовательностью, причем время работы на каждой частоте в каждом потоке регулируют изменением уровня сигнала в i-ом (1<i≤K) потоке.
Недостатком данного способа является относительно низкая структурная скрытность формируемого сигнала с ППРЧ для систем мониторинга, поскольку в качестве первичного сигнала S(t) используют сигналы, сформированные в базисах дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ), априори известных системам мониторинга. Под структурной скрытностью следует понимать способность системы передачи информации противостоять обнаружению и оцениванию параметров ее сигналов средствами несанкционированного доступа [2].
Известен способ формирования сигнала с ППРЧ, описанный в патенте РФ №2228575 (опубл. 10.05.2004) [3]. В этом способе частоты сигнала модулируют помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот.
Недостатком данного способа является относительная низкая структурная скрытность формируемого сигнала с ППРЧ.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому является способ формирования сигналов с ППРЧ, реализованный в системе связи с ППРЧ, описанной в [2] на стр. 24, рис. 1.7а.
Способ-прототип поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 2 - эпюры сигналов на различных этапах формирования сигнала в способе-прототипе, где:
2а - первичный сигнал S(t);
2б - цифровая последовательность С(t), подлежащая передаче;
2в - модулированный цифровой последовательностью первичный сигнал
2
1
2
2г - случайная кодовая цифровая последовательность O(t), в соответствии с которой выбирают частоты ƒ, ƒ, … опорного колебания M(t);
2д - опорное колебание M(t);
2е - результирующий сигнал с выхода смесителя М'(t).
На фиг. 4 - структурная схема, в которой реализован способ-прототип, где 4.1 - модулятор; 4.2 - генератор первичного сигнала; 4.3 - смеситель; 4.4 - генератор опорного колебания; 4.5 - генератор псевдослучайной последовательности.
1
2
2
Согласно способу-прототипу сигнал с ППРЧ формируют следующим образом. Формируют первичный сигнал S(t) (см. фиг.2а); модулируют его цифровой последовательностью С(t), подлежащей передаче в виде сообщения (см. фиг. 2б-в); формируют опорное колебание, частоты которого ƒ, ƒ, … определяют в соответствии с заданной случайной цифровой кодовой последовательностью O(t) (см. фиг. 2г-д); перемножают модулированный сигнал S'(t) с опорным колебанием M(t) (см. фиг. 2е).
Недостатком способа-прототипа являются относительно низкая структурная скрытность формируемого сигнала с ППРЧ для систем мониторинга, поскольку в качестве первичного сигнала S(t) используют сигналы, сформированные в базисах дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ), априори известных системам мониторинга.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение структурной скрытности формируемых сигналов с ППРЧ.
1
2
2
1
c
a
a
a
а
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования сигнала с ППРЧ, заключающемся в том, что генерируют первичный сигнал S(t), модулируют его цифровой последовательностью С(t), формируют опорное колебание M(t), частоты которого ƒ, ƒ, … определяют в соответствии с заданной случайной кодовой цифровой последовательностью O(t), после чего перемножают модулированный сигнал S'(t) с опорным колебанием M(t), первичный сигнал S(t) генерируют в базисах функций сплайн-характеров (БФСХ). Количество изменяющихся параметров БФСХ А выбирают в соответствии с заданной случайной кодовой цифровой последовательностью O(t) синхронно с изменением частоты опорного колебания M(t), причем случайную кодовую цифровую последовательность формируют в виде С составных частей , …, где С=A. Количество изменяющихся параметров БФСХ A выбирают из условия 2≤A≤4, а разрядность с-ой, где с=1, 2 …, С, составной части случайной кодовой цифровой последовательности  выбирают из условия возможности формирования из нее числа комбинаций Z, большего либо равного числу B, где B≥2, предварительно заданных допустимых значений -го параметра, где =1, 2…, A.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе путем использования БФСХ и случайного изменения их параметров обеспечивается более высокая структурная скрытность формируемого сигнала с ППРЧ, то есть обеспечивается достижение сформулированного технического результата.
Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - эпюры сигналов на различных этапах формирования сигнала в заявленном способе, где:
1
1
2
3
3
1а - фрагменты составной случайной кодовой цифровой последовательности O(t) для случая С=A=4, причем Z=Z=8, Z=4, a Z=64;
a
a
1б - фрагменты первичных сигналов S(t) в БФСХ, сформированных на основе случайно заданных различных параметров H, K, p, n, выбранных из соответствующего числа B предварительно заданных допустимых значений -го параметра;
1в - фрагмент цифровой последовательности С(t), соответствующей информационным символам «0», «1» и «0»;
1г - фрагменты модулированного первичного сигнала S'(t) в соответствии с информационными символами цифровой последовательности С(t);
2
1
2
1д - фрагмент случайной кодовой цифровой последовательности O(t), в соответствии с которой выбирают частоты ƒ, ƒ, … опорного колебания M(t);
1е - фрагмент опорного колебания M(t);
1ж - фрагменты результата перемножения модулированного информационными символами цифровой последовательности C(t) первичного сигнала S'(t) с опорным колебанием M(t).
2
1
На фиг.3 - структурная схема, в которой реализован заявленный способ, где 3.1 - модулятор; 3.2 - генератор первичного сигнала в БФСХ; 3.3 - смеситель; 3.4 - генератор опорного колебания; 3.5 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), формирующий случайную кодовую цифровую последовательность O(t) для генератора опорного колебания; 3.6 - ГПСП, формирующий случайную кодовую цифровую последовательность O(t) для генератора первичного сигнала; 3.7 - тактовый генератор.
Заявляемый способ реализуют следующим образом.
1
Формируют первичный сигнал S(t) в БФСХ, количество изменяющихся параметров A которых выбирают в соответствии с заданной случайной кодовой цифровой последовательностью O(t).
Параметрами БФСХ являются: H - абелева группа, на которой заданы функции БФСХ; K - кольцо, в котором принимают значения функции БФСХ; p - порядок сплайна; n - номер базисной функции из числа БФСХ [6 (стр. 11-22)].
Для формирования первичного сигнала достаточно использовать два параметра. Таким образом, 2≤A≤4. Например, если для формирования первичного сигнала в БФСХ изменяют значения кольца K, номера базисной функции n и абелевой группы H, то количество изменяющихся параметров A=3.
1
a
c
c
a
a
a
a
Для решения задачи одновременного изменения количества параметров БФСХ, равного A, случайную кодовую цифровую последовательность O(t) задают составной. Число С ее составных частей должно быть равным числу A изменяющихся параметров БФСХ. После определения количества изменяющихся параметров A и количества составных частей случайной кодовой цифровой последовательности С, для каждого -го параметра БФСХ задают допустимые значения, из которых впоследствии будет выбираться случайным образом единственное значение -го параметра в каждый момент времени τ для формирования первичного сигнала. Причем число предварительно заданных допустимых значений B≥2. При этом разрядность c-ой составной части случайной кодовой цифровой последовательности  должна обеспечивать возможность формирования такого числа комбинаций Z, чтобы его было достаточно для перебора всех предварительно заданных допустимых значений -го параметра, т.е. Z≥B.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
4
Например, если для формирования первичного сигнала в БФСХ изменяют все параметры, т.е. A=4, то тогда число составных частей случайной кодовой цифровой последовательности С=A=4. Для первого параметра БФСХ H задают число допустимых значений В=8, для второго параметра K-B=8, для третьего р-В=3 и для четвертого n-B=64. Таким образом, число комбинаций для первой составной части случайной кодовой цифровой последовательности Z=8, для второй - Z=8, для третьей - Z=3 и для четвертой - Z=64. Таким образом, разрядности, обеспечивающие возможность формирования указанных чисел комбинаций, будут равны 3, 3, 2 и 6 для Z, Z, …, Z соответственно. Пример для вышеуказанных условий представлен на фиг. 1а, фрагменты первичного сигнала представлены на фиг. 1б.
1
2
2
2
2
2
Затем сформированный первичный сигнал S(t) модулируют цифровой последовательностью С(t), подлежащей передаче в виде сообщения. Фрагменты цифровой последовательности С(t) и модулированного первичного сигнала S'(t) представлены на фиг. 1в-г. Затем формируют опорное колебание M(t), частоты которого ƒ, ƒ, … определяют в соответствии с заданной случайной кодовой цифровой последовательностью O(t), затем перемножают его с результатом модуляции S'(t). Фрагменты случайной кодовой цифровой последовательностью O(t) опорного колебания M(t) и результирующего сигнала M'(t) представлены на фиг. 1д-ж. Случайные кодовые цифровые последовательности О(t) и O(t) формируют синхронно для обеспечения одинаковой длительности τ первичного сигнала S(t) и опорного колебания M(t).
Порядок и принцип формирования цифровых потоков в виде импульсных последовательностей известен, см. [4]. Порядок и принцип формирования фрагментов сигналов в БФСХ при различных значениях параметров H, K, p, n известен, см. [5, 6 (стр. 46-56)]. Порядок и принцип формирования опорных колебаний для формирования сигналов с ППРЧ известны, см. [3, 7]. Порядок и принцип работы ГПСП для формирования сигналов с ППРЧ известны, см. [1, 3, 7].
Повышение структурной скрытности формируемых сигналов с ППРЧ обеспечивается за счет структурных различий первичного сигнала в БФСХ по отношению к системам обработки и оценивания их параметров, построенных в базисах гармонических функций. В результате указанных физических различий в системе обработки, в которой априори базис формирования анализируемого сигнала и параметры самого базиса формирования заранее не заданы, возникают ошибки, приводящие к неверному принятию решения. Известно, что сигналы, сформированные в БФСХ, обладают высокой степенью структурной скрытности для несанкционированных систем обработки, см. [8]. При этом структурная скрытность возрастает с увеличением номенклатуры используемых для формирования сигналов в БФСХ параметров H, K, p, n см. [5, 6 (стр. 186-193)], выбор которых определяется в соответствии с заданной случайной кодовой цифровой последовательностью. При возможности выбора несанкционированной системой обработки базиса БФСХ, структурная скрытность будет проявляться в потенциальном числе комбинаций параметров H, K, p, n, используемых для формирования сигналов. Чем больше число возможных комбинаций, тем больше времени необходимо несанкционированной системе обработки для его подбора из комбинаций возможных вариантов параметров.
Структурная скрытность обеспечивается за счет формирования сигналов в априори неизвестных базисах, параметры которых: группа H, кольцо K, порядок сплайна p и номер базисной функции n изменяются в соответствии с заданным кодовым словом, также неизвестных потенциальным несанкционированным системам обработки. Структурная скрытность проявляется в неверном выборе базиса при обработке данных сигналов на прием, что влечет за собой расширение спектра сигнала см. [6 (стр. 186-193), 8]. В результате происходит неверное оценивание параметров сигнала и неверная настройка демодулятора.
Согласно [2 (стр. 45-46)] потенциальная структурная скрытность определяется количеством двоичных измерений, которое необходимо выполнить для раскрытия структуры сигнала. Общее выражение для потенциальной скрытности имеет вид:
где X - ансамбль всех возможных комбинаций, определяемый количеством всех возможных значений параметров сигнала.
1
2
3
4
БФСХ
2
1
2
3
4
2
2
ДЭФ
2
БФСХ
ДЭФ
В заявленном способе изменяют 4 параметра. Например, если для формирования задают количество допустимых для перового параметра B=8, для второго - B=8, для третьего - B=3 и для четвертого - B=64, то S=log(B×В×В×В)=log(8×8×3×64)=log 12288=13.585. Согласно [8] физический смысл номера базисной функции n - частота в БФСХ. Таким образом, для корректного сравнения берут сигнал с ППРЧ в базисе ДЭФ, построенный на 64 частотах. В этом случае в ДЭФ изменяется только один параметр - частота, которая может принимать 64 значения. Применив формулу (1) для сигнала с ППРЧ в ДЭФ, получаем S=log 64=2.585. Очевидно, что - S>S.
Таким образом, введение новых существенных признаков в известное техническое решение обеспечило достижение цели заявляемого технического решения, а именно повышение структурной скрытности формируемых сигналов с ППРЧ.
Источники информации
1. Герасименко В.Г., Тупота В.И., Тупота А.В. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент №2228575 по заявке №2002117818/09, от 02.07.2002.
2. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.
3. Бокк О.Ф., Маковий В.А. Линия радиосвязи для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент РФ №2343638 по заявке №2007130826/09, от 13.08.2007.
4. Борисов В.В., Ведмеденко М.И., Дворников С.В., Романенко П.Г., Кожевников Д.А. Устройство демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией. Патент РФ №2549360 по заявке №2014102774 от 28.01.2014.
5. Агиевич С.Н., Гулидов А.А., Тихонов С.С.Методы формирования и обработки радиосигналов на основе теории сплайн-алгебраического гармонического анализа. Теория и техника радиосвязи. 2016. №1. С.5-11.
6. Агиевич С.Н., Формирование и обработка радиосигналов в базисах функций сплайн-характеров: Моногр. - СПб.: ВАС, 2014. - 224 с.
7. Лебединский Е.В., Каплин Е.А., и др. Система радиосвязи. Патент РФ №2498503 по заявке №2011154280/08, от 28.12.2011.
8. Агиевич С.Н., Пономарев А.А., Смирнов А.А. Модель радиосигнала OFDM на основе функций сплайн-Понтрягина-Виленкина-Крестенсона для скрытного коммуникационного взаимодействия. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2011. Т. 4. №128. С.7-10.