СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ
METHOD OF EVALUATING EFFICIENCY OF RANDOM ANTENNA

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «случайные антенны» (СА).
Наличие антенн (передающих, приемных, приемопередающих) является характерным признаком любой радиосистемы и любого радиоканала. При этом под антенной понимается любое радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования (как прямого, так и обратного) электромагнитной (ЭМ) энергии связанных волн в энергию свободно распространяющихся ЭМ волн (радиоволн).
К СА относятся излучатели ЭМ волн (источники ЭМ полей), не соответствующие либо традиционным схемам построения антенн, либо условиям, в которых принято определять их рабочие характеристики. Согласно [1-2] СА конструктивно входят в состав выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников, размещаются случайным образом в случайно-неоднородных средах, представляют собой совокупность модулей стационарного и подвижного базирования, а также просто отсутствуют в явном виде - например, если речь идет об ЭМ излучении элементов ЭВМ. Специфическими особенностями СА являются неопределенность их геометрических (число, размеры, пространственное расположение, ориентация элементов и т.д.) и электрических (уровни излучения, число каналов излучения и приема, рабочие частоты и т.д.) характеристик. Задача экспериментального определения параметров реальных многоканальных СА имеет в настоящее время важное значение для решения целого ряда прикладных задач: связанных с обеспечением электромагнитной совместимости и безопасности для окружающей среды радиосредств различного назначения, защитой конфиденциальной информации (КИ) от утечки по ЭМ каналам в инфокоммуникационных сетях [2-3] и т.д.
Известны методы определения параметров радиоэлектронных средств, характеризующие их взаимную электромагнитную совместимость [4-8]. Эти методы включают известные способы определения интермодуляционных (ИМ) характеристик [4-5], а также предложение использовать ИМ каналы для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [8]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [9].
Наиболее близким по технической сущности является способ определения уровней побочных ЭМ излучений ИМ типа по полю [5, с.63-66, рис.3.7] (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие основные операции:
c
∂
- воздействие на контрольный передатчик с частотой f ЭМ излучением дополнительного передатчика с частотой f;
- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;
u2
∂
u3
c
∂
u3
∂
c
i
c
∂
- расчет частот ИМ составляющих f=|fc±f| второго порядка; f=2f±f; f=2f±f третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка f=|mf±nf|, m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…;
с
c
с
- измерение уровней мощности Р (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте f контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;
i
i
i
- измерение уровней мощности Р (или напряжения U) ИМ составляющих, создаваемых на частотах f на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков;
им
i
u2
u3
c
∂
- расчет относительных уровней χ для сигналов (или пересчет для ЭМ полей) для всех ИМ составляющих f=f; f; … |mf±nf| с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.
1ош
Nош
1nош
Noш
Основным недостатком способа-прототипа является невозможность оценки комплексных параметров, характеризующих эффективность СА в целом и относящихся ко всем N каналам утечки КИ, главным из которых является помехоустойчивость приема при использовании всех N каналов утечки КИ, определяющая потенциально-достижимый информационный ущерб за счет работы СА. В прототипе возможно определение параметров СА только по отдельным каналам утечки КИ, однако, во-первых, помехоустойчивость одиночного приема (определяемая значением вероятности ошибки P) существенно отличается от потенциально-достижимой помехоустойчивости приема при использовании всех N каналов (определяемой значением вероятности ошибки Р). Во-вторых, пересчет N значений Р; n [1; N], измеренных в отдельных каналах утечки КИ, в значение вероятности ошибки P (что необходимо для комплексной оценки эффективности N-канальной СА в целом) невозможен ввиду неизвестной статистической зависимости сигналов в каналах утечки КИ друг от друга. В-третьих, предположение о взаимной независимости сигналов в каналах утечки КИ ведет к применению расчетной формулы
и нежелательному росту неопределенности
при оценке параметров СА: поскольку известно, что сигналы в каналах утечки КИ ни статистически однородными, ни взаимно независимыми не являются [2-3].
Nош
Решение проблемы состоит в том, чтобы в качестве критерия оценки эффективности СА использовать значение вероятности ошибки Р, характеризующей помехоустойчивость приема сигнала по всем N каналам утечки КИ, потенциально возможным в СА, одновременно.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности оценки комплексных параметров СА, относящихся ко всем N каналам утечки КИ, потенциально возможным в ней, путем оценки помехоустойчивости приема сигналов утечки КИ по всем N каналам одновременно с помощью системы N-канального разнесенного приема. Дополнительным результатом является повышение эффективности процесса определения параметров СА за счет возможности его автоматизации.
c
∂
i
c
∂
с
i
Сущность предлагаемого способа оценки эффективности случайной антенны, включающего воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f; определение частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f=|mf±nf|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; состоит в том, что вместо одиночного измерительного приемника используют схему (N+1)-канального приема на частотах f и f; i [1; N] с оконечным устройством, подключенным к схеме (N+1)-канального приема, которое производит определение вероятности ошибки одиночного приема
1ош
c
Nош
i
Э
Nош
1ош
Р на частоте f и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема Р на N частотах f и рассчитывает значение критерия оценки эффективности случайной антенны S=(1-P)/(1-Р).
На Фиг.1 приведена структурная схема аппаратурной реализации прототипа - известного способа определения уровней побочных излучений ИМ типа по полю (см. [5], с.63, рис.3.7), где 1 - дополнительный передатчик; 2 - направленный ответвитель; 3 - контролируемый передатчик; 4 - фильтр; 5 - аттенюатор; 6 - измерительный приемник; 7 - экранированная камера.
На Фиг.2 приведена структурная схема реализации предлагаемого способа оценки эффективности СА, где 1 - дополнительный передатчик; 2 - исследуемая СА; 3 - схема (N+1)-канального приема; 4 - оконечное устройство.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
c
∂
c
∂
u2
u3
c
c
с
c
с
0
Рассмотрим отличия предлагаемого способа от способа-прототипа. В способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту f; на дополнительном передатчике 1 - частоту f с заданной расстройкой Δf=f-f (знак и значения расстройки Δf определяют значения ИМ частот 2-го порядка f и 3-го порядка f). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту f и производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на частоте f измерительного тракта К). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте f производят измерение мощности Р (или напряжения U) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего контролируемый передатчик 3 выключают.
На втором этапе определяют частоты ИМ составляющих второго порядка:
u2
c
∂
∂
u2
c
∂
c
∂
f=f+f=2f+Δf; f=f-f=Δf; если f>f;
u2
c
∂
с
u2
∂
с
∂
с
f=f+f=2f+Δf; f=f-f=Δf; если f>f;
и частоты ИМ составляющих третьего порядка:
u3
c
∂
∂
с
u3
c
∂
с
c
∂
f=2f+f=2f+f+Δf; f=2f-f=f+Δf; если f>f;
u3
∂
с
с
∂
u3
∂
с
∂
∂
с
f=2f+f=2f+f+Δf; f=2f-f=f+Δf; если f>f;
u2
u3
i
i
На частотах ИМ составляющих 2-го порядка f и 3-го порядка f производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на i-ой частоте f; где i=1÷4, измерительного тракта К).
с
∂
i
i
i
им
На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте f и дополнительный передатчик 1 на частоте f одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ составляющих f и каждый раз измеряют мощность P (или напряжение U) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ рассчитывают по формулам
, или .
Применительно к условиям решаемой задачи: оценке эффективности реальных СА, способ-прототип обладает следующими недостатками.
им
1ош
Nош
пp
0
0
ош
0
ош
0
пр
ош
1. Относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ в каналах утечки КИ косвенно характеризуют информационный ущерб за счет работы СА, тогда как предпочтительна прямая оценка: с помощью критериев Р при одиночном приеме и P при N-канальном (N-кратном разнесенном) приеме (поскольку относительный информационный ущерб S=Q/Q=(Q-Q)/Q==1-Р, где Q - общее число принятых символов (знаков, единиц информации); Q - число правильно принятых символов; Q - число неправильно принятых символов в канале утечки КИ - как при одиночном, так и при N-канальном разнесенном приеме).
Nош
1ош
max
Nош
2. Одного канала приема и одного измерительного приемника (см. Фиг.1) недостаточно для того, чтобы оценить эффективность СА в целом, поскольку потенциально-достижимый информационный ущерб за счет работы СА характеризует вероятность ошибки в схеме N-канального приема P, а не вероятность ошибки в схеме одиночного приема Р, то есть S=1-P.
c
им
3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения f; подключать и калибровать элементы измерительного тракта (направленный ответвитель, фильтр, аттенюатор); подключать измерительный приемник непосредственно к СА - без чего определить значения χ с помощью способа-прототипа невозможно.
Э
Nош
1ош
i
Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, вместо измерительного приемника 6 (см. Фиг.1) использовать схему (N+1)-канального приема 3 (см. Фиг.2) и, во-вторых, в качестве критерия оценки эффективности СА использовать значение параметра S=(1-Р)/(1-Р), непосредственным образом характеризующего относительный информационный ущерб за счет утечки КИ по всем N каналам на частотах f, потенциально возможным в СА, одновременно.
c
i
c
∂
1ош
с
Nош
i
Nош
1ош
Э
Nош
1ош
В предлагаемом способе на первом этапе с помощью схемы (N+1)-канального приема 3 и оконечного устройства 4 (см. Фиг.2) определяют значения частоты f сигнала и N частот интермодуляционных составляющих излучения СА f=|mf±nf|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; i [1; N]. На втором этапе с помощью оконечного устройства 4 определяют значения вероятности ошибки одиночного приема P на частоте f и вероятности ошибки в схеме N-кратного разнесенного приема Р на N частотах f. На третьем этапе по найденным P и Р рассчитывает значение критерия оценки эффективности S=(1-Р)/(1-Р).
Nош
i
Таким образом, предлагаемый способ позволяет оценить эффективность N-канальной СА по критерию относительного информационного ущерба, более объективному по сравнению с энергетическими критериями, используемыми в способе-прототипе. Поскольку значение Р определяется для реальных каналов утечки КИ на N частотах f (соответствующих N ветвям в схеме разнесенного приема), необходимость в дополнительных предположениях о свойствах сигналов в этих ветвях (независимость, однородность и т.д.), приводящая к нежелательному росту неопределенности при оценке параметров СА, отпадает.
Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, удобен для практической реализации. Поскольку оконечное устройстве 4 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс оценки эффективности СА легко поддается автоматизации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - С.12-15.
2. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.
3. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Защита информации: аспект электромагнитной совместимости и безопасности // Вестник связи. 2005. №2. - С.65-72.
4. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.
5. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.
6. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. - 120 с.
7. Воронин Е.Н., Шашенков В.Ф. Микроволновая селективная голография. М.: Радио и связь, 2003. - 535 с.
8. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г., Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2271065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюл. №6.
9. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.