СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ СИГНАЛА В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЕ
METHOD OF DETERMINING SIGNAL ATTENUATION IN DISTRIBUTED RANDOM ANTENNA

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «распределенные случайные антенны» (РСА).
Классификация и свойства случайных антенн рассмотрены в [1-2]. Отличительными признаками РСА являются, во-первых, случайный характер размещения и возбуждения ее линейно протяженных (или плоскостных) токопроводящих элементов (в роли которых могут выступать цепи сигнализации, управления, электропитания, заземления и т.п.). Для обеспечения коммерческой тайны важное значение имеет выявление и перекрытие каналов утечки конфиденциальной информации (КИ) по таким РСА в виде соединительных линий (СЛ), отходящих из подлежащих защите помещений (ПЗП) - офисов, служебных кабинетов, переговорных комнат и кабин, конференц-залов, во внешнюю среду [3].
Во-вторых, существенно разный характер распространения исходного КИ-сигнала внутри ПЗП и КИ-сигналов в СЛ, с помощью которых аппаратура, размещенная в ПЗП, подключается к внешнему общедоступному оборудованию. В результате этого КИ-сигналы могут уходить по РСА далеко за пределы ПЗП и становиться несанкционированно-доступными.
В-третьих, трудности моделирования (математического, физического, компьютерного) СЛ, которые представляют собой РСА: в частности, ни в теории антенн, ни в литературе по защите КИ нет указаний на то, с помощью каких методов и средств можно оценить параметры РСА - например степень затухания КИ-сигнала в занимаемой им полосе частот.
Известны методы определения параметров фидерных линий, в том числе коэффициента затухания α; 1/м или дБ/м [4]. Известно предложение использовать для скрытной связи между абонентами отражающие поверхности с управляемыми нелинейными параметрами [5]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления подробно описан в [6]. Результаты исследований в области нелинейной радиолокации изложены в [7].
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента затухания фидера путем сравнения мощности на входе и выходе ([4], с.170, рис.7.4) (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие операции:
1
- измерение мощности Р, поступающей в фидер длиной L;
2
- измерение мощности Р, выходящей из фидера длиной L;
1
2
с
2
2
- определение коэффициента затухания: α=(1/2L)ln(P/Р), 1/м или непосредственно величины затухания сигнала в фидере длиной L: А=20 lg (P/Р), дБ.
1
2
с
c
1
2
c
1
2
Основным недостатком способа-прототипа, применительно к РСА, является его низкая метрологическая точность, поскольку на практике оказалось невозможно измерить с требуемой методической погрешностью мощность сигнала P в точке А и мощность сигнала P в точке В на участке РСА длиной L, между которыми необходимо найти затухание А сигнала на частоте f. Это объясняется тем, что помимо электрической связи между точками А и В через РСА имеет место электромагнитная связь между точками А и В через окружающее пространство. Поэтому результаты измерения P и Р несут информацию об уровнях мощности сигнала на частоте f, поступающей в измерительный прибор как через РСА, так и через окружающее пространство одновременно. «Пространственная добавка» к уровням P и Р не имеет отношения к РСА и представляет собой негативный фактор, существенно увеличивающий методическую погрешность определения затухания сигнала в РСА.
с
c
1
2
n
c
c
1
2
с
Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы при определении затухания А сигнала между точками А и В в РСА на частоте f исключить электромагнитное влияние источника возбуждения РСА на прибор, осуществляющий измерение P и Р: во-первых, путем возбуждения РСА на частоте субгармоники f=f/n, во-вторых, с помощью подключения к РСА нелинейного элемента (НЭ) для увеличения «энергетического веса» сигнала n-ой гармоники частоты возбуждения, то есть сигнала на частоте f. При одновременном измерении P и Р с помощью двухканального прибора процесс определения А может быть автоматизирован.
n
c
1
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения затухания сигнала в РСА путем снижения методической погрешности за счет уменьшения электромагнитного влияния источника возбуждения РСА на измерительный прибор через окружающее пространство. Дополнительным результатом является увеличение уровня измеряемого сигнала за счет возбуждения РСА с помощью НЭ на частоте субгармоники сигнала f=f/n и возможность автоматизации процесса измерений при использовании двухканального измерителя мощности Р и P.
c
1
2
с
1
2
n
c
1
2
c
Сущность предлагаемого способа определения затухания сигнала на частоте f между точками А и В в распределенной случайной антенне, включающего измерение уровня мощности сигнала P в точке А распределенной случайной антенны, измерение уровня мощности сигнала Р в точке В распределенной случайной антенны и расчет затухания сигнала на пути между точками А и В по формуле А=20 lg (P/P), дБ, состоит в том, что возбуждение распределенной случайной антенны осуществляют на частоте субгармоники сигнала f=f/n с помощью нелинейного элемента, подключенного к распределенной случайной антенне, и измерение уровней мощности сигнала P и P производят на n-ой гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f.
c
c
Фиг.1 демонстрирует схему реализации прототипа - известного способа измерения коэффициента затухания фидера (применительно к РСА со сложной многоэтажной структурой) путем сравнения мощности на входе и выходе ([4], с.170, рис.7.4) участка длиной L между точками А и В, где 1 - генератор сигнала для возбуждения РСА на частоте f; 2 - устройство возбуждения сигнала в РСА; 3 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 4 - устройство для съема сигнала в точках А и В РСА; 5 - измеритель уровня мощности сигнала на частоте f.
n
c
n
c
c
Фиг.2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа определения затухания сигнала в РСА, где 1 - генератор сигнала для возбуждения РСА на частоте субгармоники f=f/n; 2 - устройство возбуждения сигнала в РСА на частоте субгармоники f=f/n; 3 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 4 - устройства для съема сигнала в точках А и В РСА; 5 - измеритель уровня мощности сигнала на частоте f; 6 - нелинейный элемент, подключаемый к РСА.
Фиг.3 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень основного сигнала - 91 дБ, проходящего к измерителю 5 через РСА 3 в виде провода без НЭ и окружающую среду, и уровень основного сигнала - 98,7 дБ, проходящего к измерителю 5 через окружающую среду на расстоянии L=110 м: с 3 на 4 этаж городского здания; 6 - уровень основного сигнала - 97 дБ, проходящего к измерителю 5 через РСА в виде провода без НЭ и окружающую среду, и уровень основного сигнала - 100 дБ, проходящего к измерителю 5 через окружающую среду на расстоянии L=120 м: с 2 на 4 этаж городского здания.
Фиг.4 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень фонового сигнала - 107 дБ для РСА 3 в виде одиночного провода без НЭ на расстоянии L=5 м; б - уровень сигнала второй гармоники - 75,2 дБ для РСА 3 в виде провода с НЭ на расстоянии L=5 м; в - уровень сигнала третьей гармоники - 100 дБ для РСА 3 в виде одиночного провода с НЭ на расстоянии 5 м.
Фиг.5 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень фонового сигнала - 108 дБ для РСА 3 в виде системы труб без НЭ на расстоянии L=8 м; б - уровень сигнала второй гармоники - 91,6 дБ для РСА 3 в виде системы труб с НЭ на расстоянии L=8 м; в - уровень сигнала третьей гармоники - 100 дБ для РСА 3 в виде системы труб с НЭ на расстоянии 8 м.
Фиг.6 показывает варианты подключения НЭ 6 к РСА 3: а) - гальваническое; б) - индуктивное; в) - емкостное подключение.
На Фиг.7 показаны устройство 2 (в виде рамочной антенны) возбуждения РСА 3 и НЭ 6, подключенный к РСА 3 по варианту Фиг.6б (индуктивное подключение).
На Фиг.8 показано устройство 4 съема сигнала (в виде кольцевой ферритовой антенны) с РСА 3.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.
c
c
1
На первом этапе (см. Фиг.1) генератор 1 сигнала с частотой f подключают к РСА 3 через устройство 2 возбуждения РСА (в роли устройства 2 в реальных условиях может выступать передающая антенна, соединенная с генератором 1); измеритель 5 уровня мощности сигнала на частоте f подключают через устройство 4 съема сигнала к РСА 3 в точке А, после чего производят измерение уровня мощности Р сигнала в данной точке (в прототипе точка А является входом фидера, в РСА она может находиться в любом произвольном сечении РСА).
2
На втором этапе устройство 4 съема сигнала и измеритель 5 уровня мощности сигнала отключают от точки А и подключают к РСА 3 в точке В (как это показано на Фиг.1 штриховыми линиями), после чего производят измерение уровня мощности Р сигнала в данной точке (в прототипе точка В является выходом фидера, в РСА она может находиться в любом произвольном сечении РСА).
1
2
с
1
2
На третьем этапе в прототипе определяют коэффициент затухания сигнала в фидере длиной L: α=(1/27L)ln(P/Р), 1/м, а применительно к РСА - непосредственно величину затухания сигнала: А=20 lg(P/Р), дБ.
c
В условиях решения поставленной задачи: при определении затухания сигнала на частоте f между точками А и В в реальной РСА способ-прототип обладает следующими недостатками.
1
2
с
c
с
c
1. Определение уровней мощности сигнала P в точке А и Р в точке В на участке РСА длиной L, где необходимо найти затухание А сигнала на частоте f, производится с неудовлетворительной методической погрешностью ввиду того, что, помимо устойчивой электрической связи между точками А и В через РСА (которую призвана оценить величина А), имеет место неустойчивая электромагнитная связь через окружающую среду между генератором 7 с устройством 2 возбуждения РСА 3, с одной стороны, и измерителем 5 уровня мощности сигнала на частоте f, последовательно подключаемым через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точках А и В, с другой стороны.
c
c
c
Это отчетливо видно на спектрограммах Фиг.3а: сигнал на частоте f с 3 этажа на 4 этаж (L=110 м) городского здания проходит через РСА в виде одиночного провода и окружающую среду с уровнем - 91 дБ; а через окружающую среду - с уровнем - 98,7 дБ; и Фиг.3б: сигнал на частоте f с 2 этажа на 4 этаж (L=120 м) того же здания проходит через ту же РСА и окружающую среду с уровнем - 97 дБ; а через окружающую среду - с уровнем - 100 дБ. На более близких расстояниях L, также представляющих интерес для обеспечения защиты КИ, указанные уровни становятся практически одинаковыми. Все это не позволяет выделить сигнал на частоте f, проходящий через РСА из точки А в точку В, на фоне суммарного сигнала, проходящего и через РСА, и через окружающую среду.
1
2
с
c
2. Уровень суммарного сигнала, проходящего из точки А в точку В и через РСА и через окружающую среду, является нестабильным во времени и пространстве (спектрограммы на Фиг.3 флуктуируют и видоизменяются в значительных пределах). Это дополнительно осложняет процедуру измерения уровней мощности сигнала P в точке А и Р в точке В и увеличивает нежелательную методическую погрешность определения затухания А сигнала в РСА на частоте f.
с
c
n
c
c
Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, при определении затухания А сигнала между точками А и В на частоте f исключить электромагнитное влияние генератора 1 и устройства 2 возбуждения сигнала (в реальных условиях представляющего собой передающую антенну) на измеритель 5 уровня мощности сигнала через окружающую среду путем возбуждения РСА 3 на частоте субгармоники f=f/n; во-вторых, с помощью подключения к РСА 3 НЭ 6 увеличить «энергетический вес» сигнала n-ой гармоники частоты возбуждения, то есть сигнала на частоте f.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
n
c
1
c
На первом этапе (см. Фиг.2) генератор 1 сигнала с частотой субгармоники f=f/n через устройство 2 для возбуждения РСА (в роли устройства 2 здесь также может выступать передающая антенна, соединенная с генератором 1) и НЭ 6 подключают к РСА 3; измеритель 5 уровня мощности сигнала подключают через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точке А, после чего производят измерение уровня мощности Р сигнала на n-ой гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f, в данной точке.
2
c
На втором этапе устройство съема 4 и измеритель 5 уровня мощности сигнала отключают от точки А и подключают к РСА 3 в точке В (как это показано на Фиг.2 штриховыми линиями), после чего производят измерение уровня мощности Р сигнала на частоте f в точке В аналогично точке А. При использовании двухканального измерителя 5 уровня мощности сигнала, подключенного к РСА 3 в точках А и В одновременно, необходимость в переподключении измерителя 5 уровня мощности сигнала из точки А в точку В отпадает.
c
с
1
2
На третьем этапе величину затухания сигнала на частоте f между точками А и В в РСА определяют по формуле А=20 lg (P/Р), дБ.
n
c
c
c
В отличие от способа-прототипа, предлагаемый способ, во-первых, позволяет «развязать» по частоте операцию возбуждения РСА 3 (на частоте f=f/n) и операции измерения уровней мощности сигнала в точках А и В (на частоте f), поэтому влияние неустойчивой электромагнитной связи через окружающую среду между генератором 1 с устройством 2 возбуждения РСА 3, с одной стороны, и измерителем 5 уровня мощности сигнала на частоте f, подключаемым через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точках А и В, с другой стороны, практически отсутствует - независимо от величины расстояния L между точками А и В в РСА.
c
с
Во-вторых, возбуждение РСА 3 через НЭ 6 существенно увеличивает общий уровень сигнала в РСА на частоте f на фоне шумов, поэтому измеритель 5 мощности сигнала в точках А и В работает при более высоких отношениях «сигнал/шум» по сравнению с прототипом, что также положительно влияет на метрологическую точность определения затухания А.
n
c
c
Спектрограммы уровней сигнала на гармониках частоты f=890 МГц, представленные на Фиг.4-5, подтверждают это. Для РСА в виде одиночного провода без НЭ 6 при L=5 м (см. Фиг.4а) уровень фонового сигнала равняется - 107 дБ; для РСА в виде провода с НЭ в тех же условиях (см. Фиг.4б и Фиг.4в) уровень сигнала 2 гармоники (на частоте f=1780 МГц): - 75,2 дБ и уровень сигнала 3 гармоники (на частоте f=2670 МГц): - 100 дБ.
c
c
Аналогичным образом для РСА в виде системы разветвленных (отопительных, водопроводных) труб без НЭ 6 при L=8 м (см. Фиг.5 а) уровень фонового сигнала равняется - 108 дБ; для РСА в виде системы труб с НЭ в тех же условиях (см. Фиг.5б и Фиг.5в) уровень сигнала 2 гармоники (на частоте f=1780 МГц): - 91,6 дБ и уровень сигнала 3 гармоники (на частоте f=2670 МГц): - 100 дБ.
с
c
Из Фиг.4-5 отчетливо видно, что предлагаемый способ, использующий подключение к РСА 3 НЭ 6, позволяет определить затухание А на требуемых расстояниях между точками А и В (в том числе при L<10 м) с метрологической точностью, соответствующей инструментальной погрешности измерителя 5 мощности сигнала, так как при n=2 уровень сигнала на частоте f на 17-31,8 дБ превышает уровень шумового фона, и даже при n=3 превышение стабильно составляет 7-8 дБ - в отличие от прототипа, где превышения порядка 3-7 дБ фиксируются в нестабильных условиях при L=110-120 м.
Варианты реализации способа подключения НЭ 6 (в виде СВЧ германиевого модуляторного диода Д401) к РСА 3 (гальваническое, индуктивное, емкостное) показаны на Фиг.6. Гальваническое подключение (последовательное или параллельное) НЭ 6 к РСА 3 производится с помощью пайки или резьбового соединения проводов, подключенных к НЭ 6, индуктивное - путем намотки проводов, соединенных с НЭ 6, на участок РСА 3; емкостное - с помощью металлодиэлектрических накладок (зажимов), соединенных проводами с НЭ 6 и устанавливаемых на участок РСА 3.
с
При экспериментальном определении затухания А использовались варианты реализации устройства 2 возбуждения РСА 3 в виде вибраторной и рамочной антенн (вариант возбуждения РСА 3 в виде системы металлических труб через рамочную антенну иллюстрирует Фиг.7). Устройство 4 съема сигнала представляло собой кольцевую ферритовую антенну (внешний вид для РСА 3 в виде системы металлопластиковых труб см. на Фиг.8); в качестве измерителя 5 уровня мощности сигнала в РСА 3 использовался анализатор спектра производства Rode & Schwarz.
Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и легко поддается автоматизации при использовании двухканального измерителя 5 мощности сигнала в РСА 3.
Литература
1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь. №7, 2006. - С.12-15.
2. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Орлов А.Б. Многоканальные случайные антенны // Инфокоммуникационные технологии. Т.5, №4, 2007. - С.47-52.
3. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.
4. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенн. М.: Связьиздат, 1962. 316 с.
5. 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.
6. 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.
7. Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 1. М.: Радиотехника, 2005. - 96 с.