Некоммерческое  акционерное  общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

  Сборник задач

для студентов всех форм обучения специальности

5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2011

СоставителИ: И.В. Васильев, И.Д. Козин, И.Н. Федулина Защита информации в радиоэлектронных системах. Сборник задач (для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2011. - 26    с. 

 

Тематика сборника задач включает понятия об единицах измерений в радиотехнических системах, распределение мощности в фидерных устройствах, различные типы используемых антенн, условия распространения радиоволн в различных средах и методы оценки пропускной способности канала связи.

Сборник задач предназначен для студентов специальности 5В071900 –«Радиотехника, электроника и телекоммуникации» 

 

Рецензент: канд. техн. наук. проф. Коньшин С.В.

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2011 год.

 

©НАО « Алматинский  университет энергетики и связи» 2011 г.

 

Содержание

 

Введение	4
1 Понятие децибел и непер	7
2 Изменение мощности в фидерных устройствах	8
3 Антенны	9
4 Распространение радиоволн	15
5 Пропускная способность канала связи	17
6 Задачи	20
Список литературы	26

 

Введение 

Обладание информацией, умение с наибольшей скоростью передать её заинтересованным субъектам и, естественно, в лучшем виде воспользоваться ею - всегда считались основными компонентами успеха в политике, в разведке, в банковском и биржевом деле, в бизнесе.

Преимущества, даваемые обладанием информацией, приводят к стремлению одних лиц ограничить доступ к имеющейся у них информации других лиц, а с другой стороны непрерывно делаются попытки получить доступ к данной информации.

Защита информации в этих условиях становится сложной задачей, решение которой невозможно без понимания физических процессов, лежащих в основе различных каналов утечки информации и способов её перехвата.

К первичным источникам информации относятся: звук, изображение, электрические сигналы, а также электромагнитные излучения, возникающие в процессе обработки информации. Акустическая, оптическая или электронная информация может передаваться на большие расстояния как в процессе коммуникации, когда мы ставим себе целью передать эту информацию, так и независимо от этого процесса.

Ниже представляются образцы задач, относящиеся к радиотехническим задачам защиты информации.

В настоящее время способ передачи информации с помощью радиоволн – один из самых востребованных, поскольку от других систем связи он отличается мобильностью, высокой скоростью передачи информации и относительной дешевизной. В системах передачи конфиденциальной информации, особенно связанной с ведением военных действий, мобильность играет особую роль, что и обуславливает широкое использование систем радиосвязи для этих целей.

При рассмотрении особенностей функционирования систем конфиденциальной связи необходимо выделять не две заинтересованные стороны, а три, в отличие от обычных систем радиосвязи. Такие системы носят ярко выраженный ассиметричный характер, что хорошо видно из рисунка 1, на котором обобщенно изображена организация конфиденциальной  радиосвязи.

Отправитель корреспонденции посредством выбора канала радиосвязи выбирает наилучший способ передачи информации. Если передаваемая информация конфиденциальна, то отправитель дополнительно осуществляет её кодирование, шифрование или скремблирование. В особых случаях для затруднения перехвата информации осуществляется её маскировка искусственными помехами. Способы кодирования, шифрования и маскировки передаваемой информации известны получателю, который осуществляет обратный процесс: выделение полезного сигнала из шума, декодирование и дешифровку.

В системах контроля несанкционированной радиосвязи создаются органы противодействия получателю в приёме корреспонденции. Чаще всего задача решается созданием прицельных радиопомех, которые уменьшают отношение сигнал/шум и исключают возможность её получения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема организации конфиденциальной радиосвязи

 

В целом задача радиоэлектронной борьбы не ограничивается только созданием препятствий несанкционированному приёму информации. Часто возникает необходимость распознавания передаваемого сообщения. Решение этой задачи усложняется тем, что способы кодирования, шифровки и скремблирования (в отличие от принимающей стороны) третьей стороне, в принципе, неизвестны.

Радиоэлектронная борьба (РЭБ) - это совокупность согласованных по целям, задачам, месту и времени мероприятий по выявлению радиоэлектронных средств (РЭС) и их радиоэлектронному подавлению (РЭП), а также по радиоэлектронной защите (РЭЗ) своих радиоэлектронных объектов и систем, а также радиоэлектронному обеспечению (РЭО) и противодействию техническим средствам разведки противника.

Целью РЭБ является дезорганизация управления силами (войсками), снижение эффективности ведения разведки, применения оружия и боевой техники противником, а также обеспечение устойчивости работы систем и средств управления своими силами (войсками) и оружием. Радиоэлектронная борьба разделяется на действия по временному нарушению работы радиоэлектронной аппаратуры противника (постановка помех) и на действия, связанные с долговременным (или постоянным) выведением из строя этой аппаратуры (силовое поражение).

По степени важности сведений, которые могут стать достоянием радиоразведки противника, нарушения безопасности связи делятся на три категории:

1-я категория – нарушения в использовании средств связи, приводящие к разглашению или создающие реальную возможность утечки секретных сведений составляющих государственную и военную тайну

Например: передача секретных сведений по незасекреченным каналам связи, повторное использование ключей и т.п.

2-я категория – нарушения в использовании средств связи, создающие предпосылки к утечке секретных сведений.

Например: передача сведений служебного характера, при систематизации которой возможна утечка секретных сведений, пытка повторного использования ключей, использование связи в личных целях и т.п.

3-я категория – нарушения правил установления связи и ведения радиообмена, норм технической эксплуатации средств связи и других требований, систематизация и обобщение которых приводит к утечке сведений служебного характера.

Например: отклонения частоты настройки радиостанции от установленного номинала больше нормы, искажения в заголовке радиограмм, невыполнение норматива на установление связи и т.п.

 

 

Рисунок 2- Компоненты и их составляющие РЭБ

 

 

1 Понятие децибел и непер

 

В технике связи для оценки мощностей, токов и напряжений сигналов используют логарифмические единицы (абсолютные, относительные и измерительные уровни передачи), называемые децибелами - дБ.

Изначально  величина в дБ использовалась для оценки отношения мощностей и вычисляется по формуле:

                                                    

где P₁/P₀ - отношение значений двух мощностей: измеряемой P₁ к так называемой опорной P₀.

Соответственно, переход от дБ к отношению мощностей осуществляется по формуле

                                       P₁/P₀ = 10^{(величина в дБ/10)},

 

из которой может быть найдена мощность P₁.

 

Абсолютные уровни передачи в децибелах (по мощности – м, напряжению – н, току – т):

                                            Р_ма = 10 lg (Р₁/1мВт), дБм;

Р_на  = 20 lg (U₁/775мВ), дБн;

                                     Р_та  = 20 lg (I₁ /1,29мА), дБт.                                (1)

 

Нетрудно подсчитать, что при изменении мощности на +1 дБ (+1 дБ «по мощности») осуществляется абсолютное приращение мощности в ≈1.259 раза, изменению на −3.01 дБ - снижение мощности в два раза.

Для различных физических величин одному и тому же числовому значению, выраженному в децибелах, могут соответствовать разные уровни сигналов. Поэтому во избежание путаницы такие «конкретизированные» единицы измерения обозначают теми же буквами «дБ», но с добавлением индекса — общепринятого обозначения измеряемой физической величины. Например, «дБВ» (децибел относительно вольта) или «дБмкВ» (децибел относительно микровольта), «дБВт» (децибел относительно ватта) и т.п.

Иногда вместо децибел используют другую логарифмическую единицу - Непер.

Так же, как и децибел, непер является единицей логарифмической шкалы. Отношение величин x₁ и x₂ в неперах:

                                   .

Разница между ними в том, что отношение величин, выраженное в белах (децибелах), предполагает использование десятичных логарифмов, тогда как для отношения в неперах используются натуральные логарифмы. Русскоязычной литературе обозначение непера - Нп; в англоязычной литературе - Np.

Неперы чаще используются для выражения отношений таких величин, как напряжение или сила тока, тогда как децибелы обычно применяются для отношения энергетических величин, имеющих смысл мощности, потока энергии и т. д. В этом случае можно выразить неперы через децибелы и наоборот:

;

 

2 Изменение мощности в фидерных устройствах

 

Не вся мощность, генерируемая передатчиком, достигает антенны. Часть её расходуется в фидерной линии на её нагрев и переизлучение. Последнее может быть использовано для перехвата информации.

Для неидеально согласованной антенны распределение напряжения вдоль фидерной линии образуется наложением двух волн: падающей, имеющей амплитуду U_пад  и отражённой с амплитудой U_omp  (см. рисунок 3).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Распределение напряжения вдоль фидерной линии

 

Степень согласования антенны с фидерной линией принято характеризовать двумя параметрами: коэффициентом отражения Г

Г= U_omp / U_пад

 

или коэффициентом стоячей волны (КСВ),

 

КСВ= U_max / U_min.

или

.

Один из этих параметров легко выражается через другой (см. рисунок 3):

 

Г =(КСВ-1)/(КСВ+1).

 

Для идеально согласованной антенны КСВ = 1, тогда Г = 0. Реально у хорошо согласованной антенны  КСВ £1,2¸1,5. Для систем связи считается допустимым КСВ<2, а для радиолокации КСВ<1,5.

Кроме отражения в фидерном тракте, существуют и прямые тепловые потери, связанные с нагревом проводника при протекании по нему тока. Эти потери выражаются через коэффициент тепловых потерь η_Т и приводят к ослаблению сигнала при передаче по линии связи.

В общем случае плотность потока энергии W определяется как мощность электромагнитной волны, проходящей через единицу площади. Она рассчитывается по формуле:

                                               (2)

где W – плотность потока энергии, Вт/м²;

Р – показания прибора, Вт;

S_e – эффективная площадь измерительной антенны, м²;

h_ф – коэффициент полезного действия (к.п.д.) фидерного тракта,

 

                                                .                                       (3)

 

 

Потери энергии в фидерной линии принято характеризовать погонным затуханием h_дБ, выражаемым обычно в дБ/м или затухание в линии длиной 1 м. При длине фидера l затухание в нём составит h_SдБ = h_дБ × l  дБ.

                                                                                                                                                   

3 Антенны

 

Антенной называется устройство, преобразующее колебания электрического тока, подводимого к ней в электромагнитное поле излучения, то есть в электромагнитную волну. Приёмная антенная – это устройство, преобразующее энергию электромагнитного поля (электромагнитной волны) в синхронные колебания тока в схеме приёмника.

Коэффициент направленного действия. Каждая реальная антенна излучает в различных направлениях различное количество энергии. Это различие  может  составлять  10000 и более раз. Для  характеристики пространственной неоднородности излучения служит диаграмма направленности (ДН) . Если обозначить через Е₀ напряжённость поля в направлении наибольшего излучения, а через Е_q,j - напряжённость поля в направлении,  определяемом углами q  и j  в полярных координатах, то относительной пространственной  диаграммой направленности  принято  называть отношение

                                                  (4)

Отсюда видно, что в направлении наибольшего излучения f(q, j) = 1, а в остальных направлениях   f(q, j ) < 1.

Чтобы охарактеризовать способность антенны передать в нужном направлении наибольшую долю всей излучаемой ей энергии, введено понятие коэффициента направленного действия.

Коэффициент направленного действия G в англоязычной литературе называют усилением антенны. Принципиально правильнее называть усилением величину

                                                                         (5)

где h_а - КПД антенны и Р - мощность, подводимая к антенне.

Однако для хороших антенн разница между усилением и коэффициентом направленного действия незначительна, поскольку у них КПД близок к единице. Поэтому в дальнейшем величину G также будем называть усилением антенны.

В литературе также принято определять усиление G направленной антенны не по отношению к изотропному излучателю, а по отношению к полуволновому вибратору. В этом случае усиление любой антенны G будет в 1,64 раза меньше (или на 2 дБ = 0,23 Нп).

Величина G связана с действующей шириной диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Пусть действующая ширина диаграммы в вертикальной плоскости составляет j  и в горизонтальной q. Усиление антенны G можно грубо определить через j  и q, если предположить, что диаграмма направленности антенны такая, что в пределах углов j  и q излучение одинаково и равно максимальному, т. е. напряжённость поля радиоволны вне этих пределов равно нулю. Тогда  получим

                                                                                       (6)

где j  и q  берутся в радианах.

У параболической антенны j  = q, поэтому для неё

Несколько более точное выражение для G можно получить, если аппроксимировать реальную диаграмму диаграммой в виде одного лепестка, получающегося от вращения кривой f(q)=e^-hq , (где h — коэффициент, подбираемый по диаграмме реальной антенны) вокруг направления максимального излучения. Тогда

                                           .

 

Решая интеграл приближённо, можно найти   после ряда упрощений и преобразований                                                                          

                                                                                                      (7)

В градусной мере усиление параболической антенны G определяется следующей зависимостью

                                                                                                  (8)

Ширина главного лепестка ДН  q^о определяется углом между значениями 0,77 напряжённости Е или 0,5 мощности Р излучения вдоль главной оси и рассчитывается выражением

                                                      ,                                               (9)

где l - длина волны излучения;

D – диаметр раскрыва параболической антенны.

ДН q^о также зависит и от закона изменения амплитуды поля в раскрыве зеркала. Коэффициент А принимает значения 60-80 в зависимости от отношения фокусного расстояния к D (короткофокусная или длиннофокусная антенна), а также от характеристик облучателя (простой изотропный, рупорный или щелевой облучатели). Коэффициент перевода градусов в радианы  k=0,01745.

Усиление параболической антенны G может быть выражено и через её площадь S_A

 

                            G = 2,4 p S_A/ l² = (pD/l)².                                           (10)

Истинное пространственное распределение напряжённости поля параболической антенны достаточно сложное. Пример такого распределения приведён на рисунке 4.

В качестве нормированной диаграммы направленности целесообразно использовать экспериментально снятую зависимость. Если таковой нет, главный лепесток диаграммы следует аппроксимировать (описать приближенно) посредством кривой Гаусса, которая определяется как

 

                                   Р(dq)= exp{-0,69×(dq)²} .                                         (11)

Здесь  q – угол между осью зеркала и направлением в точку наблюдения;

dq -  отношение угла направления излучения q к величине половины угла диаграммы направленности  q₁;

Р(dq) – относительная мощность радиоволны в направлении dq.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а =q^о  -  ширина лепестка, b = q^о₁  -  угол половинной мощности,  c -  главный лепесток, d -  первая нулевая точка, e -  ослабление бокового лепестка, f -  боковой лепесток, g -  ширина луча главного лепестка, h -  угол нулевой точки, i -  отношение амплитуд главного и обратного лепестка, k -  вторая нулевая точка.

Рисунок 4 – Экспериментально измеренное распределение излучаемой мощности параболической антенной в дБ на плоскости

 

Таблица 1 - Значение функции Р(dq) от направления излучения

 

Огибающая боковых лепестков диаграммы направленности должна быть равна или менее величины, определяемой выражением (относительно изотропного излучателя) в дБ:

 

                                        (12)

где  D – диаметр апертуры антенны.

Для типового сценария радиоперехвата можно принять, что эффективное значение уровня боковых лепестков на 3 дБ меньше значения огибающей боковых лепестков и G(q) соответствует второму значению

                                                    .

Коэффициент усиления антенны с круглой апертурой   Для коэффициента использования поверхности k_ИП=0,5 получим в дБ                                         

Тогда для отношения G_П/ G_П(q) получим в дБ

 

или в разах

где  D_П – диаметр апертуры передающей осесимметричной антенны.

 

Время скрытной работы определяется выражением:

 

                                                               (13)

где  h_пор² – пороговое отношение энергии бита к спектральной плотности шумов на выходе приёмной антенны радиолинии.

 

Ослабление мощности изотропно излучаемого сигнала за счёт сферической расходимости фронта волны определяется следующим выражением:

 

P_R = P₀/L₀,

 

где ;                                                                                     (14)

 P_R – мощность сигнала в точке приёма;          

 d – расстояние между передающей и приёмной антеннами, м;

 λ – длина волны, м.

В децибелах значение L₀ определяется по формуле:

 

                      L₀, дБ= 20(lg f [МГц]+lgd [км])+32,45.                              (15)

 

Величину L₀ также называют коэффициентом поглощения мощности радиоволны в свободном пространстве.

Эффективная площадь антенны определяется по формуле:

                                                ,                                                      (16)

где S_a – площадь антенны, определяемая её геометрическими размерами, м²;

g - коэффициент использования площади, зависит от типа использованных антенн.

Например, для пирамидальных рупоров g » 0.49, для параболических антенн g » 0.55.

Тогда  будем иметь:

а отсюда:

В итоге  получим формулу для определения плотности потока энергии:

                                                .                                                    (17)

Связь напряжённости электромагнитного поля E с его плотностью определяется по формуле:

                                                   ,                                                     (18)

где E - напряжённость электромагнитного поля, В/м;

ρ₀ – волновое сопротивление свободного пространства, определяется по формуле:

                                      =376.8 Ом,                     (19)

где m₀ и e₀ - магнитная и диэлектрическая проницаемости свободного пространства.

На практике для расчётов часто применяют не эффективную площадь антенны, а числовой коэффициент, показывающий при какой напряжённости поля на выходе антенны будет сигнал, равный 1 микровольту.

Амплитуда напряжённости поля, создаваемого антенной с коэффициентом усиления G, будет равна в соответствии с эмпирической формулой Шулейкина - Ван-дер-Поля:

                                     E_m =        .                                                    (20)

Наряду с коэффициентом направленного действия (КНД) D применяется параметр, называемый коэффициентом усиления антенны G, который одновременно учитывает и КНД.

Коэффициент полезного действия (КПД) h=P_t /P. Тогда:

 

                                 E_m =          и       G= hD.

 

4 Распространение радиоволн

 

Радиоволны, используемые в земных условиях в тех или иных системах связи, могут распространяться в четырёх различных средах.

Первой средой из них мы назовём безвоздушное или свободное пространство, которому наиболее близко соответствует область, расположенная выше ионосферы, то есть выше ~ 800 ¸  1000 км.

Второй средой мы назовём ионосферу, отличающуюся от других сред значительным содержанием ионов и свободных электронов и расположенную на высотах ~50 ¸  1000 км.

Третья среда располагается ниже ионосферы, отличается значительной плотностью атмосферного газа, наличием тяжёлых примесей и молекул воды, влияющих на показатель преломления и поглощение энергии радиосигналов. Этими средами являются стратосфера и тропосфера.

К четвёртой среде мы относим приземный слой атмосферы, в котором распространяется радиосигнал при движении вдоль земной поверхности. В этой области существенные коррективы в распространение радиоволн вносит не атмосфера, а геометрические и электрические свойства подстилающей поверхности.

Итак, уравнения среды записываются следующими выражениями:

 

                           D=e_aE,     B=mH,    j=s(E+E^ст).                                            (21)

 

Символы в уравнениях, выделенные полужирным шрифтом, обозначают векторную величину.

Выражения (21) называются уравнениями состояния и характеризуют свойства среды, в которой происходят электромагнитные процессы. Характеристиками среды являются величины: e_а=ee₀, m_а=mm₀ и s, где e и m -относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость, а s  - проводимость среды. Эти величины с нулевым индексом относятся к среде, называемой свободным пространством или вакуумом.

Если бы передающая антенна излучала равномерно во всех направлениях, то на расстоянии d от источника модуль вектора Пойнтинга, численно равный плотности потока мощности, был бы равен

Свободным пространством называют среду, параметры которой не влияют на распространение радиоволн, то есть s = 0, а диэлектрическая проницаемость  Ф/м  и магнитная проницаемость m₀=4p×10^-7 Гн/м . Относительные диэлектрическая e и магнитная проницаемости m равны единице. Близка по характеристикам к свободному пространству область распространения радиоволн на большом удалении от земной поверхности. Распространение радиоволн в этих условиях прямолинейно, а скорость постоянна и равна скорости света в вакууме  с₀ = 3×10⁸ м/с.

Векторы Е и Н в дальней зоне взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения радиоволны.

Расчёт зоны видимости.  Предположим, что используемая передающая антенна излучает электромагнитную волну на высоте h₁. Радиус земного шара принимаем равным R_Å= 6370 м. Максимальное расстояние d, с которого будет видна антенна с поверхности Земли, будет равно удалению от антенны по прямой линии, проведённой по касательной к земной поверхности.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 - К расчёту зоны видимости

 

Для полученного на рисунке 5 прямоугольного треугольника ОАВ можем записать уравнение

                                   d²=( R_Å+h)² – R_Å ² = h²+2 R_Å h,

где h – высота подвеса антенны над поверхностью Земли;

R_Å– радиус Земли;

d – расстояние до горизонта.

Для реальных высот подвеса антенн h, много меньших радиуса Земли, можно пренебречь значением h² и, считая значение радиуса Земли постоянным, записать

 

                                   ,                                             (22)

при условии, что расстояние d вычисляется в километрах, а высота подвеса антенны h – задаётся в метрах. Так мы можем рассчитать расстояние от точки подвеса антенны до линии горизонта.

Может ли связь осуществляться далее этой границы? Очевидно, что да, если находящуюся за линией горизонта антенну также приподнять над поверхностью Земли. Если считать, что передающая антенна поднята на высоту h₁, а приёмная антенна подвешена над поверхностью Земли на высоте h₂, выражение (22) примет вид:

 

                                   .                                       (23)

В практических расчётах формула (23) принимается в виде:

 

                                          ,

 

где учтены преломляющие свойства приземного слоя атмосферного газа.

Эти формулы и используются для расчёта зоны видимости, которая представляет собой окружность с радиусом d.

 

5 Пропускная способность канала связи

 

В реальных системах связи на вход приёмников воздействуют не только полезные сигналы, несущие информацию от абонентов, но и иные сигналы, затрудняющие восприятие полезной информации. Такие сигналы называют помехами. Помехи бывают естественного и искусственного происхождения. К помехам естественного происхождения относят любые помехи, существование которых не связано с человеческой деятельностью, например, помехи от грозовых разрядов или сигналы от источников космического излучения. Искусственные помехи связаны с работой различных технических средств. Такими могут быть помехи от работающих электромоторов, удаленных радиопередатчиков, коронных разрядов на линиях электропередач и другие. Величина помех может варьироваться в зависимости от времени суток и сезона, она зависит от того, насколько много промышленных предприятий находится поблизости и от диапазона частот. Разновидность помех, не имеющих регулярной структуры и характеризующихся только распределением плотности потока мощности по спектру, называют шумами. Типичные величины внешних помех различного происхождения приведены на рисунке 6.

Кроме внешних источников шумов и помех, имеются их источники и в самой приемной аппаратуре. К таким внутренним помехам относятся сигналы, формирующиеся в смежных блоках радиоэлектронного оборудования. Наиболее вероятными источниками внутренних помех являются блоки питания, задающие генераторы, усилители мощности и схемы коммутации.

 

Рисунок 6 - Зависимость уровней помех различной природы от частоты

 

К наиболее известным типам шумов относятся «белый шум», характеризуемый равномерным распределением плотности потока мощности по спектру частот, и «розовый шум», плотность потока мощности которого уменьшается на 3 дБ при увеличении частоты на каждую октаву (в два раза).

«Тепловой шум», иначе называемый «Джонсоновским шумом», связан с броуновским движением частиц в веществе. Мощность этого шума зависит от температуры и определяется выражением:

 

                                      P_тш=kT×Δf,                                                        (24)

 

где P_тш – мощность теплового шума (Вт);

T – температура тела (⁰K);

Δf – полоса пропускания приемного устройства (Гц);

k – постоянная Больцмана (1,38×10^-23 Дж/⁰K).

Решение любых задач передачи информации по радиоканалу сводится к определению соотношений мощности сигнала и шума в точке приёма. Для этого необходимо уметь правильно рассчитывать и измерять плотность потока энергии и напряженность электромагнитного поля.

В реальных условиях активные элементы приёмных устройств имеют температуру несколько более высокую, чем окружающая среда. Это приводит к увеличению мощности шумов приёмных устройств. Коэффициентом шума приёмных устройств называют превышение собственных шумов приёмного устройства над тепловым шумом.

Наличие шумов и помех на входе приёмного устройства приводит к ошибкам при выделении полезных сигналов. При достаточно большом уровне этих мешающих сигналов выделение полезного сигнала становится практически невозможным. В общем виде возможность передачи информации на фоне шумов описывается теоремой Шеннона - максимально возможное количество информации С (бит/с), которую можно передать в единицу времени по каналу связи с шумами (пропускная способность), пропорционально двоичному логарифму отношения мощности полезного сигнала P_с (Вт) к мощности шумов и помех P_ш (Вт).

 

                               C = Δf×log₂(1+ P_с/P_ш).                                        (25)

Таким образом, решение любых задач передачи информации по радиоканалу сводится к определению соотношений мощности сигнала и шума в точке приёма. Для этого необходимо уметь правильно рассчитывать и измерять плотность потока энергии и напряжённость электромагнитного поля.

Анализ этого уравнения приводит к нескольким принципиальным выводам, которые широко используются в практике радиосвязи:

1) Ширина полосы пропускания приёмного устройства должна максимально точно соответствовать ширине спектра передаваемого сигнала. Излишнее расширение полосы пропускания не увеличит уровень сигнала, а только увеличит мощность шумов и помех. Уменьшение же полосы пропускания приведет к искажению самого сигнала, и восстановление его может стать невыполнимой задачей;

2) Каково бы не было низким соотношение сигнала и шума, передача данных всё равно возможна, только с очень низкой пропускной способностью (скоростью);

3) Основной задачей при построении систем радиосвязи является обеспечение заданного соотношения сигнал/(шум+помеха) на входе радиоприёмного устройства.

Следует упомянуть, что мощность сигнала убывает с удалением от передатчика, в то время как мощность шумов имеет региональный характер и не меняется в больших пределах с расстоянием. Так что пропускная способность канала связи с увеличением расстояния падает.

Ошибки системы тактовой синхронизации приводят к уменьшению помехоустойчивости приёма сигналов. Если на вход интегратора с синхронным разрядом поступают прямоугольные импульсы и система тактовой синхронизации выдаёт тактовые импульсы для разряда интегратора с ошибкой Dt  по отношению к действительному положению фронтов импульса сигнала, то наличие ошибки Dt  приводит к уменьшению амплитуды символа на выходе интегратора на величину 2U_c Dt, если перед (после) данным символом принимался символ другого знака.

При этом отношение мощностей P_с/P_ш на выходе интегратора с синхронным разрядом уменьшается в

 раз.

 

 

6 Задачи

 

1. Мощность передающего устройства станции постановки помех увеличили в n раз. На сколько децибел увеличится напряжение сигнала на выходе антенны приёмного устройства?

n = 3, 5, 10, 25, 49.

 

2. Уровень сигнала тональной частоты на выходе детектора приёмного устройства станции радиоразведки составляет n непер. На сколько децибел необходимо изменить коэффициент усиления приёмного устройства для получения на выходе детектора сигнала 0 непер?

 

3. Линейный динамический диапазон подавляемого приёмного устройства с входным сопротивлением 50 Ом составляет n децибел. Чувствительность приёмного устройства равна U мкВ. Какова должна быть мощность сигнала помехи на входе приёмного устройства,  при которой приёмник будет работать в линейном режиме?

                                    

4. Мощность передатчика станции помех Р_ма дБм. Какой максимальный ток будет протекать в антенне, если её волновое сопротивление R Ом?

Р_ма дБм = 50, 250, 1250,

R = 50, 75, 600 Ом.

Рассчитать 9 вариантов.

 

5. Коэффициент стоячей волны - КСВ антенны станции помех равен n. Какая доля мощности передатчика излучится в пространство?

                       КСВ = 1,2; 1,55; 1,8; 2,0 .

 

6. Вычислить с помощью калькулятора значения мощности, напряжения и тока в дБ и записать в таблицу:

 

Величина	0,034	0,276	3,562	12,48	175,6	753,5
Рма , дБм
Рна , дБн
Рта  , дБт.

 

7. Рассчитать эффективную площадь антенны станции радиоразведки S_е, имеющую коэффициент усиления G дБ на частоте  f  МГц,  g - коэффициент использования площади. Рассчитать 27 вариантов.

                          

                                        

8. Во сколько раз изменится дальность радиоперехвата в свободном пространстве между передатчиком и приёмником, если у приёмного устройства применить вместо изотропной антенны диполь (антенну с коэффициентом усиления G дБ) по отношению к полуволновому вибратору?

 

9. Антенна станции радиоперехвата параболическая диаметром D дециметров. Рабочая частота  f  МГц. С какой угловой точностью необходимо ориентировать в пространстве антенну, если допустимый уровень потери сигнала из-за ошибки ориентации не должен превышать 3 дБ?

 

Рассчитать 16 вариантов.

 

10. Раскрыв антенны составляет l м. На какое расстояние d₀ м от приёмной антенны должен быть удалён источник излучения с частотой f  МГц для точного измерения характеристик антенн, чтобы разность фаз сигналов, приходящих на различные участки антенны не превысила Dj градусов?

 

Рассчитать 64 варианта.

 

11. Во сколько раз необходимо увеличить эффективную поверхность параболической антенны радиоприёмного устройства при приёме сигнала в направлении бокового лепестка диаграммы направленности величиной N дБ, по сравнению со случаем приёма в направлении главного максимума диаграммы направленности?

 

12. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности в одной плоскости определяется выражением:

θ₀ = 70λ / d град,

где λ - длина волны;

d - размер апертуры в данной плоскости.

Коэффициент усиления антенны, создающий эллиптический луч с шириной q и j  по главным осям эллипса, определяется согласно рекомендациям МСЭ выражением:

G = 44,44 – 10 lg q - 10 lg j .

Требуется определить:

1) Коэффициент усиления антенны ретранслятора КА:

а) с глобальным лучом θ₀ = 17°; б) с эллиптическим лучом 50° × 11°, покрывающим территорию Казахстана.

2) Коэффициент усиления антенны с прямоугольной апертурой 10 см × 20 см на частоте 10 ГГц.

 

13. Определить коэффициент усиления круглой зеркальной антенны на частоте 6 ГГц при  g = 0,6 для диаметров апертуры, указанных в таблице.

 

D, м	1,5	2,4	4,8	7
f,  МГц	100	600	1200	6000
g	0,2	0,4	0,6	0,8
G, дБ

Рассчитать 64 варианта.

 

14. Определить время скрытной работы радиолинии связи с параметрами:

- диаметр антенны 1,5 м;

- рабочая частота 6 ГГц;

- скорость передачи информации 2,048 Мбит/с;

- полоса псевдошумового сигнала 262 МГц;

- дальность связи d = 30 км;

- h²_ПОР = 17 дБ;

- расстояние от передатчика до разведывательного приемника на самолете  d_p = 100 км;

- коэффициент усиления антенны разведывательного приемника 30 дБ.

Определить во сколько раз увеличится время скрытной работы радиолинии при использовании специальной передающей антенны с уровнем боковых лепестков на 10 дБ меньшим по отношению к уровню боковых лепестков.

 

15. Определить время скрытной работы наземной станции спутниковой связи со следующими параметрами:

- диаметр антенны 1,2 м;

- рабочая частота 8 ГГц;

- скорость передачи информации 2,4 кбит/с;

- ширина спектра широкополосного сигнала 500 МГц;

- дальность связи 40 000 км;

- h²_ПОР на ретрансляторе равно 10 дБ;

- коэффициент усиления приемной антенны ретранслятора 30 дБ;

- расстояние от станции спутниковой связи до разведывательного приемника на самолёте d = 100 км;

- коэффициент усиления антенны разведывательного приемника 30 дБ.

Определить во сколько раз увеличится время скрытной работы радиолинии при использовании специальной передающей антенны с уровнем боковых лепестков на 10 дБ меньшим по отношению к уровню боковых лепестков, определенных соотношением:

 

16. Уровень сигнала от радиостанции на выходе антенны станции радиоперехвата с волновым сопротивлением 50 Ом и антенным фактором N дБ/м составил U  мкВ на частоте f  МГц. Какова напряжённость электромагнитного поля в точке приёма?

 

17. Средняя высота носимых станций радиоперехвата над уровнем Земли составляет 1,2 метра. На какой высоте относительно уровня Земли (без учёта зоны Френеля) должна быть установлена антенна базовой станции, чтобы обеспечить зону покрытия радиусом d  км?

 

18. Какая напряжённость электромагнитного поля будет создана передатчиком станции радиоэлектронной борьбы мощностью P Вт с антенной S дБ на частоте f  МГц при удалении от него на d км?

P, Вт	5	10	50
f,  МГц	100	600	1200
S, дБ	2	5	10
d, км	1,0	20	50
Е,мкВ/м

 

19. На крыше приёмопередающего центра расположены антенны двух радиостанций. Расстояние между антеннами d м. Какова будет мощность сигнала на входе приёмника второй антенны, если передатчик подводит к первой антенне мощность P дБм? Обе антенны изотропные.

 

20. Пусть широкополосный псевдошумовой сигнал с полосой Δf представляет собой гармоническое колебание, манипулированное по фазе на 180° по закону псевдослучайной двоичной последовательности. Для обнаружения такого сигнала используется тот факт, что после удвоителя частоты на удвоенной несущей частоте образуется немодулированное синусоидальное колебание, которое можно выделить узкополосным полосовым фильтром для последующего его обнаружения с помощью детектора и порогового устройства.

Требуется определить время скрытной работы радиолинии, в которой используется фазоманипулированный псевдошумовой  сигнал с манипуляцией фазы на 180° по псевдослучайному закону. Обнаружитель сигнала состоит из полосового фильтра с полосой Δf на некоторой промежуточной частоте, умножителя частоты на два (квадратичного детектора) и узкополосного полосового фильтра с полосой Δf_у  на удвоенной промежуточной частоте, после которого стоит детектор и пороговое устройство. Принять, что несущая частота фазоманипулированногo сигнала и eё полоса частот Δf известны на стороне разведывательного приёмника. При этом считать, что псевдошумовой сигнал обнаружен, если в полосе Δf_у отношение мощностей сигнал-шум равно или более 50. Время скрытной работы принять равным Т_ОБН = 1/ Δf_у .

 

21. Полоса пропускания приёмного устройства станции радиоразведки составляет Δf  кГц. Рассчитайте потенциальную чувствительность приёмника, если температура окружающей среды составляет T ⁰С.

 

22. Рассчитайте максимально достижимую скорость передачи данных в канале радиосвязи при соотношении сигнал/шум 20 дБ и полосе пропускания оптимального приёмного устройства Δf  МГц.     

 

23. Во сколько раз можно увеличить скорость передачи данных в канале радиосвязи при снижении коэффициента шума приёмного устройства на n дБ?

                                                                          

24. Во сколько раз снижается дальность перехвата радиосообщений, если полоса пропускания используемого приёмного устройства в n  раз шире оптимальной полосы пропускания.

                                                                                    

25. Какое соотношение сигнал/шум (дБ) в канале связи необходимо обеспечить для нарушения работы канала связи, передающего информацию со скоростью С Мбит/с при полосе пропускания канала связи Δf МГц.

 

26. При передаче изображений земной поверхности качество изображения задается разрешающей способностью оптико-электронной системы наблюдения с параметрами:

- число пикселей (элементов разрешения) в одном кадре цифрового фотоаппарата равно 16 миллионов (разрешающая способность 16 Мегапикселей);

- число градаций яркости изображения должно быть не менее 256;

- число передаваемых кадров в секунду равно 5.

Определить требуемую пропускную способность канала С передачи изображений.

 

27. Система тактовой синхронизации не должна ухудшать отношение сигнал-шум на выходе интегратора с синхронным разрядом более чем на 0,3 дБ.

Определить максимальную допустимую погрешность системы тактовой синхронизации Δτ в процентах по отношению к длительности  τ.

 

28. Задана нестабильность частоты генератора тактовой частоты приемника, равная 10^-4 относительно тактовой частоты принимаемых символов сигнала. После первоначального фазирования в приемнике тактовых импульсов с началом и концом принимаемых символов сигнала по преамбуле генератор тактовой частоты в приемнике не подстраивается по принимаемым информационным сигналам.

Определить, через какое число принимаемых символов сигнала смещение тактовых импульсов системы синхронизации тактовой частоты относительно фронтов принимаемых символов достигнет допустимой величины в 1%.

 

Список литературы 

1. Абалмазов Э.И. Методы и инженерно-технические средства противодействия информационным угрозам. - М.: Гротек, 1997. – 248 с.

2. Андрианов В. И., Бородин В. А., Соколов А. В. "Шпионские штучки" и устройства для защиты объектов и информации. - Справочное пособие. — СПб: Лань, 1996. -272 с.

3. Белов Е.Б., Лось В.П., Мещеряков Р.В., Шелупанов А.А. Основы информационной безопасности. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 544 с.

4. Гордейчик С.В., Дубровин В.В. Безопасность беспроводных сетей. – М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – 288 с.

5. Каторин Ю.Ф., Куренков Е.В., Остапенко А.Н. Большая энциклопедия промышленного шпионажа. - СПб: Издательство Полигон, 2000.- 896 с.

6. Конеев Н. Р., Беляев А. В. Информационная безопасность предприятия.  – СПб: БХВ - Петербург, 2003. - 725 с.

7. Конахович Г.Ф., Климчук В.П., Паук С.М., Потапов В.Г. Защита информации в тедекоммуникационных системах. – К.: МК-Пресс, 2005. – 288 с.

8. Максименко В.Н., Афанасьев В.В., Волков Н.В. Защита информации в сетях сотовой подвижной связи. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.  – 360 с.

9. Максименко Г. А., Хорошко В. А. Методы выявления, обработки и идентификации сигналов радиозакладных устройств. — К.: Полиграф консалтинг, 2004. - 317 с.

10. Модели технических разведок и угроз безопасности информации / под ред. Е. М. Сухарева. - М.: Радиотехника, 2003. - 144 с.

11. Петраков А. В., Лагутин В. С. Защита абонентского телетрафика. - М.: Радио и связь, 2002. - 504 с.

12. Ратманов Ю. Н. Теоретические основы защиты информации от утечки за счет побочных электромагнитных излучений и наводок. - М.:МПСС, 1985. - 84 с.

13. Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации. –М.: Гелиос АРБ, 2005. – 960 с.

14. Хорев А. А., Железняк В. К., Макаров Ю. К. Оценка эффективности методов защиты речевой информации. Общесистемные вопросы защиты информации / под ред. Е. М. Сухарева. - М.: Радиотехника, 2003. – 296 с.

15. Ярочкин В.И. Информационная безопасность. – М.: Академический Проект; Гаудеамус, 2004. – 544 с.

 Сводный план 2011 г. поз. 187