Using white noise generators for creating a protected VHF radio communication channel

Full Text

В современном городе присутствует большое количество заведений быстрого питания, торговых центров и развлекательных заведений типа «квест-комнаты», в которых охраной и администрацией используются портативные носимые радиостанции ультракоротковолнового (УКВ) диапазона. В связи с тем что на территории одного торгового центра могут находиться несколько разных предпринимателей, использующих подобные системы, часто происходит непреднамеренный радиоперехват переговоров, что может привести к нежелательным последствиям. Помимо случайных накладок присутствует понятие промышленного шпионажа [1]. Для эффективного управления радиоресурсами подобных систем необходимо создавать такие условия, в которых работа сторонних устройств на определенной территории невозможна либо сильно затруднена [2]. Простейшим способом воздействия на систему радиоперехвата или радиопередачи является генерация белого шума [3]. В результате появления на требуемой площади предприятия помехи типа белый шум определенного уровня происходят перекрытие радиоканала и невозможность применения технических средств. Следующим шагом в создании защи. Следующим шагом в создании защи Следующим шагом в создании защищенного канала будет включение в цепь полосового фильтра тонкой настройки, целью работы которого является выделение одной частоты (строго привязанной к используемому легитимно на предприятии устройству). Результатом совместной работы двух систем будут отсутствие «чужих» переговоров в радиоэфире предприятия, ощущение полного отсутствия связи в УКВдиапазоне и, как следствие, препятствия для деятельности злоумышленника. Отметим, что освобожденная от белого шума частота продолжает работать, и сотрудники предприятия ведут оперативные переговоры. В случае обнаружения такой «лазейки» возможна подстройка фильтра с уходом на другую несущую частоту. Постановка задачи Рассматриваемая задача представляет научный интерес, так как проблема балансирования между мощностью генератора белого шума, вопросом оптимальной фильтрации и тонкой под стройки (смены частоты в случае обнаружения) - это предмет рассмотрения в нескольких разделах классического учебника по связи [4]. С учетом рекомендаций Международного союза по электросвязи [5] и ГОСТ 24375-80, задача сужается до определенных разрешенных к использованию на территории РФ поддиапазонов. Наиболее применяемый на указанных выше предприятиях диапазон Low Power Device (LPD) - выделенный безлицензионный в России диапазон УКВ-частот (VHF), предполагаVHF), предполагаHF), предполагает использование маломощных радиостанций (не более 0,01 Вт). Радиоволны LPD-диапазона 433,075…434,775 МГц (длина волны порядка 70 см) обладают приемлемой помехозащищенностью и проникающей способностью, что позволяет использовать их в городских условиях. В данном диапазоне выделены 69 каналов с шагом 25 кГц [6]. Производитель самого устройства при этом неважен. Рассматриваемая задача подразумевает ряд ограничений, то есть имеет границы применимости, которые необходимо использовать как критерий при выборе оптимального сочетасочетания устройств и алгоритмов их взаимодействия. В условиях сложной электромагнитной обстановсложной электромагнитной обстановки современного города наиболее эффективным будет устройство, подобранное по следующим параметрам. 1. Генератор белого шума, покрывающий всю территорию исследуемого объекта. 2. Параметры устройства должны соответствовать рабочей документации и не противоречить рекомендации ITU-R V.431-7. Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи. 3. Радиопередающее устройство должно работать в диапазоне 433,075-434,775 МГц. 4. Фильтр должен быть подобран таким образом, чтобы лишь одна частота из 69 (известная только службе заказчика) продолжала передачу сигнала. 5. При необходимости фильтр должен менять несущую частоту. Необходимо оговорить обязательное условие - генератор белого шума не должен наносить ущерба существующим вокруг системам, таким как системы сотовой связи, пульты технического управления, компьютерные сети, медицинские приборы, имплантируемые в тело человека, и пр. Вопросы электромагнитной совместимости в рамках данной статьи не рассматриваются ввиду большого объема экспериментальных данных, необходимых для качественной оценки взаимодействия. Четких правил работы подобных систем на сегодняшний день не существует, так как подобное применение генераторов белого шума известно в системах подавления радиоуправляемыми бомбами и при антитеррористических мероприятиях, которые являются специальными разработками. В гражданских целях использование этих приборов авторам статьи неизвестно. Второе ограничение связано с тем, что оптиоптимальная фильтрация - это задача тривиальная, известная и применяемая во многих системах телекоммуникаций [7]. В то же время фильтрация с подстройкой рабочей частоты для системы с защищенным каналом связи - задача нетривиальная и требующая дополнительного исследования по таким параметрам, как скорость принятия решения, скорость реакции на появление злоумышленника в сети связи, однозначность принятия решения о переходе на другую частоту (канал) и др. Таким образом, ограничивая задачу по указанным критериям, необходимо смоделировать систему защищенного канала связи в диапазоне LPD с генерацией помехи и оптимальной фильтрацией оной на определенной частоте, соответствующей сетке каналов прибора. Рисунок 1. Принципиальная схема генератора белого шума Решение задачи Для решения первой подзадачи - генерация помехи, предлагается известная схема [8]. В основе работы широкополосного шумового генератора лежит влияние положительной обратной связи на усилительные элементы (транзисторы). В связи с отсутствием какой-либо резонансной системы в схеме отсутствует элемент, способный удерживать частоту работы устройства в определенном четком диапазоне, что позволяет генератору «плавать» по частотам. Частота периодически сдвигается под воздействием множества факторов - частотных свойств транзисторов, влияния параметров печати и внешней среды, напряжения питания и т. д. Когда таких генераторных каскадов расположено рядом четыре с общими элементами нагрузки и обратной связи, общий спектр принимает размытый, непрерывный и случайный характер. На уровне электрических токов принцип работы генератора можно описать следующим образом. Генератор состоит из делителя напряжения (R1, R2), двух LC-генераторов с положительной обратной связью (на транзисторах Т1, Т2 и транзисторах Т3, Т4) и выходных фильтров (С4, С5). После прохождения делителя напряжения ток поступает на базы транзисторов Т1-Т4. После этого LC-генераторы начинают генерировать сигналы. Каждый генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую - на частоте вынужденных колебаний и меньшую - на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарно-разностные. При второй итерации четыре частоты производят еще большее число суммарно-разностных частот. В результате при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приемниках смешивается с входным сигналом и образует еще большее число суммарно-разностных частот. На рисунках 2 и 3 приведены спектральные характеристики генерируемого шума. По полученным спектрам был определен рабочий диапазон устройства 1 Гц - 1000 МГц, что совпадает с диапазоном работы выбранных компонентов схемы. В некоторых устройствах, которые обычно строятся на операционных усилителях, также могут быть использованы транзисторы. Преимущества операционных усилителей для усиления сигналов постоянного тока неоспоримы. Но на переменном токе ситуация уже не так однозначна. Операционные усилители с частотой единичного усиления более 10 МГц стоят значительно дороже транзисторов на частоту до 1000 МГц. Аналитические расчеты транзисторных устройств несколько сложнее из-за более сложной схемы замещения транзистора по сравнению с идеализированным операционным усилителем. Однако в настоящее время эту проблему облегчает доступность компьютерных вычислений. В частотной области, лежащей много ниже частоты единичного усиления, большинством паразитных параметров транзисторов можно пренебречь. Поэтому при расчетах можно использовать простейшую схему замещения транзистора на основе источника тока, управляемого напряжением. Она удобна при расчете цепей методом узловых потенциалов. По найденным значениям была собрана электрическая принципиальная схема оптимального фильтра. Полученная электрическая схема, собранная с помощью программного обеспечения NI Multisim, представлена на рисунке 4. Рисунок 2. Спектр сигнала на частотах 0…600 МГц с воздействием прибора Рисунок 3. Спектр сигнала на частотах 600…1200 ГГц с воздействием прибора Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема оптимального полосового фильтра в NI Multisim Рисунок 5. Амплитудно-частотная характеристика оптимального режекторного фильтра Рисунок 6. Теоретически рассчитанная амплитудно-частотная характеристика исследуемого режекторного фильтра Рисунок 7. Объединенная схема генератора белого шума и узкополосного режекторного фильтра На рисунке 5 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в диапазоне. Минимальное значение затухания находится на частоте 27,095 МГц, то есть между 11-м и 12-м каналами сетки средневолнового (СВ) диапазона. Далее можно в программе построить амплитудно-частотную характеристику полученного фильтра. На рисунке 6 показана АЧХ смоделированного режекторного фильтра в исследуемом диапазоне. После моделирования генератора белого шума и узкополосного режекторного фильтра в пакете NI Multisim отдельно необходимо объединить оба устройства в одной схеме и провести эксперимент по определению их совместной работы. Критерии оптимальности объединенного устройства формируются из критериев оптимальности генератора белого шума и узкополосного режекторного фильтра: 26,965 27,405 50 ; 1; 5 10à ÌÃö ÌÃö; êÃö; ì; ì.SSA n p N DB P P P P R t P << ≤ > > < ≥ ≥ Диапазон излучаемых частот D. Белый шум должен генерироваться на частотах СВдиапазона. Ширина полосы режекции фильтра B. Для оптимальной работы системы была выбрана ширина полосы не более 50 кГц. Мощность генерируемого шума должна быть больше мощности сигналов на всем диапазоне СВ, но в полосе режекции ослабление шума должно быть меньше уровня полезного сигнала. Отношение уровня сигнала к уровню шума меньше единицы. Радиус подавления сигналов не менее 5 м. Время непрерывной работы должно быть не менее 10 мин. На рисунке 7 к выходу генератора белого шума подключен узкополосный режекторный фильтр. На вход системы подается переменное напряжение 12 В. По приведенным результатам видно, что условия оптимальности выполняются. Следовательно, можно сделать вывод, что разрабатыва емый метод позволяет создать защищенный канал радиосвязи с помощью генератора белого шума и оптимального узкополосного режекторного фильтра. Вывод Задача создания защищенного канала связи в нелицензируемой (разрешенной) полосе частот достаточно нова. В условиях физической реализуемости практическая составляющая имеет высокий интерес со стороны эксплуатирующих организаций. Интерес к совместимости радиосистем, их действию на другие системы растет, и области применения постоянно расширяются [8]. В статье показано, что применение небольших по мощности и радиусу действия генераторов помех может положительно сказаться на работе различных служб предприятий. Система работает достаточно надежно, однако существует целый ряд сопутствующих проблем и подзадач, требующих комплексного решения и дальнейших экспериментов. При проведении эксперимента имел место выход из строя систем автомобильной сигнализации, так как работа большинства пультов дистанционного управления ответной части фиксирована на частоте 433,92 МГц, которая попадает в диапазон действия прибора.

About the authors

K. N Zotov

Ufa State Aviation Technical University

Email: zkn2002@inbox.ru
Ufa, Russian Federation

R. R Zhdanov

Ufa State Aviation Technical University

Email: rtz348@mail.ru
Ufa, Russian Federation

References

Supplementary files