Качество выделения сообщений средствами радиоакустической разведки

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 12:46, 10 ноября 2016.

Выделение сообщений в аналоговых системах связи до сих пор и в ближайшем будущем остовалось и остается актуальной задачей. Далее рассматриваются теоретические аспекты задачи.

Перехват аналоговых сообщений

Качество и даже возможность выделения аналогового речевого сообщения приемником средства радиоразведки определяется соотношением сигнал/шум в полосе канала, оканчивающегося слуховым аппаратом оператора средства радиоразведки. Критерием качества приема при этом считается вероятность правильного узнавания слова оператором. Эта вероятность нелинейно зависит от соотношения сигнал/шум. Экспериментальная зависимость вероятности правильного узнавания слова от со отношения сигнал/шум в акустическом канале приведена на рис.1.

Рис. 1. Экспериментальная кривая разборчивости речи.

Считается (это экспериментальный факт), что для удовлетворительной разборчивости речи необходимо обеспечить . Как видно из рис. 1, этому условию отвечает соотношение сигнал/шум на уровне . В дальнейшем для определения порогового для средства радиоразведки сигнала используются обе величины: пороговая вероятность для разборчивости и пороговое соотношение сигнал/шум .
В радиоканале утечки информации (перехвата) действует сигнал , модулированный сообщением . Принято, что сообщение (модулирующая функция) нормировано к единице . Спектр сообщения сосредоточен в полосе . Это сообщение модулирует несущее колебание частоты. Модулированный сигнал . Ширина спектра сигнала не уже полосы сообщения. Средняя мощность сигнала на входе приемника средства разведки , а мощность шума . Поэтому соотношение сигнал/шум, приведенное ко входу приемника. Кроме того, считается, что шум имеет равномерную спектральную плотность в полосе , занятой спектром сигнала.
Относительно способа модуляции считается, что сигнал модулирован сообщением по амплитуде либо по аргументу (по фазе или частоте).
При обычной AM:


ширина спектра сигнала в два раза больше ширины спектра модулирующей функции:


При балансной модуляции (БМ)

,

а ширина спектра такая же, как и при обычной AM,


При амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП) спектр сообщения переносится из полосы в полосу или поэтому ширина спектра модулированного сигнала принимается равной ширине спектра сообщения


При фазовой модуляции (ФМ) сигнал представляется в виде


а ширина спектра определяется как шириной спектра модулирующей функции, так и индексом фазовой модуляции .
При частотной модуляции (ЧМ)


где -девиация частоты.

Индекc модуляции при ЧМ , а ширина спектра


т.е. при малых индексах модуляции , а при больших
Считается также, что приемник для выделения сообщения реализует оптимальные алгоритмы демодуляции сигнала . Оптимальный в том смысле, что любой технически реализуемый, а тем более — реальный приемник не может обеспечить лучшего воспроизведения сообщения.
Полученные при таких условиях оценки качества воспроизведения сообщения оказываются верхними, оптимистическими для разведки и пессимистическими для системы маскировки: реальный приемник средства разведки может работать только хуже оптимального.
Все модификации способа амплитудной модуляции (обычная AM, БМ и ОБП) относятся к классу линейных: сигнал линейно связан с сообщением . Полная мощность AM сигнала


распределена между зависящими от сообщения (информационными) компонентами и спектральной составляющей на частоте несущего колебания. При AM из и следует, что


где мощность на несущей, равная мощности немодулированного колебания (сигнала при ); суммарная мощность в боковых полосах (именно эта мощность переносится на выход демодулятора AM колебания). При балансной модуляции

и вся мощность сигнала сосредоточена в боковых полосах спектра, что отражает очевидный факт, состоящий в том, что при БМ мощность на несущей равна нулю (если только модулирующая функция, как при передаче речи, не содержит постоянной составляющей).
При передаче с ОБП вся мощность сигнала приходится на информационные спектральные компоненты, как и при БМ. Но ширина спектра сигнала при ОБП в два раза уже, чем при простой AM и при БМ т.е. ширина спектра сигнала равна (примерно) ширине спектра сообщения. Поскольку спектр шума в полосе приемника равномерный, при фиксированной мощности передатчика соотношение сигнал/шум на выходе демодулятора сигнала с ОБП будет в 2 раза больше, чем при БМ. и в раз больше, чем при обычной AM. Но если нормируется не мощность передатчика, а соотношение сигнал/шум на входе приемника, то следует считать, что соотношение сигнал/шум на выходе демодулятора при БМ и при ОБП будет одинаковым.
Линейность связи и принципиально допускает линейность оператора демодуляции. Именно так строятся оптимальные демодуляторы сигналов с AM, БМ и ОБП. Поскольку при линейных преобразованиях не происходит подавление сигнала шумом, в результате оптимальной демодуляции (в принципе) не изменяется соотношение сигнал/шум. Следовательно, учитывая и , можно построить обменную диаграмму между соотношением сигнал/шум на входе приемника радиоразведки и коэффициентом глубины AM при фиксированном соотношении сигнал/ шум на выходе демодулятора . Эта диаграмма изображена на рис.2(нижняя кривая).

Рис. 2. Область пороговых AM сигналов для приемников РР.


Разумеется, линейный демодулятор — это идеализированная модель устройства выделения сообщения из AM, БМ или ОБП колебания. На практике модулятор всегда отличается от идеального и oбеспечивает не большее, чем идеальный, соотношение сигнал/шум на выходе.
Обычный амплитудный детектор имеет выходное соотношение сигнал/шум


Как видно, при больших входных соотношениях сигнал/шум соотношение линеаризуется, а при малых детектор является квадратичным.Это свойство обуславливает известный эффект подавления слабого сигнала шумом на нелинейности амплитудного детектора. Диаграмма обмена между и для самого крайнего тяжелого случая демодуляции при помощи квадратичного детектора представлена на рис.2 верхней кривой.
Две кривые на рис. 2 для идеального линейного демодулятора и для квадратичного детектора, подавляющего сигналы на своей нелинейности, ограничивают снизу и сверху область, в которой могут располагаться обменные диаграммы для реальных, используемых на практике демодуляторов.
Как видно, при линейных видах модуляции выходное соотношение сигнал/шум никогда не бывает больше входного. Принципиально иное положение складывается при нелинейной модуляции.
При малых индексах ЧМ ширина спектра сигнала не превосходит двойной ширины спектра сообщения (узкополосная ЧМ), и соотношение сигнал/шум при демодуляции не увеличивается. Мощность информационных компонент в спектре ЧМ сигнала такая же, как и при AM. Поэтому при анализе пороговых свойств узкополосных ЧМ сигналов () можно пользоваться теми же соотношениями и диаграммами рис. 3, что и для AM.
При частотной модуляции с большим индексом демодулятор «собирает» энергию сигнала из входной полосы


и сосредотачивает ее в полосе сообщения , тогда как приложенный к сообщению шум формируется выходными флуктуациями в полосе сообщения. Таким образом происходит обмен входной полосы сигнала на выходное соотношение сигнал/шум. Принципиально увеличение соотношения сигнал/шум имеет порядок соотношения полос


Но обмен полосы на соотношение сигнал/шум происходит только при больших уровнях входного сигнала. При уменьшении входного соотношения сигнал/шум наступает пороговый эффект — резкое нелинейное уменьшение сигнала на выходе. Степень уменьшения выходного соотношения сигнал/шум зависит и от уровня сигнала, и от величины индекса модуляции.
Полагая, как и прежде, граничное значение вероятности аномальной ошибки при приеме каждого слога , можно найти пороговое соотношение сигнал/шум в полосе приемника с угловой модуляцией, при котором уже не обеспечивается разборчивость речи. Диаграмма обмена между индексом частотной модуляции и входным соотношением сигнал/шум разведывательного приемника, обеспечивающего на выходе в акустическом канале соотношение сигнал/шум и разборчивость , представлена на рис. 3

Рис. 3. Обмен соотношения сигнал/шум на индексе ЧМ.


Использование фазовой модуляции затруднено при передаче непрерывных сообщений. Это утверждение,однако,требует некоторых комментариев.

  1. Напряжение на выходе частотного детектора всегда пропорционально частоте входного сигнала. Поэтому шум с равномерным в полосе УПЧ спектром превращается частотным детектором в случайное колебание с параболической зависимостью спектральной плотности от частоты. В таких условиях, чтобы избежать существенных искажений высокочастотных составляющих сообщения, их «подчеркивают» на передающей стороне, т.е. пропускают модулирующую функцию через дифференцирующий фильтр. Но модуляция частоты производной от сообщения — это модуляция сигнала по фазе.
  2. Технически, чтобы получить большую девиацию частоты стабильного по средней частоте несущего колебания, используют фазовый модулятор на низкой частоте задающего генератора и умножают частоту полученного ФМ колебания до номинала несущей, пропорционально умножая размах фазовых отклонений до больших индексов .
  3. Ширина спектра ФМ сигнала пропорциональна ширине спектра модулирующего сообщения, тогда как при ЧМ с большим индексом ширина спектра сигнала определяется, прежде всего и в основном, девиацией частоты и от почти не зависит. Поэтому на практике при передаче непрерывных соотношений предпочитают использовать ЧМ.

Учитывая сказанное, можно считать, что полученные оценки пороговых сигналов при ЧМ достаточно характеризуют все практически применимые виды угловой модуляции. Тем не менее для полноты картины можно построить диаграмму для определения порогового соотношения сигнал/шум при ФМ непрерывным сообщением. Легче всего такую зависимость получить, используя связь между индексами модуляции и шириной спектра сигнала при ЧМ и ФМ.
Пусть два сигнала - ЧМ с индексом и ФМ с индексом образуются в результате модуляции несущего колебания одним и тем же сообщением .
Ширина спектра при ЧМ определяется соотношением . При ФМ исследования и расчеты показывают, что ширина спектра с достаточной точностью может быть оценена как


Приравнивая и , можно получить:

,

откуда сразу следует, что у эквивалентных по ширине спектра сигналов с разными типами угловой модуляции


и для оценки порогового сигнала при ФМ можно пользоваться той же диаграммой рис. 3.

Перехват сигналов систем с кодово-импульсной модуляцией

Цифровые методы передачи информации, основанные на использовании сигналов с кодово-импульсной модуляцией (КИМ), находят применение не только в системах передачи данных и командных радиолиниях, но и в системах связи, для которых традиционно использовались рассмотренные ранее аналоговые сигналы. Соответственно сигналы с КИМ приходится рассматривать как важный класс разведываемых сигналов, а качество перехвата таких сигналов — как важный показатель эффективности функционирования средств радиоразведки. В дальнейшем качество перехвата цифровых сигналов оценивается вероятностью ошибки приема каждого отдельного элемента (символа). Вопросы синхронизации средств разведки с передающими устройствами объектов разведки ниже не рассматриваются, хотя эти вопросы весьма существенны при организации перехвата сообщений в многоканальных системах с временным и кодовым разделением каналов. За пределами рассмотрения оказались также методы декодирования и дешифрации перехваченных сообщений: считается, что это задачи криптоанализа, а не радиоразведки.
Вероятность ошибки приема символа КИМ при перехвате сигнала средством радиоразведки зависит от многих факторов. Для оценки потенциально достижимой вероятности ошибки можно принять следующие предположения и допущения относительно сигнала объекта разведки.

  • Сигнал КИМ представляет собой поток из статистически незавиcимых равновероятных двоичных символов и (логические значения символов «0» и «1»); мощность сигнала , длительность символа , энергия символа .
  • Сигнал наблюдается приемником средства разведки в аддитивной смеси с нормальным стационарным шумом :
;

спектральная плотность шума

  • Сигнал может иметь пассивную паузу (КИМ-AM), когда передаче символа «0» соответствует пауза в излучении, т. е. , или активную паузу (КИМ-ЧМ или КИМ-ФМ), когда и , а энергии сигналов и одинаковы.

Оптимальный алгоритм работы приемника при сделанных предположениях сводится к вычислению корреляционного интеграла принятого колебания с опорным напряжением и сравнение значения этого интеграла с пороговым уровнем для принятия решения о сигнале по каждому принятому символу. Работу приемника в соответствии с таким алгоритмом можно иллюстрировать структурной схемой рис.4.

Рис. 4. Демодулятор сигнала с КИМ .
.

Для сигнала с пассивной паузой


Если принимается решение о наличии на входе сигнала ,если - на входе .
Для сигнала с активной паузой


сравнивается с 0.
Ошибки случаются тогда, когда нормальная случайная величина оказывается ниже порога при наличии на входе приемника сигнала , и тогда, когда меньше порога, а на входе колебание содержит сигнал . Вероятность ошибки, определенная на основе этих соображений составляет

,

где интеграл вероятностей в форме ; - коэффициент взаимной корреляции сигналов и :

для сигналов с пассивной паузой и для сигналов с КИМ-ЧМ (ортогональные сигналы и ), а для сигналов с КИМ-ФМ , где - индекс фазовой модуляции. Таким образом, для противоположных сигналов, когда
В нужно учитывать, что при равновероятных символах и средняя мощность сигнала с пассивной паузой в два раза меньше, чем у сигнала с активной паузой.
С учетом сказанного, на основании и можно получить зависимости вероятностей ошибок оптимального приема символов сигнала с кодово-импульсной модуляцией от соотношения сигнал/шум. Эти зависимости воспроизведены на рис.5 .
Разумеется, потенциальные оценки качества приема сигнала дают не больше, чем ориентировочную нижнюю границу вероятности ошибки на символ, поскольку они определяются для некоторых идеальных моделей сигналов, шумов и способов построения приемника. Реально в приемниках средств радиоразведки применяются некогерентные методы обработки сигналов с КИМ-AM и КИМ-ЧМ. Для перехвата сигналов с КИМ-ФМ приходится применять некоторые разновидности когерентного приема.

Рис. 5. Вероятность ошибки приема символа .
.

Способ некогерентного приема сигналов КИМ при амплитудной модуляции (манипуляции) несущего колебания предполагает использование в приемнике детектора огибающей входного сигнала. При этом пороговый уровень различения сигналов и зависит от соотношения сигнал/шум в полосе . При оптимально выбранном пороге и соотношении сигнал/шум (при этом эффективноность разведки достаточно высока и сигнал РЭС средства разведки может быть принят со cpавнительно высокой вероятностью) вероятность ошибки реального некогерентного приемника будет в


раз больше, чем при оптимальном приеме (рис.5).
Некогерентный приемник сигналов с КИМ-ЧМ содержит два фильтра, настроенных на частоты сигналов и , детекторы огибающей сигналов на выходах этих фильтров и компаратор для сравнения этих огибающих. Различие в вероятностях ошибок реального и оптимального приемника в этом случае определяется соотношением:

,

справедливым при
Если сигнал объекта разведки использует ФМ, при демодуляции средство разведки должно использовать фазовый детектор. Независимо от конкретного схемотехнического решения, фазовый детектор должен перемножать входное колебание на опорное напряжение , синхронное и синфазное с несущим (модулируемым) колебанием. Иначе говоря, прием сигналов с ФМ требует в обязательном порядке проведения тех же операций над принимаемым колебанием, выполнение которых предписывается процедурой оптимального когерентного приема. Поэтому следует ожидать, что и характеристики качества приема КИМ-ФМ должны быть такими же, как у оптимального приемника, но с оговорками относительно влияния шумов в канале формирования опорного напряжения. Действительно, когерентное опорное колебание , обеспечивающее работу фазового детектора при демодуляции КИМ-ФМ, должно формироваться из принятого сигнала. Известно много разных вариантов построения схемы формирования опорного напряжения. Выбор того или иного варианта определяется рядом конкретных условий: индексом фазовой манипуляции, соотношением сигнал/шум, элементной базой, используемой для построения приемника и т. п. Однако в любом случае вместе с опорным колебанием на фазовый детектор будет действовать шум, который, разумеется, не улучшает качества приема и демодуляции сигнала. Поэтому следует считать, что самая нижняя кривая на рис.5 характеризующая вероятность ошибки оптимального приема сигнала с КИМ-ФМ для модуляции на , это верхняя граница вероятности ошибки в реальном приемнике радиоразведки при перехвате цифровых сигналов. Напряжение на выходе частотного детектора всегда пропорционально частоте входного сигнала. Поэтому шум с равномерным в полосе УПЧ спектром превращается частотным детектором в случайное колебание с параболической зависимостью спектральной плотности от частоты. В таких условиях, чтобы избежать существенных искажений высокочастотных составляющих сообщения, их «подчеркивают» на передающей стороне, т.е. пропускают модулирующую функцию через дифференцирующий фильтр. Но модуляция частоты производной от сообщения — это модуляция сигнала по фазе.