МАНИПУЛЯЦИЯ СТАТИСТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА В СИСТЕМАХ СВЯЗИ

May 2, 2012 by admin Комментировать »

Колесов В. В., Залогин Н. Н. Институт радиотехники и электроники РАН Моховая 11, корп. 7, Москва К-9, 125009, Россия Тел.: +7(095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru

Аннотация – Рассмотрена модель широкополосного канала связи, в которой информационный сигнал модулирует статистические параметры шумоподобного сигнала.

I.  Введение

Для увеличения скрытности, помехоустойчивости и защиты от несанкционированного доступа в последнее время проявляется устойчивый интерес к цифровым системам связи на шумоподобной несущей. Достоинства широкополосной связи хорошо известны: высокая помехозащищенность, адаптивность к реальной эфирной обстановке, низкий уровень мощности шумоподобного сигнала, экономное использование частотного ресурса, сложность перехвата и постановки прицельных помех и др.

Определение термина “сверхширокополосные устройства” (UWB-Ultra Wide Band) введено агентством DARPA Министерства обороны США в 90 году и скорректировано Федеральной комиссией связи США (FCC) в 2000 году. По определению FCC, к UWB- устройствам относятся все системы со спектральной полосой не менее 1,5 ГГц, а также устройства, у которых ширина спектральной полосы по уровню-10 дБ составляет по крайней мере 25% от значения центральной частоты.

В сверхширокополосных системах связи информация кодируется посредством временной позици- онно-импульсной модуляции, т.н. “импульсное радио”. Один информационный бит кодируется последовательностью многих импульсов. Время смещения не превышает четверти длительности импульса [1]. Для разделения каналов передачи "штатное" положение каждого импульса сдвигается на время, пропорциональное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности (разделение посредством временных скачков, Time Hopping). При этом время сдвига на один-два порядка выше, чем смещение при временной модуляции. В результате спектр сигнала существенно сглаживается и становится шумоподобным. Кроме временного кодирования можно применять и дополнительные поднесу- щие- информационный сигнал предварительно модулируется тем или иным традиционным методом модуляции (AM, FM, PM, FSK, PSK, PCM и т.д.).

II.  Основная часть

В отличие от узкополосного сигнала, характеризуемого величинами амплитуды, частоты и начальной фазы, широкополосный шумовой сигнал описывается существенно большим количеством параметров. Однако эти параметры описывают не мгновенные значения сигнала, а его статистические характеристики- особенности поведения за какой-то определенный промежуток времени. Соответственно и для модуляции такого сигнала существует большее количество возможностей (степеней свободы), но реализуются они за время, значительно большее, чем 1/AF, где AF- полоса сигнала. Простые манипуляции мощностью, средней частотой и фазой излучаемого сигнала не удовлетворяют требованиям скрытности. Такая модуляция легко обнаруживается с помощью приемных устройств.

Наиболее полно требованиям скрытности удовлетворяют способы модуляции статистических, корреляционных, структурных и фрактальных характеристик шумоподобных сигналов. В случае несанкционированного доступа такой информационный сигнал имеет вид однородного широкополосного шума.

Одним из самых простых способов манипуляции статистических параметров шумоподобного сигнала является изменение характера распределения, например модуляция величины эксцесса распределения Известно, что в результате нелинейных преобразований шумового сигнала с сохранением симметрии распределений вероятностей может резко меняться характер распределения. Численно эти изменения определяются величинами эксцесса распределения

моменты распределения четвертого и второго порядков. Заметим, что характер распределения вероятностей при нелинейном преобразовании можно менять, не изменяя величину дисперсии а2 и среднего значения сигнала. Спектр процесса незначительно изменяется при этом за счет увеличения гармонических составляющих, которые могут быть убраны с помощью полосового фильтра на выходе преобразователя.

В качестве простейших нелинейных преобразований, которые приводят к изменению эксцесса распределения вероятностей шумоподобного сигнала, можно использовать сжимающие преобразования (ограничители) и растягивающие преобразования (экспандеры).

В качестве ограничивающего преобразования удобно использовать так называемую функцию ошибок erf(x), при этом эксцесс принимает отрицательные значения. Простой симметричный экспандер моделируется кубической параболой вида у =зх+ЬУ\ Изменяя вид нелинейного преобразования можно изменять величину эксцесса у в значительных пределах. При этом необходимо, чтобы после преобразований не происходила сопутствующая модуляция по дисперсии (мощности сигнала), которая может быть обнаружена квадратичным детектором.

Возможны также несимметричные нелинейные преобразования. С их помощью возможна модуляция шумового сигнала по коэффициенту асимметрии распределения.

Для уверенного приема сигнала необходимо определить оптимальный размер выборки, необходимый для уверенного различения исходного распределения и распределения, получившегося в результате нелинейного преобразования. На Рис.1 показана зависимость разброса значений эксцесса распределений вероятностей от величины выборки для нормального процесса и процесса, подвергнутого растягивающему нелинейному преобразованию у=0,Зх+0,05х3. Т.о. при базе сигнала больше 200 происходит уверенное разделение сигнала с нормальным распределением и сигнала, подвергнутого данному нелинейному преобразованию.

Манипуляцию структурных и фрактальных параметров кодирующего сигнала можно реализовать на основе цифровых хаотических алгоритмов [2].

III.  Заключение

Продемонстрирована возможность эффективной модуляции и демодуляции шумовой несущей с помощью нелинейного преобразования исходного шумоподобного сигнала с нормальным распределением вероятностей мгновенных значений. Манипуляция интегральных характеристик кодирующего сигнала (в отличие от мгновенных значений) позволяет существенно снизить требования к временной синхронизации при приеме сложных сигналов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проекты 03-07-90133 и 04-07-90161.

IV. Список литературы

[1]  PulsON Technology. Time Modulated Ultra-Wideband for Wireless Applications.-Time Domain Corporation, 2000

[2]  Гуляев Ю. В., Беляев Р. В., Воронцов Г. М., Зало- гин Н. Н., Калинин В. И., Кальянов Э. В., Кислое В. В., Кислое В. Я, Колесов В. В., Мясин Е. А., Чигин Е. П., Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации, Радиотехника и электроника, 2003г., т.48, № 10. С. 1157-1185.

Рис. 1. Зависимость значений эксцесса от величины выборки для нормального процесса и процесса, подвергнутого растягивающему нелинейному преобразованию (верхняя полоса).

THE MANIPULATION BY STATISTICAL CHARACTERISTICS OF BROADBAND SIGNAL IN TELECOMMUNICATIONS SYSTEMS

Kolesov V. V., Zalogin N. N.

Institute of Radioengineering and Electronics RAS

11  Mokhovaya St., block 7, K-9,

Moscow -125009, Russia

phone: (095) 2021046; e-mail: kvv@maii.cplire.ru

Abstract – The broadband communication channel model on basis of information signal modulation of statistical parameters of noise-like signal was considered.

I.  Introduction

Recently there is stable interest to digital communications systems on the basis of noise-like carrier for increasing of secrecy, noise-immunity and protection from unauthorized access. Advantages of broadband systems are well known. These are the high noise proof factor, the adaptability to real electromagnetic situation, the low level of power noise-like signal, economical using of the frequency resource, the difficulty of interception and organization of the aiming interferences and others.

II.  Main part

The modulation methods of statistical, correlative, structured and fractal parameters of noise-like signals are the best way to satisfy of requirements of secrecy. In the event of unauthorized access such information signal has the form of homogeneous broadband noise.

One of the most simple ways to manipulation by statistical parameters of noise-like signals is a change of the distribution characteristics, for instance, modulation of the excess distribution. It is known that as a result of nonlinear transformations of the noise signal with conservation of the distribution symmetries of probability can be sharply changed the form of the distribution. Numerically these modifications are defined by value of the distribution access.

As the most simplest nonlinear transformations which bring to changes of distribution access of noise-like signal probability it is possible to use the compressing transformations (the limiters) and expanding transformations (the expanders).

It was shown that at the base of the signal more 200 there is the certain division of the signal with normal distribution and signal subjected to given nonlinear transformation.

The manipulation of structured and fractal parameters of encoding signal is possible to realize on the basis of digital chaotic algorithm.

III.  Conclusion

The possibility of efficient modulation and demodulation of noise carrying with nonlinear transformation of source noise-like signal with normal distribution of instantaneous values probability was demonstrated. The manipulation of integral characteristics of encoding signal (unlike instantaneous values) allows greatly to reduce the requirements to time synchronization at the complex signal receiving.

Fig. 1. The excess dependency of amount of sampling for normal process and process, after expanding nonlinear transformation (the upper lines)

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты