PhViewer 2.0

цифровая обработка сигналов

игра телефона трансформеры
Речь пойдёт о способах сокрытия радиосигнала от постороннего «наблюдателя».

А точнее, о способах уменьшения вероятности обнаружения сигнала.

Никакой математики. Теория и практика на пальцах.


Если неизвестны параметры сигнала, то единственный способ его обнаружить – по энергии.

Наиболее очевидное решение «энергетического скрытия» сигнала: ограничиваем мощность передатчика таким образом, чтобы приемник собеседника принимал сигнал на достаточном уровне (вероятность ошибки равна максимально допустимой).

image

Все кто находятся дальше «определенного расстояния» сигнал обнаружить «не смогут» (точнее, вероятность обнаружения будет достаточно мала).

«определенное расстояние»
Это упомянутое «определенное расстояние» при отсутствии внешних мешающих сигналов (помех) зависит от качества используемого оборудования. Основной показатель качества приемника это его чувствительность. Она, как раз, говорит нам о том, насколько слабый сигнал может быть принят с допустимой вероятностью битовой ошибки.

В большинстве случаев ограничение определяется мощностью собственных шумов приемника. Шумит всё, начиная от резисторов (шум вызван хаотичным тепловым движением электронов), заканчивая усилителями (дробовые, тепловые шумы, шумы распределения и сопротивления) и антенной (вообще отдельная тема).

Если интересна тема, можете заглянуть в следующее методическое пособие:

Мелихов С.В. Оценка чувствительность радиоприемных устройств: Учебно-методическое пособие. – Томск: ТУСУР, 2012. – 100 с.


image

Зоны можно грубо поделить на три части по отношению к сигналу:

1 – Принимаем
2 – Обнаруживаем
3 – Не видим

Обнаружение происходит очень просто, достаточно проанализировать спектр частотного диапазона. 

image

Скриншот из программы SDRSharp.

На частоте 939 МГц выделяется спектр GSM сигнала. На частоте 939,8 МГц тоже GSM сигнал, но его уровень примерно на 20 дБ ниже. На других частотах сигналы наверняка есть, но передатчики находятся от приемника достаточно далеко, чтобы их нельзя было обнаружить.

Это и называется энергетическим обнаружением.

image

Будем рассматривать такие вот картинки — «мухи» отдельно, «котлеты» отдельно.

image

Ещё необходимо отметить, что если спектр сигнала и изображен под уровнем шумов, это не значит, что его «совсем не видно». На его месте видна сумма спектров сигнала и шума, и, к примеру, если уровень сигнала на 10 дБ ниже уровня шумов, то суммарный сигнал должен быть на 0.41 дБ выше. Если сторонний наблюдатель вздумает усреднять спектральную плотность во времени, то разрешение по плотности мощности сигнала будет постепенно увеличиваться, а вместе с ним вырастет и вероятность обнаружения.

Ограничение мощности это, конечно, не тот способ, о котором интересно говорить.

Стоит заметить, что мощность сигнала можно оценить по площади его спектра. И если мы хотим сохранить мощность сигнала и уменьшить вероятность обнаружения, то нам придется расширить его спектр. 

image

На рисунке показан спектр сигнала с расширенным спектром. Есть несколько способов расширения спектра. Можно равномерно перемещать сигнал по частотному диапазону, а при усреднении во времени увидим широкий, равномерный спектра. Этот метод называется FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) и применяется он, например, в Bluetooth (там он используется, конечно, для других целей, но суть та же). 

Изначально, ширина спектра зависит от скорости изменения сигнала (скорости смены символов). Например, если мы модулируем фазу сигнала в зависимости от информационного потока, то чем быстрее происходит смена фазы, тем более широкополосным оказывается сигнал. Отсюда мы пришли к другому методу расширения – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). При передаче каждый бит заменяется псевдослучайной двоичной последовательностью (как вариант) (псевдослучайность нужна для равномерного распределения мощности сигнала по диапазону частот).

image

Длина последовательности прямо пропорциональна коэффициенту расширения спектра. 

В приемнике должен использоваться коррелятор, который будет рассчитывать корреляцию принятого сигнала и опорной последовательности, и принимать решение о переданном символе.

image

В результате применения, расстояние, на котором обеспечивается качественная связь, сохраняется прежним, а область с высокой вероятностью детектирования сигнала уменьшается.

DSSS применяется в стандартах GPS, 802.11b, технологии множественного доступа CDMA.

Кроме простого уменьшения энергии с помощью DSSS можно «прятать» сигнал, например, в спектре телевизионного сигнала, а потом за счёт корреляционной обработки восстанавливать.

Ещё одним способом уменьшить вероятность обнаружения сигнала является использование антенной решётки, т.е. антенны с набором излучающих элементов.

image

С помощью антенной решётки можно формировать диаграмму направленности излучения, т.е. излучать сигнал только по направлению к приемнику.

Как результат — экономится энергия. Как ограничение — требуется прямая видимость между приемником и передатчиком.

Ещё одним способом можно назвать MU-MIMO технологию, которая используется в стандарте 802.11ac.

image

Несколько антенных элементов формируют сигнал таким образом, чтобы в зоне приёмника собеседника был максимальный уровень сигнала, а в зоне других приемников минимальный. (А по технологии MU-MIMO точкой доступа формируются такие паттерны для каждого из пользователей и передается их сумма одновременно, в одной полосе частот.)

Но:
  • Должно быть известно местоположение других приемников (точнее, необходимы характеристики канала связи с другими приемниками).
  • Чем больше приемников учитывается, тем больше должно быть количество антенных элементов.
    Из положительных моментов: не требуется прямая видимость.


Заключение


Такие вот варианты может предложить радиотехника. Есть и другие способы сокрытия сигнала (всяческие хаотические системы), и другие способы расширения спектра (например, можно вместо DSSS (или вдобавок к нему) использовать помехоустойчивое кодирование (LDPC или турбо-код), которое дает выигрыш в эффективности использования частотного диапазона), но думаю, что остальное это уже частности, да и хватит пока.