Problemas de detección e identificación de señales de radio desde medios de control de información encubierto. Parte 2..

Problemas para detectar e identificar señales de radio desde medios encubiertos control de la información. Parte 2..

Problemas de detección e identificación de señales de radio a partir de medios de control de información encubierto

Kargashin Viktor Leonidovich
Candidato de Ciencias Técnicas
Equipo especial, No. 4, 2000

Parte 2. Eficiencia de los receptores multicanal

Como se señaló en el primer artículo, las señales provenientes de equipos de radio especiales (SRTS) de sistemas encubiertos de control de información deben considerarse como procesos aleatorios en condiciones en las que se desconocen sus parámetros. La naturaleza aleatoria de la base de la señal determina la estructura del receptor de energía óptimo de dichas señales, conocido como radiómetro. De hecho, el receptor óptimo para una señal con parámetros desconocidos debería ser un medidor de potencia de proceso que permita identificar incrementos de energía sobre la potencia de ruido en presencia de una señal en el rango de frecuencia analizado. Dado que se desconoce la frecuencia de operación del SRTS, dichos medidores de potencia de proceso deben construirse en todo el rango de frecuencia posible para transmitir señales de control secretas, como se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1

La señal de entrada , que consiste en una mezcla aditiva de señal y ruido, se alimenta al sistema de filtros de paso de banda, después de lo cual el promedio La potencia del proceso filtrado se calcula durante el tiempo promedio . Cada canal de frecuencia establece su propio umbral de detección y cuando se exceden los valores de potencia en los canales, se toma una decisión  sobre la presencia o ausencia de una señal en el proceso original. Dicho receptor es invariante con respecto al rango de frecuencia de la señal y el momento de su aparición, ya que el análisis del proceso en el dominio de la frecuencia se realiza de forma continua. Es obvio que con cualquier base aleatoria de la señal, sus componentes espectrales caerán en ciertas bandas de frecuencia del análisis del receptor, es decir, se registrarán independientemente del método de distribución de la señal de información en el continuo tiempo-frecuencia.

Las posibles opciones cuasi óptimas para implementar sistemas receptores para detectar señales SRTS están asociadas con una determinada especificación del modelo de la señal recibida. Sin embargo, estos modelos no deben ir más allá de las capacidades potenciales de los receptores de energía, es decir, no deben especificar el tipo o método de modulación, conversión y codificación de la señal. El factor más importante es el tiempo de transmisión y el ancho del espectro de la señal transmitida.

La duración media de la señal, por ejemplo por día, está determinada por dos factores: la duración de la señal SRTS controlada y el grado de compresión de la información. El ancho máximo del espectro de la señal también se debe a la posibilidad de comprimir información para su transmisión a corto plazo o aumentar la inmunidad al ruido ampliando la banda de frecuencia. La anchura mínima del espectro de la señal con una duración mayor que la duración de la señal original es aconsejable cuando se intenta implementar el secreto de la señal, por ejemplo, debido a la cobertura energética con otra señal. Al mismo tiempo, dicha señal tendrá una mayor duración, lo que aumenta la probabilidad de su detección.

Tenga en cuenta que lo más probable es que SRTS no sea un dispositivo lógico inteligente capaz de realizar funciones de adelgazamiento semántico del flujo de información, cuyo control secreto se lleva a cabo, es decir, interceptar solo información de interés. En este caso, el SRTS debe transmitir una cierta cantidad de información con pérdidas mínimas. El volumen de información transmitida se determina como , donde es el ancho del espectro de la señal controlada original;  — vida útil de la señal controlada.

Por tanto, para una señal de voz, se puede tomar el rango de 300 a 3400 Hz como banda de frecuencia mínima, que corresponde a los estándares de la ruta telefónica. Supongamos que el tiempo de existencia continua del habla en forma de negociaciones en los locales de trabajo es de 1 a 2 horas al día, el tiempo medio de las conversaciones telefónicas no supera 1 hora. En consecuencia, la cantidad total de información por día para una señal de voz debería ser de (10 – 20) Mbit. Esta cantidad total de información se puede transmitir utilizando varios métodos para formar la base de la señal SRTS  bajo la condición obvia . Así, todo el volumen de información se puede transmitir durante el día en la banda de frecuencia de 120 — 240 Hz (deceleración) o en la banda de frecuencia de 10 MHz durante 1 — 2 segundos (transmisión acelerada). Ambas opciones se implementan en presencia de dispositivos para almacenar todo o parte del volumen de información, lo que requiere la presencia de componentes adecuados en el SRTS. Debe tenerse en cuenta que los métodos prácticamente viables para transmitir una señal de voz convertida pueden requerir un aumento adicional en el tiempo de transmisión o una expansión de la banda de frecuencia, por ejemplo, para la sincronización de la comunicación.

El receptor óptimo para detectar señales SRTS debe ser invariante con respecto a cualquier método de transformación de la señal de voz original, pero tener en cuenta como parámetro la necesidad de que SRTS transmita una cierta cantidad de información. El receptor óptimo es esencialmente un analizador multicanal con recepción simultánea de señales en todas las bandas de frecuencia, y con una recepción óptima, el ancho de banda de análisis debe seleccionarse entre restricciones en la duración de la señal detectada.

El proceso de detección de la señal depende de su potencia y de la relación entre el ancho de su espectro y las bandas de frecuencia del receptor en las que caen los componentes espectrales de la señal, como se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2

Dependiendo de la relación entre el ancho de banda del espectro de la señal y el ancho de banda de análisis del receptor, son posibles dos situaciones:

• todo el espectro de la señal cae en uno banda de frecuencia analizada;
• los componentes del espectro de la señal se dividen en varias bandas de frecuencia analizadas del receptor.

Con la misma potencia de las señales de banda estrecha y de banda ancha, sus eficiencias de detección serán significativamente diferentes. Para determinar el rendimiento de detección de señales con diferentes anchos de espectro, considere las características de detección de dicho receptor en la misma banda de frecuencia. Dado que, debido a la incertidumbre de los parámetros de la señal SRTS, se considera un proceso de ruido, nos encontramos ante el caso de detectar un proceso de ruido en el contexto de otro, que desde un punto de vista general se puede modelar. mediante procesos normales con promedios cero.

La solución exacta del problema para un tiempo de acumulación arbitrario es bastante difícil, pero se puede resolver en dos casos extremos: tiempo de análisis cero  y un tiempo de análisis infinitamente largo . La primera situación es interesante porque permite, incluso en ausencia de algoritmos de acumulación de señal, obtener estimaciones de las características energéticas del ruido y la señal y determinar las probabilidades de detección correcta en este caso límite.

Suponiendo que dentro de la banda de análisis del receptor las densidades espectrales de ruido y señal son uniformes, con  las distribuciones de procesos bajo ruido y señal corresponden a la distribución del valor gaussiano al cuadrado ( — distribución), obtenemos expresiones para la probabilidad de detección correcta de una señal en una banda de frecuencia en la siguiente forma:

,

donde  – probabilidad de falsa alarma;  — relación señal/ruido, igual a la relación entre las potencias de señal y ruido en la banda de análisis ;  — integral de probabilidad – función de error; — cuantil de la integral de probabilidad.

En la Fig. La Figura 3 muestra la dependencia de la probabilidad de detección correcta de la señal de la relación señal-ruido para algunos valores de las probabilidades de falsas alarmas. A modo de comparación, allí se dan dependencias similares de la probabilidad de detección correcta para una señal con parámetros completamente conocidos (recepción coherente), que están determinadas por la siguiente expresión conocida:

.

Cabe señalar que con una recepción incoherente a valores bajos de la relación señal-ruido, la probabilidad de detección correcta es ligeramente mayor que con una recepción coherente, ya que debido al alto grado de fluctuaciones del cuadrado del proceso, sus emisiones por encima del umbral son posibles. Al mismo tiempo, ya con una relación señal/interferencia de más de 10 dB, la probabilidad de detección correcta de una señal durante una recepción coherente alcanza rápidamente un valor prácticamente confiable de 1, mientras que para una recepción incoherente los valores de la señal Se requiere una relación interferencia/interferencia significativamente superior a 40 dB. Tasas tan bajas de detectabilidad de una señal con parámetros desconocidos se explican por la falta de acumulación de señal y la naturaleza ruidosa de la señal recibida para un receptor incoherente.

Teniendo en cuenta el tiempo de acumulación de la señal, la distribución de la potencia del proceso normal durante un tiempo promedio finito también es asintóticamente normal, y con un tiempo de acumulación suficientemente grande, la estimación del valor de potencia del proceso normal también tiene una distribución gaussiana. de la forma:

,

donde —  — valor promedio (verdadero) de la potencia estimada;  — parámetro de acumulación temporal;  — ancho del espectro del proceso medido;  — tiempo de medición.

Fig. 3

La probabilidad de una falsa alarma, definida como , es igual a:

,

donde  — valor medio de la potencia de interferencia;  — umbral de detección.

La probabilidad de detección correcta vendrá determinada por la expresión

,

donde  — relación señal/interferencia,  — intensidad promedio de la señal.

Un rasgo característico de la distribución resultante es la dependencia del valor promedio y la dispersión de la distribución de un parámetro: la suma de los valores promedio de las potencias de la señal y el ruido. Como resultado, la probabilidad de detección correcta tiene un valor límite determinado únicamente por el tiempo de acumulación de la medición.

Para el valor , obtenemos el valor límite de la probabilidad de detección correcta de la señal de la potencia del proceso:

.

En la Fig. La Tabla 4 muestra los valores de la probabilidad máxima de detección correcta, dependiendo del tiempo de análisis del proceso.

De esta manera, se pueden obtener estimaciones confiables de la probabilidad de detección correcta de un ruido. señal, un tiempo de análisis de no menos de , que determina la resolución de frecuencia máxima de un receptor multicanal diseñado para señales con duración limitada.

Las estimaciones obtenidas son válidas para un canal del análisis de un receptor multicanal que se muestra en la Fig. 1. Sea un proceso aleatorio en la entrada de dicho receptor multicanal, que representa la suma de la señal y el ruido, , donde la señal y la interferencia consideramos procesos gaussianos con expectativas y variaciones cero y , que son las capacidades reales de los procesos. Si el receptor está construido a partir de filtros de paso de banda ideales, entonces en la salida de cada uno de ellos también hay procesos gaussianos, cuyas potencias son iguales a , , donde  — ancho de banda del espectro de señal;  — rango de frecuencia analizado por el receptor.

Fig. 4

Si la señal es más amplia que la banda de análisis del receptor, entonces la señal se registrará en varias bandas de frecuencia del receptor y el número de bandas del receptor en las que se registrará la señal no depende de la distribución del espectro de la señal en el rango de frecuencia. En el caso general, para una señal cuyo ancho de espectro es y los componentes de frecuencia del espectro no están correlacionados, la probabilidad de detección correcta será igual a:

,

donde  — probabilidad de detección correcta en un canal;  — número de bandas de análisis del receptor que cubren el espectro de la señal: , ;  — todo el rango de frecuencias que debe controlar el receptor;  – número de canales receptores;  — el ancho de banda de análisis de cada canal receptor.

La probabilidad de una falsa alarma también está determinada por una expresión que tiene en cuenta la posibilidad de falsas emisiones en cada una de las bandas de frecuencia del analizado rango de frecuencia:

.

Teniendo en cuenta estas expresiones y teniendo en cuenta que , la probabilidad de detección correcta de la señal se escribirá de la siguiente forma:

,

donde  — relación entre potencia de señal e interferencia en la banda de frecuencia SRTS; — relación señal/interferencia en la banda de frecuencia en todo el rango de frecuencia; — un indicador relativo de la señal de banda ancha en comparación con el rango de frecuencia controlado.

Cuando  la fórmula se convierte en una expresión para la probabilidad de detección correcta en un canal receptor.

Realicemos cálculos de la probabilidad de detección por parte de un receptor multicanal, teniendo en cuenta la diferencia objetiva en los valores de la relación señal-interferencia en la entrada del receptor SRTS y el receptor de control en 20 dB. , debido a la diferencia de distancias entre el SRTS y el punto de control y entre el SRTS y el receptor de control y la presencia de estructuras de construcción en la ruta de propagación de la señal, debilitando la señal.

La problema de determinar los valores requeridos  para varios tipos de señales es una cuestión independiente, sin embargo, se sabe que para señales que pertenecen a la clase de banda ancha, el funcionamiento efectivo del receptor es posible con relaciones señal-ruido inferiores a 1, y para tipos analógicos de banda estrecha de modulación se requiere una relación señal-ruido significativamente superior a 1. Por lo tanto, implícito, el indicador del grado de señal. la banda ancha debe incluirse en el valor de .

Para determinar los indicadores de seguridad de señales con diferentes bases, considere los siguientes tipos condicionales de señales:

• banda estrecha (NB) (ancho de banda 5-10 kHz, valor requerido aproximadamente + 20 dB, M = 200000 — 400000);
• estándar (C) (ancho de banda 25 — 100 kHz, valor requerido aproximadamente + 10 dB, M = 2000 &#8212);
• banda ancha (WB) (ancho de banda 0,2 – 1 MHz, valor requerido aproximadamente 0 dB, M = 2000 — 10000);
• banda ultra ancha (UWB) (ancho de banda 2 — 20 MHz, valor requerido alrededor de -10 dB, M = 100 — 1000).

Las dependencias de la probabilidad de detección correcta por parte de un receptor multicanal de varios tipos del número de canales del receptor se muestran en la Fig. 5.

Fig. . 5

Las dependencias obtenidas de la probabilidad de detección correcta tienen un mínimo pronunciado cuando el número de canales de recepción es 103×105, lo que se explica por el hecho de que con un aumento en el número de canales de análisis del receptor, la probabilidad de una falsa alarma disminuye casi linealmente, y el indicador m permanece igual a 1, ya que el ancho del espectro de la señal SRTS cae en una banda de recepción. A medida que aumenta el número de canales del receptor, el aumento de la probabilidad de detección comienza a desempeñar un papel importante debido a que los componentes de la señal caen en varias bandas de frecuencia del receptor .

Para una detección fiable de señales de distintos tipos, el número de canales para el análisis simultáneo del receptor debe ser de al menos 107 y el ancho de banda de análisis debe ser de unos 200 Hz, lo que obviamente no se puede implementar en la actualidad sin un cambio significativo en la base tecnológica. para crear receptores de radio. Para los receptores existentes y los complejos de monitoreo de radio basados ​​​​en sintonizadores sintonizables, esto puede considerarse casi óptimo, si no se tiene en cuenta el valor finito de la velocidad de escaneo en el rango de frecuencia y la aproximación al óptimo se logra expandiendo el instantáneo. análisis del ancho de banda de frecuencia con valores mínimos de muestreo de frecuencia y filtrado de esta banda.

Entonces, el complejo «Roday» implementa un ancho de banda de análisis instantáneo de 10 MHz con una frecuencia de muestreo de 2,5 kHz, lo que equivale al número de canales del receptor  = 4 *106. Con este número de canales es posible detectar cualquier tipo de señal con una probabilidad de al menos 0,9, y para aumentar aún más la probabilidad de detección correcta de señales de banda ultraancha, es recomendable aumentar el número de antenas de control para para aumentar la relación señal/interferencia entre 6 y 10 dB adicionales. Para los receptores con un ancho de banda de análisis de frecuencia instantáneo de 100 MHz, que están comenzando a desarrollarse en el extranjero, es posible detectar de manera confiable todo tipo de señales entre las consideradas.