Колесов В. В., Залогін Н. Н. Інститут радіотехніки й електроніки РАН Мохова 11, корп. 7, Москва К-9, 125009, Росія Тел.: +7 (095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru

Анотація – Розглянуто модель широкосмугового каналу зв’язку, в якій інформаційний сигнал модулює статистичні параметри шумоподобного сигналу.

I. Вступ

Для збільшення скритності, завадостійкості та захисту від несанкціонованого доступу останнім часом проявляється стійкий інтерес до цифрових систем зв’язку на шумоподібний несучої. Переваги широкосмугового зв’язку добре відомі: висока перешкодозахищеність, адаптивність до реальної ефірної обстановці, низький рівень потужності шумоподобного сигналу, економне використання частотного ресурсу, складність перехоплення і постановки прицільних перешкод і ін

Визначення терміна “надширокосмугові пристрої” (UWB-Ultra Wide Band) введено агентством DARPA Міністерства оборони США в 90 році і скориговано Федеральною комісією зв’язку США (FCC) в 2000 році. За визначенням FCC, до UWB-пристроїв відносяться всі системи зі спектральною смугою не менше 1,5 ГГц, а також пристрої, у яких ширина спектральної смуги за рівнем-10 дБ складає принаймні 25% від значення центральної частоти.

В надширокосмугових системах зв’язку інформація кодується за допомогою тимчасової позици-Онно-імпульсної модуляції, т.зв. “Імпульсне радіо”. Один інформаційний біт кодується послідовністю багатьох імпульсів. Час зсуву не перевищує чверті тривалості імпульсу [1]. Для розділення каналів передачі “штатний” положення кожного імпульсу зсувається на час, пропорційний поточному значенням деякої псевдовипадковою послідовності (поділ за допомогою тимчасових стрибків, Time Hopping). При цьому час зсуву на один-два порядки вище, ніж зміщення при тимчасової модуляції. В результаті спектр сигналу істотно згладжується і стає шумоподібним. Крім тимчасового кодування можна застосовувати і додаткові піднесу-щие-інформаційний сигнал попередньо модулюється тим чи іншим традиційним методом модуляції (AM, FM, PM, FSK, PSK, PCM і т.д.).

II. Основна частина

На відміну від вузькосмугового сигналу, що характеризується величинами амплітуди, частоти та початкової фази, широкосмуговий шумовий сигнал описується істотно більшою кількістю параметрів. Однак ці параметри описують не миттєві значення сигналу, а його статистичні характеристики-особливості поведінки за якийсь певний проміжок часу. Відповідно і для модуляції такого сигналу існує більша кількість можливостей (ступенів свободи), але реалізуються вони за час, значно більше, ніж 1/AF, де AF-смуга сигналу. Прості маніпуляції потужністю, середньою частотою і фазою випромінюваного сигналу не задовольняють вимогам скритності. Така модуляція легко виявляється за допомогою приймальних пристроїв.

Найбільш повно вимогам скритності задовольняють способи модуляції статистичних, кореляційних, структурних і фрактальних характеристик шумоподібних сигналів. У разі несанкціонованого доступу такий інформаційний сигнал має вигляд однорідного широкосмугового шуму.

Одним з найпростіших способів маніпуляції статистичних параметрів шумоподобного сигналу є зміна характеру розподілу, наприклад модуляція величини ексцесу розподілу Відомо, що в результаті нелінійних перетворень шумового сигналу зі збереженням симетрії розподілів ймовірностей може різко змінюватися характер розподілу. Чисельно ці зміни визначаються величинами ексцесу розподілу

моменти розподілу четвертого і другого порядків. Зауважимо, що характер розподілу ймовірностей при нелінійному перетворенні можна змінювати, не змінюючи величину дисперсії а2 і середнього значення сигналу. Спектр процесу незначно змінюється при цьому за рахунок збільшення гармонійних складових, які можуть бути прибрані з допомогою смугового фільтра на виході перетворювача.

Як найпростіших нелінійних перетворень, які призводять до зміни ексцесу розподілу ймовірностей шумоподобного сигналу, можна використовувати стискають перетворення (обмежувачі) і розтягують перетворення (експандери).

Як обмежує перетворення зручно використовувати так звану функцію помилок erf (x), при цьому ексцес приймає негативні значення. Простий симетричний експандер моделюється кубічної параболою виду у = зх + Ьу \ Змінюючи вид нелінійного перетворення можна змінювати величину ексцесу у в значних межах. При цьому необхідно, щоб після перетворень не відбувалася супутня модуляція по дисперсії (потужності сигналу), яка може бути виявлена ​​квадратичним детектором.

Можливі також несиметричні нелінійні перетворення. З їх допомогою можлива модуляція шумового сигналу за коефіцієнтом асиметрії розподілу.

Для впевненого прийому сигналу необхідно визначити оптимальний розмір вибірки, необхідний для упевненого розрізнення вихідного розподілу і розподілу, отриманого в результаті нелінійного перетворення. На Рис.1 показано залежність розкиду значень ексцесу розподілів ймовірностей від величини вибірки для нормального процесу та процесу, підданого розтягуючому нелінійного перетворення у = 0, Зх +0,05 х3. Т.ч. при базі сигналу більше 200 відбувається впевнене поділ сигналу з нормальним розподілом і сигналу, підданого цього нелінійного перетворення.

Маніпуляцію структурних і фрактальних параметрів кодує сигналу можна реалізувати на основі цифрових хаотичних алгоритмів [2].

III. Висновок

Продемонстровано можливість ефективної модуляції і демодуляції шумовий несучої за допомогою нелінійного перетворення початкового шумоподобного сигналу з нормальним розподілом ймовірностей миттєвих значень. Маніпуляція інтегральних характеристик кодує сигналу (на відміну від миттєвих значень) дозволяє істотно знизити вимоги до тимчасової синхронізації при прийомі складних сигналів.

Робота виконана за фінансової підтримки РФФМ, проекти 03-07-90133 та 04-07-90161.

IV. Список літератури

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

[2] Гуляєв Ю. В., Бєляєв Р. В., Воронцов Г. М., застави гін Н. Н., Калінін В. І., Кальянов Е. В., Кисле В. В ., Кисле В. Я, Колесов В. В., Мясін Е. А., Чігін Є. П., Інформаційні технології на основі динамічного хаосу для передачі, обробки, зберігання та захисту інформації, Радіотехніка та електроніка, 2003р., т.48, № 10. С. 1157-1185.

Рис. 1. Залежність значень ексцесу від величини вибірки для нормального процесу та процесу, підданого розтягуючому нелінійного перетворення (верхня смуга).

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)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»