Создание схемотехнической модели радиоприемной системы, сочетающей в себе все аспекты направлений развития современной радиоэлектронной аппаратуры

Выразим индуктивность контура L_К (3.28) из формулы расчета резонансной частоты (3.27):

 (3.27)

(3.28)

Подставляя значения в формулу (3.28) получим:

Задавшись конструктивной добротностью контура Q_К =200, рассчитываем проводимости:

(3.39)

(3.30)

Определяем сопротивление шунтирующего резистора

, (3.31)

где g_ВХ - проводимость ИМС со входов, к которым подключен фазосдвигающий контур. Ее значение приблизительно 310^-5 См.

Подставляя в формулу (3.31) получим:

Выбираем значение емкостей последовательных конденсаторов

. (3.32)

Далее рассчитываем параметры цепи коррекции предыскажений (R_КЦ, C_КЦ). Принимая сопротивление [1]:

, (3.33)

определяем

(3.34)

где ?_КЦ = 50 мкс - значение постоянной времени корректирующей цепи в системах радиовещания.

На выходе ИМС помимо низкочастотного сигнала присутствует постоянное напряжение приблизительно равное половине напряжения питания, поэтому потенциометр регулятора громкости R₂ подключают через разделительный конденсатор C_Р1. Между потенциометром и входом ИМС УЗЧ необходим еще один разделительный конденсатор C_Р2. Задаемся сопротивлением

. (3.35)

Рассчитываем:

(3.36)

(3.37)

Входная проводимость детектора

() равна входной проводимости ИМС.

Определяем из справочных данных на ИМС К174УР3 значение напряжения звуковой частоты на выходе ЧД (U_{ВЫХ ЧД}=100мВ). Это напряжение поступает на вход УЗЧ, поэтому U_{ВХ УЗЧ} = U_{ВЫХ ЧД}. рассчитываем требуемый коэффициент усиления УЗЧ (K_УЗЧ) по формуле (3.39) (см. формулу (2.21)).

(3.38)

радиоприемник элемент диапазон

4. Результаты моделирования отдельных узлов приёмника

4.1 Результаты моделирования входной цепи

Моделирование осуществляется в программе схемотехнического анализа Micro-Cap 9. Принципиальная схема модели спроектированной входной цепи представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Принципиальная схема модели входной цепи

Принимаемый сигнал от источника ЭДС антенны Ea через активное сопротивление Ra и удлиняющую катушку связи L1 подаётся в колебательный контур входной цепи. Трансформаторная связь антенной цепи с колебательным контуром выполнена с использованием модели взаимной индуктивности с коэффициентом связи m=0,03.

Колебательный контур образован катушкой индуктивности L2 (которая разбита на две составные части L2.1 и L2.2 с целью моделирования автотрансформаторной связи с нагрузкой), емкостью подстроечного конденсатора C1 и общей ёмкостью двух варикапов VD1 и VD2 во встречно-последовательном включении).

Напряжение настройки на варикапы подаётся от источника Vn через токоограничивающий резистор R1 и изменяется в пределах 3,7…4,2В.

Сигнал с выхода входной цепи через разделительный конденсатор С2 подаётся на вход следующего каскада. В качестве нагрузки входной цепи выступают эквиваленты входного сопротивления и входной ёмкости УРЧ Rn и Сn.

Вносимые в колебательный контур ёмкости монтажа и катушки индуктивности учтены с помощью дополнительного конденсатора Cvn=5пФ. Отличие значения вносимой ёмкости в модели входной цепи от расчетного значения вносимой в контур ёмкости (6пФ) объясняется следующим. При расчете в данном параметре также учитывались ёмкости антенной цепи и нагрузки, которые в модели входной цепи выполнены в виде отдельных элементов.

Собственные потери контура учтены с помощью параллельно включенного резистора Rk с сопротивлением ?Q = 47,8Ом180 8,6 кОм.

Амплитудно-частотная характеристика модели входной цепи, полученная с помощью малосигнального анализа по переменному току (AC Analysis) при напряжении настройки U_настр= 4В представлена на рисунке 3.5. Анализ полученной АЧХ показал, что составленная модель имеет следующие характеристики:

- резонансная частота контура 57.251 МГц;

- резонансный коэффициент передачи 0,847;

- полоса пропускания по уровню -3дБ 699,07 кГц;

- эквивалентная добротность 82.

На рисунке 3.6 показано семейство АЧХ входной цепи, полученное при изменении напряжения настройки варикапов в пределах U_настр=3,7…4,2 В с шагом 0,1 В.



На рисунках 3.7 и 3.8 показана избирательность входной цепи по зеркальному каналу и каналу прямого прохожнения частоты. Из рисунков видно, что необходимую избирательность, заданную в техническом задании данная входная цепь обеспечивает.



4.2 Результаты моделирования усилителя радиочастоты

Моделирование осуществляется в программе схемотехнического анализа Micro-Cap 9. Принципиальная схема модели спроектированного усилителя радиочастоты представлена на рисунке 3.9.



Принятый сигнал из входной цепи (источник напряжения Vin) через разделительный конденсатор С2 подаётся на вход ИМС К174ПС1, нагрузкой которой является катушка связи Lsv2 (которая разбита на две составные части Lsv2/2 с целью моделирования подключения источника питания к средней точке катушки связи). Контурная катушка индуктивности Lk2 (которая разбита на две составные части Lk21 и Lk22 с целью моделирования автотрансформаторной связи с нагрузкой), подстроечный конденсатор Ср2 варикапы VD5 и VD6 во встречно-последовательном включении образуют резонансную систему УРЧ.

Напряжение настройки на варикапы подаётся от источника Vn через токоограничивающий резистор R5 и изменяется в пределах 3,7…4В.

Сигнал с выхода УРЧ через разделительный конденсатор С1 подаётся на вход следующего каскада. В качестве нагрузки входной цепи выступают эквиваленты входного сопротивления и входной ёмкости преобразователя частоты Rn и Сn.

Вносимые в колебательный контур ёмкости монтажа и катушки индуктивности учтены с помощью дополнительного конденсатора C6=5пФ. Отличие значения вносимой ёмкости в модели входной цепи от расчетного значения вносимой в контур ёмкости (6пФ) объясняется следующим. При расчете в данном параметре также учитывались выходная ёмкость К174ПС1 и нагрузки, которые в модели УРЧ выполнены в виде отдельных элементов.

Коэффициенты связи колебательного контура с DA1 и с нагрузкой уставлены равными расчётным значениям - m=0,03 и n=0,3 соответственно. Сопротивление подстроечного резистора R1 установлено равным 1000 Ом.

На рисунке 3.10 показано семейство АЧХ входной цепи, полученное при изменении напряжения настройки варикапов в пределах U_настр=3,7…4,2В. с шагом 0,1 В.

Рисунок 3.10 - Семейство АЧХ УРЧ при U_настр=3,7…4,2 В

Из рисунка 3.10 видно, что при изменении напряжения настройки варикапов в заданных пределах происходит перестройка УРЧ в диапазоне от 56,625 МГц до 57,928 МГц, что практически соответствует требуемому частотному диапазону. Коэффициент передачи УРЧ изменяется в пределах от 16,619 до 18,915 (от 24,4 дБ до 25,5) при расчетном среднем значении 16 (24 дБ).

Амплитудно-частотная характеристика модели входной цепи, полученная с помощью малосигнального анализа по переменному току (AC Analysis) при среднем значении напряжения настройки (U_настр=4 В), представлена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - АЧХ модели УРЧ при U_настр=4В

Анализ полученной АЧХ показал, что модель УРЧ при среднем значении напряжения настройки (U_настр=4 В) имеет резонансную частоту 57,255 МГц и полосу пропускания по уровню -3дБ, равную 426,426кГц, что соответствует эквивалентной добротности 134 (при требуемом значении 100).

Полученные отличия результатов моделирования от результатов расчета УРЧ можно объяснить различием параметров применённых моделей варикапов и ИМС К174ПС1 от справочных параметров, используемых в расчетах.

Некоторое отличие частоты настройки входной цепи (57,251 МГц) от частоты настройки УРЧ (57,255 МГц) при среднем значении напряжения настройки (U_настр=4 В) может быть скомпенсировано изменением ёмкости подстроечного конденсатора.

На рисунках 3.12 и 3.13 показана избирательность входной цепи по зеркальному каналу и каналу прямого прохождения частоты. Из рисунков видно, что необходимую избирательность, заданную в техническом задании данный УРЧ обеспечивает.



4.3 Результаты моделирования преселектора

Часть супергетеродинного приёмника, содержащая ВЦ и УРЧ радиосигналов до преобразователя частоты, называется преселектором. Проведём моделирование этой части приёмника. Моделирование осуществляется в программе схемотехнического анализа Micro-Cap 9. Принципиальная схема модели преселектора представлена на рисунке 3.14.



Рисунок 3.14 - Принципиальная схема преселектора

На рисунке 3.15 показано семейство АЧХ входной цепи, полученное при изменении напряжения настройки варикапов в пределах U_настр=3,7…4,2В. с шагом 0,1 В.

Из рисунка 3.15 видно, что при изменении напряжения настройки варикапов в заданных пределах происходит перестройка преселектора в диапазоне от 56,737 МГц до 57,948 МГц, что практически соответствует требуемому частотному диапазону. Коэффициент передачи преселектора изменяется в пределах от 15,923 до 18,768 (от 24 до 25,5 дБ) при расчетном среднем значении 16 (24 дБ).

Рисунок 3.15 - Семейство АЧХ преселектора

Амплитудно-частотная характеристика модели преселектора, полученная с помощью малосигнального анализа по переменному току (AC Analysis) при среднем значении напряжения настройки (U_настр=4 В), представлена на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - АЧХ преселектора

Анализ полученной АЧХ показал, что составленная модель имеет следующие характеристики:

- резонансная частота контура 57.187 МГц;

- резонансный коэффициент передачи 18,825;

- полоса пропускания по уровню -3дБ 300,03 кГц;

- эквивалентная добротность 190.

В преселекторе должна обеспечиваться избирательность по зеркальному каналу и каналу прямого прохождения частоты. Они представляют наибольшую опасность. Зеркальным называется побочный канал приёма радиосигналов, отличающийся по частоте от частоты настройки радиоприёмника на удвоенное значение промежуточной частоты.

Пусть при верхней настройке частоты гетеродина f_Г одна из вещательных станций (зеркальный канал) имеет несущую частоту f_зк= f_с + 2f_пр, отличающуюся от частоты полезного радиосигнала f_с на удвоенную промежуточную частоту. Попадая на вход смесителя, колебания с частотой f_зк преобразуются в колебания с промежуточной частотой f_пр= f_зк - f_Г, также как и полезный радиосигнал. Приёмник в этом случае будет одновременно принимать колебания двух станций с частотами f_с и f_зк , расположенными симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина. Но при этом колебания с частотой f_с соответствуют полезному сигналу, а колебания с частотой f_зк - помехе. Подавить зеркальный канал можно только в преселекторе. Отметим два очевидных способа повышения избирательности по зеркальному каналу. Повышение избирательных свойств преселектора возможно, во-первых, путём увеличения числа контуров и их добротности и, во-вторых, увеличением значения промежуточной частоты, что позволяет увеличить (отодвинуть) частоту зеркального канала. Избирательность преселектора по зеркальному каналу показана на рисунке 3.17. Как можно видеть, преселектор подавляет зеркальный канал достаточно.

Рисунок 3.17 - Избирательность по зеркальному каналу

Источником помех в радиоприёмнике является также канал прямого прохождения частоты - побочный канал приёма, включающий в себя промежуточную частоту. Помеха на частоте, равной промежуточной f_пр , может проходить через смеситель как через обычный усилитель. УПЧ усиливает помеху канала прямого прохождения так же, как и сигнал. Мешающие действие помехи канала прямого прохождения, как и зеркального канала, может быть ослаблено только в преселекторе. Избирательность по каналу прямого прохождения частоты представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Избирательность по каналу прямого прохождения частоты

5. Выбор и обоснование устройства защиты информации

5.1 Основные методы и типы систем закрытия речевых сообщений

В речевых системах связи известны два основных метода закрытия речевых сигналов, разделяющихся по способу передачи по каналам связи: аналоговое скремблирование и дискретизация речи с последующим шифрованием (цифровое скремблирование). Под скремблированием понимают изменение характеристик речевого сигнала таким образом, чтобы полученный сигнал, становился неразборчивым и неузнаваемым, занимая ту же полосу спектра, что и исходный.

Каждый из этих двух методов имеет свои достоинства и недостатки. Так, например, в первых двух системах, представленных на рисунке 5.1 (А и В), в канале связи при передаче присутствуют кусочки исходного, открытого речевого сообщения, преобразованные в частотной и (или) временной областях. Это означает, что эти системы, могут быть атакованы криптоаналитиком противника на уровне анализа звуковых сигналов. Поэтому ранее считалось, что наряду с высоким качеством и разборчивостью восстановленной речи аналоговые скремблеры могут обеспечить лишь низкую или среднюю, по сравнению с системами цифрового кодирования и шифрования, степень закрытия (секретности). Однако новейшие (разработанные в последние годы) алгоритмы способны обеспечить не только средний, но иногда и очень высокий уровень секретности в системах типа В (смотрите рисунок 5.1).



5.1 - Виды систем закрытия речи

Аналоговые скремблеры: речевые скремблеры простейших типов на базе временных и (или) частотных перестановок отрезков речи (А); комбинированные речевые скремблеры на основе частотно-временных перестановок отрезков речи, представленные конкретнымн отсчетами, с применением цифровой обработки сигналов (В).

Цифровые системы закрытия речи: широкополосные (С) и узкополосные (D). Системы типа С и D (смотрите рисунок 5.1) не передают какой-либо части исходного речевого сигнала. Речевые компоненты кодируются в цифровой поток данных, который смешивается с псевдослучайной последовательностью, вырабатываемой ключевым генератором по одному из криптографических алгоритмов, и полученное таким образом закрытое речевое сообщение передается при помощи модема в канал связи, на приемном конце которого производятся обратные преобразования с целью получения открытого речевого сигнала.

Технология изготовления широкополосных систем закрытия речи типа С хорошо известна, не представляет особых трудностей техническая реализация используемых для этих целей способов кодирования речи типа АДИКМ (адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции), ДМ (дельта-модуляции) и т.п. Но представленная такими способами дискретизированная речь может передаваться лишь по специально выделенным широкополосным каналам связи с полосой пропускания, обычно лежащей в диапазоне 4.8-19.2 кГц, и не пригодна для передачи по линиям телефонной сети общего пользования, где требуемая скорость передачи данных должна составлять 2400 бит/с. В таких случаях используются узкополосные системы закрытия типа D (смотрите рисунок 5.1), главной трудностью при реализации которых является высокая сложность алгоритмов сжатия речевых сигналов, осуществляемых в вокодерных устройствах.

Посредством дискретного кодирования речи с последующим шифрованием всегда достигалась высокая степень закрытия, но в прошлом этот метод не находил широкого распространения в повсеместно имеющихся узкополосных каналах связи из-за низкого качества восстановления передаваемой речи.

Последние достижения в развитии низкоскоростных дискретных кодеров позволили значительно улучшить качество речи без снижения надежности закрытия.

5.2 Аналоговое скремблирование в радиосвязи

Каждый, кто пользуется какими-либо средствами связи, хочет ограничить возможности доступа посторонних людей к передаваемой информации. Надежная защита информации может быть обеспечена в системах цифровой радиосвязи, где применимы методы криптографии. Криптографические алгоритмы используются в ряде получивших широкое распространение цифровых стандартов сотовой связи, обеспечивая достаточно высокую степень защиты информации от несанкционированного доступа.

В отечественных системах конвенциональной и транкинговой радиосвязи цифровые технологии пока еще не нашли столь широкого применения. По сравнению с аналоговыми радиостанциями стоимость цифровых радиосредств заметно выше. Подавляющее большинство российских пользователей используют парк аналоговых станций.

Тем не менее, желание ограничить доступ к своей информации от этого не становится меньше. Как правило, большинству пользователей не требуется гарантированная защита информации, достаточно обеспечить неразборчивость передаваемой информации при прослушивании ее посторонними с помощью обычных аналоговых радиостанций или сканирующих приемников. Оптимальным решением этой задачи является использование аналоговых скремблеров.

5.3 Классификация аналоговых скремблеров

Под аналоговым скремблированием подразумевается преобразование исходного речевого сигнала с целью минимизации признаков речевого сообщения, в результате которого этот сигнал становится неразборчивым и неузнаваемым. При этом он занимает такую же полосу частот спектра, как и исходный сигнал. Необходимым свойством такого преобразования является возможность обратного преобразования для восстановления речевого сигнала на приемной стороне.

Технические средства, обеспечивающие защиту информации аналоговыми методами, называются скремблерами. Иногда их называют также маскираторами речи. Как правило, в сигнале, закрытом с помощью аналогового скремблера, все-таки сохраняются отдельные признаки открытого речевого сообщения.

В целом, аналоговые методы защиты информации обеспечивают меньшую степень закрытия речевых сигналов по сравнению с цифровыми, однако при практической реализации они, как правило, более просты, дешевы, а также характеризуются достаточно высоким качеством восстановленного речевого сигнала.

При скремблировании возможно преобразование речевого сигнала по трем параметрам: амплитуде, частоте и времени. Однако в системах подвижной радиосвязи практическое применение нашли в основном частотные и временные преобразования сигнала, а также их комбинации. Возможные помехи в радиоканале существенно затрудняют точное восстановление амплитуды речевого сигнала, в связи с чем амплитудные преобразования при скремблировании практически не применяются.

При частотных преобразованиях сигнала в средствах подвижной радиосвязи чаще всего используются следующие виды скремблирования:

- частотная инверсия сигнала (преобразование спектра сигнала с помощью гетеродина и фильтра);

- разбиение полосы частот речевого сигнала на несколько поддиапазонов и частотная инверсия спектра в каждом относительно средней частоты поддиапазона;

- разбиение полосы частоты речевого сигнала на несколько поддиапазонов и их частотные перестановки.

При временных преобразованиях производится разбиение сигнала на речевые сегменты и их перестановки во времени. При этом в основном, используются два способа закрытия:

- инверсия по времени сегментов речи;

- временные перестановки сегментов речевого сигнала.

Комбинированные методы преобразования сигнала предполагают использование одновременно нескольких различных способов скремблирования (как частотных, так и временных), число которых ограничивается, как правило, возможностями технической реализации аналоговых скремблеров.

5.4 Основные характеристики аналоговых скремблеров

Основными техническими характеристиками аналоговых скремблеров являются уровень закрытия информации, остаточная разборчивость и качество восстановления сигнала.

Наиболее важной характеристикой скремблера для пользователя, желающего обеспечить защиту информации в своих каналах связи, является уровень закрытия информации. Следует отметить, что, если для сложных цифровых систем передачи речи и данных понятие уровня закрытия строго регламентируется и определяется криптографической стойкостью информации, то для аналоговых скремблеров (особенно в системах подвижной радиосвязи) данное понятие носит условный характер, так как к настоящему времени на этот счет не выработано четких стандартов или правил.

В ряде случаев в качестве критериев уровня закрытия информации при сравнении различных средств подвижной радиосвязи с аналоговым скремблированием можно использовать количество ключевых параметров и количество возможных ключей скремблера.

Под ключевым параметром аналогового скремблера обычно понимают какой-либо параметр преобразования речевого сигнала, значение которого необходимо знать для осуществления обратного преобразования сигнала на приемной стороне.

Ключом аналогового скремблера (по аналогии с цифровыми системами шифрования), как правило, называют конкретное секретное состояние некоторых параметров преобразования речевого сигнала. Количество ключей скремблера определяется множеством всевозможных значений ключа. Для скремблеров с одним ключевым параметром оно определяется числом возможных состояний этого параметра, для скремблеров с несколькими ключевыми параметрами - количеством возможных комбинаций значений этих параметров (как правило, произведением чисел состояний всех ключевых параметров).

Качество восстановления сигнала определяется искажениями сигнала при его частотных или временных преобразованиях. Фактически, эта характеристика отражает разборчивость и узнаваемость восстановленной речи. Приемлемым или коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи считается такое, когда слушатель без усилий может определить голос говорящего и смысл произносимого сообщения.

Наилучшим качеством восстановления сигнала обладают частотные инверторы, которые практически не ухудшают разборчивость и узнаваемость речи при правильной реализации. Более сложные методы частотных преобразований могут вносить некоторые искажения в речевой сигнал. Реализация высокого качества восстановления речи при временных преобразованиях требует достаточно сложной обработки.

Под остаточной разборчивостью понимают процент восстановленных фрагментов скремблированного речевого сигнала при прослушивании переговоров с помощью обычных УКВ-приемников или радиостанций, не оснащенных аналогичным скремблером.

Следует отметить, что подавляющее большинство известных аналоговых речевых скремблеров в той или иной мере сохраняют остаточную разборчивость. В прослушиваемом речевом сигнале, защищенном скремблером, сохраняется информация о темпе речи, улавливаются паузы. При несложных способах защиты опытный оператор может разобрать (в зависимости от наличия сведений о тематике ведущихся переговоров) от 10 до 50 % передаваемой информации.

5.5 Аналоговые скремблеры с частотным преобразованием сигнала

При частотной инверсии преобразование спектра речевого сигнала эквивалентно повороту частотной полосы сигнала вокруг некоторой средней частоты (Fи). Принцип данного преобразования сигнала показан на рисунке 5.2: а) - исходный спектр сигнала, б) - спектр сигнала после инверсии.

а) б)

Рисунок 5.2 - Принцип работы частотного инвертора речевого сигнала

Несколько более сложный по сравнению с частотной инверсией способ преобразования сигнала обеспечивает скремблер с разбиением полосы речевого сигнала на поддиапазоны с частотной инверсией сигнала в каждом поддиапазоне (полосно-сдвиговый инвертор). Обычно используется разбиение полосы на 2 поддиапазона. Принцип такого частотного преобразования для 2-х поддиапазонов показан на рисунке 5.3, где а) - исходный спектр сигнала; б) - спектр сигнала после преобразования, Fр - частота разбиения спектра сигнала; Fи1, Fи2 - частоты инверсии 1-го и 2-го поддиапазонов.



а) б)

Рисунок 5.3 - Принцип работы полосно-сдвигового инвертора речевого сигнала при разбиении спектра сигнала на 2 поддиапазона

Полосовые скремблеры используют способ разбиения полосы речевого сигнала на несколько поддиапазонов с частотными перестановками этих поддиапазонов. Принцип работы полосового скремблера с разбиением спектра сигнала на 4 полосы показан на рисунке 5.4.

а) б)

Рисунок 5.4 - Принцип работы 4-х полосового скремблера

Полосовой скремблер может быть реализован на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). В таком скремблере на передающей стороне производится прямое БПФ, частотная перестановка полос, а затем - обратное БПФ. На приемной стороне осуществляются аналогичные преобразования с обратной частотной перестановкой полос. В скремблерах с БПФ возможно достичь высокой степени защиты информации за счет увеличения количества перемешиваемых полос, однако на практике этот метод скремблирования в подвижной радиосвязи применяется редко в связи со сложностями технической реализации. Кроме этого, скремблеры с БПФ вносят в канал связи временную задержку.

5.6 Аналоговые скремблеры с временным преобразованием сигнала

Простейшим видом временного преобразования является временная инверсия, при которой исходный сигнал делится на последовательность временных сегментов и каждый из них передается инверсно во времени - с конца к началу. Принцип работы временного инвертора показан на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 - Принцип работы временного инвертора

В скремблере с временными перестановками речевой сигнал делится на временные кадры, каждый из которых в свою очередь подразделяется на сегменты, а затем сегменты речевого сигнала подвергаются перестановке. Принцип работы такого скремблера с фиксированным окном и числом временных сегментов в кадре, равном 6, показан на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Принцип работы скремблера с временными перестановками.

5.7 Роллинговые скремблеры

Все рассмотренные выше скремблеры предполагают фиксированные параметры преобразования сигнала (фиксированные ключи) в течение передачи речевого сообщения и поэтому называются статическими.

Дополнительное повышение уровня закрытия информации может быть обеспечено изменением параметров преобразования сигнала во времени. Такие скремблеры называются динамическими, а в современной практике их принято обозначать термином роллинговые скремблеры (от англ. rolling).

Динамические скремблеры, как правило, существенно дороже скремблеров с фиксированными параметрами преобразования сигнала, сильнее влияют на характеристики радиосредств и требуют начальной синхронизации. Однако их применение действительно затрудняет возможности перехвата переговоров, в особенности в реальном масштабе времени.

Это объясняется тем, что изменение ключевых параметров во времени теоретически делает возможным резкое увеличение количества ключей, под которыми для роллинговых скремблеров обычно понимают некоторое значение, определяющее порядок изменения параметров преобразования сигнала. Например, ключом может быть начальное значение генератора псевдослучайной последовательности, в соответствии с которой меняется определенный ключевой параметр.

Временные преобразования сигнала в сочетании с изменением ключевых параметров во времени достаточно сложны для реализации и требуют относительно длительной синхронизации, поэтому они пока не нашли свое применение в роллинговых скремблерах. Для способов частотного преобразования сигнала изменяемыми ключевыми параметрами могут быть частота инверсии (для частотного инвертора), частота разбиения полосы сигнала (для полосно-сдвигового инвертора), комбинация частотной перестановки поддиапазонов сигнала (для полосового скремблера). Большинство известных моделей роллинговых скремблеров используют наиболее простой принцип спектрального преобразования - частотный инвертор с изменением частоты инверсии сигнала во времени.

Различие скремблеров состоит в числе частот инверсии, скорости их изменения и количестве ключей, определяющих длительность перебора возможных комбинаций изменяемых параметров без их повторения.

5.8 Сравнение различных типов скремблеров

Обычно пользователя больше всего интересует вопрос, какой скремблер обеспечит наибольшую защиту информации. Следует сказать, что представленные аналоговые скремблеры не могут обеспечить гарантированную стойкость информации, поэтому их нельзя рассматривать как средства криптографической защиты информации (СКЗИ). Речь может идти только о затруднении прослушивания конкурентом или злоумышленником переговоров, ведущихся с помощью радиосредств, оснащенных скремблерами, в реальном масштабе времени. Как уже было сказано, некоторое представление о степени закрытия информации может дать количество ключевых параметров и количество ключей. Причем следует рассматривать эти параметры в совокупности, при равном количестве ключей преимущество имеют скремблеры с бoльшим количеством ключевых параметров. Рассмотрим с этой точки зрения представленные виды скремблеров.

Для частотного инвертора единственным ключевым параметром является значение частоты инверсии сигнала. Размерность этого параметра, т. е. число возможных значений частот инверсии (число ключей) с ощутимыми искажениями, возникающими при прослушивании на соседней частоте, не превышает 20-30. Для перехвата переговоров, ведущихся с помощью радиосредств, оснащенных частотным инвертором, достаточно иметь аналогичную радиостанцию или сканирующий приемник с возможностью подбора частоты инверсии.

В полосно-сдвиговых инверторах в качестве основного ключевого параметра выступает частота разбиения полосы речевого сигнала Fр, размерность которой сопоставима с размерностью ключевого параметра частотного инвертора. Если частота разбиения является единственным ключевым параметром, то данный способ аналогового скремблирования обеспечивает закрытие речевой информации, сравнимое с частотной инверсией. В случае когда могут изменяться и частоты инверсии в каждой из полос, число ключей, соответственно и уровень закрытия информации, увеличиваются.

В полосовых скремблерах ключевыми параметрами системы является число частотных полос и кодовая комбинация их перестановки. Реально число полос не превышает 4-х, поэтому число возможных комбинаций - 24 (одна из них не является перестановкой).

Скремблеры с временными перестановками имеют несколько ключевых параметров: длительность сегмента речи, длительность временного отрезка и правило перестановки временных отрезков в сегменте. Различные сочетания значений этих параметров могут дать возможность реализации нескольких сотен ключей.

Роллинговые скремблеры предоставляют возможность использования в сети радиосвязи такого количества ключевых комбинаций, которое может измеряться миллионами или даже миллиардами. При этом уровень защиты определяется количеством градаций параметра сигнала, длиной ключа, т. е. числом возможных комбинаций параметра, скоростью изменения параметра.

Однако повышение степени закрытия информации в гораздо большей степени зависит от количества градаций ключевого параметра (например, количества частот инверсии сигнала), чем от длины последовательности их перебора.

Следует отметить, что при низкой скорости изменения частоты инверсии (например, 1 раз в секунду) еще сохраняется возможность понимания какой-то части передаваемой информации при ее прослушивании с помощью радиостанции, оснащенной скремблером с фиксированной частотой инверсии. Однако при увеличении скорости до 5-10 раз в секунду возможность такого понимания резко снижается. Необходимость дальнейшего увеличения скорости смены параметра преобразования вызывает некоторые сомнения.

Перехват сообщений в реальном масштабе времени в каналах связи, защищенных с помощью скремблеров с параметрами преобразования, изменяемыми во времени, возможен при применении специальных технических средств, позволяющих сначала определить ключевую последовательность (т. е. правила изменения параметров преобразования сигнала), а затем подстроиться под найденную ключевую последовательность. Вместе с тем, это оборудование должно быть значительно сложнее по сравнению со средствами перехвата переговоров абонентов, радиостанции которых оснащены скремблерами с фиксированными параметрами.

5.9 Практические вопросы применения скремблеров

Как правило, разработчики и поставщики скремблеров не предоставляют подробной информации по принципу скремблирования и, в особенности, по значениям ключевых параметров. Такое поведение разумно и представляет, по сути дела, организационную меру для повышения степени конфиденциальности переговоров клиентов. Однако для пользователей это создает некоторые сложности при выборе конкретного технического решения по защите информации в сетях радиосвязи. В связи с этим хотелось бы остановиться на нескольких вопросах, на которые следует обратить внимание при приобретении средств аналогового скремблирования.

Прежде всего, целесообразно провести минимальные испытания радиосредств с установленными скремблерами для оценки остаточной разборчивости сигнала при прослушивании переговоров с помощью таких же радиостанций, но не оснащенных этими скремблерами. Вполне возможно, что для некоторых ключевых комбинаций будет сохраняться высокая остаточная разборчивость, поэтому необходимо исключить эти комбинации при практическом использовании.

Необходимо также оценить качество восстановления речевого сигнала при работе с радиостанциями, оснащенными скремблерами, путем сравнения открытого и закрытого каналов. Дело в том, что, желая увеличить степень защиты информации, разработчики идут на различные ухищрения, приводящие к дополнительным искажениям спектра или других параметров сигнала.

Влияние скремблеров на параметры радиостанций проявляется также в ухудшении их чувствительности за счет уменьшения соотношения сигнал/шум на входе приемника. Для некоторых скремблеров возможно снижение дальности связи по сравнению с линией радиосвязи, организованной на открытом канале. Поэтому целесообразно провести сравнительные испытания на дальность и оценить возможные потери при использовании радиостанций со скремблерами.

При преобразованиях сигнала, связанных с изменением любых параметров преобразования во времени (используется в скремблерах с временными перестановками и в роллинговых скремблерах), требуется некоторый временной интервал для синхронизации таймерных устройств передающей и приемной стороны. Это заставляет оператора выдерживать паузу между нажатием тангенты «передача» на радиостанции и началом речи, что требует определенной дисциплины при проведении сеансов связи. Желательно оценить, приемлема ли подобная задержка для условий использования радиосредств.

Для пользователей средств УКВ-радиосвязи крайне важен уровень технического исполнения скремблеров. Так как конструктивно чаще всего скремблеры представляют собой малогабаритные микроэлектронные узлы, которые устанавливаются внутрь корпуса радиостанции, предпочтителен выбор скремблирующих устройств с минимальными габаритами. Естественно, что минимизация габаритов позволяет расширить применимость скремблеров, так как обеспечивается возможность их установки в большее количество радиосредств. Для пользователей, желающих обеспечить защиту информации для уже имеющихся радиостанций, вполне может подойти вариант с внешним подключением скремблера.

Следует понимать, что установка скремблеров в радиостанции может привести к определенным ограничениям на использование других модулей или встроенных функций радиостанций, таких как тональная (DTMF) или подтональная (CTCSS) сигнализация. Часто это происходит из-за невозможности одновременного конструктивного размещения внутри станции, однако иногда такие ограничения могут объясняться несовместимыми с DTMF или CTCSS спектральными или временными преобразованиями сигнала.

При установке скремблеров желательно обращать внимание на дополнительный ток потребления, который вносят эти модули. Значительный ток потребления может оказывать влияние на длительность работы станций без замены аккумулятора.

Удобство использования скремблеров, во многом, зависит от тех средств, которые предусмотрены для установки ключа. В данном случае, выбор целесообразно осуществлять, исходя из условий эксплуатации радиосредств. Для одних пользователей необходима оперативная замена ключа с клавиатуры непосредственно в процессе работы, для других - более важным является требование по неизменности ключа и невозможности переустановить его без использования специальных программаторов.

В заключение следует сказать о необходимости использования только тех средств защиты информации, которые разрешены к применению ФАПСИ, также оценить целесообразность применения скремблеров вообще, так как существенного эффекта по защите информации возможно добиться организационными методами.

5.10 Выбор скремблера

Для пользователей средств УКВ радиосвязи крайне важен уровень технического исполнения скремблеров. Т.к. конструктивно скремблеры представляют собой малогабаритные микроэлектронные узлы, которые устанавливаются внутрь корпуса радиостанции, предпочтителен выбор аналоговых устройств защиты информации с минимальными габаритами и энергопотреблением. Естественно, что минимизация габаритов позволяет расширить применимость скремблеров, т.к. обеспечивается возможность их установки в большее количество радиосредств.

Большинство структур безопасности оснащено профессиональными средствами УКВ радиосвязи зарубежных фирм таких, как Motorola, Kenwood, Yaesu, Standard, Alinco, Icom и др., использующими аналоговые виды модуляции сигнала (частотный или фазовый). Для подобного рода радиосредств в подавляющем большинстве в качестве устройств защиты информации применяются аналоговые речевые скремблеры.

Устройства защиты информации выпускаются как производителями средств УКВ радиосвязи для радиостанций собственного изготовления (Kenwood, Standard и др.), так и фирмами, специализирующиеся на производстве скремблеров для средств ближней УКВ радиосвязи. На отечественном рынке они представлены такими фирмами, как Transcrypt, Selectone, Midian и др. Кроме этого, известны и отечественные средства защиты информации, предназначенные для совместной работы с импортными радиостанциями.

Наибольшее количество известных моделей скремблеров реализуют частотную инверсию сигнала. Все они имеют близкие параметры. Одними из первых на отечественном рынке появились модели скремблеров фирмы Selectone, такие как SТ-20 и более поздняя модель ST-022. ST-20 работает в диапазоне частот 300-2400 Гц и обеспечивает инверсию сигнала относительно 8 возможных номиналов частот в диапазоне от 2,6 до 3,7 КГц (частота инверсии устанавливается программно). Диапазон напряжения питания - от 5,2 до 18В, ток потребления - менее 4 мА. Диапазон рабочих температур - от минус 30 до +70 С. Габаритные размеры - 20.96х38.20х3. 81 мм. Модель ST-022 отличается от ST-20 расширенным диапазоном частот (до 3000 Гц) и напряжения питания (до 24 В), а также несколько уменьшенными размерами (20х25х4 мм).

Простейшие модели скремблеров фирмы Transcrypt SC20-400 и SC20-401 обладают характеристиками, аналогичными ST-20 и ST-022: речевой диапазон частот, 4 варианта частоты инверсии, напряжение питания - от 5 до 12В, ток потребления - 3 мА, диапазон рабочих температур - от минус 20 до +60 С, габаритные размеры - 39х21х4 мм.

Семейство частотных инверторов фирмы Midian предоставляет пользователю выбор конкретной модели для использования в составе своих радиосредств. VPU-1 и VPU-8 - отличающиеся друг от друга габаритами скремблеры для использования в дуплексных радиостанциях (в зависимости от модификации имеют различные частоты инверсии); VPU-2 (15 программируемых частот инверсии) и VPU-7 (одна фиксированная частота инверсии) - миниатюрные скремблеры, обеспечивающие только симплексный режим работы. Их параметры представлены в таблице 5.1.

Фирма Kenwood выпускает скремблер KVS-1 для использования совместно со своими радиостанциями. Его параметры также приведены в таблице 5.1. Аналогичный скремблер марки РСК-32 выпускается российским НТЦ “ИНТЕР-ВОК”.

Таблица 5.1 - Параметры скремблеров

Более сложное преобразование сигнала предлагают полосно-сдвиговые инверторы, разработанные НТЦ “ИНТЕР-ВОК” Принцип работы микросборок 04ХК011 (“Сонет”), 04ХК012, 04ХК014А, 04ХК015А, 04ХК017А состоит в разделении речевого спектра на две части, низкочастотную и высокочастотную, каждая из которых разворачивается вокруг своих средних частот. Все они работают в диапазоне речевых частот - 300-3400 Гц, имеют малые габариты и малый ток потребления (в пределах единиц мА) Имеется возможность изменения частоты разбиения полосы речевого сигнала 04ХК014 -1 градация, 04ХК015 - 2, 04ХК016А - 3, 04ХК017 и 04ХК018А - 4, 04ХК011 и 04ХК012 - 32 градации. Все микросборки работают от напряжения питания +5 В, кроме 04ХК011, которая обеспечивает работоспособность в диапазоне от 6 до 13В

Указанные скремблеры обладают повышенной по сравнению с частотными инверторами степенью закрытия информации. В технических данных указывается, что скремблеры обеспечивают остаточную разборчивость речи (т е разборчивость при прослушивании посторонними лицами) не более 10 % В то же время гарантируется сохранение высокого качества речи при прослушивании с помощью радиостанции, оснащенной аналогичным скремблером (сохранение 1 класса разборчивости при измерении по методике ГОСТ 16600-72)

Скремблеры имеют очень малые размеры (минимальные габаритные размеры - 15х15х6,5 мм - имеет микросборка 04ХК018А) и устанавливаются внутрь корпуса практически любых радиостанций

Наиболее известным в России представителем класса полосовых скремблеров является скремблер типа CVS-240 марки Standard (торговая марка концерна Marantz), который устанавливается в радиосредства, выпускаемые данным производителем.

Принцип его работы состоит в разделении полосы речевого сигнала на 4 поддиапазона и перестановке этих поддиапазонов. Код перестановки устанавливается с помощью перемычек. По субъективным оценкам (точные испытания не проводились) данный скремблер обеспечивает степень закрытия информации, сравнимую с полосно-сдвиговыми инверторами. Вместе с тем, при установке скремблера в радиостанции типа НХ240 марки Standard было получено резкое снижение разборчивости и узнаваемости речи

Большая номенклатура динамических скремблеров выпускается фирмой Tramscrypt. Принцип их работы аналогичен частотным инверторам с изменением частоты инверсии сигнала во времени

Число возможных частот инверсии - 16. Различные модели скремблеров этой фирмы отличаются скоростью изменения переменного параметра: от 1 раза в секунду для SC20-406J и SC20-410 до 1000 раз в секунду для SC20-460 и SC20-500 Параметры скремблеров представлены в таблице 5.2.

Кроме собственно функции преобразования сигнала, модули фирмы Transcrypt обеспечивают реализацию дополнительных функций таких, как избирательный и аварийный вызов, селективный доступ, возможность дистанционного управления радиостанцией по радиоканалу Данные модули устанавливаются в радиостанции различных фирм, в частности Motorola, Standard, Johnson. Гарантируется работоспособность скремблеров в диапазоне рабочих температур -30...+60 С

Таблица 5.2 - Параметры скремблеров фирмы Tramscrypt

Остановимся на русском скремблере 04ХК100-01, выпускаемом российским НТЦ “ИНТЕР-ВОК”. Устройства преобразования речи серии 04ХК100-01 предназначены для технической защиты информации от прослушивания в канале связи, а также защиты не категорированной служебной формации ограниченного распространения, не относящейся к категориям конфиденциальной и не составляющей государственную тайну. Внешний вид скремблера показан на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 - Внешний вид скремблера 04ХК100-01

Варианты исполнения устройств преобразования речи (04ХК100-01А, 04ХК100-А7, 04ХК100-01Б, 04ХК100-01В, 04ХК100-01М1, КК100-01И1, 04ХК100-01И2) по алгоритмам функционирования в радиоканале полностью совместимы.

Дополнительные основные сервисные возможности:

- автоматическая идентификация системой мониторинга и управления радиосетью;

- дистанционное включение радиосети на передачу (прослушивание);

- отключение (блокировка) или включение (разблокировка) приемопередающих трактов;

- запрос статуса.

Основные характеристики:

- количество независимых ключей - 232

- количество оперативно изменяемых ключей - не более 8

- полоса частот речевого сигнала, кГц - от 0,3 до 3,4

- задержка речевой информации, мс - не более 250

- разборчивость восстанавливаемой речи - 1 класс

- прослушивание канала, % - не менее 99,9

6. Конструкторская разработка узлов приёмника

Разработка конструкции радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одним из основных факторов, влияющих на эффективность работы системы в целом. При этом конструкцию следует рассматривать в виде определенным образом упорядоченной статической структуры исходных свойств и их взаимосвязей, обеспечивающих заданное динамическое преобразование физической природы сигналов. Особенности конструкции РЭА определяются областью её использования (объектом-носителем), схемотехническим назначением, используемыми элементной и конструктивными базами.

Область использования определяет параметры конкретного микроклимата в месте расположения РЭА. Поэтому при разработке конструкции необходимо знать особенности климатических условий, которые оказывают существенное влияние на конструктивно-компоновочные параметры, а также на выбор материалов конструктивной и элементной базы. Рассмотрение характерных областей применения радиоэлектроники показывает, что она, в основном, предназначена для решения разнообразных информационных задач. Этим и определяются используемые физические модели. Разработка конструкции при учете схемотехнического назначения характеризуется степенью интеграции схемных элементов. При выборе конструктивной базы необходимо учитывать возможность обеспечения механической прочности и защиты от дестабилизирующих воздействий, а также механическое управление устройства.

Исходя из выше сказанного, предъявим следующие требования к конструкции приёмника:

а) эксплуатация проводится в отапливаемых помещениях;

б) размеры и масса конструкции должны быть по возможности минимизированы;

в) при разработке конструкции необходимо соблюдать гибкость структуры и применять не дорогостоящие материалы;

г) простота и удобство выполнения сборочных работ является немаловажным фактором при изготовлении приёмника;

Приёмник выполнен в виде законченного конструктивного блока. Корпус состоит из двух частей: днища и крышки со стенками.

Днище и крышка выполнены из пластмассы К-214-2 ГОСТ 5689-66 светло-серого цвета, обладающей высокими электроизоляционными свойствами и повышенной прочностью, применение которой позволяет выполнять ранее предъявленные требования. Это простота и достаточная прочность конструкции. Днище и крышка выполняются путем прессовки.

Чертеж общего вида электронного устройства должен содержать:

а) изображения (вида, разрезы) и надписи, позволяющие получить представление о его конструкции

б) наименования, а также обозначения его основных составных частей

в) размеры и другие наносимые на изображение данные (при необходимости).

Виды разрабатываемого устройства следует изображать в ортогональных проекциях. Главным должен быть вид на лицевую панель.

Количество видов, разрезов устанавливает разработчик. При объемной компоновке изделия оно обычно должно быть не меньше трех.

Изображать общий вид в перспективе или аксонометрии не рекомендуется, так как одна проекция не дает ясного представления о конструкции и компоновке и требует много места.

Как правило, на чертеже общего вида показывают только габаритные и присоединительные разъемы.

Изображения на чертеже общего вида выполняют с максимальными упрощениями, предусмотренными стандартами ЕСКД для рабочих чертежей. Внешние очертания изделия, как правило, следует упрощать, не изображая мелких выступов, впадин и т.д. Составные части изделия, в том числе и заимствованные (ранее разработанные), и покупные, необходимо изображать с упрощениями (иногда в виде контурных очертаний), если при этом обеспечено понимание конструктивного устройства разрабатываемого изделия.

Не следует показывать ЭРЭ, установленные на печатной плате, если на пату есть отдельный чертеж. Достаточно объем, занимаемый навесными элементами ПП, выделить на видах штрихпунктирным линиями и пояснить их надписями «границы монтажа» или «элементы условно не показаны».

Допускается не показывать:

а) провода, соединяющие ЭРЭ

б) фаски, соединения, проточки, углубления, выступы, накатки, насечки и другие мелкие элементы на составных частях изделия

в) мелкие винты, гайки шайбы, заклепки, сварные и другие неразъемные соединения

г) шкалы стрелочных приборов

Перечисленные упрощения существенно упрощают объем работ, позволяют основное внимание уделить конструкторской проработке изделия в целом, компоновке его составных частей с учетом его многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых к электронной аппаратуре.

Наименования и обозначения составных частей изделия на чертежах общего вида указывают одним из следующих способов

а) на полках линий - выносок, проводимых от изображения составных частей

б) в таблице, размещаемой на листе чертежа общего вида.

в) в таблице, выполненной на отдельных листах формата А4 в качестве последующих листов чертежа общего вида.

Выбор способа определяется сложностью изделия. При небольшом количестве составных частей (примерно до десяти) приемлем первый способ. В курсовом проекте он рационален для чертежа общего вида, например, несложного блока. Второй способ удобен, если число составных частей не превышает 25 - 30.

Габариты изделия при таком количестве составных частей обычно невелики и на чертеже есть место для таблицы. При наличии таблицы на полке линий выноски пишут только номер позиции составной части, под которым она внесена в таблицу. Номер указывают на том изображении, на котором проекция составной части дает о ней наилучшее представление. Номера позиций располагают вне контура изображения и группируют в колонку и / или строчку по возможности в одну линию.

Размер шрифта номеров позиций должен быть на один - два номера больше, чем размер шрифта, принятого на чертеже для размерных чисел.

Таблицу на чертеже общего вида (таблица 6.1) располагают как правило над основной надписью. Между основной надписью и таблицей должен быть промежуток 12 мм. Вне чертежа таблицу изготавливают на листах писчей бумаге или кальке, имеющих рамку, основную надпись, брошюруют вместе с другими листами пояснительной записки.

В графах таблицы производят следующие записи: В графе «Позиция» составным частям приписывают порядковый номер позиций. В графе «Обозначения» указывают позиционные обозначения и ЭРЭ на ЭЗ, идентифицируя тем самым объекты ЭЗ и ВО.

В графе «Наименования» указывают полное наименование составных частей, перечисляемых только в данной таблице, и сокращенное - ЭРЭ, полное наименование которых приведено РЭЗ. В графе «Примечание» дают всем дополнительные сведения.

Запись составных частей в таблицу рекомендуется производить следующем порядке: