Передача «скрытого» радиосигнала

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.

Если есть вопросы, замечания или рекомендации милости прошу.
Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 22

    0
    Спасибо, было действительно интересно.
    Я бы с удовольствием почитал еще ваших статей о радиотехникепередаче, вы весьма доступно описываете суть.
      0
      Спасибо. Выбрать бы только тему интересную.
        0
        Подкину идею. Рассказ про приемники прямого усиления, супергетеродины, и т.д. Как из высокой частоты получить нч сигнал
      +1
      а ведь можно вести передачу с уровнем сигнала ниже уровня шума?
        –1
        Передачу можно вести с любым уровнем. Вот прием отчетливый обычно проблема.
          0
          Можно. Вообще это раздел РЭБ Радиомаскировка, вот например книжка www.e-reading-lib.com/djvureader.php/136538/190/Kupriyanov_-_Teoreticheskie_osnovy_REB.html
            0
            Сигнал задавить всегда можно. Есть же, так называемые, сверхширокополосные сигналы.
            Вообще, интереснее, наверно, прятать сигнал на фоне другого сигнала как это делается по стандарту DVB-CID.
            Вместе с обычным сигналом передается дополнительный поток со всякой служебной информацией на 27,5 дБ слабее основного сигнала. Для приема основного потока этот фон роли почти не играет (с точки зрения качества приема).
              0
              Можно, в межпланетном космосе только так и работают. Десятиметровую тарелку на марсход не поставишь.
              Но, разумеется, все это за счет скорости передачи. Каждый полезный бит кодируется десятками вспомогательных для исправления ошибок.
              +1
              Давно читал в журнале вроде «юный техник» про системы передачи данных в сверхширокополосном диапазоне — несущая 5ГГц и ширина полосы так же 5ГГц там описывалось что за счет корреляционной модуляции можно на одном таком канале поместить бесчисленное множество абонентов и скрыть такой сигнал ниже уровня шумов так что обнаружить его не будет никакой возможности. Тогда это упиралось в отсутствие элементов способных обрабатывать непосредственно такие объемы сигналов. Сейчас же есть зачатки таких систем — например CDMA, но крайне ограниченные.

              Лет 10 назад видел схему аналогичного скремблера для обычных радиостанций — в результате голос выглядел как шум и декодироваться обратно в голос мог только на устройстве способном сформировать такой же опорный сигнал как и на кодере. Основная проблема в том устройстве было решение проблемы синхронизации аппаратными методами что требовало устойчивый сигнал на входе приемника — тогда сигнальных процессоров в ширпотребе не было еще.
                –2
                В настоящее время известен лишь один способ действительно скрытой передачи радиосигнала: узконаправленный луч от источника к приёмнику. Чем выше частота и меньше угол — тем лучше, вплоть до лазеров и короче.

                Всё остальное отлавливается.
                habrastorage.org/storage3/66a/55f/efd/66a55fefd461c4a4776db49cb0f7d918.jpg — я правильно понимаю, что такой режим отображения вы выбрали сознательно? Чтобы скрыть способ обнаружения радиопередачи с расширением спектра вплоть до уравнивания с шумами.
                Потому что стоит переключиться в режим спектрального просмотра, как всё сразу прекрасно обнаруживается.

                Что касается остальных методов, то сейчас пришло в голову возможное дальнейшее развитие изложенных идей по аналогии с АФАР:
                много рассредоточенных маломощных передатчиков (например, на дирижаблях, в том числе), к которым передаётся узконаправленный сигнал, а они уже сами транслируют его друг другу — и на землю.
                Каждый передатчик может работать на своей частоте, чтобы создавалась видимость действительно равномерного покрытия спектра (например, от 1 до 1000 МГц).

                И, конечно же, можно иметь несколько разнесённых приёмников — вплоть до того, как астрономы измеряют расстояния до звёзд по схеме www.students.by/articles/21/1002111/0535_003.gif
                  0
                  Всё остальное отлавливается.

                  Конечно, с какой-то вероятность всё отлавливается.
                  habrastorage.org/storage3/66a/55f/efd/66a55fefd461c4a4776db49cb0f7d918.jpg — я правильно понимаю, что такой режим отображения вы выбрали сознательно? Чтобы скрыть способ обнаружения радиопередачи с расширением спектра вплоть до уравнивания с шумами.
                  Потому что стоит переключиться в режим спектрального просмотра, как всё сразу прекрасно обнаруживается.

                  Специально сделал скриншот, чтобы вы могли пояснить всем о каком режиме идёт речь, потому что ничего другого, что можно было бы назвать «режимом спектрального просмотра» я придумать не могу.
                    0
                    Узконаправленный луч от источника к приёмнику тоже не панацея. У диаграмм направленности антенн есть боковые лепестки, радиоволны отражаются и интерферируют, и вообще можно повесить БПЛА с приёмной антенной где-то на пути луча.

                    Всё остальное отлавливается только если совсем нет шума, Даже на очень высоких частотах шум всё-таки есть, хотя бы шум входного каскада приёмника. А на низких частотах совсем несложно спрятаться под атмосферные шумы или помехи дешёвых импульсных блоков питания.
                    +3
                    Есть ещё пара важных моментов:

                    1. Скрытый радиосигнал должен передаваться постоянно. Если нечего передавать, надо передавать случайные данные. Или по крайней мере передавать данные кусками с большими случайными задержками, если это позволяет область применения.

                    В противном случае сигнал обнаруживается сравнением того, что мы слышим в эфире с сигналом и без. Даже если сигнал размазан по спектру, спрятан под шум и его тонкая структура неизвестна, после набора большой статистики из эфира с сигналом и без можно научиться его обнаруживать.

                    2. Можно передавать только шифрованные данные. Если данные нешифрованы, в них скорее всего есть некоторые часто повторяющиеся или легко предсказуемые последовательности, их можно будет искать в эфире.
                      +1
                      Спасибо за дополнение. Действительно, если передавать, допустим, все единицы, то последовательность будет повторяться без смены фазы на большом периоде и спектр должен хорошенько так показаться. Без скремблера вообще никуда, в радиосвязи применяется повсеместно.
                      0
                      В приемнике должен использоваться коррелятор, который будет рассчитывать корреляцию принятого сигнала и опорной последовательности, и принимать решение о переданном символе.


                      Достаточно помножить принятый сигнал на точно такую же псевдослучайную последовательность. Ваш сигнал соберется в узкий спектр, а шумы и др. сигналы «расползуться» по законам описанным Вами чуть выше.
                        0
                        Вот и я о том же.
                        Перемножим на последовательность, спектр полезного сигнала сузится, помехи расползутся.
                        Лишнее отфильтруем и получим свой сигнал, более-менее чистым.
                        Это и есть те функции, которые выполняет коррелятор — умножение и интегрирование.
                          0
                          Не совсем, коррелятор не способен выделить сигнал, он может лишь определить время прихода сигнала.
                          Вот пример автокорреляционной функции, для последовательности Баркера.
                          image
                          Как видно из рисунка — это не очень похоже на исходный сигнал…

                          Справедливости ради стоит заметить, что существуют фильтры, способные выделять исходный сигнал на фоне шумов используя корреляционный критерий — их называют адаптивные фильтры

                          Я же говорю о простом умножении по «модулю 2» (xor) сигнала и известного кода — это не совсем корреляция, точнее совсем не корреляция.
                            +1
                            Не совсем, коррелятор не способен выделить сигнал, он может лишь определить время прихода сигнала.

                            … фазу и амплитуду, по которым определяется переданный символ и никакой «исходный сигнал» не нужен, достаточно корреляционного пика.
                            Справедливости ради стоит заметить, что существуют фильтры, способные выделять исходный сигнал на фоне шумов используя корреляционный критерий — их называют адаптивные фильтры

                            Единственный вид фильтров, которые применяются для детектирования шумоподобных сигналов — согласованный фильтр.
                            Адаптивные фильтры используют для оценки каких-либо параметров или для компенсации искажений, вносимых каналом.

                            Вот обычнейший коррелятор приемника сигналов с расширенным спектром, используется интегратор со сбросом (integrate&dump).

                            image

                            Вычисляется, по сути, значение автокорреляционной функции в пике. Результат используется для детектирования переданных символов (оценивается фаза пика).
                              0
                              Да таким образом будет работать, интересный способ. Но в такой вариации эффективнее (так как у Вас каждый символ соответствует полной кодовой посылке) использовать полный кореляционный приемник (или согласованный фильтр, что тоже самое) основанный на передаче кодов Кассами (кодов с минимальной взаимной корреляцией), по одному коду Кассами на каждый символ (бод) кодового алфавита (по аналогии с QPSK, 8-PSK и т.п.) и иметь N-канальный приемник (какой канал сработал — тот символ и принят.

                              Кстати как Ваш пример, так и мой не является скрытным так как ШПС сигнал будет детерминирован и многократно повторяться (по одной посылке на каждый бит информации), а как следствие легко обнаружим (если его искать конечно). Можно попробовать построить циклический или последовательно сменяемые коды (1 — бит первый код, 2-бит — второй код, и т.д.) — но это никак не проще и не эффективнее чем N-канальный приемник.

                              Я же предлагал использовать действительно псевдослучайную последовательность размером не меньше длинны сообщения, а на приеме xor-ить сигнал на точно такую же последовательность. Выигрыша по помехоустойчивости это не дает, зато скрывает сигнал на фоне шумов, а так как последовательность не повторяется — то и возможность ее обнаружения затруднена. То есть ваша схема но без интегратора со сбросом, а выход — это результат произведения. Как видно из третьего графика, он полностью соответствует входному информационному сигналу.

                              Адаптивные фильтры используют для оценки каких-либо параметров или для компенсации искажений, вносимых каналом.
                              А если в канал ошибки подать опорную последовательность ШПС? Спешу вас заверить — отлично работает, но это стрелять из пушки по воробьям, тут согласен.
                        +1
                        Итого, если в кратце:

                        При обнаружении/сокрытии сигналов выделяются три основных фактора параметров передачи:
                        1. Пространственная — диаграмма направленности антенны.
                        2. Временная — время активности передатчика.
                        3. Частотная — частота активности передатчика.

                        Для эффективного сокрытия сигнала лучше задействовать все три способа:
                        1. Использовать узконаправлненную антенну. Например, так делается в радио-релейной связи.
                        2. Активировать передачу в случайное и короткое время.
                        3. Вести передачу на «случайной» прыгающей частоте.
                          +1
                          В спрятанном сигнале может возникнуть сложность с восстановлением тактовой и кадровой синхронизации, без которых никакие коды уже не помогут…
                            0
                            Проблема синхронизации всегда есть, что с шумоподобными сигналами, что с любыми другими. Ну и решения, конечно, тоже имеются (возможно, не очевидные, но достаточно эффективные).

                          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.