Способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны

Способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенными термином «случайные антенны» (СА).

Наличие антенн (передающих, приемных, приемо-передающих) является характерным признаком любой радиосистемы и любого радиоканала. При этом под антенной понимается любое радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования (как прямого, так и обратного) электромагнитной (ЭМ) энергии связанных волн в энергию свободно распространяющихся ЭМ волн (радиоволн).

К СА относятся излучатели ЭМ волн (источники ЭМ полей), не соответствующие либо традиционным схемам построения антенн, либо условиям, в которых принято определять их рабочие характеристики. Согласно [1-2], СА конструктивно входят в состав выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников, размещаются случайным образом в случайно-неоднородных средах, представляют собой совокупность модулей стационарного и подвижного базирования, а также просто отсутствуют в явном виде - например, если. речь идет об ЭМ излучении элементов ЭВМ. Специфическими особенностями СА являются неопределенность их геометрических (число, размеры, пространственное расположение, ориентация элементов и т.д.) и электрических (уровни излучения, число каналов излучения и приема, рабочие частоты и т.д.) характеристик. Задача экспериментального определения параметров реальных многоканальных СА имеет в настоящее время важное значение для решения целого ряда прикладных задач: связанных с обеспечением электромагнитной совместимости и безопасности для окружающей среды радиосредств различного назначения, защитой конфиденциальной информации (КИ) от утечки по ЭМ каналам в инфокоммуникационных сетях [2-3] и т.д.

Известны методы определения параметров радиоэлектронных средств, характеризующие их взаимную электромагнитную совместимость [4-8]. Эти методы включают известные способы определения интермодуляционных (ИМ) характеристик [4-5], а также предложение использовать ИМ каналы для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [8]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [9].

Наиболее близким по технической сущности является способ определения уровней побочных ЭМ излучений ИМ типа по полю [5, с.63-66, рис.3.7] (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие основные операции:

- воздействие на контрольный передатчик с частотой f_с ЭМ излучением дополнительного передатчика с частотой ƒ_∂;

- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;

- расчет частот ИМ составляющих ƒ_u2=|ƒ_c±ƒ_∂| второго порядка; ƒ_u3=2ƒ_c±ƒ_∂; ƒ_u3=2ƒ_∂±ƒ_c третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка ƒ_i=|mƒ_c±nƒ_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1: 2; 3…;

- измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте ƒ_c контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;

- измерение уровней мощности Р_i, (или напряжения U_i) ИМ составляющих, создаваемых на частотах ƒ_i на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков;

- расчет относительных уровней χ_им для сигналов (или пересчет для ЭМ полей) для всех ИМ составляющих ƒ_i=ƒ_u2; ƒ_u3;…|mƒ_c±nƒ_∂| с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.

Основным недостатком способа-прототипа является невозможность одновременного выявления и оценки с его помощью всех возможных каналов утечки КИ в СА, возникающих за счет ИМ эффектов. Кроме того, относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности P_c и P_i (или напряжений U_c и U_i,) на частотах ƒ_с и ƒ_i сигналов на входе измерительного приемника, тогда как предпочтительным, с точки зрения снижения погрешности измерений, является прямой способ определения χ_им. Кроме того, в реальных СА ни частота ƒ_c, ни структурная схема контролируемого передатчика и его параметры заранее не известны, а подключать и калибровать какие-то элементы измерительного тракта, включая измерительный приемник непосредственно к СА (без чего нельзя определить значения χ_им, с помощью способа-прототипа) невозможно.

Решение проблемы состоит в том, чтобы, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой ƒ_∂ использовать шумовой сигнал в полосе частотƒ_∂.min÷ƒ_∂.max с помощью подключенного к дополнительному передатчику генератора шума (noise generator) и, во-вторых, определять значения χ_им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах ƒ_c и ƒ_i.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности результатов определения параметров СА, относящихся ко всем каналам утечки КИ, потенциально возможных в ней. Дополнительным результатом является повышение эффективности процесса определения параметров СА за счет возможности его автоматизации.

Предлагаемый способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой ƒ_с электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой ƒ_∂; расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны ƒ_i=|mƒ_c±nƒ_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте ƒ_c случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р_c, (или напряжения U_i) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах ƒ_i на входе измерительного приемника при совместной работе случайной антенны и дополнительного передатчика и расчет относительных уровней χ_им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами ƒ_i=|mƒ_c±nƒ_∂| по формулам

где К_c и K_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта, соответственно, на частотах ƒ_c и ƒ_i; при этом с помощью измерительного приемника определяют неизвестную частоту ƒ_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитывают минимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.min=f_с-f_min; если f_c>f_∂;

f_∂.min=f_с+f_min, если f_∂>f_c,

и максимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.max=(f_max-mf_c)/n;

с помощью генератора шума, подключенного к дополнительному передатчику, осуществляют внешнее воздействие на случайную антенну в полосе частот ƒ_∂.min÷ƒ_∂.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i, (или напряженности электрического поля E₀ и E_i), соответственно, на частотах ƒ_c и ƒ_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ_им интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам

На Фиг.1 приведена структурная схема аппаратурной реализации прототипа - известного способа определения уровней побочных излучений ИМ типа по полю (см. [5], с.63, рис.3.7), где l - дополнительный передатчик; 2 - направленный ответвитель; 3 - контролируемый передатчик; 4 - фильтр; 5 - аттенюатор; 6 - измерительный приемник; 7 - экранированная камера.

На Фиг.2 приведена структурная схема реализации предлагаемого способа определения параметров СА, где l - дополнительный передатчик; 2 - генератор шума; 3 - исследуемая СА; 4 - измерительный приемник; 5 - оконечное устройство.

Предлагаемый способ осуществления следующим образом.

Рассмотрим отличия предлагаемого способа от способа-прототипа. В способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту ƒ_с; на дополнительном передатчике 1 - частотуƒ_∂ с заданной расстройкой Δƒ=ƒ_c-ƒ_∂ (знак и значения расстройки Δƒ определяют значения ИМ частот 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка ƒ_u3). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту ƒ_c и производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на частоте ƒ_c измерительного тракта Кс). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте ƒ_c производят измерение мощности Р_c (или напряжения U₀) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего контролируемый передатчик 3 выключают.

На втором этапе определяют частоты ИМ составляющих второго порядка:

F_u2=f_c+f_∂=2f_∂+Δf; f_u2=f_c-f_∂=Δf; если f_c>f_∂;

F_u2=f_c+f_∂=2f_c+Δf; f_u2=f_∂+f_c=Δf; если f_∂>f_c;

и частоты ИМ составляющих третьего порядка:

F_u3=2f_c+f_∂=2f_∂+f_с+Δf; f_u3=2f_c-f_∂=f_c+Δf; если f_c>f_∂;

F_u3=2f_∂+f_c=2f_c+f_∂+Δf; f_u3=2f_∂-f_c=f_∂+Δf; если f_∂>f_c.

На частотах ИМ составляющих 2-го порядка ƒ_u2 и 3-го порядка ƒ_u3 производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на i-ой частоте ƒ_i; где i=1÷4, измерительного тракта К_i).

На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте ƒ_c и дополнительный передатчик 1 на частоте ƒ_∂ одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ составляющих ƒ_i и каждый раз измеряют мощность P_i (или напряжение U_i) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им рассчитывают по формулам

Применительно к условиям решаемой задачи: исследованию эффективности реальных СА, способ-прототип обладает следующими недостатками.

1. Любого единственного значения расстройки Δƒ (любого единственного значения частоты внешнего воздействия на СА - в обозначениях прототипа это частота ƒ_∂) недостаточно для того, чтобы выявить все возможные каналы утечки КИ в СА, возникающие за счет ИМ эффектов.

2. Относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им в прототипе определяются путем пересчета значений уровня мощности Р_с и Р_i (или напряжения U_c и U_i) на частотах ƒ_с и ƒ_i сигналов на входе измерительного приемника 6 с учетом результатов предварительной калибровки измерительного тракта К_с; К_i, что связано с ростом погрешности определения χ_им (ввиду влияния погрешности измерения указанных величин) по сравнению с определением значения χ_им, непосредственным путем - по результатам измерения уровней ЭМ излучения на частотах ƒ_с и ƒ_i.

3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения ƒ_с; подключать и калибровать элементы измерительного тракта (направленный ответвитель, фильтр, аттенюатор); подключать измерительный приемник непосредственно к СА - без чего определить значения χ_им с помощью способа-прототипа невозможно.

Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой ƒ_∂ использовать шумовой сигнал в полосе частот ƒ_∂.min÷ƒ_∂.max путем подключения к дополнительному передатчику генератора шума и, во-вторых, определять значения χ_им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах ƒ_c и ƒ_i.

В предлагаемом способе на первом этапе с помощью измерительного приемника 4 и оконечного устройства 5 определяется частота ƒ_c сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2), и так как полоса частот ƒ_min÷ƒ_max измерительного приемника 4 известна, на основании равенств

f_min=f_c-f_∂; если f_c>f_∂;

f_min=f_∂-f_c; если f_∂>f_c,

определяется ƒ_∂.min - минимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика 1:

f_∂.min=f_c-f_min; если f_c>f_∂;

f_∂.min=f_c+f_min; если f_∂>f_c.

Максимально-возможное значение частоты ƒ_∂ при этом ищется из условия

f_max=mf_c+nf_∂;

откуда следует

f_∂.max=(f_max-mf_c)/n.

На втором этапе с помощью генератора шума 2, подключенного к дополнительному передатчику 7, осуществляют внешнее воздействие на СА 3 в пределах полосы частот ƒ_∂.min÷ƒ_∂.max. При этом с помощью оконечного устройства 5, подключенного к измерительному приемнику 4, фиксируют и измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i, (или напряженности электрического поля E₀ и Е_i) на частотах ƒ_c и ƒ_i сигналов в месте расположения измерительного приемника 4.

На третьем этапе относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ_им рассчитывают по формулам

В отличие от прототипа предлагаемый способ, во-первых, позволяет определить все возможные каналы утечки КИ в СА, которые могут быть обнаружены в полосе ƒ_min÷f_max измерительного приемника 4. Во-вторых, необходимость в калибровке элементов измерительного тракта отпадает, поскольку для определения χ_им используются измеренные значения уровней плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля E₀ и Е_i) на частотах ƒ_c и ƒ_i в месте расположения измерительного приемника 4, а не уровней мощности Р₀ и Р_i (или напряжения U_o и U_i) сигналов в измерительном тракте приемника 4 (в прототипе - приемника 6). В-третьих, измерительный приемник 4 и оконечное устройство 5 могут быть выполнены в виде единого устройства - например анализатора частотного спектра сигнала (производства Rode & Schwarz и др.) с цифровым выходом. В-четвертых, при реализации оконечного устройства 5 в виде панорамного видеоиндикаторного прибора результат исследования СА может быть получен как в виде спектрограммы - графика частотной зависимости χ_им (ƒ), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках χ_им (ƒ_i), что обеспечивает дополнительные сервисные удобства при интерпретации полученных результатов.

Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и позволяет наглядно контролировать структуру исследуемых ЭМИ путем визуального анализа спектрограмм. Поскольку оконечное устройстве 5 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс определения χ_им(ƒ) и χ_им(ƒ_i) легко поддается автоматизации.

Источники информации

1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - С.12-15.

2. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.

3. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Защита информации: аспект электромагнитной совместимости и безопасности // Вестник связи. 2005. №2. - С.65-72.

4. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.

5. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.

6. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. - 120 с.

7. Воронин Е.Н., Шашенков В.Ф. Микроволновая селективная голография. М.: Радио и связь, 2003. - 535 с.

8. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г, Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2271065 C1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюлл. №6.

9. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.

Способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂, расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1, 2, 3…; n=1, 2, 3…; измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте f_c случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р_i (или напряжения U_i) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах f_i на входе измерительного приемника при совместной работе случайной антенны и дополнительного передатчика, и расчет относительных уровней χ_им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами f_i=|mf_c±nf_∂| по формулам где К_с и К_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f_c и f_i, отличающийся тем, что с помощью измерительного приемника определяют неизвестную частоту f_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитывают минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:f_∂.min=f_с-f_min; если f_c>f_∂;f_∂.min=f_с+f_min, если f_∂>f_c,и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:f_∂.max=(f_max-mf_c)/n,с помощью генератора шума, подключенного к дополнительному передатчику, осуществляют внешнее воздействие на случайную антенну в полосе частот |f_∂.min÷f_∂.max| и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и Е_i) соответственно на частотах f_c и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ_им интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам