Способ определения затухания сигнала в распределенной случайной антенне

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «распределенные случайные антенны». Технический результат - повышение точности и достоверности результатов определения затухания А с сигнала в распределенной случайной антенне разветвленной и многоэтажной конфигурацией, возможность автоматизации процесса измерений. Способ определения затухания сигнала на частоте f_c между точками А и В в распределенной случайной антенне включает измерение уровня мощности сигнала P₁ в точке А распределенной случайной антенны, измерение уровня мощности сигнала P₂ в точке В распределенной случайной антенны и расчет затухания сигнала на пути между точками А и В по формуле A_c=20 lg(P₁/P₂), дБ; состоит в том, что возбуждение распределенной случайной антенны осуществляют на частоте субгармоники сигнала f_n=f_c/n с помощью нелинейного элемента, подключенного к распределенной случайной антенне, и измерение уровней мощности сигнала P₁ и P₂ производят на n-ой гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f_c. 8 ил.

 

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

Классификация и свойства случайных антенн рассмотрены в [1-2]. Отличительными признаками РСА являются, во-первых, случайный характер размещения и возбуждения ее линейно протяженных (или плоскостных) токопроводящих элементов (в роли которых могут выступать цепи сигнализации, управления, электропитания, заземления и т.п.). Для обеспечения коммерческой тайны важное значение имеет выявление и перекрытие каналов утечки конфиденциальной информации (КИ) по таким РСА в виде соединительных линий (СЛ), отходящих из подлежащих защите помещений (ПЗП) - офисов, служебных кабинетов, переговорных комнат и кабин, конференц-залов, во внешнюю среду [3].

Во-вторых, существенно разный характер распространения исходного КИ-сигнала внутри ПЗП и КИ-сигналов в СЛ, с помощью которых аппаратура, размещенная в ПЗП, подключается к внешнему общедоступному оборудованию. В результате этого КИ-сигналы могут уходить по РСА далеко за пределы ПЗП и становиться несанкционированно-доступными.

В-третьих, трудности моделирования (математического, физического, компьютерного) СЛ, которые представляют собой РСА: в частности, ни в теории антенн, ни в литературе по защите КИ нет указаний на то, с помощью каких методов и средств можно оценить параметры РСА - например степень затухания КИ-сигнала в занимаемой им полосе частот.

Известны методы определения параметров фидерных линий, в том числе коэффициента затухания α; 1/м или дБ/м [4]. Известно предложение использовать для скрытной связи между абонентами отражающие поверхности с управляемыми нелинейными параметрами [5]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления подробно описан в [6]. Результаты исследований в области нелинейной радиолокации изложены в [7].

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента затухания фидера путем сравнения мощности на входе и выходе ([4], с.170, рис.7.4) (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие операции:

- измерение мощности Р₁, поступающей в фидер длиной L;

- измерение мощности Р₂, выходящей из фидера длиной L;

- определение коэффициента затухания: α=(1/2L)ln(P₁/Р₂), 1/м или непосредственно величины затухания сигнала в фидере длиной L: А_с=20 lg (P₂/Р₂), дБ.

Основным недостатком способа-прототипа, применительно к РСА, является его низкая метрологическая точность, поскольку на практике оказалось невозможно измерить с требуемой методической погрешностью мощность сигнала P₁ в точке А и мощность сигнала P₂ в точке В на участке РСА длиной L, между которыми необходимо найти затухание А_с сигнала на частоте f_c. Это объясняется тем, что помимо электрической связи между точками А и В через РСА имеет место электромагнитная связь между точками А и В через окружающее пространство. Поэтому результаты измерения P₁ и Р₂ несут информацию об уровнях мощности сигнала на частоте f_c, поступающей в измерительный прибор как через РСА, так и через окружающее пространство одновременно. «Пространственная добавка» к уровням P₁ и Р₂ не имеет отношения к РСА и представляет собой негативный фактор, существенно увеличивающий методическую погрешность определения затухания сигнала в РСА.

Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы при определении затухания А_с сигнала между точками А и В в РСА на частоте f_c исключить электромагнитное влияние источника возбуждения РСА на прибор, осуществляющий измерение P₁ и Р₂: во-первых, путем возбуждения РСА на частоте субгармоники f_n=f_c/n, во-вторых, с помощью подключения к РСА нелинейного элемента (НЭ) для увеличения «энергетического веса» сигнала n-ой гармоники частоты возбуждения, то есть сигнала на частоте f_c. При одновременном измерении P₁ и Р₂ с помощью двухканального прибора процесс определения А_с может быть автоматизирован.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения затухания сигнала в РСА путем снижения методической погрешности за счет уменьшения электромагнитного влияния источника возбуждения РСА на измерительный прибор через окружающее пространство. Дополнительным результатом является увеличение уровня измеряемого сигнала за счет возбуждения РСА с помощью НЭ на частоте субгармоники сигнала f_n=f_c/n и возможность автоматизации процесса измерений при использовании двухканального измерителя мощности Р₁ и P₂.

Сущность предлагаемого способа определения затухания сигнала на частоте f_c между точками А и В в распределенной случайной антенне, включающего измерение уровня мощности сигнала P₁ в точке А распределенной случайной антенны, измерение уровня мощности сигнала Р₂ в точке В распределенной случайной антенны и расчет затухания сигнала на пути между точками А и В по формуле А_с=20 lg (P₁/P₂), дБ, состоит в том, что возбуждение распределенной случайной антенны осуществляют на частоте субгармоники сигнала f_n=f_c/n с помощью нелинейного элемента, подключенного к распределенной случайной антенне, и измерение уровней мощности сигнала P₁ и P₂ производят на n-ой гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f_c.

Фиг.1 демонстрирует схему реализации прототипа - известного способа измерения коэффициента затухания фидера (применительно к РСА со сложной многоэтажной структурой) путем сравнения мощности на входе и выходе ([4], с.170, рис.7.4) участка длиной L между точками А и В, где 1 - генератор сигнала для возбуждения РСА на частоте f_c; 2 - устройство возбуждения сигнала в РСА; 3 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 4 - устройство для съема сигнала в точках А и В РСА; 5 - измеритель уровня мощности сигнала на частоте f_c.

Фиг.2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа определения затухания сигнала в РСА, где 1 - генератор сигнала для возбуждения РСА на частоте субгармоники f_n=f_c/n; 2 - устройство возбуждения сигнала в РСА на частоте субгармоники f_n=f_c/n; 3 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 4 - устройства для съема сигнала в точках А и В РСА; 5 - измеритель уровня мощности сигнала на частоте f_c; 6 - нелинейный элемент, подключаемый к РСА.

Фиг.3 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень основного сигнала - 91 дБ, проходящего к измерителю 5 через РСА 3 в виде провода без НЭ и окружающую среду, и уровень основного сигнала - 98,7 дБ, проходящего к измерителю 5 через окружающую среду на расстоянии L=110 м: с 3 на 4 этаж городского здания; 6 - уровень основного сигнала - 97 дБ, проходящего к измерителю 5 через РСА в виде провода без НЭ и окружающую среду, и уровень основного сигнала - 100 дБ, проходящего к измерителю 5 через окружающую среду на расстоянии L=120 м: с 2 на 4 этаж городского здания.

Фиг.4 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень фонового сигнала - 107 дБ для РСА 3 в виде одиночного провода без НЭ на расстоянии L=5 м; б - уровень сигнала второй гармоники - 75,2 дБ для РСА 3 в виде провода с НЭ на расстоянии L=5 м; в - уровень сигнала третьей гармоники - 100 дБ для РСА 3 в виде одиночного провода с НЭ на расстоянии 5 м.

Фиг.5 представляет экспериментальные спектрограммы, где указаны: а) - уровень фонового сигнала - 108 дБ для РСА 3 в виде системы труб без НЭ на расстоянии L=8 м; б - уровень сигнала второй гармоники - 91,6 дБ для РСА 3 в виде системы труб с НЭ на расстоянии L=8 м; в - уровень сигнала третьей гармоники - 100 дБ для РСА 3 в виде системы труб с НЭ на расстоянии 8 м.

Фиг.6 показывает варианты подключения НЭ 6 к РСА 3: а) - гальваническое; б) - индуктивное; в) - емкостное подключение.

На Фиг.7 показаны устройство 2 (в виде рамочной антенны) возбуждения РСА 3 и НЭ 6, подключенный к РСА 3 по варианту Фиг.6б (индуктивное подключение).

На Фиг.8 показано устройство 4 съема сигнала (в виде кольцевой ферритовой антенны) с РСА 3.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.

На первом этапе (см. Фиг.1) генератор 1 сигнала с частотой f_c подключают к РСА 3 через устройство 2 возбуждения РСА (в роли устройства 2 в реальных условиях может выступать передающая антенна, соединенная с генератором 1); измеритель 5 уровня мощности сигнала на частоте f_c подключают через устройство 4 съема сигнала к РСА 3 в точке А, после чего производят измерение уровня мощности Р₁ сигнала в данной точке (в прототипе точка А является входом фидера, в РСА она может находиться в любом произвольном сечении РСА).

На втором этапе устройство 4 съема сигнала и измеритель 5 уровня мощности сигнала отключают от точки А и подключают к РСА 3 в точке В (как это показано на Фиг.1 штриховыми линиями), после чего производят измерение уровня мощности Р₂ сигнала в данной точке (в прототипе точка В является выходом фидера, в РСА она может находиться в любом произвольном сечении РСА).

На третьем этапе в прототипе определяют коэффициент затухания сигнала в фидере длиной L: α=(1/27L)ln(P₁/Р₂), 1/м, а применительно к РСА - непосредственно величину затухания сигнала: А_с=20 lg(P₁/Р₂), дБ.

В условиях решения поставленной задачи: при определении затухания сигнала на частоте f_c между точками А и В в реальной РСА способ-прототип обладает следующими недостатками.

1. Определение уровней мощности сигнала P₁ в точке А и Р₂ в точке В на участке РСА длиной L, где необходимо найти затухание А_с сигнала на частоте f_c, производится с неудовлетворительной методической погрешностью ввиду того, что, помимо устойчивой электрической связи между точками А и В через РСА (которую призвана оценить величина А_с), имеет место неустойчивая электромагнитная связь через окружающую среду между генератором 7 с устройством 2 возбуждения РСА 3, с одной стороны, и измерителем 5 уровня мощности сигнала на частоте f_c, последовательно подключаемым через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точках А и В, с другой стороны.

Это отчетливо видно на спектрограммах Фиг.3а: сигнал на частоте f_c с 3 этажа на 4 этаж (L=110 м) городского здания проходит через РСА в виде одиночного провода и окружающую среду с уровнем - 91 дБ; а через окружающую среду - с уровнем - 98,7 дБ; и Фиг.3б: сигнал на частоте f_c с 2 этажа на 4 этаж (L=120 м) того же здания проходит через ту же РСА и окружающую среду с уровнем - 97 дБ; а через окружающую среду - с уровнем - 100 дБ. На более близких расстояниях L, также представляющих интерес для обеспечения защиты КИ, указанные уровни становятся практически одинаковыми. Все это не позволяет выделить сигнал на частоте f_c, проходящий через РСА из точки А в точку В, на фоне суммарного сигнала, проходящего и через РСА, и через окружающую среду.

2. Уровень суммарного сигнала, проходящего из точки А в точку В и через РСА и через окружающую среду, является нестабильным во времени и пространстве (спектрограммы на Фиг.3 флуктуируют и видоизменяются в значительных пределах). Это дополнительно осложняет процедуру измерения уровней мощности сигнала P₁ в точке А и Р₂ в точке В и увеличивает нежелательную методическую погрешность определения затухания А_с сигнала в РСА на частоте f_c.

Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, при определении затухания А_с сигнала между точками А и В на частоте f_c исключить электромагнитное влияние генератора 1 и устройства 2 возбуждения сигнала (в реальных условиях представляющего собой передающую антенну) на измеритель 5 уровня мощности сигнала через окружающую среду путем возбуждения РСА 3 на частоте субгармоники f_n=f_c/n; во-вторых, с помощью подключения к РСА 3 НЭ 6 увеличить «энергетический вес» сигнала n-ой гармоники частоты возбуждения, то есть сигнала на частоте f_c.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На первом этапе (см. Фиг.2) генератор 1 сигнала с частотой субгармоники f_n=f_c/n через устройство 2 для возбуждения РСА (в роли устройства 2 здесь также может выступать передающая антенна, соединенная с генератором 1) и НЭ 6 подключают к РСА 3; измеритель 5 уровня мощности сигнала подключают через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точке А, после чего производят измерение уровня мощности Р₁ сигнала на n-ой гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f_c, в данной точке.

На втором этапе устройство съема 4 и измеритель 5 уровня мощности сигнала отключают от точки А и подключают к РСА 3 в точке В (как это показано на Фиг.2 штриховыми линиями), после чего производят измерение уровня мощности Р₂ сигнала на частоте f_c в точке В аналогично точке А. При использовании двухканального измерителя 5 уровня мощности сигнала, подключенного к РСА 3 в точках А и В одновременно, необходимость в переподключении измерителя 5 уровня мощности сигнала из точки А в точку В отпадает.

На третьем этапе величину затухания сигнала на частоте f_c между точками А и В в РСА определяют по формуле А_с=20 lg (P₁/Р₂), дБ.

В отличие от способа-прототипа, предлагаемый способ, во-первых, позволяет «развязать» по частоте операцию возбуждения РСА 3 (на частоте f_n=f_c/n) и операции измерения уровней мощности сигнала в точках А и В (на частоте f_c), поэтому влияние неустойчивой электромагнитной связи через окружающую среду между генератором 1 с устройством 2 возбуждения РСА 3, с одной стороны, и измерителем 5 уровня мощности сигнала на частоте f_c, подключаемым через устройство съема сигнала 4 к РСА 3 в точках А и В, с другой стороны, практически отсутствует - независимо от величины расстояния L между точками А и В в РСА.

Во-вторых, возбуждение РСА 3 через НЭ 6 существенно увеличивает общий уровень сигнала в РСА на частоте f_c на фоне шумов, поэтому измеритель 5 мощности сигнала в точках А и В работает при более высоких отношениях «сигнал/шум» по сравнению с прототипом, что также положительно влияет на метрологическую точность определения затухания А_с.

Спектрограммы уровней сигнала на гармониках частоты f_n=890 МГц, представленные на Фиг.4-5, подтверждают это. Для РСА в виде одиночного провода без НЭ 6 при L=5 м (см. Фиг.4а) уровень фонового сигнала равняется - 107 дБ; для РСА в виде провода с НЭ в тех же условиях (см. Фиг.4б и Фиг.4в) уровень сигнала 2 гармоники (на частоте f_c=1780 МГц): - 75,2 дБ и уровень сигнала 3 гармоники (на частоте f_c=2670 МГц): - 100 дБ.

Аналогичным образом для РСА в виде системы разветвленных (отопительных, водопроводных) труб без НЭ 6 при L=8 м (см. Фиг.5 а) уровень фонового сигнала равняется - 108 дБ; для РСА в виде системы труб с НЭ в тех же условиях (см. Фиг.5б и Фиг.5в) уровень сигнала 2 гармоники (на частоте f_c=1780 МГц): - 91,6 дБ и уровень сигнала 3 гармоники (на частоте f_c=2670 МГц): - 100 дБ.

Из Фиг.4-5 отчетливо видно, что предлагаемый способ, использующий подключение к РСА 3 НЭ 6, позволяет определить затухание А_с на требуемых расстояниях между точками А и В (в том числе при L<10 м) с метрологической точностью, соответствующей инструментальной погрешности измерителя 5 мощности сигнала, так как при n=2 уровень сигнала на частоте f_c на 17-31,8 дБ превышает уровень шумового фона, и даже при n=3 превышение стабильно составляет 7-8 дБ - в отличие от прототипа, где превышения порядка 3-7 дБ фиксируются в нестабильных условиях при L=110-120 м.

Варианты реализации способа подключения НЭ 6 (в виде СВЧ германиевого модуляторного диода Д401) к РСА 3 (гальваническое, индуктивное, емкостное) показаны на Фиг.6. Гальваническое подключение (последовательное или параллельное) НЭ 6 к РСА 3 производится с помощью пайки или резьбового соединения проводов, подключенных к НЭ 6, индуктивное - путем намотки проводов, соединенных с НЭ 6, на участок РСА 3; емкостное - с помощью металлодиэлектрических накладок (зажимов), соединенных проводами с НЭ 6 и устанавливаемых на участок РСА 3.

При экспериментальном определении затухания А_с использовались варианты реализации устройства 2 возбуждения РСА 3 в виде вибраторной и рамочной антенн (вариант возбуждения РСА 3 в виде системы металлических труб через рамочную антенну иллюстрирует Фиг.7). Устройство 4 съема сигнала представляло собой кольцевую ферритовую антенну (внешний вид для РСА 3 в виде системы металлопластиковых труб см. на Фиг.8); в качестве измерителя 5 уровня мощности сигнала в РСА 3 использовался анализатор спектра производства Rode & Schwarz.

Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и легко поддается автоматизации при использовании двухканального измерителя 5 мощности сигнала в РСА 3.

Литература

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

2. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Орлов А.Б. Многоканальные случайные антенны // Инфокоммуникационные технологии. Т.5, №4, 2007. - С.47-52.

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

4. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенн. М.: Связьиздат, 1962. 316 с.

5. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г, Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2271065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, Бюл. №6.

6. 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.

7. Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 1. М.: Радиотехника, 2005. - 96 с.

Способ определения затухания сигнала на частоте f_c между точками А и В в распределенной случайной антенне, включающий измерение уровня мощности сигнала P₁ в точке А распределенной случайной антенны, измерение уровня мощности сигнала Р₂ в точке В распределенной случайной антенны и расчет затухания сигнала на пути между точками А и В по формуле A_c=20lg(P₁/P₂), дБ, отличающийся тем, что возбуждение распределенной случайной антенны осуществляется на частоте субгармоники сигнала f_n=f_c/n с помощью нелинейного элемента, подключенного к распределенной случайной антенне, и измерение уровней мощности сигнала P₁ и Р₂ производится на n-й гармонике частоты возбуждения, численно равной частоте f_c.