Разработка и исследование модели отражателя-модулятора (WinWord zip-1Mb) - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
задание на дипломную работу
реферат
РАССМАТРИВАЕТСя МОДЕЛЬ ПЕРЕИЗЛУчАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ В ВИДЕ ЭЛЕКТРИчЕСКОГО
ВИБРАТОРА, ПАРАЛЛЕЛЬНО ВХОДНЫМ ЗАЖИМАМ КОТОРОГО ВКЛЮчёН НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ,
ОСУЩЕСТВЛяЮЩИЙ МОДУЛяЦИЮ ПЕРЕИЗЛУчёННОЙ ВОЛНЫ В СООТВЕТСТВИИ С ЗАКОНОМ
ИЗМЕНЕНИя МОДУЛИРУЮЩЕГО НАПРяЖЕНИя, ПРИЛОЖЕННОГО К ЭТОМУ НЕЛИНЕЙНОМУ
ЭЛЕМЕНТУ.
В качестве нелинейного элемента, в первом случае, используется
полупроводниковый диод, моделью которого является нелинейный резистор, во
втором – варикап, упрощенной моделью которого является нелинейная ёмкость.
Наличие нелинейного элемента, в общем случае, приводит к появлению в
вибраторе токов высших гармоник падающей волны, что приводит к излучению на
кратных частотах модулированных сигналов.
Задачей анализа является нахождение токов основной и высших гармоник
вибратора, позволяющих рассчитать параметры модуляции, как первой, так и
высших гармоник тока, а также средние амплитуды напряжённости поля в точке
приёма каждой из гармоник.
Для выполнения анализа предложена модель вибратора в виде
электрической цепи. Эта модель справедлива, в первом приближении, как для
основной, так и для высших гармоник тока вибратора. Таким образом,
электродинамическая задача сводится к задаче анализа нелинейной
электрической цепи, решение которой предполагается выполнить с применением
ПЭВМ.
Содержание
ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ 2
реферат 3
Содержание 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ – МОДУЛЯТОРА. 7
1.1. Физические принципы работы 8
1.2. Некоторые сведения о работе сотовой связи GSM. Основные параметры
зондирующего сигнала 8
1.3. Основные параметры модулирующего сигнала 9
2. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ 11
2.1. Распределение тока по вибратору 11
2.2. Расчёт входного сопротивления вибратора 12
2.3. Диаграмма направленности симметричного вибратора 16
2.4. Схема замещения нелинейного резистора 19
2.5. Схема замещения нелинейной ёмкости 19
3. СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОТРАЖАТЕЛЯ – МОДУЛЯТОРА 20
3.1. Построение математической модели вибратора 22
3.1.1. Анализ возможного вида схемной функции 22
3.1.2. Построение схемной функции 24
3.1.3. Нахождение коэффициентов схемной функции 25
3.1.4. Синтез электрической цепи 25
3.2. Составление математической модели модулирующей части 26
3.3. Построение общей математической модели отражателя – модулятора 27
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОДУЛЯТОРА НА ДИОДЕ 28
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА НА ПЭВМ 34
5.1. Исходные данные для программы 34
5.2. Схема эксперимента 35
5.3. Блок-схема программы 35
5.4. Результаты работы программы 36
6. РАСЧЁТ МОЩНОСТИ СИГНАЛА НА ВЫХОДЕ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 42
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные расчётные формулы для вычисления коэффициентов.
43
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 44
перечень документов дипломной работы 74
ВВЕДЕНИЕ
ИНФОРМАЦИя – ЭТО, ВО-ПЕРВЫХ, ЗНАНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО НОВОГО ТИПА,
ПРИГОДНОЕ ДЛя ДАЛЬНЕЙШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИя, ВО-ВТОРЫХ, ЗНАНИЕ, ПРОИЗВОДСТВО,
ХРАНЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ КОТОРОГО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО СТАНОВИТСя ВСё БОЛЕЕ ВАЖНОЙ
ДЛя ОБЩЕСТВА, ДЕяТЕЛЬНОСТЬ КОТОРОГО ПОРОЖДАЕТ СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ЕМУ ТЕХНИКО-
ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ. ОДНОЙ ИЗ ТАКИХ СТРУКТУР яВЛяЮТСя ОРГАНИЗАЦИИ,
ЗАНИМАЮЩИЕСя НЕСАНКЦИОНИРОВАННЫМ ПОЛУчЕНИЕМ ИНФОРМАЦИИ, С ЦЕЛЬЮ ИЗВЛЕчЕНИя
ПРИБЫЛИ, Т.Е. ШПИОНАЖЕМ.
На органы разведки возлагаются задачи по контролю за соблюдением
государственных и военных тайн, выявлению незаконной экономической практики
и действий, наносящих ущерб государственным интересам, выполнению
экономических соглашений, по оценке запасов сырьевых ресурсов, возможных
прорывов в технологии.
Аналогично разведслужбам сбором информации, только в более скромных
масштабах, занимаются практически все корпорации, так как это является
непременным условием их выживания в жёсткой конкурентной борьбе.
Целью данной работы является моделирование системы перехвата речевой
информации с помощью отражателя – модулятора, которая реально используется
или может быть использована в России.
Система является полуактивным отражателем – модулятором, работающим на
частотах портативных абонентских станций сотовой связи. Основой системы
является полуволновой вибратор (для зондирующего сигнала), в котором
параллельно зажимам подключён варикап или диод, с параллельно или
последовательно включённым микрофоном (рис 1.1). Напряжение с микрофона
меняет ёмкость варикапа или сопротивление диода, тем самым, изменяя входное
сопротивление вибратора, следовательно, амплитуду и фазу отражённой волны
при зондировании вибратора внешним электромагнитным полем. Размеры
вибратора и параметры согласующих элементов системы подобраны, таким
образом, что вся система резонирует на внешнее излучение частот сотовых
станций и кратных им.
[pic]
Рис 1.1. Структура системы перехвата.
Главное достоинство такого вида модулятора – невозможность обнаружения
при отсутствии внешнего облучения.
В соответствии с постановкой задачи необходимо рассчитать зависимость
параметров модуляции отражённого сигнала на кратных гармониках от мощности
зондирующего сигнала как функцию расстояния от источника зондирующего
сигнала до вибратора и от вибратора до приёмника. При этом необходимо
учесть возможность экранировки пространства между источником зондирующего
сигнала и отражателем – модулятором.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ – МОДУЛЯТОРА.
Отражатель – модулятор, в том или ином исполнении, используется
достаточно давно для перехвата речевой информации. Принцип работы основан
на зависимости параметров нелинейного элемента от состояния воздушной
среды, которое в свою очередь определяется наличием в окружающем
пространстве звуковых волн. С помощью звуковых волн люди общаются между
собой, поэтому именно в канале связи «человек – воздушное пространство -
человек» происходит перехват информации с помощью отражателя - модулятора.
Отражатель – модулятор (закладка) размещается в помещении, где
происходят интересующие разведывательную сторону разговоры. При этом
закладка может быть специально создана, или представлять собой устройство,
непреднамеренно расположенное в помещении, с ярко выраженной нелинейностью,
параметры которой значительно зависят от звуковых колебаний, например,
радиоприёмник с воздушным конденсатором.
Почему отражатель – модулятор получил широкое применение при
несанкционированном доступе к речевой информации? Наверное, первое его
достоинство состоит в возможности съёма информации с помещения, куда нет
прямого доступа, а с помощью высокочастотного навязывания этот доступ
получить можно. В этом случае мы видим пример использования какого-либо
предмета или устройства в качестве отражателя модулятора. Бывают случаи,
когда мы всё-таки можем получить доступ на короткий промежуток времени,
тогда появляется случай сделать в помещении ранее изготовленную закладку.
Эта закладка обладает преимуществом, поскольку её параметры соответствуют
оптимальным для перехвата.
С развитием этой области, подобной утечке информации появились
адекватные меры противодействия, из-за её плохой скрытности, связанной с
необходимостью значительного облучения помещения высокочастотным сигналом
(зондирующий сигнал). Зондирующий сигнал может быть легко обнаружен
стандартными методами регистрации электромагнитного поля. Обеспечить
необходимую скрытность помогло предложение, заключающиеся в применении
электромагнитных волн, используемых в системах сотовой связи, в качестве
зондирующего сигнала.
1 Физические принципы работы
Рассмотрим физические принципы работы отражателя – модулятора.
Специально созданная закладка представляет собой антенну – вибратор, к
входным зажимам которого подключен нелинейный элемент (варикап, диод и
т.п.) и микрофон или стетоскоп. Электродвижущая сила, возникающая на концах
микрофона или стетоскопа, меняет параметры нелинейного элемента.
Подразумевается, что входное сопротивление закладки согласовано на
частоте зондирующего сигнала с сопротивлением модулирующего звена. Это
условие является необходимым для максимальной передачи энергии зондирующего
сигнала, в энергию отражённых сигналов с частотами, кратными частоте
зондирующего. Итак, закладка облучается высокочастотным гармоническим
сигналом, поскольку её сопротивление согласовано с сопротивлением
модулирующей части, то половина энергии падающей электромагнитной волны,
остаётся в вибраторе (антенне), т.е. излучается обратно, а вторая половина
поглощается в модулирующей части [1].
Главным элементом модулирующей части является нелинейность. Из
теоретических основ радиотехники известно, что при прохождении
гармонического сигнала через нелинейную цепь, спектр выходного сигнала
обогащается гармониками, с частотами кратными входному. В модулирующей
части появляются гармоники основной частоты, причём, если параметры
нелинейного элемента зависят от состояния внешнего воздушного пространства,
то и параметры этих гармоник (амплитуда и фаза) зависят от звуковых
колебаний распространяющихся в воздушном пространстве. Поскольку
модулирующая часть представляет собой двухполюсник, то токи с кратными
частотами начинают протекать в вибраторе. Отсюда следует, что токи частот,
кратных основной (и чьи параметры зависят от звуковых колебаний,
распространяющихся в подслушиваемом помещении), излучаются в свободной
пространство, поэтому существует возможность их приёма и обработки.
2 Некоторые сведения о работе сотовой связи GSM. Основные параметры
зондирующего сигнала
В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования
спектра частот подвижной радиосвязи в диапазоне частот 890 – 960 МГц,
стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему
подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах
частот: 890 – 960 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935 – 960
МГц (для передатчиков базовых станций - BTS).
В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с
минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в
рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая
обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и
отключение передатчика в паузах и конце разговора.
В табл. 1.1. сведены основные сведения о системе сотовой связи GSM
[3].
Таблица 1.1. Основные характеристики стандарта GSM
|Частоты передачи подвижной станции и приёма базовой |890 – 915 |
|станции, МГц | |
|Частоты приёма подвижной станции и передачи базовой |935 – 960 |
|станции, МГц | |
|Дуплексный разнос частот приёма и передачи, МГц |45 |
|Скорость передачи сообщения в радиоканале, кбит/с |270, 833 |
|Ширина полосы канала связи, кГц |200 |
|Максимальное количество каналов связи |124 |
|Максимальное количество каналов, организуемых в |16 – 20 |
|базовой станции | |
|Вид модуляции |GMSK |
|Индекс модуляции |ВТ 0,3 |
|Ширина полосы предмодуляционного гауссовского |81,2 |
|фильтра, кГц | |
|Количество скачков по частоте в секунду |217 |
|Временное разнесение в интервалах TDMA кадра |2 |
|(передача/приём) для подвижной станции | |
|Вид речевого кодека |PRE/LTP |
|Максимальный радиус соты, км |До 35 |
3 Основные параметры модулирующего сигнала
Для исследования отражателя - модулятора речевой сигнал (модулирующее
колебание) берётся в виде гармонического колебания с частотой 3 кГц. Это
обусловлено отсутствием применения каких-либо особенностей человеческой
речи при перехвате информации данным способом.
ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ
Для моделирования отражателя – модулятора необходимо проанализировать
литературу по этой теме. Из-за закрытости этой темы, литературу на прямую
связанную с ней, найти трудно, поэтому приходится рассматривать
моделирование элементов отражателя- модулятора по отдельности. Первый
элемент, который мы рассмотрим, будет симметричный вибратор.
1 Распределение тока по вибратору
Все основные характеристики симметричного вибратора определяются
размерами провода вибратора и распределением тока вдоль него. Поэтому
расчёт симметричного вибратора начинается с выяснения закона распределения
тока.
Задача о нахождении точного значения тока на вибраторе имеет историю,
исчисляемую десятилетиями. Тем не менее, до сего времени эта задача до
конца не решена, хотя получен ряд хороших приближений.
Однако при решении большинства практических задач знания точного
решения не требуется. Необходимые данные о параметрах симметричного
вибратора могут быть получены инженерным методом при использовании
приближённого выражения функции распределения тока.
Общепринятый инженерный метод предполагает, что симметричный вибратор
в отношении распределения тока представляет собой двухпроводную линию с
потерями, ненагруженную на конце (холостой ход). Многочисленные
экспериментальные данные и опыт проектирования антенн типа «симметричный
вибратор» подтверждают правильность такого подхода. Поэтому независимо от
угла раствора проводов вибратора распределение тока и напряжения
принимается в виде стоячей волны соответственно с нулём и максимумом на
свободных концах вибратора. Причём в силу потерь на излучение в узлах
стоячих волн ток и напряжение не достигают нулевого значения.
Что касается тепловых потерь в скин–слое вибратора, то они обычно в
сравнении с потерями на излучение малы и не вносят сколь-нибудь заметного
дополнительного затухания.
Таким образом, распределение тока вдоль вибратора записывается в виде:
[pic]
где (=(-i( - постоянная распространения волны тока вдоль провода
эквивалентной двухпроводной линии;
l – длина одного плеча вибратора;
In – ток в пучности стоячей волны, связанный с током на входе
вибратора I0 соотношением:
I0=Insin(l,
(2.2).
Из теории длинных линий известно, что фазовая постоянная ( и
коэффициент затухания ( определяются формулами:
[pic]
где R1, L1, C1 – соответственно погонные сопротивления полезных и
тепловых потерь, индуктивность и ёмкость линии.
2 Расчёт входного сопротивления вибратора
Способность антенны излучать оценивается по так называемому
сопротивлению излучения R(. Оно представляет собой отношение полной
излучённой мощности Р( к квадрату тока в антенне. Чем больше оказывается
излучённая мощность при фиксированной величине тока, тем больше излучающая
способность антенны и тем больше её R(. Антенна с хорошей излучающей
способностью может излучить ту же мощность, но при меньших значениях тока,
чем в антенне с плохой излучающей способностью.
Сопротивление излучения определяется формулой:
[pic],
(2.6)
Расчётная формула R( для симметричного вибратора сложна и мало
пригодна для инженерных расчётов. Это связано со сложностью интегрирования
вектора Пойнтинга по сферической поверхности даже в тех случаях, когда
подынтегральная функция, пропорциональная квадрату диаграммы
направленности, сравнительна проста. Поэтому на практике пользуются готовым
результатом расчёта (см. табл.2.1. и рис 2.1).
Таблица 2.1. Значения сопротивления излучения.
|l/( |R(П,Ом |l/( |R(П,Ом |l/( |R(П,Ом |
|0,125 |6,4 |0,325 |144 |0,525 |185 |
|0,150 |13 |0,350 |168 |0,550 |166 |
|0,175 |23 |0,375 |187 |0,575 |145 |
|0,200 |36 |0,400 |200 |0,600 |121 |
|0,225 |54 |0,425 |209 |0,625 |105 |
|0,250 |73,1 |0,450 |212 |0,650 |93 |
|0,275 |96 |0,475 |210 |0,675 |87 |
|0,300 |120 |0,500 |199 |0,700 |85 |
[pic]
Рис. 2.1. Зависимость сопротивления излучения симметричного вибратора от
его длины.
Входное сопротивление симметричного вибратора определяется через
напряжение и ток на входе антенны. Поскольку мы считаем закон распределения
тока и напряжения известным из теории длинных линий с потерями, то,
очевидно, что для расчёта входного сопротивления мы должны использовать ту
же самую теорию. Поэтому расчёт ведётся по известной формуле для длинной
линии с затуханием:
[pic]
где WВ – волновое сопротивление эквивалентной двухпроводной линии,
заменяющей собой вибратор;
l – длина эквивалентной линии, равная длине одного плеча вибратора;
( и ( - составляющие постоянной распространения в эквивалентной
линии;
Надо сказать, что эквивалентное волновое сопротивление вибратора WВ не
совпадает с волновым сопротивлением W линии, выполненной из тех же
проводов, что и вибратор. Известно, что волновое сопротивление линии с
распределёнными параметрами определяется отношением погонной индуктивности
и ёмкости (2.5) в предположении, что L1 и C1 постоянны на всём
рассматриваемом участке линии. Но в симметричном вибраторе погонные L1 и C1
изменяются вдоль провода, и их отношение не обязательно должно оставаться
постоянным. Поэтому при расчёте симметричного вибратора используется
некоторое эффективное (усреднённое) волновое сопротивление, обозначенное
через WВ. В силу того, что распределение L1 и C1 по вибратору зависит от
его длины, значение WВ также оказывается зависящим от длины вибратора и
равным:
[pic] (2.8)
где d – диаметр провода вибратора.
Постоянная распространения (=(-i( также определяется через эффективные
распределённые параметры по формулам, аналогичным (2.3)-(2.5):
где [pic]
Точность равенства (2.10) зависит от величины коэффициента затухания (
или точнее от отношения 2(/k.
В случае симметричного вибратора активные потери определяются
сопротивлением излучения, которое зависит только от длины вибратора, и в
свободном пространстве не может быть изменено, если электрическая длина
антенны фиксирована и мало меняется. Поэтому добротность эквивалентного
контура может быть изменена только за счёт характеристического
сопротивления, то есть за счёт реактивных элементов. Последние (2.5)
связаны непосредственно с волновым сопротивлением WВ и, следовательно, с
диаметром провода вибратора (2.8). Когда необходимо использовать
симметричный вибратор в широкой полосе частот и требуется плавное и по
возможности меньшее изменение ZВХ (малая добротность), прибегают к
вибраторам со значительным поперечным сечением провода. При этом провод
вибратора не обязательно должен быть круглым и сплошным, его можно
выполнить из полой трубы или плоской ленты или аналогичных сетчатых
металлических поверхностей.
3 Диаграмма направленности симметричного вибратора
Диаграмма направленности симметричного вибратора может быть получена с
помощью метода, имеющего большое значение в теории и технике антенн и
применяющегося для получения диаграмм
|
