заданиена дипломную работу
реферат
Рассматривается модель переизлучающей системы в видеэлектрического вибратора, параллельно входным зажимам которого включённелинейный элемент, осуществляющий модуляцию переизлучённой волны всоответствии с законом изменения модулирующего напряжения, приложенного к этомунелинейному элементу.
В качестве нелинейного элемента, в первом случае, используетсяполупроводниковый диод, моделью которого является нелинейный резистор, вовтором – варикап, упрощенной моделью которого является нелинейная ёмкость.Наличие нелинейного элемента, в общем случае, приводит к появлению в вибраторетоков высших гармоник падающей волны, что приводит к излучению на кратныхчастотах модулированных сигналов.
Задачей анализа является нахождение токов основной и высшихгармоник вибратора, позволяющих рассчитать параметры модуляции, как первой, таки высших гармоник тока, а также средние амплитуды напряжённости поля в точкеприёма каждой из гармоник.
Для выполнения анализа предложена модель вибратора в видеэлектрической цепи. Эта модель справедлива, в первом приближении, как дляосновной, так и для высших гармоник тока вибратора. Таким образом,электродинамическая задача сводится к задаче анализа нелинейной электрическойцепи, решение которой предполагается выполнить с применением ПЭВМ.
Содержание
TOC o «1-5» задание надипломную работу… PAGEREF_Toc476461427 h 2
реферат… PAGEREF_Toc476461428 h 3
Содержание… PAGEREF_Toc476461429 h 4
ВВЕДЕНИЕ… PAGEREF_Toc476461430 h 5
1. ОБЛАСТЬПРИМЕНЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ – МОДУЛЯТОРА.… PAGEREF_Toc476461431 h 7
1.1. Физическиепринципы работы… PAGEREF_Toc476461432 h 8
1.2. Некоторыесведения о работе сотовой связи GSM. Основные параметры зондирующего сигнала PAGEREF_Toc476461433 h 8
1.3. Основныепараметры модулирующего сигнала… PAGEREF_Toc476461434 h 9
2. ОБЗОРИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ… PAGEREF_Toc476461435 h 11
2.1. Распределениетока по вибратору… PAGEREF_Toc476461436 h 11
2.2. Расчётвходного сопротивления вибратора… PAGEREF_Toc476461437 h 12
2.3. Диаграмманаправленности симметричного вибратора… PAGEREF_Toc476461438 h 16
2.4. Схема замещения нелинейного резистора… PAGEREF_Toc476461439 h 19
2.5. Схемазамещения нелинейной ёмкости… PAGEREF_Toc476461440 h 19
3. СОСТАВЛЕНИЕМАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОТРАЖАТЕЛЯ – МОДУЛЯТОРА PAGEREF_Toc476461441 h 20
3.1. Построениематематической модели вибратора… PAGEREF_Toc476461442 h 22
3.1.1. Анализвозможного вида схемной функции… PAGEREF_Toc476461443 h 22
3.1.2. Построениесхемной функции… PAGEREF_Toc476461444 h 24
3.1.3. Нахождениекоэффициентов схемной функции… PAGEREF_Toc476461445 h 25
3.1.4. Синтезэлектрической цепи… PAGEREF_Toc476461446 h 25
3.2. Составлениематематической модели модулирующей части… PAGEREF_Toc476461447 h 26
3.3. Построениеобщей математической модели отражателя – модулятора… PAGEREF _Toc476461448 h 27
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙАНАЛИЗ МОДУЛЯТОРА НА ДИОДЕ… PAGEREF_Toc476461449 h 28
5. МОДЕЛИРОВАНИЕУСТРОЙСТВА НА ПЭВМ… PAGEREF_Toc476461450 h 34
5.1. Исходныеданные для программы… PAGEREF_Toc476461451 h 34
5.2. Схемаэксперимента… PAGEREF_Toc476461452 h 35
5.3. Блок-схемапрограммы… PAGEREF_Toc476461453 h 35
5.4. Результатыработы программы… PAGEREF_Toc476461454 h 36
6. РАСЧЁТМОЩНОСТИ СИГНАЛА НА ВЫХОДЕ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ… PAGEREF_Toc476461455 h 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ… PAGEREF_Toc476461456 h 40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК… PAGEREF_Toc476461457 h 42
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные расчётные формулы длявычисления коэффициентов.… PAGEREF_Toc476461458 h 43
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.… PAGEREF_Toc476461459 h 44
перечень документов дипломной работы… PAGEREF_Toc476461460 h 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 дляобщества, деятельность которого порождает соответствующие ему технико-организационныеструктуры. Одной из таких структур являются организации, занимающиесянесанкционированным получением информации, с целью извлечения прибыли, т.е.шпионажем.
На органыразведки возлагаются задачи по контролю за соблюдением государственных и военныхтайн, выявлению незаконной экономической практики и действий, наносящих ущербгосударственным интересам, выполнению экономических соглашений, по оценкезапасов сырьевых ресурсов, возможных прорывов в технологии.
Аналогичноразведслужбам сбором информации, только в более скромных масштабах, занимаютсяпрактически все корпорации, так как это является непременным условием ихвыживания в жёсткой конкурентной борьбе.
Цельюданной работы является моделирование системы перехвата речевой информации спомощью отражателя – модулятора, которая реально используется или может бытьиспользована в России.
Система является полуактивным отражателем – модулятором,работающим на частотах портативных абонентских станций сотовой связи. Основойсистемы является полуволновой вибратор (для зондирующего сигнала), в которомпараллельно зажимам подключён варикап или диод, с параллельно илипоследовательно включённым микрофоном (рис 1.1). Напряжение с микрофона меняетёмкость варикапа или сопротивление диода, тем самым, изменяя входноесопротивление вибратора, следовательно, амплитуду и фазу отражённой волны призондировании вибратора внешним электромагнитным полем. Размеры вибратора ипараметры согласующих элементов системы подобраны, таким образом, что всясистема резонирует на внешнее излучение частот сотовых станций и кратных им.
Рис 1.1. Структура системы перехвата.
Главное достоинство такого вида модулятора – невозможностьобнаружения при отсутствии внешнего облучения.
В соответствии с постановкой задачи необходимо рассчитатьзависимость параметров модуляции отражённого сигнала на кратных гармониках отмощности зондирующего сигнала как функцию расстояния от источника зондирующегосигнала до вибратора и от вибратора до приёмника. При этом необходимо учестьвозможность экранировки пространства между источником зондирующего сигнала иотражателем – модулятором.
1.
Отражатель – модулятор, в том или ином исполнении, используетсядостаточно давно для перехвата речевой информации. Принцип работы основан назависимости параметров нелинейного элемента от состояния воздушной среды,которое в свою очередь определяется наличием в окружающем пространстве звуковыхволн. С помощью звуковых волн люди общаются между собой, поэтому именно вканале связи «человек – воздушное пространство — человек» происходит перехватинформации с помощью отражателя — модулятора.
Отражатель – модулятор (закладка) размещается в помещении, гдепроисходят интересующие разведывательную сторону разговоры. При этом закладкаможет 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 принесанкционированном доступе к речевой информации? Наверное, первое егодостоинство состоит в возможности съёма информации с помещения, куда нетпрямого доступа, а с помощью высокочастотного навязывания этот доступ получитьможно. В этом случае мы видим пример использования какого-либо предмета илиустройства в качестве отражателя модулятора. Бывают случаи, когда мы всё-такиможем получить доступ на короткий промежуток времени, тогда появляется случай сделатьв помещении ранее изготовленную закладку. Эта закладка обладает преимуществом,поскольку её параметры соответствуют оптимальным для перехвата.
С развитием этой области, подобной утечке информации появилисьадекватные меры противодействия, из-за её плохой скрытности, связанной снеобходимостью значительного облучения помещения высокочастотным сигналом(зондирующий сигнал). Зондирующий сигнал может быть легко обнаруженстандартными методами регистрации электромагнитного поля. Обеспечитьнеобходимую скрытность помогло предложение, заключающиеся в примененииэлектромагнитных волн, используемых в системах сотовой связи, в качествезондирующего сигнала.
1.1.
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 наконцах микрофона или стетоскопа, меняет параметры нелинейного элемента.
Подразумевается, что входное сопротивление закладки согласованона частоте зондирующего сигнала с сопротивлением модулирующего звена. Этоусловие является необходимым для максимальной передачи энергии зондирующегосигнала, в энергию отражённых сигналов с частотами, кратными частотезондирующего. Итак, закладка облучается высокочастотным гармоническим сигналом,поскольку её сопротивление согласовано с сопротивлением модулирующей части, тополовина энергии падающей электромагнитной волны, остаётся в вибраторе(антенне), т.е. излучается обратно, а вторая половина поглощается вмодулирующей части [REF _Ref475008404 r h
Главным элементом модулирующей части является нелинейность. Изтеоретических основ радиотехники известно, что при прохождении гармоническогосигнала через нелинейную цепь, спектр выходного сигнала обогащаетсягармониками, с частотами кратными входному. В модулирующей части появляютсягармоники основной частоты, причём, если параметры нелинейного элемента зависятот состояния внешнего воздушного пространства, то и параметры этих гармоник(амплитуда и фаза) зависят от звуковых колебаний распространяющихся в воздушномпространстве. Поскольку модулирующая часть представляет собой двухполюсник, тотоки с кратными частотами начинают протекать в вибраторе. Отсюда следует, чтотоки частот, кратных основной (и чьи параметры зависят от звуковых колебаний,распространяющихся в подслушиваемом помещении), излучаются в свободнойпространство, поэтому существует возможность их приёма и обработки.1.2.
В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейсяиспользования спектра частот подвижной радиосвязи в диапазоне частот 890 – 960МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую системуподвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот:890 – 960 МГц (для передатчиков подвижных станций — MS), 935 – 960 МГц (дляпередатчиков базовых станций — BTS).
В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция сминимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамкахпринятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечиваетвключение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключениепередатчика в паузах и конце разговора.
В табл. 1.1. сведены основные сведения о системе сотовой связиGSM [REF_Ref474738439 h
Таблица 1.1. Основные характеристики стандарта GSM
Частоты передачи подвижной станции и приёма базовой станции, МГц
890 – 915
Частоты приёма подвижной станции и передачи базовой станции, МГц
935 – 960
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 базовой станции
16 – 20
Вид модуляции
GMSK
Индекс модуляции
ВТ 0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц
81,2
Количество скачков по частоте в секунду
217
Временное разнесение в интервалах TDMA кадра (передача/приём) для подвижной станции
2
Вид речевого кодека
PRE/LTP
Максимальный радиус соты, км
До 35 1.3.
Для исследования отражателя — модулятора речевой сигнал (модулирующееколебание) берётся в виде гармонического колебания с частотой 3 кГц. Этообусловлено отсутствием применения каких-либо особенностей человеческой речипри перехвате информации данным способом.
2.
Для моделирования отражателя – модулятора необходимопроанализировать литературу по этой теме. Из-за закрытости этой темы,литературу на прямую связанную с ней, найти трудно, поэтому приходитсярассматривать моделирование элементов отражателя- модулятора по отдельности. Первыйэлемент, который мы рассмотрим, будет симметричный вибратор.2.1.
Все основные характеристики симметричного вибратораопределяются размерами провода вибратора и распределением тока вдоль него.Поэтому расчёт симметричного вибратора начинается с выяснения законараспределения тока.
Задача о нахождении точного значения тока на вибраторе имеетисторию, исчисляемую десятилетиями. Тем не менее, до сего времени эта задача доконца не решена, хотя получен ряд хороших приближений.
Однако при решении большинства практических задач знанияточного решения не требуется. Необходимые данные о параметрах симметричноговибратора могут быть получены инженерным методом при использованииприближённого выражения функции распределения тока.
Общепринятый инженерный метод предполагает, что симметричныйвибратор в отношении распределения тока представляет собой двухпроводную линиюс потерями, ненагруженную на конце (холостой ход). Многочисленныеэкспериментальные данные и опыт проектирования антенн типа «симметричный вибратор» подтверждают правильность такогоподхода. Поэтому независимо от угла раствора проводов вибратора распределениетока и напряжения принимается в виде стоячей волны соответственно с нулём имаксимумом на свободных концах вибратора. Причём в силу потерь на излучение вузлах стоячих волн ток и напряжение не достигают нулевого значения.
Что касается тепловых потерь в скин–слое вибратора, то ониобычно в сравнении с потерями на излучение малы и не вносят сколь-нибудьзаметного дополнительного затухания.
Таким образом, распределение тока вдоль вибратора записываетсяв виде:
где g=a-ib — постояннаяраспространения волны тока вдоль провода эквивалентной двухпроводной линии;
l – длина одногоплеча вибратора;
In – ток впучности стоячей волны, связанный с током на входе вибратора I0соотношением:
I0=Insingl, (2.2).
Из теории длинных линий известно, что фазовая постоянная a икоэффициент затухания b определяются формулами:
где R1, L1, C1– соответственно погонные сопротивления полезных и тепловых потерь,индуктивность и ёмкость линии.2.2.
Способность антенны излучать оценивается по так называемомусопротивлению излучения RS. Онопредставляет собой отношение полной излучённой мощности РS к квадрату токав антенне. Чем больше оказывается излучённая мощность при фиксированнойвеличине тока, тем больше излучающая способность антенны и тем больше её RS.Антенна с хорошей излучающей способностью может излучить ту же мощность, но применьших значениях тока, чем в антенне с плохой излучающей способностью.
Сопротивление излучения определяется формулой:
(2.6)
Расчётная формула RS длясимметричного вибратора сложна и мало пригодна для инженерных расчётов. Этосвязано со сложностью интегрирования вектора Пойнтинга по сферическойповерхности даже в тех случаях, когда подынтегральная функция, пропорциональнаяквадрату диаграммы направленности, сравнительна проста. Поэтому на практикепользуются готовым результатом расчёта (см. табл.2.1. и рис 2.1).
Таблица 2.1. Значения сопротивления излучения.
l/l
RSП, Ом
l/l
RSП, Ом
l/l
RSП, 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
Рис. 2.1. Зависимость сопротивления излучениясимметричного вибратора от его длины.
Входное сопротивление симметричного вибратора определяетсячерез напряжение и ток на входе антенны. Поскольку мы считаем законраспределения тока и напряжения известным из теории длинных линий с потерями,то, очевидно, что для расчёта входного сопротивления мы должны использовать туже самую теорию. Поэтому расчёт ведётся по известной формуле для длинной линиис затуханием:
где WВ – волновое сопротивлениеэквивалентной двухпроводной линии, заменяющей собой вибратор;
l– длина эквивалентной линии, равная длине одного плеча вибратора;
bи a — составляющиепостоянной распространения в эквивалентной линии;
Надо сказать, что эквивалентное волновое сопротивлениевибратора WВ не совпадаетс волновым сопротивлением W линии,выполненной из тех же проводов, что и вибратор. Известно, что волновоесопротивление линии с распределёнными параметрами определяется отношениемпогонной индуктивности и ёмкости (2.5) в предположении, что L1 и C1 постоянны на всём рассматриваемом участке линии. Но всимметричном вибраторе погонные L1и C1 изменяются вдольпровода, и их отношение не обязательно должно оставаться постоянным. Поэтомупри расчёте симметричного вибратора используется некоторое эффективное(усреднённое) волновое сопротивление, обозначенное через WВ. В силу того, что распределение L1 и C1по вибратору зависит от его длины, значение WВтакже оказывается зависящим от длины вибратора и равным:
(2.8)
где d – диаметрпровода вибратора.
Постоянная распространения g=a-ibтакже определяется через эффективные распределённые параметры по формулам,аналогичным (2.3)-(2.5):
где
Точность равенства (2.10) зависит от величины коэффициентазатухания b или точнее ототношения 2b/k.
В случае симметричного вибратора активные потери определяютсясопротивлением излучения, которое зависит только от длины вибратора, и всвободном пространстве не может быть изменено, если электрическая длина антенныфиксирована и мало меняется. Поэтому добротность эквивалентного контура можетбыть изменена только за счёт характеристического сопротивления, то есть за счётреактивных элементов. Последние (2.5) связаны непосредственно с волновымсопротивлением WВ и,следовательно, с диаметром провода вибратора (2.8). Когда необходимоиспользовать симметричный вибратор в широкой полосе частот и требуется плавноеи по возможности меньшее изменение ZВХ(малая добротность), прибегают к вибраторам со значительным поперечным сечениемпровода. При этом провод вибратора не обязательно должен быть круглым исплошным, его можно выполнить из полой трубы или плоской ленты или аналогичныхсетчатых металлических поверхностей.
2.3.
Диаграмма направленности симметричного вибратора может бытьполучена с помощью метода, имеющего большое значение в теории и технике антенни применяющегося для получения диаграмм направленности любых антенн. Методпредполагает распределение комплексной амплитуды тока по антенне известным.
Рис.2.2. К выводу формулы поля симметричного вибратора.
В основе метода лежит принцип суперпозиции или наложения.
При выводе формулы диаграммы направленности антеннарассматривается как совокупность элементарных излучателей, поля от которыхнадлежит суммировать в текущей точке наблюдения, расположенной в дальней зонена сферической поверхности радиуса r.
Разберём указанный метод и выведем формулу для диаграммынаправленности симметричного вибратора.
На рис.2.2 показан тонкий вибратор с выделенными на нём двумясимметрично расположенными диполями длинной dZс координатами центров ±Z.Там же указана система координат для отсчёта положения точки наблюдения А икоординат диполей с током.
Поскольку точка наблюдения отнесена в дальнюю зону, то есть надостаточно большое расстояние r0>>2l, то все лучи, направленные в точкунаблюдения от различных диполей, можно считать практически параллельными. Этозначит, что r0, r1 и r2 связаны между собойсоотношениями:
r2-Dr=r0=r1+Dr, (2.12)
где
Dr=|Z|cosq.
Запишем поле от двух выбранных диполей, считая их достаточнотонкими (диаметр провода значительно меньше длины волны):
(2.13)
Сравнивая поля от двух противоположных элементарных вибраторов,видим, что они только отличаются значением множителя r(Z), и фазами, прямо пропорциональнымирасстояниям:
Y=k×r(z). (2.14)
При условии r>>lотличие амплитуд будет настолько несущественным, что с хорошей точностью модулиполей от всех диполей можно определять через одно и то же расстояние r0,соответствующее середине симметричного вибратора.
Однако при оценке фазовых сдвигов полей с различием расстояний r1 и r2 нельзя не считаться.
С учётом принятых допущений поле от пары диполей записывается ввиде:
(2.15)
Чтобы получить значение полного поля и диаграммы направленностисимметричного вибратора, необходимо просуммировать dEqот всех пар симметрично расположенных диполей, составляющих оба проводаантенны.
Сложение бесконечного числа элементарных полей осуществляется путёминтегрирования выраже