Skip to main content

Jelfelderítési stratégiák

Megjelent: 2013. november 14.

ni1A jelfelderítés a kommunikációt zavaró jelforrások vizsgálatától a különféle zavaró- és kalózadások azonosításáig számos területet ölel fel. A cikk ezek közül főként a rövid ideig tartó, illetve jelcsomagokkal kommunikáló („burst” jellegű) adások elemzéséhez szükséges módszerekre összpontosít, és bemutatja a jelfelderítő alkalmazások kifinomult és sajátos jelfeldolgozási elemeit is, amelyekkel a zavaró jelek teljesítménye, frekvenciája, fázisa, de akár az információtartalma is megismerhető.

Burst-adások vizsgálata az antennáktól az elemzésekig

Bevezetés
A vektorjel-analizátorokra és spektrumanalizátorokra épülő jelfelderítő rendszerek lehetőségei e műszerek korlátozott jelbefogási képességei miatt számos esetben nem elegendőek. Ezzel szemben a számítógépes ipar legújabb fejlesztései – mint például a PCI Express busz vagy a merevlemezek megnövelt sebessége – következtében ma már alkalmazhatunk készen beszerezhető modulokból összeállított, RF-jelminták merevlemezre írásán alapuló PXI-berendezéseket is, sőt, napjainkban az utóbbi rendszerekkel akár 2,7 GHz-ig terjedően rögzíthetünk folyamatosan rádiófrekvenciás adásokat. Egy 2 TB méretű, RAID-kialakítású háttértárral jellemzően ötórányi vagy akár annál hosszabb szakasz is tárolható egy 20 MHz sávszélességű jelből.

A jelfelderítés céljai
A következőkben két zavarjeltípussal és a felismerésükre leginkább alkalmazott elemzési módszerekkel foglakozunk. E két csoport egyikét a kommunikációs csatornák forgalmát akadályozó „blokkoló” jelek alkotják, míg a másik típusba a már meglévő átviteli infrastruktúrát engedély nélkül igénybe vevő kalózadások tartoznak. Mindkét kategória zavarójelnek minősül, de nem csupán a mögöttes szándékban, hanem a jellemzésükre használt analitikai módszerekben is különböznek egymástól.

Blokkoló jelek elemzésének stratégiái
Különösen a katonai átviteltechnikában szükséges sokszor olyan rendszerek zavarjeleit azonosítani, amelyek egy kommunikációs csatorna forgalmának akadályozására irányulnak. Az ilyen jellegű, gyakran „blokkolójelként” említett adások az érintett frekvenciasávban hoznak létre nem kívánt teljesítményt, ezzel elnyomva az adott kommunikációs jelet. Ezen túlmenően, amennyiben a blokkolás a cél, a zavarójel típusa is széles határok között választható. Leggyakrabban modulálatlan vivőt, véletlen fehérzajt, impulzusjeleket, frekvenciaugratásos jeleket vagy modulált, „hamis” adásokat alkalmaznak e célra, minden esetben a hatékonyság, a teljesítményigény, továbbá a könnyű előállítás és a nehéz detektálás közötti kompromisszum mentén hozva meg a döntést. Egy adott kommunikációs csatornába például viszonylag egyszerűen besugározható egy modulálatlan vivő, de ez sokszor nem elég hatékony, és könnyen észrevehető. Ezzel szemben szélessávú fehérzajjal igen hatékonyan zavarható egy összeköttetés, de teljesítményigénye jelentős, és ugyancsak könnyen kimutatható, ha nem periodikus a jel.
    Érdekes blokkolójelek az impulzusszerű, illetve a frekvenciaugratásos adások, amelyek általában hatékonyak, és hagyományos spektrumanalizátorokkal nehezen azonosíthatók. Ennek oka az, hogy a detektálásukhoz mind idő-, mind frekvenciatartománybeli információk szükségesek, amiből viszont következik, hogy – a leggyakrabban RF-jelminták merevlemezre írásán alapuló PXI-berendezésekkel – több órán át kell rögzíteni egy adott sávszélességű RF-tartományt. Az adatok tárolását követően a blokkolójel teljesítményét, frekvenciáját és időbeli tulajdonságait jellemzően kétféle úton határozhatjuk meg: gyors Fourier-transzformáción (FFT) alapuló elemzéssel vagy együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízissel (Joint Time-Frequency Analysis – JTFA).

FFT-alapú jelelemzés
Egy blokkolójel FFT-alapú elemzése során kétféle feldolgozási elvet követhetünk: a feldolgozás „menet közben” (valós időben) vagy utólag történhet. Míg az előbbi azonnali eredményeket szolgáltat, mélyrehatóbb adatokat az utóbbi ad. Ezt egy impulzusszerű blokkolójel példájával az 1. ábra szemlélteti.
    Már az 1. ábrából is érzékelhető, hogy ha a jel befogása nem folyamatos, az egymást követő blokkolóimpulzusok nehezen azonosíthatók. Ez a probléma az RF-jel meghatározott időtartamú rögzítésével, majd a jelbefogási folyamatot követően végrehajtott elemzéssel küszöbölhető ki. Ilyenkor az RF-spektrum egy részletéből hosszabb idejű szakaszt tárol el a mérőrendszer, amelyet blokkokra bontva analizál. Ezzel az eljárással – az impulzus szélességéhez igazítva – testreszabhatjuk az FFT-ablak méretét (2. ábra). Az impulzus amplitúdója,– a teljesítmény időbeli „szétkenődésének” mérséklése miatt – ezen elvet felhasználva határozható meg a legpontosabban.

1. ábra Impulzusszerű blokkolójel teljesítménye az idő függvényében

1. ábra Impulzusszerű blokkolójel teljesítménye az idő függvényében

2. ábra Utófeldolgozás FFT-számítással

2. ábra Utófeldolgozás FFT-számítással


    Mivel a felbontási sávszélesség (Resolution Bandwidth – RBW) határozza meg egy adott jel befogási idejét, ez hatással van egy tranziens összetevő teljesítményszintjének megjelenítésére is. Egy jelcsomag („burst”) amplitúdója mindössze néhány mikroszekun­dum szélességű is lehet, ezért – hosszú jelbefogási idő esetén – teljesítménye „szétkenődhet” az időben. Ebből következően egy zavaró jel frekvenciája és amplitúdója pontosabban határozható meg, ha rövidebb mintavételi ciklust alkalmazunk. A 3. ábra a blokkolójelcsomag (burst) kétféle FFT-számítással előálló képét mutatja. Az első diagramon a hosszabb jelbefogási idő hatása tükröződik: ekkor keskenyebb lesz a mérés felbontási sávszélessége (RBW), de a blokkoló impulzus amplitúdója is kisebb szinttel jelenik meg.
    Amint ez a példa is mutatja, egy folyamatos RF-jel utólagos feldol­gozásának egyik előnye, hogy tetszőlegesen állíthatjuk az FFT-ablak méretét – az impulzus időbeli jellemzőihez pontosan illesz­tve –, ami pontosabb frekvenciatartománybeli ábrázolást tesz lehetővé.

ni3

3. ábra Jelteljesítmény a frekvencia függvényében, a kisebb és nagyobb felbontási sávszélességnél adódó eredmények összevetésével

3. ábra Jelteljesítmény a frekvencia függvényében, a kisebb és nagyobb felbontási sávszélességnél adódó eredmények összevetésével

 

 

Együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízis (JTFA)
A zavaró jelek idő- és frekvenciatartománybeli tulajdonságairól egyidejűleg információt szolgáltató eljárás az együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízis (JTFA) spektrogramos megjelenítése. Az előbb tárgyalt, FFT-alapú megközelítéshez hasonlóan a spektro­gram egymást követő időtartománybeli adatszakaszokon elvégzett FFT-számításokra épül. A feldolgozott adatok háromdimenziós ábrán rendezhetők össze. A 4. ábrán például azt láthatjuk, hogy egy spektrogram adatai milyen módon jeleníthetők meg egy háromdimenziós, ún. vízesésdiagramon. A teljesítmény és a frekvencia együttes ábrázolása révén a spektrogram segítségével lényegesen több információ jeleníthető meg. A 4. ábrán az is megfigyelhető, hogy a blokkolójel csak rövid ideig (közelítőleg 25 µs-ig) áll fenn, és frekvenciatartománybeli jelváltozásai is kivehetők. A jelen példában a vivő rezgésszáma 2,009 és 2,016 GHz között ingadozik. Vegyük észre, hogy a vízesésdiagram lényegesen több információt nyújt, hiszen az időinformációk egy hagyományos spektrumanali­ zátoron nem jelennek meg, mert az csak a frekvencia függvényében vizsgálja a teljesítmény eloszlását. Az RF-jelminták merevlemezre írásán alapuló megoldásokkal azonban a vektorjel-analizátorok hosszabb időn keresztül is képesek időzítéssel kapcsolatos információkat gyűjteni.

4. ábra Együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízis háromdimenziós spektrogram segítségével

4. ábra Együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízis háromdimenziós spektrogram segítségével


    A fenti blokkolójel egy érdekes tulajdonsága, hogy igen keskeny sávszélességben közel állandó a teljesítményszintje. Ezt kihasználva felismerhetjük, hogy a zavarjel egy vivővel megszorzott, sin(x)/x jellegű impulzus. Az 5. ábrán összehasonlításképpen egy ilyen jel idő- és frekvenciatartománybeli jellemzői láthatók.
    A hagyományos spektrális ábrázolásmóddal nehéz azonosítani egy sin(x)/x impulzust annak periodikus jellege miatt. Spektrogram segítségével, az együttes idő- és frekvenciatartománybeli analízise révén azonban megkapjuk a megfelelő jellemzők meghatározásához szükséges időzítési információkat (például az impulzusok között eltelt időt, az impulzusszélességet és -amplitúdót is).

5. ábra Vivővel megszorzott, sin(x)/x jellegű impulzus idő- és frekvenciatartománybeli képe

5. ábra Vivővel megszorzott, sin(x)/x jellegű impulzus idő- és frekvenciatartománybeli képe

 

Zavarjelek „lehallgatása”
A zavarások másik típusa a kalózadások vagy „potyaforgalmazók” csoportja. Ekkor a zavaró a már meglévő híradástechnikai infrastruktúrát próbálja meg felhasználni illegális kommunikációs csatorna kisugárzására, például egy jogtalan adó egy ismétlőtornyot kísérel meg igénybe venni a saját csatornájának újrasugárzására. Mivel az ismétlők a spektrum egy adott sávját egyszerűen felerősítik, a rendeltetésszerű felhasználókon kívül a zavaróállomás is fel tudja ezeket használni a saját jelének továbbítására.
    A spektrum egy adott tartományának rögzítése és merevlemezen tárolása ebben az esetben a jel lehallgatására is alkalmazható. Az egyszer befogott adatok igen sokféleképpen kezelhetők. Akárcsak a blokkolóadások esetében, itt is végezhetünk utólagos feldolgozást FFT-számítással vagy JTFA-műveletekkel a zavaró jel frekvenciájával, teljesítményével és amplitúdójával kapcsolatos információk megszerzése érdekében. Amennyiben a küldött adatcsomagok tartalmát kívánjuk ellenőrizni, az alapsávi hullámformát demodulál­hatjuk is (6. ábra). A blokkvázlaton látható, hogy az NI LabVIEW alatt futó számos demodulátorprogram segítségével milyen módon elemezhetők a lemezen eltárolt alapsávi hullámformák. Az ábrán a LabVIEW modulációs eszközkészletének („Modulation Toolkit”) PSK-, QAM- és FSK-osztályú demodulátoraihoz tartozó ikonjai láthatók, noha hangsúlyozzuk, hogy ez az eszközkészlet ASK-, FM-, AM-, PM-, CPM-, MSK- és egyedi modulációjú jelek demodulálására szolgáló funkcióval is rendelkezik. Ismeretlen vivő demodulálása nem triviális feladat. Egy digitális vivő adatfolyamának pontos visszaállításához ismerni kell a szimbólumsebességet, ami a csatorna sávszélességének segítségével, illetve kísérleti úton, ismert kommunikációs szabványok jelzési sebességeinek próbálgatásával állapítható meg.
    Egy zavaró adás jelének demodulálásával a rádiócsatornán továbbított adatfolyam elemezhető. Bizonyos esetekben ismert fejlécmintákkal összehasonlítva visszafejthető az információtartalom. Jellemzően a legnagyobb kihívást az jelenti, amikor érdemi adatokat kívánunk kinyerni egy adott bitfolyamból.

6. ábra Alapsávi hullámformák elemzése  az NI LabVIEW modulációs eszközkészlete („Modulation Toolkit”) segítségével

6. ábra Alapsávi hullámformák elemzése az NI LabVIEW modulációs eszközkészlete („Modulation Toolkit”) segítségével

 

Összefoglalás és erőforrások
Mivel a jelfelderítési alkalmazásokkal szemben elvárás, hogy kifinomultabb zavarjelek érzékelésére és elemzésére is képesek legyenek, egyre szigorúbbak az erre szolgáló műszerekkel kapcsolatos követelmények is. Cikkünkben bemutattuk, hogy az RF-jelminták merevlemezre írásán alapuló rendszereket milyen módon használhatjuk a vektorjel-analizátorokkal együtt annak érdekében, hogy lényegesen gazdagabb, utólagos feldolgozásra alkalmas adatkészletet állítsunk elő. Mindezek eredményeképpen kihasználhatjuk a különféle analizáló rutinok, például egyedi FFT-eljárások, együttes idő–frekvencia-spektrogramok, továbbá különféle modulációs technikák demodulátorainak lehetőségeit.

 

National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400, fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.