В условиях сложной международной геополитической обстановки перед российским государством и его системой образования обостряется вопрос об обеспечении кадрового и технологического суверенитета. В частности, на эту проблему нацелено повышение уровня подготовки специалистов в области радиотехники и электроники.
В данной статье будут показаны результаты работы с анализатором спектра RSA-306B. Речь идёт об устройстве RSA-306B (рис. 1) от всемирно известной приборостроительной компании из США — «Tektronix».
Рис. 1. Анализатор спектра Tektronix серий RSA306B
Стоит отметить, что в России имеются аналоги данного анализатора, позволяющие также просматривать электромагнитную обстановку в режиме реального времени.
Однако необходимость анализа спектра сигналов существует не только в рамках учебного процесса.
Целью данной статьи является рассмотрение возможности использования анализатора спектра в реальном времени RSA-306B для поиска, сканирования и обработки сигналов различных радиотехнических систем.Атакже для обнаружения радиосигналов противника и прослушивания информации, передаваемой с помощью средств связи.
Главная особенность RSA-306B это то, что данный прибор обрабатывает поступающую на него информацию в реальном времени, то есть непрерывно собирает данные и определяет параметры сигнала во временной области, после чего с помощью быстрого преобразования Фурье переводит сигнал в частотную область, при этом время обработки данных не превышает время сбора. Это предоставляет возможность оператору при анализе электромагнитной обстановки, видеть не только действующий радиочастотный спектр, но и кратковременные сигналы.
Задачей данной работы является предложение новых технических методов РЭР (радиоэлектронной разведки), РЭБ (радиоэлектронной борьбы) с использованием анализатора спектра работающего в режиме реального времени такого как RSA-306B.
Технические характеристики и возможности анализатора спектра
Использование анализатора спектра на практике нацелено на диагностирование электромагнитных помех, а также на применение в задачах проверки электромагнитной совместимости. Анализатор спектра обладает широким набором функций, позволяющих просматривать и представлять в удобной форме результаты мониторинга с использованием программного обеспечения ПО Tektronix SignalVu-PC. При помощи 17 стандартных измерений для исследования в широком диапазоне частот (от 9 кГц до 6,2 ГГЦ), диапазоном измерения уровня от +20 до -160 дБм и полосой захвата 40 МГц, RSA-306B позволяет выполнять векторный анализ сигналов современных стандартов связи с высокой точностью.
Принцип работы используемого анализатора заключается в том, входной сигнал проходит через переключаемые аттенюатор и предусилитель, ступенчатый аттенюатор тонкой настройки, дополнительный каскад с переключаемым усилителем, настраиваемый автоматически в зависимости от установленного опорного уровня для снижения шума и искажений. Затем сигнал поступает на предварительный селектор, состоящий из семи аналоговых фильтров, разделяющих весь частотный диапазон на 7 поддиапазонов. Работает всегда только один из фильтров, который автоматически выбирается в зависимости от входной радиочастоты. Задача этого фильтра — подавить зеркальный канал 1-го преобразователя частоты.
После предварительного селектора сигнал поступает на первый смеситель. На другой вход смесителя подаётся напряжение от гетеродина, частота которого задаётся в диапазоне от 1,26 до 5,82 ГГц с шагом 0,5 МГц и так, чтобы сигналы с различными длинами волн, прошедших через этот смеситель, преобразовались в одну из промежуточных частот — 1,19 ГГц или 2,44 ГГц, Промежуточная частота выбирается автоматически так, чтобы минимизировать уровень паразитных составляющих.
Только после того, как сигнал проходит через один из аналоговых фильтров промежуточных частот, он попадает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий с частотой дискретизации 112 МГц. После происходит дискретизация, квантование и кодирование, а далее поток кодов с АЦП подаётся на USB-контролер для передачи в персональный компьютер.
Стоит отметить, что для просмотра столь широкого диапазона принимаемых радиочастот (от 9 кГц до 6,2 ГГЦ), необходимо подключать к RSA штыревые антенны различной длинны.
Несмотря на cвои малые размеры, анализатор предоставляет пользователю широкие возможности, опции и режимы работы. На данном этапе работы по применению RSA-306B были использованы различные имеющиеся опции (базовые и премиум), которые предоставляет компания Tektronix в программе SignalVu-PC.
В первую очередь удалось воспользоваться основной функцией прибора — просмотр спектра в режиме реального времени с очень высокой вероятностью захвата сигналов длительностью 100 мкс в полосе обзора 40 МГц. Кроме того, для большей наглядности программным обеспечением предоставляется возможность по просмотру различных моделей спектра радиоэфира, а конкретнее — восьми режимов просмотра:
Рис. 2. Режимы работы RSA
Spectrum — начальный режим, появляется при подключении RSA-306B. Показывает весь спектр в реальном времени, в виде ломаных линий, изменяющихся во времени;
Spectrogram (режим «водопада») — выделяет интенсивность сигналов и шумов соответствующим цветом. При этом изменение интенсивности с течением времени отображается перемещением спектрограммы по вертикальной оси. Значения спектрограммы обновляются через 1 мкс. Цвет отображения можно настроить по своему усмотрению.
Рис. 3. Представление режима «водопада» в трехмерной модели
DPX (Digital Phosphor, технология цифрового люминофора) — режим просмотра путем цветового разделения от красного (высокая мощность) до синего (мощность шумов) разных уровней сигналов. Позволяет выявлять детали сигналов, либо выявлять слабые сигналы среди сильных, значительно ускоряя обнаружение ошибок и их диагностику; ссылку на рис
Amplitude vs Time — показывает изменение амплитуды спектральной диаграммы во времени;
Frequency vs Time — показывает изменение частоты спектральной диаграммы во времени;
Phase vs Time– показывает изменение фазы во времени;
RF I&Q vs Time — показ изменения комплексных составляющих радиочастот во времени;
Time Overview — временной обзор спектра.
Мощная архитектура прибора позволяет исследовать в широком диапазоне частот самые сложные, с трудом обнаруживаемые сигналы. Технология DPX дает возможность пользователю увидеть радиочастотные характеристики, плохо заметные на других анализаторах спектра.
Рис. 4. Спектрограмма вещательной радиостанции
В результате исследований было выявлено несколько способов обнаружения радиосигналов с целью их перехвата для демодуляции радиосигналов и расшифровки сообщений противников.
Одним из таких способов послужило обнаружение изменения на спектре уровня сигналов. Пользователь анализатора, зная радиоданные союзных (дружественных) раций, может увидеть на спектре повышение уровня сигналов неизвестных нам частот, то есть раций противника. Это можно увидеть на рисунке ниже.
Рис. 5. Вид импульса в режимах DPX и Power vs Time
Зная о таком методе помехоустойчивости, как ППРЧ (Псевдослучайная перестройка рабочей частоты) и используя данный анализатор, можно отследить «перескакивание» на спектре неизвестных нам радиоканалов, так как ППРЧ — это метод передачи информации по радиосвязи, особенность которого заключается в частой смене несущей частоты. При условии, если благодаря разведданным мы знаем полосу частот, можно отследить на какие частоты переключились радиостанции.
Зная алгоритм ППРЧ, который используется в наших радиостанциях операторами и при помощи специально написанного программного кода, у оператора есть возможность не только увидеть в спектре неизвестную несущую, но и «обходить» частоты в автоматическом режиме, что значительно уменьшает время перестройки на данную частоту и даёт возможность своевременно её демодулировать.
Специальная военная операция показала, насколько широко и эффективно могут использоваться БПЛА малых размеров даже гражданского назначения во время ведения боевых действия, а их обнаружения средствами радиолокационной разведки на данный момент является проблемой. Так как они являются малозаметными для средств РЛР из-за своей малой эффективной поверхности рассеяния. Но радиолокационная заметность является не единственным демаскирующим признаком, обнаружить БПЛА малых размеров также возможно благодаря сигналам, которыми обмениваются БПЛА и контроллер.
При поиске решения для обнаружения беспилотных летательных аппаратов важно понимать принципы работы большинства гражданских и военных БПЛА.
Большинство подобных беспилотных летательных аппаратов:
– управляются с одного пульта в пределах прямой видимости на расстоянии до 300 м;
– управляются дистанционно на расстоянии 3–5 км с использованием камеры c видом от первого лица (FPV);
– работают для управления в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц (полоса пропускания приблизительно 80 МГц);
– используют для получения видеопотоков нелицензируемый диапазон частот 5,8 ГГц (полоса 20 МГц и менее) с камерой с видом от первого лица (FPV);
– обеспечивают возврат БПЛА в исходную точку (RTH) при отсутствии сигналов управления или при их низком уровне;
– используют технологии кодирования сигналов, предоставляемые всего несколькими поставщиками, что облегчает идентификацию БПЛА;
– используют сигналы управления со скачкообразной перестройкой частоты с полосой до 80 МГц;
– работают в нелицензируемых диапазонах частот 2,4 ГГц, 5,8 ГГц, 900 МГц и 433 МГц (ограничение Федеральной комиссии связи США (FCC) на работу БПЛА).
Далее будут рассмотрены два метода обнаружения беспилотных летательных аппаратов с использованием прочных, портативных и доступных по цене анализаторов спектра Tektronix серий RSA306B. Первый метод — это базовый ручной метод обнаружения БПЛА. Второй метод является общим и включает информацию о конфигурации автоматизированной системы обнаружения БПЛА.
Базовый метод обнаружения БПЛА может быть реализован с помощью анализатора спектра серии RSA-306B и ПО SignalVu-PC компании Tektronix.
Поскольку операторы отслеживают местоположение БПЛА, используя канал передачи видеоданных от первого лица (FPV), первым шагом поиска БПЛА является сканирование в диапазоне частот 5,8 ГГц для поиска импульсных сигналов, которыми обмениваются БПЛА и контроллер.
Как упоминалось выше, БПЛА передают видеоданные в нелицензируемом диапазоне частот 5,8 ГГц. Наличие сигналов управления или видеосигналов, передаваемых от беспилотника оператору, информацию можно идентифицировать по характерным пакетам подтверждения получения данных.
Рис. 6. Пакет видеоданных в диапазоне 5,8 ГГц
Как показано на рис. 6, характеристики пакета видеоданных легко определяются даже по результатам измерения зависимости мощности от времени. В режиме реального времени можно добиться еще большей точности, анализируя захваченные данные I/Q. Это показано ниже на рисунках 7 и 8.
Второй метод обнаружения одного или нескольких БПЛА основан на сканировании в диапазоне частот 2,4 ГГц. Исключив из рассмотрения сигналы Wi-Fi и Bluetooth, можно проанализировать оставшиеся сигналы. В диапазоне 2,4 ГГц одновременно могут работать операторы нескольких беспилотных летательных аппаратов. Для того, чтобы управлять каждым БПЛА, не мешая другим, требуется применять сигналы со сложным кодированием. Формирование подобных сигналов поддерживается лишь ограниченным ассортиментом микросхем нескольких производителей. Используемые для этого уникальные сигнатуры сигнала могут быть легко идентифицированы.
Рис. 7. Пакеты управления в диапазоне 2,4 ГГц
Даже в весьма перегруженном диапазоне 2,4 ГГц сигналы управления легко идентифицируются на основе данных I/Q, захваченных в режиме реального времени, как показано на снимке экрана (рис.7).
Рис. 8. Пакет видеоданных в диапазоне 5,8 ГГц, полученный после обработки сигнала I/Q
Если вероятное наличие БПЛА определено первым или вторым методом, то следующим шагом является захват данных I/Q из сигнала. Полученные данные могут быть использованы для идентификации производителя беспилотного летательного аппарата.
Рис. 9. Скачкообразное изменение частоты и кодовые последовательности контроллера БПЛА в режиме с анализатором спектра реального времени
Следует отметить, что несущая частота сигналов управления БПЛА обычно скачкообразно изменяется между несколькими значениями и занимает полосу до 80 МГц, в то время как анализаторы спектра реального времени Tektronix серий RSA306B имеет полосу анализа 40 МГц.
Для сбора данных во всей необходимой полосе ПО SignalVu-PC имеет специальный режим, в котором два анализатора спектра реального времени используются для анализа в полосе 80 МГц. В этом случае можно анализировать всю последовательность скачкообразной перестройки частоты, чтобы точно определить изготовителя БПЛА или производителя микросхем и принять соответствующие меры противодействия.
В режиме с двумя анализаторами спектра реального времени можно видеть скачкообразное изменение частоты и кодовые последовательности контроллера БПЛА в полосе 80 МГц, как показано выше на рис. 9.
Были демодулированы сигналы некоторых местных вещательных радиостанций (центральные частоты 105.9 МГц, 105.6 МГц и 101.4 МГц) и портативных переговорных раций (основной диапазон 400–520 МГц и поддиапазон 136–184МГц). Эти сигналы в дальнейшем, с помощью, приобретенной премиум функции анализатора — демодуляции сигналов в режиме реального времени, получилось демодулировать и прослушать то, что излучали просмотренные радиопередающие устройства в эфир. Далее удалось записать (в виде звукового файла) информацию, полученную после демодуляции сигнала с каждой из этих радиостанций отдельно. Кроме того, была использована возможность записи спектрограммы во всей заданной заранее просматриваемой полосе для дальнейшего демодулирования всех радиосигналов, попавших в полосу обзора.
Также подключив штыревую антенну и начав передавать данные по сети Wi-Fi при просмотре спектра в диапазоне 2,4–5 ГГц удалось увидеть передаваемые пакеты данных в виде таблицы, в которой содержатся значения максимальной и средней мощности, частоты, амплитуды, фазы по вертикали, а по горизонтали — номер пакета.
Учитывая, что у ИРТСУ имеется неполный пакет опций для RSA-306B, а именно отсутствуют направленная антенна и специальная программа для пеленгования. Если их приобрести, то можно дополнительно определять пеленг на радиопередающее, откуда ведется вещание. Одно из достоинств данного прибора заключается в том, что он очень компактный. Поэтому его можно использовать непосредственно в полевых условиях, например, на возимых станциях РЭБ.
На примере RSA-306B были рассмотрены возможности по применению подобных устройств в режиме реального времени для анализа различных сигналов. В этой работе были описаны методы и технические средства по обнаружению радиосигналов.
В перспективе планируется разработка автоматического пеленгатора. Создание устройств и методов, с целью подавления сигналов и пеленгации противника, для выпустившихся специалистов Военный Учебный Центр, прошедших обучение на кафедре связи, РЭБ и ВКС, а именно: анализ спектра в различных режимах просмотра, демодуляция, прослушивание центральной частоты радиовещательных станций и декодирование цифровых сигналов в диапазоне нескольких единиц гигагерц и пеленгации радиостанций.
Задача анализа спектральных характеристик радиосигналов актуальна для решения проблем радиомониторинга в современном мире.
Литература:
- RSA-306B USB Real Time Spectrum Analyzer Datasheet. — Текст: электронный // ПроПриборы: [сайт]. — URL: https://propribory.ru/data/upload/static/files/RSA306-USB-Spectrum-Anayzer-Datasheet-RU-RU-0.pdf
- Анализаторы спектра в реальном масштабе времени портативные RSA-306.— Текст: электронный // ФЕРРИЯ ТЕЛЕКОМ: [сайт]. — URL: https://propribory.ru/data/upload/static/files/RSA306-USB-Spectrum-Anayzer-Datasheet-RU-RU-0.pdf
3. Le Yang, Shuo Wang, Hui ZhaoPrediction and Analysis of EMI Spectrum Based on the Operating Principle of EMC Spectrum Analyzers / Le Yang, Shuo Wang, Hui Zhao. — Текст: электронный // ResearchGate: [сайт]. — URL: https://www.researchgate.net/publication/332828672_Prediction_and_Analysis_of_EMI_Spectrum_Based_on_the_Operating_Principle_of_EMC_Spectrum_Analyzers
4. Yier Lin, Fan Yang IQ-Data-Based WiFi Signal Classification Algorithm Using the Choi-Williams and Margenau-Hill-Spectrogram Features: A Case in Human Activity Recognition / Yier Lin, Fan Yang. — Текст: электронный // MDPI: [сайт]. — URL: https://www.mdpi.com/2079–9292/10/19/2368/htm
5. David Herres Real time spectrum analyzer vs. swept spectrum analyzer / Herres David. — Текст: электронный // Test and Measurement Tips: [сайт]. — URL: https://www.testandmeasurementtips.com/difference-real-time-swept-spectrum-analyzers/
6. FFT Spectrum Analyzer. — Текст: электронный // Electronics notes: [сайт]. — URL: https://www.electronics-notes.com/articles/test-methods/spectrum-analyzer/fft-fast-fourier-transform-spectrum-analyser.php
7. Обнаружение БПЛА с использованием анализатора спектра реального времени RSA306B и RSA507A. — Текст: электронный // Master tool: [сайт]. — URL: https://www.master-tool.ru/info/articles/1396/ (дата обращения: 16.04.2023).
8. Оценка возможностей по пеленгации мини и микро-БЛА корреляционным методом и использованием кольцевой цифровой антенной решетки / Ю. И. Савинов, С. М. Васильев, Д Семченков, Е. А. Алешанов, О. А. Давиденко. — Текст: непосредственный // Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппаратами. — Коломна: 924 Государственный центр беспилотной авиации Министерства обороны Российской Федерации, 2016. — С. 28–34.
9. Цветков, Ф. А. Программно-конфигурируемые радиоустройства: принципы построения и алгоритмы обработки сигналов / Ф. А. Цветков, В. В. Терешков. — Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2020. — 163 c. — Текст: непосредственный.
