Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет Инженерный

Кафедра Радиоэлектронных систем

Направление Радиотехника

К защите допустить:

Зав. кафедрой к.т.н., доцент Кротов В.И.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

На тему: «Подсистема шифрования системы условного доступа»

Руководитель работы: к.т.н. доцент Корниенко В.Т.

Консультанты:

по экономическому разделу _________________к.э.н. Курданов М.Д.

по разделу безопасности и экологичности Сербулова Т.Н.

Студент: Ахмыстов Данила Фёдорович, гр. 242

Кисловодск

2017

Реферат

Выпускная квалификационная работа посвящена разработке подсистемы шифрования системы условного доступа цифрового телевещания.

Рассмотрена система передачи информации, которая позволяет передавать цифровую информацию удаленным абонентам через радиоканал; описаны этапы проектирования, разработаны структурная и функциональная схемы системы; проведено моделирование на ЭВМ; разработано программное обеспечение системы; выполнено технико-экономическое обоснование работы, рассмотрены вопросы экологичности и безопасности подсистемы.

• Введение
• Телекоммуникации являются одной из наиболее быстро развивающихся областей современной науки и техники. Жизнь современного общества немыслима без широко разветвленных систем передачи информации. Без них не может функционировать ни одна отрасль промышленности современного государства. Примерами могут служить системы телефонной и телеграфной связи, радиовещание, телевидение, радиосвязь, системы спутниковой связи, современные локальные, глобальные и интегрированные сети связи и другие.
• Основной тенденцией развития телекоммуникаций во всем мире является цифровизация сетей связи, предусматривающая построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми.

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии в 100 раз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину регенерационного участка лишь на несколько процентов.

Стабильность параметров каналов цифровой системы передачи. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦСП влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.

Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми системами коммутации являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностными и качественными показателями.

Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.

С другой стороны, эффективным способом обеспечения защиты передаваемой информации по незащищенным каналам связи является криптографическое преобразование сообщений. Эта эффективность объясняется возможностью обеспечения гарантированной стойкости зашифрованной информации.

В выпускной квалификационной работе выполнено проектирование макета цифровой системы передачи информации по радиоканалу. В ходе проектирования разрабатывается структурная схема системы, рассчитываются ее основные параметры и характеристики. Разработано устройство предварительной обработки передаваемых сообщений и сопряжения системы с источником информации.

Основным направлением разработки является возможность реализации программируемой структуры системы: разработка системы программных средств связи, когда возможно изменение способа модуляции и кодирования без изменения аппаратной части системы.

Данная разработка представляет собой макет цифровой системы связи, включающий в себя все этапы предварительной обработки информации с применением криптостойких алгоритмов шифрования в реализации на аппаратном уровне.

Система предназначена для исследования методов построения современных систем цифровой передачи данных и включает в себя изучение следующих дисциплин: передача дискретных сообщений, цифровая обработка сигналов, цифровая схемотехника, криптография, аппаратно программные комплексы, системы автоматического проектирования цифровых устройств.

Практическая ценность данной работы очевидна, и заключается главным образом в демонстрации современных способов построения систем телекоммуникаций с помощью современной элементной базы.

1. Анализ технического задания

шифрование доступ радиоканал

1.1 Постановка задачи

В соответствии с техническим заданием на проектирование необходимо разработать систему передачи дискретной информации по радиоканалу. Система предназначается для макетирования цифровой системы связи. В дальнейшем, на основе данной разработки возможно построения сети передачи данных.

Для выбора путей решения поставленной задачи необходимо рассмотреть ряд общих вопросов, связанных с условиями и организацией функционирования проектируемой системы: рассмотреть характеристики каналов связи и их параметры, способы передачи дискретных сообщений по каналам связи, способы защиты информации, передаваемой по незащищенным каналам связи. После этого можно оценить возможные варианты решения поставленной задачи и выбрать наиболее подходящий из них.

1.2 Технология передачи конфиденциальных сведений по незащищенным каналам связи

Задача защиты закрытой информации при ее передаче по незащищенным каналам связи носит комплексный характер и включает в себя как организационно-правовые, так и технические мероприятия. Организационно-правовые мероприятия включают в себя определение степени конфиденциальности передаваемой информации, определение порядка обращения с такого рода сведениями, установление границ контролируемых зон (зон, в пределах которых допускается хранение и обработка конфиденциальной информации), режима доступа в контролируемые зоны и к средствам обработки и передачи закрытой информации и т. д.

Технический аспект проблемы включает в себя решение ряда инженерных задач:

- обеспечение требуемой степени достоверности и скорости передачи информации от источника к получателю сообщений в условиях прогнозируемых помеховых воздействий - эта задача решается путем соответствующего выбора энергетических и временных параметров системы (вида сигналов, методов их формирования и обработки, способов помехоустойчивого кодирования, протоколов передачи данных и т.д.);

- обеспечение требуемой степени защиты информации при ее передаче по незащищенным каналам связи - эта задача подразумевает выбор методов и параметров шифрования сообщений в соответствии с грифом ее конфиденциальности, срока жизни и возможностей потенциального злоумышленника;

- обеспечение инженерной защиты контролируемых зон и средств обработки и передачи информации - эта задача подразумевает введение в конструкцию системы устройств, исключающих ее несанкционированное включение и использование.

На рисунке 1.1 представлена типовая схема передачи информации по дискретным незащищенным каналам связи .

Верхние блоки диаграммы отражают процесс преобразования сигнала на пути от источника к передатчику. Нижние блоки диаграммы - преобразование сигнала на пути от приемника к получателю информации, они противоположны верхним блокам. Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом.

Информация источника подвергается шифрованию в соответствии с определенным криптоалгоритмом и необходимым ключом. Следующий этап - канальное кодирование (коды коррекции ошибок). Здесь в сообщение вносится избыточность с целью обеспечить возможность исправления на приемной стороне всех или некоторых возникших в процессе передачи ошибок. Импульсная модуляция - это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требуется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений - двоичный ноль или единица) в видеосигнал. Блок импульсно-кодовой модуляции обычно включает фильтрацию с целью достижения минимальной полосы передачи. Для систем передачи радиочастотного диапазона сформированный поток битов поступает на полосовой модулятор, посредством которого информация преобразуется в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Далее модулированный сигнал поступает в передатчик и в канал связи.

Рисунок 1.1 - Типовая схема системы цифровой связи

В процессе прохождения модулированного сигнала через канал связи сигнал подвергается воздействию шумов и помех. Искаженный сигнал поступает на вход приемника. Структура приемной части является зеркальным отражением структуры передатчика -- сигнал проходит через блоки, в обратном порядке осуществляющие преобразования, обратные по отношению к тем, что производились в передатчике.

На диаграмме присутствует блок синхронизации, являющийся важным компонентом, обеспечивающий правильное функционирование всей системы в целом.

Задача проектирования заключается в выборе структуры системы передачи данных, ее временных и энергетических параметров, алгоритмов формирования и обработки сигналов, обеспечивающих заданные техническим заданием скорость, качество и надежность передачи сообщений.

Необходимо заметить, что системы связи относятся к классу сложных объектов проектирования, в связи, с чем их исчерпывающее описание как в техническом задании на проектирование, так и в технической документации, представляющей результаты проектирования, крайне затруднительно. Поэтому в техническом задании на проектирование, обычно, задаются лишь наиболее общие характеристики и параметры системы, и проектировщик имеет определенную свободу выбора не регламентируемых техническим заданием и иными нормативными документами (разного рода стандартами, регламентами, нормативами и т.д.) параметров и характеристик. Следовательно, принципиально можно построить некоторое множество систем, удовлетворяющих требованиям технического задания и соответствующих нормативных документов, и, тем не менее, существенно отличающихся друг от друга некоторыми, не регламентируемыми параметрами. В связи с этим перед проектировщиком часто возникает проблема множественного выбора вариантов построения системы. При решении этих задач проектировщик должен учитывать ряд дополнительных факторов: экономических, технологических, временных, ситуационных и т.д.

Процесс проектирования является, как правило, итерационным, т.е. задача проектирования решается путем последовательных приближений с уточнением и корректировкой полученных ранее результатов и возвратом при необходимости на один или несколько шагов назад.

Скорость и качество передачи сообщений определяется, прежде всего, типом линии связи. Линия связи определяет также требования к кодерам и устройствам преобразования сигналов.

Надежность передачи сообщений в широком смысле подразумевает как своевременную доставку сообщения получателю, так и обеспечение его защиты от несанкционированного доступа. Надежность передачи сообщений зависит, прежде всего, от выбора протокола передачи данных в системе связи и от алгоритмов и параметров шифрования первичного сообщения.

1.3 Выбор способов защиты передаваемых сообщений

Понятие “защита информации” носит комплексный характер и включает в себя, по меньшей мере, две стороны проблемы. Первая - сохранение информации от несанкционированного использования некоторым посторонним лицом (злоумышленником), вторая - предотвращение утраты или искажения информации в процессе передачи или хранения.

Для решения первой задачи используют комплекс организационно-правовых и технических мероприятий, направленных на установление режима хранения и эксплуатации технических средств обработки и передачи конфиденциальных сведений:

- применение средств ограничения доступа к указанным техническим средствам;

- устранение технических каналов утечки информации;

- шифрование первичных сообщений.

Вторая задача решается путем корректного выбора технических параметров системы, обеспечивающих её нормальное функционирование в условиях воздействия неблагоприятных внешних факторов и помех. Методы решения этой задачи рассматриваются ниже.

Парольная защита доступа к аппаратуре передачи данных организуется как для решения задач дифференциации пользователей системы по степени допуска к обрабатываемой информации, так и для затруднения несанкционированного приведения системы в рабочее состояние. Такая защита может быть организована либо средствами операционных систем ЭВМ, включенных в системы передачи и обработки данных либо применением для идентификации пользователей электронных карт.

Исходными данными для таких оценок являются срок жизни защищаемой информации Тжи, допустимая вероятность дешифровки данных Рдоп за время Тжи , длина ключа шифрования Lкл , вероятность Рк(d) того что какая-либо часть ключа (d символов) cкомпроментирована (известна злоумышленнику). Помимо этого необходимо знать количество технических средств N, выделяемых для дешифровки, и их быстродействие Т0 - время анализа одного ключа.

При оценке надежности шифрования будем исходить из широко используемого в криптографии принципа: противнику о шифре известно всё, кроме ключа шифрования. Возможно также, что он располагает некоторой информацией о ключе шифрования, например, известно множество используемых ключей либо какая то часть ключа.

Оценка надежности шифрования может быть выполнена по следующей методике.

1) Определяем размер множества возможных ключей , где m - количество символов алфавита шифруемого сообщения. Если какая-либо часть ключа (d символов) скомпроментированна с вероятностью Рк(d), то в качестве оценки размера множества возможных ключей можно принять математическое ожидание количества не скомпрометированных ключей

, (1.1)

где - средняя длина нескомпроментированной части ключа.

. (1.2)

2) Определяем среднее время анализа множества возможных ключей в предположении, что все нескомпроментированные ключи равновероятны.

, (1.3)

где Т0 - время анализа одного ключа;

N - количество единиц технических средств, которые могут быть выделены злоумышленником на дешифровку перехваченных сигналов.

Величину Т0 можно определить либо подсчитав число тактов работы процессора ЭВМ, затрачиваемых на анализ одного ключа, либо экспериментально, измерив его на ЭВМ такого же класса при дешифровке одного блока данных. Полученную оценку среднего времени дешифровки можно рассматривать в качестве её верхней границы. Квалифицированный криптоаналитик может существенно сократить указанное время. Хотя этот фактор и не поддается математическому анализу, его необходимо принимать во внимание при выборе средств и параметров шифрования.

3) Определяем вероятность дешифровки сообщения за время жизни информации:

, (1.4)

Очевидно, что условием эффективной защиты является выполнение неравенства:

.

В настоящее время известно большое количество алгоритмов шифрования . Они реализуются программно либо аппаратно. Аппаратные варианты реализации шифрования обладают на порядок более высоким быстродействии по сравнению с программными, а с появлением программируемых логических интегральных схем большой емкости приобретают главное преимущество программных реализаций - гибкость. По этим причинам аппаратный вариант шифрования в большей мере удовлетворяет требованиям технического задания.

Среди криптоалгоритмов, которые удобнее реализовывать аппаратно, для задач, поставленных техническим заданием, в наибольшей мере подходят блочные криптоалгоритмы, среди которых известные DES, ГОСТ и AES, стандартизованные в США и России .

Основным преимуществом алгоритма АES является его гибкость, криптостойкость и высокое быстродействие при реализации и использовании в различных приложениях обработки данных. Каждый блок данных шифруется независимо от других, поэтому можно осуществлять независимую передачу блоков данных и произвольный доступ к зашифрованным данным. Ни временная, ни позиционная синхронизация для операций шифрования не нужна. Алгоритм вырабатывает зашифрованные данные, в которых каждый бит является функцией от всех битов открытых данных и всех битов ключей. Различие лишь в одном бите данных даёт в результате равные вероятности изменения для каждого бита зашифрованных данных. АES может быть реализован аппаратно и программно, но базовый алгоритм всё же рассчитан на реализацию в электронных устройствах специального назначения. Это свойство АES выгодно отличает его от методов шифрования с использованием псевдослучайных последовательностей. Один из недостатков АES заключается в том, что одинаковые данные будут одинаково выглядеть в зашифрованном тексте.

Остановим свой выбор на криптоалгориме АES, ввиду его более высокой криптостойкости и матричной реализации на аппаратном уровне, по сравнению с алгоритмом ГОСТ и DES.

1.4 Характеристики линии связи

В задании на проектирование в качестве линии связи определен радиоканал. Для передачи сообщений по указанной линии связи информационные сообщения необходимо преобразовать в форму, обеспечивающую решение задачи проектирования: выбрать модуляцию, временные и амплитудные параметры сигнала и способы кодирования сообщений.

1.4.1 Выбор несущей частоты сигнала

Несущая частота сигнала является одним из важнейших параметров системы радиосвязи. От величины зависит дальность связи, вид радиоканала (тропосферный, ионосферный, спутниковый), уровень помех в канале связи, скорость передачи информации, размеры и характеристики антенн и т.д.

Основные соображения, которыми руководствуются при выборе несущей частоты для системы радиосвязи, можно сформулировать следующим образом:

- передаваемый по радиоканалу радиосигнал должен удовлетворять условию узкополосности:

,

- несущая частота определяет путь распространения сигнала от пункта передачи к пункту приема; например, радиоволны с частотами выше 50ч60 МГц распространяются в тропосфере в пределах прямой видимости, хорошо отражаются от различных препятствий, размеры которых превышают длину радиоволны, причем с увеличением несущей частоты растет затухание радиоволны в атмосфере; радиоволны другими с частотами обладают иными свойствами - могут распространяться с малыми потерями на большие расстояния, огибать препятствия, проникать вглубь Земли и воды и т.д.;

- несущая частота определяет габариты и возможность построения антенн с высокими техническими характеристиками - большим коэффициентом усиления и низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности;

- несущая частота должна удовлетворять рекомендациям МККР по выбору рабочих частот радиосистем различного назначения.

При выборе несущей частоты следует учитывать, что при дальности радиосвязи, превышающей расстояние прямой видимости:

, (1.5)

между передающей и приемной антеннами, расположенными соответственно на высотах hпер и hпр, для несущих частот, превышающих 30 МГц, радиоканал необходимо строить в виде цепочки ретрансляторов радиосигнала, каждая пара которых должна находиться в пределах прямой видимости друг друга.

Исходя из приведенных выше соображений по выбору несущей частоты , выберем микроволновый диапазон 2400-2483,5 МГц, предназначенный для внутриофисных систем передачи данных .

1.4.2 Распространение радиосигнала

Для прямого луча антенны энергия, передаваемая изотропным излучателем к принимающему сигнал приемнику, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними в длинах волн. Потери энергии в свободном пространстве задаются следующим образом:

Потери [дБ]=, (1.6)

где - расстояние [км];

- частота [МГц].

На практике из величины потерь в свободном пространстве, вычитают коэффициент усиления мощности передающих и принимающих антенн.

Основные потери в системе микроволновой связи - затухание сигнала в атмосфере . Поглощение энергии сигнала зависит от влажности атмосферы, а так как энергия, кроме того, поглощается землей, то потери определяются и высотой пути над землей. Поглощение дождем, хотя и считается незначительным, на частотах ниже 3 ГГц косвенно все же сказывается и соответственно принимается во внимание.

На излучаемый сигнал могут сильно влиять объекты, находящиеся от пути прохождения волны. Эти эффекты могут возникать либо из-за дифракции, отклоняющей волну от направления прямой видимости между антеннами, либо ввиду свойств сигнала отражаться от препятствий, прокладываю новые пути распространения.

Дополнительные потери на пути распространения микроволны вызываются вторжением тел в первую зону Френеля или их приближением к ней.

На распространение волн также влияет рефракция. Инверсии температуры могут вызвать канальный эффект, и в результате возникновения интерференции возможна потеря сигнала.

Для нормальной работы линии связи, прежде всего, необходимо выполнение условия энергетического баланса:

Рпр мин отн Рпер отн. +Ап dлс , (1.7)

где Рпр.мин.отн - чувствительность приемника системы связи (относительный уровень минимальной мощности сигнала на его входе, при котором обеспечиваются требуемые показатели качества его работы: отношение сигнал/шум либо вероятность ошибок);

Рпер.отн - относительный уровень минимальной мощности сигнала передатчика системы связи;

Ап - погонное (удельное) затухание сигнала в линии связи (затухание на единицу длины);

dлс - протяженность (длина) линии связи.

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.

Приведенное соотношение позволяет выбрать энергетические параметры системы связи: мощность сигнала передатчика, чувствительность приемника, параметры антенн для радиоканала, затухание для проводной линии связи.

1.4.3 Пропускная способность линии связи

Характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, (Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с) и т.д.

Пропускная способность линии связи зависит, от амплитудно-частотной характеристики так и от спектра передаваемых сигналов. Необходимым условием неискаженной передачи сигнала является превышение полосы пропускания линии связи Fлс ширины спектра сигнала Fс, передаваемого по линии связи:

Fлс Fс ,

В противном случае сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться, а значит, информация не сможет передаваться с заданной скоростью. Предельное значение пропускной способности С канала связи можно оценить по формуле Шеннона:

С Fс log2(1+). (1.8)

где =Pc/Pш- - отношение сигнал/шум на выходе линии связи.

1.5 Полосовая модуляция

Цифровая модуляция - это процесс преобразования цифровых символов в сигналы, совместимые с характеристиками канала. В случае полосовой модуляции импульсы заданной формы модулируют синусоиду - несущее колебание. Для радиопередачи на нужное расстояние несущая преобразуется в электромагнитное поле.

При цифровой модуляции, синусоида на интервале называется цифровым символом. Синусоиды могут отличаться по амплитуде, частоте и фазе. Основные типы полосовой модуляции/демодуляции перечислены на рисунке 1.2 .

Рисунок 1.2 - Виды полосовой модуляции

Если для детектирования сигналов приемник использует информацию о фазе несущей, процесс называется когерентным детектированием, если подобная информация не используется, процесс именуется некогерентным детектированием. Отметим, что в цифровой связи термины демодуляция и детектирование используются как синонимы .

Преимуществом некогерентных систем перед когерентными, является простота построения детектора, ввиду отсутствия необходимости согласования по фазе с принятой несущей, но за это приходится платить большей вероятностью битовой ошибки.

Остановим свой выбор на некогерентной бинарной частотной манипуляции (ЧМн - FSK) ввиду простоты построения приемного устройства, не требующего фазовой синхронизации несущей частоты. Следовательно, в системе необходимо реализовать только символьную синхронизацию.

В соответствии с рекомендацией МККР на диапазон 2400-2483,5 МГц, при частотной манипуляции шаг сетки частот выбирается в соответствии с выражением :

2402 МГц + 1МГц N, (1.9)

где N = 0 79

С другой стороны, минимальное расстояние между тонами для некогерентной ортогональной передачи ЧМн сигналов должно быть :

, (1.10)

где ;

- период следования информационных символов.

Отсюда, при МГц.

Для передачи 0 будем использовать значение частоты МГц.

Для передачи 1 будем использовать значение частоты МГц.

Ширина полосы для бинарной модуляции ЧМн равна спектру, находящемуся между тонами, плюс области слева и справа, ширина которых равна половине расстояния между тонами, т.е. МГц.

Индекс частотной манипуляции:

, (1.11)

где - символьная скорость;

.

Энергетический спектр сигнала на нулевой несущей частоте изображен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Энергетический спектр сигнала

1.6 Канальное кодирование

В реальных каналах связи скорость передачи снижается. Это обусловлено наличием в канале помех. По этой причине при организации связи предусматривают процедуры устранения ошибок при приеме сообщений. Эту задачу решают в двух направлениях: если количество ошибок в сообщении не превосходит некоторого порогового значения - их исправляют, если же этот порог превышен передачу сообщения или его фрагмента повторяют. Для исправления или обнаружения ошибок сообщение разбивают на части (пакеты), которые передают независимо друг от друга. В каждый пакет кроме собственно информационных бит включают ряд дополнительных бит, позволяющих обнаруживать и (или) исправлять ошибки, собрать из пакетов исходно сообщение, а также выполнять ряд других функций, связанных с распределением и адресацией сообщений. Эти процедуры определены протоколами пакетной передачи данных. Их анализ показывает, что требованиям технического задания удовлетворяет протокол А.25, предназначенный для передачи бинарных сообщений по радиоканалу.

В протоколе AX.25 реализован способ, исключающий ошибочный прием информации. Для этого в конец пакета информации добавляется контрольное поле - последовательность контрольных символов, которая рассчитывается с помощью полинома p(x)=x16+x15+x2+1 в соответствии с международным стандартом ISO 3309. Длина контрольного поля выбирается равной двум байтам.

Рассчитаем реальную скорость в канале. Максимальная длина кадра: 1 байт - флаг идентификации кадра, 16 информационных байт (длина блока данных выхода шифратора АES), 2 - байта контрольная последовательность, 1 байт - флаг окончания кадра. Обнаружение ошибки произойдет, если хотя бы один элемент кадра исказится и произойдет повторный запрос кадра. Вероятность того, что в кадре будет искажен хотя бы один символ, можно рассчитать по формуле:

, (1.12)

где P0 - вероятность искажения одного символа в канале связи;

n - длина информационного поля.

Подставляя P0 = 10-4 и n = 96, получим P1O = 0.01, эта величина является вероятностью повторного запроса кадра.

Реальная скорость передачи информации будет равна:

, (1.13)

где V - заданная скорость передачи равная 1 Мбит/с.

Отсюда С = 0.99 Мбит/с. Скорость, обеспечиваемая системой не ниже 0.99 бит/с.

1.7 Принцип построения системы

В соответствии с техническим заданием необходимо разработать систему двухсторонней пакетной радиосвязи двух персональных компьютеров (ПК). Другими словами, необходимо разработать устройство радиомодема.

Радиомодемы часто называют пакетными контроллерами (TNC -- Terminal Node Controller) по причине того, что в их состав входит специализированный контроллер, реализующий функции обмена данными с компьютером, управления процедурами форматирования кадров и доступа к общему радиоканалу в соответствии с реализованным методом множественного доступа.

Типичная станция пакетной связи включает в себя компьютер, собственно радиомодем (TNC), приемопередатчик (радиостанция) УКВ или СВЧ-диапазона (рисунок 1.4).



Рисунок 1.4 - Структура станции пакетной связи

Проектируемой устройство связи целесообразно разделить на два модуля: пакетный контроллер, реализующий функции обмена данными с компьютером, управления процедурами форматирования кадров; модуль модема, совмещенный с приемо-передатчиком. Первый блок условимся называть пакетным контроллером, а второй - радиомодемом или приемо-передающим модулем.

Таким образом, в пакетном контроллере реализуются функции канального уровня (обмен данными с компьютером, форматирование кадров, доступа к общему радиоканалу), а радиомодем обеспечивает физический доступ к радиоканалу в соответствии с алгоритмом полосовой модуляции/демодуляции.

Для ввода сигнала в ПК необходим высокоскоростной порт (для возможности макетирования высокоскоростного радиоканала передачи информации - до 10 Мбит/с). В настоящее время известно множество разных интерфейсов - от последовательного порта USB до новых беспроводных технологий. По сложности управления, распространенности, пропускной способности и экономичности оптимальным решением в нашей системе будет использование Bluetooth - порта ПК.

На рисунке 1.5 представлена структурная схема проектируемой станции пакетной передачи данных.

Пакетный контроллер взаимодействует с приемо-передатчиком посредством четырех сигналов: Rx - принимаемые данные, Tx - передаваемые данные, Tx/Rx - сигнал переключения радиомодема на прием/передачу, Clk - тактовый сигнал сопровождения данных.



Рисунок 1.5 - Структурная схема построения системы

В соответствии с требованием ТЗ система должна быть построена с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Производители микросхем программируемой логики в настоящее время предлагают широкий спектр изделий, параметры которых как по быстродействию, так и по объёму внутренней логики вполне позволяют реализацию такого сложного устройства, как контроллер Bluetooth на одном кристалле, и, более того, сам контроллер Bluetooth может занимать совсем незначительную часть объёма всей микросхемы. В данном случае, ярко выражен системный подход к разработке пользовательского устройства -- интеграция контроллера и пользовательского приложения на одном кристалле (System-On-Chip).

Систему будем проектировать c помощью языка описания аппаратуры VHDL, который предназначен для решения комплексных задач в ходе проектирования и применения цифровых систем, их аппаратных средств, в том числе:

- описания структуры системы, декомпозиции системы на подсистемы, спецификации связей и взаимодействия подсистем.

- спецификации функционирования системы, узлов, блоков, реализуемых функций.

- моделирование системы и ее работы на основе четкой спецификации структуры системы, а также функционирования ее компонентов.

- синтеза схемотехнической реализации системы, автоматической генерации детальной структуры системы, а также функционирования ее компонентов.

Типовые этапы системы разработки цифровых устройств на СБИС при проектировании на языке VHDL представлены на рисунке 1.6.

При проектировании устройства, будем ориентироваться на ПЛИС фирмы Xilinx, которая принадлежит к числу лидеров среди производителей программируемой логики и самых крупных их производителей.

В качестве систем автоматизированного проектирования (САПР) будем использовать пакеты ISE 6.3 фирмы Xilinx и Active-HDL 6.3 фирмы Aldec

Рисунок 1.6 - Этапы разработки системы на СБИС при проектировании на VHDL

1.8 Результаты анализа ТЗ

Таким образом, в результате анализа технического задания выбрана структура построения проектируемой системы, определены меры защиты информации, определены временные и частотные параметры сигналов, способы подключения внешних устройств и протокол передачи данных.

1) Система реализуется на основе двух модулей:

- пакетного контроллера (интерфейсной платы), реализующего функции высокоскоростной связи с ПК при помощи Bluetooth и формирования кадров;

- радиомодема реализующего функции полосовой модуляции/демодуляции сигналов, синхронизации принимаемых бит, приемо-передатчика.

2) В качестве полосовой модуляции выбрана некогерентная бинарная частотная манипуляция (ЧМН) в диапазоне 2400-2483,5. Частоты для передачи логического нуля `0' и `1' выбраны соответственно равными f2=2403 и f1=2402 МГц. Этот выбор частот удовлетворяет условиям передачи ЧМн-сигнала через радиоканал.

3) Передача данных по радиоканалу связи осуществляется в соответствии с протоколом пакетной радиосвязи А.25. Этот протокол предусматривает передачу данных и помехоустойчивое кодирование блоков данных с образующим полиномом p(x)=x16+x15+x2+1.

4) Для защиты информации при ее передачи по незащищенному каналу связи в системе реализуется алгоритм шифрования DES в аппаратной реализации.

5) В качестве элементной базы для построения пакетного контроллера используется программируемая логика фирмы Xilinx.

2. Разработка структурной схемы системы

2.1 Анализ системы условного доступа

Известно, что в системах условного доступа цифрового телевещания криптостойкость обеспечивается использованием комбинации методов скремблирования и шифрования. Использованием обобщенного алгоритма скремблирования (CSA) предусматривает рассылку ключей . Для регулярного обновления ключа в целях повышения криптостойкости, в случаях подключения новых абонентов в систему условного доступа и в случаях удаления пользователей из системы требуется повторная рассылка ключевой информации. Применение одноуровневых протоколов групповой рассылки ключей снижает пропускную способность системы, поэтому используется многоуровневая ключевая иерархия. Современные системы условного доступа поддерживают до 20 млн. абонентских устройств, обеспечивая автоматическое многоканальное управление до 2048 сервисов и скорость транспортного потока до 108 Мбит/с, при этом длина ключей составляет до 256 бит.

В системах условного доступа мультиплексированный поток видео, звука и данных передается скремблированным, в то время как зашифрованные сообщения управления доступом (ЕСМ) и условного доступа (EMM) передаются в цифровом потоке без скремблирования.

Многоуровневая иерархия ключей позволяет повысить эффективность рассылки ключевой информации в системах условного доступа и позволяет снизить количество рассылок группового ключа.

NР = k·logkN - 1

где k - число ветвлений ключевого дерева, N - количество абонентов, что показано в табл.1 коэффициентом выигрыша NВ =N / NР в снижении рассылок в зависимости от количества абонентов для четырехуровневой иерархии (k = 4). Например, при количестве абонентов N = 1024 удается снизить количество рассылок группового ключа с 1024 до 19.

Выигрыш в снижении рассылок ключей в зависимости от количества абонентов для четырехуровневой иерархии

Количество абонентов	128	256	512	1024	2048
Выигрыш в снижении числа рассылок ключа	13	17	31	54	98

Рисунок 2.1 - Четырехуровневая иерархия при кодировании ключевого потока данных

2.2 Анализ канала связи

Анализ канала связи и его результат, бюджет канала, состоят из вычисления и табулирования полезной мощности сигнала и паразитной мощности шума в приемнике . Бюджет канала - это расчет баланса потерь и прибыли; он определяет подробное соотношение между ресурсами передачи и приема, источниками шума, поглотителями сигнала и результатами процессов, выполняемых в канале. Бюджет - это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи системы связи. После того как выбрана схема модуляции, требования к определенной вероятности ошибки диктуют выбор рабочей точки на кривой зависимости. То есть требуемая достоверность передачи определяет значение , которое должно быть доступным в приемнике для получения этой достоверности.

, (2.1)

где - энергия одного бита;

- спектральная плотность мощности шума;

- скорость передачи битов;

- ширина полосы;

- отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума.

Основная задача анализа канала связи - это определить действительную рабочую точку системы на графике вероятности появления ошибочного бита, и установить, что вероятность ошибки, связанная с этой точкой, меньше или равна требуемой. Бюджет канала обеспечивает обзор системы в целом.

В результате анализа технического задания была выбрана схема некогерентной ортогональной бинарной частотной манипуляции (FSK). На рисунке 2.2 приведен график вероятности появления ошибочного бита для бинарных систем нескольких типов.



Рисунок 2.2 - Вероятность появления ошибочного бита для бинарных систем нескольких типов

По техническому заданию нам необходимо обеспечить вероятность появления ошибочного символа в канале связи не более . Точка на графике соответствует значению в 12,5 дБ. С учетом реальных условий приема (погрешностей реализации узлов формирования и приема сигнала, нестабильности его параметров, не идеальности синхронизации, интерференционных искажений сигнала и т.д.) требуемое значение выбирают с некоторым запасом (1-10 дБ). В нашем случае примем дБ.

Для нормальной работы радиолинии, очевидно, необходимо выполнить условие: .

Для любой цифровой системы связи соотношение между принимаемой мощностью и спектральной плотностью мощности шума (), а так же принимаемой энергией одного бита и спектральной плотностью мощности шума () и имеет следующий вид:

, (2.2)

где - скорость передачи символов (бит) в канале связи.

С другой стороны:

, (2.3)

где - мощность передатчика;

, - коэффициенты направленного действия передающей и приемной антенн соответственно;

- постоянная Больцмана ( = Дж/К)

- это множитель, учитывающий потери в свободном пространстве;

- множитель, характеризующий факторы ослабления и ухудшения при распространении сигнала;

- эффективная шумовая температура системы (функция шума, излучаемого на антенну, и теплового шума, генерируемого приемником)

В нашем случае примем дБВт (1 мВт). Отметим, что максимальная регламентируемая мощность (не требующая оформления частных решений ГКРЧ) в данном частотном диапазоне составляет 100 мВт .

В расчете будем ориентироваться на характеристики антенны ANT24-0801 фирмы D-Link. Данная антенна предназначена для оборудования стандарта беспроводных сетей 802.11b (WLAN).

Основные характеристики:

- всенаправленная антенна

- усиление сигнала 8,5 дБ[i]

- диапазон частот 2.3 -2.5GHz

- поляризация линейная, вертикальная

- HPBW по горизонтали - 70° по вертикали - 65°

- сопротивление 50 Ом

- размеры - 120 x 120 x 43 мм

Отсюда, == дБ

, (2.4)

где = 1000м - расстояние между передающей и приемной антенной;

- длина волны;

=м/с - скорость света в вакууме;

= 2400 МГц - частота.

Отсюда:

=100 дБ.

Множитель ослабления вычисляется по следующей формуле:

,

где , - потери в фидере и разъемах передающего и приемного трактов;

- запас на замирание в микроволновом диапазоне.

Кабель DWL-900AP , соединяющий приемо-передающий модуль с антенной, имеет погонное затухание 0.24 дБ/м. Примем длину кабеля равной 1м. Также следует прибавить к потерям приблизительно 0.5 - 1.5 дБ на каждый разъем. Итого 1-метровый кабель между антенной и точкой доступа имеет потери 0.24 + 21.5 = 3.25 дБ.

Запас на замирание в микроволновом диапазоне можно определить по эмпирической формуле, полученной на основе обработки данных о соотношении усиления тракта и дальности, приводимых производителями оборудования 2.4 ГГц:

дБ, при км, дБ, при км. (2.5)

= 5 дБ.

, (2.6)

где - коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в радиоканале. Зависит от затухания радиосигнала в линии связи , которое характеризует энергетические потери сигнала в дБ/км. Исходя из расстояния м и графика затухания сигнала в атмосфере, приведенного в , опустим данный коэффициент при анализе канала, ввиду незначительного затухания сигнала.

Отсюда, ослабление сигнала в канале:

3.25 + 3.25 + 5 = 11.5 дБ.

Эффективная шумовая температура системы вычисляется по следующей формуле:

, (2.7)

где - шумовая температура антенны;

- шумовая температура приемника.

, (2.8)

где - температура фидера, соединяющего антенну с входом приемника;

- коэффициент потерь в атмосфере;

= 2.1 - коэффициент потерь антенного фидера

, - эквивалентная шумовая температура атмосферных и космических шумов (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Шумовая температура неба

Отсюда, = 30 К, = 3 К, = 334К = 25,24 дБК.

В настоящее время, во входных цепях радиоприемников используют так называемые малошумящие усилители (LNA), которые в основном и определяют коэффициент шума всего приемника. Например, можно использовать микросхему малошумящего усилителя SGL-0263 фирмы Sirenza Microdevices. Усилитель обладает следующими характеристиками:

- рабочая частота 1400-2500 МГц;

- коэффициент усиления на частоте 2400 МГц = 11.3 дБ;

- коэффициент шума на частоте 2400 МГц =2.8 дБ.

Предположим, далее стоит усилительный каскад с коэффициентом шума = 10 дБ (типовое значение).

Вычислим общий коэффициент шума приемника (вклад последующих каскадов, если они есть, в общий коэффициент шума приемника будет незначительным, его можно не учитывать):

, (2.9)

дБ.

Вычислим шумовую температуру приемника по формуле:

, (2.10)

дБ.

С другой стороны, следует учитывать, что нецелесообразно добиваться шумовой температуры приемника меньше = 66.8К.

Найдем эффективную шумовую температуру системы:

=29 дБК.

Таким образом, мы имеем все данные для анализа канала связи. В таблице 2.1 приведен бюджет канала.

Таблица состоит из трех столбцов чисел. Бюджетом канала является средний из них. Другие состоят из вспомогательной информации. Потери взяты в < > скобки. Если значение не заключено в скобки - оно представляет усиление. Промежуточные суммы выделены жирным шрифтом. Начиная с вершины среднего столбца алгебраически суммируются все ослабления и усиления. Окончательный резерв линии связи приведен под номером 17 и вычисляется по следующей формуле:

(2.11)

где эффективная изотропно-излучаемая мощность:

. (2.12)

Отсюда, 4.36 дБ.

Таблица 2.1 - Бюджет канала «радиомодем-радиомодем»: частота - 2.4 ГГц, расстояние - 1 км.

Название характеристики	Значение по заданию	Значение	Обозна-чение
Переданная мощность (дБВт)	(1 мВт)	-30.0
Потери в передатчике		<3.24>
КНД передающей антенны (дБ[i])		8.5
EIRP терминала (дБВт)		-24.74	EIRP
Потери в свободном пространстве (дБ)		<100.0>
Скидка на замирание (дБ)		<5.0>
Принятая изотропная мощность (дБВт)		-129.74
КНД принимающей антенны (дБ[i])		8.5
Мощность принятого сигнала (дБВт) Шум-фактор приемника (дБ) Температура приемника (дБК) Температура принимающей антенны (дБК)		-121.24 4.1 26.67(464К) 25.24(334К)
Температура системы (дБК)		29 (798К)
Постоянная Больцмана (дБВт/КГц)		-228.60
Спектральная плотность шума (дБВт/Гц)		<-199.6>
Принятое (дБГц)		78.36
Скорость передачи данных (дБбит/с)	(1Мбит/с)	<60.0>
Принятое (дБ)		18.36
Требуемое (дБ)		<14.0>
Резерв (дБ)		4.36

Найдем вероятность появления символьной ошибки в канале связи по следующей аппроксимирующей формуле:

, (2.13)

где - число элементов алфавита, используемого для передачи бит данных.

, (2.14)

В нашем случае =2 (бинарная ЧМ-н), отсюда:

.

Полученный результат, вполне удовлетворяет требованиям к вероятности битовых ошибок.

Таким образом, кодирование с коррекцией ошибок не требуется и 2-уровневая некогерентная ЧМ-н удовлетворяет требованиям канала.

Так как прием данных осуществляется в цифровом формате, где нелинейные искажения не являются существенными, в стенде можно отказаться от системы АРУ, использовать ограничение уровня сигнала по входу приемника.

2.2 Выбор структурной схемы радиомодема

В настоящее время почти все приемо-передатчики строятся на основе квадратурных схем обработки сигналов. Это обусловлено универсальностью устройства, которое может применяться не зависимо от вида модуляции. В разработке учебного макета цифровой связи данный фактор является определяющим.

На рисунке 2.4 приведена одна из возможных структурных схем построения приемо-передающего модуля. Квадратурный модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ (в передатчике), а также преобразователь ВЧ в ПЧ (в приемнике) являются аналоговыми. На входе модулятора, раздельно в каждом квадратурном канале I и Q, используются ЦАП, а на выходе демодулятора АЦП. Сигналы с выхода АЦП (в приемном канале) поступают на блок цифровой обработки сигнала (это может быть сигнальный процессор или ПЛИС) для обработки НЧ-сигнала. В передающем канале сигналы с того же модуля ЦОС поступают на ЦАП.

При подаче на входы перемножителя сигнала, в общем случае выражаемого как

, (2.15)

где и - модулированные амплитуда и изменение фазы опорного колебания .

С выхода перемножителя снимается сумма двух колебаний - с суммарной и разностной частотами:

, (2.16)

где пропорционально . Нужное колебание выделяется путем фильтрации.

В приемном тракте, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) осуществляет усиление и фильтрация сигнала. Перемножители и фильтр низких частот (ФНЧ) переносят спектр сигнала на нулевую промежуточную частоту, и формируются квадратурные сигналы I и Q. Они подвергаются преобразованию в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Далее, в блоке ЦОС, происходит цифровое восстановление символов и символьной частоты.

Рисунок 2.4- Структурная схема приемо-передающего модуля

В качестве квадратурного модулятора/демодулятора можно использовать микросхему MAX2450 , со следующими характеристиками:

- квадратурный модулятор/демодулятор по ПЧ 35...80МГ;

- демодулятор (УПЧ, два квадратурных смесителя, два усилителя демодулированных сигналов);

- модулятор (два квадратурных смесителя, сумматор, УПЧ);

- встроенный квадратурный генератор.

На рисунке 2.5 приведена типовая структурная схема включения данной микросхемы.

Рисунок 2.5- Типовая схема включения MAX2450

Более подробно процессы квадратурного формирования и обработки частотно-манипулированного сигнала рассмотрены далее.

3. Разработка аппаратной конфигурации плис

3.1 Выбор структурной схемы пакетного контроллера

Теоретическую основу современных информационных систем связи определяет базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI -- Open Systems Interconnection) международной организации стандартов (ISO -- International Standards Organization) . Она описана стандартом ISO 7498. Модель является международным стандартом для передачи данных.

Системы передачи дискретной информации должны строиться в соответствии с многоуровневой моделью OSI.

Возможен ряд вариантов построения структуры станции связи. Основная классификация модемов определяется объемом функций возлагаемых на него. Объем зависит от количества исполняемых сетевых уровней. Иерархия сетевых уровней представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Иерархия сетевых уровней

Рассмотрим и оценим возможные варианты построения пакетного контроллера. При этом не будем добавлять сетевые уровни в исполнительные возможности проектируемой системы.

Первый вариант - пакетный контроллер выполняет функции интерфейса связи с ПК и формированием кадров для радиомодема. В данном случае все преобразования связанные управлением каналом связи, шифрованием данных, обнаружением ошибок, формированием пакетов возлагаются на вычислительные мощности ПК. На рисунке 3.2 представлена структурная схема построения данного варианта.

Рисунок 3.2 - Структурная схема построения пакетного контроллера

Недостатком данной реализации является загруженность работы ПК, особенно при использовании криптостойких алгоритмов шифрования данных. С другой стороны, нам необходимо спроектировать макет цифровой системы связи, отражающий все способы построения таких систем без привлечения вычислительной мощности ПК.

Второй вариант - пакетный контроллер реализуют функции шифрования/дешифрования, помехоустойчивого кодирования, обработки кадров. В результате в функциях ПК остается задачи управления каналом, формирование принимаемой информации, формирование передаваемой информации (прикладной уровень, уровень представления данных, сеансовый уровень OSI) . Перекладывать функции управления каналом на пакетный контроллер не целесообразно ввиду резкого увеличения аппаратной части устройства. Такой способ построения системы в полной мере удовлетворяет требованиям ТЗ.

На рисунке 3.3 представлена структурная схема построения системы.

Рисунок 3.3 - Структурная схема системы

3.2 Разработка функциональной схемы устройства

На рисунке 3.4 приведен один из возможных вариантов построения функциональной схемы проекта.

Функциональное назначение блоков следует из их названий. Схема отображает следующие блоки.

Блок Control_Unit представляет собой управляющий автомат для управления работой всего устройства. С терминальной программой автомат взаимодействует через модуль Bluetooth_Control с помощью регистров управления и статуса. Чтобы сообщить терминальной программе о результате, какой либо операции или событии, блок активирует соответствующие флаги в регистре статуса и вырабатывает прерывание IntA. Прерывание будет активным, пока программа пользователя его не обработает, сообщив об этом изменением соответствующих флагов в регистре управления.

На схеме представлено семь регистров.

Reg_Stat (8 бит) - регистр статуса, в который записываются сигналы модулем управления Control_Unit для сигнализации программе пользователя текущего состояния системы.

Рисунок 3.5 - Регистр статуса

Биты 7…4 -не используются.

Биты 3,2 - ErrInf, OkInf - сигнализируют об успешном или ошибочном приеме информационного кадра.

Биты 1,0 - ErrCom, OkCom - сигнализируют об успешном или ошибочном приеме принятого управляющего или информационного кадра.

Reg_Upr (8 бит) - регистр управления, выходные разряды которого являются управляющими сигналами модуля Control_Unit. В данный регистр управляющая программа записывает соответствующие коды, направленные на сообщение устройству команды действий.

Рисунок 3.4 - Функциональная схема пакетного контроллера

Рисунок 3.6 - Регистр управления

Биты 7…5 -не используются.

Биты 4…2 - Answ[2:0] - ответ программы пользователя при завершении обработки прерывания. Реализованы следующие кодовые комбинации: