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.