Дипломная работа: Подсистема шифрования системы условного доступа

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.

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:

000 - ответа нет;

001 - вернуться в предыдущий режим;

101 - подготовить информационный кадр для передачи;

011 - подготовить управляющий кадр для передачи;

Биты 1,0 - Slave, Master - сигнализируют режимы работы станции - ведущий режим (передача информации), подчиненный режим (прием информации).

Reg_Adr (8 бит) - регистр адреса. В этот регистр программа пользователя записывает адрес ячейки памяти, находящейся в буфере приема/передачи (BUF_IN_OUT), в которую будет записываться очередной блок (64 бит) пришедших данных, или из которой соответствующий блок будет передаваться в эфир.

Рисунок 3.7 - Регистр адреса