Устройство передачи и приема цифровой информации
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах передачи информации для повышения информационной скрытности передаваемого цифрового сигнала в условиях сети связи специального назначения с большим числом абонентов на ограниченном пространстве. Достигаемый технический результат - улучшение информационной скрытности передаваемых сообщений, улучшение электромагнитной совместимости внутри системы радиосвязи, возможность работы с радиосредствами предыдущих поколений. Устройство содержит пакетатор (1), первое и второе арифметико-логические устройства (2 и 9), шифратор (3), вычитатель (4), первый и второй предсказатели (5 и 14); синхрогенератор (6), цифро-аналоговый преобразователь (7), передающий блок (8), депакетатор (10), приемный блок (11), аналого-цифровой преобразователь (12), сумматор (13), дешифратор (15). 2 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах передачи информации для повышения информационной скрытности передаваемого цифрового сигнала в условиях сети связи специального назначения с большим числом абонентов на ограниченном пространстве.
Известно устройство арифметико-логической обработки цифрового сигнала, описанное в заявке 
98122209 "Способ цифро-аналогового преобразования и устройство для его осуществления", Флинн Д., 1999 г., в котором один или более разрядов хорды значения входного цифрового сигнала управляют тем, какие из указанных выходных каскадов формируют сигнал включения, какие из выходных каскадов формируют широтно-импульсно-модулированный (ШИМ) сигнал, и какие из выходных каскадов формируют сигнал выключения, и для данного значения входного цифрового сигнала только один из выходных каскадов является выходным каскадом формирования ШИМ сигнала, который формирует ШИМ сигнал, причем любые выходные каскады с амплитудой сигнала, меньшей, чем в выходном каскаде формирования ШИМ сигнала, формируют сигналы включения, а любые выходные каскады с амплитудой сигнала, большей, чем в выходном каскаде формирования ШИМ сигнала, формируют сигналы выключения.
Недостатком данного устройства является низкая информационная скрытность передачи информации, так как исходный цифровой сигнал не подвергается преобразованиям, что позволяет приемнику радиотехнической разведки раскрыть за приемлемое время смысл сообщения.
Известно устройство арифметико-логической обработки дискретного сигнала, описанное в заявке на изобретение 2006110566 "Устройство и способ обработки сигнала, имеющего последовательность дискретных значений", Гайгер Р., Шуллер Г., Шпорер Т., 2006 г., в котором манипулируют последовательностью дискретных значений для получения последовательности подвергнутых манипуляции значений такой, что, по меньшей мере, одно из подвергнутых манипуляции значений является нецелочисленным, и округляют последовательность значений, подвергнутых манипуляции, для получения последовательности округленных значений, подвергнутых манипуляции, причем средство для округления выполнено с возможностью осуществления формирования спектра для генерируемой ошибки округления так, что ошибка округления со сформированным спектром имеет в первом частотном диапазоне более высокую энергию, чем во втором частотном диапазоне.
Недостатком данного устройства является функциональная несовместимость с аппаратурой, реализующей аналоговые методы передачи информации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство арифметико-логической обработки цифрового сигнала, описанное в патенте 2302083 "Способ передачи дискретного сообщения в системах с обратной связью", Тупота В.И., Бурушкин А.А., Минаков В.А., 2006 г., предназначенное для повышения скорости передачи информации в условиях сильных помех.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
3 - кодер (шифратор);
8 - первый передающий блок (ПЕР1);
11 - первый приемный блок (ПР1);
15 - декодер (дешифратор);
16 - источник сигнала (ИС);
17 - второй приемный блок (ПР2);
18 - решающее устройство (РУ);
19 - второй передающий блок (ПЕР2);
20 - первое запоминающее устройство (ЗУ1);
21 - второе запоминающее устройство (ЗУ2).
Устройство-прототип содержит в передающей части - последовательно соединенные ИС 16, ЗУ1 20, кодер 3 и ПЕР1 8, выход которого является первым выходом устройства, а также ПР1 11, вход которого является вторым входом устройства, а выход ПР1 11 соединен со вторым входом ЗУ1 20, второй выход которого соединен со вторым входом ПЕР1 8; в приемной части -последовательно соединенные ПР2 17, вход которого является первым входом устройства, ЗУ 2 21, декодер 15, РУ 18 и ПЕР2 19, выход которого является вторым выходом устройства, кроме того, второй выход ЗУ2 21 соединен со вторым входом РУ 18.
Устройство-прототип работает следующим образом. На передающем конце линии связи последовательность блоков-символов длиною М бит из ИС 16 подают в ЗУ1 20, где формируют дискретное сообщение в виде последовательности символов. Данная последовательность в кодере 3 формирует копию дискретного сообщения путем кодирования каждого символа дискретного сообщения в соответствии с заданной формулой и добавления к каждому символу дискретного сообщения и его копии по одному биту для проверки их на четность. Сформированное дискретное сообщение и его копия передаются по линии связи с помощью ПЕР1 8.
На приемном конце линии связи принимают принятое сообщение и его копию с помощью ПР2 17 и запоминают в их в ЗУ2 21, декодируют каждый символ принятой копии дискретного сообщения в соответствии с заданной формулой в декодере 15. В РУ 18 символы принятого дискретного сообщения сравнивают с декодированными символами копии дискретного сообщения, корректируют ошибочно принятые символы, при необходимости передают с помощью ПЕР2 19 по каналу обратной связи информацию на повторную передачу дискретного сообщения и его копии. Данная информация принимается на передающей стороне с помощью ПР 111.
В устройстве-прототипе формирование копии дискретного сообщения путем кодирования каждого символа должно было бы приводить к тому, что результат кодирования должен принадлежать числовому интервалу значительно большему, чем числовой интервал, которому принадлежит исходный символ. Если данное условие не будет выполнено, несанкционированный пользователь методом тотального перебора вариантов способен за приемлемое время получить необходимый результат. Однако выполнение данного условия в способе-прототипе невозможно, так как это приведет к увеличению объема полезной информации, что скажется или на уменьшении скорости передачи, или на усложнении аппаратуры приема.
Кроме того, в современных сетях связи при большом количестве абонентов, располагающихся на ограниченном пространстве, возникает необходимость использования аналоговых методов передачи. Это связано, во-первых, с решением проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) из-за ограниченности частотного ресурса и, во-вторых, с требованием поддерживать связь с аппаратурой "старого" аналогового парка.
Таким образом, недостатком устройства-прототипа является низкая информационная скрытность, а также недостаточное обеспечение ЭМС с другими аналогичными средствами связи.
Для устранения указанных недостатков в устройство передачи и приема цифровой информации, содержащее шифратор, дешифратор, передающий блок, выход которого является первым выходом устройства, и приемный блок, вход которого является вторым входом устройства, согласно изобретению, введены последовательно соединенные пакетатор, информационный вход которого является первым входом устройства, и первое арифметико-логическое устройство, выход которого соединен с информационным входом шифратора, последовательно соединенные вычитатель и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом передающего блока, последовательно соединенные второе арифметико-логическое устройство и депакетатор, выход которого является вторым выходом устройства, а также первый и второй предсказатели, аналого-цифровой преобразователь, сумматор и синхрогенератор; при этом, выход шифратора соединен с первыми информационными входами вычитателя и первого предсказателя, выход которого соединен со вторым информационным входом вычитателя, информационный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом приемного блока, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым информационным входом сумматора, выход которого соединен с информационным входом дешифратора, выход которого соединен с информационным входом второго арифметико-логического устройства; кроме того, выход сумматора через второй предсказатель соединен со вторым информационным входом сумматора; выход синхрогенератора соединен с тактовыми входами пакетатора, первого и второго арифметико-логических устройств, шифратора, вычитателя, первого и второго предсказателей, аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя, сумматора, дешифратора и депакетатора.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - пакетатор;
2 - первое арифметико-логическое устройство (АЛУ1);
3 - шифратор;
4 - вычитатель;
5 - первый предсказатель (ПР1);
6 - синхрогенератор;
7 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
8 - передающий блок (ПЕБ);
9 - второе арифметико-логическое устройство (АЛУ2);
10 - депакетатор;
11 - приемный блок (ПРБ);
12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
13 - сумматор;
14 - второй предсказатель (ПР2);
15 - дешифратор.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные пакетатор 1, информационный вход которого является первым входом устройства, АЛУ1 2, шифратор 3, вычитатель 4, ЦАП 7 и ПЕБ 8, выход которого является первым выходом устройства. Кроме того, выход шифратора 3 соединен с первым информационным входом ПР1 5, выход которого соединен со вторым информационным входом вычитателя 4.
Вторым входом устройства является вход ПРБ 11, выход которого через АЦП 12 соединен с первым информационным входом сумматора 13, выход которого через последовательно соединенные дешифратор 15 и АЛУ2 9 соединен с информационным входом депакетатора 10, выход которого является вторым выходом устройства. Кроме того, выход сумматора 13 соединен с информационным входом ПР2 14, выход которого соединен со вторым информационным входом сумматора 13.
Выход синхрогенератора 6 соединен с тактовыми входами пакетатора 1, АЛУ1 2, шифратора 3, вычитателя 4, ПР1 5, ЦАП 7, АЦП 12, сумматора 13, дешифратора 15, АЛУ2 9, ПР2 14 и депакетатора 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
С первого входа устройства двоичная информационная последовательность поступает на информационный вход пакетатора 1, где происходит ее деление на двоичные блоки по М бит.С выхода пакетатора 1 полученный n-ый (n
[1,
]) блок подается на информационный вход АЛУ1 2, в котором производится пересчет М бит данного n-ого двоичного блока, составляющих двоичное число Dn, в первое десятичное число Y n[0,2M-1], которое подается на информационный вход шифратора 3, где переводится во второе десятичное число Zn=f(Yn)[0,2L-1], L
М, где f - хеш-функция, не являющаяся однонаправленной [1]. С выхода шифратора 3 значение Zn подается на первый информационный вход вычитателя 4, на второй информационный вход которого поступает предсказанное значение 
, полученное в ПР1 5 на основе т? предыдущих значений: Zn-p
,Zn-1. В результате вычитания на выходе блока 4 получается ошибка предсказания 
, которая подается на информационный вход ЦАП 7, где по получаемым значениям Еn формируется аналоговый сигнал E(t), который подается в ПЕБ 8, откуда передается получателю.
Со второго входа устройства входной аналоговый сигнал E{t) через ПРБ 11 подается на информационный вход АЦП 12, где преобразуется в последовательность дискретных значений Е n, которая подается на первый информационный вход сумматора 13, на второй информационный вход которого подается значение 
, полученное в ПР2 14 на основе p предыдущих значений: Zn-p,,Zn-1. В блоке 13 каждое значение Еn суммируется с соответствующим значением Zn с целью получения значения Zn, которое по подается на информационный вход ПР2 14. Значение Zn, кроме того, поступает на информационный вход дешифратора 15, где определяется первое десятичное число Yn=f-1(Zn), где f - обратное преобразование хеш-функции, не являющейся однонаправленной [1]. С выхода дешифратора 15 значение Yn подается на информационный вход АЛУ2 9, где пересчитывается из десятичного вида Yn в двоичный Dn. Полученные таким образом М бит двоичного числа Dn объединяются в депакетаторе 10 в двоичную информационную последовательность, которая подается на второй выход устройства.
С выхода синхрогенератора 6 на пакетатор 1, АЛУ1 2, шифратор 3, вы-читатель 4, ПР1 5, ЦАП 7, АЦП 12, сумматор 13, дешифратор 15, АЛУ2 9, ПР2 14 и депакетатор 10 подаются тактовые импульсы, определяющие начало каждой микрооперации, в результате чего обеспечивается синхронизация работы устройства в целом.
Сообщения, передаваемые с помощью предлагаемого устройства по каналу радиосвязи, обладают большим числом вариантов при дешифровании, в результате чего значительно уменьшается вероятность раскрытия сигнала при условии его обнаружения и, следовательно, улучшается информационная скрытность сигнала. Предсказание текущего значения на основе предыдущих р символов не дает возможности накопления ошибок при передаче аналогового сигнала, что повышает помехоустойчивость приема и уменьшает вероятность ошибки при дальнейшем декодирования символов. Также, коэффициенты предсказания могут играть роль дополнительного ключа.
Кроме того, использование предлагаемого устройства в сетях связи позволяет "экономить" используемые частоты, что дает возможность увеличить число абонентов на ограниченной территории.
Предсказатели могут быть реализованы так, как указано в [2].
Шифратор и дешифратор могут быть выполнены, например, в виде микропрограммных контроллеров, описанных в [3].
Реализация остальных блоков не вызывает затруднений, т.к. они широко описаны в научно-технической литературе.
Использование современных микропроцессоров позволяет проводить преобразования передаваемого и принимаемого сигналов в данном устройстве с высоким быстродействием, что обеспечит конфиденциальность при одновременном увеличении ЭМС между абонентами сети.
Таким образом, предлагаемым изобретением достигается технический результат:
- улучшение информационной скрытности передаваемых сообщений;
- экономия используемой системой радиосвязи полосы частот, что улучшает ЭМС внутри системы радиосвязи;
- возможность работы с радиосредствами предыдущих поколений.
Источники информации:
1. Алферов, Черемушкин, Зубов. Основы криптографии. - М.: Радио и связь, 2000.
2. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с анг./ Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000, стр.110-111.
3. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. "Микросхемотехника, М., Радио и связь, 1990 г., стр.299 - 301.
Устройство передачи и приема цифровой информации, содержащее шифратор, дешифратор, передающий блок, выход которого является первым выходом устройства, и приемный блок, вход которого является вторым входом устройства, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные пакетатор, информационный вход которого является первым входом устройства, и первое арифметико-логическое устройство, выход которого соединен с информационным входом шифратора; последовательно соединенные вычитатель и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом передающего блока; последовательно соединенные второе арифметико-логическое устройство и депакетатор, выход которого является вторым выходом устройства; а также первый и второй предсказатели, аналого-цифровой преобразователь, сумматор и синхрогенератор, при этом выход шифратора соединен с первыми информационными входами вычитателя и первого предсказателя, выход которого соединен со вторым информационным входом вычитателя, информационный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом приемного блока, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым информационным входом сумматора, выход которого соединен с информационным входом дешифратора, выход которого соединен с информационным входом второго арифметико-логического устройства; кроме того, выход сумматора через второй предсказатель соединен со вторым информационным входом сумматора, выход синхрогенератора соединен с тактовыми входами пакетатора, первого и второго арифметико-логических устройств, шифратора, вычитателя, первого и второго предсказателей, аналого-цифрового преобразователя, цифроаналогового преобразователя, сумматора, дешифратора и депакетатора.
