СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2013

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2013 Позиция специалиста Современная электроника и беспроводные технологии В статье рассмотрены реализуемые на микросхемах алгоритмы беспроводной связи, осуществляемой сигналами на случайных частотных и временны ′ х позициях с фазовой модуляцией. Обоснованы преимущества и простота этих алгоритмов, обеспечивающих криптостойкость и защиту от радиопомех, кодами исправления ошибок. Дана критика алгоритмов радиостанций Минобороны РФ, не защищённых от средств радиоэлектронной борьбы, не способных отличить ложные приказы от подлинных. Юрий Брауде-Золотарёв (г. Москва) В ВЕДЕНИЕ Средства электроники давно втор- глись в теорию и технику радиосвя- зи. При этом известными преимуще- ствами аппаратуры на микросхемах по сравнению с приборами, реализуемы- ми на процессорах, являются высокая надёжность, меньшее энергопотребле- ние и низкая цена. Об этих преимуще- ствах знали ведущие НИИ Миноборо- ны СССР, по заказу которого для косми- ческого челнока «Буран» в 1988 г. была разработана микросхема кодека поме- хозащиты с малой плотностью прове- рок на чётность (МППЧ) и эффектив- ностью, близкой к пределу Шеннона. Зарубежные фирмы уже более 10 лет реализуют радиосредства сверхширо- кополосной связи (СШПС) на микро- схемах, используя их существенные конкурентные преимущества [1]. Но радиостанции для Минобороны РФ разработчики до сих пор реализуют на процессорах по алгоритмам, кото- рые в 200 раз дороже, сложнее и менее надёжны, чем радиостанции на микро- схемах. Цель настоящей статьи – убедить заказчиков и разработчиков радиоап- паратуры в преимуществах алгорит- мов, основанных на критериях микро- электроники, помочь им отказаться от устаревших алгоритмов и процессо- ров и, исполняя [2], создать на микро- схемах радиоаппаратуру со структу- рами сигналов, крипто- и помехоза- щитой, конкурентную на мировом уровне. П РЕДПОЧТИТЕЛЬНОЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ В микросхеме кодека, разрабо- танной для «Бурана», использован код МППЧ с генераторным полино- мом (ГП) на двоичном регистре сдвига (РС) на базе совершенного разностно- го множества (СРМ) длиной 553 бит с кодовой скоростью R = 1/2. Этот кодек работал с жёстким решением луч- ше, чем значительно более сложный кодек Витерби челнока «Шаттл» с мяг- ким решением и такой же R . Позже по заказу Минобороны РФ для спутнико- вого канала беспилотника была разра- ботана микросхема более короткого кодека [3] на базе СРМ длиной 133 бит, также обладающего R = 1/2. Он проще кодека СРМ-553, но не уступает ему по помехоустойчивости благодаря неста- ционарным ГП на двух ветвях кодиро- вания. Его энергопотребление — око- ло 20 мкДж/бит. Кодек [3] устойчив к большим помехам, хорошо работа- ет с фазовой (ФМ) и частотной (ЧМ) модуляциями, а его синхронизация устойчива даже при действии плотно- го (до 50%) пакета ошибок длиной до 25 бит. Эти преимущества особо ценны для радиостанций войсковых и охран- ных сетей, нуждающихся в защите от заградительных помех (ЗП). В [4] показано, что известные более 25 лет кодеки с алгоритмом МППЧ – наилучшие, а также что кодеки МППЧ- LDPC (low density parity check codes) уже более 5 лет признаны наилучши- ми и за рубежом. У часто рекламиру- емых кодеков Рида-Соломона сложны вычисления в многоразрядных полях Галуа, а турбо-кодеки имеют большую длину кода и сложные многоразрядные перемежители. Очевидно, что выбор алгоритма – первый шаг для успешной разработки микросхем, требуемой в [2]. Возможно, что при дальнейшем раз- витии теории и техники кодирования будут реализованы микросхемы луч- ших МППЧ кодеков на трёх и более ветвях нестационарности и с мягким решением на базе СРМ-91, СРМ-73 или СРМ-57. П РЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ Преимущества случайных частотно- временны ′ х позиций (СЧВП) (frequency hopping и time hopping – FH и TH) паке- тов отмечены в [1, 5–7]. Теория сигна- лов давно требует отказа от ЧМ. Фирма Atmel в микросхеме AT86RF212, реали- зующей стандарты IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15d, предусмотрела ФМ-4 и ФМ-8, которые в 2–3 раза лучше ЧМ использу- ют ресурсы полосы [1]. В [5–7] на при- мере охранных радиосетей с СЧВП показано, что переход от ЧМ к офсет- ной ФМ-4 и к лучшему кодеку поме- хозащиты повышает помехоустойчи- вость почти на 10 дБ, и даны рекоменда- ции по эффективному использованию ресурсов канала с кодеками помехоза- щиты. В офсетной ФМ-4 [7] модулиру- ющие квадратурные компоненты X и Y сдвинуты на половину такта. Это устра- нило переходы вектора несущей через ноль и улучшило условия обнаружения и синхронизации сигнала. Известно много способов синхронизации сиг- налов СЧВП. Ведущие зарубежные фирмы (Moto- rola, Samsung, Atmel и др.) уже более 10 лет реализуют СШПС с сигналами СЧВП на микросхемах, используя их существенные конкурентные преиму- щества перед сигнальными процессо- рами [1]. В РФ также были реализова- ны СШПС на микросхемах. НИИ полу- проводниковых приборов (НИИПП, г. Томск) разработал для СШПС диа- пазона 3,1–5,1 ГГц комплект моно- литных интегральных микросхем по арсенид-галлиевой технологии с про- ектной нормой (ПН) 0,5 мкм и часто- тами много выше 30 ГГц. В комплекте есть преобразователи, усилители про- межуточной частоты (УПЧ), векторные модуляторы-демодуляторы, частот- но-фазовые детекторы и др. Скорость передачи данных – до 100 Мбит/с. Кон- структорское бюро опытных разра- боток (КБОР, г. Москва) разработало «СШПС-ИМПУЛЬС» на программируе- © СТА-ПРЕСС