bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Phân tích, giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn hf ngành : điện tử viễn thông m số:23.04.3898 Nguyễn văn thăng Ngời hớng dẫn khoa học : TS Nguyễn viết nguyên Hà Nội 01/2008 Bản cam đoan Tôi xin cam đoan toàn nội dung đề cập luận văn phân tích giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn đợc viết dựa kết nghiên cứu theo đề cơng cá nhân dới hớng dẫn TS Nguyễn Viết Nguyên Mọi thông tin số liệu tham khảo đợc trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng luật quyền qui định Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên Nguyễn Văn Thăng Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sóng ngắn Hình 1.2 Ví dụ hệ thống thông tin sóng ngắn Hình 1.3 Cấu tạo lớp tầng điện ly Hình 2.1a Tín hiệu điều chế AM miền thời gian Hình 2.1b: Phổ tần số tín hiệu sau điều chế Hình 2.2 Phổ tần số tín hiệu AM Hình 2.3 Tín hiệu điều tần FM Hình 2.4 Phổ tần số tín hiệu FM Hình 2.5: Bản tin (dãy bit 0, 1) tín hiệu ASK; biểu đồ chòm Hình 2.6: Bộ tạo tín hiệu ASK Hình 2.7: a) tin; b) phổ tín hiệu số m(t); c) tín hiệu sau điều chế ASK Hình 2.8: Tái tạo lại luông bit Hình 2.9: Giải điều chế liên kết Hình 2.10: Bộ điều chế BPSK Hình 2.11: Biểu đồ chòm tín hiệu BPSK, QPSK 8-PSK Hình 2.12 Tín hiệu điều chế QPSK với dãy bít vào 0001110001110010 Hình 2.13: Bảng pha tín hiệu điều chế QPSK Hình 2.15: Tín hiệu kênh đồng pha I vuông pha Q Hình 2.16 Tín hiệu QPSK Hình 2.17: Điều chế QPSK phân cực Hình 2.18 Thực điều chế QPSK sử dụng kênh vuông pha I Q Hình 2.19 Sơ đồ khối điều chế QPSK thực tế Hình 2.20 Sơ đồ khối điều chế OQPSK Hình 2.21 Sự khác QPSK OQPSK Hình 2.22 Tín hiệu FSK biểu diễn theo thời gian Hình 2.23 Sự chuyển dịch tần số theo thời gian tín hiệu FSK Hình 2.24 Phổ tần số tín hiệu FSK: Fspace ứng với bít 0, Fmark ứng với bít Hình 2.25 Giải điều chế kiểu tách sóng FM Hình 2.26 Phổ tín hiệu FSK với thành phần nhiễu FA, FB, FC Hình 2.27 Tín hiệu FSK tợng phading Hình 2.28 Phơng pháp sử dụng lọc thích nghi Matched 16 17 17 19 20 22 22 23 24 24 26 26 27 27 28 29 29 30 30 31 31 33 33 34 35 36 37 37 Hình 2.29 Bộ giải điều chế cho tín hiệu FSK liên kết 38 Hình 2.30 Bộ giải điều chế cho tín hiệu FSK không liên kết 38 Hình 3.1 Lấy mẫu thực biến đổi FFT 48 Hình 3.2 Lấy mẫu phân tích FFT phân tích phổ thông thờng, phân 49 tích tín hiệu vectơ phân tích phổ thời gian thực Hình 3.3 Các khung liệu lấy mẫu thời gian xử lý FFT trờng 50 hợp Hình 3.4 Sơ đồ khối đơn giản phân tích phổ thời gian thực 51 Hình 3.5 Phổ tần số tín hiệu 55 Hình 3.6 Phổ màu Spectrogram 53 Hình 3.7 Biểu đồ biên độ tức thời 54 Hình 3.8 Biểu đồ tần số tức thời 54 Hình 3.9 Biểu đồ pha tức thời 54 Hình 3.10 Biểu đồ hình mắt tín hiệu FSK2 57 Hình 3.11 Biểu đồ chòm tín hiệu FSK2 57 Hình 3.12 Sơ đồ khối phân tích băng hẹp 62 Hình 3.13 Sơ đồ khối đo ớc lợng tốc độ Baud 63 Hình 3.14 Phổ tín hiệu ASK 65 Hình 3.15 Biên độ tức thời tín hiệu ASK 66 Hình 3.16 Đo tốc độ điều chế tín hiệu ASK 67 Hình 3.17 Thiết lập tham số cho giải điều chế ASK 67 Hình 3.18 Kết giải điều chế, đồ thị hình mắt, đồ thị chòm 68 đồ thị chất lợng ký hiệu Hình 3.19 Phổ tần số tín hiệu FSK2 Hình 3.20 Đo độ dịch tần shift tín hiệu FSK2 biểu đồ tần số tức thời Hình 3.21 Đo tốc độ phơng pháp FFT Hình 3.22 Kết giải điều chế tín hiệu FSK2 Hình 3.23 Phổ tần số phổ màu tín hiệu PSK Hình 3.24 Phổ tín hiệu tăng công suất lên lần: 68 69 70 71 72 72 a) tín hiệu PSK2A; b) tín hiệu PSK2B Hình 3.25 Phổ tần số tín hiệu đầu vào FFT Biên độ với hệ số công suất 73 1.(Đo tốc độ điều chế phơng pháp FFT) Hình 3.26a Đo tốc độ điều chế PSK2A biểu đồ pha tức thời 74 Hình 3.26b Đo tốc độ điều chế PSK2B biểu đồ pha tức thời 74 Hình 3.27a Tín hiệu PSK2A Hình 3.27b Tín hiệu PSK2B Hình 3.29 Biều đồ chòm ghi dịch tín hiệu PSK2A PSK2B Hình 3.30 Biểu đồ biên độ tức thời tín hiệu PSK2A PSK2B Hình 3.31 Sự khác PSK2B PSK4A Hình 4.1 Phổ Tín hiệu Moóc Hình 4.2 Phổ tín hiệu Baudot Hình 4.3a Phổ tín hiệu Sitor ARQ (A) Hình 4.3b Phổ tín hiệu Sitor-FEC (B) Hình 4.5 Cấu trúc khung liệu tín hiệu Stanag4285 Hình 4.6 Phổ tín hiệu Mil-188-141A Hình 5.1: Nguyên lý chung mật mã khoá bí mật Hình 5.2 Hệ thống mật mã hoá 74 75 75 77 76 87 88 89 90 91 96 99 101 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sóng ngắn Hình 1.2 Ví dụ hệ thống thông tin sóng ngắn Hình 1.3 Cấu tạo lớp tầng điện ly Hình 2.1a Tín hiệu điều chế AM miền thời gian Hình 2.1b: Phổ tần số tín hiệu sau điều chế Hình 2.2 Phổ tần số tín hiệu AM Hình 2.3 Tín hiệu điều tần FM Hình 2.4 Phổ tần số tín hiệu FM Hình 2.5: Bản tin (dãy bit 0, 1) tín hiệu ASK; biểu đồ chòm Hình 2.6: Bộ tạo tín hiệu ASK Hình 2.7: a) tin; b) phổ tín hiệu số m(t); c) tín hiệu sau điều chế ASK Hình 2.8: Tái tạo lại luông bit Hình 2.9: Giải điều chế liên kết Hình 2.10: Bộ điều chế BPSK Hình 2.11: Biểu đồ chòm tín hiệu BPSK, QPSK 8-PSK Hình 2.12 Tín hiệu điều chế QPSK với dãy bít vào 0001110001110010 Hình 2.13: Bảng pha tín hiệu điều chế QPSK Hình 2.15: Tín hiệu kênh đồng pha I vuông pha Q Hình 2.16 Tín hiệu QPSK Hình 2.17: Điều chế QPSK phân cực Hình 2.18 Thực điều chế QPSK sử dụng kênh vuông pha I Q Hình 2.19 Sơ đồ khối điều chế QPSK thực tế Hình 2.20 Sơ đồ khối điều chế OQPSK Hình 2.21 Sự khác QPSK OQPSK Hình 2.22 Tín hiệu FSK biểu diễn theo thời gian Hình 2.23 Sự chuyển dịch tần số theo thời gian tín hiệu FSK Hình 2.24 Phổ tần số tín hiệu FSK: Fspace ứng với bít 0, Fmark ứng với bít Hình 2.25 Giải điều chế kiểu tách sóng FM Hình 2.26 Phổ tín hiệu FSK với thành phần nhiễu FA, FB, FC Hình 2.27 Tín hiệu FSK tợng phading Hình 2.28 Phơng pháp sử dụng lọc thích nghi Matched 16 17 17 19 20 22 22 23 24 24 26 26 27 27 28 29 29 30 30 31 31 33 33 34 35 36 37 37 Hình 2.29 Bộ giải điều chế cho tín hiệu FSK liên kết 38 Hình 2.30 Bộ giải điều chế cho tín hiệu FSK không liên kết 38 Hình 3.1 Lấy mẫu thực biến đổi FFT 48 Hình 3.2 Lấy mẫu phân tích FFT phân tích phổ thông thờng, phân 49 tích tín hiệu vectơ phân tích phổ thời gian thực Hình 3.3 Các khung liệu lấy mẫu thời gian xử lý FFT trờng 50 hợp Hình 3.4 Sơ đồ khối đơn giản phân tích phổ thời gian thực 51 Hình 3.5 Phổ tần số tín hiệu 55 Hình 3.6 Phổ màu Spectrogram 53 Hình 3.7 Biểu đồ biên độ tức thời 54 Hình 3.8 Biểu đồ tần số tức thời 54 Hình 3.9 Biểu đồ pha tức thời 54 Hình 3.10 Biểu đồ hình mắt tín hiệu FSK2 57 Hình 3.11 Biểu đồ chòm tín hiệu FSK2 57 Hình 3.12 Sơ đồ khối phân tích băng hẹp 62 Hình 3.13 Sơ đồ khối đo ớc lợng tốc độ Baud 63 Hình 3.14 Phổ tín hiệu ASK 65 Hình 3.15 Biên độ tức thời tín hiệu ASK 66 Hình 3.16 Đo tốc độ điều chế tín hiệu ASK 67 Hình 3.17 Thiết lập tham số cho giải điều chế ASK 67 Hình 3.18 Kết giải điều chế, đồ thị hình mắt, đồ thị chòm 68 đồ thị chất lợng ký hiệu Hình 3.19 Phổ tần số tín hiệu FSK2 Hình 3.20 Đo độ dịch tần shift tín hiệu FSK2 biểu đồ tần số tức thời Hình 3.21 Đo tốc độ phơng pháp FFT Hình 3.22 Kết giải điều chế tín hiệu FSK2 Hình 3.23 Phổ tần số phổ màu tín hiệu PSK Hình 3.24 Phổ tín hiệu tăng công suất lên lần: 68 69 70 71 72 72 a) tín hiệu PSK2A; b) tín hiệu PSK2B Hình 3.25 Phổ tần số tín hiệu đầu vào FFT Biên độ với hệ số công suất 73 1.(Đo tốc độ điều chế phơng pháp FFT) Hình 3.26a Đo tốc độ điều chế PSK2A biểu đồ pha tức thời 74 Hình 3.26b Đo tốc độ điều chế PSK2B biểu đồ pha tức thời 74 Hình 3.27a Tín hiệu PSK2A Hình 3.27b Tín hiệu PSK2B Hình 3.29 Biều đồ chòm ghi dịch tín hiệu PSK2A PSK2B Hình 3.30 Biểu đồ biên độ tức thời tín hiệu PSK2A PSK2B Hình 3.31 Sự khác PSK2B PSK4A Hình 4.1 Phổ Tín hiệu Moóc Hình 4.2 Phổ tín hiệu Baudot Hình 4.3a Phổ tín hiệu Sitor ARQ (A) Hình 4.3b Phổ tín hiệu Sitor-FEC (B) Hình 4.5 Cấu trúc khung liệu tín hiệu Stanag4285 Hình 4.6 Phổ tín hiệu Mil-188-141A Hình 5.1: Nguyên lý chung mật mã khoá bí mật Hình 5.2 Hệ thống mật mã hoá 74 75 75 77 76 87 88 89 90 91 96 99 101 Lời mở đầu Ngày nay, song song với phát triển ngành khoa học công nghệ nói chung, đáp ứng nhu cầu yêu cầu ngày cao đời sống xã hội đặc biệt nhu cầu truyền thông tin xa, thông tin điện tử thiếu đợc đợc phát triển mạnh mẽ, ngày có nhiều công nghệ, kỹ thuật đợc ứng dụng vào thông tin truyền thông, cho phép ứng dụng nhiều loại hình dịch vụ truyền tải đợc thông tin dới nhiều dạng khác nh thoại, Video, Fax, liệu, với tốc độ băng thông ngày cao nh hệ thống thông tin Vệ tinh, hệ thống thông tin cáp quang, Tuy nhiên phơng thức truyền thông tin qua sóng vô tuyến điện hiệu cần thiết, đặc biệt thông tin sóng ngắn Do đặc điểm u việt thông tin sóng ngắn hệ thống đơn giản, cự ly truyền xa, công suất sử dụng nhỏ hiệu nên thực tế đợc sử dụng rộng rãi thơng mại, dân sự, hàng hải, hàng không đặc biệt quân Việc giám sát thu chặn thông tin không đợc phép vi phạm pháp luật Tuy nhiên để nắm bắt tình hình từ xa theo dõi hoạt động đối phơng nớc tổ chức hệ thống giám sát thu chặn tuyến thông tin đối tợng quan tâm, đặc biệt quân Công việc đóng vai trò quan trọng công tác bảo vệ an ninh quốc gia Để bớc tiếp cận với công tác này, chọn đề tài nghiên cứu phân tích giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn nhằm mục đích tìm hiểu phơng pháp phân tích, giải điều chế giải mã tín hiệu thu đợc từ tuyến thông tin đối tợng, hệ thống, phơng tiện phục vụ cho công việc nhằm đa vào triển khai thiết thực phục vụ công tác Đây vấn đề cần thiết cho cán thực công tác này, nên để phục vụ thiết thực chọn nghiên cứu đề tài cách sát thực tế để ứng dụng vào công việc Hà Nội, tháng 01 năm 2008 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Chơng I Tổng quan thông tin sóng ngắn Giới thiệu: Chơng I trình bày số kiến thức lý thuyết thông tin vô tuyến điện nói chung thông tin sóng ngắn nói riêng Tổng quan mô hình thông tin sóng ngắn, phơng thức truyền dẫn sóng ngắn, tầng điện ly yếu tố ảnh hởng đến tuyến thông tin sóng ngắn, phơng pháp tính toán tối u tuyến thông tin sóng ngắn cuối ứng dụng, dạng thông tin chế độ truyền thông tin sóng ngắn thực tế I Khái niệm phân chia dải tần số sóng vô tuyến Sóng vô tuyến điện sóng điện từ truyền lan môi trờng truyền sóng (thờng không gian) Nhờ có sóng vô tuyến mà ta thiết lập kênh thông tin vô tuyến với cự ly thông tin lớn Sóng vô tuyến điện đợc phân chia thành dải sóng nh sau: Tên gọi & Tần số Phơng thức truyền, đặc điểm Tần số siêu thấp (ULF) ứng dụng Vật lý 30 300 Hz Tần số cực thấp (ELF) Thông tin dới nớc 300 Hz kHz lòng đất (1000 km100 km) Sóng cực dài (VLF) kHz - 30 kHz Sóng đất, suy hao thấp, nhiễu Vô tuyến đạo hàng; khí cao ( 100 km 10 km) Sóng dài (LF) 30 kHz 300 kHz Thông tin di động biển Sóng đất, suy hao thấp, nhiễu Vô tuyến đạo hàng; khí cao (10km1000 m) Thông tin di động không Sóng trung (MF) Ban ngày truyền sóng đất; ban Phát quảng bá; 300 kHz MHz đêm truyền sóng trời; vào ban Thông tin hàng hải; Vô (1000 m 100 m) đêm suy hao ban ngày tuyến đạo hàng Sóng ngắn (HF) Truyền sóng tầng điện ly; truyền Thông tin nghiệp d; Luận văn cao học 102 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Hệ dễ sử dụng Bảo đảm tính an toàn, thờng phụ thuộc vào tính mật khóa không phụ thuộc vào tính mật thuật toán mã hóa giải mã Ngoài có yêu cầu tính mật tính xác thực Tính mật: Ngời gửi tin cho ngời nhận dới dạng mã C, ngời nhận hợp pháp giải mã C để thu đợc rõ M Ngời thứ khả khôi phục đợc M Tính xác thực: Nếu ngời nhận hợp pháp, dù thu chặn đợc tin C khả thay đổi C thành C mà không bị phát Với hệ mật cổ điển,, DK trùng đợc lấy từ EK Bởi để bảo đảm đợc tính mật tính xác thực hệ mã cần phải giữ bí mật khhoá lập mã EK khoá giải mã DK II Phân loại hệ mật Hệ thống mật mã đợc phân loại tổng quát dựa ba phơng pháp sau: Loại phép toán dùng để chuyển rõ thành m: Tất thuật toán mã hóa đợc dựa hai nguyên lý sau: Hệ mật thay (Substitution), phần tử rõ (bit, chữ v.v ) đợc ánh xạ - vào phần tử khác Hệ mật chuyển dịch (Transposition), phần tử rõ đợc đặt lại Loại kết hợp Số khóa sử dụng Nếu hai bên gửi bên nhận dùng khóa, hệ đợc gọi đối xứng, khóa đơn, khóa bí mật hay mã hóa quy ớc (Conventional Encryption) Luận văn cao học 103 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Nếu bên nhận bên gửi dùng khóa khác nhau, hệ đợc gọi không đối xứng, hai khóa hay hệ mật khóa công khai Cách thức xử lý rõ Mật mã khối (Block Cipher): Xử lý khối đầu vào phần tử thời điểm tạo khối đầu tơng ứng Mật mã dòng (Stream Cipher): Xử lý phần tử đầu vào cách liên tục, tạo phần tử đầu thời điểm tiếp tục III Hệ mật cổ điển dựa kỹ thuật thay (Substitution) Mật m dịch vòng (m Caesar) Có thể nói, mật mã có từ thời cổ đại Ngời ta cho rằng, ngời áp dụng mật mã cách có hệ thống để đảm bảo bí mật thông tin quân nhà quân thiên tài La Mã cổ đại, Julius Caesar Caesar chuyển thông báo mật cách sau Trớc tiên, lập tơng ứng chữ với số Nhờ bảng tơng ứng đó, ta chuyển văn thành dạng chữ số Sau cộng thêm vào chữ số nhận đợc Ví dụ: lập bảng chuyển đổi chữ sang dạng chữ số: a ă â ậ ã b c d đ e ê 10 11 12 13 14 15 16 17 m n o ô p q r s t u ế h v i x j y k l ý 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Mã Caesar đợc thành lập theo công thức sau: C P + mod 33 (1.2) Trong P chữ số văn gốc, C chữ số tơng ứng văn mật Chẳng hạn ta muốn mã hóa thông báo sau: Lý thuyết mật mã Trớc hết nhằm nâng cao tính mật, ta tách thông báo thành nhóm chữ cái, để tránh việc số từ thông báo dễ bị phát vào số Luận văn cao học 104 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 chữ Nh thông báo cần mã hóa là: Lýthu yếtmậ tmãxx nhờ bảng trên, ta chuyển thông báo thành dạng chữ số 17 33 27 13 28 32 12 27 18 27 18 31 31 áp dụng công thức (1.2) bảng chữ số đợc chuyển thành: 20 30 30 16 31 29 15 30 21 31 21 32 32 Để có văn mật ta cần chuyển lại thành dạng chữ dựa vào bảng: ovvkx xvôc xôdyy Số công thức đợc gọi khóa mã Caesar, đợc dùng để mã hóa nh giải mã Ta lập hệ mật mã cách thay số công thức số k tuỳ ý khoảng < k < 33 Trong trờng hợp tổng quát ta thay công thức công thức sau: C aP + b mod 26 (mã hoá cho 26 chữ cái) (1.3) Trong a, b số nguyên ớc chung lớn gcd(a, 26) = Những mã nh đợc gọi mã biến đổi aphin Nhận xét: loại hình mã Caesar (hay mã chuyển dịch) không an toàn, bị thám mã theo phơng pháp tìm khóa vét cạn Với 26 chữ (trong bảng mã tiếng Anh), trung bình tìm đợc rõ sau thử khoảng 26/2 = 13 quy tắc giải mã Mật m bảng chữ đơn (Monoalphabetic Ciphers) Để tăng không gian khóa (mã Caesar có không gian khóa K 25) Ngời ta hoán vị bảng chữ (xây dựng rõ) thành mã tơng ứng Ví dụ: Bản rõ: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz Bản mã: DEFGH IJKLMNOPQRSTUVWXYZABC Mã bảng chữ đơn mã thay ký tự rõ ký tự khác mã Nh vậy, ánh xạ đối đơn giản từ rõ tới ký Luận văn cao học 105 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 tự mã đợc dùng để mã hóa toàn văn rõ Với tiếng Anh có 26 chữ cái, không gian khóa 26! = x 1026 (hay nói cách khác lập đợc 26! Bảng mã) Mật m Playfair (Playfair Cipher) Mã nhà khoa học Anh Sir Charles Wheatstone phát minh vào năm 1854 Nhng đợc ngời bạn Baron Playfair, chuyên gia mật mã Bộ Ngoại giao Anh phát triển Thuật toán Playfair đợc dựa việc dùng ma trận x chữ tạo từ khóa sử dụng Ví dụ Lond Peter Winsey M O N A R C H Y B D E F G I/J K L P Q S T U V W X Z Trong trờng hợp này, từ khóa MONARCHY Ma trận đợc tạo nên cách điền vào chữ từ khóa (không đợc lặp) từ trái sang phải, từ xuống dới, tiếp điền vào phần tử sau ma trận chữ lại theo trật tự bảng chữ Chữ I J coi chữ Bản rõ đợc mã hóa hai chữ lúc theo luật sau: Chữ rõ lặp lại mà rơi vào cặp đợc ngăn cách chữ lọc (filter letter), chẳng hạn x ; chữ ballon đợc mã hóa ba lx lo on Các chữ rõ mà rơi vào dòng ma trận chữ đợc thay chữ bên phải, với chữ rơi vào vị trí cuối dòng đợc thay chữ dòng Ví dụ: ar đợc mã hóa RM Các chữ rõ mà rơi vào cột chữ đợc thay Luận văn cao học 106 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 chữ dới, với chữ rơi vào vị trí cuối cột đợc thay chữ cột Ví dụ: chữ mu đợc mã hóa CM Các trờng hợp lại, chữ rõ đợc thay chữ nằm giao dòng chứa cột chiếm chữ rõ Ví dụ chữ hs đợc mã hóa BP chữ ea mã hóa IM (hoặc JM) Mã Playfair tiến mã đơn chữ Một điều có 26 chữ cái, nên có 26 x 26 = 676 biểu đồ, xác định biểu đồ riêng biệt khó Hơn tần số tơng đối chữ riêng biệt biểu thị phạm vi lớn nhiều tần số biểu đồ làm cho việc phân tích tần số khó khăn Do nguyên nhân mà mã Playfair thời gian dài an toàn với công thám mã Nó đợc dùng nh hệ thống file chuẩn quân đội Anh chiến I đợc quân đội Mỹ lợc lợng khác dùng đáng kể chiến II Mật m Hill (Hill Cipher) Mật mã nhiều chữ (multiletter) khác nhà toán học Lester Hill phát minh vào năm 1929 Thuật toán mã lấy m chữ liên tiếp rõ thay m chữ mã Sự thay đợc xác định m phơng trình tuyến tính, ký tự đợc gán trị số (a = 0, b = 1, z = 25) Với m = 3, hệ thống đợc mô tả nh sau: C1 = (k11p1 + k12p2 + k13p3) mod 26 C2 = (k21p1 + k22p2 + k23p3) mod 26 (1.4) C3 = (k31p1 + k32p2 + k33p3) mod 26 Hệ đợc biểu diễn dới dạng vectơ cột ma trận nh sau: C k k k p 11 12 13 C = k k k p 21 22 23 C k k k p 31 32 33 Hoặc: C = KP Trong C P véctơ cột độ dài biểu thị tơng ứng văn mã rõ, K ma trận x biểu thị khóa mã hóa Các phép toán thực với mod 26 Luận văn cao học 107 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Ví dụ: khảo sát rõ là: paymoremoney, dùng khóa mã hóa: 17 17 K = 21 18 21 2 19 Ba chữ rõ đợc biểu diễn vector (15 24) Khi K (15 24) = (375 819 486) mod 26 = (11 13 18) = L N S Tiếp tục tính toán nh trên, toàn rõ đợc mã hóa là: LNSHDLEWMTRW Giải mã yêu cầu dùng ma trận nghịch đảo ma trận K K-1 Nó đợc xác định phơng trình: KK-1 = K-1K = I, I ma trận đơn vị Nói chung ma trận nghịch đảo không tồn tại, muốn tồn phải thoả điều kiện Với trờng hợp trên, ma trận nghịch đảo là: 15 K = 15 17 24 17 Điều đợc chứng minh nh sau: 17 17 15 443 442 442 0 21 18 21 15 17 = 858 495 780 mod 26 = 2 19 24 17 494 52 365 0 Dễ dàng thấy ma trận K-1 đợc áp vào mã thu đợc rõ Tổng quát, hệ thống mật mã Hill đợc biểu diễn nh sau: C = E K (P) = KP mod 26 P = D K C = K -1 C mod 26 = K -1 KP = P (1.5) Cũng nh mật mã Playfair, điểm mạnh mã Hill che dấu toàn tần suất chữ đơn Với mã Hill dùng ma trận lớn che dấu nhiều thông tin tần suất Chẳng hạn mật mã Hill x không che dấu thông tin tần suất chữ đơn mà tần suất biểu đồ Luận văn cao học 108 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Mật m trật tự đa chữ (Polyalphabetic Ciphers) Một cách khác để cải thiện kỹ thuật trật tự đơn chữ dùng phép trật tự đơn chữ đơn giản khác mà thực đồng thời mã hóa rõ phơng pháp mật mã đa chữ Tập quy tắc thay chữ đơn đợc sử dụng Một khóa xác định quy tắc riêng đợc chọn cho phép biến đỗi cho Nổi tiếng đơn giản thuật toán gọi Vigenere Cipher Sơ đồ nh bảng sau: a b c d ef g h ij kl m n op q r s t u v w x yz a ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ b BCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZA c CDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZAB d D E F G H IJ K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C e EFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCD f FGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDE g GHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEF h HIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFG i IJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGH j JKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHI k KLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIK l LMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJK m MNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKL n NOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLM o OPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMN p PQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNO q QRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOP r RSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQ s STUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQR t TUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRS u UVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRST v VWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTU Luận văn cao học 109 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 WXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUV x XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW y YZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX z ZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY Hình 5.3: Bảng mật mã Vigenère Trong sơ đồ tập phép trật tự đơn chữ có liên quan gồm 26 mã Caesar với k từ tới 25 Mỗi mã đợc ký hiệu chữ khóa, chữ mã thay cho chữ rõ a Nh mã Caesar với k = đợc ký hiệu trị khóa d Bảng mã Vigenère đợc thiết lập từ 26 chữ mã (26 ciphers) đợc xếp theo hàng ngang, hàng tiếp sau xây dựng cách dịch hàng trớc ký tự mã Quá trình mã hóa đơn giản: cho chữ khóa x chữ rõ y, điểm giao cột chứa chữ x hàng chứa chữ y từ mã, trờng hợp mã V Để mã hóa thông báo, khóa cần phải dài nh thông báo Thông thờng khóa từ khóa lặp Ví dụ nh: từ khóa deceplive, thông báo we are discovered save yourself đợc mã hóa nh sau: deceptivedeceptivedeceptive Khóa: Bản rõ: Bản mã: wearediscoveredsaveyourself ZICVTWQNGRZGVTWAVZHCQYGLMGJ Giải mã đơn giản Chữ khóa lại xác định dòng Vị trí chữ mã chỗ xác định cột chữ rõ đỉnh cột Điểm mạnh mã chỗ có nhiều chữ mã ứng với chữ rõ, tơng ứng với chữ từ khóa Nh thông tin tần số chữ mờ mịt IV Hệ mật cổ điển dựa kỹ thuật chuyển dịch (Transposition cipher) Tất kỹ thuật bao gồm thay ký tự rõ ký tự mã Một loại ánh xạ khác thực số hoán vị rõ Kỹ thuật đợc gọi mật mã chuyển dịch Luận văn cao học 110 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Kỹ thuật đơn giản kỹ thuật đờng ca Trong kỹ thuật này, rõ đợc viết theo đờng ca Sau thu đợc mã dãy hàng ngang Ví dụ: với độ sâu đờng ca 2, rõ meet me after the toga party đợc viết nh sau: m e e m t a e t f r e h t g t e o p a y r a t Bản mã thu đợc là: mematrhtgpryetefeteoaat Một dạng phức tạp viết thông báo hình chữ nhật, dòng sang dòng nọ, đọc thông báo đọc cột sang cột hoán vị trật tự cột Thứ tự cột sau trở thành khóa thuật toán Ví dụ nh Khóa: Bản rõ: Bản mã: a t t a c k p o s t p o n e d u n t i l t w o a m x y z TTNAAPTMTSUOAODWCOIXKNLYPETZ Một mật mã chuyển dịch tuý dễ dàng bị nhận diện chúng có tần số chữ nh rõ ban đầu Với loại chuyển dịch cột đây, thám mã dễ dàng cách xếp mã ma trận với xáo trộn vòng quanh vị trí cột Có thể làm cho mã chuyển dịch an toàn áp dụng bớc chuyển vị Kết phép hoán vị phức tạp không dễ dàng khôi phục lại Theo cách này, thông báo đề cập đợc mã hóa lại thuật toán dùng: Khóa: Input: t t n a a p t m t s u o a o Luận văn cao học 111 Nguyễn Văn Thăng Output: Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 d w c o i x k n l y p e t z NSCYAUOPTTWLTMDNAOIEPAXTTOKZ Để hình dung kết chuyển dịch đúp, ta định danh chữ thông báo rõ ban đầu số tơng ứng với ví trí chữ Nh với 28 chữ thông báo, dãy ban đầu chữ là: 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Sau lần chuyển dịch ta đợc: 03 10 17 24 04 11 18 25 02 09 16 23 01 08 15 22 05 12 19 26 06 13 20 27 07 14 21 28 Lần chuyển dịch thứ hai ta đợc: 17 09 05 27 24 16 12 07 10 02 22 20 03 25 15 13 04 23 19 14 11 01 26 21 18 09 06 28 Nh cho kết mã là: NSCYAUOPTTWLTMDNAOIEPAXTTOKZ Phơng pháp có cấu trúc nhng làm khó khăn cho thám mã Luận văn cao học 112 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Kết luận: Trên toàn luận văn nghiên cứu phân tích thực giải điều chế loại tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn HF Các phơng pháp mã hoá thờng đợc sử dụng thực tế khái quát số phơng pháp mật mã hoá nhằm đảm bảo thông tin truyền Qua trình làm luận văn giúp nghiên cứu sâu phơng pháp điều chế mã hoá tín hiệu, loại tín hiệu chế độ thờng đợc ứng dụng thực tế, cách nhận dạng giải mã loại tín hiệu riêng biệt, phục vụ thiết thực công tác đơn vị Với công tác đặc thù để thu giám sát đợc tuyến thông tin đối phơng phục vụ nhiệm vụ đặc biệt việc nắm đợc kiến thức cần thiết sở với hệ thống trang thiết bị giúp cho cán có khả nhanh chóng phân tích nhận dạng giải đợc thông tin thu đợc đối phơng phục vụ công tác chuyên môn Việc tiếp tục nghiên cứu phân tích giải điều chế nh giải mã kỹ thuật loại tín hiệu khác, đặc biệt loại tín hiệu quan trọng cần thiết Trong thực tế thu đợc nhiều loại tín hiệu mới, phân tích giải điều chế đợc nhng cha xác định đợc kiểu mã sử dụng để giải mã Đặc biệt để đạt đợc hiệu cao công tác giám sát thu theo dõi tuyến thông tin quan tâm, đối phơng tìm cách mật mã để che dấu thông tin nên việc nghiên cứu để giải mật mã điện quan trọng cho công tác Rất mong nhận đợc giúp đỡ thầy cô giáo nhà nghiên cứu lĩnh vực Xin chân thành cám ơn! Luận văn cao học 113 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Mục Lục Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Lời mở đầu Chơng I Tổng quan thông tin sóng ngắn Giới thiệu: I Khái niệm phân chia dải tần số sóng vô tuyến II Thông tin sóng ngắn Mô hình hệ thống thông tin sóng ngắn: Các phơng thức truyền sóng ngắn: 2.1 Phơng thức truyền sóng đất Cấu trúc tầng điện ly ảnh hởng tầng điện ly đến thông tin sóng ngắn: Tính toán tối u cho đờng thông tin sóng ngắn Các loại thông tin sóng ngắn sử dụng thực tế 13 Bảo mật liệu thông tin sóng ngắn 15 Chơng II Các phơng pháp điều chế tín hiệu thờng đợc sử dụng thông tin sóng ngắn 16 Giới thiệu: 16 I Điều chế tơng tự 16 Điều chế biên độ AM 16 Điều chế đơn biên SSB 18 Điều chế tần số FM 19 II Điều chế số 21 Điều chế giải điều chế biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) 21 1.1 Điều chế ASK 21 1.2 Giải điều chế ASK 23 Luận văn cao học 114 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 Điều chế giải điều chế pha PSK (Phase Shift Keying) 24 2.1 Điều chế BPSK (Binary PSK) 24 2.2 Điều chế PSK trạng thái (4-PSK hay QPSK): 26 Điều chế FSK (Frequency Shift Keying) 32 3.1 Điều chế FSK hai trạng thái (2-FSK) 32 3.2 Giải điều chế FSK 35 Chơng III Qui trình tiến hành phân tích giải điều chế tín hiệu 40 Giới thiệu: 40 I Khái niệm tham số liên quan 40 Tốc độ Baud 41 Tần số trung tâm (center frequency): 401 Độ dịch tần Shift: 41 Chỉ số điều chế, độ sâu điều chế: 41 Từ mã 42 Truyền dẫn đồng bộ: 42 Truyền dẫn không đồng bộ: 43 Các khái niệm SNR, SIR, C/N 43 8.1 Tỷ số tín hiệu tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) 43 8.2 Tỷ số tín hiệu nhiễu SIR (Signal to Interference Ratio) 44 8.3 Tỷ số sóng mang tạp âm CNR (C/N) 44 8.4 Tỷ số Eb/N0 45 8.5 Tỷ số Es/N0 46 Phơng pháp phân tích biến đổi Furiê nhanh FFT 46 II Qui trình công cụ phân tích tín hiệu vô tuyến điện 51 Qui trình phân tích, giải mã tín hiệu vô tuyến điện 51 Các phơng tiện, hệ thống phần mềm sử dụng để phân tích giải mã tín hiệu: 59 Một số công cụ phân tích phần mềm phân tích tín hiệu OC 61 3.1 Bộ phân tích băng hẹp 61 Luận văn cao học 115 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 3.2 Bộ ớc lợng tốc độ Baud 63 3.3 Bộ giải điều chế số 64 III Sử dụng phần mềm OC phân tích thực giải điều chế số tín hiệu số (băng hẹp) 65 Phân tích thực giải điều chế tín hiệu ASK 65 Phân tích giải điều chế tín hiệu FSK 68 Phân tích giải điều chế tín hiệu PSK2 71 Các trạng thái pha bít điều chế tơng ứng phơng pháp điều chế PSK khác 77 Chơng IV Một số dạng mã bảng mã ký tự thờng đợc sử dụng hệ thống thông tin sóng ngắn 79 Giới thiệu: 79 I Một số bảng mã chuẩn: 79 Bảng mã ITA1 79 Bảng mã ITA2 (CCITT 2) 79 Bảng mã ITA2 kiểm tra chẵn lẻ 81 Bảng mã ITA3 (CCIR342) 81 Bảng mã ITA / ASCII 83 Bảng mã Sitor 83 II Một số chế độ mã thờng đợc sử dụng hệ thống thông tin sóng ngắn Quân Hàng hải 84 Mã moóc 84 Mã Baudot 87 Mã Sitor 88 Mã Stanag 4285 90 Mã Mil-188-110B 92 Mã Pactor 94 Mã Mil-188-141A 95 Luận văn cao học 116 Nguyễn Văn Thăng Ngành ĐTVT khoá 2005 - 2007 III Một số điện thu đợc từ thực tế thực giải mã phần mềm: 97 Tín hiệu mã Sitor-FEC 97 Tín hiệu mã Baudot 97 Tín hiệu mã Baudot thu đợc từ tuyến US Coast Guard 98 Tín hiệu mã Moóc 98 Chơng V Một số vấn đề lý thuyết mật mã 99 Giới thiệu: 99 I Một số khái niệm mật mã hoá 99 Nguyên lý chung 99 Các yêu cầu chung hệ mật 101 II Phân loại hệ mật 102 Loại phép toán dùng để chuyển rõ thành mã: 102 Số khóa sử dụng 102 Cách thức xử lý rõ 103 III Hệ mật cổ điển dựa kỹ thuật thay (Substitution) 103 Mật mã dịch vòng (mã Caesar) 103 Mật mã bảng chữ đơn (Monoalphabetic Ciphers) 104 Mật mã Playfair (Playfair Cipher) 105 Mật mã Hill (Hill Cipher) 106 Mật mã trật tự đa chữ (Polyalphabetic Ciphers) 108 IV Hệ mật cổ điển dựa kỹ thuật chuyển dịch (Transposition cipher)109 Kết luận: 112 Tài liệu tham khảo Tóm tắt luận văn Luận văn cao học ... độ Tín hiệu điều chế wm w wm Phổ tín hiệu điều chế m wc wm wm wm wc wm w wc Hình 2.1b: Phổ tần số tín hiệu sau điều chế Thực tế tín hiệu điều chế có phổ rộng B, sau điều chế AM phổ tín hiệu. .. số điều chế: số thể mức độ thay đổi tần số sóng mang sau điều chế so với tần số sóng mang trớc điều chế: h= f m(t ) f = fm fm Sóng mang tín hiệu Tín hiệu sau điều chế Hình 2.3 Tín hiệu điều. .. tài nghiên cứu phân tích giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn nhằm mục đích tìm hiểu phơng pháp phân tích, giải điều chế giải mã tín hiệu thu đợc từ tuyến thông tin đối tợng, hệ thống,