Россихін Олександр Володимирович
Студент 6 курсу, спеціальність «Безпека інформаційних і комунікаційних систем»
Національного авіаційного університету
Україна, м.Київ
Анотація: Проведено огляд літератури з питань, пов'язаних із аналізаторами спектру, розглянуто типи аналізаторів спектру, а також спроектовано й реалізовано апаратний аналізатор спектру на швидкому перетворенні Фур’є.
Ключові слова: аналіз спектру, WiMAX, безпроводові мережі, гетеродин, рівень сигналу, швидке перетворення Фур’є.
В Україні все більше нових домашніх і промислових мереж будується з повним чи частковим використанням безпроводових технологій. За останні кілька років такі технології стали стандартом дефакто. Кількість мереж збільшується через їх цінову доступність і спрощення роботи з ними, появі промислових систем з роумінгом, широкий вибір антенного обладнання і дозволи використання, закріплені на законодавчому рівні.
Розглянуто головне питання забезпечення безпеки передавання інформації у безпроводових системах: її доступніть. При проектуванні безпроводової мережі не можливо передбачити всіх нюансів: перевідбивання, затінення, спрямованість антен приймачів тощо, тому після побудови реальної системи потрібно її перевірити й зменшити вплив негативних факторів. Аналізатори спектру допомагають вирішити цю проблему. Аналізатори спектру не збільшують доступність інформації в мережі, але сприяють її вдосконаленню, через виявлення слабких місць, заповненості спектру іншими мережами (запобігання колізій). На відміну від стандартних засобів, доступних у мережевих картах, аналізотор спектру збирає інформацію про рівень шуму, наприклад, від магнітронів (у мікрохвильових печах), може виявити стаціонарні завади й роботу іншого обладнання (Bluetooth, ZigBee, радіотелефонів, дитячих іграшок, трансиверів відеосигналів, медичних датчиків тощо). Також аналізатор спектру «бачить» не тільки службові пакети, за якими оцінюється рівень сигналу в мережевих картах, а й усі інші пакети.
Розглянемо аналізатор на основі швидкого перетворення Фур’є.
Перетворення Фур’є здійснюється за допомогою систем цифрової обробки сигналів. У зв’язку з цим сигнал, що піддається аналізу, має бути підданий дискретизації (взяття вибірок) за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і квантованного за амплітудою. За допомогою взяття вибірок безперервний вхідний сигнал перетвориться в дискретний у часі сигнал, і частина інформації про тимчасову залежності втрачається. Смуга частот вхідного сигналу повинна бути тому обмежена, інакше вищі гармоніки сигналу викличуть ефект неоднозначності через накладення спектрів вибірок (див. Рисунок 1).
Рис. 1. Узяття вибірок на виході низькочастотного фільтра з частотою вибірки ƒ : а, б – 2ƒBXMAKC ≤ ƒS/2 ; в – 2ƒBXMAKC ≥ ƒS/2 , тому виникає невизначеність через накладення
Рис. 2 Структурна схема ШПФ-аналізатора
Структурна схема зображена на рисунку 2. Для точної відповідності теоремі про вибірки смуга частот вхідного сигналу обмежується аналоговим низькочастотним фільтром (частота зрізу фільтра ), що стоять перед аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Після здійснення вибірок квантовані значення зберігаються в пам’яті й потім використовуються для обчислення сигналу в частотній області. На завершення прилад показує частотний спектр сигналу.
Побудуємо апаратний аналізатор спектру стандарту WiMAX. Аналізатор спектру – прилад для сканування та аналізу певного діапазону частот, що дозволяє виявляти в радіоефірі доступні безпроводові мережі зв’язку, точки доступу та клієнтські пристрої, а також отримувати дані про їхні характеристики. Так, наприклад, використання сканера частот дозволяє ідентифікувати назви виявлених радіомереж, їх рівень сигналу, використовуваний тип шифрування даних та інші параметри. Найбільш часто спектральні Wi-Fi аналізатори можна зустріти в арсеналі фахівців, чия професійна діяльність пов’язана з розгортанням і настроюванням безпроводових мереж передачі даних стандартів 802.11 a/b/g/n/ac.
Використання сканера частот на етапі побудови Wi-Fi мережі дає можливість інженерові в короткий термін визначити наявність і рівень перешкод в радіоефірі, вибрати оптимальну частоту для роботи WLAN, а також розрахувати кількість і розташування точок доступу для забезпечення повної зони покриття. При виникненні збоїв в роботі мережі аналізатор спектру радіочастот здатний надати допомогу при проведенні діагностики та виявленні причини неполадки, у тому числі оцінити завантаженість мережі, виявити несанкціоновані підключення і пристрої, ідентифікувати й локалізувати радіоперешкоди в каналах. Для аналізу цілосності передавання даних виготовимо й будемо використовувати апаратний аналізатор спектру.
Були проведені етапи проектування, виготовлення друкованої плати, збір приладу й програмування мікроконтролерів. Структурна схема зображена на рисунку 3, а вид готового приладу на рисунку 4.
Рис. 3. Електрична принципова схема апаратного аналізатора спектру
Рис. 4. Вид готового приладу
Результат роботи аналізатора спектру представлений на рисунку 5.
Рис. 5. Аналіз спектру WiMAX
Таким чином, було розглянуто прилад для реалізації аналізу спектру WiMAX, у якому на даний момент працює більше 70% всіх комерційних і приватних безпроводових локальних мереж. Аналіз енергетичної складової в даному діапазоні дозволяє кількісно оцінити заповненість діапазону й оптимізувати використання спектру для нових і вже існуючих мереж.
Список використаних джерел та літератури
1. Раушер, К. Основы спектрального анализа: Rohde & Schwarz. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 226 с.
2. Варгаузин, В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4: RFID. – Телемультимедиа №6 (34). – 2005.
3. Texas Instruments СС2500: datasheet. – 2011. – 96 p.
4. Armitage, Scott. Low-Cost 2.4-GHz Spectrum Analyzer. – Circuit Cellar. Issue 189, 2006. – P. 18–22.
5. Peeoner. Low-Cost 2.4-GHz Spectrum Analyzer.
http://www.lan23.ru/wifi/SpAna/spana.html
