Weißbuch zur UAV-Interferenztechnologie auf Basis von VCO DDS und SDR-Technologie (2)

1. Einführung in die Technologie elektromagnetischer Interferenzen

Ziel jeder Störung ist es, den Gegner an der effektiven Nutzung des elektromagnetischen Spektrums zu hindern. In der elektronischen Kriegsführung werden elektromagnetische Störungen auch als elektronische Gegenmaßnahmen bezeichnet. Die grundlegende Methode der elektromagnetischen Störung besteht darin, ein Störsignal zusammen mit dem vom Gegner zu empfangenden Signal an dessen Empfänger zu senden, wodurch es dem Gegner unmöglich wird, korrekte Informationen zu erhalten.

Abbildung 9 Kommunikationsverbindung und Störverbindung

Gängige Methoden zur Störung elektromagnetischer Felder umfassen die Unterdrückung von Störungen,

Täuschungsinterferenzen und intelligente Störungen.

Unterdrückende elektronische Störungen

Unterdrückende elektronische Störungen bezeichnen Störungen, die durch das Aussenden von Störsignalen eine Überlastung, Sättigung oder Schwierigkeit beim Empfang nutzbarer Signale im Empfangssystem feindlicher Kommunikationsgeräte verursachen. Unterdrückende elektronische Störungen lassen sich vereinfacht in folgende Kategorien unterteilen:

1.Blockierende Interferenz: Die blockierende Interferenz, auch als Störsignalunterdrückung bekannt, erzeugt ein breites Spektrum an Störstrahlung und kann üblicherweise das gesamte Betriebsfrequenzband lokaler Kommunikationsstationen abdecken. Ihr Vorteil liegt darin, dass keine Frequenzkoinzidenz- oder Aufklärungsgeräte zur Störungssteuerung benötigt werden. Die Geräte sind relativ einfach und können mehrere Kommunikationsstationen innerhalb des Frequenzbandes gleichzeitig unterdrücken. Ihr Nachteil besteht jedoch in der Streuung der Störleistung und der geringen Effizienz. Zudem wird bei der Anwendung blockierender Interferenz auch das eigene Signal innerhalb des Frequenzbandes gestört.

2.Gezielte Interferenz: Gezielte Interferenz bezeichnet die Summe der Trägerfrequenz der Interferenz und der Frequenz des Signals oder dass das Interferenzsignal und das Kommunikationssignal die gleiche Frequenzspektrumbreite aufweisen. Üblicherweise wird jede Interferenzfrequenz auf eine entsprechende Kommunikationssignalfrequenz abgestimmt, um Interferenzen zu erzeugen. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, in denen ein Gerät mehrere Ziele stört.

3.Frequenzdurchlaufstörungen: Unter Frequenzdurchlaufstörungen versteht man Störungen, die durch die kontinuierliche Variation der Trägerfrequenz des Störsenders von niedrig nach hoch oder von hoch nach niedrig in einem breiten Frequenzband auf bestimmte Weise entstehen.

DEmpfangsstörung

Bei Täuschungsstörungen handelt es sich um eine Art von Störung, bei der Kommunikationssimulationsgeräte oder Störsender eingesetzt werden, um Signale zu senden, die den Eigenschaften und dem Timing von Kommunikationssignalen entsprechen, Kommunikationsverbindungen zu täuschen, um unerwartete Reaktionen hervorzurufen und Systemangriffsziele zu erreichen, die Spektrumressourcen einschränken, isolieren und belegen oder Kommunikationsbenutzer zu fehlerhaftem Verhalten veranlassen, um taktische Ziele zu erreichen.

Intelligente Interferenz

Intelligente Störsender verfügen über Echtzeit-Situationserkennung, Lernfähigkeit, Entscheidungsfindung und weitere Funktionen für Zielkommunikationssysteme. Sie können sich an unterschiedliche elektromagnetische Umgebungen anpassen und auf verschiedene Störobjekte reagieren. Ausgehend von taktischen Zielen werden durch multidimensionale Erfassung und Analyse von Zeit-Frequenz-Leistung, Wellenform, Netzwerk und System optimale Entscheidungen formuliert und umgesetzt, um eine möglichst effiziente, kostengünstige und dynamische Störung zu erzielen.

3. Architektur der UAV-Interferenzschaltung

 VCO Frequenzdurchlauf-Störsender

VCO Ein Frequenzdurchlauf-Störsender ist eine einfache Störsenderarchitektur. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Kanalstörsenders. Zunächst erzeugt ein Dreieckwellengenerator eine Dreieckwelle mit einer Frequenz von einigen zehn kHz, die den Spannungssteuereingang des VCO ansteuert. Dadurch kann der VCO ein HF-Signal mit durchstimmbarer Frequenz ausgeben, das anschließend über einen Verstärker und eine Antenne übertragen werden kann.

Bild10 VCOPrinzip des Frequenzdurchlauf-Störsenders

Aufgrund der diskreten Eigenschaften von VCO-Bauelementen ist für jeden Kanal jedes VCO-Störsenders eine Frequenzanpassung erforderlich; gleichzeitig muss, da die Ausgangsfrequenz des VCO temperaturabhängig ist, eine gewisse Schutzbandbreite reserviert werden, um ein Abdriften der VCO-Frequenz aus dem Störbereich zu vermeiden.

 DDS Frequenzdurchlauf-Störsender

Das Funktionsprinzip des DDS-Frequenzsweep-Störsenders ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der DDS (Direct Digital Synthesizer) erzeugt direkt ein Frequenzsweep-Signal mit einer bestimmten Bandbreite (z. B. 200–300 MHz), mischt dieses mit dem Signal des Lokaloszillators und wird anschließend durch einen Bandpassfilter gefiltert, um das gewünschte HF-Signal (z. B. 2400–2500 MHz) zu erhalten. Dieses wird verstärkt und über die Antenne ausgegeben.

Abbildung 11 Funktionsprinzip des DDS-Frequenz-Störsenders

Die Frequenzquelle des DDS-Sweep-Frequenzstörers stammt vom DDS und dem Lokaloszillator, deren Frequenzgenauigkeit vom Referenzquarzoszillator abhängt. Daher kann die Frequenzgenauigkeit des DDS-Sweep-Frequenzstörers sehr hoch sein (abhängig vom Referenzquarzoszillator). Im Vergleich zum VCO-Sweep-Frequenzstörer benötigt der DDS-Sweep-Frequenzstörer keine zusätzliche Schutzbandbreite und kann den Sweep-Frequenzbereich präzise definieren.

Die Schaltung eines DDS-Frequenzsweep-Störers ist komplexer als die eines VCO-Frequenzsweep-Störers, und auch das Filtermodell und die Filtergröße unterscheiden sich bei unterschiedlichen Ausgangsfrequenzen, sodass der Normalisierungsgrad der Schaltung etwas geringer ausfällt.

 SDR technischer Störsender

Das Funktionsprinzip des auf SDR-Technologie basierenden Störsenders ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Das FPGA lädt die im Flash-Speicher abgelegte Wellenformdatei in den DDR-Speicher und sendet sie anschließend an die digitale Basisbandschnittstelle. Nach Durchlaufen des IQ-Modulators wird daraus das HF-Signal des Zielfrequenzbandes, das dann von einem Verstärker verstärkt und an die Antenne ausgegeben wird. Der IQ-Modulator integriert eine lokale Oszillatorquelle und kann die Frequenz des lokalen Oszillators über SPI-Codierung ändern.

Abbildung 12: Funktionsprinzip eines Interferenzgeräts basierend auf der SDR-Technologie

Auf Basis der SDR-Technologie können Störsender beliebige Signale innerhalb einer bestimmten Bandbreite aussenden, beispielsweise Sinussignale, einfach modulierte Signale oder OFDM-Signale. Die Art des Signals wird vollständig per Software definiert, sodass spezifische Störsignale für bestimmte Kommunikationssignale eingesetzt werden können, um die bestmögliche Störwirkung zu erzielen.

Dieses spezielle Störsignal bezeichnen wir als Interferenzcode. Abhängig vom Codierungsverfahren der Kommunikationsverbindung können unterschiedliche Interferenzcodes ausgewählt werden. Verwendet die Kommunikationsverbindung beispielsweise ein QPSK-Modulationssignal mit einem einzelnen Träger, kann der entsprechende QPSK-Interferenzcode mit einem einzelnen Träger gewählt werden. Verwendet die Kommunikationsverbindung OFDM-Signale, können OFDM-Interferenzcodes mit demselben Unterträgerabstand gewählt werden.

1.Bewertung des Drohneninterferenzeffekts

Frequenzsweep-Störsender

Sowohl VCO- als auch DDS-basierte Störsender nutzen Frequenzdurchlauftechnologie. Bei der Störung von Kommunikationsprotokollen unbemannter Luftfahrzeuge (beispielsweise OFDM-Modulationsmultiplexverfahren) durch Frequenzdurchlaufstörsender werden die entsprechenden Datenblöcke der physikalischen Schicht gestört, wodurch die Kommunikationsverbindung vollständig unterbrochen wird. Daher benötigen Frequenzdurchlaufstörsender oft eine hohe Sendeleistung, um die Kommunikation unbemannter Luftfahrzeuge zu stören.

Abbildung 13: Störung der UAV-Kommunikationsverbindung durch einen Frequenzdurchlaufstörsender

 SDR Scham

Basierend auf der SDR-Technologie kann der Störsender das gesamte Frequenzband abdecken und Störungen blockieren. Alternativ kann auch nur ein kleiner Teil des Frequenzbandes gezielt gestört werden, wodurch die Energie konzentrierter und die Störungsreichweite erhöht wird. Unabhängig von der Störmethode können alle Subträger des gestörten OFDM-Signals mit einer Fehlerrate von nahezu 100 % gestört werden. Selbst mit leistungsstarken Fehlerkorrekturverfahren ist die Datenwiederherstellung bei einer so hohen Fehlerrate schwierig. Daher eignen sich SDR-Störsender hervorragend zur Störung von Drohnen-Datenverbindungen.

Abbildung 14: Störung der UAV-Kommunikationsverbindung durch einen SDR-Störsender.

SDR-Störsender können ebenfalls Frequenzdurchlaufsignale innerhalb einer bestimmten Bandbreite aussenden, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit höher ist als bei VCO- und DDS-Störsendern. Bei Fernsteuerungsprotokollen wie ELRS mit Frequenzsprungfunktion kann das gesamte Frequenzband abgedeckt werden, um Störungen zu blockieren.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der VCO unter Berücksichtigung sowohl der Kosten als auch der Ausgabekanäle Drohnenabwehr Diese Lösung wird auch in Zukunft für eine gewisse Zeit die gängigste Methode zur Drohnenstörung bleiben. Wenn die vollständige Frequenzabdeckung des Signalquellen-VCO erreicht wird, kann sie den tatsächlichen Anforderungen vor Ort besser gerecht werden.