CC BY
161
-►
Радиотехника, антенны, СВЧ-устройства
УДК 621.391
И.Ю. Еремеев, А.И. Замарин, С.С. Семенюк
ТЕХНОЛОГИЯ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОМОНИТОРИНГА
В настоящее время для радиомониторинга систем связи имеется множество методов и технических средств [1]. Однако важной составной частью радиомониторинга систем связи, в которых применяются сигналы с псевдослучайной перестройкой несущей рабочей частоты (ППРЧ), является структурный анализ (СА) указанных радиосигналов. СА сигналов с ППРЧ в первую очередь связан с вопросами адаптации к структуре наблюдаемого радиосигнала в условиях полной или частичной априорной неопределенности относительно параметров и правила его формирования. Результаты СА могут быть использованы как в интересах радиоэлектронного подавления систем связи, так и при разработке алгоритмов вхождения в синхронизм по закону перестройки несущей частоты для станций, входящих в уже развернутую радиосеть, а также для минимизации взаимного влияния радиоизлучений со сложной частотно-временной структурой.
Основными этапами СА наблюдаемого радиосигнала с ППРЧ с целью решения конкретной прикладной технической задачи в условиях априорной неопределенности правила его формирования являются:
подготовительный; представления исходных данных; идентификации;
непосредственного решения прикладной технической задачи.
Иерархия параметрического описания сигналов с ППРЧ
Радиосигнал с ППРЧ является сложным объектом, который характеризуется комплексом параметров Р, описывающих как его элементы,
так и их взаимосвязь, что позволяет, опираясь на оценки параметров обнаруженных частотных посылок (ЧП), полученных в ходе радиомониторинга заданного частотного диапазона, а также на закономерности процедур сигналообразования, выполнять их объединение в единый сигнал.
Анализ комплекса параметров Р позволил осуществить его декомпозицию на множество первичных параметров Р проявляющихся на каждой ЧП, и множество вторичных Р2 параметров, проявляющихся на сигнале в целом и характеризующих его как общность отдельных элементов, объединенных по некоторому правилу:
Р = Р1и Р2.
Множество первичных параметров Р1 включает длительность частотной посылки, несущую частоту, направление на источник радиоизлучения, уровень сигнала или отношение сигнал/шум, наличие и вид внутриимпульсной модуляции (манипуляции) и её параметры.
В свою очередь, множество параметров Р2 разнородно и должно быть детализировано:
Р = Р и Р и Р
2 2,1 2,2 2,3 '
где Р21 - подмножество радиотехнических параметров (наличие и вид поляризации, период следования частотных посылок, факт прекращения излучения при перестройке на новую частоту, наличие и вид переходных процессов при перестройке несущей частоты, мощность излучения на конкретной частоте, шаг сетки частот); Р22 - подмножество структурных параметров (объем и состав адресной группы частот, закономерности частотно-временной структуры, тип и формат информационной нагрузки);
Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010
Р23 - подмножество пространственных параметров источника радиоизлучения (направление на источник радиоизлучения, местоположение источника радиоизлучения).
Первичные параметры позволяют производить первичную селекцию элементов сигнала, т. к. сигнал с ППРЧ состоит из элементов, однородных по первичным параметрам. Подмножество радиотехнических параметров обеспечивает возможность разделения сигналов идентичных средств радиосвязи на основе закономерностей, характеризующих процессы формирования и излучения радиочастотных колебаний различными радиоэлектронными средствами. Подмножество структурных параметров обеспечивает как возможность оптимизации процесса приема сигналов в целях обеспечения информационного доступа, так и возможность разделения сигналов средств радиосвязи, идентичных по комплексу радиотехнических параметров, но различимых по
комплексу структурных параметров. Подмножество пространственных параметров, с одной стороны, может быть использовано для оптимизации процесса приема и обеспечения информационного доступа, а, с другой, - для формирования пространственной картины источников радиоизлучений, дополняющей общую картину радиоэлектронной обстановки.
Основы первичного представления частотно-временной структуры сигнала
Сформированный комплекс параметров Р можно рассматривать как шаблон, по которому осуществляется «сборка» ЧП сигнала с ППРЧ, а сам подготовительный этап - как этап обнаружения и многопараметрической селекции ЧП. Подготовительный этап включает: обнаружение элементов сигнала как отдельных радиоимпульсов;
Методологические основы подготовительного этапа
Основные операции Метод обработки Технологические процедуры
Обнаружение ЧП сигнала с ППРЧ на фоне шумов Спектральный анализ Быстрое преобразование Фурье в скользящем временном окне
Адаптация порога обнаружения по частоте и времени Параметрическая и непараметрическая адаптация к уровню шума Нелинейная фильтрация, в т. ч. ранговая
Обнаружение ЧП на фоне мешающих излучений и их частотно-временная селекция Частотно-временной статистический анализ Ранговая фильтрация Синтез цифрового фильтра Цифровая фильтрация
Формирование огибающей ЧП, оценивание временных параметров Шумоподавление Нелинейная фильтрация, в т. ч. с эффектом гистерезиса
Оценивание частотных параметров ЧП Спектральный анализ, временной анализ полной фазы комплексного колебания Быстрое преобразование Фурье, итеративная процедура оценивания частоты во временной области
Определение наличия и вида манипуляции наЧП Корреляционный, статистический, спектральный анализ, временной анализ квадратурных компонентов сигнала Выполнение индикаторных преобразований в частотной и временной областях над отфильтрованными квадратурными компонентами сигнала
Селекция сигнальных объектов одного источника Кластерный анализ Селекция по параметрам с применением эталонных описаний
4
Радиотехника, антенны, СВЧ-устройства
оценивание радиотехнических параметров обнаруженных отдельных радиоимпульсов;
объединение обнаруженных отдельных радиоимпульсов в единый сигнал с ППРЧ и описание частотно-временной структуры сигнала в виде множества пар «время-частота» в дискретные моменты времени на сетке частот.
Поиск элементов сигнала в условиях априорной неопределенности обеспечивается применением широкополосных радиоприемных устройств совместно с аналого-цифровыми преобразователями и аппаратно-программными комплексами, реализующими методы цифровой обработки сигналов. Основные операции и технологические процедуры подготовительного этапа представлены в таблице.
В результате выполнения данного этапа в целях структурного анализа сигнала с ППРЧ формируется множество пар «время-частота», представляющее собой первичное описание частотно-временной структуры данного сигнала:
= {('о, /с), ('1, /1), ..., (ь 1, / - 1)}, = + Т , / = / + к х Д/, к - целое число,
I + 1 I прч' •> I •>] •> '
где ('., /) - время и частота, соответствующие 1-й ЧП; Тпрч - период следвания ЧП; Д/- шаг сетки частот; I - количество ЧП, составляющих сигнал.
Очевидно, что чем больше априорной информации о параметрах процедуры сигналообразо-вания в анализируемом сигнале, тем подробнее признаковый портрет отдельных ЧП и сигнала с ППРЧ в целом, и тем выше достоверность получаемой частотно-временной структуры сигнала.
Варианты представления
частотно-временной структуры сигнала
На этапе представления исходных данных для СА выполняется преобразование множества пар значений «время-частота» в одну из форм описания частотно-временной структуры сигнала с применением недвоичных ПСП (НПСП). Можно выделить три формы представления, которые различаются по характеру взаимосвязи НПСП с частотно-временной структурой сигнала:
1) НПСП с линейным отображением элементов на сетку частот;
2) ранжированная НПСП;
3) индексная НПСП.
Элементы НПСП У<1> = <у0, у1,у2, ..., у11> с ли-
удовлетворяют следующему соотношению: У: =
нейным отображением элементов на сетку частот щему
А/ '
где /(0) - опорная частота.
В качестве опорной может быть выбрана частота любой ЧП сигнала. Однако из практических соображений удобно выбирать минимальную частоту из встречающихся в сигнале частот:
/(0) = Ш1П({ /}).
Частотно-временная структура сигнала в этом случае однозначно определяется следующим комплексом параметров:
р(0)
Недвоичная ПСП с линейным отображением элементов на сетку частот является наиболее часто используемой формой описания взаимного расположения ЧП.
Применение ранжированной НПСП для описания взаимного расположения ЧП сигнала с ППРЧ оправдано в тех случаях, когда излучение сигнала осуществляется с пропусками частотных позиций в сетке частот, т. е. когда радиосредство работает на адресной группе частот (АГЧ) с запрещенными по тем или иным причинам частотами. Для получения ранжированной НПСП = <2 2 2 ..., 2 > осуществляется замена элементов НПСП Т их индексами в упорядоченном по возрастанию множестве значений эле-
ментов У<1>:
(yi,
2. = pOS
Чм} ' = {у(0), у(1), ..., у(м-1)}, у(') < у(к) при I < к,
где роб(й, Вн) - номер элемента Ь в упорядоченном множестве В ; А^3^ - упорядоченное по возрастанию множество значений элементов Т ; М - объем адресной группы частот.
Частотно-временная структура сигнала в этом случае однозначно определяется следующим комплексом параметров:
Б2 = (г{1),А^\^,Г\Тпрч,{о}.
Индексная НПСП применяется для анализа комбинаторной структуры НПСП. Для получения индексной НПСП 2<1> = < 20, 21, 22, ..., 2-> осуществляется замена элементов НПСП Т их индексами в множестве элементов, встречающихся в Т
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010
упорядоченном в порядке их поступления: z = pos (yi,
A^f = {y(0), y(1), ..., y (M-1)}M,
УК) = y. если k = min(pos(y., Y<>)),
где pos(b, B<>) - множество номеров элементов, равных b в последовательности B<>.
Сокращенно данное преобразование описывается следующей формулой:
z. = min(pos( yp Y<í>)) .
Частотно-временная структура сигнала в этом случае однозначно определяется следующим комплексом параметров:
S3=(Z(I)' А{мЛ >Af>fi0)>Гпрч'к).
Основы идентификации НПСП
Идентификация НПСП включает проверку комплекса информативных признаков [2-4] и устранение неопределенности относительно правила и параметров сигналообразования. В качестве такого комплекса признаков удобно использовать параметры рекуррентного генератора, порождающего анализируемую НПСП, а задача идентификации НПСП в этом случае сводится к задаче отыскания параметров порождающего генератора [4].
Анализ принципов формирования НПСП, используемых в средствах радиосвязи с ППРЧ, показал, что широкое распространение получили принципы формирования на основе комбинационно-числового преобразования исходных двоичных ПСП. Введенное в [3] понятие обратного интервального преобразования элементов НПСП z .е {0, 1, 2, ..., 2S-1} , где s - положительное целое число, позволяет получить гипотетическое состояние выхода эквивалентного многоканального генератора двоичных ПСП X :
XWJ = F{s,zt), X<s>. =<х?\х?\ >, 0, при & = 0, (1)
x¡l), при к>0.
x¡k) =
, 5® =
;=o
В работах [5, 6] показано, что для отыскания коэффициентов функции обратной связи с порядком перемножения г и степенным порядком 5,
рекуррентно порождающей ПСП < х. >, может быть использована система линейных уравнений следующего вида:
[Л=0(ВД ЕА=0(ВД
[¿=5а)»]
u=oaw
[j2=0(l)s]
[А,=0(ВД
(2)
[A=00)>] [¿=0(1)»]
[>.=0(1)»]
j2,^ ..., jm-1,>) ^ Г,
где ЬА - количество неизвестных коэффициентов
г
обратных связей, ; wt(J<m>) - число
к=0
ненулевых компонент вектора ^<т>; т - глубина обратной связи (память ПСП).
Для определения порождающей функции заданного порядка нелинейности необходимо из двоичных компонентов анализируемой НПСП, полученных в результате обратного интервального преобразования, составить и решить систему линейных уравнений (1) относительно неизвестных коэффициентов обратной связи порождающей функции. Систему линейных уравнений (1) удобно представлять в матричном виде и решать методом Гаусса.
В рамках СА радиосигналов следует выделить два важных фактора, которые следует учитывать. Первый фактор состоит в том, что исходные данные для анализа обычно представлены не полным периодом ПСП, а лишь ее сегментом. Второй фактор заключается в том, что анализируемые данные, как правило, получены из физических каналов связи и могут содержать искаженные элементы. В этих условиях результат идентификации носит вероятностный характер.
Решение прикладной технической задачи
На данном этапе результаты вскрытия правила и параметров сигналообразования используются для решения прикладных технических задач.
Одной из часто решаемых прикладных задач является синхронизация по фазе ППРЧ.
4
Радиотехника, антенны, СВЧ-устройства^
В случае, когда неопределенность относительно правила и параметров сигналообразования для синхронизации устранена, могут применяться методы, рассмотренные в [7]. Кроме того, для оценивания фазы НПСП могут использоваться специфические структурные свойства НПСП различных классов [2, 8]. Так, например, для недвоичных линейных рекуррентных последовательностей при известном формирующем полиноме т-й степени фаза НПСП определяется по т элементам.
В интересах радиоэлектронного подавления радиолиний, работающих в режиме с ППРЧ, результаты оценивания правила и параметров сигналообразования могут использоваться для формирования помехового радиоизлучения, максимально близкого по частотно-временной структуре к радиосигналу подавляемой радиолинии. С этой целью периодически выполняется уточнение параметров сигналообразования частотно-временной структуры радиоизлучения подавляемой радиолинии и последующая адаптация структуры помехового радиоизлучения.
Другой важной технической задачей является обнаружение изменения режимов работы радиосредств, работающих с перестройкой несущей частоты. При этом изменение режима работы РЭС может проявляться всего лишь в переходе с повседневного режима ППРЧ, обеспечивающего, например, режим частотного разнесения символов передаваемых сообщений в целях защиты от частотно-селективных помех, на режим ППРЧ с повышенной структурной скрытностью.
Результаты вскрытия правила и параметров сигналообразования в определенных условиях могут быть применены для обнаружения работы одного средства радиосвязи в различных радиосетях. Данное обстоятельство обусловлено различием в параметрах сигналообразования. В этом случае, при работе радиосредства в пределах одной радиосети параметры частотно-временной структуры остаются неизменными, а по числу выявленных сочетаний параметров можно оценить число радиосетей.
Кроме того, важной задачей является оценивание числа радиосетей с ППРЧ, развернутых в зоне радиовидимости или на объекте радиоэлектронного контроля, в условиях, когда разделение источников радиоизлучений по пеленгационным и радиотехническим признакам оказывается невозможным. В основе этого также лежит объективно необходимое различие в параметрах частотно-временной структуры радиоизлучений различных радиосетей.
Таким образом, методологические основы структурного анализа сигналов с перестройкой несущей частоты при радиомониторинге систем передачи информации включают элементы теории обнаружения и оценивания параметров радиосигналов, положения теории распознавания образов, теории идентификации псевдослучайных последовательностей, методы цифровой обработки сигналов, а также широкий класс методов решения задач практической направленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рембовский, А.М. Радиомониторинг: задачи, методы, средства [Текст]/А.М. Рембовский, А.В. Ашихтин, В.А. Козьмин; под ред. А.М. Рембовского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 492 с.
2. Еремеев, И. Ю. Структурный анализ сигналов со скачками частоты [Текст] /И.Ю. Еремеев, А.И. Замарин //Ч. 1:Теоретические основы. - Архангельск: АГМА -КИРА, 1999.-140 с.
3. Еремеев, И.Ю. Применение обобщенного обратного интервального преобразования для идентификации недвоичных ПСП, используемых в системах радиосвязи с ППРЧ [Текст] / И.Ю. Еремеев // Наукоемкие технологии. -2009.-Т. 10.-№ 1.-С. 18-24.
4. Еремеев, И.Ю. Информативные структурные признаки недвоичных ПСП, используемых для псевдослучайной перестройки рабочей частоты в помехо-защищенных системах передачи информации [Текст] /И.Ю. Еремеев//Проблемы развития системы специ-
альной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России: Матер. 4-й Всерос. науч. конф. 10-11 февраля 2005. - Орел: АФСО, 2005. -Ч. 1. -С. 112-114.
5. Ковалевский, В.Э. Основы теории нелинейных функций над конечными полями и её приложения [Текст] /В.Э. Ковалевский. -СПб.: ВИККА, 1997. - 179 с.
6. Тараненко, П.Г. Псевдослучайные и кодовые последовательности. Методы синтеза и анализа [Текст] /П.Г Тараненко. -СПб.: ВИКУ им. А.Ф.Можайского, 1999. - 110 с.
7. Горшков, В.В. Схемы слежения за задержкой сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты [Текст] / В.В. Горшков, А.В. Варламов // Зарубежная радиоэлектроника. -1990. -№ 3. -С. 3-13.
8. Еремеев, И.Ю. Структурные свойства ансамблей частотно-временныхматриц[Текст]/И.Ю.Еремеев,А.И. Замарин // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. -1998. -Т. 41. -№ 8. -С. 45-52.
