автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Развитие методов и алгоритмов обработки сигналов при радиотехнических измерениях и радиоконтроле в условиях априорной неопределенности

На правах рукописи

ТОКАРЕВ Антон Борисович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ И РАДИОКОНТРОЛЕ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность: 05Л2.04 - Радиотехника, в том числе

системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 7 и;сн 2013

Воронеж - 2013

005062341

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный консультант доктор технических наук

Рембовский Анатолий Маркович

Официальные оппоненты:

Щипунов Андрей Николаевич, доктор технических наук, ФГУП «ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений» (г.п. Менделеево Московской обл.), первый заместитель генерального директора -заместитель по научной работе;

Карташевский Вячеслав Григорьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (г. Самара), декан факультета телекоммуникаций и радиотехники (ФТР), зав. кафедрой мультисервисных сетей и информационной безопасности (МСИБ);

Климов Александр Иванович, доктор технических наук, доцент, Воронежский институт МВД России, профессор кафедры инфокоммуника-ционных систем и технологий

Ведущая организация ОАО "Концерн "Созвездие" (г. Воронеж)

Защита состоится 12 сентября 2013 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 15~ » июня 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.Ю. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Активное развитие систем радиосвязи и различных радиоэлектронных средств неизбежно влечет усложнение радиообстановки практически во всех доступных для современной техники диапазонах частот. Для эффективного контроля радиообстановки и управления использованием радиочастотного ресурса необходимы адекватные этому усложнению системы радиоконтроля (PK), применяющие соответствующие современным задачам PK методы и алгоритмы обработки сигналов.

Одними из основных направлений совершенствования средств и систем PK в настоящее время являются:

- автоматизация процессов радиотехнических измерений (РТИ) и PK;

- интеграция разнотипных имеющихся средств PK в состав автоматизированных систем PK (АСРК).

Осуществление интеграции порождает потребность в разработке унифицированных технических и технологических подходов, методов и алгоритмов решения задач радиоконтроля, обеспечивающих работоспособность и метрологическую точность выполнения радиотехнических измерений для разнотипного радиоконтрольного оборудования (РКО). Имеющиеся методы решения задач PK не полностью соответствуют этим практическим потребностям, а алгоритмы панорамной широкополосной обработки данных и оценки занятости радиочастотного спектра для систем PK с разнотипным РКО остаются слабо детализированными и недостаточно исследованными.

Стартовая задача широкополосной обработки данных в АСРК формально классифицируется как задача разрешения-оценивания совокупности сигналов, наблюдаемых совместно в широкой полосе частот. Вопросами разработки оптимальных процедур разрешения сигналов занимались Ю.И. Абрамович, Э.А. Ибатулин, В.В. Караваев, A.A. Курикша, В.Н. Манжос, В.В. Сазонов, А.П. Трифонов, С.Е. Фалькович, Ю.С. Шинаков, Я.Д. Ширман. Среди зарубежных авторов можно отметить работы: Н. Akaike, Т. Anderson, Т. Kailath, S.M. Kay, S.L. Marple jr, В. Rao, G. Xu, M. Wax. Однако классические методы разрешения-оценивания часто рассчитаны на конкретные, частные вероятностные модели наблюдаемых случайных процессов, и при несоответствии реальных характеристик процесса используемой модели демонстрируют значительный и неконтролируемый рост погрешности. Кроме того, оптимальные алгоритмы разрешения-оценивания, как правило, характеризуются высокой вычислительной сложностью, что делает проблематичным достижение желательного быстродействия при анализе радиообстановки в широких полосах частот.

Существенно упростить широкополосный анализ радиообстановки можно за счет использования понятия квазиполного разрешения, с позиции которого подобную задачу предлагается рассматривать как задачу комплекс-

ного («панорамного») обнаружения некоторого набора сигналов на фоне неизвестного по интенсивности шума. Вопросами оценки интенсивности шума при широкополосном радиоконтроле в последние годы занимались специалисты Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета М.Е. Шевченко, А.О. Чемаров, Ё.Ю. Бородич. Исследовавшиеся ими цензурированные квантильные оценки интенсивности шума остаются работоспособными при значительной вариации радиообстановки, однако ограничение поиска квантильными оценками означает возможность существования альтернативных способов оценивания с лучшими показателями качества.

Таким образом, сохраняется потребность в анализе известных и разработке новых методов панорамного обнаружения сигналов с целью разработки квазиоптимальных алгоритмов, пригодных для использования в системах РК с разнотипным РКО и обладающих невысокой вычислительной сложностью.

С панорамным обнаружением сигналов тесно связана проблема оценки занятости радиочастотного спектра. Несмотря на наличие ряда международных рекомендаций, вопрос измерения занятости радиочастотного спектра считается актуальным и остаётся в центре внимания Международного союза электросвязи (см. вопрос 233-1/1). Сохранению неясностей в вопросе измерения занятости способствует то, что классические работы не полностью соответствуют потребностям РК, а современные публикации чаще касаются оценки занятости в целях динамического управления распределением радиочастот в рамках систем типа «Dynamic spectrum access (DSA)» и/или «Cognitive radio (CR)». Системы РК отличаются от упомянутых выше своими целевыми функциями, а потому и технические решения, ориентированные на DSA- и CR-системы, применительно к радиоконтролю часто оказываются неоптимальными.

К области РТИ и РК относится и огромное множество иных, более частных задач таких, как измерение интенсивности радиопомех или поиск побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ). Исследованиями в области поиска ПЭМИ занимались специалисты ФГУП НПП «Гамма», НПЦ фирмы «НЕЛК», центра безопасности информации «Маском», ФГУП «СНПО Элерон», создав ряд ориентированных на измерения ПЭМИ комплексов РК. Вместе с тем, используемые в большинстве исследований методы предполагают лишь верификацию априори прогнозируемого списка гармоник и не гарантируют обнаружение составляющих за пределами данного списка. Причиной погрешностей при исследовании защищенности объектов информатизации от утечки информации по каналу ПЭМИ может служить и неудачная реализация в аппаратуре РК функции измерения интенсивности радиопомех из-за недостаточной детализации имеющихся нормативно-методических рекомендаций по вопросам построения цифровых измерителей радиопомех.

Таким образом, в настоящее время актуальной является научная проблема создания комплекса методов и алгоритмов РТИ и РК, ориентированных на применение в условиях априорной неопределенности относительно особенностей радиообстановки и параметров РКО, входящего в состав систем РК, и обладающих невысокой вычислительной сложностью.

Диссертация выполнена на кафедре радиотехники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках одного из научных направлений университета - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приёма, обработки и защиты информации».

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов обработки сигналов в системах РК, сохраняющих работоспособность при вариациях радиообстановки и использовании радиоконтрольного оборудования с неточно известными характеристиками и отличающихся низкой вычислительной сложностью, в интересах создания и обоснования перспективных направлений совершенствования средств и систем РК.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка математической модели наблюдаемых данных, поставляемых радиоконтрольным оборудованием системам РК.

2. Анализ известных и разработка новых методов оценки уровня шума в широком диапазоне частот, содержащем неизвестное количество узкополосных радиосигналов с неизвестными параметрами; осуществление их сравнительного анализа.

3. Разработка методики калибрования РКО с неточно известными параметрами в целях повышения точности оценивания уровня шума в широких диапазонах частот.

4. Разработка и анализ методов панорамного обнаружения сигналов в широком диапазоне частот при использовании РКО с известными и неточно известными параметрами.

5. Исследование факторов, влияющих на точность и надежность оценивания занятости радиочастотного спектра, и корректировка концепции обеспечения достоверности измерений занятости.

6. Исследование граничных условий и оценка достаточности быстродействия РКО для достоверного измерения занятости тактируемыми и не-тактируемыми измерительными системами.

7. Разработка рекомендаций по осуществлению измерений занятости системами РК.

8. Оптимизация параметров алгоритмов панорамного обнаружения сигналов для обнаружения (и/или пеленгования) сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Разработка методики оценки достаточности быстродействия РКО при пеленговании источников сигналов с ППРЧ.

9. Разработка методов и алгоритмов обнаружения сигналов аналоговых радиомикрофонов и информативных побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

10. Исследование факторов, влияющих на точность измерения интенсивности радиопомех. Разработка рекомендаций по реализации цифровых измерителей интенсивности радиопомех.

Методы исследования. При выполнении работы использовался математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, основы теории статистических решений, аналитические и асимптотические методы математического анализа, методы математического моделирования.

Научная новизна работы в целом заключается в развитии и научном обосновании методов и алгоритмов обработки сигналов при осуществлении РТИ в условиях априорной неопределенности относительно особенностей радиообстановки и параметров РКО, входящего в состав системы РК.

Основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

- двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы, отличающиеся расчетом на стартовом этапе минимального значения сглаженного энергетического спектра и формированием приближенной оценки подмножества шумовых отсчетов спектра, по которому на завершающем этапе рассчитывается уточненная оценка интенсивности шума, что обеспечивает снижение среднеквадратиче-ской погрешности его оценивания;

- метод панорамного обнаружения сигналов, отличающийся раздельным оцениванием интенсивности шума и последующим обнаружением сигналов на основе обработки отсчетов усредненного и сглаженного по частоте энергетического спектра, а также использованием калибрования РКО с неточно известными параметрами, что обеспечивает невысокую вычислительную сложность и сохранение работоспособности обработки при заметных вариациях параметров радиообстановки и РКО;

- обновленная концепция обеспечения достоверности измерений занятости, отличающаяся нормированием абсолютной, а не относительной погрешности оценивания, учётом особенностей возникновения погрешности в каналах с протяженными и импульсными сигналами, фиксацией при измерениях среднего количества сеансов связи, наблюдаемых в анализируемых каналах, учётом особенностей тактируемых и нетактируемых измерений. На её основе впервые установлены предельные требования к быстродействию РКО, задействованного для подобных измерений;

- методика оценки достаточности быстродействия РКО при обнаружении (пеленговании) источников сигналов с ППРЧ, отличающаяся учётом особенностей широкополосной обработки данных системами РК, а также особенностей функционирования корреляционных интерферометров, и позволяющая на этой основе максимизировать вероятности обнаружения (пеленгования) подобных сигналов;

- метод обнаружения информативных побочных электромагнитных излучений средств вычислительной техники (СВТ), отличающийся осуществлением совместного обнаружения и тестирования информативности составляющих ПЭМИ, что обеспечивает повышение чувствительности при одновременном снижении временных затрат;

- методика построения цифровых измерителей интенсивности радиопомех, отличающаяся реализацией частотной избирательности измерителей и схемой построения пикового и квазипикового детектора, что обеспечивает повышение точности соблюдения контрольных показателей, определяемых действующими нормативными документами.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанные методы и алгоритмы панорамного обнаружения сигналов применимы в широком диапазоне условий радиообстановки и параметров РКО; алгоритмы характеризуются невысокой вычислительной сложностью и обеспечивают обнаружение системами и комплексами РК:

- узкополосных сигналов, действующих в широкой полосе частот;

- сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты;

- информативных побочных электромагнитных излучений.

2. Обновленная концепция обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра позволяет существенно снизить временные затраты на сбор сведений (до 10 раз для радиоканалов с малым числом сигналов, приходящихся в среднем на интервал измерений) и, одновременно, повысить точность получаемых оценок для радиоканалов, занятость которых принадлежит диапазону значений 5-100 %.

3. Методики оценки достаточности быстродействия РКО позволяют обоснованно формировать требования к параметрам планируемых к разработке средств и систем РК.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируются на использовании апробированных принципов и методов синтеза алгоритмов обработки сигналов, подтверждаются результатами практического использования разработанных методов и алгоритмов в системах и комплексах РК и, в частных случаях, согласованием с результатами, опубликованными в научной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» (г. Москва), ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК РФ (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Результаты, касающиеся обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра, легли в основу приложения А Отчета МСЭ-R «Report ITU-R SM.2256. Spectrum occupancy measurements and evaluation».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Раздельное оценивание двухэтаиными квазиоптимальными алгоритмами интенсивности шума и последующее обнаружение сигналов на основе обработки отсчетов усредненного и сглаженного по частоте энергетического спектра позволяют с невысокой вычислительной сложностью обнаруживать действующие в широкой полосе частот сигналы при значительных вариациях радиообстановки и параметров используемого РКО.

2. Калибрование РКО с неточно известными характеристиками обеспечивает качество оценки радиообстановки практически не уступающее качеству панорамного обнаружения для РКО с точно известными параметрами.

3. При расчете надёжности измерений занятости радиочастотного спектра следует учитывать длительности сигналов, действующих в контролируемых радиоканалах. В каналах с протяженными сигналами, длительность которых составляет от примерно тысячной доли до продолжительности всего интервала измерений, надежность определяется средним числом сигналов, приходящихся на интервал измерений. В каналах с импульсными сигналами надежность зависит от самой занятости. Учитывать в расчетах упоминаемую в нормативно-методических документах «зависимость измерений» не требуется.

4. При неравномерном размещении точек контроля на оси времени в каналах с протяженными сигналами оценка занятости по длительностям наблюдения активных и пассивных состояний обладает повышенной надежностью по отношению к классической оценке, а тактируемые измерения обеспечивают лучшее качество, чем нетактируемые. Надежность классической оценки при неравномерных нетактируемых измерениях, как правило, оказывается низкой.

5. При одинаковой занятости измерения в каналах с импульсными сигналами требуют большего количества точек контроля состояния канала. Для любого радиоканала оценка занятости с интервалом между повторными измерениями не более 7,8 миллисекунд (на 5-минутных интервалах) и 23,4 миллисекунды (на 15-минутных интервалах измерений) позволяет обеспечивать точность оценок не хуже ±0,5 % при надежности Р2 = 95%.

6. При измерениях занятости следует нормировать абсолютную, а не относительную погрешность измерений. В совокупности с предыдущими положениями это обеспечивает снижение трудоемкости оценивания для слабо загруженных каналов (до 10 раз для радиоканалов с малым числом сигналов, приходящихся в среднем на интервал измерений) и повышение точности формируемых оценок для каналов с занятостью, лежащей в диапазоне 5-100 %.

7. Методика расчета вероятности успешного обнаружения (пеленгования источников) сигналов с ППРЧ позволяет оптимизировать параметры системы РК для обнаружения (пеленгования) подобных сигналов и на этой основе планировать мероприятия РК, оценивать достаточность быстродействия используемого РКО, а также формировать требования к параметрам нового РКО, разрабатываемого для обнаружения подобных сигналов.

8. Совместное обнаружение и тестирование информативности ПЭМИ, основанное на многократном циклическом изменении режима работы проверяемого СВТ под управлением системы РК и обработке набора зарегистрированных широкополосных амплитудных спектров, обеспечивает высокую чувствительность и скорость поиска информативных составляющих при оценке защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН.

9. Для минимизации погрешности пиковый и квазипиковый детекторы следует реализовывать в виде цифрового фильтра первого порядка с переключаемыми коэффициентами. Измерители радиопомех с детектором средних значений не должны иметь близкую к прямоугольной АЧХ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных НТК «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2000, 2008-2012), I Всероссийской научно-практической конференции «Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники» (Санкт-Петербург, 1993), Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995), XIII Военной научной конференции (Москва, 1995, в/ч 11135), 6-й международной НПК «ТелеКомТранс-2008» (Сочи, 2008), 9-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2011), конференции «Multimedia Technology International Conference (ICMT)» (Гуаньчжоу, 2011), региональной НПК «Актуальные вопросы информационной безопасности региона в условиях модернизации общества и внедрения инновационных технологий» (Волгоград, 2011), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 1991-2012). Результаты, касающиеся обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра, обсуждались также на совещаниях рабочей группы 1С МСЭ-R, проходивших в июне 2012 г. в Женеве (Швейцария).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 55 научных работах, в том числе: в 41 статье (из них 32 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций), 14 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, а также в приложении А международного Отчета МСЭ-R SM.2256 по вопросам измерения занятости радиочастотного спектра.

В опубликованных в соавторстве работах [1,4, 6-9, 11, 12, 14, 15, 17-20, 24, 25, 27, 30, 36-38, 48-53] лично соискателю принадлежат: постановка задач, обоснование используемых и модификация известных методов их решения, разработка алгоритмов статистического моделирования, участие в обсуждении всех полученных результатов, обоснование возможности использования полученных результатов в аппаратуре РК. В работах [2, 3, 5, 10, 16, 44-47, 54] соискателем определялась методология решения задач, путей верификации

математических моделей и численных методов анализа на основании полученных экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и четырёх приложений. Основная часть работы изложена на 393 страницах, включает 130 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены особенности осуществления радиоконтроля в современной радиообстановке и тенденции развития сил и средств РК, кратко проанализированы задачи, решаемые системами РК, и проблемы, возникающие при интеграции в системы РК разнотипного РКО. Определены критерии выбора технических решений для систем РК, включающие критерий универсальности, подразумевающий ориентированность разрабатываемых методов и алгоритмов на максимально широкий круг РКО, в том числе на аппаратуру с существенно отличающимися и, возможно, неточно известными характеристиками, устойчивости по отношению к изменениям радиообстановки и/или параметров РКО и минимизации вычислительной сложности.

Во второй главе рассматриваются методы и алгоритмы обнаружения сигналов в широких полосах частот; при этом приоритетными считаются методы оценки радиообстановки, имеющие низкую вычислительную сложность и сохраняющие работоспособность при неточно известных параметрах РКО.

Типовая для систем радиоконтроля задача панорамного обнаружения сигналов заключается в следующем.

В полосе частот шириной ЛГ на фоне аддитивного шума ¿¡(г) неизвестной интенсивности, имеющего равномерную спектральную плотность мощности, действует неизвестное число М радиосигналов и „(О, спектры которых, имеющие неизвестную форму, сосредоточены в полосах частот шириной Л/т <к Д/7 (рис. 1), т.е. принимаемый случайный процесс может быть записан в виде

= ¥„,)■ (1)

7Л = 1

Требуется по результатам наблюдения процесса (1) определить число М сигналов, входящих в состав м„(0, и их расположение на оси частот.

В соответствии с ГОСТ Р 52536-2006 любое РКО обязано уметь формировать и записывать в память управляющей ЭВМ панорамы спектров. Выбор в качестве вектора наблюдаемых координат спектральных отсчетов

процесса и„(0 обеспечивает факторизацию функций правдоподобия. С учетом этого панорамное обнаружение сигналов следует осуществлять в спектральной области, а основой вероятностной модели обработки будут служить отсчеты дискретного энергетического спектра процесса иах(0

Хя(") = (2)

рассчитываемые путем усреднения Я спектральных выборок, полученных из перенесенных на промежуточную С//7) частоту выборок исходного случайного процесса и1И (7) с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ)

= ~ Т и<к)-и,Пг)(кТ)-еГ2"^ . (3)

Здесь г - порядковый номер выборки, к п п ~ номера отсчетов во временной и спектральной областях, Т - интервал дискретизации, N- объем преобразования, и-'(-) - применяемая для корректировки свойств спектра весовая функция.

Отметим, во-первых, что анализируемой полосе частот АР соответствует лишь часть массива ХК(п), имеющая объем N отсчетов (Ы <М1!Г) и стартующая с отсчета птт , определяемого особенностями РКО. Во-вторых, хотя помимо БПФ для спектрального анализа могут использоваться и иные методы, но, даже обладая лучшим спектральным разрешением и иными преимуществами, эти методы уступают БПФ в устойчивости и вычислительной эффективности, и потому в целях радиоконтроля применяются значительно реже.

Рис. 1. Возможная спектральная плотность мощности наблюдаемого случайного процесса

Отсчеты усредненного энергетического спектра (2) представляют собой, случайные величины, статистической взаимозависимостью между которыми, как правило, можно пренебречь. Отсчеты, приходящиеся на частоты, где располагаются сигналы ит (/), и называемые далее сигнальными, подчиняются

нецентральному х2 -распределению с параметрами

а = 0, 7, = оЦт1У=а\,1к, J = 2R, 5 = М;, (4)

где а: - мощность аддитивного шума, сГ,, /Л'^ - доля мощности, приходящаяся на каждый отсчет спектра, И] - отношение сигнал-шум по мощности

Л* = 0,25- 5;/а:,, (5)

где 8п - амплитуда спектральной составляющей сигнала на частоте .

Отсчеты Хя (п), приходящиеся на частоты между спектрами сигналов -«шумовые», подчиняются центральному %2 -распределению с аналогичными параметрами и образуют подмножество вш.

Априорная неопределенность при панорамном обнаружении сигналов проявляется в отсутствии информации о значениях параметров обнаруживаемых сигналов и интенсивности шума, об их законах распределения, а часто и об особенностях функционирования и параметрах используемого РКО.

Минимизацию вычислительной сложности алгоритмов панорамного обнаружения сигналов можно обеспечить путем двухэтапной обработки данных, где цель первого этапа - получение максимально правдоподобной оценки средней мощности шума , приходящейся на каждый отсчет спектра, а цель второго этапа - комплексное обнаружение сигналов, при котором минимизируется вероятность пропуска Рк1 при фиксированной вероятности

ложного обнаружения Рт, в расчете на радиоканал анализируемой полосы

частот. При этом оценивание интенсивности шума также следует производить в два этапа: на стартовом этапе определяется приближенная оценка интенсивности шума ег?, и производится отбраковка отсчетов дискретного спектра, классифицируемых в качестве сигнальных, а на завершающем этапе формируется уточненная оценка средней мощности шума ¿г;,. Качество итоговых

оценок а1ц условимся характеризовать нормированным значением их относительной среднеквадратической погрешности (СКП):

= р-^-ЬН-^1)!^' (6)

где V - загруженность анализируемого диапазона частот, указывающая долю этого диапазона, занятую обнаруживаемыми сигналами

" = TLdnjN, (7)

где dnm - выраженная в отсчетах ширина спектра сигнала ит (/). Несмещенным оценкам, полученным в идеализированных условиях точно известного размещения сигнальных и шумовых отсчетов, соответствует показатель fjtr^, щ j = 1fjR ■

Оценки, обладающие показателем г{<7„2,} достаточно близким к ¿{сг, ,

являются, очевидно, приемлемыми по качеству и рекомендуемыми к применению на практике.

Статистикой, обеспечивающей приближенное оценивание средней мощности шума ег?, с низкой вычислительной сложностью, может служить минимальное значение jfmin сглаженного по частоте энергетического спектра

V l \ I ^-1я+ии[ ту/2 ]

Рекомендуемая ширина окна сглаживания \VW зависит от объема N обрабатываемого массива спектральных отсчетов XR(n), от выраженной в отсчетах спектра ширины радиоканала В и наибольшей ожидаемой загруженности v .

Показано, что в отсутствие сетки радиоканалов закон распределения максимального промежутка Q1V между спектрами М сигналов, работающих

в диапазоне с общей шириной свободной от спектров сигналов полосы частот

Ем

^ | dnm) отсчетов, можно представить в виде:

0 при q < Nul/(M +1 );

W-im [,V„/4]

£ (-1)* C.i,+, {(M +1 - *) ■ q/N„ -1 f , (9)

при NW/(M + 1) <g < Nlu;

1 при q > Nm; где int[-] — операция взятия целой части числа.

При наличии сетки радиоканалов загруженность диапазона v , при которой с вероятностью не менее 99 % в нём будут наблюдаться смежных свободных радиоканалов, представлена в табл. 1.

Таким образом, при N > 103 и ширине радиоканалов В> 4 выбор ширины окна сглаживания WW = 18 отсчетов гарантирует выполнение неравенства WW <QW с вероятностью не менее 99 % для загруженностей v < 50 %, а выбор 1ПУ = 12 обеспечивает аналогичные гарантии для у < 70 %, что обычно с запасом соответствует потребностям практики.

F^'(g)-

Таблица 1

Предельно допустимая загруженность V диапазона частот, при которой в нём с вероятностью 99 % наблюдается не менее £ смежных свободных каналов

Число свободных каналов Предельно допустимая загруженность V (%) при общем числе каналов Ь

600 300 150 100 80 62 50

16 17 13 9 - - - -

12 25 20 14 10 8 - -

8 38 32 25 21 18 14 -

7 44 37 30 25 22 19 12

6 50 43 36 30 28 24 20

5 58 50 43 38 35 31 28

4 67 60 53 47 45 42 36

3 78 72 65 60 58 53 50

2 89 87 82 77 76 73 69

Для случая наличия сведений о параметрах РКО в работе получена аналитическая формула расчета стартовой оценки интенсивности шума а2г1 вида

4 = хт!П-С(А'^,тГ). (10)

Для РКО с отсутствующими или неточно известными параметрами до выполнения обнаружения следует осуществить калибрование аппаратуры для замены аналитического коэффициента С(М, экспериментально опре-

деляемыми поправками. Калибрование производится для каждого режима спектрального оценивания при настройке РКО на свободный от сигналов участок оси частот, либо при подаче на его вход сигнала с генератора шума.

Стартовый этап завершается исключением из шумового подмножества вш отсчетов Хп(п) с наибольшими по величине значениями хп. Для РКО с известными свойствами операцию исключения отсчетов можно записать в виде

х„ > х„,,,,„ =о-;.--П—1- + хс,Н- \ => п ч 0т, (11)

"О,,0 - | 9Л

где хе - процентная точка гауссовского распределения для допустимой вероятности превышения порога шумовыми отсчетами, значение которой рекомендуется выбирать £0 ~ 10 3... 10~2. Для РКО с неизвестными параметрами поправочный коэффициент определяется на основе предварительного калиброва-

ния по описанной в работе методике. При заданной ширине радиоканала В вместе с п -м исключаются также отсчеты Xк (/') с номерами |и -11 < В / 2 .

Итогом обработки является совокупность частотных интервалов, предположительно соответствующая шумовому подмножеству отсчетов вш .

Различные методы оценивания интенсивности шума отличаются друг от друга реализацией завершающего этапа оценивания. Методы, опирающиеся на корректировку минимального значения сглаженного энергетического спектра (МГС) или на среднее значение максимальных отсчетов шума (СМОШ-статистику), формируют оценки с заметным среднеквадратическим отклонением (СКО), а наилучшими свойствами среди проанализированных в работе обладают следующие методы:

1. Метод, предполагающий усреднение всех шумовых отсчетов спектра Предусматривает расчет итоговой оценки по правилу:

= ЛС • хп > (12)

где и хп - число и значения отсчетов, отнесенных на стартовом этапе к шумовым.

2. Метод, основанный на корректировке среднего арифметического минимальных локальных оценок.

Для Мш радиоканалов, отнесенных к шумовым на стартовом этапе

1) производится расчет локальных оценок интенсивности шума

*.» = Vй' <13>

где В - ширина канала в отсчетах дискретного спектра;

2) полученные значения упорядочиваются по возрастанию, так что х™ -

наименьшая, а 1 - наибольшая из локальных оценок;

3) рассчитывается итоговая оценка средней мощности шума

^ = 1!:Г-С 1{^9МтаГХ(В-М^-Мш)), (14)

где число используемых локальных оценок уменьшается до Мшси ~ 2Л/ш/3 для исключения из расчета радиоканалов, потенциально содержащих слабые сигналы, не выявленные на стартовом этапе. Показатель /(В,С,Б) характеризует смещение, возникающее при оценке среднего значения шума по совокупности С наименьших из £> имеющихся локальных оценок шума, соответствующих радиоканалам шириной В отсчетов. Показатель %(В, С, О) для РКО с известным числом усредняемых выборок может быть аппроксимирован выражением

Х(В,С,0)--

Х{В,Д/6, Д) + (1 -%(Д,5Д/6.Д))•(С ^76), 1 < С< Д/6 , 1,4/(5 + 1), ^±ПВ + Ю1(с_010/^с^50/6 (15)

1 + 4-Л Д(0,23 + Тй)

1 + (1 - х(В,50 / 6, Д» • ^). 5Д / 6 < С < Д

а для РКО с неточно известными параметрами определяется путем детализированной в работе процедуры калибрования.

3. Метод, использующий цензурированное медианное оценивание.

Представляет собой модификацию метода из диссертационной работы А.О. Чемарова (С.-Петербург, 2009), при которой цензурирование выборки осуществляется однотипно с предыдущими методами и (в целях унификации) используется фиксированный квантиль порядка 0,5, т.е. медиана распределения х0 5. Итоговая оценка средней мощности шума рассчитывается по правилу

(16)

где коэффициент АВФ берётся равным 0,61 при использовании в (3) весовой функции и'() с высокой разрешающей способностью по частоте (РСЧ) и Авф » 0,2 для ВФ с низкой РСЧ.

Представленные на рис. 2 результаты сравнительного анализа точности оценок интенсивности шума позволяют сделать следующие выводы:

1. Оценивание средней мощности шума по неусредненному спектру (т.е. при Я = 1) сопряжено с существенно большими ошибками, чем при использовании усреднения Д>1; резкий рост погрешности оценивания наблюдается при V > 30 % для всех протестированных алгоритмов. При низкой загруженности ( V < 30 % ) приемлемое на практике и наилучшее среди всех методов качество демонстрирует оценка сг м .

2. При малом числе усреднений Я = 2...3 подход, обеспечивающий наилучшее качество оценивания, зависит от наблюдаемой загруженности диапазона. При V < 40 % наименьшая СКП соответствует оценке <т2тп, рассчитываемой на основе среднего минимальных локальных оценок, а для к > 50 % для минимизации погрешности следует применять метод цензурированного медианного оценивания.

3. Если же при расчете массива спектральных отсчетов используется многократное усреднение Я > 4 , то наилучшее качество оценивания обеспечивает алгоритм, основанный на усреднении всех шумовых отсчетов спектра. Соответствующая ему оценка средней мощности шума <тГ„„ характеризуется

150

1.00

050

1 60-

( -2 ) 1-2 1 .........;

Л '

4.......1

» « Уши

......

050

01

0 2

0.3

04

06 V

0.1

0.2

Рис. 2. СКП оценок средней мощности шума при ширине диапазона />/=1024 , ширине радиоканала В и наличии в диапазоне 80 % сигналов с отношением сигнал-шум И„2= 10 дБ и 20 % слабых сигналов с к„= 5 дБ

- 1 Я--Л

1.00001 ^^мвдкй,»»«

¿пт = 1

А

с .11Ю

■ 4//

1' = 0.5 г

<н>

............V

V. У = 0,0

11 ЯШ, дБ

Рис. 3. Вероятность е ложного отнесения отсчетов к сигнальным при наличии в диапазоне 80 % сигналов с И„2= 10 дБ и 20 % слабых сигналов с /?,/= 5 дБ

Рис. 4. Вероятность пропуска сигналов, представленных единственным отсчетом с/п„, = 1, и сигналов, занимающих 2/3 ширины радиоканала с1пт = 25/3 (см. « □ »)

СКП, превышающей предел 1/%/л , как правило, лишь на 40...60 % при загруженностях до 50 %.

По сравнению с методами, описанными в открытой литературе, предложенные алгоритмы позволяют снизить среднеквадратическую погрешность (СКП) оценки средней мощности шума на 10-25 %, а при Я > 4 характеризуются не только меньшей СКП, но и меньшей вычислительной сложностью.

Типовое спектральное разрешение РКО в широкополосных режимах не позволяет существенно оптимизировать процесс обнаружения на основе детальных спектральных масок обнаруживаемых сигналов, а при опоре на маски прямоугольной формы достаточными статистиками оказываются отсчеты Хк{п) сглаженного по частоте спектра (8) для окон сглаживания шириной

тут,е < Ы[2В1Ъ] (17)

при известной интенсивности шума сравниваемые с порогом

х ., } = а]. --Л----+ .г -1-- > (18)

где хс- процентная точка гауссовского распределения, соответствующая вероятности £0=\-(1-Рт1)1"1~Рт,/В , а Рло, - допустимая вероятность

ложного обнаружения сигналов в расчете на радиоканал.

Если же вместо точного значения а\х в (18) подставлять оценку интенсивности шума с эффективным значением ащ > 0 , то для сохранения вероятности е0 для несмещенных оценок потребуется относительная поправка

3 <* (20-;,/« • СоеДЯ,ел) ■ 0,85д) - 1 )"', (19)

где коэффициент Сое/£п ) входит в правило (18) пересчета средней мощности шума в порог разделения отсчетов на шумовые и сигнальные. Для оценок а2аш, <т^то и б~2ш,а, как правило, имеющих небольшое отрицательное смещение, расчет порога рекомендуется производить по правилу:

) * о?, • (1,02 + [0,25 • # / Сое/(Д,*0) -1]"') • СоеГ(Я,е0). (20)

Кривые вероятностей ложного обнаружения, полученные при «целевой» вероятности превышения порога £0 = 10~г/В, показаны на рис. 3, а типовые вероятности пропуска сигналов с широтой спектра с!пт = 1 и с/пт =26/3 при выявлении сигнальных отсчетов по превышению порогов ^»(Йцй,^^) приведены на рис. 4. В финале обработки на основе группирования сигнальных

отсчетов осуществляется выделение совокупности наблюдаемых сигналов и оценка их расположения на оси частот.

В завершающей части главы 2 кратко рассмотрено двухканальное обнаружение радиосигналов. Показано, что по сравнению с одноканаль-

ными процедурами оно обеспечивает выигрыш до 1,5___3 дБ, однако его

проблематично рекомендовать в качестве основы работы систем РК, т.к. реализовать двухканальную обработку способно не любое РКО.

Третья глава посвящена вопросам обеспечения достоверного оценивания занятости радиочастотного спектра. Под занятостью 2 понимается вероятность того, что в случайно выбранный момент времени анализируемый радиоканал, полоса частот или иной частотный ресурс будет использоваться для передачи информации (находиться в активном состоянии). При РК занятость определяется применительно к совокупности контрольных интервалов фиксированной длительности Тт и для радиоканала на конкретном интервале измерений составляет

где V- число случаев, а г,,, г,2 ... тгУ - продолжительности пребывания радиоканала в активном состоянии (рис. 5).

Рис. 5. К определению понятия занятости радиоканала

При контроле широких диапазонов частот непрерывное наблюдение за каждым каналом оказывается проблематичным и РКО, накапливая данные для оценки занятости, производит проверку состояния каналов лишь эпизодически - в точках контроля за интервал Тт . Как следствие, при измерениях занятости вместо точной формулы (21) приходится использовать приближенные оценки

¿ = (22) где и - число фиксации активного и пассивного состояний канала или 2 = /{т^+т^), (23)

где Т<_ ас: и - зафиксированные продолжительности пребывания канала в

активном и пассивном состояниях. При эпизодическом контроле точно определять моменты переключения канала из активного состояния в пассивное и обратно не удаётся, что приводит к погрешности измерений. Оценки 2 , являясь случайными величинами, характеризуются точностью Лг и надежностью

Рекомендуемое значение надёжности обычно составляет Ру =95% .

В нормативно-методических документах можно встретить ряд рекомендаций по обеспечению достоверного измерения занятости, однако анализ показывает, что они не удовлетворяют современным условиям и целям РК (детальнее см. [25]). Поэтому автором была разработана и обоснована обновленная концепция обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра. Эта концепция, в частности, указывает, что:

■ применительно к радиоконтролю следует нормировать не относительную, но абсолютную погрешность оценивания Д2 ;

■ упоминаемое в нормативно-методических документах требование учета «статистической зависимости результатов соседних измерений» не является актуальным;

■ для радиоканалов с протяженными сигналами, длительность которых превышает тысячную долю интервала измерений, необходимое количество точек контроля определяется не самой занятостью, а интенсивностью Я4 потока сигналов в контролируемом канале (т.е. средним числом сигналов, приходящихся на интервал измерений);

■ для каналов с импульсными сигналами, длительность которых заметно меньше периода контроля Т„ и определяется, как правило, единицами миллисекунд, необходимое количество точек контроля зависит от самого ожидаемого значения занятости Z .

Показано, что для каналов с импульсными сигналами количество точек контроля, необходимое для обеспечения достоверности измерений, определяется формулой:

где хр - процентная точка интеграла вероятности Ф(х), соответствующая надежности Р2 . Определяемые соотношением (25) при рекомендуемой в [25] максимально допустимой абсолютной погрешности измерений Д2 = 0,5 % и требуемой надежности Рг =95% требования к количеству точек контроля представлены в табл. 2.

(24)

(25)

Таблица 2

Рекомендуемое число точек контроля состояния канала, содержащего поток импульсов малой длительности, для измерения занятости с абсолютной погрешностью Д7 не более ±0,5 % при надежности Р7 = 95 %

Занятость радиоканала Рекомендуемое число точек контроля У,„ тт Рекомендуемый интервал проверки состояния канала Тп,, мс

при Тп1 = 5 минут при Тп =15 минут

5 7300 41,1 123,2

10 13835 21,7 65,0

20 24600 12,2 36,6

35 34980 8,6 25,7

50 38435 7,8 23,4

Таким образом, в диссертационном исследовании впервые установлено, что контроля состояния радиоканалов каждые 7,8 миллисекунд достаточно для измерения занятости на 5-минутных интервалах контроля с точностью Аг = 0,5 % и надежностью Ру = 95 % в сколь угодно сложных условиях. При измерении же занятости на 15-минутных интервалах даже в максимально сложных условиях не требуется проверять состояние канала чаще одного раза за 23,4 миллисекунды.

Для протяженных сигналов качество оценок (22), (23) зависит не только от числа Jm точек контроля, но и от равномерности их размещения на интервале измерений. Неравномерное размещение точек контроля на оси времени может возникать нз-за отказа от строго цикличного просмотра радиоканалов в целях повышения общей эффективности работы, из-за разделения ресурсов системы РК между несколькими задачами радиоконтроля и по другим причинам. Неравномерность рекомендуется характеризовать относительной нестабильностью интервала контроля равной

ЗТ = тах{\^-1^\/Тп.}, 1 <j<Jm, (26)

где Тгг - Тт / Jm - период контроля, а моменты (1 < ) < Зт ) соответствуют

реальному размещению на оси времени точек контроля состояния канала.

Показано, что влияние нестабильности по-разному проявляется в тактируемых и нетакгируемых измерительных системах [26], и применение оценки (22) в нетактируемых системах оправдано лишь при 8Т < 1 % . Правило выбора числа точек контроля для достоверного измерения занятости имеет вид:

r ,/f -fl,06 +a-ST1) T _ V V '_>_ (27)

J m min — . ~ ' V '

Az 2

где Ay - максимально допустимая абсолютная погрешность измерений, хр -процентная точка интеграла вероятности Ф(х), соответствующая требуемой надежности Р7 , Varr = ЛА • Тт - ожидаемое в среднем число протяженных сигналов на интервале измерений и

il,0 для оценки (23) в нетактируемых системах

1,0 для оценки (22) в тактируемых системах (28)

0,4 для оценки (23) в тактируемых системах

Применительно к оценке (22) в тактируемых измерительных системах, либо оценке (23) при нетактируемых измерениях требования к количеству точек контроля, необходимому для измерений занятости в каналах с протяженными сигналами с надежностью Pz= 95 % при допустимой абсолютной погрешности измерений Az = 0,5 % , представлены в табл. 3.

Новые результаты, представленные в табл. 3, показывают, что объем необходимых данных для слабо занятых каналов и для каналов с высокой занятостью, но редкой сменой состояния (например, занятых радиовещательными станциями) по сравнению с данными из справочника «Handbook on Spectrum Monitoring» (Geneva, 2011) или рекомендации МСЭ-R SM. 1880 может быть уменьшен в 2... 10 (и более) раз при параллельном уменьшении погрешности оценивания для каналов с занятостью Z > 5%.

Таблица 3

Рекомендуемое количество точек контроля состояния канала с протяженными сигналами, необходимое для обеспечения абсолютной погрешности измерений занятости Az не более ±0,5 % при надежности Pz = 95%

Интенсивность потока сигналов в канале Л (среднее число сигналов, наблюдаемых на интервале измерения занятости), не более Рекомендуемое количество точек контроля

при равномерном размещении точек контроля на оси времени при неравномерном размещении точек контроля 0,25 <ST < 0,5

10 632 703

30 1095 1217

50 1414 1572

100 2000 2223

300 3463 3850

500 4471 4970

В завершении главы 3 даны итоговые рекомендации по повышению эффективности сбора и обработки данных при контроле занятости спектра, по адаптации системы РК к изменениям параметров оценивания (например, относительной нестабильности и интенсивности потока сигналов в радиоканале X 4) по ходу сбора данных для измерений занятости, а также по организации метрологических испытаний оценок занятости.

В четвертой главе рассмотрены вопросы обнаружения сигналов с ППРЧ и излучений радиомикрофонов, методы выявления информативных составляющих побочных электромагнитных излучений, даны примеры соответствующей аппаратуры и программного обеспечения.

Показано, что общее число М частотных позиций сигнала с ППРЧ,

которые удастся зарегистрировать за время передачи сообщения, является биномиальной случайной величиной с распределением

Р{Мрег=к} = (29)

где - вероятность того, что за время передачи всего сообщения отдельная частотная позиция (ЧП) будет зарегистрирована по меньшей мере дважды, является аналитической функцией большой совокупности параметров, включающих длительность передаваемого сообщения Тс, интервал непрерывного использования ППРЧ сигналом отдельной ЧП г1т], длительность тшб отдельной выборки, регистрируемой РКО, количество усредняемых выборок Я , отношение сигнал-шум в точке приема ¡12п, настройки порогов обнаружения х ,, ожидаемую

ширину спектрального всплеска, соответствующего отдельной ЧП и т.д. Результаты расчета наиболее вероятного числа выявляемых ЧП для ППРЧ сигнала длиной 40 секунд при общем числе полос обзора системы РК Ь = 60 и параметрах сигнала т .тр = 4 мс, тт15 = 0,32 мс, М = 32, г„„, = = 3,125 мс, Ь] = 3 показаны на рис. 6.

1 — для усредненного энергетического спектра; 2 - без усреднения

Рис. 6. Наиболее вероятное число выявляемых ЧП для ППРЧ сигнала

Подобная зависимость является типовой, т.к.:

1) при малом числе выборок Л значительная доля всего времени наблюдения тратится на перестроение с частоты на частоту;

2) при увеличении Л до ттЛ / г):ыб непроизводительные затраты времени уменьшаются, а вероятность регистрации спектрального всплеска для ЧП возрастает;

3) далее соотношение времени обработки данных и времени перестроения приемника по частоте улучшается, но из-за «излишнего» усреднения выборок эффективное соотношение сигнал-шум уменьшается и при избыточно большом Я эффективность работы системы РК начинает существенно падать.

Для не слишком значительных отношений сигнал-шум оптимальным количеством усредняемых выборок для обнаружения ЧП сигналов с ППРЧ является Л = 3...6. При подобных настройках системы РК высокой и сверхвысокой производительности способны успешно обнаруживать ППРЧ сигналы длительностью Тс >10 секунд при числе скачков по частоте до 103 за секунду.

Аналитические соотношения, определяющие условия успешного пеленгования сигналов с ППРЧ корреляционным интерферометром показывают, что высокопроизводительные системы РК способны успешно пеленговать сигналы с ППРЧ длительностью в несколько секунд при скоростях перестроения сигналов по частоте до 103 скачков за секунду.

Проанализирована возможность обнаружения излучений аналоговых радиомикрофонов при наличии априорной информации об используемом способе модуляции колебаний. Показано, что обнаружение целесообразно осуществлять путем обработки отсчетов собственных и взаимных энергетических спектров демодулированного радиосигнала и акустического сигнала, регистрируемого микрофоном РКО в проверяемом помещении.

Исследована проблема обнаружения информативных составляющих побочных электромагнитных излучений. Показано, что при обеспечиваемом РКО высоком разрешении по частоте (желательно, не хуже 1 кГц) и при наличии возможности автоматически изменять текущий режим работы СВТ под управлением системы РК для поиска информативных ПЭМИ многоэтапная проверка не требуется. Если при циклическом переключении режима работы СВТ накопить панорам амплитудных спектров радиоизлучений СВТ

для пассивного и Л, спектров для активного режима работы, то оптимальный по критерию максимального правдоподобия алгоритм принятия решения об информативности составляющей на частоте п -го отсчета наблюдаемых спектров предполагает сопоставление с порогом статистики

7?. +7?.

( К к.

2>>)+2>»

К . (л, Л2 к. \ (

I>'>)-л + !--;(») „ Е-л»)

л.

4'=' У г=|

где >'г(и) и гг (и) - соответствующие проверяемой частоте отсчеты амплитудного спектра г -х по порядку спектральных панорам, полученных при активном и пассивном режимах работы СВТ соответственно. Для неинформативных составляющих ПЭМИ квантили распределения статистики (и),

рассчитываемой по неусредненным панорамам спектров, показаны на рис. 7. Одноэтапный метод,

2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1.2 и

базирующийся на статистике (30) и обеспечивающий для информативных составляющих ПЭМИ «тестирование и обнаружение совмещенное», называют ТОС-методом.

Учитывая, что число тестируемых составляющих спектра обычно велико, и вероятность превышения порога для отдельной неинформативной составляющей должна быть заметно меньше, чем допустимая

вероятность ложного срабатывания алгоритма в целом г ~Рт/N, а также приблизительно гиперболический характер кривых на рис. 7, для расчета порога 77 рекомендуется аппроксимация:

77 = К1+К2/ (Я-К3), (31)

где коэффициенты Л',... А', зависят от допустимой вероятности ложного обнаружения и числа N отсчетов в отдельном дискретном спектре. В аппаратуре, выпускаемой НПП ЗАО «ИРКОС», при частотном разрешении 3,125 кГц набор коэффициентов К, = 1,02; К2 =13; Къ =3 позволял выявлять ин-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 /?„

1 -е = 510"7; 2-е=10"*; 3-е = 5-КГ6;4-£= 10"5; 5 -е = 5-10"5; 6-е= КГ4

Рис. 7 Зависимость квантилей цх_г распределения статистики Ог (и) для неинформативных составляющих ПЭМИ от числа пар спектров 7?,. = 7?.

формативные ПЭМИ, обеспечивая отсутствие ложных обнаружений в полосах частот шириной 0,5 ГГц с вероятностью не менее 90 %. В режиме повышенного спектрального разрешения (с разрешением Д/"=390 Гц) увеличение N требует снижения допустимой вероятности е и использования набора коэффициентов К1 = 1,02; К2 =9; К, =6.

Характеристики ТОС-метода, приведенные на рис. 8-9, показывают, что при использовании высокого разрешения уверенно обнаруживаются даже слабые составляющие ПЭМИ (параметр Д характеризует отношение сигнал-шум для обнаруживаемых составляющих). В целом ТОС-метод характеризуется вероятностями обнаружения информативных ПЭМИ близкими к показателям типовой методики, превосходя их для слабых составляющих ПЭМИ, но позволяет в разы уменьшить общее время, затрачиваемое на тестирование, и выявлять составляющие, уровни которых в активном и пассивном состояниях отличаются лишь на доли децибела.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0.0

' Ко.

и y , -—

У/ /

/ /

; /

""3

/ /

f /

è t

30 60

90 120 R,.

1-Д = 0дБ, Д/=390Гц; 2-Д = 4дБ, Д/=3125Гц; 3-Д = 3 дБ, Af= 3125 Гц

Рис. 8. Вероятность обнаружения информативных составляющих ПЭМИ

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0.

0,0

' P.,r,H

u J

2

J

//

-,--* /

2 4 6 8 Д,дб

1 - метод TOC (Rv = 30, Д/= 390 Гц); 2 - двухэтапная методика

Рис. 9. Вероятности обнаружения информативных ПЭМИ методом TOC и двухэтапной методикой

Пятая глава касается проблем реализации в системах РК измерительных детекторов и содержит рекомендации по созданию цифровых измерителей интенсивности радиопомех (ИИРП). Показано, что при проверке амплитудного соотношения следует использовать исправленную по отношению к ГОСТ Р 51319-99 формулу оценивания:

(32)

Ammp=fB4 /Сл/2-л),

где /7 = ивых(/вч )/итх(Р) - отношение реакций ИИРП на последовательности импульсов, воздействующих на вход измерителя с высокой /вч = (2..Л)Bf и низкой Р <К Вг частотами (здесь В/ - требуемая полоса пропускания ИИРП

по уровню 6 дБ).

Показано, что пиковый и квазипиковый детекторы могут быть реализованы на основе нелинейных цифровых фильтров с переключаемыми коэффициентами, однако чем сложнее структурная схема фильтра, тем выше опасность возникновения погрешности. Рекомендовано использовать структурную схему, представленную на рис. 10.

Показано, что при обеспечении частотной избирательности ИИРП недопустимо использование фильтров с высоким коэффициентом прямо-угольности АЧХ для измерителей с детектором средних значений, т.к. при этом невозможно обеспечить для любой пары частот справедливость требуемого стандартами соотношения мт(Рл1) / х<!Ыг <)ет(Ри2) = Рп1/Гп1.

Характеризующий степень нарушения этого соотношения показатель хА/к,,П = 20 18( 5„Ы1. ,,„„(/вч )/*„„, ()(.„, (Г) • Т7//вч) (33)

для фильтров с прямоугольной АЧХ может достигать Хмфпч = 5,6 дБ , а для фильтра, описываемого в приложении А к ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, он равен ХСКРК ~ 1,1 дБ (при предельно допустимом значении в 1,5 дБ). Для минимизации погрешности необходим фильтр, импульсная характеристика которого при любых / остается неотрицательной. Предложенные в работе цифровые КИХ-фильтры, синтезируемые с использованием окна Хемминга, при малом порядке не содержат отрицательных отсчетов импульсной характеристики (или доля таких отсчетов невелика) и обеспечивают Хкт ~ 0 дБ.

Рис. 10. Структурная схема рекомендуемого варианта реализации детектора

В заключении приведены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем.

1. Для оценки параметров радиообстановки в широкой полосе частот разработаны квазиоптимальные алгоритмы оценки интенсивности шума, наблюдаемого в широкой полосе частот совместно с неизвестным количеством узкополосных колебаний, отличающиеся от известных пониженной среднеквадратической погрешностью и невысокой вычислительной сложностью. На их основе разработан метод панорамного обнаружения узкополосных сигналов, наблюдаемых на фоне шума неизвестной интенсивности. Он базируется на обработке спектральных панорам, которые обязано уметь формировать любое радиоконтрольное оборудование (РКО), устойчив к изменениям радиообстановки и параметров РКО, позволяет обеспечить высокое быстродействие систем РК и может служить основой разработки программного обеспечения для систем и комплексов радиоконтроля.

2. Предложена обновленная концепция обеспечения достоверных измерений занятости радиочастотного спектра, основанная на контроле интенсивности потока сигналов в анализируемых радиоканалах, а также на переходе к нормированию предельно допустимой абсолютной погрешности оценивания. Новая концепция обеспечивает возможность существенного снижения трудоёмкости сбора данных для слабо занятых радиоканалов и повышения точности оценивания для радиоканалов с занятостью, составляющей 5-100 %.

3. Разработанная методика обеспечения достоверного измерения занятости позволяет учитывать различия в свойствах анализируемых радиоканалов, своеобразие поведения тактируемых и нетактируемых измерительных систем и за счет этого обеспечивает расширение анализируемого диапазона частот, либо осуществление измерений занятости в «фоновом режиме», параллельно с решением иных задач РК. Эта методика также определяет предельные требования к РКО для достоверного измерения занятости в произвольных по свойствам радиоканалах.

Данная методика послужила основой приложения А Отчета МСЭ-R «Report ITU-R SM.2256. Spectrum occupancy measurements and evaluation».

4. Применительно к сигналам с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) разработаны методики расчета вероятности их обнаружения и пеленгования аппаратурой РК. Эти методики могут служить основой:

- оптимизации параметров системы РК в целях повышения вероятности обнаружения сигналов с ППРЧ, а также определения координат ПРИ, использующих подобные сигналы;

- планирования мероприятий РК в тех диапазонах частот, где потенциально могут действовать сигналы с ППРЧ;

- формирования требований к параметрам нового РКО, разрабатываемого, в том числе, для обнаружения сигналов специального вида.

5. Предложен и исследован метод совместного обнаружения и тестирования информативности составляющих побочных электромагнитных излучений. Данный метод реализован в комплексах радиомониторинга, выпускаемых НПП ЗАО «ИРКОС», и используется на практике, обеспечивая высокую чувствительность и скорость поиска информативных составляющих при оценке защищенности информации, обрабатываемой СВТ, от утечки по каналу ПЭМИН.

6. Проанализированы особенности методики контроля метрологической точности измерения интенсивности радиопомех. Разработана и апробирована методика реализации цифровых измерителей интенсивности радиопомех, обеспечивающая повышение точности соблюдения ряда контрольных показателей, определяемых действующими нормативными документами.

Концепция, методы и алгоритмы, представленные в диссертащш, опубликованы в российской и зарубежной научной литературе, обсуждены на российских и международных конференциях и апробированы в комплексах радиомониторинга, выпускаемых компанией ЗАО «ИРКОС». Результаты их применения в практике PK дают автору основание считать, что представленная к защите диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук содержит изложение научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие российских радиочастотных служб, служит информационной безопасности России и способствует ускорению научно-технического прогресса.

Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту, генеральному директору НПП ЗАО «ИРКОС», д-ру техн. наук A.M. Рем-бовскому за обеспечение возможности не только заниматься интересными техническими исследованиями, но и воплощать их результаты в реальной аппаратуре PK, а также за помощь в обсуждении результатов исследований и советы по подготовке диссертации. Автор также выражает горячую признательность всем сотрудникам ЗАО «ИРКОС» и в особенности A.B. Ашихмину и В.А. Козьмину, с одобрения и по инициативе которых стартовали многие из представленных в работе исследований и благодаря усилиям которых полученные результаты внедрялись в практику и аппаратуру радиоконтроля.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Макаров, Г.В. Определение закона распределения максимального промежутка между спектрами узкополосных радиосигналов / Г.В. Макаров, А.Б. Токарев // Теория и техника радиосвязи. - 1995. - Вып. 1. - Воронеж: Изд. Воронежского НИИ связи, 1995. - С. 32-34.

2. Быковников, В. В. Периодограммная процедура обнаружения радиозакладок / В.В. Быковников, А.Б. Токарев // Информация и безопасность. -Воронеж, 2000. - Вып. 2. - С. 32-34.

3. Быковников, В.В. Пассивный алгоритм обнаружения радиомикрофонов в условиях априорно неизвестного коэффициента передачи канала связи [Электронный ресурс] / В.В. Быковников, А.Б. Токарев // Internet-журнал радиоэлектроники, 2001. - № 8. — Режим доступа: http://jre.cp1ire.rU/iso/aup01/2/text.htmi

4. Рембовский, А. М. Автоматизированный радиомониторинг на основе одноканальной и двухканальной обработки данных / A.M. Рембовский, А.Б. Токарев // Вестник МГТУ. - 2004. - № 3(56). - С. 42-62.

5. Использование панорамного измерительного приемника АРК-Д1ТР в мобильных станциях радиомониторинга Аргумент-И / A.B. Ашихмин,

B.А. Козьмин, А.Б. Токарев, В.М. Стопкин // Специальная техника. - 2004.

— №5. - С. 38-49.

6. Тупота, В.И. Применение многофункционального комплекса АРК-Д1ТИ для оценивания защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН / В.И. Тупота, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Специальная техника.

- 2006. 1.-С. 38-46.

7. Обнаружение и оценка информативности побочных электромагнитных излучений в многофункциональном комплексе радиомониторинга АРК-Д1ТИ / В.И. Тупота, М.Р. Бегишев, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Специальная техника. - 2006. — № 2. - С. 51-56.

8. Токарев, А.Б. Выявление ППРЧ-сигналов широкополосными системами радиомониторинга / А.Б. Токарев, A.B. Ашихмин, В.А. Козьмин // Телекоммуникации. — 2006. - № 2. - С.2-7.

9. Автоматизация исследования защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН / В.И. Тупота, В.А. Козьмин, С.Б. Переверзев, А.Ф. Пе-тигин, А.Б. Токарев // Специальная техника. - 2007. - № 3. - С. 36-49.

10. Козьмин, В.А. Различение источников радиоизлучения на основе данных панорамного пеленгования / В.А. Козьмин, В.А. Сладких, А.Б. Токарев // Антенны. - 2008. - № 7-8. - С. 92-94.

11. Пеленгование сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты широкополосными системами радиомониторинга / В.А. Козьмин, A.M. Савельев, В.А. Сладких, А.Б. Токарев // Антенны. - 2008. - № 7-8. -

C. 140-145.

12. Козьмин, В.А. Методика оценивания занятости частотного спектра автоматизированным сервером радиоконтроля / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2009. - № 12. - С. 37-41.

13. Токарев, А.Б. Оценивание занятости частотного спектра при нестабильном интервале контроля состояния радиоканалов / А.Б. Токарев // Измерительная техника. — 2010. - № 1. — С. 60-63.

14. Авдюшин, A.C. Аномальные ошибки при оценивании занятости радиочастотного спектра / A.C. Авдюшин, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2010. -№ 2. - С. 53-57.

15.Коротков, JI.H. Реализация детектора средних значений в телекоммуникационных устройствах / JI.H. Короткое, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. - Т. 7. - № 12.1. -С. 114-118.

16. Исследование особенностей функционирования мажоритарного частотного декодера / A.B. Ашихмин, JI.H. Коротков, В.А. Сладких, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета.

- 2011. - Т. 7. - № 12.1. - С. 92-95.

17. Репников, В.Д. Разработка и анализ алгоритма приближенной оценки джиттера цифровых сигналов / В.Д. Репников, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8,-№4.-С. 19-23.

18. Репников, В.Д. Учет фазовых искажений при обработке сигналов в разностно-дальномерных системах / В.Д. Репников, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. -№4.-С. 28-31.

19. Коротков, JI.H. Использование устройств телекоммуникации в качестве цифровых измерителей помех / JI.H. Коротков, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т.8. -№ 1.-С. 93-96.

20. Козьмин, В.А. Рекомендации по проверке амплитудного соотношения для измерителей радиопомех / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2012. - № 1. - С. 54-56.

21. Токарев, А.Б. Рекомендашш по выбору параметров обработки при поиске шумовых участков диапазона частот / А.Б. Токарев // Радиотехника. -2012.-№2.-С. 49-52.

22. Токарев, А.Б. Применение СМОШ-статистик для расчета порога панорамного обнаружения сигналов / А.Б. Токарев // Радиотехника. - 2012. -№2.-С. 53-59.

23. Токарев, А.Б. Требования к быстродействию аппаратуры измерения занятости радиочастотного спектра в каналах с импульсными сигналами / А.Б. Токарев // Радиотехника. - 2012. - № 2. - С. 45-48.

24. Козьмин, В.А. Рекомендации по реализации детектора средних значений в цифровом измерителе радиопомех / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2012. - № 4. - С. 61-65.

25. Кизима, C.B. О целесообразности применения абсолютной погрешности измерений при оценивании занятости радиочастотного спектра / С. В. Кизима, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2012.

- № 5. — С. 55-58.

26. Токарев, А.Б. Особенности оценки занятости радиоканалов с протяженными сигналами при тактируемых и нетактирусмых измерениях / А.Б. Токарев // Радиотехника. - 2012. - № 8. - С. 107-111.

27. Репников, В.Д. Измерение занятости радиочастотного спектра в каналах с существенной вариацией длительности сигналов / В.Д. Репников, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 4. - С. 10-13.

28. Токарев, А.Б. Исследование статистических характеристик минимального значения сглаженного энергетического спектра сигналов / А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8.-№ 11.-С. 106-109.

29. Токарев, А.Б. Приближенная оценка интенсивности шума при панорамном обнаружении сигналов и неопределенности в параметрах аппаратуры радиоконтроля / А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2012.-Т. 8. — № 12.1. - С. 38^42.

30. Козьмин, В.А. Рекомендации по реализации квазипикового и пикового детекторов в цифровых измерительных радиоприемниках / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Измерительная техника. - 2012. - № 9. - С. 61-63.

31. Токарев, А.Б. Сравнительный анализ двух квазиоптимальных оценок интенсивности шума, используемых при панорамном обнаружении радиосигналов / А.Б. Токарев //Радиотехника. -2013. -№ 3. -С. 120-124.

32. Токарев, А.Б. Методика калибрования аппаратуры радиоконтроля для двухэтапного алгоритма панорамного обнаружения сигналов / А.Б. Токарев // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 115-119.

Статьи и материалы конференций:

33. Токарев, А.Б. Статистические характеристики периодограммы случайного процесса при режекции псевдостанционных составляющих / А.Б. Токарев // Методы и устройства обработки сигналов: межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 1993. - С. 36-43.

34. Токарев, А.Б. Использование адаптивных алгоритмов обнаружения радиостанций при разработке системы анализа радиообстановки для многоканального цифрового приемника / А.Б. Токарев // Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники: тезисы I Всерос. науч.-практ. конф. - СПб.: НИИ радиовещательного приема и акустики, 1993. - С. 43-44.

35. Токарев А.Б. Использование пакета PreciseValue для расчета оптимальной ширины окна сглаживания при определении уровня шума в радиодиапазоне, содержащем узкополосные радиостанции / А.Б. Токарев // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1993. - С. 30-34.

36. Токарев, А.Б. Особенности применения теоремы Винера-Хинчина к комплексным случайным и неслучайным процессам / А.Б. Токарев, В.Н.

Кондращенко // Методы и устройства обработки сигналов: межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж, ВГТУ, 1993.-С. 21-25.

37. Макаров, Г.В. Применение программы SAZD для моделирования радиообстановки и статистического анализа характеристик адаптивных алгоритмов обнаружения радиостанций / Г.В. Макаров. А.Б. Токарев // Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем: тезисы Всероссийского совещания-семинара. - Воронеж: ВГТУ, 1993.-С. 7.

38. Карпитский, Ю.Е. Оценка спектральной плотности мощности шума / Ю.Е. Карпитский, А.Б. Токарев // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1994. - С. 139-147.

39. Токарев, А.Б. Дискретное преобразование Фурье с неравномерным по частоте набором спектральных составляющих / А.Б. Токарев // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1994.-С. 130-138.

40. Токарев, А.Б. Оценка вычислительной сложности алгоритмов разрешения радиосигналов / А.Б. Токарев // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1995. - С. 62-70.

41. Токарев, А.Б. Методы повышения быстродействия алгоритмов разрешения сигналов в системах радиомониторинга / А.Б. Токарев // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: тезисы Всероссийского совещания-семинара. - Воронеж: ВГТУ, 1995.-С. 149-150.

42. Токарев, А.Б. Разрешешіе узкополосных сигналов на фоне шума известной интенсивности / А.Б. Токарев. - М., 1995. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.07.95, №2179-В95.

43. Токарев, А.Б. Алгоритмы цифровой обработки сигналов в системах радиомониторинга / А.Б. Токарев // Тезисы XIIIВНК. - М., 1995. - С. 44-45.

44. Токарев, А.Б. Двухэтапная процедура обнаружения радиозакладок /

A. Б. Токарев, В.В. Быковников // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999. - С. 54-59.

45. Быковников, В. В. Идентификация радиозакладок, использующих статическое закрытие в частотной области, по естественному акустическому фону / В.В. Быковников, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: тез. докл. VI Междунар. науч. тех. конф. - Воронеж, 2000. - Т. 3. - С.1620-1624.

46. Ашихмин, A.B. Идентификация радиозакладок по естественному акустическому фону / A.B. Ашихмин, В.В. Быковников, А.Б. Токарев // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2000. - С. 46-49.

47. Козьмин, В.А. Эффективность пеленгования радиосигналов корреляционным интерферометром при неполных исходных данных / В.А. Козьмин,

B.А. Сладких, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация и связь: сб. тр. XIV Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 2008. - Т. 3. - С. 2224-2231.

48.Козьмин, В.А. Оценка защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН автоматизированной системой «АРКАН» / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // ТелеКомТранс-2008: тез. докл. VI Междунар. НПК. - Сочи, 2008. -С. 263-268.

49. Козьмин, В.А. Особенности обработки данных в цифровых измерителях радиопомех / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Труды 9-го Междунар. симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб., 2011. - С. 205-208.

50. Ашихмин, А.В. Повышение эффективности оценки защищенности информации с помощью территориально разнесенной автоматизированной системы специальных исследований / А.В. Ашихмпн, В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Актуальные вопросы информационной безопасности региона в условиях модернизации общества и внедрения инновационных технологий: материалы региональной НПК. - Волгоград, 2011. - С. 182-187.

51. Козьмин, В.А. Обнаружение узкополосных сигналов' в широкополосных системах радиомониторинга / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XVII Междунар. НТК. - Воронеж: ВГУ, 2011. - С. 2522-2530.

52. Козьмин, В.А. Рекомендации по совершенствованию процедуры оцешшания занятости радиочастотного спектра / В.А. Козьмин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XVII Междунар. НТК. - Воронеж: ВГУ, 2011.-С. 546-551.

53.Kozmin, V.A. Modern Radio Monitoring Applications for Radio Frequency Spectrum Occupancy Measurement / V.A. Kozmin, Y.A. Rembovskiy, A.B. Tokarev // Multimedia Technology International Conference (ICMT). - Hangzhou, 2011.-P. 2507-2510.

54. Исследование точностных характеристик определения координат источников радиоизлучения в разностно-дальномерных системах / И.Б. Крыж-ко, В.А. Козьмин, В.А. Сладких, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XVIII Междунар. НТК. - Воронеж: ВГУ, 2012. - С. 2065-2071.

55. Токарев, А.Б. Обеспечение статистической достоверности измерений занятости спектра / А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр.

Формат 60 х 84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 90 экз. Заказ № 134

ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14

взаимозависимость отсчетов Хк{п), этот спектр можно охарактеризовать функцией правдоподобия

м (¿пт-\ Л

х>= П -П^К). (2-31)

' V 9=0 ) -

=1

пев,„

где (•) - нецентральное х2 ~ распределение с параметрами (2.24), Ж 2 (•)

- центральное %2- распределение с параметрами (2.21), пт - стартовый отсчет спектра, соответствующий га -му сигналу, входящему в мвх(?), ¿пт - количество отсчетов, которыми представлен спектр сигнала ит(0> равное

<Ь*т= (2.32)

Требуется по совокупности спектральных отсчетов Зс определить число М входящих в состав ивх^) узкополосных сигналов, а также оценить совокупность

величин пт и йпт, определяющих частотные границы обнаруженных сигналов.

Анализ функции правдоподобия (2.31) показывает следующее:

1. Взаимное влияние оценок параметров пт и с1пт для сигналов различных номеров га из-за факторизации функции правдоподобия оказывается крайне слабым. Оптимизацию "привязки" сигнала ит (?) к оси частот можно (и целесообразно) проводить на основе анализа свойств подмножества спектральных отсчетов вт (и ближайших к ним шумовых отсчетов).

2. Оптимальная (в частности, максимально правдоподобная) оценка интенсивности шума, на фоне которого действуют сигналы ит (?), требует знания

или достаточно точной оценки вектора параметров сигналов ^ на основе априорных сведений об обнаруживаемых сигналах.

3. При наличии в анализируемой полосе частот нескольких свободных от сигналов частотных интервалов А/^ (. можно без знания вектора Хм получить квазиоптимальную оценку свойств шума, не существенно уступающую по свойствам той, которая может быть определена на основе использования вектора параметров сигналов Лм.

2.4.4 Проблема оценки интенсивности шума и расчета порога деления отсчетов на шумовое и сигнальные подмножества. Выбор разрешающей способности по частоте при панорамном обнаружении радиосигналов

На практике редко встречается случай, когда интенсивность шума известна точно. Более реалистична ситуация, когда уровень шума неизвестен или известен лишь приближенно, следовательно, значение порога обнаружения должно уточняться непосредственно в процессе обработки данных. Методы оценки интенсивности шума существенно влияют как на качество, так и на вычислительную сложность алгоритма обнаружения сигналов.

Оптимальные оценки интенсивности шума базируются на использовании всей совокупности отсчетов дискретного спектра и предполагают совместное определение как интенсивности шума, так и параметров всех присутствующих в диапазоне частот сигналов [28]. Как следствие, оптимальные оценки характеризуются высокой вычислительной сложностью, что, как правило, препятствует их активному применению на практике.

Квазиоптимальные оценки интенсивности шума предполагают использование лишь шумовых участков спектра и отличаются друг от друга методом выбора используемого подмножества отчетов, а также рассчитываемой статистикой, в роли которой может выступать либо средняя мощность шума, приходящаяся на каждый отсчет используемого спектра (см. (2.22)), либо какая-либо альтернативная величина. В нескольких последующих подразделах на основе сравнительного анализа разных подходов будет выбрана методика оценки интенсивности шума, рекомендуемая к применению системами РК.

В соответствии с ГОСТ Р 52536-2006 [49] аппаратура радиоконтроля обязана при формировании спектральных данных обеспечивать возможность управления разрешающей способностью по частоте. При повышении спектрального разрешения вероятность пропуска сигналов РпсХ снижается из-за увеличения

числа отсчетов, которыми представлен обнаруживаемый сигнал при сохраняющемся отношении сигнал-шум к2. Вместе с тем, излишнее увеличение ширины

О

при д<^/4; при N„/4 <д<

(4д/Мш-1)2-4.(3Ч/Мш-\)2 при Мш/3<д<^/2; {4д/Иш -1)3 - 4 • (Зд/Ыш -1)3 +

(2.72)

+ 6-(2д/Мш-1)3 приМш/2<д<Ыш,

1

при д>Иш\

Выполнив аналогично анализ для произвольного М, можно показать, что наблюдаемое на рис. 2.10 изменение формы тела-проекции наблюдается каждый раз при превышении пороговым уровнем д величины qJ = Ыш /),

/=М+1,М...1. А именно, при превышении границы д = +1) появляется

непустое множество точек X, удовлетворяющих неравенствам (2.71), проекцией которых является М-мерная пирамида с длиной ребра а - (М + \)-д-; точка д = Л^/М соответствует случаю, когда вершины пирамиды лежат на координатных плоскостях; при дальнейшем увеличении д для определения объема тела-проекции необходимо из объема указанной пирамиды вычесть объемов пирамид с длиной ребра Ь = М ■ д- с целью компенсации нарушения условия <2т> 0. При д = Иш/{М -1) компенсирующие пирамиды вступают в соприкосновение, а затем взаимно проникают друг в друга так что возникает перекомпенсация, для коррекции которой следует учесть С2М+Х объемов пирамид с длиной ребра с = (М -1) • д - Иш и т.д.

Таким образом, закон распределения максимального промежутка между спектрами М сигналов, работающих в диапазоне, можно представить в виде

0 при д < Иш /(М +1);

(2.73)

при ЛАш/(М + 1)<д<Мш, 1 при д>Мш\

где т1:[-]- операция взятия целой части числа.

Наибольшее быстродействие при решении поставленной задачи, по-прежнему, будут обеспечивать пороговые процедуры, основанные на понятии квазиполного разрешения [26]. Отличие этих процедур от рассмотренных ранее заключается в ином правиле расчета порога х 2, разделяющем спектральные

чц

импульсных характеристик измерителей интенсивности радиопомех при проектировании модулей специального математического и программного обеспечения (СМПО) решения задач радио(ехнических измерений и радиоконтроля для типового унифицированного сервера

Внедрение указанных результатов способствовало:

1. Интеграции в составе АСРК ФГУП «РЧЦ ЦФО» разнотипного РКО:

2. Увеличению скорости сканирования рабочего диапазона радиочастот при измерениях занятости радиочастотного спектра в 2-10 раз (в зависимости от свойств радиоканалов);

3. Увеличению производительности и полноты использования радиоконтрольпого оборудования;

4. Повышению полноты контроля параметров радиоэлектронной, электромагнитной и помеховой обстановки в территориальных районах субъектов РФ в ЦФО.

АСРК.

;f ад

VCÎ?^

y -:,:*.■•»'

УТВЕРЖДАЮ чальник ФАУ «ГНИИИ ПТЗИ ЭК России»

В.Щербаков

I/ » апреля 2013 г.

АКТ

о внедрении в ФАУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю» результатов диссертационной работы представителя ЗАО «Иркос» Токарева Антона Борисовича на тему: «Развитие методов и алгоритмов обработки сигналов при радиотехнических измерениях и радиоконтроле в условиях априорной неопределенности»

Комиссия в составе: председателя комиссии

начальника Центра Смолина A.B.,

членов комиссии:

заместителя начальника Центра - начальника

отдела Максимова A.B.;

ведущего научного сотрудника Центра Петигина А.Ф. составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Токарева Антона Борисовича, представленной на соискание ученой степени доктора технических наук, в части результатов разработки метода совместного обнаружения и тестирования информативности составляющих побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) средств вычислительной техники (СВТ), изложенных в статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ к публикации результатов докторских диссертаций:

Тупота В.И., Козьмин В.А., Токарев А.Б. Применение многофункционального комплекса АРК-Д1ТИ для оценивания защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН // Специальная техника. 2006. № 1. с. 38-46;

Тупота В.И., Бегишев М.Р., Козьмин В.А., Токарев А.Б. Обнаружение и оценка информативности побочных электромагнитных излучений в многофункциональном комплексе радиомониторинга АРК-Д1ТИ// Специальная техника. 2006. № 2. с. 51-56;

Тупота В.И., Козьмин В.А., Переверзев С.Б., Петигин А.Ф., Токарев А.Б. Автоматизация исследования защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН// Специальная техника. 2007. № 3. с. 36-49,

использованы в научно-исследовательской и прикладной деятельности ФАУ «ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России».

уу/

3. Методы панорамного обнаружения узкополосных сигналов на использование аппаратно-программных средств (радиоконтрольного оборудования) с известными и неточно известными параметрами и характеризуемые невысокой вычислительной сложностью.

4. Методика расчета занятости радиочастотного спектра, позволяющая минимизировать трудоемкость сбора первичных данных на основе учета свойств контролируемых сигналов источников радиоизлучения (или радиоканалов) и особенностей использования аппаратных средств.

Внедрение указанных результатов исследований позволило:

- обосновано формировать требования к параметрам разрабатываемых составных частей и изделий в целом;

- повысить скорость сканирования в заданной полосе частот при оценке сигнально-помеховой обстановки в пределах рабочего диапазона частот;

- уменьшить временные затраты на сбор сведений для оценки занятости радиочастотного спектра от 2 до 10 раз, а так же снизить погрешность оценок занятости в радиоканалах, где занятость превышает 5 %;

- в определенной мере сократить сроки и трудоемкость выполнения этапов НИР, этапов эскизного и технического проектирования, стадии разработки рабочей конструкторской документации (РКД), проведения предварительных и последующих категорий испытанийопытных образцов изделий при выполнении опытно-конструкторских работ.

Председатель комиссии

Члены комиссии

Г.В. Литвинов

Н.А. Костров

С.А. Сбоев

№

о внедрении результат ов дисссртацкиЛЪкарева Антона Борисовича «Развитие методов:и алгоритмов обработки сигналов при радиотехнических измерениях и радиоконтроде в условиях априорной неопределенное!и» в учебный процесс Воронежского государственного технического университета

Результаты диссертационной работы, представленной на соискание ученой степени доктора технических на\к, Токарева Антона Борисовича, выполненной в Воронежском государственном техническом университете в рамках научного направления «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обрабо!ки и защиты информации», внедрены в учебный процесс ВГТУ на основании решения кафедры радиотехники от «11» марта 2013 г.. протокол № 9.

1. Вид результатов, внедренных в учебный процесс:

- математическая модель наблюдаемых данных, поставляемых системам радиокопгроля (РК) радиоконтрольным оборудованием-(РКО).

- квазиоптималъные алгоритмы оцеики интенсивности шума, наблюдаемою в широкой полосе частот совместно с неизвестным количеством узкополосных колебаний:

- >сгойчивые к и вменениям ралиообегановки и параметров РКП квазиоптимальные алгоритмы.панорамного обнаружения сигналов, наблюдаемых в широкой полосе часю) на фоне шума неизвестной интенсивности;

- методики оценки достаточности быстродействия РКО для обнаружения и пелеш овапия сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ПГ1РЧ);

- методика обеспечения достоверного измерения 'занятости''радиочастотного спектра:

- метод совместного обнаружения и тестирования'"информативности составляющих побоЧных электромагнитных излучении (ПЭМИ).

2. Область применения:

- дипломное проектирование но специальности 210302 «Радиотехника»:

- лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Системы широкополосного мониторинга» основной образовательной программы подготовки магистров техники и технологии по направлению 210300 «Радиотехника»;

- лекционный курс но дисциплине «Теория вероятностей и случайные процессы в радиотехнике» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 210400 «Радиотехника»; профиль подготовки: 210400.62 «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов».

3. Форма внедрения:

- курс лекций;

- Токарев А.Б. Вероятностные методы в радиотехнике Учеб. пособие А.Б. Токарев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный I ех ни чески й университет». 2008 4.2. 157 с.

4. Публикации но материалам:

- С131ьи. опубликованные в журналах, рекомендованных В А. К РФ к публикации результатов докторских диссертаций (Вестник МГТУ, 2004, N° 3(56); Специальная техника, 2004, №5, 2006, № 1, 2006, № 2, 2007, №3; Телекоммуникации, 2006, № 2; Измерительная техника, 2009, № 12, 20Ю. № 1, 2010, № 2, 2012, №5; Радиотехника, 2012, №2, 2012 №8);

- доклады на международных научно-технических конференциях (Международные НТК «Радиолокация, навигация, связь» 2008, 2011 и 2012 г., Воронеж) и конференциях профессорско-преподавательскою состава ВГ'ГУ.

5. Эффект от внедрения:

- повышение качества образования, заключающееся в новых знаниях, умениях и навыках, приобретаемых магистрантами и студентами, развитие их ком петиций в области методов и алгоришов обработки сигналов в системах ради окон гроля, методов оценки занятости радиочастотою спекфа и защиты информации ог у 1ечки по каналу ПЭМИ.

Заведующий кафедрой «Радиотехника»

.^¿¿Щее^ Б. В Maiвеев "20" 03 2013 г.

Диссер i ан i

20" 03 2013 г.