Что такое ппрч связь

Что такое ппрч связь

Системы связи, использующие для передачи информации несколько частот, выбираемых по определенному закону, называют системами связи с псевдослучайным переключением рабочих частот (ППРЧ). Структурная схема системы связи с ППРЧ представлена на рис. 7.28.

Поясним принцип работы схемы. На один вход умножителя подается сигнал на промежуточной частоте с выхода модулятора, на второй вход – частота с выхода генератора рабочих частот (Грч). Генератор рабочих частот вырабатывает ряд частот, которые по определенному закону подаются на вход умножителя. Частота сигнала в радиолинии будет изменяться в соответствии с этим законом.

На приемной стороне осуществляется обратная операция за счет синхронной работы генераторов рабочих частот приемника и передатчика.

В системах связи с ППРЧ передавать информацию можно с помощью модуляции любого вида, хотя реализация ФМ затруднена из-за сложности обеспечения фазовой синхронизации радиосигнала на различных частотах.

Различают системы связи с быстрым и медленным ППРЧ [18]. Если время работы радиолинии на одной частоте () соизмеримо или менее длительности информационного символа (рис. 7.29,а), то ППРЧ называют быстрым (рис. 7.29,б). Если , то такое ППРЧ называют медленным (рис. 7.29,в).

По порядку использования рабочих частот различают системы связи с последовательным ППРЧ, если в каждый момент времени передача ведется на одной частоте (рис. 7.29,б) и с параллельным ППРЧ, если передача ведется одновременно на нескольких частотах (рис. 7.29,в).

Для сигналов с ППРЧ вводится понятие базы, характеризующей расширение спектра , где – ширина используемого для передачи диапазона частот; – ширина спектра передаваемого сигнала.

В системах связи могут применяться составные сигналы, использующие и ФМ ПСП и ППРЧ. В этом случае база сигнала будет определяться выражением , где – база ФМ ПСП; – база сигнала ППРЧ.

© 2021 Научная библиотека

Копирование информации со страницы разрешается только с указанием ссылки на данный сайт

Источник

Привет студент

Обнаружение радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты

Министерство образования Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема дипломной работы Обнаружение радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты

Пояснительная записка

Разработала Г. В. Наливайко

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Зав. кафедрой, к.т.н., проф. Г. В. Макаров

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Руководитель, к.т.н., доц. А. Б. Токарев

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Консультанты: В. И. Попов

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Нормоконтроль провел А. Б. Токарев

Подпись, дата Инициалы, фамилия

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Студентка группы РТ-011у Наливайко Галина Васильевна

ЗАДАНИЕ
на выпускную квалификационную работу

с “ “ 2005 г. по “ “ 2005 г.

Название элементов
проектной работы

Подпись рук., консульт.

Разработка вероятностной модели

Анализ времени наблюдения ППРЧ-сигнала системой радиомониторинга

Расчет вероятности регистрации этих сигналов системой радиомониторинга

Оптимизация параметров системы радиомониторинга

Работа над экономической частью дипломной работы

Исследование вопросов безопасности жизнедеятельности

Оформление пояснительной записки

Руководитель дипломной работы

Токарев Антон Борисович

(Подпись) ( Фамилия, имя, отчество )

Консультанты: В. И. Попов

(Подпись) ( Фамилия, имя, отчество )

(Подпись) ( Фамилия, имя, отчество )

(Подпись) ( Фамилия, имя, отчество )

(Подпись) ( Фамилия, имя, отчество )

Заведующий кафедрой Г. В. Макаров

(Подпись) ( Инициалы, фамилия )

Декан факультета А. В. Муратов

(Подпись) ( Инициалы, фамилия )

Пояснительная записка 102 с., 21 рисунок, 18 таблиц, 7 источников, 3 приложения.

Ключевые слова: РАДИОМОНИТОРИНГ, ППРЧ-СИГНАЛЫ, РАСЧЕТ ВЕРОЯТНОСТИ ОБНА­РУЖЕНИЯ, ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

Объект исследования или разработки – широкополосная система радиомониторинга.

Цель работы – повышение вероятности обнаружения факта использования ППРЧ-сигналов для передачи информации в области контроля широкополосной системы радиомониторинга.

Метод исследования – статистические методы анализа радиотехнических систем; статистическое моделирование.

Полученные результаты и их новизна – разработанный метод расчета и программы моделирования позволяют оценивать показатели, характеризующие способность системы радиомониторинга обнаруживать ППРЧ-сигналы. Как следствие, появляется возможность оптимизации параметров системы радиомониторинга.

Степень внедрения – результаты работы рекомендованы для использования в аппаратуре ОАО “Иркос”.

Содержание

1 Свойства ППРЧ-сигналов и систем широкополосного радиомони­торинга 9

1.1 Общая характеристика систем радиомониторинга. 9

1.2 Статистические свойства спектральных характеристик случай­ных процессов 10

1.3 Одноканальные методы обнаружения узкополосных радиосигна­лов 15

2 Исследование возможности регистрации используемых системой ППРЧ частотных позиций. 19

2.1 Физические условия, при которых производится попытка регистрации активной частотной позиции сигнала ППРЧ. 19

2.2 Анализ продолжительности наблюдения частотных позиций сигналов ППРЧ при широкополосном радиомониторинге. 20

2.3 Расчет полной вероятности регистрации отдельной произвольно выбираемой частотной позиции сообщения. 22

2.4 Вероятностный анализ числа многократно регистрируемых частотных позиций. 24

3 Оптимизация параметров системы радиомониторинга для вскрытия факта использования ППРЧ сигналов в контролируемой области частот. 27

4 Организационно-экономическая часть. 37

4.1 Прогнозная оценка НИР. 37

4.2 Организация и планирование НИР. 38

4.3 Определение целесообразности проведения НИР и общенаучного эффекта 51

5 Безопасность и экологичность работы оператора ЭВМ.. 53

5.1 Безопасность работы оператора ЭВМ.. 53

5.2 Экологичность. 67

Список литературы.. 73

Приложение А. Оценка характеристик одноканального алгоритма обнаружения узкополосных сигналов. 74

Приложение Б. Исследование частоты наблюдения позиций ППРЧ сигналов на панорамном спектроанализаторе. 84

Приложение В. Исследование вероятности многократной регистрации позиций ППРЧ. 91

Введение

Для обеспечения надежной связи в условиях воздействия организованных и непреднамеренных помех, а также многостанционного доступа при работе в пакетных радиосетях современные системы передачи информации часто используют сигналы с расширением спектра. Под расширением спектра понимается способ передачи информации, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации; расширение полосы частот сигнала обеспечивается специальным кодом, который не зависит от передаваемой информации; для последующего сжатия полосы частот сигнала и восстановления данных на приемной стороне также используется специальный код, аналогичный коду в передатчике и синхронизированный с ним.

Методы расширения спектра могут базироваться на модуляции любого из параметров сигнала: амплитуды, фазы, частоты, временного положения (задержки) сигнала. Основными, широко применяемыми методами расширения спектра являются в настоящее время:

1) метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП);

2) метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ);

3) метод псевдо-временной импульсной модуляции (ПВИМ);

4) метод совместного (комбинированного) использования различных методов расширения спектра.

Важнейшими особенностями, отличающими системы радиосвязи, в которых применяются сигналы с расширением спектра, являются:

1) повышенная помехоустойчивость;

2) энергетическая скрытность;

3) возможность обеспечения кодового разделения сигналов при многостанционном доступе;

4) способность противостоять преднамеренным помехам;

5) повышенная пропускная способность;

6) возможность высокоточного измерения времени прихода сигналов.

Перечисленные особенности, являющиеся безусловным плюсом для самих систем передачи информации, одновременно являются факторами, существенно осложняющими работу систем радиомониторинга. Не только вскрытие алгоритма перестройки параметров сигналов, но даже задача выявления факта применения подобных сигналов оказывается очень сложной. Проявляется это в том, что типовые системы радиомониторинга, как правило, регистрируют работу систем передачи информации, использующих сигналы с расширенным спектром, как некоторые помехи. Для выделения же из громадного множества естественных и искусственных помех тех сложноструктурированных сигналов, которые используются для передачи информации, требуется весьма быстродействующая аппаратура и специальные алгоритмы обработки данных.

Целью данных исследований является оценка возможности использования уже имеющихся систем радиомониторинга для выявления факта использования для передачи информации в некотором диапазоне частот сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). При использовании подобных сигналов скрытность достигается за счет попеременного использования для передачи информации большого набора частотных позиций. В результате, средняя (на большом интервале времени) мощность, приходящаяся на каждую подобную позицию, оказывается сопоставимой с естественным аддитивным шумом, что является существенным препятствием для обнаружения подобных сигналов. Вместе с тем, мгновенная мощность, сопровождающая передачу информации на данной частоте, является достаточно большой, чтобы быть зафиксированной системой радиомониторинга, что открывает возможность фиксации факта применения для передачи информации ППРЧ-сигналов. Задачей дипломного проектирования является оценка вероятности того, что при наличии достаточно большого времени наблюдения используемые в некотором диапазоне частот ППРЧ-сигналы будут зарегистрированы и верно классифицированы.

1 Свойства ППРЧ-сигналов и систем широкополосного
радиомониторинга

Данный раздел содержит общую характеристику систем радиомониторинга, свойств ППРЧ-сигналов, а также базовые математические соотношения, определяющие возможность фиксации системой радиомониторинга радиочастотного всплеска, вызванного активизацией отдельной частотной позиции.

1.1 Общая характеристика систем радиомониторинга

Под радиомониторингом обычно понимают [ 1 ] комплексное исследование радиообстановки, включающее:

1) определение числа сигналов в анализируемой полосе частот;

2) оценку параметров обнаруженных сигналов;

3) накопление, хранение и статистическую обработку этой информации.

Наиболее важные задачи радиомониторинга относятся к области широкополосной обработки. Именно такой подход позволяет одновременно оценивать количество и параметры всех действующих в данный момент сигналов, исследовать корреляцию между моментами их появления в эфире и на этой основе определять их принадлежность и выявлять взаимодействующие источники радиоизлучения (ИРИ).

В большинстве используемых для передачи информации радиодиапазонов уже в настоящее время радиообстановка является весьма сложной и с каждым годом загруженность оси частот радиоизлучениями лишь возрастает. По этой причине даже в небольшой (порядка 2. 10 МГц) полосе частот могут сосуществовать десятки и сотни узкополосных радиосигналов. В связи с этим, для разделения данных, относящихся к различным ИРИ, системы радиомониторинга очень часто оперируют с данными спектрального анализа обстановки в контролируемой полосе частот. Следовательно, начать анализ свойств ППРЧ-сигналов и систем радиомониторинга следует с исследования их спектральных характеристик.

1.2 Статистические свойства спектральных характеристик
случайных процессов

1.2.1 Особенности формирования спектральных характеристик

Если анализируемый процесс u_вх(t) представлен совокупностью N отсчетов u_вх(kT), взятых с интервалом дискретизации T, то основной его спектральной характеристикой будет результат дискретного преобразования Фурье (ДПФ)

Получаемые в соответствии с (1.1) величины являются коэффициентами комплексного ряда Фурье, характеризующими спектральные составляющие процесса u_вх(t) на частотах f = n/NT (0≤n 2

и сигнальные отсчеты

1.2.4 Статистические характеристики энергетического спектра процесса

Если объектом спектрального анализа выступает распределение амплитуд спектральных составляющих, а фазовый спектр сигнала не представляет интереса, то вместо комплексного спектра (1.1) при обработке выгоднее использовать усредненный энергетический спектр

— комплексный спектр отдельной r-й выборки (1 ≤ r ≤ R), R – число усредняемых спектров, определяемое числом независимых выборок анализируемого случайного процесса u_вх(t).

Особенностью усредненного спектра (1.10) является возможность эффективно накапливать информацию из многих выборок, что позволяет существенно снизить дисперсию получаемых значений по сравнению со случаем R = 1.

Применительно к воздействию, состоящему из шума и набора узкополосных сигналов, возможный вид энергетического спектра показан на рисунке 1.

Для определения статистических свойств усредненного энергетического спектра учтем, что согласно [ 3, c. 363 ] сумма вида

где – независимые стандартные нормальные случайные величины, подчиняется нецентральному ( a, λ, J, δ ) – распределению с J степенями свободы и параметром нецентральности

Учитывая (см. (1.8), (1.9)), что реальные и мнимые части отсчетов спектра имеют одно и то же эффективное значение σ_ζ сумму (1.10) можно представить в виде

С учетом определяемой (1.8) и (1.9) разницы в математических ожиданиях при разных n, приходим к следующему заключению:

где S_n – амплитуда сигнальной составляющей спектра на частоте f_n = n / NT.

1.3 Одноканальные методы обнаружения узкополосных радиосигналов

1.3.1 Базовый алгоритм обнаружения узкополосных сигналов

С учетом проведенного выше анализа статистических свойств спектральных характеристик можно утверждать, что если в некотором частотном поддиапазоне действует лишь шум (гипотеза H₀), то совместная плотность вероятности соответствующих спектральных отсчетов имеет вид

Если же в поддиапазоне частот имеется некоторый узкополосный сигнал, то плотность вероятности принимает вид

Тогда логарифм отношения правдоподобия гипотез H₁ и H₀ [ 4 ] приобретает вид

Итак, оптимальное правило регистрации радиосигнала в некотором частотном поддиапазоне заключается в том, что для совокупности полученных отсчетов x_n обобщенного спектра (1.10) рассчитывается статистика (1.16) и сопоставляется с некоторым порогом. При превышении порога принимается решение о наличии сигнала, а при малом значении величины L(x) – считается, что в этом диапазоне наблюдается лишь шум.

1.3.2 Проблемы практической реализации обнаружения сигналов

Практическое применение полученного выше правила (1.16) осложняется тем, что для расчета статистики ln L(x) необходимо знать интенсивность шума, на фоне которого происходит обнаружение, ширину спектра обнаруживаемого сигнала, а также распределение интенсивности сигнала по его спектру. С другой стороны, если бы подобные сведения были практически доступны, то надобность в радиомониторинге фактически бы исчезла, а без перечисленных данных на основе максимизации статистики (1.16) можно построить оптимальный алгоритм обнаружения-оценивания параметров сигнала. Но подобный алгоритм неизбежно будет обладать очень низким быстродействием из-за необходимости сопоставлять огромное число потенциально допустимых гипотез (математически это выражается в виде поиска глобального максимума сложной функции большого числа аргументов).

Вместе с тем, применительно к наиболее узкополосным сигналам, спектр которых включает лишь один спектральный отсчет, использование статистики (1.16) сводится к сравнению с некоторым порогом этого одного отсчета, а обнаружение более широкополосного сигнала можно выполнять путем предварительного выделения подмножества сигнальных отсчетов и их последующего объединения (группирования), как это показано в [ 1 ]. Там же можно найти и способ оценивания интенсивности шума, на фоне которого выполняется поиск сигналов.

Для оценки вероятностей правильного обнаружения сигналов подобным способом воспользуемся статистическим моделированием. Используя программу, приведенную в приложении А, можно получить кривые обнаружения для сигналов, спектры которых имеют ширину в 1…20 отсчетов дискретного спектра. Некоторые из таких графиков представлены на рисунках 2 и 3. Из представленных данных видно, что даже при не слишком большом отношении сигнал/шум h 2 _min ≥ 10 ∙ log₁₀( 14 ) ≈ 11,5 дБ (без усреднения спектра) или
h 2’ _min ≥ 10 ∙ log₁₀( 4,5 ) ≈ 6,5 дБ (с усреднением спектра) вероятность пропуска полезного сигнала становится малой. Как следствие, при обнаружении ППРЧ-сигналов, суть проблемы заключается не в регистрации отдельных всплесков интенсивности, порождаемых использованием конкретной частотной позиции, а в выявлении расположения этих позиций на оси частот и в объединении зарегистрированных всплесков в единый ППРЧ-сигнал.

2 Исследование возможности регистрации
используемых системой ППРЧ частотных позиций

2.1 Физические условия, при которых производится попытка
регистрации активной частотной позиции сигнала ППРЧ

Пусть в области частот шириной ∆F = 100…1000 МГц время от времени помимо регулярных радиосигналов с длительностями, превышающими
1 секунду, может наблюдаться передача информации с использованием сигналов ППРЧ. Особенность этих сигналов в том, что для передачи сообщения используется не одна несущая, а M = 32…256 разнесенных по отношению друг к другу частот, хаотично располагающихся в некотором частотном диапазоне шириной ∆F_ППРЧ = 50…150 МГц. При общей длительности сообщения T_с =
= 1…10 секунд каждая частота используется кратковременно τ_{изл 1} = 0,5…10 мс (плюс пауза на смену частотной позиции до 10 % τ_{изл 1}); при этом ширина занимаемого одномоментно канала связи (частотной позиции) составляет ориентировочно десятки килогерц, т.к. излучается не косинусоида, но сложное по структуре колебание, соответствующее передаваемой информации. При длительной работе в эфире системы ППРЧ с неизменным набором частотных позиций спектральные всплески на частотах этих позиций станут повторяющимися, что позволит классифицировать их именно как принадлежащие ППРЧ сигналам, однако из-за ограниченной длины сообщения обнаружить указанные повторения весьма проблематично.

Для вскрытия факта передачи сообщения с использованием ППРЧ производится циклический панорамный анализ спектра в контролируемой полосе частот ∆F, однако из-за ограниченных возможностей аппаратуры полоса одновременного анализа П_f составляет лишь малую часть контролируемой области частот (для аппаратуры ОАО “Иркос”, например, это величина порядка П_f ≈ 4,8 МГц, причем временные отсчеты берутся с частотой дискретизации F_д = 12,8 МГц, а интервал между отсчетами спектра составляет f₁ = 6,25 кГц). Для повышения достоверности результатов спектрального анализа может выполняться накопление R идущих подряд спектральных оценок, после чего производится перестроение приемника на новую полосу анализа. Учитывая время накопления временной выборки, преобразование отсчетов в спектральную область и паузу на перестроение приемника можно полагать, что на обработку каждой из полос анализа П_f уходит

где τ_{перестр} ≈ 4 мс – время перестроения приемника системы радиомониторинга на новую частоту, τ_выб

0,32 мс – время взятия (и обработки) отдельной выборки.

В описанных условиях попытаемся оценить, сколь вероятной окажется регистрация спектрального всплеска, порождаемого использованием частотной позиции, при панорамном спектральном анализе.

2.2 Анализ продолжительности наблюдения частотных позиций
сигналов ППРЧ при широкополосном радиомониторинге

Выберем из общего числа используемых системой ППРЧ частотных позиций M какую-то произвольную m-ю по порядку и рассмотрим один произвольный по порядку случай активности этой частотной позиции. Если он совпал по времени с моментом взятия выборки в соответствующей полосе частот, то максимально возможная продолжительность фрагмента радиосигнала, “захваченного” системой радиомониторинга, составит

а при рассогласовании моментов начала анализа и перестроения системы ППРЧ это время будет меньше.

Продолжительность наблюдаемой выборки радиосигнала на m-й частотной позиции при очередном ее выходе в эфир – это случайная величина. Обозначим ее ξ. Для выяснения ее закона распределения учтем, что как момент выхода в эфир радиосигнала, так и момент перехода к анализу нужной полосы частот – случайны. Для удобства расчетов привяжем ось времени к моменту контроля именно той (l-й) полосы частот, которая содержит m-ю частотную позицию, а выход в эфир сигнала будем полагать равновероятным в пределах цикла анализа системы радиомониторинга, составляющего по продолжительности

где L – число полос в области обзора; τ_{обр 1} – время обработки отдельной полосы анализа, определяемое (2.1).

Подобный подход проиллюстрирован на рисунке 4. При попадании момента активизации m-й частотной позиции в интервал от минус τ_{изл 1} до R∙τ_выб период использования этой частотной позиции хотя бы частично совпадает с временем анализа l-й полосы спектра и, следовательно, потенциально возможна регистрация данного факта. Если же активизация позиции придется на прочую часть цикла, то из-за неперекрытия интервалов излучения и контроля наблюдение частоты принципиально невозможно. Полное перекрытие области контроля и интервала выхода частоты в эфир возможно наблюдать на протяжении τ_max миллисекунд, а все прочие (промежуточные) значения оказываются между собой равновероятными. Обобщая изложенное, в соответствии с геометрическим методом расчета вероятностей для плотности вероятности СВ ξ получаем в итоге выражение

Рисунок 4 – К расчету распределения времени наблюдения активной позиции

Округляя время наблюдения ξ до целого числа выборок η, для случайной величины η на основании (2.4) можно получить следующие вероятности:

– максимальное возможное число выборок в интервале перекрытия, [∙] – знак взятия целой части числа.

Для проверки корректности проделанных рассуждений была создана моделирующая программа, приведенная в приложении Б. Ее результаты подтверждают правильность соотношений (2.4) – (2.7).

2.3 Расчет полной вероятности регистрации отдельной произвольно выбираемой частотной позиции сообщения

Для регистрации факта использования частотной позиции недостаточно лишь перекрытия временных интервалов излучения и контроля. Необходимо также, чтобы порожденный этим излучением спектральный всплеск оказался выше порога обнаружения. Естественно, протяженность ξ временного интервала, а значит и число выборок η, на протяжении которых наблюдается данная частотная позиция, влияют на возможность ее регистрации.

Первоначально рассмотрим вариант, при котором перестроение приемника системы радиомониторинга с одной полосы анализа на другую производится после снятия и обработки R выборок, однако каждая из этих выборок обрабатывается независимо от остальных, а решение о наличии на каких-то частотах сигналов принимается, если порог обнаружения превышается хотя бы в одной из этих R выборок. Согласно анализу, проведенному в п. 2.2, число выборок η, на протяжении которого при очередном выходе в эфир системой радиомониторинга будет наблюдаться некоторая m-я частотная позиция, является целочисленной случайной величиной. Случай η = 0 соответствует, например, несовпадению по частоте позиции излучения и области контроля и, как следствие, условная вероятность регистрации частотной позиции для этого случая равна нулю. Случай η = 1 означает наблюдение частотной позиции в течение одной выборки и, соответственно, условная вероятность ее регистрации для различных соотношений сигнал/шум определяется кривыми, аналогичными помеченным “R = 1” на рисунке 2. Наконец, учитывая отсутствие усреднения спектра и независимую обработку каждой из выборок, случаю η = r > 1 соответствует условная вероятность

где p₀ – определяемая по аналогии с рисунком 2 (линии “R = 1”) вероятность регистрации спектрального всплеска по отдельной выборке.

Объединяя перечисленные случаи на основе формулы полной вероятности, для безусловной вероятности регистрации m-й частотной позиции при ее очередном выходе в эфир получаем выражение

где вероятность P < η = r >в зависимости от значения величины τ_{изл 1} рассчитывается либо по формуле (2.5), либо согласно (2.6).

Рассмотрим теперь альтернативный случай, когда в системе радиомониторинга используются усредненные спектры, рассчитываемые по всем R выборкам, накапливаемым между перестроениями приемника. Из-за рассинхронизации моментов излучения и контроля, излучаемая сигналом ППРЧ
m-я частотная позиция вместо интервала R∙τ_выб наблюдается лишь в течение случайного времени ξ. В связи с этим, порождаемый активностью данной позиции спектральный всплеск будет иметь меньшую интенсивность. Конкретному значению ξ времени наблюдения, будет соответствовать эффективная интенсивность, уменьшенная в ξ / (R∙τ_выб) раз, и, как следствие, меньшая вероятность регистрации частотной позиции. В связи со сказанным, параметры нецентрального –распределе­ния каждого из отсчетов спектра ППРЧ-сигнала составляют

а вероятность регистрации соответствующего спектрального всплеска (вероятность превышения порога хотя бы одним из dn_m отсчетов) составляет

где параметры распределения пересчитываются из амплитуд составляющих S_n в соответствии с (2.10).

Некоторые из вероятностей (2.11) могут быть получены непосредственно по рисункам 2, 3, а другие рассчитаны по аналогии с ними.

2.4 Вероятностный анализ числа многократно регистрируемых
частотных позиций

Основой решения о наличии в контролируемой области частот ППРЧ сигналов является многократная регистрация на большой совокупности частот кратковременных спектральных всплесков с похожей шириной спектра. При передаче в разное время сигналами ППРЧ различных сообщений число позиций M_рег, которые реально удастся зарегистрировать, конечно, будет случайным образом изменяться. Попытаемся оценить вероятностные свойства этой случайной величины.

Если длительность передаваемого сообщения составляет T_c миллисекунд, то общее число частотных позиций, которые будут хаотично сменяя друг друга появляться и исчезать в эфире, составит

Рассмотрим очередной a-й отрезок сообщения длительностью в одну частотную позицию. Вероятность того, что на этом отрезке будет использована и (более того) зарегистрирована конкретная m-я частотная позиция равна

где P_{рег 1} – безусловная вероятность регистрации частотных позиций при их очередном выходе в эфир, рассчитываемая в соответствии с (2.9) или (2.11).

Учитывая малую величину вероятности p₁ и большое общее число частотных позиций, составляющих передаваемое сообщение, можно прийти к выводу, что случаи регистрации конкретной m-й частотной позиции будут представлять собой пуассоновский поток событий. В соответствии с этим, для общего числа ς случаев регистрации конкретной m-й частотной позиции за время передачи всего сообщения будут справедливыми следующие вероятности [ 6 ]

– вероятность того, что m-я позиция не будет зарегистрирована ни разу;

– m-я позиция будет зарегистрирована только 1 раз.

В результате, вероятность того, что конкретная m-я позиция будет зарегистрирована по меньшей мере дважды может быть рассчитана по формуле

Для проверки правильности данного результата было создано тестовое приложение, моделирующее процесс регистрации частотных позиций ППРЧ сигнала, приведенное в приложении В. Полученные с помощью этого приложения гистограммы весьма точно сходятся с результатами расчетов по формулам (2.16), (2.17), что служит доказательством корректности произведенного анализа. Наиболее важные из полученных результатов будут рассмотрены и проанализированы ниже (в главе 3) при исследовании возможностей оптимизации параметров системы радиомониторинга для поиска в контролируемой области частот ППРЧ-сигналов.

3 Оптимизация параметров системы радиомониторинга для вскрытия факта использования ППРЧ сигналов в контролируемой области частот

Как показывают результаты статистического моделирования, осуществляемого на основе программы из приложения В, успешность поиска ППРЧ-сигналов в контролируемой области частот существенно зависит от продолжительности сообщений, размера области поиска, числа используемых для передачи информации частотных позиций, интенсивности ППРЧ-сигнала (хотя и не столь значительно, как ожидалось) и еще ряда параметров. Большинство из перечисленных параметров не могут быть изменены разработчиком (или оператором), т.к. определяются внешними обстоятельствами. Однако есть и параметры, выбираемые на этапе проектирования и/или использования системы. В частности, характеристики работы системы радиомониторинга существенно улучшаются при использовании приемника с меньшим временем перестроения на новую частоту, т.к. время, затрачиваемое на завершение переходных процессов, оказывается сопоставимым или даже превышающим время накопления (обработки) данных. Выигрыша по данному параметру можно добиться и, например, используя два (и более) независимых тракта приема, управляемых единым блоком управления, и поочередно подключаемых в качестве источников исходных данных. Понятно, однако, что подобный экстенсивный подход связан с существенно большей стоимостью используемой аппаратуры.

Вместе с тем, есть и еще один важный параметр, существенно влияющий на результаты статистического моделирования, изменение которого не требует никаких материальных затрат. Это число выборок R, обрабатываемых системой радиомониторинга до перестроения на новую частоту. Рассмотрим поподробнее результаты статистического моделирования, представленные на рисунках 5-9 и характеризующие попытку регистрации слабого
( h 2 = 3 ), но продолжительного ( T_s = 40 сек ) ППРЧ-сигнала.

Рисунок 5 – Результаты анализа числа зарегистрированных частотных позиций ППРЧ сигналов при первом наборе параметров моделирования и R = 3

Рисунок 6 – Результаты анализа числа зарегистрированных частотных позиций ППРЧ сигналов при первом наборе параметров моделирования и R = 6

Рисунок 7 – Результаты анализа числа зарегистрированных частотных позиций ППРЧ сигналов при первом наборе параметров моделирования и R = 10

Рисунок 8 – Результаты анализа числа зарегистрированных частотных позиций ППРЧ сигналов при первом наборе параметров моделирования и R = 16

Как видно, за счет регулировки числа усредняемых спектральных выборок можно добиться того, что более половины (а именно, 17…18 из M = 32) частотных позиций ППРЧ-сигнала окажутся, как правило, по меньшей мере дважды зарегистрировано системой радиомониторинга. Для понимания зависимости наиболее вероятного числа многократно зафиксированных позиций M_рег от R полезно учесть следующие эффекты:

1) при малом числе усредняемых выборок R значительная доля всего времени наблюдения тратится на перестроение с частоты на частоту, т.к. интервал перестроения приемника τ_{перестр} многократно превышает время наблюдения и обработки спектральной выборки τ_выб;

2) при увеличении числа усредняемых выборок до R ≈ τ_{изл 1} / τ_выб доля времени, непроизводительно затрачиваемого на перестроение приемника, уменьшается, а вероятность корректной регистрации спектрального всплеска возрастает, что позволяет получить близкое к максимуму значение M_рег;

3) дальнейшее увеличение параметра R сопровождается с одной стороны все лучшим соотношением времени обработки данных ко времени перестроения приемника по частоте, но, с другой стороны, энергия кратковременно наблюдаемого фрагмента ППРЧ-сигнала теперь “растягивается на всю длину совокупности усредняемых спектров”, что влечет уменьшение эффективного соотношения сигнал/шум. В результате, формируется протяженный участок значений R, в пределах которого M_рег почти не меняется.

4) наконец, при избыточно большом R влияние снижения эффективного соотношения сигнал/шум, определяемое (2.10), “перевешивает” увеличение времени взятия выборок и эффективность работы системы начинает существенно падать.

Итак, при использовании усредненного спектра (1.10) в качестве основы выявления частотных позиций, используемых ППРЧ-сигналами, наблюдается достаточно большой диапазон рекомендуемых значений параметра R, обеспечивающих близкое к максимально возможному число многократно регистрируемых частотных позиций M_рег.

Для завершения рассмотрения данного случая полезно сопоставить полученные данные с результатами, получаемые при индивидуальной обработке каждой из R выборок, т.е. при отказа от усреднения спектров. Соответствующие результаты моделирования показаны на рисунке 10. Полученные данные свидетельствуют о наличии проигрыша по M_рег (наиболее вероятное значение уменьшилось до 7,3 вместо 11, 1). Подобный проигрыш вызывается малой вероятностью обнаружения слабых сигналов ( h 2 = 3 ) при использовании неусредненного спектра.

С целью проверить работу системы радиомониторинга в других условиях повторим совокупность проведенных экспериментов, сократив длительность сигнала ППРЧ и увеличив соотношение сигнал/шум. Соответствующие данные иллюстрируются рисунками 11-17.

Из приведенных данных видно, что наличие большого диапазона допустимых значений параметра R сохраняется и в этом случае, однако наиболее вероятное число регистрируемых частотных позиций M_рег оказывается (из-за уменьшения продолжительности ППРЧ-сигнала) значительно меньшим.

Сведения, приведенные на рисунках 16-17, в отличие от данных с рисунка 10, показывают, что при втором наборе параметров отказ от усреднения спектра влечет увеличение M_рег, т.е. повышение эффективности работы системы радиомониторинга. Причиной подобного отклонения является то, что независимый анализ выборок ликвидирует характерный для усредненного спектра негативный эффект “уменьшения эффективного значения сигнал/шум”. С другой стороны при большом отношении сигнал/шум вероятность успешной регистрации спектрального всплеска даже по одной выборке оказывается относительно большой, что и позволяет успешно обходиться без усреднения.

Итак, проведенные в главах 2…3 исследования и приведенная в приложении В моделирующая программа позволяет количественно анализировать способность системы радиомониторинга выявлять частотные позиции, используемые ППРЧ сигналами. На этой основе можно не только оценивать способность системы радиомониторинга выявлять факты использования ППРЧ-сигналов в контролируемой области частот, но и оптимизировать параметры этой системы для наиболее эффективного решения подобной задачи.

4 Организационно-экономическая часть

4.1 Прогнозная оценка НИР

Проблема оценки эффективности НИР возникает при планировании научной работы и при подведении итогов проведенного исследования. Необходимость предварительного определения научного, технического и экономического уровня исследований обуславливается ограниченностью ресурсов сферы науки, неопределенностью результатов и, в то же время, требованием получения наибольшей отдачи. Сложно заранее количественно оценить уровень научно-технической разработки, а, следовательно, и перспективность самой НИР. В силу этих обстоятельств, для предварительной оценки уровня НИР использован экспертный метод.

В таблице 1 приведены выявленные группой экспертов критерии и оценки научной перспективности исследования.

Оценка критерия, балл

Имеющийся опыт работы в этой области

Частично работали в данном направлении

Вероятность решения поставленной задачи

Возможность и широта внедрения результатов НИР

Результаты могут быть широко внедрены в будущем, но потребуется реклама и информационная работа

Сумма набранных оценок (баллов), как видно из таблицы 1, положительна, следовательно, можно сделать вывод о том, что проводимая НИР является эффективной.

5.2 Организация и планирование НИР

Планирование НИР проводится с целью определения средств и ресурсов, требуемых для ее проведения, расчета трудоемкости и цены темы, а также сроков выполнения отдельных работ с помощью метода сетевого моделирования.

5.2.1 Расчет трудоемкости НИР

Работы НИР, связанные с теоретическими изысканиями, не поддаются нормированию, поскольку включают в большей мере практически неповторяющиеся работы, отличающиеся высокой степенью новизны. Это предполагает использование при определении трудовых затрат только укрупненных методов.

В данной работе проводятся исследования, имеющие вычислительную направленность, результаты получаются при помощи математического моделирования, поэтому трудоемкость определена исходя из затрат времени на проведение одного этапа НИР – создания программного продукта, что дает вполне удовлетворительную точность оценки.

Условное число операторов (Q_y) в программе рассчитывается по формуле

где Q_п – предполагаемое число операторов;

С – коэффициент сложности программы, характеризует относительную сложность задачи разрабатываемого программного изделия по отношению к так называемой типовой задаче, сложность которой принята равной единице;

р – коэффициент коррекции программы в ходе её разработки, характеризует увеличение объёма работ за счёт внесения изменений в алгоритм либо программу решения задачи по результатам уточнения её постановок и описания, изменения состава и структуры информации, а также уточнений, вносимых разработчиком для улучшения качества самой программы без изменения постановки задачи (на практике при разработке программного продукта в среднем вносится 3-5 коррекций, каждая из которых ведёт к переработке от 5 до 10 % готовой программы).

Далее приведём расчётные формулы определения трудоёмкости разработки программного продукта.

Подготовка описания задачи, исследование алгоритма решения задачи с учётом описания и квалификации программиста

где В – коэффициент увеличения затрат труда вследствие того, что задачи, как правило, требуют уточнения и некоторой доработки, он принимается равным от 1,2 до 1,5;

К – степень подготовленности исполнителя к порученной ему работе, определяется в зависимости от стажа работы и составляет для работающих до двух лет – 0,8, от 2 до трёх лет – 0,1, от 3 до пяти лет – 1,1-1,2, от 5 до семи лет – 1,3-1,4, свыше 7 лет – 1,5-1,6.

Источник