Экспресс-тест наличия в диапазоне частот сигналов с ППРЧ при панорамной обработке данных системой радиомониторинга

Д.В. Горшков,

Воронежский государственн ый технический университет

Ю.Ю. Мещеряков,

Воронежский государственный технический университет

А.Б. Токарев,

доктор технических наук, доцент, Воронежский государственный технический университет

ЭКСПРЕСС-ТЕСТ НАЛИЧИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ СИГНАЛОВ С ППРЧ ПРИ ПАНОРАМНОЙ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ СИСТЕМОЙ РАДИОМОНИТОРИНГА

EXPRESS TEST OF THE FREQUENCY HOPPING SIGNAL EXISTENCE IN THE FREQUENCY RANGE ANALYZED BY RADIO MONITORING SYSTEM IN PANORAMIC MODE

При анализе радиообстановки часто возникают ситуации, когда подлежащий анализу радиодиапазон имеет ширину, существенно превышающую полосу пропускания радиоприемной аппаратуры. В подобных случаях используют панорамный режим сбора и обработки данных, при котором весь радиодиапазон разбивается на совокупность смежных частотных полос, просматриваемых последовательно друг за другом. Быстрое циклическое перестроение системы радиомониторинга с частоты на частоту не является существенным препятствием при обнаружении и анализе сигналов, продолжительно занимающих фиксированные области частот, однако может заметно осложнять выявление и анализ сигналов со сложной частотно-временной структурой, таких, например, как излучения с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). В настоящей работе предлагается и анализируется алгоритм для распознавания факта присутствия в контролируемом радиодиапазоне сигналов с ППРЧ, требующий незначительных вычислительных затрат.

During the analysis of radio frequency band occupancy, there is often a situation when the frequency range to be analyzed has a width substantially exceeding the bandwidth of the radio receiving equipment. In such cases, a panoramic mode of data collection and processing is used. The entire frequency range divides into a set of adjacent frequency bands, viewed sequentially one after another. Fast cyclic change-over of the radio monitoring system from frequency to frequency is not a significant obstacle in the detection and analysis of signals that constantly occupy fixed frequency regions, but it can significantly complicate the detection and analysis of signals with a complex frequency-time

structure such as frequency hopping signals. This paper proposes and analyzes an algorithm for recognition of frequency hopping signal existence with insignificant computational expenses.

Введение. Псевдослучайная перестройка рабочей частоты радиосигналов может использоваться в системах передачи гражданского назначения, например, в качестве меры борьбы с замираниями, сопровождающими многолучевое распространение сигналов, но гораздо активнее ППРЧ применяется в радиосистемах военного назначения, где позволяет повысить скрытность и имитостойкость передачи информации. При этом скрытность достигается за счет кратковременного, импульсного характера выхода ППРЧ-передатчика в эфир на обширной совокупности рабочих частот. Вместе с тем отношение сигнал-шум, соответствующее отдельному выходу в эфир на конкретной частоте, может быть весьма значительным. Для систем радиомониторинга (РМ), осуществляющих контроль радиообстановки в широких диапазонах частот, подобные случаи представляют особый интерес, поскольку большое отношение сигнал-шум указывает на близость мониторингового радиоприемника (МРп) к источнику радиоизлучения с ППРЧ, что означает потенциальную возможность подавления подобного средства радиосвязи. Эффективное распознавание случаев присутствия сигналов с ППРЧ в широком диапазоне частот, контролируемом системой РМ, и будет являться целью текущей работы.

1. Особенности наблюдения сигналов с ППРЧ при панорамном режиме работы системы радиомониторинга

Работа системы РМ в панорамном режиме схематично отображена на рис. 1. Темп циклического перестроения МРп между L контрольными полосами частот определяется схемотехническими решениями, заложенными в аппаратуру РМ, а также временем затухания переходных процессов, сопровождающих процессы переключения с частоты на частоту. Для современных МРп однократное перестроение занимает доли или единицы миллисекунд; в текущем исследовании для определенности будем далее полагать Tband ~ 2 мс.

CÖ

ч

eö X

1-4

s

о

F Рн

S S Э S со О С

Л К H

о

H о eö

F

f

M

fm

f3

f2 fl

F, МГц

Изменение несущей частоты ППРЧ-сигнала

П "

L полос обзора системы РМ

1>"

Г

Ц «о»

I / I s

и

I—1 l-я полоса ^—1 ; обзора

Т out 1

Tin 1

\ «0»

i / Î

Т S

to

to+Tband

to+Т cycle

t, с

Рис. 1. Временная диаграмма совместной работы передатчика ППРЧ-сигнала

и системы РМ

Для контроля радиообстановки система РМ преобразует выборки данных, регистрируемые на каждом шаге перестроения между L полосами частот, в совокупность отсчетов спектра амплитуд (или мощности), отражающих активность в анализируемой полосе частот на текущем временном интервале. Рекомендации по оцениванию уровня шума в анализируемом диапазоне частот и по определению количества наблюдаемых в нем радиосигналов можно найти в [1, 2].

Сигналы, длительно присутствующие в какой-то области частот, при панорамном анализе радиообстановки будут представлены спектральными всплесками, циклически наблюдаемыми на протяжении многих циклов анализа (см. последовательность меток «0» на рис. 1). Характер регистрации сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) будет зависеть от соотношения скоростей перестроения по частоте ППРЧ-передатчика и системы РМ. Продолжительность одного цикла анализа системы РМ составляет

Тcycle = L ' Tband ,

а позиции ППРЧ-сигнала появляются в эфире с периодом

^ = 1 /S,

где S — скорость перестроения ППРЧ-передатчика (скачков в секунду). При этом для непосредственной продолжительности излучения

Tout1 =7'TS ,

где у = 0,3.. .0,9 — доля активной фазы ППРЧ-сигнала, справедливо

Tout1>>Tin1.

При медленной ППРЧ ts > zcycle и при достаточном отношении сигнал-шум система РМ успеет в виде одиночного всплеска активности зарегистрировать каждый выход в эфир ППРЧ-сигнала. Если же ts будет заметно меньше т 1е, что соответствует

ситуации на рис. 1, то часть позиций ППРЧ-сигнала окажется пропущенной. Полагая, что отношение сигнал-шум достаточно велико, и для фиксации спектрального всплеска, порождаемого отдельной частотной позицией ППРЧ-сигнала в l -й полосе обзора системы РМ, достаточно, чтобы время регистрации ППРЧ-излучения составляло не менее 0,5 • ты , оценим вероятность успешной регистрации отдельной позиции ППРЧ-сигнала.

Совместим начало координат на оси времени с моментом перестроения системы РМ на l -ю полосу обзора и учтем также, что анализ частотного диапазона производится циклически. Соответственно, если начало излучения ППРЧ-позиции будет приходиться на самый «хвост» цикла, то эта позиции окажется успешно зарегистрированной в следующем цикле анализа (рис. 2). Тогда протяженность области пропуска ППРЧ-позиции будет равна

Tbad ~ Тcycle ~ Тout 1 ,

а вероятность успешной регистрации позиции

P =

1 рег 1

yTs _ , У с У

1 - !-^ = 1---, при S >

т

cycle S •L • Tband L ' Tband .

при меньших S

момент начала . область пРопУска ^гсода в анализа 1-й тт 1 эфиР частотной позиции

полосы частот t, с -•— '

0 т. , т , -т „+т. ,/2 т ,

in 1 cycle out 1 in 1 cycle

Рис. 2. Диаграмма размещения на оси времени момента выхода в эфир очередной ППРЧ-позиции относительно момента начала анализа «нужной» полосы частот

В работе [3] применительно к задаче выявления сигналов с ППРЧ обосновывается целесообразность проверки равномерности расположения на оси времени фронтов совокупности кратковременных элементов радиоизлучения с различающейся частотной «привязкой», однако технология оценки расположения фронтов остается недостаточно детализированной. Вместе с тем получение таких оценок, соответствующих точностным требованиям из [3], представляет собой достаточно трудоемкую процедуру, что несколько ограничивает практическую применимость соответствующего технического решения. Но если отказаться от предоставляемой [3] возможности оценивания скорости перестроения ППРЧ-передатчика по частоте, а ограничиться лишь выявлением факта присутствия ППРЧ-сигнала в контролируемом диапазоне частот, то требования к точности оценивания расположения фронтов могут быть существенно снижены.

2. Анализ цикличности расположения фронтов радиоимпульсов при наличии в контролируемом диапазоне частот сигналов с ППРЧ

Отметим, что работающая в панорамном режиме система РМ на каждом шаге сбора и обработки данных для контроля радиообставновки осуществляет спектральный анализ и поиск всех действующих в текущей I -й полосе обзора радиосигналов. При наличии в контролируемом диапазоне частот ППРЧ-сигнала система РМ будет периодически обнаруживать в полосах обзора радиоимпульсы малой длительности (как правило, обнаруживающиеся лишь в текущей выборке для I -й полосы и отсутствующие там же на предыдущих и последующих циклах анализа). Конечно, спектральная активность может порождаться и пакетными сигналами отличающейся от ППРЧ структуры, и импульсными помехами, однако наблюдать последовательность радиоимпульсов с хаотично изменяющимися частотами, но демонстрирующих определенную периодичность расположения на оси времени можно лишь для ППРЧ-сигналов.

Крайне важным «плюсом» описанной выше ситуации является то, что выявление элементов активности ППРЧ-сигнала производится без каких-либо вычислительных затрат — в рамках стандартной процедуры контроля радиообстановки. Осложняющим же обстоятельством является то, что из-за существенной скважности при сборе данных временная «привязка» обнаруженных сигналов производится с дискретностью равной Тфс1е = ^ -Тъаж!, составляющей от единиц до десятков миллисекунд. Рассмотрим, как сказывается подобная, весьма низкая точность на возможности выявления цикличности расположения вдоль оси времени ППРЧ-позиций.

Сопоставляя результаты анализа радиообстановки для нескольких последовательных циклов обзора, будем подсчитывать и сохранять в массиве g[k] число фронтов кратковременных сигналов, «привязанных» к очередному ^му по счету циклу анализа. Когда объем N /е массива g[k] станет достаточно большим, рассчитаем по нему амплитудный Фурье-спектр

Sp[n] = | FFT { g[k] } n е[ \;Ncyde ]

и проанализируем в нем количество ярко выраженных узкополосных компонент ^ . превышающих порог

%

= k

max I Sp[n] I,

n=2..Ncyde^ - - - ' '

где кйгаЛ ~ 0,66 — поправочный коэффициент, определяющий «мощные» составляющие спектра, а из анализа исключена постоянная составляющая, всегда имеющая заметную величину.

Возможные виды спектров, соответствующих изменению во времени количества фронтов регистрируемых кратковременных сигналов, представлены на рис. 3, 4.

1400 1200 1000 800

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Рис. 3. Спектр потока фронтов кратковременных сигналов при т8 = 4- т

cycle

Рис. 4. Спектр потока фронтов кратковременных сигналов при т = 0,85 -т 1е

В случае, показанном на рис. 3, при длительности цикла т 1е = 5 мс наблюдался ППРЧ-сигнал со скоростью перестроения 50 скачков в секунду, для которого Т = 4 • т fe . При этом выходы в эфир ППРЧ-сигнала будут наблюдаться с разнесением по времени на 4 цикла анализа, вследствие чего спектр массива g[k] содержит яркую спектральную составляющую с номером N 1е/ 4 (и с кратными ей частотами),

где N fe — размерность преобразования Фурье. На рис. 4 показан спектр, полученный для скорости перестроения по частоте S « 235 скачков в секунду. Из-за некратности периодов, наличия гармоник (кратных частот) и циклического наложения спектров спектральный состав здесь выглядит заметно «богаче», но ярко выраженные линии спектра также наблюдаются.

Итак, условимся в качестве правила выявления факта присутствия в контролируемом радиодиапазоне сигналов с ППРЧ использовать следующее:

есть ППРЧ <

Nb,g kn • Ncycle ,

нет ППРЧ

где N« — число узкополосных компонент спектра Sp[n] (7), превышающих порог Spthresh (8), hn ~ 0,01 — поправочный коэффициент, определяющий допустимую долю «мощных» составляющих спектра.

При этом количество циклов сбора данных N должно, по возможности, превышать

Ny,de > 10 • L • S,

где L — число частотных полос в анализируемом диапазоне, S — скорость перестроения по частоте ППРЧ-передатчика.

Исследование алгоритма (9) при интенсивности потока «сторонних» фронтов в 3.. .5 фронтов на цикл сбора данных показывает, что вероятность ложного выявления с его помощью ППРЧ-сигнала составляет менее 5%. (При необходимости эту вероятность можно дополнительно понизить либо уменьшением k , либо снижением допустимой доли мощных спектральных составляющих до hn ~ 0,001.0,002). Вероятность правильного выявления ППРЧ-сигналов применительно к разным темпам сбора данных показана на рис. 5. При этом дополнительно учтено, что более высокий темп сбора данных возникает, как правило, при сужении рабочей полосы частот; при этом часть частотных позиций ППРЧ-сигнала может оказаться за пределами анализируемого системой РМ диапазона частот. Для отражения данного факта в случае т = 5 мс предполагалось, что в область обзора попадает лишь около 50% частотных

позиций ППРЧ-сигнала, а сбору данных в примерно в 2,5 раза большей полосе (случай т h = 12,5 мс) соответствует вероятность попадания ППРЧ-позиции в контролируемый радиодиапазон равная p0 = 90%.

50 100 150 200 250 300 скачков/сек

Рис. 5. Вероятность правильного выявления ППРЧ-сигналов при продолжительности накопления данных 2048 циклов для Тсус1е: 1 — 5 мс

Как видно из рис. 5, при

Зрит = I/ Теуо1е ± Ю%

где I — целое число (1,2...), вероятность выявления ППРЧ-сигналов резко снижается, т.к. по значениям §\к] подобная ситуация практически неотличима от простого повышения постоянной составляющей, что может быть вызвано и шумовыми причинами. Итак, в характеристике выявления ППРЧ-сигналов существуют «провалы» по 8, указывающие на определенную проблематичность использования алгоритма (9) при фиксированном периоде т и сбора и обработки информации системой РМ. Вместе с тем при периодической смене длительности цикла анализа т 1е можно обеспечить весьма высокую вероятность выявления ППРЧ-сигналов для

довольно широкого набора скоростей перестроения по частоте ППРЧ-передатчика.

Рассмотрим следующую стратегию сбора данных: На протяжении Ыц = 2048 циклов анализа длительностью 7,5 мс будем контролировать фронты сигналов в трёх смежных полосах частот, полагая, что вероятность захватить здесь ППРЧ-позицию составляет ро = 60%. Общее время накопления данных составит при этом около 15 секунд. Время от времени условимся переключаться на сбор данных в двух полосах (с периодом 5 мс) и, ужесточив ситуацию с вероятностью до ро = 40%, увеличим продолжительность сбора данных до Ыц = 4096, что составит около 20 секунд. Результаты показаны на рис. 6.

0 50 100 150 200 250 300 ска м ков/се к

Рис. 6. Вероятность правильного выявления ППРЧ-сигналов: 1 — Тсус1е = 5 мс, Ыц = 2048

130

Отметим в завершение, что высокие вероятности, представленные на рис. 6, были получены в условиях, когда число «лишних» фронтов, регистрируемых на каждом цикле анализа, было мало (не превышало 3). Если же интенсивность потока «сторонних» фронтов, к примеру, в 1,5 раза выше, то, хотя по-прежнему существует совокупность удачных соотношений скоростей перестроения ППРЧ-передатчика и системы РМ, характеристики всё же заметно ухудшаются. Новая версия зависимостей показана на рис. 7. Вместе с тем существенное возрастание числа «сторонних» фронтов возможно лишь как реакция на шум, и её можно избежать, повысив порог обнаружения.

О 50 100 150 200 250 300 S,скачков/сек

Рис. 7. Вероятность правильного выявления ППРЧ-сигналов: при увеличенной в 1,5 раза интенсивности потока «посторонних» фронтов сигналов: 1 — Tcycle = 5 мс, N = 2048

Заключение. Предложенный и проанализированный в работе экспресс-тест позволяет устанавливать факт присутствия в эфире сигнала с ППРЧ по совокупности стандартных спектральных оценок, формируемых системой РМ, работающей в панорамном режиме анализа радиообстановки. Этот экспресс-тест требует весьма незначительных вычислительных расходов и опирается на грубые (с точностью до номера цикла анализа системы РМ) оценки расположения фронтов зарегистрированных системой РМ радиоимпульсов малой длительности. Недостатком теста является его чувствительность к скорости перестроения по частоте ППРЧ-передатчика: для отдельных диапазонов скоростей может наблюдаться заметное снижение вероятности выявления ППРЧ-сигналов. Однако если при сборе данных имеется возможность комбинировать разные длительности циклов работы системы РМ, то можно обеспечить устойчивое выявление сигналов для широкого диапазона скоростей перестроения.

Для получения близкой к 100% вероятности выявления факта присутствия в диапазоне частот сигналов с ППРЧ требуется достаточно длинный интервал накопления данных, составляющий от нескольких сотен элементов сигнала для медленной ППРЧ до нескольких тысяч элементов при быстрой ППРЧ. Также рекомендуется исключать из рассмотрения фронты сигналов низкой мощности, как правило, порождаемые импульсными помехами, т.к. увеличение числа «посторонних» фронтов негативно сказывается на надёжности выявления ППРЧ-сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рембовский А. М., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства ; под ред. А.М. Рембовского. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Горячая линия — Телеком, 2015. — 640 с.

2. Измерение занятости радиочастотного спектра в системах радиомониторинга / А. Б. Токарев, Ю. С. Балашов, С. Ю. Белецкая, С. Н. Панычев, П. П. Чураков. — Воронеж : Воронежский гос. технический ун-т, 2016. — 227 с.

3. Алексеев Д. А., Чураков П. П., Токарев А. Б. Обнаружение сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты на основе буферизованной обработки данных // Радиотехника. — 2016. — № 6. — С. 40—43.

REFERENCES

1. Rembovskiy A. M., Ashihmin A. V., Kozmin V. A. Radiomonitoring: zadachi, metodyi, sredstva ; pod red. A.M. Rembovskogo. — 4-e izd., pererab. i dop. — M. : Gorya-chaya liniya — Telekom, 2015. — 640 s.

2. Izmerenie zanyatosti radiochastotnogo spektra v sistemah radiomonitoringa / A. B. Tokarev, Yu. S. Balashov, S. Yu. Beletskaya, S. N. Panyichev, P. P. Churakov. — Voronezh: Voronezhskiy gos. tehnicheskiy un-t, 2016. — 227 s.

3. Alekseev D. A., Churakov P. P., Tokarev A. B. Obnaruzhenie signalov s psevdo-sluchaynoy perestroykoy rabochey chastotyi na osnove buferizovannoy obrabotki dannyih // Radiotehnika. — 2016. — # 6. — S. 40—43.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Горшков Дмитрий Васильевич. Студент.

Воронежский государственный технический университет

E-mail: GorshkovDV.vstu@yandex.ru

Россия, 394066, Воронеж, Московский просп., 179/3. Тел. . (473) 243-77-30.

Мещеряков Юрий Юрьевич. Студент.

Воронежский государственный технический университет.

E-mail: mieshchieriakov1998@mail.ru

Россия, 394066, Воронеж, Московский просп., 179/3. Тел. (473) 243-77-30.

Токарев Антон Борисович, профессор кафедры радиотехники. Доктор технических наук, доцент.

Воронежский государственный технический университет.

E-mail: TokarevAB@ircoc.vrn.ru

Россия, 394066, Воронеж, Московский просп., 179/3. Тел. 8-473-243-77-30.

Gorshkov Dmitrii Vasilievich. Student.

Voronezh State Technical University.

E-mail: GorshkovDV.vstu@yandex.ru

Work address: Russia, 394066, Voronezh, Prospect Moskovskiy, 179/3. Tel. (473) 243-77-30.

Mesheryakov Yuri Yurievich. Student.

Voronezh State Technical University.

E-mail: mieshchieriakov1998@mail.ru

Work address: Russia, 394066, Voronezh, Prospect Moskovskiy, 179/3. Tel. (473) 243-77-30.

Tokarev Anton Borisovich. Professor of the chair of Radiotechnics. Doctor of Sciences (Radiotechnics), Assistant Professor.

Voronezh State Technical University.

E-mail: TokarevAB@ircoc.vrn.ru

Work address: Russia, 394066, Voronezh, Prospect Moskovskiy, 179/3. Tel. (473) 243-77-30.

Ключевые слова: системы радиомониторинга; панорамный режим анализа; выявление сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Key words: radio monitoring; panoramic mode of analysis; recognition of frequency hopping signals.

УДК 621.391