Статья: Реализация демодулятора сигналов с прямым расширением спектра с использованием методов передискретизации (2024)

Рассматривается задача уменьшения размерности исходных массивов данных для улучшения эффективности обработки трафика мобильных приложений. Актуальность исследования обусловлена необходимостью оптимизации объемов передаваемых и хранимых данных при работе в условиях ограниченных вычислительных ресурсов, а также повышения скорости и качества аналитических операций. Для решения поставленной задачи применяются многослойные автокодировщики, способные формировать компактные представления исходных данных с минимальными потерями в их информативности. Подход базируется на идее обучения нейросетевых моделей, извлекающих наиболее существенные признаки из исходных массивов и способных восстанавливать их с заданным уровнем точности.

Используемые методы. В ходе экспериментов применялись различные архитектуры многослойных автокодировщиков, отличающиеся количеством слоев и размерностями скрытых представлений. Исследования проводились на реальных наборах данных, собранных из мобильных приложений широкого спектра функционала. Анализ осуществлялся путем варьирования внутренних параметров сетей и оценки результатов через интегральный статистический показатель, отражающий степень сжатия. Данный показатель позволяет выявить, насколько сильно изменяется разброс атрибутов при пропускании данных через автокодировщик.

Результаты. Для оценки фильтрующих свойств многослойных автокодировщиков предложен интегральный показатель сжатия, характеризующий изменение разброса атрибутов мобильных приложений при пропускании их через автокодировщик заданной структуры. Показатель рассчитывается как отношение среднеквадратического отклонения атрибутов на входе и на выходе, что позволяет оценить степень сжатия данных и степень сохранности информации после обработки. Показано, что увеличение интегрального показателя сжатия свидетельствует о более значительном сжатии исходных данных. Установлено, что фильтрация практически не зависит от типа приложения и лежит в пределах 10-20 % для автокодировщиков с тремя слоями, тогда как для пятислойных автокодировщиков предпочтение отдается кодировщикам с минимальной размерностью внутреннего слоя.

Основная новизна работы заключается в разработке интегрального статистического показателя, который не только отражает степень сжатия данных мобильных приложений, но и учитывает сохранность исходной информационной структуры. В отличие от существующих подходов, данный показатель позволяет проводить систематическое сравнение различных архитектур автокодировщиков с учетом не только уменьшения размерности, но и качества восстановления исходной информации. Это создает основу для более объективной оценки эффективности многослойных автокодировщиков в конкретных прикладных условиях.

Практическая значимость. Предложенная методология может быть полезна разработчикам и исследователям, работающим над оптимизацией систем сбора, хранения и обработки данных мобильных приложений. В условиях ограниченных вычислительных ресурсов, характерных для мобильных устройств и встроенных систем, использование многослойных автокодировщиков, настроенных на достижение заданного баланса между сжатием и сохранением информации, обеспечивает существенное сокращение объема передаваемых данных. Результаты исследования могут быть внедрены в существующие аналитические платформы, системы мониторинга и классификации мобильных приложений.

Актуальность. В настоящее время качество интерфейсов зачастую имеет решающую роль в решении задач человеком с применением информационных сервисов. Для оценки интерфейсов ранее было введено понятие эффективности, состоящей из следующих показателей: результативности – условной меры количества ошибок при работе с информационной системой; оперативности – скорости работы пользователя с информационной системой для получения требуемого результата; ресурсоэкономности – степени психоэмоционального напряжения пользователя при вводе и обработке данных. Тем не менее, полученная ранее модель требует не только применения математического аппарата для определения таких показателей, но и знаний об атомарных (т. е. частных или обособленных) эффективностях графических элементов, связанных с особенностями взаимодействия с ними пользователя.

Целью настоящей статьи является повышение эффективности интерфейсов информационных сервисов, для чего требуется вычисление атомарных эффективностей отдельных графических элементов.

Сущность предлагаемого решения заключается в визуальной системе статистического измерения атомарных эффективностей шести графических элементов (текстового поля, выпадающего списка, классической и флаговой кнопки, двунаправленного счетчика и «ползунка») по результатам выполнения с их помощью различных заданий пользователями. Так, например, оперативность текстового поля по сравнению с выпадающим списком будет выше для коротких слов – поскольку их ввод с клавиатуры быстрее выбора из списка, но ниже для длинных предложений – в этом случае человеку быстрее выбрать нужное, чем обеспечивать корректный ввод. Принцип измерения эффективностей предложенной системой основан на последовательном выводе графических форм с различным типом (в ряде случае ‒ и количеством) элементов, указании заданий пользователю и измерению корректности и времени ввода данных. Для снижения субъективности в действиях применяются различные приемы, такие, как таймеры различной длительности. Для оценки психоэмоционального напряжения используется специальный опрос в конце групп тестов элементов. Система имеет реализацию в виде Web-сайта на языке PHP, отдельные Web-страницы которого и их интерпретация приведены в статье. Эксперименты с применением данной системы для 50 пользователей позволили получить искомые атомарные эффективности всех элементов.

Научная новизна решения состоит в возможности получения оценок эффективности элементов интерфейса полностью формальным способом, учитывающим только особенности взаимодействия с ними пользователей, а также специфику данных (размер, тип).

Теоретическая значимость состоит в расширении класса способов оценки эффективности графических интерфейсов, полученной через измерение характеристик составляющих его элементов.

Практическая значимость заключается в возможности непосредственного применения полученных графиков атомарных эффективностей для сравнения интерфейсов и их оптимизации.

Настоящая работа является второй частью статьи «Прогресс в теории прикладной криптографии: обзор и некоторые новые результаты», опубликованной в четвертом номере журнала ТУЗС за 2024 год. Она посвящена специфическому разделу так называемой бесключевой криптографии (БК).

Актуальность данной статьи состоит в том, что рассматриваемые в ней методы позволяют обеспечить конфиденциальность передачи информации по открытым каналам связи, либо вообще не выполняя никакого предварительного ее шифрования, а эксплуатируя лишь преобразования, естественно происходящие в каналах связи, либо, применяя обычную (ключевую) криптографию, ключи для которой передаются по открытым каналам связи с использованием методов БК.

Настоящая работа начинается с описания вайнеровской концепции подслушивающего канала и методов кодирования в нем, обеспечивающих надежную передачу по основному каналу с гарантированным малым количеством шенноновской информации, утекающей по каналу перехвата. Далее исследуются сценарий с коммутативной криптографией (CE) и протокол, обеспечивающий конфиденциальность передачи информации без всякого обмена ключами. Следующая модель относится к многолучевому каналу и применению MIMO-технологии по протоколу Дина и Голдсмит. Доказывается, что для него секретность передачи обеспечивается только при ограничении на количество приемных антенн перехватчика.

Следующий сценарий использует технологию антенн с управляемой диаграммой (VDA), причем устанавливаются условия на многолучевость и расположение корреспондентов радиосвязи, при которых может быть обеспечена конфиденциальность передачи информации. Анализируется также недавно предложенная криптосистема EVESkey. Доказывается, что существует простая атака, которая может нарушить ее конфиденциальность.

Описывается ряд протоколов, выполняемых по бесшумному открытому каналу, которые, однако, не являются стойкими, поскольку они имеют нулевую секретную пропускную способность. Доказывается, что при матричном обмене в канале связи типа Интернет, конфиденциальность может быть обеспечена только по критерию ограничения сложности декодирования. В конце работы формулируются фундаментальные проблемы прикладной криптографии, решение которых могло бы значительно стимулировать дальнейшее развитие этой отрасли науки.

Актуальность. Одной из проблем, которую необходимо решать при создании RFID-систем, является множественный доступ ридера к группе меток, расположенных в ограниченном пространстве, поскольку считывающий сигнал вызывает одновременный отклик многих меток, что приводит к коллизиям (конфликтам) ответных сигналов. Эта проблема не решена применительно к пассивным меткам без чипа, построенным на технологиях поверхностных акустических волн (ПАВ), код которых закладывается при изготовлении и не может быть изменен в процессе эксплуатации.

Цель проведенного исследования заключается в разработке алгоритмов, позволяющих синтезировать такие группы кодов, которые обеспечивали бы управляемый уровень попарной корреляции ответных сигналов меток и за счет этого обеспечивали бы заданную точность идентификации меток. В основе предложенных алгоритмов лежат процедуры конкатенации кодов и индуктивного построения групп кодов с заданными емкостью и уровнем корреляции. Для алгоритма формирования группы кодов с требуемым значением коэффициента корреляции и алгоритма объединения групп кодов в полные и максимальные группы доказаны свойства, подтверждающие возможность использования их для формулирования заданий на изготовление групп меток на поверхностных акустических волнах, которые соответствовали бы количеству объектов, требующих идентификации, и точности их идентификации c учетом количества меток в группе, условий распространения радиосигналов в зоне работы ридера, количества повторных считываний кодов меток, а также алгоритмов совместной обработки данных, полученных при всех считываниях. Для достижения цели исследования используются методы теории кодирования, корреляционного анализа.

Результат. Разработанный алгоритм представляет собой инструмент создания современных систем кодирования для меток на ПАВ. Научная новизна. Известные алгоритмы множественного доступа в RFID-системах предложены в стандартах GEN1 и GEN2 EPC Global, и предполагают наличие у метки чипа и блока питания, что позволяет реализовывать протоколы воздействия на метку ридером при помощи специальных команд. Предлагаемый алгоритм множественного доступа применим для пассивных меток на ПАВ, в том числе, передвигающихся на высокой скорости и / или расположенных в агрессивных средах, так как метки не используют кремниевую технологию по сравнению с активными RFID-метками.

Практическая значимость. Использование предложенного комплекса алгоритмов позволит повысить эффективность систем маркировки за счет сокращения времени идентификации объектов, находящихся в замкнутом пространстве.

Актуальность. В настоящее время технологические системы, искусственный интеллект, общедоступность Интернета и проникновение злоумышленников в системы банков, учреждений и социальных сетей стали изучаемой наукой и доступны для всех групп и возрастов. Одна из основных задач - обеспечение системы защиты конфиденциальной информации от хакеров, а также простого доступа к аутентификации и идентификации пользователей. На первый план вышли биометрические системы, в том числе динамика движения мыши и динамика нажатия клавиш, которые выявляют стиль набора и движения мыши у каждого человека. Мягкая биометрия – интересный и недорогой биометрический метод, не требующий дополнительного оборудования. Система идентифицирует человека на основе ввода им информации в специальной графе. Динамика идентификации руки попадает в категорию поведенческой мягкой биометрии, то есть паттерны пользователя отражают индивидуальную программу действий, которой он следует при использовании сайта.

Цель настоящей работы ‒ разработка системы усиленной аутентификации. Методы исследования. При выполнении работы использовались методы анализа и синтеза, теории алгоритмов, законы кинематики, нейронные сети, динамика нажатия клавиш и мягкая биометрия. Результаты. Описан метод извлечения динамических характеристик нажатия клавиш. Создана нейронная сеть и определено пороговое значение для выявления типа печатающей руки.

Научная новизна. В отличие от известных способов аутентификации, предлагаемый метод используется для определения печатающей руки на клавиатуре через нейронную сеть с помощью законов кинематики, мягкой биометрии и извлечения динамики нажатия клавиш с целью определения ценности и точности определения типа печатающей руки.

Значимость. Предложенное решение позволяет повысить безопасность аутентификации пользователей, увеличить скорость внедрения и снизить стоимость нового способа верификации.

Результаты, полученные в работе, являются положительными и могут быть использованы в ближайшем будущем. В свою очередь, мягкие биометрические измерения зависят от поведенческих паттернов человека, что усложняет фальсификацию пользователя. Имитировать поведение при наборе текста сложно, поскольку оно является баллистическим (полуавтономным), что делает поведенческую информацию ценной, в качестве мягкого и чувствительного биометрического метода.

Актуальность темы обусловлена применением цифровых электрокардиографов и кардиомониторов со встроенными алгоритмами автоматической обработки, анализа и интерпретации электрокардиограмм, что позволяет врачу эффективно выполнять диагностику нарушений сердечного ритма. Известно, что для оказания обследуемому экстренной помощи продолжительность диагностики аритмий не должна превышать нескольких десятков секунд, что требует появления новых алгоритмов обнаружения информативных признаков, указывающих на аритмию, работающих в режиме реального времени. Необходимость внедрения новых эффективных технологий диагностики сердечно-сосудистых заболеваний также отражена в государственных программах развития здравоохранения.

Целью исследования является разработка и анализ показателей качества алгоритма обнаружения опорных точек на цифровой электрокардиограмме, несущих информативные признаки для процедуры диагностики аритмий.

Используемые методы. Исследование основано на анализе существующих подходов к решению задачи обнаружения опорных точек на цифровой электрокардиограмме, а также проведении экспериментальной проверки предлагаемого алгоритма методами математического моделирования. Предложены показатели качества рассматриваемых алгоритмов, определенные в соответствии с принципами теории обнаружения сигналов и диагностического тестирования, на стыке которых расположена задача обнаружения опорной точки кардиокомплекса. Экспериментальная проверка предлагаемого алгоритма осуществлена на материалах открытой верифицированной базы данных MIT-BIH Arrhythmia Database, которая широко применяется для верификации и валидации алгоритмов обработки сигнала цифровой электрокардиограммы, работающих в режиме реального времени.

Решение. В работе предложен алгоритм обнаружения опорных точек на цифровой электрокардиограмме, который основан на цифровой фильтрации сигнала с применением решающего правила на базе трехэтапной двухпороговой схемы сравнения величин сигнала предобработанной электрокардиограммы на скользящем окне, обладающий элементами научной новизны.

Эксперимент на материалах открытой верифицированной базы данных MIT-BIH Arrhythmia Database показал, что качество предложенного алгоритма обнаружения опорных точек выше, чем у алгоритмов, применяемых в современных цифровых электрокардиографах и кардиомониторах.

Значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке устройств цифрового мониторинга сердечно-сосудистой системы, а также для автоматической обработки, анализа и интерпретации сигнала цифровой электрокардиограммы в режиме реального времени с применением ЭВМ.

Актуальность. Весьма низкая мощность полезных информационных сигналов глобальных спутниковых навигационных систем вблизи поверхности Земли вместе с происходящим в последние годы заметным увеличением количества доступных и эффективных портативных средств постановки заградительных широкополосных энергетических помех делают задачу повышения помехоустойчивости радионавигационных спутниковых устройств особенно актуальной как с практической, так и с исследовательской точек зрения.

В этой связи целью данного исследования явилось повышение помехоустойчивости глобальных спутниковых навигационных систем посредством обработки входных сигналов соответствующей принимающей аппаратуры специальными пространственными фильтрами. Для достижения цели работы была решена научная задача по исследованию увеличения помехоустойчивости радионавигационной аппаратуры с использованием в ней пространственной обработки входных сигналов в частотной области. Используемые методы. В ходе исследования были рассмотрены различные алгоритмы пространственной обработки сигналов, среди которых были как функционирующие в условиях отсутствия какой-либо информации о внешней относительно принимающей радионавигационной системы помеховой обстановке, так и задействующие сведения о количестве и относительном расположении источников помех. Дополнительно были исследованы различные методы нахождения числа источников помех и угловых направлений на них, а также современные алгоритмы оптимизации целевых функций, используемых для определения местоположения источников сигналов.

Научная новизна работы заключается в применении при решении поставленной задачи новых алгоритмов, реализующих отдельные этапы сигнальной обработки и обеспечивающих получение алгоритмами фильтрации информации, необходимой для их работы, а также в комбинировании известных методов с новыми подходами к их воплощению.

Результаты. В ходе решения научной задачи было проведено сравнение характеристик качества работы всех рассмотренных алгоритмов, выполненное с применением метода компьютерного моделирования, при котором использовались записи реальных спутниковых навигационных сигналов с добавлением разного количества источников некоррелированных энергетических помех. В результате моделирования были получены значения показателей качества работы всех исследуемых алгоритмов и проведен их сравнительный анализ, по итогам которого выделены методы с наилучшими характеристиками. Значимость результатов работы состоит в возможности использовать рассмотренные алгоритмы при разработке реальных устройств помехозащищенной спутниковой навигации.

Актуальность. Исследования кольцевых резонирующих структур вызывает интерес у разработчиков СВЧ устройств, некоторые особенности кольцевых эллиптических резонаторов приводят к возникновению уникальных свойств передаточных характеристик. Особое значение при использовании данных резонаторов имеет способ их возбуждения. При определенных условиях в этих структурах возможно получение режима бегущей волны. Синтезу микроволновых устройств, а также исследованию способов возбуждения и оценки режима волнового процесса в структуре посвящена данная работа. Цель исследования ‒ проанализировать и систематизировать информацию о создании микроволновых устройств с использованием кольцевых эллиптических резонаторов (КЭР), а также апробировать результаты применения сдвоенного КЭР.

Методы: в этой работе был проведен аналитический обзор актуальных научных публикаций, а также выполнено компьютерное моделирование полосковых кольцевых эллиптических резонаторов, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне.

В работе также представлены результаты экспериментов, апробированные разными исследователями, в том числе поддержанные грантами РФФИ. Решение. В статье рассматриваются особенности использования шлейфных полосковых фильтров и описываются ограничения, возникающие при использовании полосковых резонаторов. Представлена конструкция КЭР и предлагается его применение в качестве альтернативы полосковым резонаторам. Приводятся результаты многочисленных экспериментов по синтезу микроволновых устройств на основе КЭР, включая: одинарный; двойной резонаторы; преселективные фильтры; усилители и генераторы, построенные на основе кольца и активных двухполюсниках. Также рассматривается проблема коммутации резонатора с основной линией передачи. Приводятся результаты макетирования нескольких устройств, ограничивающих направление распространения электромагнитной волны в кольцевом резонаторе.

Научная новизна. Впервые представлена конструкция двойного эллиптического резонатора, выполненного на основе микрополосковой линии. В статье приводятся результаты эксперимента, которые демонстрируют достижение уровня режекции фильтра более 70 дБ исключительно за счет топологии резонатора. Обсуждается проблема выбора способа питания и обеспечения режима распространения волны в КЭР.

Практическая значимость: результаты, полученные в ходе работы, могут быть применены для создания резонатора бегущей волны на микрополосковой линии или в других планарных или объемных конфигурациях. Также результаты исследования служат основой для создания обобщенной теории синтеза кольцевых резонаторов микроволнового диапазона длин волн.

Работа посвящена оценке возможности формирования канала утечки информации с дефекта оптического волокна, созданного путем теплового воздействия. Свойства неоднородностей оптического волокна, вызванные таким воздействием, на сегодняшний день практически не изучены, что определяет актуальность исследований. С учетом вышесказанного, целью исследования является определение характеристик неоднородностей оптического волокна, вызванных тепловым воздействием.

Используемые методы. В работе проведен расчет потерь мощности излучения, вносимых дефектом, вызванным тепловым воздействием при высокой температуре, а также мощности излучения, отводимой с дефекта за пределы оптического волокна. В ходе исследований характеристики неоднородностей оптического волокна, вызванных тепловым воздействием, оценивались также и по рефлектограммам.

Результат. В работе показано, что при помощи локального температурного воздействия удается сформировать дефект оптического волокна, позволяющий выводить часть оптического излучения за пределы этого волокна, то есть создать канал несанкционированного съема данных. Величина вносимых потерь мощности излучения на создаваемом дефекте возрастала с увеличением времени теплового воздействия на оптическое волокно. При времени теплового воздействия на оптическое волокно менее 1 с сформировать дефект с существенными вносимыми потерями мощности излучения не удавалось, а при времени теплового воздействия более 10 с вносимые потери на дефекте превышали 20 дБ (в этом случае прекращается передача данных зональных и магистральных ВОЛС). Показано, что с увеличением длины волны распространяющегося по волокну оптического излучения возрастают потери мощности излучения на дефекте, сформированном тепловым воздействием на оптическое волокно. Установлено, что при одинаковой потере мощности на дефекте, сформированном тепловым воздействием, мощность оптического излучения, отводимая с такого дефекта, имеет наибольшее значение при использовании оптического волокна G652, а наименьшее ‒ при использовании волокна G657.

Научная новизна работы состоит в исследовании ранее неизученных свойств неоднородностей оптического волокна, вызванных тепловым воздействием.

Практическая значимость. Результаты, приведенные в статье, могут найти применение при проектировании систем защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи