СПОСОБ ДЕКОМПОЗИЦИИ СЛОЖНОГО СИГНАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2022 года по МПК H04B1/06 H04B17/21 G06F17/14 

В работе [Бойков К.А. Метод радиоволновой аутентификации микропроцессорных устройств: пат. 2755153 Рос. Федерации МПК H04L 9/32 / заявитель и правообладатель Бойков К.А. - №2021103796; заявл. 16.02.2021; опубл. 13.09.2021, Бюл. №26] представлен метод радиоволновой аутентификации микропроцессорных устройств, основанный на регистрации электрической составляющей электромагнитных излучений, возникающих при перераспределении энергии в реактивных накопителях печатных узлов. Известно, что данные излучения или сигнальный радиопрофиль (СРП) - суперпозиция Ν затухающих колебаний входных и выходных цепей, входящих в электронный узел элементов [Бойков К.А. Моделирование и анализ колебательного перераспределения энергии при собственных электромагнитных излучениях в ключевых радиоэлектронных схемах на МОП-транзисторах. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №6. https://doi.Org/10.30898/1684-1719.2021.6.14]. Данные колебания могут быть описаны выражением:

где U_N - мгновенное значение приведенного уровня N-го колебания, U_0N -приведенная амплитуда первой полуволны N-го колебания, δ_N - коэффициент затухания N-го колебания, t - текущий момент времени, t_0N - момент времени начала излучения N-го колебания, ω_N - круговая частота N-го колебания.

На фиг. 1 представлен СРП, полученный в результате моделирования схемы, состоящей из двух параллельно соединенных МОП-ключей.

Для численного определения значений параметров, представленных в выражении (1), можно воспользоваться оконным дискретным преобразованием Фурье (ОДПФ) и получить зависимость приведенного амплитудного спектра от частоты (фиг. 2) и времени (фиг. 3)

По максимумам частотной характеристики (фиг. 2) можно сделать вывод, что представленный СРП - суперпозиция четырех колебаний (N = 4). Также для каждого колебания можно определить частоту ƒ₁=0,5 ГГц, ƒ₂=1 ГТц, ƒ₃=2,5 ГГц, ƒ₄=4 ГГц.

По зависимости (фиг. 3) нетрудно определить момент времени начала излучения N-го колебания. Момент перехода от возрастания к затуханию (точка экстремума) и есть точка начала излучения. Аппроксимируя спадающую зависимость экспонентой можно определить коэффициент затухания. Для наглядности на фиг. 3 представлена временная зависимость приведенного амплитудного спектра для третьего колебания (N = 3, фиг. 3а) и кривая экспоненциальной аппроксимации (фиг. 3б).

Из данного рисунка видно, что точка начала излучения на частоте 2,5 ГГц t₀₃ = 0,5 нс. Коэффициент затухания определяется по кривой фиг. 3б: δ₃ ≈ 0,2⋅10⁹ с^-1 (время затухания τ₃ = 1/δ₃ ≈ 5 нс). По аналогии определяются коэффициенты затухания и время начала излучения для всех составляющих рассматриваемого СРП.

Для нахождения амплитуды первой полуволны каждого колебания необходимо определить скорость изменения приведенного амплитудного спектра в начальный момент времени:

Таким образом в начальный момент времени при t = 0:

Для третьего колебания:

|ν₃|=0,9⋅0,2⋅10⁹ с^-1 = 0,18⋅10⁹ с^-1.

Аналогичным образом можно определить параметры оставшихся колебаний: t₀₁ = 0, δ₁ ≈ 0,3⋅10⁹ с^-1, |ν₁| = 0,3⋅10⁹ с^-1, t₀₂ = 0,7 нс, δ₂ ≈ 0,5⋅10⁹ с^-1, |ν₂| = 0,19⋅10⁹ с^-1, t₀₄ = 2,5 нс, δ₄ ≈ 0,4⋅10⁹ с^-1, |ν₄|=0,18⋅10⁹ с^-1.

Для проверки корректности декомпозиции, необходимо произвести суперпозицию полученных сигналов (восстановление) и выполнить сравнение полученной суперпозиции с исходным СРП (репером).

Поскольку на фиг. 1 представлена временная область приведенного сигнала, то и работать необходимо с приведенными начальными амплитудами. Очевидно, что |ν₁| ≈ 0,3⋅10⁹ с^-1 является максимальным значением, поэтому U₀₁ = 1, U₀₂ ≈ 0,63, U₀₃ = U₀₄ ≈ 0,6.

Используя выражение (1) получим:

Для определения корректности восстановления СРП недостаточно вычислить взаимную корреляцию двух кривых, поскольку общая корреляция может существенно отличаться от корреляции в определенном диапазоне. Поэтому необходимо вычислить корреляционную функцию r(h) между восстановленным сигналом и репером:

- выборки значений восстановленного сигнала, - выборки значений репера, - средние значения выборок, М - число выборок («окно»), K - число отсчетов восстановленного сигнала, h - номер отсчета с которого идет выборка.

На фиг. 4 по полученным выражениям ((4) и (5) построена корреляционная функция (фиг. 4в) исходного (фиг. 4б) и восстановленного сигналов (фиг. 4а).

Опираясь на коэффициенты Чеддока по фиг. 4 видно, что параметры колебания N = 2 рассчитаны достаточно с высокой погрешностью (взаимная корреляция на данном участке r(h) < 0,9). Данная погрешность могла возникнуть вследствие низкой энергетики быстро затухающего колебания, что подтверждает приведенный частотный спектр СРП, а также в следствии частотно временной неопределенности. Для корректировки данного недостатка нужно обратить внимание на «отставание» восстановленного сигнала от репера в диапазоне, указанном на фиг. 4. Таким образом, необходимо увеличивать значение параметра t₀₂ до достижения взаимной корреляции на данном участке величины r(h) ≥ 0,9. Данное условие выполняется при t₀₂ = 0,8 нс (фиг. 5).

На фиг. 6 представлена обобщенная блок-схема способа декомпозиции сложного сигнала с использованием корреляционной обратной связи. Сложный СРП принятый приемником (1) поступает на оконный дискретный преобразователь Фурье (2) и одновременно на коррелятор (10). С (2) частотно-временное представление СРП поступает на блок (3), выполняющий операцию нахождения экстремума и экспоненциальной аппроксимации. В этом же блоке идет вычисление и передается в ячейки памяти: коэффициент затухания (4), число составляющих колебаний (5), круговая частота колебаний (6), время начала колебаний (7), приведенная амплитуда первой полуволны колебаний (8). Затем вычисленные параметры преобразуется в синусоидальные затухающие колебания и суммируются в блоке (9). Коррелятор (10) сравнивает участки восстановленного сигнала и исходного СРП, и при взаимной корреляции r(h) < 0,9 сигнал поступает на блок анализа (11), в котором идет определение параметра или группы параметров данного участка, найденных с высокой погрешностью. С (11) информация о недостоверных параметрах поступает на блок (3) для корректировки. Данная операция повторяется до тех пор, пока коррелятор не зафиксирует r(h) ≥ 0,9. После этого операция декомпозиции считается завершенной, а параметры в ячейках памяти (4)-(8) достоверными.

Изобретение относится к области цифровой обработки сигналов и может быть использовано для разложения сложного сигнала на сумму составляющих, математическая обработка которых более проста и более полно раскрывает информационные аспекты исходного сигнала. Предложен способ декомпозиции сигнального радиопрофиля, зарегистрированного при собственном излучении электронных устройств, на отдельные затухающие колебания с последующим определением их основных параметров, композицией и введением корреляционной обратной связи для корректировки значений исходных параметров. Изобретение обеспечивает возможность повысить точность определения параметров составных колебаний при декомпозиции сложного сигнала. 6 ил.

Способ декомпозиции сложного сигнала, полученного регистрацией электрической составляющей электромагнитных излучений при колебательном перераспределении энергии электронного устройства, использующий метод оконного преобразования Фурье, для нахождения параметров составляющих колебаний с последующей их композицией и вычислением взаимной корреляционной функции r(h) полученных значений с исходным сигналом по представленной математической зависимости

где - выборки значений восстановленного сигнала,

- выборки значений исходного сигнала,

- средние значения выборок,

М - число выборок, K - число отсчетов восстановленного сигнала,

h - номер отсчета, с которого идет выборка,

выполняющей функцию обратной связи с возможностью коррекции исходных данных при взаимной корреляции репера и принятого сигнала на любом отсчете r(h) < 0,9 до достижения r(h) ≥ 0,9, при М ≥ 16, K ≥ 2М.