К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ icon

К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ



НазваниеК. Г. Кирьянов сигнатурный анализ
страница1/2
Дата конвертации29.07.2012
Размер446.62 Kb.
ТипДокументы
  1   2


Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Радиофизический факультет

Филиал кафедры радиотехники в Нижегородском научно-исследовательском приборостроительном институте "Кварц"


К.Г.Кирьянов


СИГНАТУРНый АНАЛИЗ (1)


Методическое Пособие


Н.-Новгород


1999


ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение

1

1. Общие вопросы сигнатурного анализа

2

1.1. Интерпретация работы анализаторов сигнатур с помощью теории динамических систем

2

1.2 “Сжатие” данных и точность распознавания при сигнатурном анализе

5

1.3. Получение сигнатур и теория представления событий автоматами

6

1.4. Получение сигнатур и теория измерений

7

1.5. “Перемешиваемость” потоков данных при получении сигнатур

9

2. Работа анализатора сигнатур

9

2.1. Математическая модель анализатора

9

2.2. Формулы дли подсчета сигнатур

11

2.3. Пространство состояний анализатора сигнатур

12

2.4. Таблицы соответствия

17

3. Свойства анализатора сигнатур

20

3.1. Свойства анализатора сигнатур в автономном режиме U(t)=0 (режим генератора последовательностей ).

20

3.2. Свойства последовательностей максимальной длины

21

3.3. Свойства анализатора сигнатур в вынужденном режиме U(t)0 (режим приемника последовательностей )

22

3.4.
Свойства анализатора сигнатур, характеризующие связь вынужденного и автономного режимов работы

26

3.5. Формулы для нахождения кодов нулевого класса эквивалентности

27

Литература




Приложение






ВВЕДЕНИЕ


Настоящая работа посвящена идентификации в области диагностики сложных дискретных, цифровых систем и процессов – получению и анализу диагностических меток- идентификаторов объектов (или, другими словами, сигнатурному анализу) и является методическим пособием по одному из разделов спецкурса "Математические модели в радиофизике и информатике: идентификация, диагностика, прогнозирование" для магистров и студентов IV и V курсов радиофизического факультета ННГУ.

Работа написана для студентов – радиофизиков, любителей теории колебаний и теории динамических систем, которые могут в дальнейшем заинтересоваться актуальными теоретическими и прикладными вопросами применения математических моделей дискретных динамических систем (ДС) и порождаемых ими дискретных процессов, в том числе и итентификацией объектов с помощью сигнатурного анализа (СА).

К созданию сигнатурного анализа привела возникшая более двадцати лет назад практическая потребность диагностирования сложной цифровой вычислительной техники и измерительных систем [1-4], так как выяснилось, что для безошибочного контроля и диагностики появившихся микропроцессорных систем как раз не хватало (!) существовавших ранее классов контрольно-измерительных приборов (вольтметров, частотомеров и т.д.), которые в принципе не годились для контроля сложных цифовых схем.

С возрастанием сложности цифровой техники "внешние" диагностические контрольно-измерительные прборы постепенно "перекочевали" в сами изделия либо в аппаратном виде ("встроенные" диагностические приборы, платы, микросхемы), либо в виде программ генераторов тестов и программ самодиагностики. Однако почти везде в цифровой, а последнее время и в аналоговой технике основой генераторов тестов и программ диагностики остаются самые различные приборы или алгоритмы сигнатурного анализа, основанные на математических моделях регистров сдвига с обратными связями и их линейных и нелинейных модификаций. Далее увидим, что даже широко известный алгоритм контроля правильности данных по чётности их контрольной суммы является частным случаем СА. В других частях курса увидим также, что теория СА может использоваться в самых широких областях науки и техники, например при защите информации в криптографических системах.

Так как далее рассматриваются процессы, квантованные не только по времени, но и по уровню, для строгого описания таких процессов и дискретных ДС в рамках теории динамических систем требуются сведения об основных понятиях алгебраических структур (АС): соответствующих дискретных множествах и операциях на них. Необходимые для понимания материала краткие сведения об АС в дискретных ДС даются по ходу его изложения.

Изложение теории СА на языке теории динамических систем впервые дано в работе [5] как методическое пособие для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Настоящее учебное пособие направлено

  • на обоснование концепции понятия идентифицирующей метки ("сигнатуры") как конечного состояния. динамической системы ("анализатора сигнатур") идентифицирующей конечный отрезок данных поступающих на вход,

  • обсуждение различных подходов к определению достоверности (точности) СА,

  • на иллюстрацию исключительных прикладных возможностей концептуальной математической модели ДС и её частных случаев на примере изучения конкретных свойств дискретных ДС для сигнатурного анализа.

^ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА

1.1. ИНТЕРПРеТАЦИЯ РАБОТЫ АНАЛИЗАТОРОВ СИГНАТУР С ПОМОЩЬЮ ТЕОРИИ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ


В зависимости от целей исследования динамическая система определяется по-разному [6-8]. Для наших целей динамической системой (ДС) целесообразно назвать набор из шести объектов н, , >.

Здесь: U - множество сигналов (входной алфавит);

Y - множество выходных сигналов (выходной алфавит);

X - множество внутренних состояний (внутренний алфавит);

х н - начальное состояние ДС (х нX) в начальный момент времени tн  Т;

 - уравнение динамики (уравнение движения, функция переходов) вида

x'(t) = (x(t), u(t)); (1)


 - уравнение наблюдения (уравнение меток [9], функция выходов) вида

y(t) =  (x(t), u(t)), (2)


где u(t)  U, y(t)  Y, x(t)  X являются “входом”, “выходом” и “состоянием” ДС в момент времени t  Т (Т - множество моментов времени, на котором рассматривается поведение ДС).

В случае функционирующей непрерывно по времени ДС t  Т  [0, ], (точка означает дифференцирование по времени), х н= x(tн).

В случае функционирующей дискретно по времени ДС t  T  (0, 1, 2, ...,) , xн= x(tн), ДС называют импульсной, если U, X, Y-непрерывные множества, и автоматом (абстрактным автоматом, цифровым автоматом, последовательностной машиной и т.п.), если U, X, Y – дискретные множества.

Заметим, что выбор аргументов у x'( ), x( ), U( ) в уравнениях (1) и (2) в дискретных по времени ДС не является однозначным [8-10] и должен определяться адекватностью модели с изучаемым явлением и простотой исследования.

ДС называется детерминированной динамической системой (ДДС) при однозначности и согласованности значения функций ( , ) и ( , ) с областями определения U, Y, X. Если функции ( , ) и ( , ) неоднозначны и переопределением множеств Х, Y и U и функций  и  однозначности функций и согласования областей определения достигнуть нельзя, то ДС называют вероятностной динамической системой (ВДС), а ее динамику описывают условными плотностями вероятности (у.п.в.) P (  ) и P (  ) , которые в случае ДДС вырождаются в  -функции Дирака




и плотностью вероятности (п.в.) начальных условий и времени начала работы системы Рн(Xн, Тн) и необходимыми п.в. P(u(t),u(t-1),...) входа u(t). Суммирование в формулах (3) и (4) производится по всем (t)   и (t)  H, соответствующим областям однозначности функции  и  соответственно. При этом . Аргумент t у множеств U, X, Y, когда они входят в выражения п.в., характеризует изменение во времени вероятностей, определенных на этих множествах (а не самих множеств), вследствие функционирования ДС.


Факты, представленные уравнениями (3) и (4), иногда записывают в форме стохастических уравнений, которые на физическом уровне строгости имеют вид




где (t) и (t) могут быть интерпретированы как шумовые процессы с соответствующими характеристиками.

Заметим, что в силу данных определений, вероятностное описание может быть у ДДС, если, например, на ее вход подается выход с ВДС, ибо две системы вместе образуют суммарную ВДС, или, например, когда у ДДС известка только п.в. начального состояния.

В каждом из этих типов ДС на основании конкретного вида уравнения (1) (в случае ДДС) или соответствующей п.в. (3) (в случае ВДС) и начальных условий (tн) (или соответствующей п.в. начальных условий) можно вычислить конечное состояние ДС x(tн) (в случае ДДС) или его п.в. (в случае ВДС) при воздействии на эту систему детерминированного или случайного процесса и затем вычислить с помощью уравнения (2) (или соответствующей п.в. (4)) выход, метку y(tk) (в случае ДДС) или ее п.в. P(y(tk)) (в случае ВДС).

Если математическая модель ДС не известна, то метку или ее распределение можно определить экспериментально на реальной ДС. Для определения метки в случае единичного эксперимента начальному состоянию x(tн) и процессу ставится в соответствие метка у(tk). В вероятностном случае следует провести набор экспериментов с ансамблем систем или получить этот набор с помощью повторных экспериментов с одной и той же системой. В результате получим набор соответствий




по которым можно определить распределение метки y(tk), i=1,2,...,N.

Из (5) видно, что эту метку можно рассматривать не как метку последнего внутреннего состояния ДС (и последнего значения сигнала u(tk), если уравнение динамики имеет форму Мили (2), а не его частный случай - форму Мура y(t)=(x(t)) ), a как метку (число, набор чисел - вектор или другие символы в зависимости от алфавита Y) конкретного входного сигнала. и начального состояния x(tн) в случае ДДС или как на у.п.в. Р(x(tk)/ x(tн), ) этой метки в случае ВДС.

Если имеем один экземпляр ДДС с “возвратной кнопкой”, которая приводит ДС перед каждым экспериментом, представленным в форме (5) в одно и то же начальное состояние во время каждого эксперимента на ДС воздействуем сигналом одной и той же формы и длины , то все метки в экспериментах (5) будут равны, и распределение y(tki) из “расплывчатого” превращается в  – функцию с максимумом на “одном” элементе, характеризующем только входную функцию .

В этом случае. пользуясь терминологией работы [l], метку уместно назвать сигнатурой входного сигнала , а саму ДДС, получающую эту метку, - анализатором сигнатур (АС).

Например, для функционирующего дискретно по времени АС последовательной итерацией из (1) и (2) получаем алгоритм его работы




где



Нестабильная сигнатура у АС, выполненного на базе ДДС, может получиться только вследствие нестабильности начального условия в AC (чего в правильно спроектированном АС не может быть) или неповторяемости входного сигнала , который является обычно выходным с контролируемой точки проверяемого объекта. Зная точность распределения сигнала, можно всегда путем интегрирования (7) найти распределение метки:



Для функционирующего непрерывно АС алгоритм его работы получаем из решения ,– уравнения (1) с начальным условием x(tн) и использования уравнения меток (2)




1.2. “Сжатие” данных и точность распознавания при сигнатурном анализе


Из уравнений дискретной (6) и непрерывной (8) реализации АС видим, что АС может производить значительное “сжатие массива данных” , если под сжатием понимать отношение объема массива информации входного сигнала к объему массива информации метки y(tk) (а не ко всему объему массива информации выходного сигнала y(tk) при всех значениях t  [tн ,tk], т.е. к . Благодаря этому обстоятельству для реализации АС необходим объем памяти, много меньший объема массива поступающей или выходной информации. Однако “сжатие” информации в АС достигается, очевидно, ценой неоднозначности распознавания входного процесса по его сигнатуре у(tк) и, следовательно, снижения точности распознавания. Тем не менее, точность распознавания сигналов с помощью АС, как показывает расчет, может быть высокой. Действительно , пусть алфавит U таков, что имеется q разных входных символов дискретного по уровню АС или градаций по входному уровню – для непрерывного АС. Здесь - максимально допустимый сигнал, - уровень шума. Пусть входной сигнал имеет m градаций по времени: m = tk - tk +1 для дискретного по времени АС или mTc f для непрерывного по времени АС (Tc - длительность сигнала, f - его полоса пропускания). Предположим, что метка (сигнатура) состоит из nm возможннх входных сигналов в qn вариантов сигнатуры. Сжатие информации при этом получается в k = qm/qn=qm-n раз. Очевидно. что СA разбивает все возможные сигналы на qn классов эквивалентности, в каждом из которых при определенных алгоритмах работы СА (см. раздел 2) может содержаться одинаковое число сигналов, равное k. В последнем случае можно проще оценить точность распознавания АС, которая, конечно, зависит от методики работы с АС. Перед работой в режиме распознавания на АС подают заведомо “правильный” сигнал с объекта, который затем может подвергаться контролю, и получают соответствующую сигнатуру. Поэтому, если АС в режиме распознавания при контроле объекта показывает правильную сигнатуру, и сигнал с объекта поступает правильный. то в силу того, что АС есть ДДС, вероятность распознать правильную последовательность как правильную Р(пр/ош) равна единице. Вероятность Р (пр/ош) равна отношению k-1 “неправильных”, “ошибочных” сигналов в классе эквивалентности, которые соответствуют правильной сигнатуре, к общему числу всех возможных входных сигналов за вычетом правильного: Р(пр/ош)=qm-n–1/qm–1 q-n. Например, для аналогового АС с =10 и n = 3, Р(пр/ош)=10-3. Для цифрового АС фирмы Hewlett Packard q=2, n = 16 и Р(пр/ош)= 2-161/65*10-3. Полученные оценки вероятностей справедливы при одинаковой мощности (числе элементов) в классах эквивалентности и равновероятном распределении входных сигналов. Если классы эквивалентности содержат, например, разное количество (ki, i=1,…, qn) элементов, то с учетом предположения равновероятности входных сигналов




Оценка эта очевидным образом изменяется введением вероятностной меры распределения входных сигналов при неравновероятном их распределении.


1.3. Получение сигнатур и теориЯ представления событий автоматами


В работах [I2-I4J развит способ задания абстрактных автоматов не через функции переходов и выходов (1) и (2), а через соответствия букв выходного алфавита Y={y1,…..,ys} автомата с фиксированным начальным состоянием хн и множеством S слов входного алфавита U ={ u1,….., uk}. Подмножество Si(u1,….., uk) с S слов произвольной длины входного алфавита называется “событием”, порождающим появление буквы уi на выходе автомата. Иначе говоря, событие Si представлено в автомате сигналом (буквой)yi . Из сказанного ясно, что сигнал - буква yi является одновременно и сигнатурой любого слова, входящего в Si, а само Si представляет собой класс эквивалентности , соответствующий сигнатуре yi.


Конечный автомат может быть задан с помощью таблицы.

Для частичного, не полностью заданного автомата требуется задавать множество Sзап запрещенных слов, не имеющее сигнатуры.


Событие

Буква выходного алфавита, сигнатура события

S1

y1

S2

y2

..




..




SL

yL

Sзап

––


Зная набор событий Si представленных в автомате (имеющих сигнатуры), можно, не пользуясь функциями (1) и (2) находить реакцию автомата на любое входное воздействие. Действительно, пусть входное слово имеет вид J=uj1, uj2,…, ujp. Найдем сначала событие Si1, в которое входит одна буква uj1, т.е первая буква входного сигнала заданного слова (“головка” входного сигнала). По таблице определяется однозначно первая буква yi, выхода. Далее найдем событие Si2, в которое входит слово uj2 и вторую букву yi2 выходного слова, которой представлено событие Si2; , и т.д. Например, для конкретной таблицы (Рис. 8, а) раздела 2.4 и для входного слова J =100000…. с помощью указанного приема получаем следующую “импульсную” реакцию R автомата: . Если учесть преобразование букв алфавита X в сигнатуры из Y по закону




то Х  Y и импульсная реакция R={1, 2, 4, 9, 3, 6, H, …}.


1.4. ПОЛУЧЕНИЕ СиГнатУр И ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ


М


етки представляют собой сжатые отображения обычно достаточно длинных последовательностей данных. Устройство, осуществляющее

это отображение, должно быть таким, чтобы полученные с

помощью него метки, показания и т.ч., были бы достаточно

информативными и содержали бы по возможности всю

информацию. В этом смысле устройство, получающее метки,

отличается от других устройств и измерительных

приборов лишь целенаправленностью функционирования,

которая была придана ему разработчиком. Поэтому общая

схема сравнения меток (Рис.1.) должна быть такая же,

как и в теории измерений или метрологической поверке

[15], и должна выдавать не только “индивидуальные”

метки с помощью “проверяемого” (0(,)) и “эталонного” объектов, но и дополнительно “взаимную метку”, "метку меток", т.е. некоторый результат их сопоставления по определенному правилу.

Удобным и согласованным с определением метки (раздел1.1.) законом сравнения меток с объектов может быть вычисление устройством (Рис.1) у.п.в.

меток у(t) и или их моментов (условного среднего, условной дисперсии и т.д.) на множестве слов (входных сигналов) в алфавите U, где  - вспомогательный параметр смещения.

При определении этой у.п.в. интервалы неопределенности хн и, и др. параметров условий желательно уменьшить, сохраняя приемлемой точность сравнения и не увеличивая существенно время эксперимента. Для экспериментальной оценки упомянутой п.в. и (или) ее моментов достаточно иметь для каждого из объектов 0 и набор соответствий типа (5). В случае устойчивых непрерывных или дискретных (только по времени) объектов 0 и условия эксперимента, входящие в у.п.в., упрощаются, так как собственные не вынужденные движения затухают, и можно считать, что 0 и ”стартуют” под влиянием внешнего воздействия всегда из “нулевого” началъного состояния .

Если далее дополнительно предположить, что объекты Рис.1 имеют скалярные входы и выходы (практически наиболее важный случай), то у.п.в. примет вид: и может быть просто технически оценена при “представительном” шумовом входном процессе u (t) [16-19]. Пользуясь терминологией п. 1.3 можно сказать, что условие в эксперименте при шумовом входном процессе u(t) “выбирает” из последнего только те “куски” реализации (входные слова), которые представлены меткой в моменты времени tki, где tki, i =1, 2,… - корни уравнения . Если начальные условия у ДC и сами ДС 0 и идентичны или отличаются только задержкой во времени величиной , , так как эти же самые “куски” одинаково представлены с помощью объектов 0 и . Если объекты 0 и и (или) их начальные условия отличаются, то представление одних и тех же “кусков” реализации процесса u(t) объектами 0 и будет различным. Отличие представлений и , i=1, 2,... одних и тех же событий из множества слов входного процесса характеризуется в первую очередь не равной нулю условной дисперсией, а также отличием условного среднего от .

В силу согласованности закона сравнения меток с определением метки в разделе 1.1, схема Рис.1, в частном случае вырождения ДС в канал связи, переходит в схему снятия сигнатур с помощью ДС 0.

Например, если:

  • в качестве процесса u(t) взять периодический сигнал желаемой формы (одно повторяющееся слово с паузой);

  • в качестве взять ДС с  0 и ;

  • установку 0 с помощью устройства  в начальное состояние проводить в моменты времени , определяемые уравнением и , порог , задержку , параметр =о выбрать таким образом, чтобы решения , уравнения соответствовали началу периода входного сигнала, а наблюдения на выходе 0 - концу периода, то схема Рис.1 может периодически определять, очевидно, сигнатуру одного периода сигнала.


1.5. “перемешиваемость” потоков данных при получении сигнатур


В предыдущих разделах говорилось о формальном сходстве процессов измерения и получения сигнатуры потока данных, так как последние, как и результаты измерения, являются финальным состоянием или характеристиками закона распределения этого финального состояния некоторой ДС, которая является измерительным прибором или устройством получения сигнатуры. Однако наиболее целесообразно метку (или финального финального состояния ДС, которая является измерительным прибором или устройством получения сигнатуры. Однако наиболее целесообразно метку (или распределение) финального состояния называть сигнатурой только в том случае, если ДС, с помощью которой получается эта метка, обладает "перемешивающим" свойством. Оно состоит в том, что при фиксированном начальном состоянии динамической системы со “сколь угодно мало” отлучающимся входным процессам u(t) и u(t)+u(t) могут соответствовать “сильно отличные” финальные состояния.

Свойствами перемешивания при u  0 обладают те аналоговые ДС (например, при U=Y=XR, где R – множество действительных чисел), которые при u(t)=0 могут вести себя подобно генератору сигналов сложной шумоподобной формы, т.е. имеют режим со “странным аттрактором”[8].

Свойствами перемешивания при u  0 обладают те дискретные ДС (например, при U=Y=XGF(q), где GF(q) - поле Галуа [20,23,24] из конечного числа q элементов), которые при u(t)=0 могут вести себя подобно генератору псевдослучайных последовательностей сложной формы с очень большим конечным периодом существенно превышающим (!) время эксперимента.

Ясно. что строгая формулировка требований перемешиваемости должна опираться на метрики в пространстве функций [u(t) t(tн, tk)] и пространстве Y. Отметим лишь, что такие свойства можно получить у ДС как за счет выбора функций , , так и за счет выбора алфавитов U, X, Y и операций над их элементами.[8,24]. Например, при компонентах ui, xi, y  R (R – множество действительных чисел) можно выбрать нелинейное уравнение движения  с гомоклиническими [8] особенностями и получить “перемешивание” входных процессов в непрерывной ДС. Для цифровых или “оцифрованных” с помощью АЦП аналоговых потоков данных можно взять ui, xi, y  GF(q) и получить свойство перемешивания даже с помощью формально линейной (!) ДС (см. раздел 2).

Практическая целесообразность требования перемешивания следует из того, что оно эквивалентно требованию очень высокой чувствительности ("гиперчувствительности") и разрешающей способности ДС к распознаванию очень большого количества различных меток, сигнатур. Для малоквалифицированного техника-оператора, проверявшего сигнатуры в сложном контролируемом устройстве с помощью анализатора с очень большой разрешающей способностью за счёт перемешивания, изменение сигнатуры будет вселять гораздо большую уверенность в неправильном функционировании устройства. Оператору в этом случае, достаточно лишь знать, что совпадает ли замеренная сигнатура с опорной, указанной в документации и в какой точке контролируемой схемы проверять следующую сигнатуру.


2.работа анализатора сИГнаТУр


2.1.математическая модель анализатора


Наиболее распространенная схема АС цифровых данных на сдвиговом регистре показана на Рис. 2. Математическая модель анализатора общего вида (Рис. 3,а) очевидна и соответствует системе уравнений (8), а Рис. 3,б - матричной форме (9), (10) этих же самых уравнений (8):







В формулах (8)-(10) компонента векторов ui, xi, y и элементы матриц А, В , С, D принадлежат пота Галуа GF(2) и принимают значения 0 и 1 с действиями сложения и вычитания по правилам 1+1=0+0=0, 1+0=0+1=1, -1+1, т.е. из a + b = с следует, что а = с + (-b) = с + b. Везде далее знак mod2 при сложении опускается, а знак “–” ставится там, где формулы справедливы в случае ui, xi, y  R, т. е. в непрерывной по u, х, у ДС, или, когда ui, xi, y  FG(2), q>2.

Далее везде, где не оговорено противное, можем под матрицами А, В, С, D понимать матрицы произвольного, а не частного вида, как в случае (10).






2.2. ФОРМУлЫ ДЛя ПОдсчета СиГнаТУр


Способом, аналогичным использованному при выводе уравнения (6), для их частного случая (9) получим:



В (13) и (14) матричная импульсная реакция Н() выражается в форме




Иногда вместо (13), (14) удобнее использовать форму




где штрих - знак транспонирования,




Все приведенные формулы можно использовать в качестве алгоритмов для подсчета сигнатур на ЦВМ, а при небольших размерностях матриц А, B, C, D и длине tk -tн+1 слова данных и “вручную”.


Хотя формально приведенные формулы описывают все варианты поведения АС при однократном вводе в него слова данных, чтобы “почувствовать” работу AC в общем случае, полезно, как увидим далее, рассмотреть примеры с небольшими размерами матриц A, В, C, D в двух случаях: в автономном (при u(t)=const) и вынужденном (при u(t)  const) режимах. Подход к изучению автономного режима рассмотрен в разделе 2.3, неавтономного – в разделе 2.4.


В случае повторяющихся данных, при каждом цикле их ввода в АС для изучения его работы достаточно приведенных выше формул для однократного ввода. Если данные меняются на каждом из циклов ввода, для оценки распределения сигнатуры следует воспользоваться рекомендациями раздела 1.1 и формулой (7), в которой в качестве функции  может быть взята любая из правых частей формул (11)-(14) или (16).


2.1 пространство состояний анализатора сигнатур


Автономный режим работы АС не является “рабочим режимом” АС, однако значение его работы, во-первых, помогает правильно использовать схему АС в качестве генератора теста и, во-вторых, а это самое главное, позволяет понять связь свойств АС в автономном и неавтономном режимах работы. Изучение автономного режима работы естественно проводить по структуре пространства состояний (фазового пространства) АС.

Состояние x(t)= (x1(t),…, xn(t)) определяется двоичным n-битным кодом, представляющим собой содержимое регистра сдвига (Рис. 3,а) или задержек (Рис. 3,б), а пространство состояний - множеством состояний с указанием переходов (графом переходов) АС из одного состояния в другое согласно формулам раздела 2.2. Пространство состояний АС при u(t) = 0 и всех вариантах вектора с = (с1,……,сn) обратной связи ((8)-(10) и Рис.3) для n=3 и n=4 представлено на Рис. 4.

Все состояния (Рис. 4) изображаются точками с метками для компактности в десятичном коде, вычисляемыми по формуле , а переходы в каждый такт работы - стрелками. Видим, что состояние x=(0, 0, ... , 0) во всех случаях соответствует устойчивому состоянию.

Из него система АС не может выйти без воздействия (u(t)0) извне. АС перед началом работы удобно установить именно в это состояние, так как при любой длине последовательности “данных” m= tk -tн+1 (размера “окна” данных) сигнатура “корпуса” проверяемого объекта равна “нулю” . Как следует из Рис. 4, фазовое пространство (пространство состояний) АС имеет структуру, зависящую от вектора с = (с1,……,сn) обратной связи.





При некоторых с могут существовать несколько точек равновесия (с = (1000) и др.) или несколько раздельных предельных циклов (с = (1011)и др.). а также и точки равновесия, и предельные циклы вместе взятые (с = (001) и др.). Кроме того, у одного и того же количества точек равновесия и предельных циклов (с = (001), с = (0010) и др.) могут быть различные множества состояний (областей притяжения), из которых система приходит к какому-либо предельному множеству (состоянию равновесия или предельному циклу). Для удобства анализа рядом с графами пространства состояний приведены некоторые справочные данные. Во-первых, указаны все  - предельные множества , характеризующие поведение АС при tk – tн  . Максимальное значение индекса уi характеризует их число, первый аргумент в i – число элементов в i-м  - предельном множестве (при =1 имеем состояние равновесия, при > I предельный цикл с состояниями). Второй аргумент характеризует множество состояний, из которых осуществляется переход к предельным состояниям. Всегда . Если > имеются области притяжения из состояний. Как видно из Рис. 4 и 5, по i (,) можно построить все i для n меньших 3 и 4, а также некоторые i , для n больше 4. Указаны все различные степени матрицы A, необходимые для использования формул (11) – (17).



Указана матрица Ф(m) для случая С=Е, B=(1, 0, ..., 0)’, D = 0. Приведенное число столбцов в матрице Ф определяется их периодом и предпериодом (Рис. 4).



Структура пространства состояний, как известно, жестко связана с характеристическим уравнением ДС для А и А-1 , если последняя существует. Характеристические уравнения x()=det|E-A|mod2 и для примеров поведения систем Рис. 4 приведены на Рис.6. Обратная матрица А-1, соответствующая матрице A втада (10), находится по формуле



а характеристические полиномы прямой и обратной матрицы - по формулам



Изучение АС в автономном режиме с матрицей А вида (10) исчерпывает все способы его поведения, так как в случае матрицы А произвольного вида можно, как известно, неособым преобразованием x(t)-= Fz(t) всегда придти к перкой естественной форме матрицы F, т.е.. р одному или нескольким блокам вида (10). Характеристическое уравнение х() системы при этом, как нетрудно проверить, сохраняется и, следовательно, имеет такие яе корни.


2.4. таблицы соответствия

Для изучения работа АС в вынужденном режиме (U(t)O), режиме приемника целесообразно результаты расчета сигнатур последовательностей данных фиксированной длины m по формулам раздела 2.2 представлять в форме таблицы соответствия (рис.7).представляющей собой часть таблицы приведенной на стр. 6,так как “событие”, представляемое сигнатурой уi (рис. 7), содержит только слова, коды Kij длины m соответствующей выбранному размеру “окна” данных. Из соотношения (16) ясно, что столбец сигнатур зависит от начальных условий, а коды Kij в строках таблицы - только от матрицы Ф и не зависят от начальных условий.



Из соотношения (16) следует, что таблица соответствия (Рис. 7) определяет гомоморфизм группы входных кодов { Kij}{u’(tн), u’(tн+1), …., u’(tk-1), u’(tk)}ij в группу сигнатур {yi} Л с групповыми операциями 1 и 2, определенными в каждой из указанных групп как сложение по модулю 2 (или q, если xi, yj, u  GF(q)) соответствующих компонент векторов Кij и yi и элементами симметрии относительно векторов с нулевыми компонентами, равными самим элементам групп (при (q = 2) или их дополнениям до нулевых векторов (q2). Действительно, из формулы (16) для сигнатур yi и ys в i-й и S-й строке Рис. 7 имеем



Складывая почленно эти отношения, при q = 2 имеем




т.е. “суммарный” элемент группы входных кодов отображается в “суммарный” элемент группы сигнатур с помощью исходного преобразования Ф, задаваемого Рис. 7.

Если q>2, формула (20) справедлива только при х(tн) = 0. Tax как среди yi есть один (например, y1) нейтральный элемент , то при x(tн) = 0 соответствующий ему нейтральный элемент Kij в силу линейности (16) также находится в первой строке среди кодов Кij, j=-l, 2,.... Все коды первой строки (нулевого класса эквивалентности) образуют подгруппу группы всех входных кодов. Этот факт следует из (20) при i = s =1. Все остальные классы эквивалентности , соответствующие сигнатурам yi, i = 1, 2, . . . , qn, представляют собой разложение группы входных кодов по подгруппе кодов нулевого класса эквивалентности. Как следует из теории группы [20], все классы эквивалентности АС должны содержать одинаковое число элементов, т.е. таблица Рис. 7 всегда прямоугольная, если АС построен на базе линейной ДС. Таблица имеет N=qn классов эквивалентности с Рqm-n элементами в каждом классе. Если mn, то соответствие между кодами и сигнатурами однозначно.

Рекомендуется до обращения к разделу 4, где перечислены основные свойства АС в неавтономном режиме, внимательно рассмотреть полученные в результате моделирования таблицы соответствия (Рис.8, а, б) для АС с векторами обратной связи с = (0011) и с = (1001), матрицами С=Е, В=(1,0,0,0)`, D =0, x(tн)=0, m=(17), проверив их групповые свойства. Заметим, что в каждой из таблиц Рис. 8 имеется фактически семь таблиц типа Рис.7 с m=1, 2,…., 7, каждая из которых имеет описанные свойства. В отличие от таблицы на стр.6, которая может содержать  число элементов, в таблице Рис. 8 каждый класс эквивалентности, который представляет соответствующая сигнатура, содержит конечное число элементов в силу ограничения на m7.




Рис. 8. Таблицы соответствий кодов данных и сигнатур с n=4, C=E, D =0, В = (1000)', x(tн) = (0000)' при m=1-7 для с=(0011), (а) и с=(1001), (б). Порядок следования компонент: сигнатуры - у4, у3, у2, у1,; кода данных - u(m), u(m-1), …., u(2), u(1).


С помощью матриц Ф с В =(1000)', С = Е ,3)=0 Рис. 4 легко проверить соответствие любого кода данных и сигнатуры, приведенных на Рис.8. Действительно,для кода OIOOII нулевого класса с с=(1001) по формуле (16) имеем:




3. свойства анализатора сИГНаТУр


3.1. свойства анализатора сигнатур в автономном режиме U(t)=0 (режим генератора последовательностей)


Рассмотрим основные особенности автономного режима работы АС, связанные с характеристическими уравнениями (19), существованием обратной матрицы А-1 и структурой и - и - предельных множеств, являющихся подмножествами пространства состояний АС. —предельным множеством пространства состояний называется его подмножество, в которое может ДС придти и оставаться в нем при t  . —предельным множеством называется подмножеством пространства состояний, в которое АС может однозначно придти и оставаться в нем при t  - . Когда АС является конечным автоматом (см. раздел 1.1) в - и - предельные множества он приходит за конечное число шагов.

1. - предельные множества существую всегда, - предельные — только у систем, у которых существует А-1. Существование - предельных множеств означает, что можно восстановить прошлые значения последовательности генерируемой АС по их настоящему значению.

Действительно, из (16) имеем




2. Если в характеристическом уравнении x() присутствует корень  = 0,то ДС имеет области притяжения у всех -предельных множеств с числом шагов до попадания в эти - предельные множества, равным кратности “s” корня =0. При этом, очевидно, А-1 не существует, а вектор обратной связи (о.с.) имеет вид и для каждого .

3. - предельные множества существуют, ели у - предельных множеств нет областей притяжения, которые вносят неоднозначность при обратном движении по траекториям (ветвям графа) пространства состоянии, т.е. при s = 0 (см. п. 2).

4. Если в характеристическом уравнении х() Т-й степени матрицы А имеется корень =1, то у ДС существует хотя бы одно - предельное множество .

При Т= 1 получаем состояние равновесия, а при Т> 1 - предельный цикл.

Действительно, из условия в силу (16) получаем уравнение или . Это уравнение имеет нетривиальное решение при . Это условие совпадает с условием .

5. Любая последовательность, генерируемая в АС, удовлетворяет разностному уравнению имеющему характеристическое уравнение x() вида (20) (следствие уравнения (8)).

6. Существует 2n различных последовательностей, которые могут генерировать АС при каждом с= (с1 …… сn).

Из свойства 5 следует, что существует 2n начальных состояний АС, а так как траектория пространства состояний однозначно определяется начальным состоянием и уравнением в свойстве 5, то число различных последовательностей будет 2n.

7. Среди последовательностей п. 6 существуют шумоподобные псевдослучайные последовательности максимальной длины (ПСПМД) со структурой пространства состояний 1(1, 1) и 2(2n –1, 2n –1).

ПСПМД существуют при таких векторах обратной связи (такой матрице А), при которых в силу свойств 2, 3, 4 xA () не содержит ни нулевых, ни единичных корней. Однако этого условия (см. Рис. 5, 6) недостаточно. Дополнительно требуется, чтобы xA () не делил многочлен при Т<2n –1 и делил при Т=2n –1, т.е. необходимо представление только при Т=2n –1.

Действительно, по теореме Гамильтона–Кели матрица А является корнем своего характеристического уравнения xA ()0. Поэтому из представления следует, что и в силу свойства 4 условие делимости на xA () эквивалентно естественному условию Ат = Е.

Например (см. Рис. 4-6), для n= 4 вектору с = (1001) соответствует ПСПМД с периодом Т=2n –1 = 15. Характеристическое уравнение (см. Рис. 6) делит полином



и не делит полиномы степеней Т<15.

8. Если генерируемые АС последовательности снимаются с соответствующих разрядов регистра не непосредственно(СЕ в (16) ), то установившийся период последовательности yr(t) совпадает с таковым для С=Е.

Все приведенные свойства легко проверяются на конкретных примерах (см. Рис. 4-6).


3.2. СвоЙСТва ПОслЕДОВАТЕльностей МАКСИМАльной длинЫ


1. Для каждого вектора обратной связи, дающего ПСПМД, существует 2n –1 вариантов, отличающихся циклическим сдвигом.

Каждый вариант ПСПМД однозначно определяется начальным состоянием регистра сдвига (свойство тривиально в силу периодичности ПСПМД).

2. Любая ПСПМД удовлетворяет разностному уравнению (следствие свойства 5 п.3.1.).

3. Если окно ширины n перемещается вдоль ПСПМД длины 2n –1, то каждый из 2n –1 наборов нулей и единиц будет виден точно один раз (следствие однозначно определяется свойствами 1 и 2).

4. Любая ПСПМД длины 2n –1 содержит 2n-1 единиц и 2n-1 –1 нулей (нулей на один меньше, так как состояние 0 = (0...0) не содержится на цикле 2(2n –1, 2n –1)).

5. Любая ПСПМД длины 2n –1 имеет одну серию символов, состоящую из n единиц подряд: две серии символов из n-1 единиц подряд и т.д. до половины серий, состоящих из одной единицы. Столько же и таких же серий имеется из нулей за исключением серии из n нулей подряд, которая отсутствует (следствие свойств 1-4).

6. Любые две одинаковые по длине ПСПМД в сумме почленно дают также ПСПМД, так как сумма двух решений (8) есть также решение.

7. Отличавшиеся сдвигом ПСПМД длины 2n –1 в соответствующих позициях имеют: 2n-1 –1 несовпадающих символов, 2n-2 совпадающих единиц, 2n-2 –1 совпадающих нулей (в силу свойств 5 и 6).

8. Коэффициент корреляции (i) периодически продолженной ПСПМД представляет собой периодическую функцию периода 2n –1 и равную (im)=1 (1, 2, …) и (s)= –1/m,sim (m=2n –1) [21,22] (в силу свойства 7).

9. Любая ПСПМД, реализованная на регистре сдвига с вектором обратной связи c=(c1, c2, …, cn-1, cn), cn=1, может быть превращена в обратную по отношению к исходной последовательности выбором симметричного вектора обратной связи (сn-1, сn-2, ..., с1, 1).

Свойство является следствием существования обратной матрицы A-1 с вектором обратной связи, соответствующим ПСПМД, и вида характеристических уравнений (19).

10. Число любых ПСПМД с фиксированным вектором о.с. - четное число (в силу свойства 9). О полном числе ПСПМД длины 2n –1 cм. в работах [21, 22].

11. Любые ПСПМД имеют четное число единиц в векторе обратной связи. (В противном случае =1 будет корнем x() над полем GF(2) и x() распадется на множители).

12. ПСПМД, которые требуют минимальное число (двух) ненулевых компонент вектора обратной связи для n  33, приведены в работе [22], векторы обратной связи для каждого n  168 - в работе [23], ненулевые компоненты вектора для n  41 - в приложении 1.

13. При u(t) = 1 вместо u(t) = 0 ПСПМД превращается в ПСПМД с инвертированными символами.

Действительно, замена в уравнении (8) для xi(t) приводит в силу свойства 11 к такому же уравнению, но для .

Другие доказательства ряда перечисленных и некоторых, не приведенных здесь свойств, рассмотрены в работах [21, 22, 24, 28].

3.3. СВОЙСТВА AнAлизаTOра СиГНаТУр в ВЫНУЖДЕННОМ реЖиМе U(t)0 (режиМ ПриеМника посЛЕДОВаТельностей)


В вынужденном режиме свойства АС характеризуются свойствами таблицы соответствия между последовательностями данных и сигнатурами (Рис. 7). Далее рассматриваем АС для конкретности, но без потери общности для случая xi, yi, uGF(2).

1. При каждом m таблица входных кодов имеет 2n строк и 2m-n столбцов. Чем больше “сжатие” (2m)/2n = 2m-n) входных последовательностей, тем больше неоднозначность (2m-n) их кодирования АС (см. Рис. 7).

2. При любых параметрах АС таблица входных данных фиксированной длины представляет собой разложение группы (в алгебраическом' смысле) всех кодов длины m на смежные классы (классы эквивалентности) по собственной подгруппе кодов, помещенной в первую строку таблицы (определение групповой операции дано в разделе 2.4.).

3. i-я строка (i = 2,..., 2n) таблицы входных кодов получается из первой путем сложения ее кодов с каким-нибудь одним из кодов i-й строки, например, стоящим под нулевым кодом первой строки.

Доказательство следует из свойства 2 и материалов, рассмотренных в разделе 2.4. Например, из Рис. 8, б для m = 7 для кодов второй строки имеем равенства: 0011111 = =0010011+0001100, 0101010 = 0100110+0001100 и т.д.

4. Каждая строка входных кодов образует класс эквивалентности, соответствующий одной и той же сигнатуре. Первая строка образует “нулевой” класс эквивалентности (следствие свойства 2).

5. “Разность” (сумма, так как q=2) между входными кодами одного и того же класса эквивалентности всегда соответствует коду, который расположен в первой строке таблицы (следствие свойства 3 или соотношения (20)). (Проверяется по Рис. 8.)

6. “Сумма” (разность, так как q=2) любого входного кода i-й. (i =1, 2, ..., 2n) и первой строки образует код, расположенный в той же i-й строке (следствие соотношения (20)). (Проверяется по Рис. 8.)

7. “Сумма” (разность) любого входного кода из i-й строки и с любого входного кода из j-й строки таблицы дают код, расположенный в новой не i-й и не j-й строке таблицы (следствие соотношения (20)). (Проверяется по Рис. 8.)

8. “Сумма” (разность) сигнатуры любого кода из i-й строки и сигнатура любого кода из j-й строки таблицы дают сигнатуру класса эквивалентности, в который попадает сумма любого из входных кодов i-й и j-й строки таблицы соответствия (следствие соотношения (20)). (Проверяется по Рис. 8). Действительно, например, выбирая при m = 7 код 0001100 для i=2 и код 1110001 для j = 16, получим сумму 1111101, которой соответствует сигнатура 1110. Сигнатуры для i =2 и j = 16 (cм. Рис. 8) соответственно равны 0001 и 1111, а их сумма, очевидно, соответствует сигнатуре 1110 суммарного входного кода.

Все перечисленные свойства АС являются фактически следствием того, что алгоритм работы АС определяет гомоморфизм группы входных кодов в группу сигнатур. Практическая роль этих следствий становится яснее из следующих свойств АС.
  1   2




Похожие:

К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconДокументы
1. /Кирьянов К.Г. Сигнатурный анализ. Методическое пособие. 1999.doc
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconДокументы
1. /Кирьянов К.Г.Сигнатурный анализ. Методическое пособие. 1999.doc
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconКирьянов геннадий Павлович, капитан-директор на судах Севрыбхолодфлота. Возглавлял экипаж плавбазы «Рыбный Мурман»
Кирьянов геннадий Павлович, капитан-директор на судах Севрыбхолодфлота. Возглавлял экипаж плавбазы «Рыбный Мурман». Ученик капитана...
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconДокументы
1. /анализ/Лекции/1 задачи анализа.doc
2. /анализ/Лекции/10...

К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ icon9 мая в селе у обелиска погибшим воинам в Великой Отечественной войне
У обелиска на посту стояли учащиеся школы: Зайцев Павел ( 9 кл.) и Кирьянов Александр ( 10 кл.)
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconПоследний звонок для выпускников 2011 года
Рощинский Павел, Клундук Алексей, Золоторевич Наталья, Андриенко Александр, Андреева Анастасия, Долюк Илья, Кирьянов Александр
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconКорсак вячеслав Николаевич
Кирова», «Воркута», «Печенга», «Атлантика». Затем – капитан-наставник, старший моринспектор флота. Учениками Корсака стали впоследствии...
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ icon8 февраля в состоялась районная развлекательная игра среди старшеклассников района «Вперёд, школяры!»
Команда нашей школы «Стимул», в которую вошли: Стрелковский Виктор (11 кл.), Золоторевич Наталья (10 кл.), Чернявская Ольга (11 кл.)...
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ icon2 октября в г. Назарово состоялась зональная военно-спортивная игра «Енисейский меридиан». Участниками игры стала команда учащихся 10-11 классов нашей школы
В состав команды вошли: Андриенко Александр (11 кл.), Рощинский Павел (11 кл.), Клундук Алексей (11 кл.), Кирьянов Александр (11...
К. Г. Кирьянов сигнатурный анализ iconДокументы
1. /Анализ за 2008-2009/Анализ учебы за год 2008-2009.doc
2. /Анализ...

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов