Прямохаотические системы связи

Прямохаотические системы связи — цифровые системы связи на хаотических сигналах, в которых формирование хаотической несущей и модуляция информационным сигналом происходят непосредственно в полосе частот связи.

История

Идея прямохаотической связи была сформулирована в 2000 году в лаборатории ИнформХаос Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН) в статье^[1] и препринтах.^[2][3] Эта идея родилась в результате анализа предшествующих работ по применению динамического хаоса для передачи информации.

Работы по использованию хаоса в системах связи проводились еще в 80-х годах прошлого века ^[4], однако интенсивные исследования в этом направлении стартовали в начале 90-х годов. Возникший интерес был во многом связан с открытием явлений хаотической синхронизации ^{[5] [6] [7]} и хаотического синхронного отклика ^[8]. Первые серьезные успехи были связаны с тем, что на начальном этапе исследований для ряда модельных схем была продемонстрирована возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов ^{[9] [10] [11] [12] [13]}. В схеме с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический, передача речевых и музыкальных сигналов в низкочастотном и радиодиапазонах была продемонстрирована экспериментально ^[14].

Однако дальнейшие исследования показали, что системы связи, использующие хаотическую синхронизацию (или хаотический синхронный отклик), имеют серьезные ограничения на качество канала связи и не являются, на ближайшую перспективу, практически применимыми.

Следующим важным шагом было осознание того, что, возможно, следует отказаться от использования хаотической синхронизации для того, чтобы улучшить характеристики систем связи, использующих хаос. В работе ^[15] было показано, что при использовании динамического хаоса можно получить неплохие характеристики связных систем. Эти характеристики хотя и уступают характеристикам традиционных систем, но уже не в такой степени, как это имеет место для систем с хаотической синхронизацией.

Дальнейшим шагом на пути создания практических систем стал подход, связанный с существенным упрощением схемы связи за счет отказа от преобразований сигнала по частоте вверх/вниз и применения некогерентной (некорреляционной, энергетической) схемы приема. Этот подход привел к появлению прямохаотической схемы передачи информации.

Принципы прямохаотической связи

Идея прямохаотической передачи информации: формирование несущего хаотического сигнала, его модуляция и демодуляция происходят в полосе частот канала связи, информация передается при помощи хаотических радиоимпульсов

В основу прямохаотических схем связи заложены три базовых принципа:

1. источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе радио или СВЧ-диапазона;
2. ввод информационного сигнала в хаотический осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радиоимпульсов;
3. извлечение информации из СВЧ-сигнала производится без промежуточного преобразования частоты.

С некоторыми оговорками к прямохаотическим системам можно отнести и системы, в которых несущий хаотический сигнал в радио или СВЧ-диапазоне получают путем некоторого преобразования исходного (более низкочастотного) хаотического сигнала, например, путем воздействия его на генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Для прямохаотических систем связи могут быть использованы следующие виды сигналов:

• маломодовые (многомодовые) хаотические колебания, генерируемые нелинейными динамическими системами в требуемых диапазонах частот;
• фазовый хаос, получаемый с помощью систем ФАПЧ;
• хаос, получаемый путем преобразования «амплитудно-частотного хаоса» в «фазовый хаос».

Прямохаотические системы могут быть узкополосными, широкополосными и сверхширокополосными. Данное свойство определяется характеристиками используемого хаотического сигнала.

Хаотический радиоимпульс

Ключевым понятием представленной технологии является хаотический радиоимпульс. Он представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Полоса частот хаотического радиоимпульса определяется полосой частот исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, и в широких пределах изменения длины импульса не зависит от его длительности. Это существенно отличает хаотический радиоимпульс от классического радиоимпульса, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого определяется его длиной.

В прямохаотических системах связи могут использоваться различные виды модуляции: наличие или отсутствие хаотического импульса на информационной позиции (chaotic on-off keying — COOK), относительная хаотическая манипуляция (differential chaotic shift keying — DCSK), модуляция позиций импульсов (pulse position modulation — PPM) и т.д. Существенно, что для передачи информации здесь используется не непрерывный сигнал, а поток импульсов. Поэтому наряду с методом модуляции важными характеристиками являются длина импульса и скважность. Вариация этих характеристик определяет скоростные свойства системы связи и ее устойчивость для различных типов каналов связи.

См. также

• Chaos communications
• Сверхширокополосная связь
• Динамический хаос
• UWB

Примечания

1. ↑ Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А., Панас А.И., Старков С.О. "Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ диапазонах", Радиотехника, 2000, № 3, с.9-20
2. ↑ Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А.,Панас А.И., Старков С.О. "Прямохаотическая передача информации в СВЧ-диапазоне". Препринт № 1 (625). М.: ИРЭ РАН, 2000
3. ↑ A. S. Dmitriev, A. I. Panas, and S. O. Starkov, Direct Chaotic Communication in Microwave Band, (Electronic NonLinear Science Preprint, nlin.CD/0110047) http://arxiv.org/abs/nlin.CD/0110047
4. ↑ Дмитриев А.С., Кислов В.Я., Панас А.И и др. Система связи с шумовой несущей: А.с. 279024 СССР, 1985
5. ↑ Fujisaka H., Yamada T. // Prog. Theor. Phys. 1983. V. 69. P. 32.
6. ↑ Pikovsky A. // Z. Physik B. 1984. V. 55. P. 149.
7. ↑ Афраймович В.С., Веричев Н.И., Рабинович М.И. // Изв. вузов. Сер. Радиофизика. 1986. Т. 29. № 9. С. 1050
8. ↑ Pecora L.M., Carroll T.L. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64 № 8. P. 821.
9. ↑ Chua L.O., Kocarev L., Eckert K. et al. // Int. J. Bifurcation and Chaos. 1992. V. 2. P. 705.
10. ↑ Cuomo K., Oppenheim A. // Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. № 1. P. 65.
11. ↑ Halle K.S., Chai W.W., Itoh M. et al. // Int. J. Bifurcation and Chaos. 1993. V. 3. № 2. P. 469.
12. ↑ Hasler M., Dedieu H., Kennedy M., Schweizer J. // Proc. of Int. Symp. on Nonlinear Theory and Application. Hawaii, USA, 1993. P. 87.
13. ↑ Волковский А.Р., Рульков Н.В. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. № 3. С. 71.
14. ↑ Дмитриев А.С., Панас А.И., Старков С.О. Эксперименты по передаче музыкальных и речевых сигналов с использованием динамического хаоса: Препринт № 12(600). М.: ИРЭ РАН, 1994.
15. ↑ Kolumban G., Kennedy M.P., Chua L.O. // IEEE Trans. 1997. V. CS-44. P. 927.

Литература

• А.С. Дмитриев, А.И. Панас. «Динамический хаос: новые носители информации для систем связи». М.: Изд. Физико-математической литературы, 2002, 252 c. ISBN 5-94052-052-9
• А.С. Дмитриев. «Динамический хаос и информация», Нелинейные волны' 2002. Нижний Новгород: ИПФ РАН , 2003, с. 53-76.