Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение хаотических сигналов для передачи информации 18
1.1 Анализ способов передачи информации с помощью хаотических сигналов 18
1.2 Сравнительная характеристика способов передачи информации с помощью хаотических сигналов 26
1.3 Виды помех в канале связи 33
1.4 Выводы по главе 38
ГЛАВА 2. Синтез помехоустойчивой системы связи на основе хаотических сигналов 40
2.1 Критерии для постановки задачи разработки способа передачи информации для помехоустойчивой системы связи 40
2.2 Анализ возможных путей повышения помехоустойчивости при приёме широкополосных хаотических сигналов 41
2.3 Способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика 47
2.4 Нелинейная система для способа передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика 50
2.5 Выводы по главе 58
ГЛАВА 3. Разработка и анализ математической модели системы связи на основе инвариантного хаотического синхронного отклика 59
3.1 Среда математического моделирования 59
3.2 Разработка математической модели системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика и анализ её характеристик
3.3 Разработка генератора хаотических сигналов для способа передачи информации на основе инвариантного хаотического синхронного отклика 73
3.4 Разработка модели системы связи на основе способа инвариантного синхронного отклика для передачи аналоговой информации90
3.5 Выводы по главе 93
ГЛАВА 4. Анализ помехоустойчивости способа передачи информации на основе инвариантного хаотического синхронного отклика 95
4.1 Оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в радиоканалах связи первого типа 95
4.2 Оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в радиоканалах связи второго типа 106
4.3 Анализ возможности практической реализации системы связи .117
4.4 Выводы по главе 118
Заключение 120
Список литературы
- Сравнительная характеристика способов передачи информации с помощью хаотических сигналов
- Анализ возможных путей повышения помехоустойчивости при приёме широкополосных хаотических сигналов
- Разработка математической модели системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика и анализ её характеристик
- Оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в радиоканалах связи второго типа
Введение к работе
Актуальность темы
Необходимость обеспечения качественными телекоммуникациями в независимости от места нахождения объектов всегда была важной задачей. Решение вопроса «последней мили» вызвало массовое внедрение беспроводных устройств связи в самых разных сферах деятельности человека, что вызвало существенное ухудшение помеховой обстановки радиоканала, приводящее к снижению качества связи. Особенную трудность вызывает мобильность объектов связи и источников помех и, связанную с этим быструю изменчивость помеховой обстановки. Вопросы повышения помехоустойчивости систем связи всегда имели большое значение. Основы теории повышения помехоустойчивости были заложены ещё в 1947 году академиком В.А. Котельниковым.
Дальнейшее развитие теории помехоустойчивости связано с работами
А.А.Пистолькорса, В.И.Сифорова, Е.Г.Мамота, Л.Е.Варакина,
Н.Т.Петровича, Д. Миддлтона, Д. Ван Метера, К.Шеннона, Д.Слепяна, К.А.Мешковского, Н.Е.Кириллова. Большой вклад в исследование методов обработки сигналов в гауссовских шумах внесли Б.Р.Левин, Ю.С.Шинаков, В.П.Шувалов, а в исследование методов обработки сигналов в негауссовских каналах и стохастических системах - Ш.М.Чабдаров, Н.З.Сафиуллин, А.Ф.Надеев.
Совершенствование беспроводных телекоммуникационных систем идет одновременно по нескольким направлениям: увеличение скорости передачи информации, повышение надежности и помехоустойчивости системы, более эффективное использование частотного ресурса, повышение энергетической и структурной скрытности. В связи с этим в настоящее время широкополосные системы радиосвязи практически полностью вытеснили другие виды систем связи в решении вопроса «последней мили», обеспечивая высокую помехоустойчивость, конфиденциальность и высокую скорость передачи информации.
Однако формирование широкополосных сигналов на основе цифровых псевдослучайных последовательностей (ПСП) имеет определенные недостатки. Использование длинных ПСП затрудняет синхронизацию между принимаемым сигналом и опорной последовательностью, а использование коротких ПСП не даёт необходимой структурной скрытности. Кроме того, существует ограниченное количество кодовых вариантов ПСП, что сдерживает их применение в многоадресных системах связи.
Одним из вариантов решений, способным потеснить ПСП в широкополосных системах связи, является применение динамических хаотических систем. Потенциальные возможности, присущие системам связи на основе динамического хаоса, привлекают все большее количество исследователей и ученых. Являясь по природе своей широкополосными сигналами с шумоподобной структурой, хаотические колебания представляют огромный интерес для конфиденциальных помехоустойчивых систем связи. Хаотические сигналы имеют бесконечную временную последовательность, что существенно повышает структурную скрытность систем связи на их основе. Свойство самосинхронизации приёмника с передатчиком, сплошной спектр мощности, возможность реализации множества хаотических последовательностей на одном генераторе хаоса -все это позволяет рассчитывать на широкое применение хаотических сигналов в системах связи в недалёком будущем.
Лидирующее положение в отечественной науке в области использования хаотических колебаний занимают, прежде всего, ИРЭ РАН (Ю.Л.Бельский, А.С.Дмитриев, Н.Н.Залогин, В.В.Кислов, А.И.Панас, А.А.Потапов, С.О.Старков). Большой вклад в развитие и исследование хаотических сигналов вносит «Саратовская группа Теоретической Нелинейной Динамики» (С.П.Кузнецов, А.П.Кузнецов, В.С.Анищенко, В.В.Астахов, Б.П.Безручко, А.А.Короновский, О.И.Москаленко, П.В.Попов, А.Е.Храмов и др.). Вопросами исследования динамики процессов синхронизации и хаотизации в сложных системах взаимосвязанных генераторов, а также синхронизации систем с хаотической динамикой занимается группа под руководством В.Д.Шалфеева (ННГУ им. Лобачевского). Вопросами синтеза радиоэлектронных, квантовых систем и фрактальных структур занимаются в КНИТУ им А.Н.Туполева (В.В.Афанасьев, Ю.Е.Польский, М.П.Данилаев).
За рубежом наибольший вклад в развитие и исследование хаотической динамики внесли Л. Чуа Л. Пекора и Т. Кэрролл (США). Значимые результаты в применении хаотических сигналов для телекоммуникаций получены научной группой института нелинейных исследований в Сан Диего (Brown R., Rulkov N.F., Tsimring L.S.) и Abarbanel H.D.I. (США). Большая работа в исследовании скрытой передачи информации с помощью хаотических сигналов ведется Alvarez G., Montoya F., Pastor G., Romera M. (Испания) и Shujun L., Chen G., Мои X., Zhou J., He Z., Huang J. (Китай).
Однако вопросы помехоустойчивости способов передачи информации с хаотическими сигналами при работе через стохастические радиоканалы,
несмотря на многочисленные исследования по применению хаотических сигналов в системах связи, не получили до настоящего времени отражения ни в российских, ни в зарубежных работах. Причина недостаточного внимания исследователей к данному вопросу обусловлена тем, что большинство известных способов передачи информации с хаотическими сигналами не способны работать в стохастических радиоканалах, где идёт рассеяние энергии передаваемого элемента сигнала во времени, по частоте и в пространстве.
Поэтому диссертационное исследование, направленное на повышение помехоустойчивости широкополосных систем связи за счёт использования новых способ передачи информации на основе систем с хаотическими сигналами является актуальным.
Научно-техническая проблема - обеспечение качества передачи информации в широкополосных систем связи при работе по каналу связи с помехами и искажениями.
Предметом исследования является способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Объектом исследования является система связи на хаотических сигналах.
Цель и задачи диссертационного исследования
Диссертационная работа посвящена исследованию способов передачи информации широкополосных систем связи на основе динамического хаоса. Целью работы является повышение помехоустойчивости широкополосных систем связи.
Задача, решаемая в диссертации, заключается в исследовании характеристик способов передачи информации с помощью хаотических сигналов и выработке на этой основе предложений по их построению.
Для решения поставленной задачи необходимо решить следующий ряд
более частных задач:
Исследование характеристик способов передачи информации с помощью хаотических сигналов и определение путей оптимизации их показателей.
Синтез помехоустойчивого способа передачи информации на основе хаотических сигналов.
Разработка математической модели системы связи на основе динамического хаоса и генератора хаотических сигналов, обладающего свойством инвариантности.
4. Анализ помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Методы исследования
В работе применен синтез структуры оптимального приёмника с использованием методов теории нелинейных динамических систем, теории колебаний, теории автоматического управления, методов статистической теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории обработки сигналов, теории поведения сложных динамических систем в условиях внешних возмущений. В качестве критерия оптимальности была выбрана помехоустойчивость системы связи при заданных требованиях к системе связи.
Для проверки полученных решений, использовался метод компьютерного имитационного моделирования с использованием программного продукта Simulink, входящего в состав пакета программ Matlab.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
Разработан помехоустойчивый способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Разработана хаотическая нелинейная система с инвариантными свойствами, обладающая устойчивостью к внешним возмущениям и позволяющая формировать заданный спектр.
Подтверждены результатами математического моделирования теоретические оценки помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Показана возможность передачи аналоговой информации в системе связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяется корректным использованием математических моделей, используемых для оценки влияния помех и искажений в каналах связи, а также хорошим согласованием теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования и их сопоставления с известными в литературе данными. Положения, выносимые на защиту
Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов, использующий инвариантный синхронный хаотический отклик.
Математическая модель хаотической нелинейной системы с инвариантными свойствами, обладающая устойчивостью к внешним возмущениям и позволяющая формировать заданный спектр.
Математическая модель системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Результаты исследования помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Личный вклад автора
Автором произведен обширный анализ современных решений в области передачи информации с помощью хаотических сигналов. Сформулированы критерии к системе связи на основе хаотических сигналов. Разработан помехоустойчивый способ передачи информации с помощью хаотических сигналов на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. Разработаны структура системы связи и генератор хаотических колебаний с инвариантными свойствами. Предложена математическая модель системы связи, использующая инвариантные свойства генератора хаотических колебаний, и произведены её исследования в различных условиях.
Публикации и апробация полученных результатов
Автором опубликовано 11 печатных работ по теме диссертации, из них 3 работы в изданиях, определённых ВАК.
Материалы диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Перспективы и темпы научного развития» (Тамбов, 2009), на IX Международной научно-технической конференции «Физика и технический приложения волновых процессов» (Миасс, Челябинская обл., 2010), на VI Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2010), на Международной конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2011» (Нижний Новгород, 2011), на IV Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2010), на Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций -2011» (Казань, 2011), на V Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2011), на VII Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2011).
Эффективность предложенных решений проверена в ходе эксплуатации компьютерной модели системы связи и подтверждена актом внедрения на предприятии ОАО «Сарапульский радиозавод» (г. Сарапул).
Практическая значимость работы
Разработанный помехоустойчивый способ передачи информации с помощью хаотических сигналов на основе инвариантного синхронного хаотического отклика позволяет проектировать и реализовать эффективные широкополосные многоадресные системы связи.
Разработанная структура системы связи и генератора хаотических сигналов с инвариантными свойствами для её реализации повышает помехоустойчивость и надежность систем связи на основе хаотических сигналов.
Полученная по результатам математического моделирования оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика позволяет выявить области её практического применения.
Работа выполнялась в рамках фундаментальной НИР «Теоретические основы повышения надежности систем передачи данных широкополосных сигналов за счет использования сигналов с фрактальной размерностью» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (№ госрегистрации НИР: 01201000530).
Сравнительная характеристика способов передачи информации с помощью хаотических сигналов
Системам связи на основе хаотической несущей для передачи информационного сигнала в последние годы уделяется все большее внимание [5,160-161]. Хаотический сигнал по природе своей является широкополосным сигналом с шумоподобной структурой. При достаточно близких, но не равных значениях параметров генератора хаотического сигнала получаются различные реализации. Сигналы, полученные для отличающихся параметров нелинейной системы, могут быть практически ортогональны, что потенциально даёт возможность одновременно передавать несколько потоков данных в одном канале связи. Совокупность таких свойств хаотических сигналов, как самосинхронизации приёмника с передатчиком, сплошной спектр мощности, возможность реализации множества хаотических последовательностей на одном генераторе хаоса представляют огромный интерес для конфиденциальных помехоустойчивых систем связи.
Впервые о возможности применения хаотических сигналов для передачи информации заговорили после открытия Л. Пекора и Т. Кэрролл возможности синхронизации двух источников хаотических колебаний. В своих работах Л. Пекора и Т. Кэрролл [138-140] показали возможность синхронизации нерегулярных колебаний, что послужило основой для возникновения предположения об использовании хаотических колебаний в качестве носителей информационных сообщений. В дальнейшем это направление получило своё развитие во многих работах [100,110]. Во многом интерес к системам с хаотической несущей связан с возможностью организации скрытной (конфиденциальной) связи [7,78-79,110]. Для некоторых способов передачи информации восстановление информационного сигнала может быть произведено даже в случаях, когда мощность хаотической несущей находится ниже уровня шумов, что означает возможность сокрытия не только самой информации, но и самого факта её передачи, что в ряде задач имеет первостепенное значение [40,88]. В случаях же, когда хаотическая несущая может быть обнаружена при несанкционированном доступе, для восстановления информации из неё требуется точное знание структуры источника хаотических колебаний и способа, которым информация была внесена в хаотическую несущую [78-79,96].
Известные способы передачи информации с помощью хаотических колебаний можно разделить на следующие категории: схемы, использующие режим полной хаотической синхронизации (хаотический синхронный отклик); схемы на основе фазовой синхронизации; схемы, использующие режим обобщённой синхронизации; схемы на основе относительного приёма (differential chaotic shiftkeying - DCSK); энергетический приём.
Первыми получили своё развитие схемы, использующие режимы полной хаотической синхронизации между передающей и приёмной стороной [30]. В большинстве таких схем используются две идентичные нелинейные системы. Одна является генератором хаотического сигнала, а другая представляет собой нелинейный согласованный фильтр. Поэтому в ряде литературных источников вместо термина «полная хаотическая синхронизация» используется термин «хаотический синхронный отклик», которой мы и будем придерживаться. Рассмотрим некоторые известные схемы этой категории.
Маскирование информационного сигнала хаотическим колебанием (chaotic masking) [163]. Данный способ применяется для передачи только аналоговой информации. При этом способе информационный сигнал s(t) подмешивается к выходному хаотическому колебанию u(t). Так как уровень сигнала s(t) много меньше, чем уровень сигнала u(t), то при неизвестной форме сигнала u(t) выделение информационного сигнала для стороннего наблюдателя будет затруднено. Смесь хаотического сигнала u(t) и информационного сигнала s(t) поступает на идентичную приёмную хаотическую систему, которая входит в синхронизм с сигналом u(t). Так как информационный сигнал s(t) представляет собой лишь малое возмущение для приёмной системы, то возникнет приближённая синхронизация между передающей и приёмной хаотическими системами. Для выделения информационного сигнала s(t) необходимо в приёмнике вычесть из принятой смеси информационного s(t) и хаотического u(t) сигналов выходной сигнал приёмной хаотической системы. К недостаткам этого способа можно отнести низкую энергоэффективность системы, так как уровень информационного сигнала s(t) много меньше уровня несущего хаотического сигнала u(t), и связанная с этим малая устойчивость к помехам в канале связи. Повышение уровня информационного сигнала s(t) относительно u(t) приведёт к снижению конфиденциальности передачи информации, а также к нарушению синхронизации между передающей и приёмной системой.
Переключение хаотических режимов (chaotic shift keying) [40,96]. Данный способ применяется для передачи цифрового информационного сигнала. Цифровой двоичный информационный сигнал s(t) управляет ключом, который производит переключение значения параметра хаотической системы, генерируя выходной хаотический сигнал вида Ui(t) или U2(t). Изменение значения параметров хаотической системы выбирается таким, чтобы возникала устойчивая синхронизация между передающей и приёмной хаотической системой при одном значении параметра, и отсутствовала синхронизация между системами при другом значении параметра. Данный способ более устойчив к воздействию помех в канале связи, но является относительно медленным, так как для установления синхронизации между передающей и приёмной системой требуется время [44].
Анализ возможных путей повышения помехоустойчивости при приёме широкополосных хаотических сигналов
Большой интерес вызывают исследования, посвященные поведению хаотических систем в условиях помеховых воздействий и искажений в реальном радиоканале [72,108]. Это обусловлено постоянным ростом требований к качеству обработки информации со стороны пользователей. С ростом количества беспроводных устройств растут и помеховые воздействия на системы связи. Часто их влияние столь велико, что они определяют качество работы системы в целом. Поэтому анализ помехоустойчивости для реального радиоканала весьма важен для практики. Основная часть работ в данной области посвящена исследованию влияния наиболее простых и распространенных помех в виде аддитивного широкополосного гауссовского шума [92]. Однако не всегда этот вид помех является определяющим. Необходимо исследовать влияние импульсных и случайных сосредоточенных по частоте помех на работу указанных устройств, а также помех, по структуре повторяющих полезный сигнал. Под данный тип помех подходят помехи других станций, работающих на близкой частоте, что характерно для сотовых систем, условий многолучевого распространения сигналов и т.д. Малоизученным остается вопрос помехоустойчивости систем связи на хаотических сигналах при многих типах внешних воздействий, которые при некоторых условиях являются определяющими для качества работы системы. Среди них немаловажное значение имеет изучение работы систем связи на хаотических сигналах в коротковолновом (KB) диапазоне. Несмотря на неоднократно высказываемое мнение, что KB радиосвязь будет вытеснена другими видами связи, этого не происходит. Интерес производителей средств связи к радиосистемам KB диапазона в настоящее время увеличивается. Наиболее важным данное направление является для различных силовых ведомств, таких как МЧС, МО РФ, ФСБ и другие. Радиосвязь в KB диапазоне позволяет предоставить мобильным абонентам цифровые каналы связи при помощи оборудования с малыми габаритами и с экономичными энергетическими характеристиками. Организация радиосвязи вне зоны прямой видимости без использования ретрансляторов является неоспоримым преимуществом KB радиосвязи. Требование к скрытности передаваемых данных, ужесточение требований к достоверности передаваемой информации, уменьшение свободного частотного ресурса заставляет использовать каналы, ранее считавшиеся непригодными для своевременной и помехоустойчивой передачи данных. Однако очень мало работ посвящено анализу помехоустойчивости систем связи на хаотических сигналах в условиях присутствия фазовых искажений и Доплеровского рассеяния.
Так как виды помех, определяющих помехоустойчивость системы связи, имеют особенности для различных радиоканалов, то в диссертационном исследовании рассматривается помехоустойчивость систем связи на хаотических сигналах при работе по двум типам радиоканалов, отличающимся друг от друга по составу помех и характеру распространения сигнала.
К первому типу рассматриваемых радиоканалов относятся прямые радиолинии, где сигналы передаются непосредственно между передающим и приёмными трактами. К этому типу радиоканалов относятся сантиметровые (3-30 ГГц), миллиметровые (30-300 ГГц) и в меньшей степени дециметровые (300-3000 МГц) частотные диапазоны. Из них в настоящее время широко используются только дециметровый и сантиметровый диапазоны. Системы связи, работающие по каналам первого типа, характеризуются высокими требованиями к конфиденциальности и скорости передачи информации, совместным одновременным использованием каналов несколькими корреспондентами, когда несколько устройств системы связи работают в одном и том же частотном диапазоне. Такие каналы характеризуются в первую очередь наличием в них многолучевого распространения сигнала, связанного с отражениями сигнала от окружающих зданий и крупных объектов и присутствием флуктуационных, импульсных и сосредоточенных помех. В первую очередь помехоустойчивость широкополосных средств связи зависит от воздействия флуктуационной помехи, у которой все многомерные распределения мгновенных значений нормальны. Такая помеха наиболее полно изучена и представляет наибольший интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении. Ее теоретическое значение заключается в том, что она имеет наибольшую энтропию при заданной средней мощности и поэтому в наибольшей степени снижает пропускную способность канала. Практическое значение нормальной флуктуационной помехи связано с тем, что, во-первых, она неизбежно присутствует во всех реальных каналах в виде тепловых шумов, возникающих в аппаратуре, во-вторых, она достаточно хорошо аппроксимирует сумму любых помех, происходящих от многочисленных источников, которые всегда присутствуют в реальных радиоканалах. В большинстве случаев нормальная флуктуационной помеха имеет равномерный спектр в столь широкой полосе частот, что ее можно считать практически бесконечной. Такая помеха носит название «нормальный аддитивный белый шум» и полностью характеризуется спектральной плотностью. Аддитивная помеха n(t) представляет собой, как и сигнал, случайный процесс. Для точного определения результата воздействия сигнала с помехой на приёмное устройство необходимо иметь полную статистическую характеристику сигнала и помехи. Однако в большинстве случаев можно ограничиться частичными данными о помехе, например одномерным распределением вероятностей и спектральной плотностью. В диссертации мы ограничимся рассмотрением нескольких типичных видов помех, представляющих собой идеализацию, достаточно хорошо описывающую большую часть реально
Разработка математической модели системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика и анализ её характеристик
Рисунок 19. Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с генератором Хенона и сумматором при работе по каналу связи с помехой SNR=0 дБ: а) информационный сигнал; б) модулированный хаотический сигнал на входе приёмника; в) сигнал с выхода приёмной нелинейной системы; г) сигнал с выхода сумматора.
На рисунке 20 показаны временные диаграммы системы связи с генератором Хенона, демонстрирующей выделение информационного сигнала методом синхронного детектирования при передаче модулированного несущего хаотического сигнала по каналу связи без помех. На следующем рисунке 21 можно наблюдать работу системы связи по каналу связи с помехой при отношении сигнал/шум SNR=20 дБ. При таком уровне помех выделение информационного сигнала происходит очень уверенно. ., і і 1 і i—
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с генератором Хенона и синхронным детекором при работе по каналу связи без помехи: а) информационный сигнал; б) модулированный хаотический сигнал на входе приёмника; в) сигнал с выхода приёмной нелинейной системы; г) сигнал с выхода синхронного детектора.
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с генератором Хенона и синхронным детекором при работе по каналу связи с помехой SNR=20 дБ: а) информационный сигнал; б) модулированный хаотический сигнал на входе приёмника; в) сигнал с выхода приёмной нелинейной системы; г) сигнал с выхода синхронного детектора.
Однако уже при достижении отношения сигнал/шум SNR=8 дБ наблюдается нарушение синхронного хаотического отклика генератора Хенона рисунок 22. А при мощности помех равных мощности сигнала (рисунок 23) выделение информационного сигнала становится невозможным.
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с генератором Хенона и синхронным детекором при работе по каналу связи с помехой SNR=0 дБ: а) информационный сигнал; б) модулированный хаотический сигнал на входе приёмника; в) сигнал с выхода приёмной нелинейной системы; г) сигнал с выхода синхронного детектора. Анализируя результаты моделирования системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика с генератором Хенона можно констатировать правильность предположения о возможности выделения информационного сигнала путём формирования опорного сигнала из модулированного несущего колебания с помощью инвариантного синхронного хаотического отклика и дальнейшей операцией синхронного детектирования либо суммирования сигналов. Однако желаемого повышения помехоустойчивости систем связи на хаотических сигналах не позволяет добиться генератор Хенона, отвечающий за выделение опорного сигнала. Это связано с малой устойчивостью генератора Хенона к помехам в канале связи и нарушению синхронного хаотического отклика системы.
На рисунке 26 приведены временные диаграммы сигналов системы связи с нелинейной системой Спротта при отсутствии помех в канале связи. При анализе рисунка 26(6) и в) сразу становится заметной несимметричность несущего хаотического колебания относительно нуля, что не позволяет добиться структурной скрытности передачи информации. Выделение информационного сигнала происходит в соответствии с нашими предположениями о работе способа передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с нелинейной системой Спротта и сумматором для канал связи без помех: а) информационный сигнал; б) модулированный сигнал с передатчика; в) выходной сигнал приёмной нелинейной системы Спротта; г) сигнал с выхода сумматора.
Показанные на рисунке 27 диаграммы сигналов работы системы связи при отношении сигнал/шум в канале связи SNR= 25 дБ показали высокую чувствительность нелинейной системы Спротта к шумам в канале связи. llp1
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с нелинейной системой Спротта и сумматором для канала связи с помехой SNR=18 дБ: а) информационный сигнал; б) модулированный сигнал с передатчика; в) выходной сигнал приёмной нелинейной системы Спротта; г) сигнал с выхода сумматора.
Выделение информационного сигнала в системе связи с нелинейностью Спротта, применяя метод синхронного детектирования, показано на рисунке 29. Как и в схеме с сумматором, выделение информационного сигнала при работе по каналу связи без помех идёт без ошибок. Однако начиная с отношения сигнал/шум SNR=25 дБ в канале связи (смотри рисунок 30) начинается нарушение синхронизации между системами. И при отношении сигнал/шум SNR=18 дБ (рисунок 31) работа системы становится невозможной.
Временные диаграммы сигналов в различных точках системы связи с нелинейной системой Спротта и синхронным детектором для канала связи с помехой SNR=18AB: а) информационный сигнал; б) модулированный сигнал с передатчика; в) выходной сигнал приёмной нелинейной системы Спротта; г) сигнал с выхода синхронного детектора.
По результатам моделирования работы системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика с нелинейной системой Спротта можно сделать вывод о работоспособности разработанного способа передачи данных. Однако помехоустойчивость в такой системе связи в большей степени определяется видом используемой нелинейной системы и её устойчивостью к помехам в канале связи.
Разработка генератора хаотических сигналов для способа передачи информации на основе инвариантного хаотического синхронного отклика
На основании результатов исследования и математического моделирования инвариантной системы связи на основе генераторов хаотических колебаний Хенона (Непоп) и Спротта (J.Sprott) были сформулированы требования, предъявляемые к генератору хаоса в системах связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика:
Исходя из этих требований, был разработан генератор хаотических колебаний с задержкой и дискриминатором в цепи обратной связи. Генератор разработан на основе автоколебательной системы с запаздыванием и инерционностью [37], дополненной дискриминатором. Выбор данной структуры генератора хаотических колебаний был продиктован простотой его реализации и наличием большого накопленного опыта различными авторами в их разработке и исследовании. Структурная схема генератора хаотических сигналов приведена на рисунке 32. Генератор состоит из замкнутых в кольцо нелинейного элемента, фильтра низких частот, линии задержки и дискриминатора.
Оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в радиоканалах связи второго типа
Моделирование проводилось для трёх различных частот гармонической помехи: а) в первой трети спектра частот системы связи; б) в центральной части спектра частот системы; в) в третьей части спектра частот системы связи. Моделирование показало практически одинаковые результаты для всех вариантов частоты гармонической помехи. На рисунке 74 и рисунке 75 показаны общие результаты моделирования.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что помехоустойчивость инвариантной системы связи в условиях действия гармонической помехи практически не зависит от частоты помехи и базы сигнала, а определяется только отношением мощности полезного сигнала и помехи. Уверенная работа системы связи нарушается, если мощность гармонической помехи соизмерима или больше мощности полезного сигнала.
Для повышения помехоустойчивости системы к воздействию гармонической помехи возможно использование цифровых режекторных фильтров, построенных на основе прямого и обратного преобразования
Фурье. Так как используемый генератор хаотических сигналов имеет сплошной ровный спектр мощности, то разложение смеси сигнала и гармонической помехи на коэффициенты Фурье сразу покажет частоту помехи с большой амплитудой. Ограничив значение коэффициентов с максимальной амплитудой по среднему значению огибающей спектра и проведя обратное преобразование Фурье, получим существенное ослабление мощности гармонической помехи.
Для систем передачи информации с использованием хаотических сигналов импульсные помехи с большой амплитудой и длительностью много меньшей длительности бита информации могут привести, как к появлению ошибочного бита информации, так и к срыву синхронизации. Второй вариант нарушения связи является более тяжёлым, так как приводит к ошибке приёма сразу нескольких бит.
В качестве импульсной помехи при моделировании использовался прямоугольный импульс с различной длительностью и амплитудой. Длительность импульса помехи составляла от 0,2 до 0,002 длительности бита информации. Амплитуда импульса помехи превышала максимальную амплитуду сигнала от 10 до 1000 раз. Исследования проводились для сигнала с базой В=100. Пример воздействия импульса помехи на систему связи показан на рисунке 76.
Временный диаграммы системы при воздействии импульсной помехи длительностью 0.2 длительности бита: а) информационный сигнал; б) выходной сигнал передатчика; в) импульс помехи; г) сигнал на входе приёмника; д) сигнал на умножителе; е) сигнал с интегратора; ж) восстановленный информационный сигнал.
Результаты моделирования показали, что наибольшее влияние на помехоустойчивость системы оказывали импульсы помехи с большой мощностью (большой длительности и с большой амплитудой), которые приводили к появлению ошибочного бита. Срыва синхронизации не происходило при любых значениях длительности и амплитуды помехи.
Для повышения помехоустойчивости инвариантной системы к импульсным помехам достаточно ограничивать амплитуду сигнала на входе приёмника на уровне утроенного среднего значения сигнала и предусмотреть для интегратора ограничение максимальной скорости нарастания сигнала. Данные меры позволят сделать инвариантную систему связи полностью нечувствительной к импульсным помехам любой амплитуды длительностью менее 0,2 длительности бита информации.
Оценка помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в радиоканалах связи второго типа.
Далее проводилось математическое моделирование для оценки возможности работы инвариантной системы связи по радиоканалу KB диапазона.
KB ионосферная радиосвязь характеризуется, в основном, многолучёвостью и замираниями. Передаваемый сигнал обычно проходит по нескольким траекториям или типам волн к приёмнику посредством одного или многократных отражений от слоев ионосферы. Так как время распространения по траекториям разное, то принятый сигнал может состоять из нескольких составляющих, распределённых во времени в интервале до нескольких миллисекунд. Средние высоты слоев ионосферы могут увеличиваться или уменьшаться во времени, что вносит различные (Доплеровские) сдвиги частот на каждой из составляющих многолучевого распространения. Ионосфера турбулентна, что вызывает Доплеровское рассеяние каждой составляющей и результирующее замирание полного принимаемого сигнала. Все эти эффекты искажают сигнал и ухудшают рабочие характеристики систем связи [95].
Одним из путей решения этих задач стало использование широкополосных сигналов. Применение таких сигналов позволяет существенно снизить отрицательный эффект многолучевого распространения и замираний, и проводить приём цифровой информации в условиях, когда мощность помех в рабочей полосе превышает мощность сигнала. При этом за счет низкой спектральной плотности сигнала не происходит существенного роста помех действующим системам связи [17].
В качестве генератора используется тот же генератор хаотических колебаний с задержкой и дискриминатором в цепи обратной связи. Генератор разработан на основе автоколебательной системы с запаздыванием и инерционностью, дополненной дискриминатором.
