ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2185032

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Имя изобретателя: Дмитриев А.С.; Панас А.И.; Старков С.О.; Андреев Ю.В.; Кузьмин Л.В.; Кяргинский Б.Е.; Максимов Н.А. 
Имя патентообладателя: Дмитриев Александр Сергеевич
Адрес для переписки: 121609, Москва, ул. Крылатские холмы, 1, кв.343, А.С.Дмитриеву
Дата начала действия патента: 2000.10.06 

Изобретение относится к области передачи информации с расширением спектра, осуществляемой с помощью хаотических сигналов. Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов характеризуется тем, что на передающей стороне формируют широкополосный носитель информации в заранее заданной полосе частот передачи информации с помощью хаотической динамической системы, модулируют носитель информации информационным сигналом, передают промодулированный носитель информации по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, демодулируют, выявляют области параметров хаотической динамической системы, обеспечивающие однотипное поведение, на основании выявленных областей параметров выбирают значения параметров, обеспечивающие формирование широкополосного носителя информации в виде хаотического носителя информации с требуемыми по меньшей мере спектральными характеристиками. Достигаемый технический результат - реализация систем связи, в которых информация вводится в хаотический сигнал.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области передачи информации с расширением спектра, осуществляемой с помощью хаотических сигналов.

В настоящее время известно, что хаотические сигналы, генерируемые нелинейными детерминированными динамическими системами, так называемый динамический хаос, обладают целым рядом свойств, способствующих применению этих сигналов для передачи информации. В частности, показана перспективность использования хаотических сигналов в качестве несущих или модулируемых колебаний (А.С. Дмитриев, А.И. Панас, С.О. Старков. Динамический хаос как парадигма современных систем связи // Успехи современной радиоэлектроники, 1997, 10, с. 4; М. Хаслер. Достижения в области передачи информации с использованием хаоса // Успехи современной радиоэлектроники, 1998, 11, с. 33). Предложен ряд конкретных схем передачи информации, использующих динамический хаос, в частности схема хаотической маскировки информационного сигнала (L. Kocarev, K.S. Halle, К. Eckert, L. Chua, U. Parlitz. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization // Int. J. Bifurcation and Chaos, 1992, v. 2, 3, p.709), схема с переключением хаотических режимов [Н. Dedieu, М. Kennedy, М. Hasler. Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuits // IEEE Trans. Circuits and Systems, October 1993, v. CAS-40, 10, p. 634), схемы с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический (А.Р. Волковский, Н.В. Рульков. Синхронный хаотический отклик нелинейной системы передачи информации с хаотической несущей // Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, 3, с. 71; A. Dmitriev, A. Panas, S. Starkov. Experiments on speech and music signals transmission using chaos // Int. Journal of Bifurcation and Chaos, 1995, v. 5, 3, p. 371) и др. Обсуждаются возможности создания прямохаотических систем связи, в которых хаотические колебания выступают в качестве носителя информации, генерируемого непосредственно в области частот, где происходит передача информации. Например, в области сверхвысоких частот (А. С. Дмитриев, Б. Е. Кяргинский, Н. А. Максимов, А.И. Панас, С.О. Старков. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио- и СВЧ-диапазонах // Радиотехника, 2000, 3, с. 9).

Существует две разновидности способов передачи информации с расширением спектра. Первая из этих разновидностей использует узкополосный периодический носитель информации. Примерами являются системы МДКР - многопользовательского доступа с кодовым разделением каналов, а также системы с частотной модуляцией, в которых полоса частот передаваемой информации существенно меньше полосы частот передаваемого сигнала. В другой разновидности передачи информации с расширением спектра используется принципиально широкополосный носитель, полоса частот которого шире полосы частот передаваемой информации. (Патент США 16097, Н 04 К 1/00, March 18, 1960). К этому типу следует также отнести системы с расширением спектра за счет перескоков частоты несущего сигнала (J Proakis. Digital Communication. McGraw-Hill, Inc., New York, 1995, p. 741).

Наиболее близким аналогом способа по настоящему изобретению является способ передачи информации, основанный на расширении спектра несущего сигнала за счет перескоков частоты, в котором на передающей стороне формируют широкополосный носитель информации в заранее заданной полосе частот передачи информации, модулируют носитель информации информационным сигналом, передают промодулированный носитель информации по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, а на приемной стороне демодулируют принятый носитель информации для извлечения информационного сигнала (см. упомянутую выше монографию J Proakis).

В отличие от этого в предлагаемом изобретении формирование широкополосного носителя информации осуществляется с помощью хаотической динамической системы, генерирующей хаотические сигналы непосредственно во всей области частот передачи информации (например в области сверхвысоких частот - СВЧ). Для того чтобы использовать указанные сигналы в качестве широкополосного носителя, необходимо решить проблемы генерации хаотических колебаний в требуемой области частот электромагнитного спектра, а также разработать эффективные методы ввода информации в хаотический сигнал на передающей стороне и извлечения из упомянутого сигнала на приемной стороне. К настоящему намечены лишь направления создания таких систем, работающих на подобном принципе, но не конкретные их реализации СВЧ (см. упомянутую выше статью А.С. Дмитриева в журнале "Радиотехника).

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа передачи информации с помощью хаотических сигналов, обеспечивающего в качестве технического результата реализацию систем связи, в которых информация вводится в хаотический сигнал, генерируемый непосредственно в диапазоне передачи информации, называемых в дальнейшем прямохаотическими системами связи.

Для решения указанной задачи с достижением упомянутого технического результата в способе передачи информации с помощью хаотических сигналов, заключающемся в том, что на передающей стороне формируют широкополосный носитель информации в заранее заданной полосе частот передачи информации, модулируют носитель информации информационным сигналом, передают промодулированный носитель информации по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, а на приемной стороне демодулируют принятый носитель информации для извлечения информационного сигнала, в соответствии с настоящим изобретением упомянутое формирование широкополосного носителя информации осуществляют с помощью хаотической динамической системы, структуру которой предварительно синтезируют по заранее заданным характеристикам упомянутого широкополосного носителя информации, при синтезировании упомянутой хаотической динамической системы выявляют области ее параметров, обеспечивающих однотипное поведение упомянутой хаотической динамической системы, на основе упомянутых выявленных областей параметров выбирают для данной хаотической динамической системы значения параметров, обеспечивающие формирование упомянутого широкополосного носителя информации в виде хаотического носителя информации с требуемыми по меньшей мере спектральными характеристиками, упомянутую модуляцию осуществляют путем формирования в соответствии с информационным сигналом хаотических радио- или оптических импульсов заданной длительности с заданными временными интервалами между этими импульсами, после чего и передают промодулированный носитель информации по каналу связи, упомянутые прием и демодуляцию на приемной стороне осуществляют с помощью динамической системы, согласованной по своему поведению с упомянутой хаотической динамической системой передающей стороны.

Частное отличие данного способа состоит в том, что в качестве хаотической динамической системы используют динамическую автоколебательную систему с по меньшей мере одним активным элементом и дополнительной частотно-избирательной структурой для формирования широкополосного носителя информации.

При этом динамическую автоколебательную систему дополняют регулирующими элементами для выбора режима формирования широкополосного носителя информации и/или для формирования радио- или оптических импульсов и интервалов между ними, либо формирование радио- или оптических импульсов и интервалов между ними осуществляют в цепи дополнительной обратной связи на передающей стороне.

Еще одно частное отличие данного способа состоит в том, что формирование хаотических радио- или оптических импульсов заданной длительности временных интервалов между ними осуществляют путем управления поведением хаотической динамической системы.

При этом управление поведением хаотической динамической системы осуществляют путем управления изменением ее параметров либо путем управления траекторией изображающей точки в фазовом пространстве состояний данной хаотической динамической системы.

Управление же траекторией осуществляют путем изменения начальных условий запуска данной хаотической динамической системы либо путем удержания траектории изображающей точки в фазовом пространстве состояний данной хаотической динамической системы в заданной области упомянутого фазового пространства состояний в течение заданного времени.

Еще одно частное отличие данного способа состоит в том, что длительности хаотических радио- или оптических импульсов и/или интервалов между ними формируют с помощью хаотических отсчетов, порождаемых дополнительной хаотической динамической системой, и вводимой информацией, подлежащей передаче.

Еще одно частное отличие данного способа состоит в том, что прием и демодуляцию на приемной стороне могут осуществлять с помощью хаотической динамической системы, поведение которой по меньшей мере частично синхронизировано с хаотическим сигналом упомянутой хаотической динамической системы на передающей стороне.

Наконец, еще одно частное отличие данного способа состоит в том, что прием и демодуляцию на приемной стороне могут осуществлять с помощью динамической системы, выходной сигнал которой согласован с огибающей сигнала хаотической динамической системы на передающей стороне.

Из существующего уровня техники неизвестны источники информации, в которых была бы описана вся совокупность существенных признаков данного способа, что позволяет считать его новым.

Из существующего уровня техники неизвестны также источники информации, в которых была бы описана совокупность отличительных признаков данного способа, что позволяет считать его имеющим изобретательский уровень.

Краткое описание чертежей

Возможные выполнения данного способа проиллюстрированы в описании чертежами, представленными для более полного понимания предлагаемого изобретения.

схема генератора хаотических колебаний с использованием тунельного диода. схема генератора хаотических сигналов в виде цепи Чуа.

На фиг. 1 представлена схема генератора хаотических колебаний с использованием тунельного диода.

На фиг. 2 изображена схема генератора хаотических сигналов в виде цепи Чуа.

схема кольцевого автогенератора хаотических колебаний с полутора степенями свободы. общая функциональная схема системы передачи информации для реализации способа по настоящему изобретению и эпюры сигналов в различных узлах схемы.

На фиг 3 приведена схема кольцевого автогенератора хаотических колебаний с полутора степенями свободы.

На фиг.4 показана общая функциональная схема системы передачи информации для реализации способа по настоящему изобретению и эпюры сигналов в различных узлах схемы.

вид хаотического радио- или оптического импульса. вид хаотических импульсов при их формировании с помощью информационного бинарного сигнала.

На фиг.5 представлен вид хаотического радио- или оптического импульса.

На фиг.6 показан вид хаотических импульсов при их формировании с помощью информационного бинарного сигнала.

иллюстрирует формирование потока хаотических радио- или оптических импульсов с использованием дополнительной хаотической динамической системы.

Фиг.7 иллюстрирует формирование потока хаотических радио- или оптических импульсов с использованием дополнительной хаотической динамической системы.

представлена схема возможного выполнения динамической автоколебательной системы для реализации способа по настоящему изобретению.

представлена схема возможного выполнения динамической автоколебательной системы для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг. 8 представлена схема возможного выполнения динамической автоколебательной системы для реализации способа по настоящему изобретению.

изображен типичный спектр мощности хаотических сигналов, генерируемых хаотической автоколебательной системой по фиг.8. представлена возможная схема для осуществления некогерентного приема в соответствии с настоящим изобретением и эпюры сигналов в различных узлах схемы.

На фиг.9 изображен типичный спектр мощности хаотических сигналов, генерируемых хаотической автоколебательной системой по фиг.8.

На фиг.10 представлена возможная схема для осуществления некогерентного приема в соответствии с настоящим изобретением и эпюры сигналов в различных узлах схемы.

показана возможная схема приема с синхронизацией хаотических динамических систем для способа по настоящему изобретению. приведены осциллограммы хаотических радиоимпульсов в канале связи и их огибающей, выделенная на приемной стороне.

На фиг. 11 показана возможная схема приема с синхронизацией хаотических динамических систем для способа по настоящему изобретению.

На фиг. 12 приведены осциллограммы хаотических радиоимпульсов в канале связи и их огибающей, выделенная на приемной стороне.

Предпочтительные выполнения изобретения

Прежде чем перейти к описанию возможных выполнений данного изобретения, остановимся на особенностях лежащего в его основе динамического (или детерминированного) хаоса.

Под детерминированным хаосом понимается сложное непериодическое движение, порождаемое нелинейными динамическими системами. Это движение может возникать при полном отсутствии внешних шумов и полностью определяется свойствами самой детерминированной динамической системы. Динамический хаос обладает многими свойствами случайных процессов, например сплошным спектром мощности, экспоненциально спадающей автокорреляционной функцией, непредсказуемостью на большие интервалы времени.

При описании поведения динамических систем используется понятие фазового пространства, в котором состояние системы изображается точкой, а изменение этого состояния во времени - фазовой траекторией, вдоль которой перемещается изображающая точка. Системы с детерминированным хаосом имеют в фазовом пространстве притягивающее множество, где фазовые траектории как бы собираются в единое русло. Это притягивающее множество называется странным аттрактором.

К настоящему времени предложено и исследовано значительное количество динамических систем, генерирующих хаотические сигналы. Простейшей динамической системой, порождающей хаос, является дискретная динамическая система - так называемое логистическое отображение

x(k+1) = mx(k) (l-x(k)). (1)

В определенных областях значений параметра m уравнение (1) порождает непериодическую бесконечную последовательность отсчетов x(k).

Простейшие хаотические системы с непрерывным временем описываются всего тремя обыкновенными дифференциальными уравнениями, и по меньшей мере часть из них представляет собой генераторы, построенные путем добавления одного или нескольких элементов в стандартные генераторы регулярных колебаний. Другие источники хаоса не так просто связать с традиционными электронными генераторами, однако они также могут быть реализованы с помощью современной элементной базы. Типичными примерами источников хаоса с полутора степенями свободы являются следующие системы.

Генератор с туннельным диодом (А.С. Пиковский, М.И. Рабинович. Простой автогенератор со стохастическим поведением // ДАН СССР, 1978, т. 239, . 1-2. с. 301). Уравнения генератора в безразмерной форме имеют вид

x' = y -dz,

yў = -x+2Uy+az+, (2)

mz' = x - f(z),

где f(z) - нелинейная характеристика туннельного диода; a, b, U и d - параметры. Схема генератора показана на фиг.1.

Цепь Чуа (Т. Matzumoto. A chaotic attractor from Chua circuit // IEEE Trans. Circuits and Syst. 1984, v. CAS-31, 12, p. 1055). Электрическая схема цепи показана на фиг.2. Уравнения, описывающие цепь, имеют в безразмерной форме вид

x' = a(y - x - h(x)),

y' = x - y +z, (3)

z' = -by - yz,

где a, b и U - параметры. Характеристика нелинейного элемента в системе (3) принимается кусочно-линейной

h(x) = m1x+0,5(m0-m1){|x+1|-|x-1|}. (4)

В (4) т0 и m1 означают наклоны нормализованной кусочно-линейной функции.

Кольцевой автогенератор (А.С. Дмитриев, В.Я. Кислов. Стохастические колебания в автогенераторе с инерционным запаздыванием первого порядка // Радиотехника и электроника, 1984, т. 29, 12, с. 2389). Уравнения модели генератора в безразмерной форме имеют вид

Tx' = -x + Mf(z),

y' = x - z, (5)

z' = -y - az,

где Т, М, a - параметры, f(z) - характеристика нелинейного элемента. Блок-схема такого генератора показана на фиг.3, где НЭ обозначает нелинейный элемент, а Ф1 и Ф2 - фильтры нижних частот соответственно первого и второго порядков.

Траектории хаотических систем чрезвычайно чувствительны к начальным условиям. В то же время сами колебательные режимы источников хаоса демонстрируют богатство разнообразия при изменении параметров системы. Причем если количество существенных параметров в системе нарастает, то это, как правило, приводит к увеличению разнообразия динамических режимов. Типичным примером является система Чуа. Разнообразие хаотических режимов может возрастать также с увеличением размерности динамической системы.

Большое количество различных колебательных мод с разными спектральными характеристиками в одной и той же системе означает, что изменение режима происходит при малом изменении параметров системы. Это свойство позволяет управлять хаотическими системами на уровне мощностей намного более низких, чем мощность самого хаотического сигнала, что несомненно полезно для достаточно мощных источников хаоса. Это же свойство при прочих равных условиях может обеспечить более высокую скорость модуляции хаотических колебаний по сравнению со скоростью модуляции в классических системах. В целом, за счет возможности управления хаотическими режимами путем малых изменений параметров системы можно ожидать улучшения энергетической эффективности коммуникационных систем с хаосом по сравнению с традиционными системами.

По своей природе хаотические сигналы обладают сплошным спектром, простирающимся в широкой полосе частот. Современные методы модуляции позволяют в принципе обеспечить полосу передаваемого сигнала до 10-20% по отношению к частоте несущего колебания. Однако это достигается за счет специальных достаточно сложных технических решений. Хаотические же сигналы являются широкополосными по своей природе. Это потенциально позволяет модулировать хаотический носитель широкополосным информационным сигналом, практически не изменяя спектральных свойств этого хаотического носителя. Тем самым появляется возможность достаточно просто реализовать не только широкополосные, но и сверхширокополосные системы связи.

Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов по настоящему изобретению может быть реализован с помощью системы связи, блок-схема которой приведена на фиг.4а. В этой системе информационный сигнал 1 передающей стороны подается на формирователь 2 хаотических радио- или оптических импульсов, выполняющий в данном случае функцию модулятора широкополосного носителя информации, который вырабатывается с помощью хаотической динамической системы 3. Промодулированный сигнал передается по каналу связи 4 на приемную сторону, где он обрабатывается динамической системой 5, в результате чего выделяется информационный сигнал 6. На фиг.4б изображены эпюры сигналов в различных узлах схемы фиг.4а.

В способе передачи информации с помощью хаотических сигналов по данному изобретению используется передача информации сигналами в виде хаотических радиоимпульсов или хаотических оптических импульсов. В данном описании под хаотическим радиоимпульсом понимается импульс с хаотическим заполнением, спектр которого лежит в области радио- или сверхвысоких частот, а под хаотическим оптическим импульсом понимается импульс с хаотическим заполнением, спектр которого лежит хотя бы в части области частот, к которой относятся инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение. При этом хаотическим называется такой радио- или оптический импульс, длительность которого превышает характерный период колебаний хаотического сигнала. Передаваемая последовательностями таких импульсов информация может кодироваться местоположением импульсов вдоль временной оси, длительностью импульсов, расстояниями между импульсами и т. д.

В основу способа передачи информации с помощью хаотических сигналов по настоящему изобретению заложены три основные идеи, которые делают его практически реализуемым: 1) источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе высокочастотного, СВЧ, инфракрасного, оптического или ультрафиолетового диапазона; 2) ввод информационного сигнала в хаотический сигнал осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радио- или оптических импульсов; 3) для извлечения информации используется динамическая система, согласованная по своему поведению с хаотической динамической системой передающей стороны.

Как уже отмечено, хаотический радио- или оптический импульс представляет собой фрагмент хаотического сигнала с длительностью, превышающей его характерный период. Полоса частот хаотического радио- или оптического импульса определяется полосой частот исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, и в широких пределах не зависит от длительности импульса (фиг. 5). Это существенно отличает хаотический радио- или оптический импульс от классического радиоимпульса, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого Df определяется его длиной Т:

Df=1/T. (6)

Свойство сохранения полосы импульса при изменении его длительности позволяет реализовывать гибкие схемы модуляции потока импульсов при фиксированных частотных параметрах выходных цепей передатчика и входных цепей приемника. Например, при изменении длительности импульсов не нужно менять полосу входного фильтра и малошумящего усилителя.

Увеличение длительности хаотического радио- или оптического импульса повышает помехоустойчивость схемы передачи. При этом энергия импульса возрастает, и этот фактор может быть использован для регулирования дальности работы аппаратуры без изменения пиковой мощности передатчика.

Прямохаотическая схема связи для реализации способа передачи информации с помощью хаотических сигналов по настоящему изобретению может использовать для передачи информационного бита как одиночные импульсы, так и последовательности импульсов. В любом из этих двух случаев во временной области формируется последовательность хаотических радио -или оптических импульсов.

Длительность хаотического радио- или оптического импульса и средняя скважность между импульсами являются варьируемыми параметрами. Это позволяет гибко управлять скоростью передачи данных за счет изменения частоты следования информационных импульсов и средней мощности передаваемого сигнала.

В силу отмеченных выше свойств хаотического радио- или оптического импульса эти манипуляции не приводят к существенному изменению спектральных характеристик передаваемого сигнала по отношению к сигналу источника хаоса. Никаких дополнительных спектральных компонент в передаваемом сигнале не возникает.

Формирование информационного потока в способе передачи информации с помощью хаотических сигналов по настоящему изобретению может осуществляться за счет изменения расстояния между импульсами, изменения длительности импульсов, изменения среднеквадратичной амплитуды импульсов, комбинации этих параметров и т.д. Например, длительность формируемых радио- или оптических импульсов может меняться от значения Т~1/Df до значения T_®Ґ, где Df - полоса частот сигнала, формируемого источником хаоса.

Формирование потока радио- или оптических импульсов может осуществляться при фиксированной частоте следования импульсов и при фиксированной длительности импульсов. При этом наличию импульса на заданной позиции в потоке соответствует передаваемый символ "1", а отсутствию импульса - символ "0" (см. фиг. 6). В приемнике осуществляется фиксация принятых импульсов, определение их параметров и местоположения в потоке, выделение полезной информации из сигнала.

Формирование потока хаотических радио- или оптических импульсов может осуществляться также при фиксированной длительности импульсов и хаотических интервалах следования импульсов DTi, определяемых динамикой дополнительной динамической хаотической системы 10 (фиг.7а), описываемой уравнением

DTi-1 = F(DTi). (7)

При этом наличию хаотического радио- или оптического импульса в на заданной позиции в потоке соответствует передаваемый импульс "1", а отсутствию импульса - "0" (фиг.7б). На приемной стороне с помощью копии дополнительной динамической системы 10 определяют ожидаемые временные позиции прихода хаотических радио- или оптических импульсов, фиксируют наличие или отсутствие импульса на ожидаемой позиции и осуществляют извлечение полезной информации.

Формирование широкополосного носителя, как уже отмечалось, происходит в источнике хаоса, в качестве которого используется динамическая хаотическая система 3 (фиг.4). Структура этой хаотической динамической системы 3 предварительно синтезируется по заранее заданным характеристикам широкополосного носителя информации. В процессе синтезирования такой хаотической динамической системы выявляются области ее параметров, обеспечивающих однотипное поведение этой хаотической динамической системы, необходимое для генерации хаотического сигнала с требуемыми по меньшей мере спектральными характеристиками. Это обстоятельство отмечено на фиг.4 блоком 7. На основе таких выявленных областей для данной хаотической динамической системы выбираются значения ее параметров, обеспечивающие формирование требуемого широкополосного носителя информации в виде хаотического носителя информации с требуемыми по меньшей мере спектральными характеристиками, с помощью которых и обеспечивается передача информации с расширением спектра. Этот факт отмечен на фиг.4 блоком 8.

Кроме того, на фиг.4 указан управляющий элемент 9, посредством которого и производится регулировка хаотической динамической системы 3. В частном случае эта хаотическая динамическая система 3 может быть реализована в виде динамической автоколебательной системы, в которой имеется хотя бы один активный элемент и дополнительная частотно-избирательная структура для формирования широкополосного носителя информации, управление параметрами которых и производится управляющим элементом 9 на фиг.4.

Конкретное выполнение динамической автоколебательной системы 3 описано, например, в упомянутой статье (А.С. Дмитриев, Б.Е. Кяргинский, Н.А. Максимов, А.И. Панас. С.О. Старков. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио- и СВЧ-диапазонах // Радиотехника, 2000, 3, с. 9). Внешний вид системы показан на фиг.8а. Эта динамическая автоколебательная система генерирует хаотические колебания в СВЧ-диапазоне и выполнена (см. фиг.8б) по трехточечной схеме на одном транзисторе, между коллектором и эмиттером которого включен резонансный элемент (РЭ), функции которого выполняет резонатор на связанных полосковых линиях. Характеристики последнего меняются с помощью реактивного элемента - в данном случае, конденсатора С3, а настройка режимов схемы производится еще и переменными конденсаторами С1 и С 2 и изменением напряжений Ve и Vc. Эквивалентная схема динамической хаотической системы приведена на фиг.8в.

Вообще говоря, классические однотранзисторные трехточечные схемы предназначены для генерации периодических сигналов. Однако же, они могут также генерировать и хаотические колебания как в низкочастотном диапазоне, так и в диапазонах радио- и сверхвысоких частот. Особенностью хаотических режимов такого генератора является сверхширокополосность возбуждаемых в нем колебаний: спектр мощности колебаний простирается как в область очень низких частот, так и в область высоких частот, во много раз превышающих основную частоту f0 генерации. Для получения хаотического сигнала в полосе Df частот в схему такого генератора и введен упомянутый резонансный элемент РЭ, который обеспечивает необходимые частотно-избирательные свойства и тем самым создает условия для генерации колебаний преимущественно в полосе пропускания резонансного элемента РЭ. Спектр мощности генерируемого хаотического сигнала представлен на фиг.9. Этот принцип формирования хаотических колебаний с заданным спектром мощности предложен и исследован в следующих работах (Ю.Л. Бельский, А. С. Дмитриев, А.И. Панас, С.О. Старков. Синтез полосовых хаотических сигналов в автоколебательных системах // Радиотехника и электроника, 1992, т. 37, . 4, с. 660; A.S. Dmitriev, A.I. Panas, and S.O. Starkov. Ring oscillating systems and their application to the synthesis of chaos generating // International J. Bif. and Chaos, 1996, v. 6, 5, p. 851).

Изменение параметров хаотической динамической системы 3 (фиг.4) с помощью управляющего элемента 9 (резонансного элемента РЭ на фиг.86) приводит к управлению поведением хаотической динамической системы 3. Другим методом управления поведением хаотической динамической системы 3 является управление траекторией изображающей точки в фазовом пространстве состояний данной хаотической динамической системы 3 (см., например, A.L. Fradkov, A.Yu. Pogromsky. Introduction to control of oscillations and chaos // World Scientific Publishing, World Scientific Series Nonlinear Science, Series A, v. 35, 1998).

Таким образом, построенная хаотическая динамическая система 3 вырабатывает на своем выходе хаотические колебания с заданным спектром мощности, которые представляют собой широкополосный носитель информации. Для передачи информации с его помощью он должен быть тем или иным образом промодулирован. Такая модуляция широкополосного носителя информации той информацией, которая подлежит передаче, может осуществляться как после формирования самого широкополосного носителя, так и в процессе этого формирования. В первом случае формирователь 2 хаотических импульсов (фиг.4) представляет собой, например, ключевой элемент, который формирует из хаотических колебаний системы 3 хаотические радио- или оптические импульсы требуемой длительности и с требуемыми интервалами между этими импульсами, а во втором случае формирователь 2 составляет часть хаотической динамической системы 3, например, это могут быть конденсаторы C1 или С2, изменение величины емкости которых может приводить к возбуждению или срыву генерации в схеме фиг.8б.

Сформированный на передающей стороне хаотический сигнал передается в канал связи 4 (фиг.4а).

Выделение полезной информации на приемной стороне из хаотического сигнала осуществляется путем интегрирования мощности принятых импульсов в пределах их длительности. Т.е. в этом случае в системе связи, реализующей способ по настоящему изобретению, осуществляется некогерентный прием последовательности хаотических радио- или оптических импульсов. Этот некогерентный прием представляет собой демодуляцию принятого сигнала, когда формируемый выходной сигнал согласован с огибающей сигнала, формируемого хаотической динамической системой на передающей стороне.

Возможная схема некогерентного приема приведена на фиг.10а, где цифрами обозначены следующие элементы: 11 -антенна, на которую поступает поток хаотических радиоимупльсов; 12 - фильтр, настроенный на полосу частот передаваемого хаотического сигнала; 13 - усилитель; 14 - детектор, например квадратичный; 15 - интегратор со временем интегрирования, характерным для длительности хаотического радиоимпульса; 16 - пороговое устройство; 17 - декодер, сопоставляющий "1" позициям, занимаемым хаотическими радиоимпульсами, "0" - свободным от радиоимпульсов позициям. На фиг.10б изображены эпюры сигналов в различных точках схемы (фиг.10а).

В предлагаемой системе связи возможен также и когерентный прием. Для этого прием и демодуляцию на приемной стороне осуществляют с помощью хаотической динамической системы, поведение которой по меньшей мере частично синхронизировано с хаотическим сигналом хаотической динамической системы 3 на передающей стороне. Возможная схема, реализующая такой прием, приведена на фиг. 11, где цифрами обозначены следующие элементы: 11 - антенна, на которую поступает поток хаотических радиоимпульсов; 12 - фильтр, настроенный на полосу частот передаваемого хаотического сигнала; 13 - усилитель; 18 - хаотическая динамическая система, идентичная хаотической динамической системе передающей стороны; 15 - интегратор со временем интегрирования, характерным для длительности хаотического радиоимпульса.; 16 - пороговое устройство; 17 - декодер, сопоставляющий "1" позициям, занимаемым хаотическими радиоимпульсами, "0" - свободным от радиоимпульсов позициям.

В качестве примера, на фиг.12а приведена осциллограмма хаотических радиоимпульсов в канале связи, формируемых с помощью хаотической динамической системы, представленной на фиг. 8. На фиг.12б изображена огибающая хаотических радиоимпульсов, выделенная путем некогерентного приема (фиг.10а).

Промышленная применимость

Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов по настоящему изобретению может быть применен в технике связи для повышения скорости и помехоустойчивости передачи информации.

Настоящее изобретение приведено только с целью иллюстрации, а не ограничения заявленного способа, объем патентных притязаний которого определяется прилагаемой формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов приведенных в ней признаков.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют широкополосный носитель информации в заранее заданной полосе частот передачи информации; модулируют носитель информации информационным сигналом; передают промодулированный носитель информации по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону; на приемной стороне демодулируют принятый носитель информации для извлечения информационного сигнала, отличающийся тем, что упомянутое формирование широкополосного носителя информации осуществляют с помощью хаотической динамической системы, структуру которой предварительно синтезируют по заранее заданным характеристикам упомянутого широкополосного носителя информации; при синтезировании упомянутой хаотической динамической системы выявляют области ее параметров, обеспечивающих однотипное поведение упомянутой хаотической динамической системы; на основе упомянутых выявленных областей параметров выбирают для данной хаотической динамической системы значения параметров, обеспечивающие формирование упомянутого широкополосного носителя информации в виде хаотического носителя информации с требуемыми по меньшей мере спектральными характеристиками; упомянутую модуляцию осуществляют путем формирования в соответствии с информационным сигналом хаотических радио- или оптических импульсов заданной длительности с заданными временными интервалами между этими импульсами, после чего и передают промодулированный носитель информации по каналу связи; упомянутые прием и демодуляцию на приемной стороне осуществляют с помощью динамической системы, согласованной по своему поведению с упомянутой хаотической динамической системой передающей стороны.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве упомянутой хаотической динамической системы используют динамическую автоколебательную систему с по меньшей мере одним активным элементом и дополнительной частотно-избирательной структурой для формирования упомянутого широкополосного носителя информации.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутую динамическую автоколебательную систему дополняют регулирующими элементами для выбора режима формирования упомянутого широкополосного носителя информации и/или формирования упомянутых хаотических радио- или оптических импульсов и интервалов между ними.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутое формирование радио- или оптических импульсов и интервалов между ними осуществляют в цепи дополнительной обратной связи в упомянутой динамической автоколебательной системе.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое формирование хаотических радио- или оптических импульсов заданной длительности и временных интервалов между ними осуществляют путем управления поведением упомянутой хаотической динамической системы.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что упомянутое управление поведением хаотической динамической системы осуществляют путем управления изменением параметров упомянутой хаотической динамической системы.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что упомянутое управление поведением хаотической динамической системы осуществляют путем управления траекторией изображающей точки в фазовом пространстве состояний данной хаотической динамической системы.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что упомянутое управление траекторией осуществляют путем изменения начальных условий запуска данной хаотической динамической системы.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что упомянутое управление траекторией осуществляют путем удержания траектории изображающей точки в фазовом пространстве состояний данной хаотической динамической системы в заданной области упомянутого фазового пространства состояний в течение заданного времени.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительности упомянутых хаотических радио- или оптических импульсов и/или интервалов между ними формируют с помощью хаотических отсчетов, порождаемых дополнительной хаотической динамической системой, и вводимой информации, подлежащей передаче.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые прием и демодуляцию на приемной стороне осуществляют с помощью хаотической динамической системы, поведение которой по меньшей мере частично синхронизировано с хаотическим сигналом упомянутой хаотической динамической системы на передающей стороне.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые прием и демодуляцию на приемной стороне осуществляют с помощью упомянутой динамической системы, выходной сигнал которой согласован с огибающей сигнала упомянутой хаотической динамической системы на передающей стороне.

Версия для печати


вверх