Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЛЕОНОВ КИРИЛЛ НИКОЛАЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА
Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ижевск - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова
Научный консультант: - доктор технических наук, профессор П.А. Ушаков
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Надеев А.Ф.
- доктор технических наук, профессор Н.П. Ямпурин
Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН им. В.А.
Котельникова, г. Москва
Защита состоится мая 2012 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д212.079.03 в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу:
420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.31/7, ауд. 504.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.
Туполева-КАИ.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, просим высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10, КНИТУКАИ на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.079.Щербакова Г.И.
Автореферат разослан У Ф апреля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор Г.И. Щербаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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.
идирующее 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.
обачевского). 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., Mou 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:
1. Исследование характеристик способов передачи информации с помощью хаотических сигналов и определение путей оптимизации их показателей.
2. Синтез помехоустойчивого способа передачи информации на основе хаотических сигналов.
3. 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:
1. Разработан помехоустойчивый способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
2. Разработана хаотическая нелинейная система с инвариантными свойствами, обладающая устойчивостью к внешним возмущениям и позволяющая формировать заданный спектр.
3. Подтверждены результатами математического моделирования теоретические оценки помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
4. 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 1. Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов, использующий инвариантный синхронный хаотический отклик.
2. Математическая модель хаотической нелинейной системы с инвариантными свойствами, обладающая устойчивостью к внешним возмущениям и позволяющая формировать заданный спектр.
3. Математическая модель системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
4. Результаты исследования помехоустойчивости системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
ичный 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 научнотехнической конференции Физика и технический приложения волновых процессов (Миасс, Челябинская обл., 2010), на VI Всероссийской научнотехнической 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 1. Разработанный помехоустойчивый способ передачи информации с помощью хаотических сигналов на основе инвариантного синхронного хаотического отклика позволяет проектировать и реализовать эффективные широкополосные многоадресные системы связи.
2. Разработанная структура системы связи и генератора хаотических сигналов с инвариантными свойствами для её реализации повышает помехоустойчивость и надежность систем связи на основе хаотических сигналов.
3. 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).
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Первая глава посвящена обзору публикаций, представляющих известные на сегодняшний момент способы и системы связи на основе хаотических колебаний.
Особое внимание уделено преимуществам и недостаткам представленных систем связи с хаотическими сигналами. Обозначены те вопросы, которые остались нерешенными и показано, что необходимо применение иных способов передачи информации в системах связи с хаотическими сигналами.
Определены виды помех и параметры радиоканала, оказывающие влияние на помехоустойчивость широкополосной системы связи на хаотических сигналах.
Большинство способов передачи информации с помощью динамического хаоса построено по методу хаотической синхронизации между ведущей и ведомой системой. В таких схемах используются две идентичные нелинейные системы. Одна (передающая) является генератором хаотического сигнала, а другая (приёмная) представляет собой нелинейный согласованный фильтр. В ряде литературных источников вместо термина полная хаотическая синхронизация используется термин хаотический синхронный отклик, которой мы и будем придерживаться. Для ввода информации в хаотическое колебание используются способы: нелинейного подмешивания сигнала, хаотической маскировки, переключения хаотических режимов передатчика, дуальное нелинейное преобразование, опережающее управление сечением Пуанкаре, частотная модуляция хаотическим сигналом и другие. Однако проведенные исследования выявили ряд недостатков, присущих этим системам: высокие требования к идентичности параметров источников хаоса в передатчике и приёмнике; низкая устойчивость хаотической синхронизации к возмущающим факторам; малая энергоэффективность системы. Дальнейшее развитие систем передачи информации с помощью хаотических сигналов пошло по пути отказа от полной хаотической синхронизации приёмника и передатчика. Появились системы на основе переключения хаотических режимов, использующих обобщённую синхронизацию, что позволило обеспечить работоспособность системы передачи данных даже при отрицательных значениях сигнал/шум в канале связи. Как и способу переключения хаотических режимов, этому способу свойственны потери времени на синхронизацию между приёмником и передатчиком каждый раз при смене значения информационного сигнала.
Разработан прямохаотический способ передачи информации с использованием хаотических сигналов, в котором хаотическая синхронизация не используется вообще, а информационный символ передаётся радиоимпульсом, представляющим собой фрагмент хаотического сигнала. Преимущество прямохаотического способа передачи информации отражено в самом названии метода. Данный способ позволяет генерировать радиоимпульс хаотического колебания непосредственно в заданном диапазоне частот, что существенно упрощает передающую часть системы связи. Тем не менее, данный метод не использует всех потенциальных преимуществ хаотических систем, таких как самосинхронизация и возможность организации многоадресных систем связи. Известные методы на основе непрерывных хаотических сигналов с кодовой спектральной модуляцией обладают высокой помехоустойчивостью и энергетической скрытностью, но требуют для своей реализации очень больших вычислительных ресурсов.
После проведённого анализа можно выделить способ переключения хаотических режимов, совокупность характеристик которых позволяет его применение в помехоустойчивых многоадресных системах связи. Весьма заманчиво использовать и сверхустойчивый к шумам способ, но возможность его работы в многоадресных системах связи ещё ни исследована.
На основе анализа существующих систем передачи данных на хаотических сигналах были сформулированы критерии, предъявляемые к современной системе связи. Решение данной задачи было сведено к разработке нового способа передачи информации и построению математических моделей, описывающих системы связи и канала передачи данных.
В процессе постановки задачи были отмечены следующие недостатки известных систем связи с хаотическими сигналами:
1. малая устойчивость к шумам в канале связи схем, использующих режим полной хаотической синхронизации;
2. трудности получения заданного спектра, расположенного в заданном частотном диапазоне;
3. потери времени на синхронизацию для схем, использующих способ переключения хаотических режимов;
4. высокие требования к идентичности элементов схемы генератора хаотических сигналов приёмной и передающей частях системы;
5. большие требования к вычислительным ресурсам для выделения информационного сигнала в приёмном устройстве.
Определены следующие виды помех и параметров радиоканала связи, влияющие на помехоустойчивость хаотических систем связи: не детерминированные (Гауссовы) помехи; помехи от других хаотических сигналов схожей структуры; наличии многолучевого распространения в канале связи; замирания сигнала; Доплеровское рассеяние; фазовые искажения в канале связи; нелинейный коэффициент передачи в канале связи; сосредоточенные (гармонические) помехи; импульсные помехи.
Показана потребность в разработке способа передачи информации с помощью хаотических сигналов, использующая на практике потенциальные возможности хаотических сигналов.
Во второй главе представлены критерии, которым должна соответствовать современная широкополосная система связи на хаотических сигналах. Проведён анализ путей повышения помехоустойчивости системы связи на хаотических сигналах. Разработан способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. Проведён анализ моделей нелинейных хаотических систем используемых для схем передачи информации. Определены модели для разработанного способа передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика.
На основе анализа имеющихся литературных данных были разработаны критерии для разработки способа передачи данных:
- широкополосный сплошной спектр мощности;
- непрерывный нерегулярный хаотический сигнал несущего колебания;
- возможность скрытой передачи информации;
- устойчивость к помехам и искажениям в канале связи;
- малая чувствительность к рассогласованию параметров приёмной и передающей стороны;
- возможность адаптации хаотической несущей к изменению параметров сообщения или помеховой обстановки в канале связи;
- простота реализации на современной элементной базе;
- нетребовательность к вычислительным ресурсам для обеспечения уверенного приема, а еще лучше, обеспечение работы системы связи без применения вычислительных средств;
- высокая энергоэффективность системы и малое энергопотребление устройств связи;
- возможность использования имеющихся приемо-передающих устройств;
- возможность передачи как цифровой, так и аналоговой информации.
Следуя теории потенциальной помехоустойчивости Котельникова В.А., был разработан алгоритм оптимального приёма хаотического сигнала на фоне помех. Лучшую помехоустойчивость в условиях воздействия больших помех даёт приёмник двоичных сигналов с максимально различными амплитудами при приёме с синхронным детектором. Работа алгоритма базируется на предположении, что существует нелинейный фильтр, позволяющий выделить несущее хаотическое колебание из принятого модулированного хаотического сигнала для осуществления операции синхронного детектирования. Для ввода информационного сигнала в хаотический сигнал используется инвертирование исходного хаотического сигнала (смена знака на противоположный) в момент изменения значения информационного сигнала. Для выделения исходного хаотического колебания пропустим модулированный хаотический сигнал через согласованный с хаотическим сигналом нелинейный фильтр, обладающий инвариантностью к полярности сигнала. Таким образом, на выходе согласованного нелинейного фильтра будет исходное хаотическое колебание.
Работу этого алгоритма в общем виде можно представить следующим образом.
Есть два сигнала: сигнал z(t) несущий сигнал, и сигнал s(t) - информационный сигнал. Сигнал z(t)является колебанием с хаотической динамикой, а сигнал s(t)может принимать только два значения -1 и 1.
Промодулируем несущий сигнал z(t)информационным сигналом s(t), получив модулированный сигнал u(t) z(t) s(t) ;
Учитывая, что s(t)принимает только значения -1 и 1 получим:
u(t) z(t) s(t) при u(t) z(t) s(t) Предположим, что существует функция, для которой верны следующие выражения: F(z(t)) z(t) и F(z(t)) z(t). Таким образом, функция обладает инвариантностью к полярности сигнала, или, подругому, инвариантна к инверсии сигнала. Исходя из этого предположения, получаем F(u(t)) z(t). При отсутствии помех в канале связи, используя результат работы функции F(u(t)) мы имеем сигнал z(t), а для канала связи с помехами - сигнал v(t), приближённо повторяющий исходное несущее колебание z(t)независимо от значения сигнала s(t). Далее, используя исходный несущий сигнал z(t)в качестве опорного сигнала несложно восстановить информационный сигнал s(t)из модулированного сигнала u(t) используя принцип синхронного детектирования.
Перемножим между собой сигналы u(t) и v(t) получим.
Подставляя вместо сигнала u(t) выражение z(t) s(t), а вместо сигнала v(t) подставляя z(t) получим f (t) z(t) s(t) z(t) z2 (t) s(t). Следовательно, учитывая, что сигнал s(t) принимает значения -1 и 1, получаем:
f (t) z2(t) s(t) при s(t) f (t) z2(t) В простейшем случае, для восстановления информационного сигнала s(t)достаточно анализировать полярность сигнала f (t). Для уверенной работы синхронного детектора в присутствии помех необходимо выделять из сигнала s(t)низкочастотную составляющую с помощью интегратора либо фильтра нижних частот и использовать формирователь импульсов для восстановления формы информационного сигнала.
Для выделения исходного хаотического колебания нелинейный фильтр должен быть согласован с генератором хаотических сигналов. Чтобы это обеспечить следует использовать два идентичных генератора хаотических колебаний, находящихся в режиме полной хаотической синхронизации.
Проведенный анализ известных моделей генераторов хаотических колебаний, обладающих требуемыми инвариантными свойствами, выявил два таких генератора.
- Генератор, описываемый системой уравнений классического дискретного отображения Хенона (Henon):
xk 1 1 a xk b yk yk 1 xk, где x и y - динамические переменные нелинейного элемента 1, a = 1,4 и b = 0,3 безразмерные постоянные, определяющие параметры хаотического сигнала. Данная система уравнений обладает инвариантностью к смене знака переменной x, за счет возведения в квадрат.
- Нелинейная система, разработанная американским учёным Джулиеном Спроттом (JulienSprott):
x1 x1 4y y x1 zz 1 x Данная система инвариантна к смене знака переменной z.
Эти два генератора хаотических колебаний были приняты за основу для разработки компьютерной математической модели.
В третьей главе определена среда математического моделирования.
Разработана компьютерная математическая модель системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. Проведено исследование характеристик математической модели системы связи и определено, что помехоустойчивость такой системы связи зависит от характеристик приёмной нелинейной хаотической системы. Обнаружено, что известные генераторы хаотических колебаний не подходят для использования их в способе передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. Сформулированы требования, предъявляемые к генератору хаотических колебаний для способа передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. В соответствии с этими требованиями разработан генератор хаотических колебаний с задержкой и дискриминатором в цепи обратной связи. Проведено исследование характеристик разработанного генератора хаотических колебаний и показано его соответствие предъявленным требованиям.
Разработана модель системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика для передачи аналоговой информации. В ходе исследований было показано, что передачи аналоговой информации с помощью ШИМ модуляции хаотической несущей системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика обладает высокой помехоустойчивостью и может работать при мощности шумов в канале связи, превышающим мощность полезного сигнала.
Разработанная структурная схема системы передачи информации, на основе генератора хаотических колебаний с инвариантными свойствами представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема инвариантной системы передачи информации с хаотическими сигналами: 1 - нелинейный элемент генератора хаотических сигналов, 2 - цепь обратной связи, 3 - управляемый генератор, 4 - канал связи, 5 - нелинейный элемент приёмника хаотических сигналов, 6 - умножитель, 7 - интегратор, 8 - формирователь импульсов.
Данная схема была промоделирована с помощью программы Simulink из пакета программ Matlab, и было проведено имитационное моделирование работы системы связи. Моделирование подтвердило работоспособность способа передачи данных на основе инвариантного синхронного хаотического отклика. Однако устойчивость к внешним возмущениям (помехам в канале связи) у обоих генераторов хаотических колебаний оказалась весьма низкой. По результатам исследования данной модели, были определены основные требования, предъявляемые к генератору хаотических колебаний для системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика:
- нелинейный элемент генератора должен обладать инвариантностью к инверсии входного сигнала;
- генератор должен обеспечивать сплошной частотный спектр мощности выходных хаотических колебаний;
- генератор должен обладать малой чувствительностью к шумам в канале связи;
- генератор должен иметь возможность изменения частотного спектра мощности выходного сигнала;
- генератор должен иметь равномерный спектр мощности, полностью сосредоточенный в определённой полосе частот;
- генератор должен обладать высокой устойчивостью к внешним возмущениям;
- генератор должен иметь возможность физической реализации на современной элементной базе.
Исходя из этих требований, был разработан генератор хаотических колебаний с задержкой и дискриминатором в цепи обратной связи.
Структурная схема генератора хаотических сигналов приведена на рисунке 2. Генератор состоит из замкнутых в кольцо нелинейного элемента, фильтра нижних частот, линии задержки и дискриминатора.
1 2 3 Рисунок 2. Структурная схема генератора хаотических сигналов для инвариантной связи: 1- нелинейный элемент; 2 - фильтр нижних частот; 3 - задержка; 4 - дискриминатор.
Процессы в таком генераторе хаотических сигналов в используемой модели описаны следующей системой дифференциальных уравнений:
x y c x y a e z2 x z b x(t ) , где - константа, характеризующая коэффициент усиления нелинейного элемента; - константа сравнения дискриминатора; с - коэффициент диссипации фильтра; - константа, характеризующая время задержки сигнала.
В качестве выходного сигнала генератора используется переменная z, соответствующая выходу дискриминатора.
Передающая часть системы связи представляет собой генератор хаоса, представленный на рисунке 2. Приёмная часть построена на полностью идентичном генераторе хаотических колебаний, только с разорванной цепью обратной связи.
По результатам моделирования были определены параметры входящих в него элементов, при которых генератор показывал устойчивую генерацию хаотического сигнала и соответствовал предъявляемым к нему требованиям.
Используя математическую модель работы генератора хаотических колебаний, была проведена оценка идентичности параметров элементов схемы, необходимой для полной хаотической синхронизации передающей и приёмной стороны. Для исследуемой модели генератора требуемая идентичность параметров элементов составляет: линии задержки - 2Е8%;
фильтра нижних частот - 6Е10%; нелинейности - 10Е15%; дискриминатора - 20Е40%.
В четвертой главе приводится применение разработанной компьютерной модели для оценки характеристик системы связи при работе в канале связи с искажениями и помехами.
Используя компьютерную математическую модель системы связи, была проведена оценка помехоустойчивости системы при работе по каналу связи с различными видами искажений и помех.
Зависимость вероятности появления ошибочного бита от отношения сигнал/шум при наличии в канале связи аддитивной помехи типа белый шум представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Графики зависимости BERотSNR для аддитивной помехи типа белый шум для различных значений базы сигнала B.
Для оценки помехоустойчивости системы использовалась зависимость вероятности появления ошибочного бита (BER) от отношения сигнал/шум (SNR) и зависимость вероятности появления ошибочного бита (BER) от отношения энергии на бит к спектральной плотности шума (Eb/N0).
Если взять за критерий максимальной помехоустойчивости для сигнала с заданной базой минимальное отношение сигнал/шум, при котором система связи сохраняет работоспособность, то можно отметить, что зависимость помехоустойчивости системы от базы сигнала имеет нелинейный характер, близкий к логарифмическому виду, что наглядно видно на рис. 4.
Оценена помехоустойчивость работы системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика в системе связи с кодовым разделением сигналов. При таком режиме работы одна система связи (с измененным на 30% значением линии задержки генератора хаотических колебаний) представляет собой широкополосную помеху для другой системы. График зависимости помехоустойчивости от базы сигнала аналогичен графику на рис. 3.
Рисунок 4. Зависимость минимального соотношения сигнал/шум (SNR), при котором сохраняется работоспособность системы, от базы сигнала B.
Оценена помехоустойчивость системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика при наличии в канале связи гармонической помехи. Результаты моделирования показали, что помехоустойчивость 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.
Оценена помехоустойчивость системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика при наличии в канале связи импульсной помехи. Для систем связи на хаотических сигналах импульсные помехи с амплитудой, превышающей входной сигнал 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. Результаты моделирования показали, что для способа передачи данных на основе инвариантного синхронного хаотического отклика влияние оказывали только импульсы помехи с мощностью, превышающей мощность несущего сигнала за период передачи одного символа информации, которые приводили к появлению ошибочного бита. Срыва синхронизации не происходило при любых значениях длительности и амплитуды помехи.
Оценена помехоустойчивость системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика при многолучевом распространении КВ ионосферного сигнала в канале связи. Моделирование многолучевого распространения КВ ионосферного сигнала проводилось согласно Рекомендациям ITU-RF.1487.-2000 для значений задержки распространения сигнала, изменяющихся в диапазоне от 0 до 20 мс.
Диапазон изменения отношения сигнал/шум (С/Ш) принимался от -10 дБ до 50 дБ. Допустимый уровень битовой вероятности ошибки принимался равным 10-3.
Графики зависимости отношения С/Ш от значения задержки распространения КВ ионосферной волны для сигналов с различной базой приведены на рисунке 5.
Рисунок5. График зависимости отношения сигнал/шум от задержки распространения КВ ионосферной волны сигнала.
Результаты моделирования показывают, что помехоустойчивость инвариантной системы связи к работе в КВ ионосферном канале с задержкой распространения напрямую зависит от базы сигнала.
Моделирование влияния Доплеровского рассеяния (согласно Рекомендациям ITU-RF.1487. 2000) на качество связи в данной имитационной модели системы связи не показало сколь-нибудь заметного изменения характеристик системы.
Оценена помехоустойчивость системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика при нелинейном коэффициенте передачи в канале связи. Нелинейные искажения канала связи, основным источником которых является усилитель мощности передатчика, не только значительно ухудшают пропускную способность канала, но и являются наиболее трудно устранимыми аппаратурными искажениями.
Для моделирования применялись три вида функций, описывающих нелинейность канала связи, в соответствии с выражениями:
Y (x) e0,8x 1;
Y (x) 5(x 1) ;
Y (x) x2 ;
Результаты моделирования для нелинейного коэффициента передачи в канале связи показали слабое влияние нелинейного коэффициента передачи на работу системы.
Оценена помехоустойчивость системы связи при нелинейных фазовых искажениях в канале связи и аддитивной помехи типа белый шум.
Моделирование нелинейных фазовых искажений проводилось с заданным среднеквадратичным отклонением от -90 до 90 градусов, которые прибавлялись к мнимой части комплексного сигнала от передатчика системы связи. Полученный сигнал суммировался с аддитивной помехой типа белый шум, и определялось предельное отношение сигнал/шум при котором обеспечивался уверенный приём данных. Моделирование проводилось последовательно для сигналов с различной базой сигнала. Результаты приведены к графическому виду и показаны на рисунке 6.
Рис. 6. График зависимости помехоустойчивости инвариантной системы связи от величины фазовых искажений.
Анализируя график зависимости помехоустойчивости системы от величины фазовых искажений можно сделать вывод, что при малых фазовых искажениях (до 30-40 градусов) их влияние на помехоустойчивость системы невелико. Однако, при дальнейшем росте фазовых искажений (более градусов) качество связи системы связи резко падает. Увеличение базы сигнала повышает помехоустойчивость системы к фазовым искажениям.
Заключение В работе проведены исследования, направленные на повышение помехоустойчивости работы системы связи на основе хаотических сигналов по радиоканалу с помехами и искажениями. Разработан помехоустойчивый способ передачи информации на основе инвариантного синхронного хаотического отклика и проведён анализ его характеристик. Предложенные решения применимы и к другим коммуникационным системам различной структуры и назначения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Произведён анализ характеристик известных способов передачи информации с помощью хаотических сигналов и определены пути оптимизации их показателей.
2. Синтезирован помехоустойчивый способ передачи информации на основе хаотических сигналов, используя инвариантные свойства генератора хаотических сигналов.
3. Разработана математическая модель системы связи на основе динамического хаоса и генератора хаотических сигналов, обладающего свойством инвариантности.
4. Проведены исследования характеристик системы связи на основе инвариантного синхронного хаотического отклика, показавшие повышение помехоустойчивости на 12 дБ в сравнении со способом переключения хаотических режимов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Научные статьи, опубликованные в изданиях, определённых ВАК 1. Леонов К.Н., Потапов А.А., Ушаков П.А. Математическое моделирование системы передачи данных на основе хаотических сигналов с фрактальной размерностью // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2010. ЦТом 13. -№3. -7с.
2. Леонов К.Н., Ушаков П.А. Инвариантный способ передачи информации в системах с хаотическими сигналами // Вестник ИжГТУ. -2010.
-№4. -6с.
3. Леонов К.Н., Потапов А.А., Ушаков П.А. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы связи // Успехи современной радиоэлектроники. -2011. Ц№5. -8с.
Работы, опубликованные в других изданиях 4. Леонов К.Н., Ушаков П.А. Широкополосная инвариантная система связи: Материалы конференции Информационные системы и технологии ИСТ-2011. ЦНижний Новгород, 2011. -5с.
5. Леонов К.Н., Потапов А.А., Ушаков П.А. Помехоустойчивость широкополосной инвариантной системы связи при работе в КВ ионосферном канале // Сборник докладов V Всероссийская конференция Радиолокация и радиосвязь. ЦМосква. -2011. ЦС.47-6. Леонов К.Н., Гильмутдинов А.Х., Ушаков П.А. Широкополосная инвариантная система связи на основе шумоподобных сигналов // Сборник докладов XII международной научно-технической конференции Проблемы техники и технологий телекоммуникаций -2011. ЦКазань. ЦС.411-47. Леонов К.Н., Моделирование инвариантной системы связи в программе Simulink: Материалы VII Всероссийской научно-технической конференции Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства. ЦИжевск, 15-17 ноября 2011. -5с.
8. Леонов К.Н., Потапов А.А., Ушаков П.А. Широкополосная система связи на основе генератора хаотических сигналов с инвариантными свойствами // Сборник докладов IV Всероссийская конференция Радиолокация и радиосвязь. ЦМосква. -2010. ЦС.245-29. Леонов К.Н., Потапов А.А., Ушаков П.А. Хаотический широкополосный приёмопередатчик для инвариантной системы связи на основе генератора хаоса с задержкой и дискриминатором // Сборник докладов IV Всероссийская конференция Радиолокация и радиосвязь. - Москва. -2010. ЦС.361-310. Леонов К.Н., Ушаков П.А. Широкополосная система связи на основе генератора хаотических сигналов с инвариантными свойствами // Сборник материалов VI Всероссийской научно-технической конференции Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства. ЦИжевск, -2010. -С.35-44.
11. Леонов К.Н. Требования к современным системам связи и возможные пути их реализации: Материалы МНПК Перспективы и темпы научного развития. ЦТамбов, 2009. -3с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям