автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости широкополосных систем связи на основе динамического хаоса

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

005043661

1 7 мд9 2012

Ижевск-2012

005043661

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический

Научный руководитель: Ушаков Петр Архипович'

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Конструирование радиоаппаратуры» Ижевского Государственного Технического Университета им. М.Т. Калашникова

Официальные оппоненты: Ильин Герман Иванович,.

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиоэлектронных квантовых устройств» КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева

Ямпурин Николай Петрович,

доктор технических наук, . профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и. технология РЭС» Арзамасского политехнического института (филиал НГГУ)

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН, г. Москва

Защита состоится «30» мая 2012 года в 15:00 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, КНИТУ-КАИ на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.079.03 Щербакова Г.И.

Автореферат разослан "28" апреля 2012 года.

университет им. М.Т. Калашникова»

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

A.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,

B.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 кйлебаний занимают, прежде всего, ИРЭ РАН (Ю.Л.Бельский, А.С.Дмитриев, Н.Н.Залогин, В.В.Кислов, АЛПанас,

A.А.Потапов, С.О.Старков). Большой вклад в развитие и исследование хаотических сигналов вносит «Саратовская группа Теоретической Нелинейной Динамики» (С.ПКузнецов, А.П.Кузнецов, В.С.Анищенко,

B.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 КНИГУ 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:

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 БтиЛтк, входящего в состав пакета программ МайаЬ.

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.

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 ХХЗ 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 Котелышкова 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 филыра будет исходное хаотическое колебание.

Работу этого алгоритма в общем виде можно представить следующим образом.

Есть два сигнала: сигнал несущий сигнал, и сигнал^ -информационный сигнал. Сигнал гф является колебанием с хаотической динамикой, а сигнал Сможет принимать только два значения -1 и 1. Промодулируем несущий сигнал г (^информационным сигналом 5 (У, получив модулированный сигнал и(1)=г(/) ■ ;

Учитывая, что принимает только значения -1 и 1 получим:

при

Предположим, что существует функция Г, для которой верны следующие выражения: = г{{) и Р(-г(1)) = . Таким образом,

функция Р обладает инвариантностью к полярности сигнала, или, по-другому, инвариантна к инверсии сигнала. Исходя из этого предположения, получаем Р(и($) = х{(). При отсутствии помех в канале связи, используя результат работы функции Р(и(ф мы имеем сигнал а для канала связи с помехами - сигнал приближённо повторяющий исходное несущее колебание ¿(^независимо от значения сигнала^. Далее, используя исходный несущий сигнал гфв качестве опорного сигнала несложно восстановить информационный сигнал «(¡0 из модулированного сигнала и{1) используя принцип синхронного детектирования.

Перемножим между собой сигналы и(1) и

у(/)получим/(Г) =* «(г) - г(£).

Подставляя вместо сигнала а(/) выражение г(/) •«(/), а вместо сигнала л>(/) подставляя получим /(/) = -5(0' = (/) • . Следовательно, учитывая, что сигнал «(<) принимает значения -1 и 1, получаем:

Я0 = -*2(0

-— при

Л0=22(0

д(0=-1

5(0=1

В простейшем случае, для восстановления информационного сигнала ^достаточно анализировать полярность сигнала_/(/). Для уверенной работы синхронного детектора в присутствии помех необходимо выделять из сигнала 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 (Непоп):

хк+1=1~а-хк+ь-Ук Ук+1=хк,

где хну- динамические переменные нелинейного элемента 1, а = 1,4 и Ь = 0,3- безразмерные постоянные, определяющие параметры хаотического сигнала. Данная система уравнений обладает инвариантностью к смене знака переменной х, за счет возведения в квадрат.

- Нелинейная система, разработанная американским учёным Джулиеном Спротгом (М1еп8ргоа):

¿, = 1 + л,

Данная система инвариантна к смене знака переменной х.

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 8тщ1шк из пакета программ Ма^аЬ, 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.

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: х-у-с-х

■ у-а-е -х ¿ = Ь-х(1~т)

где а — ' константа, характеризующая коэффициент усиления нелинейного элемента; А — константа сравнения дискриминатора; с~ коэффициент диссипации фильтра; г - константа, характеризующая время задержки сигнала.

В качестве выходного сигнала генератора используется переменная г, 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 — 2...8%; фильтра нижних частот - 6... 10%; нелинейности - 10.. .15%; дискриминатора -20...40%.

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 ВЕЯот8>®. для аддитивной помехи типа «белый шум» для различных значений базы сигнала В.

Для оценки помехоустойчивости системы использовалась зависимость вероятности появления ошибочного бита (ВЕЯ) от отношения сигнал/шум (ЗИЯ) и зависимость вероятности появления ошибочного бита (ВЕЯ) от отношения энергии на бит к спектральной плотности шума (Еь/Ио).

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 (8>П1), при котором сохраняется работоспособность системы, от базы сигнала В.

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 ГГО-Ы?.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"1.

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. ¡я'

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 тМУ. 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:

У(х) = е0,г" -1;

У(*) = 5(х-1);

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 40 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 A.A., Ушаков П.А. Математическое моделирование системы передачи данных на основе хаотических сигналов с фрактальной размерностью // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2010. -Том 13. -№3. -7с.

2. Леонов К.Н., Ушаков П.А. Инвариантный способ передачи информации в системах с хаотическими сигналами // Вестник ИжГТУ. -2010. -Л®4. -6с.

3. Леонов К.Н., Потапов A.A., Ушаков П.А. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы связи // Успехи современной радиоэлектроники. -2011. -№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. -Нижний Новгород, 2011. -5с.

5. Леонов К.Н., Потапов A.A., Ушаков П.А. Помехоустойчивость широкополосной инвариантной системы связи при работе в КВ ионосферном канале // Сборник докладов «V Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». -Москва. -2011. -С.47-53

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». -Казань. -С.411-417

7. 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». -Ижевск, 15-17 ноября 2011. -5с.

8. Леонов К.Н., Потапов A.A., Ушаков П.А. Широкополосная система связи на основе генератора хаотических сигналов с инвариантными свойствами // Сборник докладов «IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». -Москва. -2010. -С.245-249

9. Леонов К.Н., Потапов A.A., 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. -С.361-365

10. 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». -Ижевск, -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». -Тамбов, 2009. -Зс.

В авторской редакции

Подписано в печать 27. 04.12. Усл. печ. л. 1,4. Заказ № 164. Тираж 120 экз. Издательство Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

61 12-5/2917

Ижевский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

Леонов Кирилл Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА

Специальность 05.12.13 - «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор П.А. Ушаков

Ижевск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................5

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

..............................................................................................................60

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...................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................144

Приложение 1. Список условных сокращений.....................................144

Приложение 2. Список собственных публикаций по теме диссертационного исследования.....................................................................145

Приложение 3. Акты внедрения результатов работы..........................147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Необходимость обеспечения качественными телекоммуникациями в независимости от места нахождения объектов всегда была важной задачей. Если раньше считалось достаточным обеспечить стационарные объекты лишь телефонной связью, то в настоящее время даже для мобильных объектов требуется целый комплекс услуг, включающий в себя обмен голосовой и цифровой информацией, выход в Интернет, просмотр телевизионных программ и т.д. Все это стало возможным благодаря широкому распространению цифровых методов передачи информации. Широкое использование цифровых средств связи повысило требования к надежности, конфиденциальности и достоверности передаваемых данных. Решение вопроса «последней мили» вызвало массовое внедрение беспроводных устройств связи в самых разных сферах деятельности человека, что вызвало существенное ухудшение помеховой обстановки радиоканала, приводящую 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. Параллельно и независимо Ф.Вудворт и И.Дейвис велись работы за рубежом. Широкое развитие эта теория получила благодаря работам Давида Миддлтона и Д.Ван Метера. Советские учёные А.А.Пистолькорс, В.И.Сифоров, Е.Г.Мамот, Н.Т.Петрович внесли важный вклад в исследование синхронного приёма. Благодаря работам К.Шеннона, Д.Слепян, Мешковского К.А., Кириллова Н.Е. были получены важные результаты о потенциальной помехоустойчивости М-сигналов (ПСП). Значимый вклад в исследование методов обработки сигналов в гауссовских шумах внесли Левин Б.Р., Шинаков Ю.С., Шувалов В.П. Большое значение

имеют работы по обработки сигналов в негауссовских каналах и стохастических системах учёных Чабдарова Ш.М., Сафиуллина Н.З., Надеева А.Ф. Исследования по нелинейным методам фильтрации разработаны Тихоновым В.И., Стратоновичем Р., Сосулиным Ю.Г. Однако именно в настоящее время научно-техническая проблема повышения помехоустойчивости широкополосных систем связи как никогда актуальна.

Развитие беспроводных телекоммуникационных систем идет одновременно по нескольким направлениям: увеличение скорости передачи информации, повышение надежности и помехоустойчивости системы, более эффективное использование частотного ресурса за счёт одновременной работы многих пользователей в одном частотном диапазоне. Одним из путей решения этих задач является использование широкополосных сигналов [67]. Их применение 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. Широкополосные системы радиосвязи практически полностью вытеснили другие виды систем связи в решении вопроса «последней мили», обеспечивая высокую помехоустойчивость, конфиденциальность и высокую скорость передачи информации [18]. Основные пути повышения помехоустойчивости беспроводных средств связи — это использование новых видов широкополосных сигналов, более эффективно использующих радиочастотный ресурс, и новых методов обработки сигналов, позволяющих использовать адаптивные алгоритмы обработки сигналов в зависимости от помеховой ситуации в радиоканале [17,82]. Диссертационное исследование нацелено на повышение помехоустойчивости широкополосных систем связи за счёт выявления и анализа факторов, использование которых позволит разработать новый способ передачи информации, представляющий особый интерес для использования в многоадресных конфиденциальных системах

связи, и сможет способствовать повышению качества связи и более эффективному использованию частотного ресурса.

Для защиты передаваемой информации по радиоканалу необходимо затруднять или вовсе исключать возможность выделения модулирующего информационного сигнала потенциальным наблюдателем. Степень защищенности модулирующего информационного сигнала характеризуется энергетической и структурной скрытностью передаваемого радиосигнала в целом. Для повышения как энергетической, так и структурной скрытности в современных системах связи используются сложные фазоманипулированные сигналы на основе цифровых псевдослучайных последовательностей (ПСП). Однако использование длинных псевдослучайных последовательностей затрудняет синхронизацию между принимаемым сигналом и опорной последовательностью, а использование коротких ПСП не даёт необходимой структурной скрытности [68]. Кроме того, существует только 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. Варианты их использования для применения в системах передачи информации исследуются уже более 20 лет [115,137-139]. С момента открытия явления динамического хаоса его свойства довольно хорошо изучены, однако широкого практического применения в системах передачи информации динамический хаос еще не нашел. Потенциальные возможности, присущие системам связи на основе динамического хаоса, привлекают все большее количество исследователей и ученых [28,117,133]. Являясь по природе своей широкополосными сигналами с шумоподобной структурой, хаотические колебания представляют огромный интерес для конфиденциальных помехоустойчивых систем связи [40,126-127,141,147]. Так, например, манипулирующую ПСП можно выделить схемой с квадратором (схемой Пистолькорса), либо схемой Костаса [59], а затем, основываясь на свойстве периодичности ПСП, можно выделить

и сигнал информации. Для систем связи на основе хаотических сигналов применение данного метода не имеет смысла, так как хаотические сигналы имеют бесконечную временную последовательность, что существенно повышает структурную скрытность систем связи на их основе [22]. Свойство самосинхронизации приёмника с передатчиком, сплошной спектр плотности 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 [1,146,158]. Характеристики помехоустойчивости систем связи с хаотическими сигналами в большей степени зависят от способа ввода информационного сообщения в передаваемое хаотическое колебание. Однако не меньшую роль играет нелинейная система, генерирующая хаотическое колебание. Изучение роли генератора хаотических колебаний для помехоустойчивости системы связи имеет большое значение для правильного понимания особенностей их применения.

Интерес к изучению систем связи на хаотических сигналах нашел своё отражение в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов. По данным ISI Web of Knowledge за последние 10 лет количество публикаций по данной тематике возросло более чем в 50 раз. В диссертации были использованы наработки и развиты идеи российских и зарубежных авторов по передаче информации с помощью хаотических сигналов с использованием явления синхронного хаотического отклика [145]. При работе над диссертацией были изучены коллективные труды и отдельные монографии российских и зарубежных учёных, посвящённые явлению хаотической синхронизации нелинейных динамических систем и его применению для целей передачи информации [98,142]. Многочисленным публикациям исследователей присущ большой диапазон мнений при освещении отдельных аспектов помехоустойчивости способов передачи информации на основе полной хаотической синхронизации и синхронного

хаотического отклика. Изучение помехоустойчивости способов передачи информации с хаотическими сигналами при работе через стохастические радиоканалы, несмотря на большое количество литературы, посвященной применению хаотических сигналов в системах связи, не получило до нашего времени подробного освещения 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 по стохастическим радиоканалам, где идёт рассеяние энергии передаваемого элемента сигнала во времени, по частоте и в пространстве [77,81].

В нашей стране исследованием хаотических систем занимается несколько научных групп. Лидирующее положение в отечественной науке в области использования хаотических колебаний занимают, прежде всего, ИРЭ РАН (Вельский Ю.Л., Дмитриев A.C., Залогин H.H., Кислов В.В., Панас А.И., Старков С.О.). Разработанный этой группой прямохаотический способ передачи информации единственный в нашей стране, вошедший в стандарт сверхширокополосной беспроводной персональной связи IEEE 802.15.4а [24,25]. Большой вклад в развитие и исследование хаотических сигналов вносит «Саратовская группа Теоретической Нелинейной Динамики» под управлением Кузнецова С.П. и Кузнецова А.П, объединяющая сотрудников Саратовского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, факультета нелинейных процессов Саратовского Государственного Университета им. Н.Г. Чернышевского, кафедры Радиотехники и Приборостроения Саратовского Государственного Технического Университета им. Ю.А. Гагарина (Анищенко B.C., Астахов В.В., Безручко Б.П., Короновский A.A., Москаленко О.И., Попов П.В., Храмов А.Е. и др.) [47-55]. В Нижегородском Государственном университете им. Н.И. Лобачевского научно-исследовательская группа под руководством Шалфеева В.Д. исследует динамику процессов синхронизации и хаотизации в сложных системах взаимосвязанных генераторов, а также синхронизацию систем с хаотической

динамикой. Исследованием систем связи с фрактальными сигналами занимается научная группа ИРЭ им. Котельникова РАН (Потапов A.A.) [7375] и Харьковского Института Электромагнитных Исследований (Болотов В.Н., Ткач Ю.В.) [13-15]. Исследование сверхширокополосных сигналов ведутся Харьковским национальным университетом радиоэлектроники (Лазоренко О.В.) и Харьковским национальным университетом им. В.Н. Каразина (Черногор Л.Ф.) [58].

За рубежом наибольший вклад в развитие и исследование хаотической динамики внесли Л. Чуа (L. Chua), Л. Пекора (L. Pécora) и Т. Кэрроллом (Т. Carrol) (США) [138-140]. Значимые результаты в применении хаотических сигналов для телекоммуникаций получены научной группой института нелинейных исследований (Institute for Nonlinear Science, University of California, San Diego) (Brown R., Rulkov N.F., Tsimring L.S.) и Abarbanel H.D.I. (США) [86-88,94-95,129,149-156]. Большая работа в исследовании скрытой передачи информации с помощью хаотических сигналов ведется авторами Alvarez G., Montoya F., Pastor G., Romera M. (Испания) [9092,132,135] и Shujun L., Chen G., Mou X., Zhou J., He Z., Huang J. (Китай) [144-145,164-168].

В России многие исследовательские работы по разработке новых технологий передачи и обработки информации на основе динамического хаоса проводятся в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы". Так, направление «Информационно-телекоммуникационные системы» входит в утверждённый президентом РФ «Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации». С 2006 года «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации», а с 2011 года «Технологии доступа к широкополосным мультимедийным услугам» находятся в «Перечне критических технологий Российской Федерации», что подтверждает важность и актуальность развития этого направления.

Аналогичная политика поддержки научных исследований в области разработки новых технологий для широкополосной связи ведётся и во многих зарубежных странах.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема повышения помехоустойчивости широкополосных систем связи, использующих на практике потенциальные возможности хаотических сигналов.

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 передач�