(фрагмент 3-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике")

«СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА ХАОТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ». По докладу Л. В. Вдовина (Нижегородский государственный университет, лаборатория физических основ и технологий беспроводной связи) на конференции "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments - 2005"

"Черный ящик" в автомобиле: технологии западных автоконцернов "отрихтуют" водителей  - http://www.liveinternet.ru/users/albrs/post402370094/

Возникла необходимость в создании новых систем передачи информации, обладающих высокой помехоустойчивостью, имеющих большую информационную емкость и обеспечивающих высокую конфиденциальность передаваемого сообщения. Известно, что эти цели могут быть достигнуты при использовании широкополосных систем связи. Разработка таких систем ведется с первой половины прошлого века и в настоящее время реализовано довольно большое число подобных систем, например протокол беспроводной связи 802.16, стандарты сотовой связи CDMA и так далее. В этих системах широкий спектр передаваемого сообщения достигается путем изменения несущей частоты сигнала в соответствии с некоторым псевдослучайным законом. Причем количество различных псевдослучайных последовательностей имеют строгое ограничение. 

В последние годы так же получило развитие другое направление построения широкополосных систем связи, основанное на качественно других принципах. В основе этих систем лежит явлении синхронизации генераторов динамического хаоса. Динамическим хаосом называют сложные периодические колебания, порождаемые нелинейными системами. Данные колебания обладают свойствами, присущими обыкновенным случайным процессам, такими как сплошной спектр мощности и экспоненциально спадающей корреляционной функцией и непредсказуемостью на больших интервалах времени. Но в то же время, этот вид этих колебаний полностью определяется параметрами динамической системы и, в общем случае, ее начальными условиями. Первоначально такие колебания были получены в качестве решений динамических систем, описывающие системы, далекие от радиотехнических схем, например в системе Лоренца описывающей динамику атмосферных явлений или в системе Ресслера описывающей течение химических реакций. Эти колебания, в отличие от случайных процессов, обладают такими чисто динамическими свойствами, как высокая чувствительность к начальным условиям и экспоненциальное разбегание близких фазовых траекторий. 

Использование динамического хаоса в системах передачи информации привлекательно по следующим причинам. Во-первых, такие колебания можно получать при помощи достаточно простых динамических схем, таких как генератор Пиковского-Рабиновича или генератора Чуа. Для систем связи это хорошо тем, что можно создавать большое число различных закрытых каналов связи, что способствует увеличению степени приватности. Третье преимущество, заключается в разнообразии методов введения сообщения в хаотический сигнал, наиболее наглядные методы будут представлены в данной работе. Также следует отнести к преимуществам возможности самосинхронизации приемника и передатчика и потенциально большую информационную емкость хаотических систем связи.

Данное направление является сравнительно молодым, и для его развития целесообразно привлекать любые методы, в частности метод проведения численных экспериментов. Так же изучение процесса передачи информации при помощи хаотических сигналов имеет серьезный методический интерес, поскольку лабораторный практикум, направленный на исследование таких системам передачи информации позволяет достигнуть сразу двух целей. Ознакомится с передовыми методами исследования динамики нелинейных систем, и получить представления о принципах построения современных коммуникационных устройств.

В данной работе рассматривается виртуальный лабораторный стенд, выполненный в среде разработки LabVIEW, позволяющей изучать основные системы связи, использующие явление синхронизации генераторов динамического хаоса. Среда LabVIEW была выбрана в качестве основного средства разработки, поскольку она позволяет получить эффективный, законченный, легко внедряемый в образовательный процесс, программный продукт, с минимальными затратами времени.

Существует несколько различных систем связи основанных на процессе синхронизации генераторов хаотического сигнала. В данной работе были выполнены модели наиболее интересных из них. Все выполненные модели реализованы в виде систем «ведомая-ведущая» разложенных на подсистемы. Различие систем заключается в способах внесения информационного сообщения в передаваемый сигнал. Во всех системах сигнал передается в ведомую систему через канал связи, в котором на сообщение накладывается шум, параметрами которого пользователь может управлять. 

Первая система – эта система, с хаотической маскировкой передаваемого сообщения. Идея заключается в том, что информационное сообщение аддитивно складывается с хаотическим сигналом полученном на выходе ведущей системы. При этом благодаря свойству устойчивости синхронного отклика при относительно малых отклонениях от хаотической траектории, на выходе ведомой системы будет сформирован отклик, близкий по форме к хаотическому сигналу, до внесения в него информационного сообщения. Хаотическая маскировка позволяет расширить спектр и увеличить конфиденциальность передаваемого сообщения. Но при этом ее основным недостатком является маленький уровень информационного сигнала по отношению к уровню передаваемого сообщения. Модель позволяет изучать процесс синхронизации при различных уровнях возмущающего сигнал и при различных расстройках параметров. Так же можно оценивать параметры самой системы связи, такие как вероятность ошибки на байт при различных соотношениях «сигнал-шум» в канале связи.

Следующая система – это система с нелинейным подмешиванием информационного сообщения к хаотическому сигналу. Отличие данной схемы от предыдущей заключается в том, что информационный сигнал участвует в формировании хаотической несущей. Такой позволяет увеличить степень конфиденциальности передаваемого сообщения, но при этом проблема, возникающая в системе с хаотической маскировкой, по-прежнему остается не решенной.

Последняя выполненная модель достаточно сильно отличается от двух предыдущих. Она использует две системы «ведомая-ведущая». Даная система носит название системы, с распознаванием хаотических режимов. Систем «ведомая-ведущая» работает в различных режимах, то есть имеют разные параметры. Информационным сигналом осуществляется модуляция ключа, который в соответствии с уровнем передаваемого бита, подключает к каналу связи либо первый, либо второй генератор. Для сигналов сформированных на выходе «ведомых» системы вычисляется величина согласования с принятым сигналом, и по ее величине принимается решение о значении передаваемого бита. Данная система обладает высокой помехоустойчивостью при правильном подборе параметров синхронизуемых систем, но в то же время скорость подобной системы ограничивается временем, необходимым на синхронизацию генераторов при переходе из одного режима в другой. 

Последняя схема применима только для цифровых систем связи, но первые две могут быть использованы для передачи сигналов произвольной формы. В разработанных моделях, в качестве информационного сообщения использовался цифровой телеграфный сигнал. Этот сигнал порождался в результате декодирования ASCI кода буквенной информации передаваемой через системы связи.