DE60037603T2

DE60037603T2 - Verfahren zum übertragen von daten mittels chaotischer signale

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Publication number: DE60037603T2
Application number: DE60037603T
Authority: DE
Inventors: Alexander Sergeevich Moscow DMITRIEV; Andrey Ivanovich Fryazino Moskovskaya obl. PANAS; Sergey Olegovich Obninsk Kaluzhskaya obl. STARKOV; Yuri Veniaminovich Moskovskaya obl. ANDREEV; Lev Viktorovich Moscow KUZMIN; Boris Egorovich Moskovskaya obl. KYARGINSKII; Nikolai Andreevich Mytischi MAKSIMOV
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: KR20030024808A; EA005266B1; BR0017307A; EP1304824A1; AU2001227171A1; WO2002011342A1; EP1304824A4; IL153828A0; UA71675C2; ATE382228T1; KR100472114B1; DE60037603D1; RU2185032C2; EP1304824B1; EA200300197A1; HUP0301606A2; CA2416702C; HUP0301606A3; CA2416702A1; JP2004525530A

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Spreizspektrum-Kommunikationen unter Verwendung chaotischer Signale.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Derzeit ist bekannt, dass chaotische Signale, die durch nicht-lineare deterministische dynamische Systeme erzeugt werden, das sogenannte dynamische Chaos, eine Anzahl von Eigenschaften besitzen, die derartige Signale für die Übertragung von Informationen geeignet machen (A.S. DMITRIEV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Ring oscillating systems and their application to the synthesis of chaos generators//Int. J. of Bifurcation and Chaos, Bd. 6, Nr. 5 (1996), 851–865). Insbesondere wird die erfolgversprechende Art der Verwendung chaotischer Signale als Träger oder modulierte Wellenformen gezeigt (A.S. DMITRIEV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Dynamic chaos as a paradigm for modern telecommunication systems//Uspekhi Sovremennoy Radioelektroniki [russisch], 1997, Nr. 10, S. 4; M. HASLER, Achievements in the field of information transmission with the use of chaos//Uspekhi Sovremennoy Radioelektroniki [russisch], 1998, Nr. 11, S. 33). Es werden bestimmte Informationsübertragungsschaltungen unter Verwendung des dynamischen Chaos vorgeschlagen, insbesondere eine Schaltung für das chaotische Maskieren eines Informationssignals (L. KO-CAREV, K.S. HALLE, K. ECJERT, L. CHUA, U. PARLITZ, Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization//Int. J. of Bifurcation and Chaos, 1992, Bd. 2, Nr. 3, S. 709), eine Schaltung mit schaltenden chaotischen Moden (H. DEDIEU, M. KENNEDY, M. HASLER, Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuits //IEEE Trans. Circuits and Systems, Oktober 1993, Bd. CAS-40, Nr. 10, S. 634), Schaltungen mit einem nichtlinearen Mischen eines Informationssignals zu einem chaotischen Signal (A.R. VOLKOVSKI, N.V. RULKOV, Synchronous chaotic response of non-linear system of the information transmission with a chaotic carrier//Letters to Zhurn. Tech. Fiz. [russisch], 1993, Bd. 19, Nr. 3, S. 71; A. DMITRIEV, A. PANAS, S. STARKOV, Experiments an speech and music signals transmission using chaos//Int. J. of Bifurcation and Chaos, 1995, Bd. 5, Nr. 3, S. 371) usw.. Betrachtet werden Möglichkeiten zur Erzeugung direkter chaotischer Kommunikationssysteme, in denen chaotische Oszillationen als ein Informationsträger auftreten, die ganz innerhalb des Frequenzbandes erzeugt werden, in dem eine Informationsübertragung stattfindet, zum Beispiel in Mikrowellen (A.S. DMITRIEV, B.E. KYARGINSKI, N.A. MAKSIMOV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Prospects of creating direct chaotic communication systems in radio and microwave bands//Radiotekhnika [russisch], 2000, Nr. 3., S. 9).
Es gibt zwei Arten von Verfahren für die Spreizspektrum-Kommunikationen. In der ersten Art wird ein schmalbandiger periodischer Informationsträger verwendet. Beispiele sind das Codeteilungs-Mehrfachzugriff-System (CDMA) sowie Systeme mit einer Frequenzmodulation, in denen das Frequenzband der übermittelten Informationen wesentlich schmaler ist als das Frequenzband des übertragenen Signals. Die andere Art der Verfahren für die Spreizspektrum-Kommunikationen verwendet einen vorwiegend breitbandigen Träger, dessen Frequenzband breiter ist als das Frequenzband der übermittelten Informationen ( US-Patentschrift Nr. 4,363,130 , veröffentlicht am 7. Dez. 1982). Zu diesem Typ sollten auch Frequenzsprung-Spreizspektrum-Systeme gerechnet werden (J. PROAKIS, Digital Communication, McGrawHill, Inc., New-York, 1995, S. 741).
Die größte Übereinstimmung mit dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung weist das Frequenzsprung-Spreizspektrum-Kommunikationsverfahren auf, das die Schritte umfasst: auf der Sendeseite Erzeugen eines Breitband-Informationsträgers innerhalb einer vorgegebenen Informationsübertragungsbandbreite; Modulieren des Informationsträgers mit einem Informationssignal; Übertragen des modulierten Informationsträgers über einen Kommunikationskanal von der Sendeseite zur Empfangsseite; auf der Empfangsseite Demodulieren des empfangenen Informationsträgers, um das Informationssignal zu extrahieren (siehe die obige Monografie von J. PROAKIS sowie US-A-5,923,760 , veröffentlicht am 13. Juli 1999).
Im Unterschied dazu wird in der vorliegenden Erfindung der Schritt zum Erzeugen eines Breitband-Informationsträgers mittels eines chaotischen dynamischen Systems ausgeführt, das chaotische Signale direkt innerhalb des gesamten Frequenzbereiches der Informationsübertragung erzeugt (z. B. innerhalb eines Mikrowellenbandes). Um diese Signale als einen Breitband-Träger zu verwenden, ist es erforderlich, das Problem der Erzeugung chaotischer Oszillationen innerhalb des geforderten Frequenzbandes des elektromagnetischen Spektrums zu lösen sowie effektive Verfahren zu erarbeiten, um auf der Sendeseite eine Information in das chaotische Signal einzugeben und sie auf der Empfangsseite aus diesem Signal zu extrahieren. Nach dem heutigen Stand sind nur die Vorschriften zur Entwicklung der Systeme, die in Übereinstimmung mit einem derartigen Prinzip arbeiten, behandelt worden, jedoch nicht ihre speziellen Mikrowellenausführungen (siehe den obigen Beitrag von A.S. DMITRIEV in Radiotekhnika Magazine).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für das Übertragen einer Information unter Verwendung chaotischer Signale zu entwickeln, wobei ein technisches Ergebnis dieses Verfahrens die Realisierung von Kommunikationssystemen ist, in denen eine Information in das chaotische Signal eingegeben wird, das direkt innerhalb des Informationsübertragungsbandes erzeugt wird, wobei diese Kommunikationssysteme nachfolgend als direkte chaotische Kommunikationssysteme bezeichnet werden.
Um diese Aufgabe zu lösen und das technische Ergebnis zu erreichen, wird ein Verfahren zur Übertragung einer Information unter Verwendung chaotischer Signale bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: vorheriges Synthetisieren eines chaotischen dynamischen Systems auf der Sendeseite; Erzeugen eines Breitband-Informationsträgers innerhalb einer vorgegebenen Informationsübertragungs-Bandbreite mithilfe des chaotischen dynamischen Systems; Modulieren des Informationsträgers mit einem Informationssignal; Übertragen des modulierten Informationsträgers über einen Kommunikationskanal von der Sendeseite auf die Empfangsseite; Demodulieren des empfangenen Informationsträgers auf der Empfangsseite, um das Informationssignal zu extrahieren. Gemäß vorliegender Erfindung ist eine Struktur des chaotischen dynamischen Systems entsprechend den vorgegebenen Eigenschaften des Breitband-Informationsträgers synthetisiert; werden im Synthetisierungsschritt des chaotischen dynamischen Systems Parameterregionen des Systems ermittelt, deren Parameter ein gleichförmiges Verhalten des chaotischen dynamischen Systems sicherstellen; werden auf Basis der identifizierten Parameterregionen Parameterwerte für dieses chaotische dynamische System ausgewählt, wobei diese Werte den Erzeugungsschritt des Breitband-Informationsträgers in der Form eines chaotischen Informationsträgers sicherstellen, der zumindest die erforderlichen spektralen Eigenschaften aufweist; erfolgt der Modulationsschritt in Übereinstimmung mit dem Informationssignal mittels Erzeugung von chaotischen Radio- oder optischen Pulsen vorgegebener Länge mit vorgegebenen Zeitintervallen zwischen diesen Pulsen und wird dann der so modulierte Informationsträger über den Kommunikationskanal übertragen; wird der Schritt zum Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite mittels eines dynamischen Systems ausgeführt, das in seinem Verhalten an das chaotische dynamische System auf der Sendeseite angepasst ist.
Eine Besonderheit dieses Verfahrens ist, dass als das chaotische dynamische System ein dynamisches selbstoszillierendes System mit mindestens einem aktiven Element und einer zusätzlichen frequenzselektiven Struktur zum Erzeugen des Breitband-Informationsträgers verwendet wird.
Um das auszuführen, wird das dynamische selbstoszillierende System ergänzt durch Steuerkomponenten zum Auswählen eines Modus für das Erzeugen des Breitband-Informationsträgers und/oder für das Erzeugen der Radio- oder optischen Pulse und der dazwischen liegenden Intervalle, oder der Erzeugungsschritt der Radio- oder optischen Pulse und der dazwischen liegenden Intervalle erfolgt in einem zusätzlichen Rückkoppelkreis des dynamischen selbstoszillierenden Systems auf der Sendeseite.
Eine weitere Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass das Erzeugen der Radio- oder optischen Pulse mit vorgegebener Länge und der dazwischen liegenden Zeitintervalle durch Steuern eines Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems erfolgt.
In diesem Fall erfolgt das Steuern des Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems durch Steuern einer Änderung von Parametern des chaotischen dynamischen Systems oder durch Steuern der Trajektorie des repräsentativen Punktes im Phasen-Zustandsraum des chaotischen dynamischen Systems.
Das Steuern der Trajektorie erfolgt durch Ändern von Anfangsbedingungen einer Betätigung des chaotischen dynamischen Systems oder indem die Trajektorie des repräsentativen Punktes im Phasen-Zustandsraum des chaotischen dynamischen Systems während einer vorgegebenen Zeitperiode in einem vorgegebenen Bereich des Phasen-Zustandsraums gehalten wird.
Noch eine weitere Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass die Längen der chaotischen Radio- oder optischen Pulse und/oder die dazwischen liegenden Intervalle unter Verwendung chaotischer Samples, die von einem zusätzlichen chaotischen dynamischen System erzeugt wurden, und einer zu übertragenden Eingangsinformation ausgebildet werden.
Noch eine weitere Besonderheit dieses Verfahrens ist, dass das Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite unter Verwendung eines chaotischen dynamischen Systems erfolgt, dessen Verhalten zumindest teilweise mit einem chaotischen Signal des chaotischen dynamischen Systems auf der Sendeseite synchronisiert ist.
Noch eine weitere Besonderheit dieses Verfahrens ist, dass das Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite unter Verwendung eines chaotischen dynamischen Systems erfolgt, dessen Ausgangssignal an eine Einhüllende des Signals des chaotischen dynamischen Systems auf der Sendeseite angepasst ist.
Vom Stand der Technik her sind keine Informationsquellen bekannt, welche die gesamte Gruppe der wesentlichen Merkmale dieses Verfahrens beschreiben, weshalb es als neuartig angesehen werden kann.
Vom Stand der Technik her sind auch keine Informationsquellen bekannt, welche die Gruppe der unterscheidungsfähigen Merkmale dieses Verfahrens beschreiben, was die Zuerkennung einer Erfindungshöhe erlaubt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mögliche Realisierungen dieses Verfahrens sind mittels Zeichnungen dargestellt, die bereitgestellt wurden, um einen genaueren Begriff von der vorgeschlagenen Erfindung zu vermitteln.
1 zeigt eine Schaltung des chaotischen Signalgenerators unter Verwendung einer Tunneldiode.
2 zeigt eine Schaltung des chaotischen Signalgenerators in der Form der Chua-Schaltung. 3 zeigt eine Schaltung des Ringschaltungs-Chaossignalgenerators mit anderthalb Freiheitsgraden.
4 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm des Informationsübertragungssystems zur Realisierung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung und Signalprofile in verschiedenen Knoten der Schaltung.
5 zeigt die Form eines chaotischen Radio- oder optischen Pulses.
6 zeigt die Form chaotischer Pulse, wie sie unter Verwendung des binären Informationssignals ausgebildet werden.
7 stellt das Erzeugen des chaotischen Radio- oder optischen Pulsstroms mit dem Einsatz eines zusätzlichen chaotischen dynamischen Systems dar.
8 zeigt das Aussehen und das Schaltbild eines möglichen dynamischen selbstoszillierenden Systems für die Realisierung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung.
9 zeigt ein typisches Leistungsspektrum chaotischer Signale, die durch das chaotische selbstoszillierende System in 8 erzeugt werden.
10 zeigt eine mögliche Schaltung zum Ausführen eines nicht kohärenten Empfangs gemäß vorliegender Erfindung und Signalprofile in verschiedenen Knoten der Schaltung.
11 zeigt eine mögliche Schaltung für den Empfang mit der chaotischen dynamischen Systemsynchronisation für das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung.
12 zeigt Oszillogramme von chaotischen Pulsen in einem Kommunikationskanal und ihre Einhüllende, die auf der Empfangsseite extrahiert ist.
VORZUZIEHENDE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Vor dem Beschreiben möglicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen die Merkmale des zugrunde liegenden dynamischen (oder deterministischen) Chaos betrachtet werden.
Der Begriff 'deterministisches Chaos' bezeichnet eine komplizierte, nicht periodische Bewegung, die von nicht-linearen dynamischen Systemen hervorgebracht wird. Diese Bewegung kann bei völliger Abwesenheit von äußerem Rauschen auftreten und ist vollständig durch die Eigenschaften des deterministischen dynamischen Systems selbst bestimmt. Das dynamische Chaos weist viele Merkmale von Zufallsprozessen auf, d. h. kontinuierliches Leistungsspektrum, exponentiell abnehmende Autokorrelationsfunktion, Nichtvorhersagbarkeit für lange Zeitperioden.
Bei der Beschreibung des Verhaltens dynamischer Systeme wird der Begriff 'Phasenraum' verwendet, in dem ein Systemzustand als ein Punkt beschrieben wird, und die zeitliche Entwicklung diese Zustandes wird als eine Phasentrajektorie beschrieben, entlang derer sich der repräsentative Punkt bewegt. Die Systeme mit deterministischem Chaos weisen in ihrem Phasenraum eine attraktive Mannigfaltigkeit auf, in der sich die Phasentrajektorien zu einer einzigen Bahn hin sammeln. Diese attraktive Mannigfaltigkeit wird als ein seltsamer Attraktor bezeichnet.
Bis zum heutigen Zeitpunkt ist eine große Zahl von dynamischen System vorgeschlagen und untersucht worden, die fähig sind, chaotische Signale zu erzeugen. Das einfachste dynamische System, das zum Erzeugen von Chaos in der Lage ist, ist ein zeitdiskretes dynamisches System, d. h. die sogenannte logistische Abbildung x(k + 1) = μx(k)(1 – x(k)) (1)
In bestimmten Wertebereichen des Parameters μ erzeugt die Gleichung (1) eine nicht periodische unendliche Folge von Samples x(k).
Die einfachsten zeitstetigen chaotischen Systeme werden durch lediglich drei gewöhnliche Differenzialgleichungen beschrieben, und mindestens ein Teil von ihnen stellt Generatoren dar, die hergestellt werden, indem die Standardgeneratoren regulärer Oszillationen um ein oder mehrere Elemente ergänzt werden. Andere Chaosquellen könnten nicht so einfach mit herkömmlichen elektronischen Generatoren verknüpft werden, sie können jedoch auch mit modernen Schaltungselementen realisiert werden. Typische Beispiele für Chaosquellen mit anderthalb Freiheitsgraden sind die folgenden Systeme:
Tunneldiodengenerator (A.S. PIKOVSKI, M.I. RABINOVICH, A simple oscillator with stochastic behaviour//DAN SSSR [russisch] 1978, Bd. 239, Nr. 1–2, S. 301). In dimensionsloser Form sind die Generatorgleichungen die folgenden: x' = y – δz y' = –x + 2γy + αz + β' μz' = x – f(z) (2) wobei f(z) eine nicht-lineare Reaktion der Tunneldiode bedeutet; α, β, γ und δ sind Parameter. Die Generatorschaltung ist in 1 dargestellt.
Chua's Schaltung (T. Matzumoto, A chaotic attractor from Chua's circuit//IEEE Trans. Circuits and Syst. 1984, Bd. CAS-31, Nr. 12, S. 1055). Der elektrische Schaltplan der Schaltung ist in 2 dargestellt. Die dimensionslosen Gleichungen, welche die Schaltung beschreiben, sind die folgenden: x' = α(y – x – h(x)) y' = x – y + z z' = –βy – yz (3)wobei α, β und γ Parameter sind. Die nicht-lineare Elementreaktion des Systems (3) wird als stückweise linear angenommen. h(x) = m1 + 0,5(m0 – m1){|x + 1| – |x – 1|} (4)
In Gleichung (4) stellen m₀ und m₁ die Anstiege der normierten stückweise linearen Funktion dar.
Ringschaltungsoszillator (A.S. DMITRIEV, V.Ya. KISLOV, Stochastic oscillations in oscillator with inertial first-order time delay//Radiotekhnika i Elektronika [russisch], 1984, Bd. 29, Nr. 12, S. 2389). Die dimensionslosen Gleichungen des Oszillatormodells sind: Tx' = –x + Mf(Z) y' = x – z z' = –y – αz (5)wobei T, M und α Parameter darstellen und f(z) eine nicht-lineare Elementreaktion ist. Das Blockdiagramm eines derartigen Oszillators ist in 3 dargestellt, in der NE das nicht-lineare Element kennzeichnet und F₁ sowie F₂ Tiefpassfilter der ersten bzw. zweiten Ordnung kennzeichnen.
Die Trajektorien chaotischer Systeme sind sehr empfindlich gegenüber den Anfangsbedingungen. Gleichzeitig zeigen die Oszillationsmoden der Chaosquellen eine Verhaltensvielfalt, wenn die Systemparameter verändert werden. Wenn die Anzahl der wesentlichen Parameter im System zunimmt, dann ergibt das normalerweise eine wachsende Vielfalt der dynamischen Moden. Das Chua-System ist ein typisches Beispiel. Die Vielfalt der chaotischen Moden kann auch zunehmen, wenn eine Dimension des dynamischen Systems erhöht wird.
Eine große Zahl von verschiedenartigen Oszillationsmoden mit verschiedenartigen spektralen Eigenschaften innerhalb des gleichen Systems bedeutet, dass sich die Moden bei kleinen Veränderungen der Systemparameter verändern. Dieses Merkmal ermöglicht es, chaotische Systeme bei Leistungspegeln zu steuern, die viel geringer sind als die Leistung eines chaotischen Signals selbst, was zweifellos für hinreichend leistungsfähige Chaosquellen von Nutzen ist. Dasselbe Merkmal kann unter den gleichen sonstigen Bedingungen eine höhere Rate der chaotischen Oszillationsmodulation im Vergleich mit einer Modulationsrate in klassischen Systemen liefern. Im Allgemeinen kann wegen der Möglichkeit, die chaotischen Moden mittels kleinerer Veränderungen in den Systemparametern zu steuern, ein verbesserter Leistungswirkungsgrad der Kommunikationssysteme mit Chaos im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen erwartet werden.
Ihrem Wesen nach verfügen die chaotischen Signale über ein kontinuierliches Spektrum, das sich über ein breites Frequenzband erstreckt. Herkömmliche Modulationsverfahren sind im Prinzip in der Lage, die Bandbreite des übertragenen Signals von bis zu 10–20% bezüglich der Trägerfrequenz bereitzustellen. Das wird jedoch mithilfe ziemlich komplizierter technischer Lösungen erreicht. Was die chaotischen Signale betrifft, so sind sie ihrem Wesen nach breitbandig. Potenziell erlaubt dies, einen chaotischen Träger mit einem Breitband-Informationssignal zu modulieren, wobei die spektralen Eigenschaften des chaotischen Trägers praktisch unberührt bleiben. Somit ergibt das eine Möglichkeit, nicht nur Breitband- sondern auch Superbreitband-Informationssysteme ziemlich einfach zu realisieren.
Das Verfahren zur Informationsübertragung unter Verwendung chaotischer Signale gemäß vorliegender Erfindung kann mithilfe eines Kommunikationssystems realisiert werden, dessen Blockdiagramm in 4a dargestellt ist. In diesem System wird ein Informationssignal 1 der Sendeseite einem Generator chaotischer Radio- oder optischer Pulse 2 zugeführt, der in diesem speziellen Fall die Funktion eines Modulators eines Breitband-Informationsträgers ausführt, der durch ein chaotisches dynamisches System 3 erzeugt wird. Das modulierte Signal wird über einen Kommunikationskanal 4 der Empfangsseite übermittelt, wo es durch ein dynamisches System 5 verarbeitet wird, was die Wiederherstellung des Informationssignals 6 zur Folge hat. 4b zeigt die Signalwellenformen an verschiedenen Knoten der Schaltung in 4a.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung nutzt eine Informationsübertragung mittels Informationssignalen in der Form chaotischer Radiopulse oder chaotischer optischer Pulse. In dieser Beschreibung bezeichnet ein chaotischer Radiopuls einen Puls mit chaotischer Auffüllung, dessen Spektrum im Bereich der Radio- oder Mikrowellenfrequenzen liegt, während ein chaotischer optischer Puls einen Puls mit chaotischer Auffüllung bezeichnet, dessen Spektrum zumindest in einem Teil des Frequenzbereiches liegt, der durch eine Infrarotstrahlung, sichtbares Licht und Ultraviolettstrahlung besetzt ist. In diesem Fall bezeichnet der Begriff 'chaotisch' einen Radio- oder optischen Puls, dessen Länge größer als die charakteristische Periode der chaotischen Signaloszillationen ist. Die Informationen, die mittels Folgen derartiger Pulse übertragen werden, können durch den Pulsort im Zeitbereich, durch die Länge der Pulse, durch den Abstand zwischen den Pulsen usw. codiert werden.
Das Verfahren zum Übertragen von Informationen mittels chaotischer Signale gemäß vorliegender Erfindung beruht auf drei Hauptideen, die es praktisch realisierbar machen: 1) eine Chaosquelle erzeugt chaotische Oszillationen direkt innerhalb eines vorgegebenen Radio-, Mikrowellen-, Infrarot-, optischen oder Ultraviolett-Bandes; 2) eine Informationssignaleingabe in das chaotische Band wird ausgeführt mittels Erzeugen einer entsprechenden Folge von chaotischen Radio- oder optischen Pulsen; 3) ein dynamisches System, das hinsichtlich seines Verhaltens an das chaotische System der Sendeseite angepasst ist, wird zum Wiedergewinnen der Informationen verwendet.
Wie oben dargelegt wurde, ist ein chaotischer Radio- oder optischer Puls ein Teilstück eines chaotischen Signals, das eine Länge aufweist, die größer ist als seine charakteristische Periode. Die Frequenzbandbreite des chaotischen Radio- oder optischen Pulses wird durch die Frequenzbandbreite des ursprünglichen chaotischen Signals bestimmt, das durch eine Chaosquelle erzeugt wird, und sie ist in einem weiten Bereich unabhängig von der Pulslänge (5). Das unterscheidet einen chaotischen Radio- oder optischen Puls wesentlich von einem klassischen Radio-Puls, der mit einem Teilstück eines periodischen Trägers gefüllt ist, wobei ein Frequenzband Δf von diesem Puls durch seine Länge T festgelegt ist: Δf = 1/T (6)
Die Fähigkeit, eine Pulsbandbreite beizubehalten, wenn eine Pulslänge verändert wird, ermöglicht es, flexible Systeme für das Modulieren eines Pulsstroms bei feststehenden Parametern der Senderausgangsschaltungen und Empfängereingangsschaltungen zu realisieren. Zum Beispiel erfordert eine Veränderung in einer Pulslänge keine Veränderung des Bandes des Eingangsfilters und des rauscharmen Verstärkers.
Eine Vergrößerung der Länge des chaotischen Radio- oder optischen Pulses erhöht die Störfestigkeit eines Kommunikationssystems. In diesem Fall nimmt die Pulsenergie zu, und diese Gegebenheit kann genutzt werden, um den Betriebsabstand der Anlage zu steuern, ohne die Spitzenleistung des Senders abzuändern.
Das chaotische Direktkommunikationssystem zum Ausführen des Verfahrens zur Informationsübertragung unter Verwendung chaotischer Signale gemäß vorliegender Erfindung kann sowohl Einzelpulse als auch Pulsfolgen verwenden, um ein Informationsbit zu übertragen. In jedem dieser beiden Fälle wird im Zeitbereich eine Folge von chaotischen Radio- oder optischen Pulsen erzeugt.
Die Länge der chaotischen Radio- oder optischen Pulse und der mittlere Arbeitszyklus zwischen den Pulsen sind variable Parameter. Das ermöglicht es, die Datenübertragungsrate mittels Veränderung der Wiederholungsrate und der mittleren Leistung des Signals, das übertragen wird, flexibel zu steuern.
Wegen der genannten Eigenschaften eines chaotischen Radio- oder optischen Pulses haben diese Manipulationen keine wesentliche Veränderung der spektralen Eigenschaften des übertragenen Signals bezüglich des Signals der Chaosquelle zur Folge. In dem übertragenen Signal treten keine zusätzlichen spektralen Komponenten auf.
In dem Verfahren zur Informationsübertragung unter Verwendung chaotischer Signale gemäß vorliegender Erfindung kann ein Informationsstrom mithilfe einer Veränderung des Abstandes zwischen den Pulsen, der Pulslänge, des Effektivwerts der Amplitude der Pulse, einer Kombination dieser Parameter usw., ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Länge der erzeugten Radio- oder optischen Pulse vom Wert T ~ 1/Δf bis zum Wert T → ∞ variiert werden, wobei Δf die Frequenzbandbreite des Signals darstellt, das durch die Chaosquelle erzeugt wird.
Eine Folge von Radio- oder optischen Pulsen kann mit einer feststehenden Pulswiederholungsrate und mit einer feststehenden Länge der Pulse erzeugt sein. In diesem Fall entspricht das Vorhandensein eines Pulses an einem gegebenen Ort in der Folge dem übertragenen Symbol "1", wohingegen das Nichtvorhandensein des Pulses dem Symbol "0" entspricht (siehe 6). Im Empfänger werden die Pulse fixiert, ihre Parameter und der Ort im Strom wird bestimmt, und aus dem Signal werden Nutzinformationen extrahiert.
Ein Strom chaotischer Radio- oder optischer Pulse kann auch mit einer feststehenden Länge der Pulse und mit chaotischen Intervallen zwischen den Pulsen ΔT_i ausgebildet sein, welche durch die Dynamik eines zusätzlichen dynamischen chaotischen Systems 10 (7a) bestimmt werden, das durch die Gleichung ΔTi+1 = F(ΔTi) (7)beschrieben ist.
In diesem Fall entspricht das Vorhandensein eines chaotischen Radio- oder optischen Pulses an einem gegebenen Ort im Strom dem übertragenen Symbol "1", wohingegen das Nichtvorhandensein des Pulses dem Symbol "0" entspricht (siehe 7b). Auf der Empfangsseite werden mithilfe einer Kopie des zusätzlichen dynamischen Systems 10 die erwarteten Zeitpositionen für das Eintreffen der chaotischen Radio- oder optischen Pulse bestimmt, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Pulses an der erwarteten Position wird fixiert und die Nutzinformation extrahiert.
Wie oben dargelegt wurde, wird der Breitbandträger in einer Chaosquelle erzeugt, die durch das dynamische chaotische System 3 (4) verkörpert wird. Die Struktur dieses dynamischen chaotischen Systems 3 wird im Voraus gemäß den vorgegebenen Kenngrößen des Breitband-Informationsträgers synthetisiert. Im Verlauf des Synthetisierens eines derartigen chaotischen Systems werden die Bereiche seiner Parameter, die auf ein gleichförmiges Verhalten dieses chaotischen Systems bezogen sind, offengelegt, wobei dieses Verhalten für das Erzeugen eines chaotischen Signals mit den geforderten Minimal-Spektraleigenschaften notwendig ist. Dieser Umstand wird in 4 durch den Block 7 gekennzeichnet. Auf Basis dieser offengelegten Bereiche für das chaotische dynamische System werden seine Parameterwerte ausgewählt, wobei diese Werte das Erzeugen des erforderlichen Breitband-Informationsträgers in der Form eines chaotischen Informationsträgers mit den geforderten Minimal-Spektraleigenschaften gewährleisten, durch den die Informationsübertragung mit der Spektrumsspreizung sichergestellt ist. Dieser Sachverhalt wird in 4 durch den Block 8 gekennzeichnet.
Außerdem zeigt 4 ein Steuerelement 9, mit dessen Hilfe das chaotische dynamische System 3 gesteuert wird. In einem speziellen Fall kann dieses chaotische dynamische System 3 als ein dynamisches selbstoszillierendes System realisiert sein, das mindestens ein aktives Element und eine zusätzliche frequenzselektive Struktur aufweist, um den Breitband-Informationsträger zu erzeugen, dessen Element- und Strukturparameter mittels der Steuerkomponente 9 gesteuert werden, die in 4 dargestellt ist.
Eine spezielle Ausführungsform des dynamischen selbstoszillierenden Systems 3 ist zum Beispiel in dem oben erwähnten Beitrag (A.S. DMITRIEV, B.E. KYARGINSKI, N.A. MAKSIMOV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Prospects of creating direct chaotic communication systems in radio and microwave bands//Radiotekhnika [russisch], 2000, Nr. 3, S. 9) beschrieben. Das Aussehen des Systems ist in 8a dargestellt. Dieses dynamische selbstoszillierende System erzeugt chaotische Oszillationen in einem Superhochfrequenzband, und es ist verwirklicht (siehe 8b) entsprechend einer Dreipunktschaltung auf einem einzelnen Transistor, zwischen dessen Kollektor und Emitter ein Resonanzelement (RE) eingefügt ist, dessen Funktionen durch einen gekoppelten Streifenleitungsresonator ausgeführt werden. Die Kenngrößen des letzteren werden mithilfe eines Blindelements verändert, das im vorliegenden Fall durch einen Kondensator C₃ gegeben ist, während die Schaltungsmoden auch mithilfe veränderlicher Kondensatoren C₁, C₂ und durch Abändern der Spannungen V_E und V_C abgestimmt werden. In 8c ist eine äquivalente Schaltung des chaotischen dynamischen Systems dargestellt.
Im Allgemeinen sind die klassischen Einzeltransistor-Dreipunktschaltungen zum Erzeugen periodischer Signale vorgesehen. Sie können jedoch auch chaotische Oszillationen sowohl in einem Niederfrequenzband als auch in Radio- und einem Superhochfrequenzbändern erzeugen. Eine Besonderheit der chaotischen Moden eines derartigen Oszillators liegt in der Breitband-Beschaffenheit der in ihm angeregten Oszillationen: das Leistungsspektrum der Oszillationen erstreckt sich sowohl zum Bereich sehr geringer Frequenzen als auch zum Bereich hoher Frequenzen, welche oft die maßgebende Erzeugungsfrequenz f₀ überschreiten. Um ein chaotisches Signal innerhalb eines Frequenzbandes Δf zu erhalten, wurde das oben erwähnte Resonanzelement (RE) in die Schaltung eines derartigen Generators einbezogen, wobei das RE Bedingungen gewährleistet, um die Oszillationen vorwiegend in der Bandbreite dieses Resonanzelements RE zu erzeugen. In 9 ist das Leistungsspektrum des erzeugten chaotischen Signals dargestellt. Dieses Prinzip zur Erzeugung chaotischer Oszillationen mit einem vorgegebenen Leistungsspektrum wurde in den folgenden Studien vorgeschlagen und untersucht (Yu.L. BELSKI, A.S. DMITRIEV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Synthesis of band-pass signals in self-oscillating systems//Radiotekhnika i Elektronika [russisch], 1992, Bd. 37, Nr. 4, S. 660; DMITRIEV, A.I. PANAS, S.O. STARKOV, Ring oscillating systems and their application to the synthesis of chaos generating//Int. J. of Bif. and Chaos, 1996, Bd. 6, Nr. 5, S. 851).
Eine Veränderung der Parameter des chaotischen dynamischen Systems 3 unter Verwendung des Steuerelements 9 (Resonanzelement RE in 8b) führt zu einer Steuerung des Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems 3. Ein weiteres Verfahren zum Steuern des chaotischen dynamischen Systems 3 besteht in der Steuerung der Trajektorie des repräsentativen Punktes im Phasenzustandsraum des chaotischen dynamischen Systems 3 (siehe zum Beispiel A.L. FRADKOV, A.Yu. POGROMSKI, Introduction to control of oscillations an chaos//World Scientific Publishing, World Scientific Non-linear Science, Serie A, Bd. 35, 1998).
Folglich erzeugt das aufgebaute chaotische dynamische System 3 an seinem Ausgang chaotische Oszillationen mit einem vorgegebenen Leistungsspektrum, wobei diese Oszillationen einen Breitband-Informationsträger darstellen. Um mit seiner Hilfe Informationen zu übertragen, sollte dieser Träger auf die eine oder andere Weise moduliert werden. Eine derartige Modulation des Breitband-Informationsträgers mit der zu übertragenden Information kann entweder im Anschluss an die Erzeugung des Breitband-Trägers selbst oder im Verlaufe von dessen Erzeugung erfolgen. Im ersten Fall ist der Generator der chaotischen Pulse 2 (4) zum Beispiel ein Schlüsselelement, dass die chaotischen Oszillationen des Systems 3 in chaotische Radio- oder optische Pulse umformt, die eine erforderliche Länge und erforderliche Abstände zwischen diesen Pulsen aufweisen, und im zweiten Fall bildet der Generator 2 einen Teil des chaotischen dynamischen Systems 3, der zum Beispiel durch die Kondensatoren C₁ oder C₂ dargestellt werden kann, wobei eine Veränderung ihrer Kapazität zu einem Erregen oder einem Abbrechen der Erzeugung in der Schaltung in 8b führen kann.
Ein chaotisches Signal, das an der Sendeseite erzeugt wird, wird in den Kommunikationskanal 4 (4a) übertragen.
Das Extrahieren einer Nutzinformation aus den chaotischen Signalen auf der Empfangsseite wird durch Integration der Leistung der empfangenen Pulse innerhalb ihrer Längenbegrenzungen ausgeführt. Das heißt, in diesem Fall führt ein Kommunikationssystem, welches das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung realisiert, einen nicht kohärenten Empfang der chaotischen Radio- oder optischen Pulsfolge aus. Dieser nicht kohärente Empfang ist die Demodulation des empfangenen Signals, wenn ein erzeugtes Ausgangssignal mit einer Einhüllenden eines Signals abge glichen wird, das durch das chaotische dynamische System auf der Empfangsseite erzeugt wird.
Eine mögliche Schaltung des nicht kohärenten Empfangs ist in 10a dargestellt, in der sich die Ziffern auf die folgenden Elemente beziehen: 11 – eine Antenne, die einem Strom chaotischer Radiopulse ausgesetzt ist; 12 – ein Filter, das auf das Frequenzband des übertragenen chaotischen Signals abgestimmt ist; 13 – einen Verstärker; 14 – einen Detektor, z. B. einen quadratischen Detektor; 15 – einen Integrator mit einer Integrationszeit, die typisch für eine chaotische Radiopulslänge ist; 16 – ein Schwellwertgerät; 17 – einen Decoder, der '1' den Positionen, die mit chaotischen Radiopulsen besetzt sind, und '0' den Positionen, die frei von Radiopulsen sind, zuordnet. 10b zeigt Signalprofile an verschiedenen Punkten der Schaltung (10a).
Das vorgeschlagene Kommunikationssystem ist auch in der Lage, einen kohärenten Empfang durchzuführen. Um das zu tun, werden sowohl der Empfang als auch die Demodulation auf der Empfangsseite unter Verwendung eines chaotischen dynamischen Systems ausgeführt, dessen Verhalten zumindest teilweise mit dem chaotischen Signal des chaotischen dynamischen Systems 3 auf der Sendeseite synchronisiert ist. Eine mögliche Schaltung, die einen derartigen Empfang realisiert, ist in 11 dargestellt, in der sich die Ziffern auf die folgenden Elemente beziehen: 11 – eine Antenne, die einem Strom chaotischer Radiopulse ausgesetzt ist; 12 – ein Filter, das auf das Frequenzband des übertragenen chaotischen Signals abgestimmt ist; 13 – einen Verstärker; 18 – ein chaotisches dynamisches System, das zu dem chaotischen dynamischen System auf der Sendeseite ähnlich ist; 15 – einen Integrator mit einer Integrationszeit, die typisch für eine chaotische Radiopulslänge ist; 16 – ein Schwellwertgerät; 17 – einen Decoder, der '1' den Positionen, die mit chaotischen Radiopulsen besetzt sind, und '0' den Positionen, die frei von Radiopulsen sind, zuordnet.
12a veranschaulicht ein Oszillogramm von chaotischen Radiopulsen in einem Kommunikationskanal, die mithilfe des chaotischen dynamischen Systems, das in 8 gezeigt ist, erzeugt sind. 12b zeigt eine Einhüllende chaotischer Radiopulse, die mithilfe des nicht kohärenten Empfangs (10a) extrahiert ist.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Verfahren zur Informationsübertragung unter Verwendung chaotischer Signale gemäß vorliegender Erfindung kann in der Telekommunikationstechnik eingesetzt werden, um die Rate und die Störfestigkeit der Informationsübertragung zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wurde lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben, aber nicht, um das beanspruchte Verfahren einzuschränken, dessen Umfang in den angefügten Ansprüchen festgelegt ist, wenn mögliche Äquivalente der dort dargelegten Merkmale berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zum Übertragen von Informationen unter Verwendung chaotischer Signale, umfassend folgende Schritte: – vorheriges Synthetisieren eines chaotischen dynamischen Systems (3) auf der Sendeseite; – Erzeugen eines Breitband-Informationsträgers innerhalb einer vorgegebenen Datenübertragungs-Bandbreite mittels des chaotischen dynamischen Systems (3); – Modulieren des Informationsträgers mit einem Informationssignal (1); – Übertragen des modulierten Informationsträgers über einen Kommunikationskanal (4) von der Sende- auf die Empfangsseite; – Demodulieren des empfangenen Informationsträgers auf der Empfangsseite, um das Informationssignal (6) zu extrahieren; dadurch gekennzeichnet, dass: – eine Anordnung des chaotischen dynamischen Systems (3) entsprechend vorgegebener Eigenschaften des Breitband-Informationsträgers synthetisiert ist; – beim Synthetisieren des chaotischen dynamischen Systems, Parameterregionen des Systems ermittelt werden, deren Parameter ein gleichförmiges Verhalten des chaotischen dynamischen Systems (3) sicherstellen; – für dieses chaotische dynamische System (3), auf Basis der identifizierten Parameterregionen, Parameterwerte ausgewählt werden, die das Erzeugen des Breitband-Informationsträgers in Form eines chaotischen Informationsträgers sicherstellen, der wenigstens die erforderlichen spektralen Eigenschaften aufweist; – der Modulierschritt unter Erzeugung von chaotischen Radiopulsen oder optischen Pulsen mit vorgegebener Länge, mit vorgegebenen Zeitintervallen zwischen diesen Pulsen, in Übereinstimmung mit dem Informationssignal (1), erfolgt, und dann der so modulierte Informationsträger über den Kommunikationskanal übertragen wird; – das Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite mittels eines dynamischen Systems (5) ausgeführt wird, das in seinem Verhalten an das chaotische dynamische System (3) auf der Sendeseite angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamisches, selbst oszillierendes System mit wenigstens einem aktiven Element, und eine zusätzliche frequenzselektive Anordnung zum Erzeugen des Breitband-Informationsträgers als das chaotische dynamische System (3) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische selbstoszillierende System mit Steuerkomponenten (9) zum Auswählen eines Modus für das Erzeugen des Breitband-Informationsträgers und/oder für das Erzeugen der chaotischen Radio- oder optischen Pulse und der dazwischen liegenden Intervalle ausgestattet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Radio- oder optischen Pulse und der dazwischen liegenden Intervalle in einem zusätzlichen Rückkoppelkreis des dynamischen selbstoszillierenden Systems erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Radio- oder optischen Pulse mit vorgegebener Länge und den dazwischen liegenden Zeitintervallen durch Steuern eines Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern des Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems (3) durch eine Änderung von Parametern des chaotischen dynamischen Systems (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern des Verhaltens des chaotischen dynamischen Systems (3) durch Steuern der Trajektorie des maßgeblichen Punktes im Phasen-Zustandsraum des chaotischen dynamischen Systems (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern der Trajektorie durch eine Änderung von Anfangsbedingungen einer Betätigung des chaotischen dynamischen Systems (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern der Trajektorie durch Halten der Trajektorie des maßgeblichen Punktes im Phasen-Zustandsraum des chaotischen dynamischen Systems (3) in einem vorgegebenen Bereich des Phasen-Zustandsraums während einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Länge der chaotischen Radio- oder optischen Pulse und/oder der dazwischen liegenden Intervalle unter Verwendung von chaotischen Samples, die von einem zusätzlichen chaotischen dynamischen System erzeugt wurden, und einer zu übertragenden Eingangsinformation gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite unter Verwendung eines chaotischen dynamischen Systems (5) erfolgt, dessen Verhalten wenigstens teilweise mit einem chaotischen Signal des chaotischen dynamischen Systems (3) auf der Sendeseite synchronisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangen und Demodulieren auf der Empfangsseite unter Verwendung eines chaotischen dynamischen Systems (5) erfolgt, dessen Ausgangssignal an eine Einhüllende des Signals des chaotischen dynamischen Systems (3) auf der Sendeseite angepasst ist.