Программа "Способ передачи информации по каналу связи с хаотической несущей"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программа "Способ передачи информации по каналу связи с хаотической несущей"

Кликушин Ю.Н.

Кобенко В.Ю.

Описан способ передачи информации в системах связи с хаотической несущей. Способ основан на принципе управления формой распределения несущего колебания. Исследованы характеристики помехоустойчивости и определены условия, обеспечивающие правильный прием информационных сообщений с вероятностью не менее 0,9998.

Функциональное назначение программы, область применения, ее ограничения помехоустойчивость информационный связь

Функциональное назначение - способ предназначен для передачи информации по каналу связи с хаотической несущей.

Область применения - цифровая обработка сигналов, радиотехника, системы передачи информации.

Используемые технические средства

Персональный компьютер с операционной системой Windows, на котором установлен программный пакет LabVIEW 7.1 (или более поздней версии) фирмы National Instruments

Специальные условия применения и требования организационного, технического и технологического характера

Определяются конкретной предметной областью применения и оговариваются в техническом задании в соответствии с описанием разработки, приведенным ниже.

Условия передачи программной документации или ее продажи

Программная документация может быть передана или продана с письменного согласия авторов разработки.

Техническое описание

Возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов была обоснована в работе [1]. В 2000 г. в лаборатории "Информ Хаос" Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН была сформулирована идея, так называемой, прямохаотической связи [2], развитие которой в дальнейшем привело к созданию систем связи при помощи хаотических радиоимпульсов [3].

Хаотический радиоимпульс представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Как правило, в подобных системах признаком передачи логической 1 является наличие хаотического радиоимпульса в некоторой позиции на временной оси, а признаком передачи логического 0 - отсутствие импульса. Приемная часть системы связи строится на основе детектора огибающей и порогового устройства. В работе [4] описан способ детектирования огибающей с использованием опорного генератора хаоса. Автор утверждает, что, если в передающей и приемной частях применяются одинаковые генераторы хаоса, то селективность приема сигналов существенно возрастает. Такое решение позволяет различать моды хаотических сигналов.

Однако, естественной платой за приобретение свойств селективности, является структурное усложнение подобной системы связи.

В данной работе предлагается новый способ передачи сообщений в системах связи с хаотической несущей. Способ основан на принципе бинарного управления формой распределения несущего колебания. Предполагается, что в этом случае повысятся скрытность и помехоустойчивость передачи информации, а структурная сложность системы - уменьшится.

Идея способа состоит в том, чтобы заставить информационный сигнал управлять несущим хаотическим колебанием, например, так, чтобы логическим уровням сообщения соответствовали разные формы распределения хаотического колебания, поступающего в антенну передатчика. В этом случае приемник представляет собой идентификатор сигнала и компаратор, который будет осуществлять пороговую фильтрацию и восстанавливать сообщение. В качестве идентификаторов могут быть использованы инструменты, описанные, например, в работе [5].

Рис. 1. Классификация систем связи с управлением распределениями

Проведенными исследованиями установлено, что существуют различные возможности реализации предлагаемой идеи (рис. 1). Для краткости, объединим эти возможности одним названием: системы связи с управлением распределениями (ССУР). В зависимости от типа хаотической несущей ССУР можно разделить на две группы. В первую группу входят такие ССУР, которые в качестве несущего колебания используют стационарные случайные сигналы (стационарные ССУР). Вторую группу образуют нестационарные ССУР, которые в качестве несущего колебания используют, например, фрактальные сигналы.

В стационарных ССУР имеются две возможности для управления распределениями. Первая возможность связана с использованием сигналов с, так называемыми, параметрическими распределениями, например, гамма-распределение или распределение Бернулли. Вторая возможность использует стационарные случайные сигналы с различными видами распределений. Это различие должно быть существенным, чтобы обеспечивать на приемной стороне эффективное разделение информационных сигналов при наличии помех в канале связи. Например, для передачи логического нуля можно использовать ограниченное, а для передачи логической 1 - неограниченное распределение. В этом случае в качестве детектора сигнала на приемной стороне необходимо использовать автоматический классификатор.

При использовании фрактальной несущей управлять можно либо размерностью сигнала, либо его тенденцией (трендом). В первом случае при передаче логического нуля, в канале связи генерируется фрактальный сигнал с показателем Херста Н = 0 и, соответственно, при передаче логической 1 - фрактальный сигнал с показателем Херста Н = 1. Тогда, в качестве детектора приемника, надо использовать анализатор фрактальной размерности. При управлении трендом применяется генератор фрактального несущего сигнала с показателем Херста Н = 1. В этом случае, для передачи логического нуля используется реализация сигнала с возрастающей тенденцией, а для передачи логической 1 - реализация сигнала с убывающей тенденцией. Тогда приемник должен представлять собой анализатор тренда с пороговым устройством в качестве фильтра.

Рассмотрим особенности работы и характеристики самой простой, стационарной параметрической ССУР, структурная схема модели, которой изображена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема модели ССУР

Входное передаваемое сообщение (Sinp) представляет собой двоичную последовательность, которая управляет аналоговым переключателем посимвольно. Алгоритм работы переключателя таков: "Если Sinp равен логическому нулю (лог.0), то Р = Р 0. Если Sinp равен логической единице (лог.1), то Р = Р 1", где Р - параметр, управляющий распределением генератора несущей. В данной работе в качестве генератора несущей был выбран генератор стационарного случайного сигнала с параметрическим распределением Бернулли. Промодулированный параметром Р и усиленный в передатчике, сигнал несущей подается в антенну. Наличие в канале связи посторонних помех моделируется генераторами белого шума ГШ 1 и ГШ 2, первый из которых имеет нормальное, а второй - равномерное распределения.

На рис. 3 показаны эпюры сигналов и их гистограммы, формируемые генератором несущей при значениях параметра формы, равных Р 0 = 0,3 и Р 1 = 0,7, соответственно, для логического нуля и логической 1. Визуально, сигналы, соответствующие логическому нулю и логической единице, не отличаются, что и обеспечивает скрытность передачи.

В тоже время, форма распределения (Histogram) Бернулли изменяется существенно - с левоасимметричного (для логического нуля) до правоасимметричного (для логической 1).

Рис. 3. Эпюры сигналов и их гистограммы для символов лог.0 и лог.1

Моделирование структуры (рис. 2) проводилось в среде LabView по функциональной схеме, изображенной на рис. 4. Модель стационарной ССУР состоит из внутреннего и внешнего циклов типа For - Next. Внутренний цикл содержит основные компоненты ССУР: 1) управляемый входным кодом (Input Code) переключатель, задающий значения Р 0 = 0,3 и Р 1 = 0,7 параметра формы; 2) генератор несущей (Bernoulli Noise.vi); 3) генераторы нормального (Gaussian White Noise.vi) и равномерного (Uniform White Noise.vi) шума; 4) канал связи, состоящий из двух сумматоров и двух переключателей; 5) приемной части, включающей усредняющее устройство (Mean.vi), компаратор (Greater?.vi) и преобразователь уровней. Для организации сбора статистики испытаний во внутреннем цикле установлен компаратор, предназначенный для посимвольного сравнения выходного кода (Out Code) с входным (Input Code).

За пределами внутреннего цикла расположены: 1) переключатель (gaus-noise-even), с помощью которого задается тип помехи, подмешиваемой в канал связи; 2) два усредняющих устройства и два индикатора (Prob-Num, STD) вычисленных оценок вероятности принятия правильного решения при статистических испытаниях. Количество испытаний составило 1000.

В процессе эксперимента варьировались следующие параметры модели: 1) длина радиоимпульса для одного символа двоичного кода; 2) интенсивность шумовых помех в канале связи; 3) значения параметра формы; 4) значение порога срабатывания компаратора приемной части; 5) разрядность и значения входного кода.

Рис. 4. Функциональная схема модели стационарной ССУР

Для оценки достоверности приема сообщений измерялись две характеристики: 1) зависимость вероятности правильного приема от длины одного символа входного кода и 2) зависимость вероятности правильного приема от интенсивности помехи в канале связи.

Результаты измерения достоверности приема сообщения от длины одного символа при наличии нормальной помехи в канале связи представлены в табл. 1. Длина символа (Ns) входного кода задавалась как независимая переменная в единицах числа отсчетов. Общая длина (N) сообщения определялась как произведение длины одного символа (Ns) на число разрядов (L) передаваемого двоичного кода: N = Ns*L.

Таблица 1

Зависимость достоверности приема сообщения от длины одного символа при наличии нормальной помехи в канале связи

Идентификационные параметры (A-Num, F-Num) несущего колебания и сигнала на входе приемника являлись служебными и использовались для контроля правильности работы системы связи.

Достоверность оценивалась вероятностью (Р) правильного приема и оценкой разброса вероятности в виде стандартного отклонения (STD). Все измерения проводились при постоянной дисперсии нормальной помехи, равной D(gaus) = 1. Степень достоверности (Prob-Num =1) не зависела от значений передаваемого кода, о чем свидетельствуют данные, представленные на рис. 5 и 6 для Ns = 500 и 4-х разрядного кода.

Рис. 5. Вид сигнала и его гистограммы на входе приемника при передаче кода 1111

Рис. 6. Вид сигнала и его гистограммы на входе приемника при передаче кода 0000

Оценка помехоустойчивости проводилась путем измерения зависимости достоверности, как функции отношения мощностей несущего сигнала и помехи. При этом мощность несущего сигнала оставалась постоянной и равной Q(bern) = 0,21, а варьировалась мощность помехи.

Таблица 2

Зависимость достоверности приема сообщений от интенсивности шума в канале связи

Данные по помехоустойчивости получены при условии, что длина символа составляла Ns = 500 отсчетов при количестве 4 разрядов двоичного слова. Таким образом, общая длина сообщения составляла 2000 отсчетов. Если задать нижний порог по вероятности Р = 0,9, то из табл. 2 можно оценить предельное отношение сигнал-шум для нормального и равномерного шума. Это отношение составляет примерно 0,02. Другими словами, правильная передача сообщений обеспечивается (с вероятностью 0,9) при мощности сигнала в 50 раз меньшей, чем мощность нормальной или равномерной помехи. При этом кардинальным путем повышения помехоустойчивости является увеличение длины, в частности, Ns, передаваемого сообщения.

Выводы

Результатами моделирования подтверждена возможность передачи сообщений в структуре системы связи с управлением распределением вероятности хаотического несущего колебания. Предложенный способ развивает теорию и технику прямохаотических систем связи.

Перспективы использования данного способа передачи сообщений связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.

Литература

1. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А., Панас А.И., Старков С.О. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ диапазонах. - М.: Радиотехника, №3, 2000, с. 9-20.

2. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А., Панас А.И., Старков С.О. Прямохаотическая передача информации в СВЧ-диапазоне. - М.: Препринт №1 (625), Изд-во ИРЭ РАН, 2000.

3. Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. - М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2002. - 252 с.

4. Дмитриев Ю.А. Селективные свойства схемы некогерентного приема с использованием опорного генератора хаоса [Электронный ресурс] // Журнал Радиоэлектроники - М.: Изд-во ИРЭ РАН. - 2012. - № 10. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru.

5. Кликушин Ю.Н. Идентификационные измерения сигналов (Антология электронных публикаций): монография. - Saarbrucken, Germany: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru