Sakaru Pasaule - urnls par
modernm komunikcijm

  
  


Atpaka Jaunais numurs Arhvs Par mums Meklana

HAOSS krtbas, veselbas un elektronisko sakaru avots.

   

Haos 2

II daļa

(Nobeigums. Sākums SP2 2005)

 

Haotiskais radio vai sakari ar haosa palīdzību

Vairumā mūsdienu sakaru sistēmu informācijas nesēja funkciju pilda noteiktas svārstības. Informācijas signāls raidītājā modulē šīs svārstības pēc amplitūdas, frekvences vai fāzes, bet uztvērējā informācija tiek ievadīta ar apgrieztās operācijas - demodulācijas - palīdzību.

Līdzīgi var veikt haotisko svārstību modulāciju, tomēr iespējas ir ievērojami plašākas. Haotisku svārstību gadījumā pat nelielas parametra vērtības variācijas vienā no haosa avota elementiem noved pie svārstību rakstura izmaiņām, kuras var būt precīzi fiksētas. Tas nozīmē, ka haosa avotā ar maināmiem elementu parametriem ir potenciāli liels shēmu skaits ar informatīvā signāla ievadi haotiskajā nesējā (modulācijas shēmas). Turklāt haosam ir plašs frekvenču spektrs, tas ir piederīgs platjoslas signāliem. Platjoslas informācijas pārraide šobrīd kļuvusi tik populāra tieši lielās informācijas ietilpības dēļ, īpaši ja to salīdzina ar šaurjoslas svārstībām. Platā frekvenču josla ļauj palielināt informācijas pārraides ātrumu, kā arī paaugstināt sistēmas noturību pret traucējumiem. Platjoslas un superplatjoslas sakaru sistēmām, kuru pamatā ir minētie haosa principi, ir potenciālas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām platjoslas sistēmām tādos nozīmīgos parametros kā iekārtu realizācijas vienkāršība, optimāls/rentabls enerģijas patēriņš un informācijas pārraides ātrums. Haotiskas sakaru sistēmas var kalpot pārraidāmās informācijas maskēšanai, neizmantojot spektra paplašinājumu (ja sakrīt informatīvās un izstarojošās frekvenču joslas signāli).

Haotisko signālu būtiskākā iezīme ir augsta reproducēšanas spēja pie stipras šo svārstību stohastizācijas. Tas nozīmē, ka neraugoties uz tā līdzību ar nejaušiem procesiem, haoss tomēr ir arī iepriekš paredzams. Tas dod plašas iespējas haotisku svārstību teorētiskam lietojumam un reālai informācijas pārraidei. Saglabājot visas platjoslas informācijas pārraides sistēmas pozitīvās īpašības iespēju strādāt pie zemas signāla/trokšņa attiecības, augstu aizsardzību pret traucējumiem, noturību pret daudzstaru parādībām, - platjoslu sistēmas ar haosa signāliem sava neperiodiskuma dēļ padara noklausīšanos neiespējamu.

Dinamiskā haosa pievilcību no sakaru sistēmu viedokļa vispirms nosaka pašas haotisko signālu un sistēmu īpašības:

  • iespēja uztvert sarežģītas svārstības ar nepārtrauktu spektru (to skaitā platjoslu un superplatjoslu) ar vienkāršu elektronisku ierīču palīdzību;
  • vienā haosa avotā iespējams realizēt daudzveidīgas haotiskās modas;
  • haotisko režīmu vadība notiek, izdarot nelielas izmaiņas sistēmas parametros;
  • haotiskajām sistēmām caurmērā piemīt pastāvīga entropija (informācija) uz nolasi (laika vienībā);
  • metožu daudzveidība informācijas ievadei haotiskajā signālā;
  • liela informācijas daudzuma ietilpināšanas iespēja haotiskajā signālā;
  • modulācijas ātruma palielināšana salīdzinot ar tradicionālajām modulācijas metodēm;
  • pašsinhronizācijas iespēja;
  • noturība pret feidingiem pie daudzstaru izplatīšanās un iespējas organizēt konfidenciālus sakarus.

Visa pamatā ir haotiskā radioimpulsa jēdziens. Haotiskā radioimpulsa frekvences josla tiek noteikta ar sākotnējā haotiskā signāla frekvences joslu, kuru ģenerē haosa avots, un tas nav atkarīgs no impulsa ilguma. Tas būtiski atšķir haotisko radioimpulsu no parastā radioimpulsa.

Augšminēto faktoru kopums stimulēja uz haosu bāzēto komunikāciju sistēmu aktīvus pētījumus. Šobrīd jau piedāvātas vairākas iespējas spektra informatīvo signālu paplašināšanai, kas ir vienkāršas pēc raidītāju un uztvērēju uzbūves arhitektūras.

Viena no vienkāršākajām un saprotamākajām idejām šajā virzienā ir tiešā haotiskā sakaru shēma (THSS). Informāciju ievada haotiskajā signālā, kuru ģenerē tieši radio vai SAF viļņu diapazonā, ar raidītāja parametru modulāciju, vai arī ar tās ievadi haotiskajā nesējā pēc ģenerēšanas. Attiecīgi informācijas signāla atdalīšana no haotiskā tāpat notiek augstās vai superaugstās frekvencēs. Mērījumi rāda, ka platjoslas un superplatjoslas THSS spēj nodrošināt informācijas pārraides ātrumu no desmitiem megabitu sekundē līdz dažiem gigabitiem sekundē.

 

Haotisku svārstību veidošanās varianti, sprieguma diagrammas un atraktori attēloti 1. - 5. zīmējumā.

 

1. zīm. Chua formētājs: haosa avots, kas sastāv no svārstību kontūra un nelineārā rezistora NR ar negatīvu pretestību. Pat nelielas elementu parametru izmaiņas elektroniskajā shēmā noved pie haotisko svārstību rakstura būtiskām izmaiņām. Piemēram, mainās sākuma lādiņš uz kondensatoriem. Turklāt mainās formējamo haotisko signālu un atbilstošo atraktoru izskats.

Attēlotā shēma ir tipiska haosa procesu formētājiem. Filtrs un aiztures elements nav nepieciešami haosa ģeneratora komponenti, tomēr tie vienmēr ir netieši klāt reālā ierīcē (kā parazītiskās reaktivitātes filtrs zemajās frekvencēs). Nepieciešama nelineārā atgriezeniskā saite, citādi izejā būs novērojamas regulāras svārstības, kas atšķirsies no trokšņa fona.

Interesanti atzīmēt, ka nelinearitātes ietekmei uz ķemmveida filtriem (nevis ģeneratoru) kas attēlota 4. zīmējumā, ir veltīta vesela virkne šī raksta autora darbu un viņa 1972. gada disertācija.


THSS pamatā ir trīs galvenās idejas:

         haosa avots ģenerē haotiskas svārstības tieši vajadzīgajā SAF diapazonā;

         informācija jāievada haotiskajā signālā ar haotisku radioimpulsu secības veidošanas palīdzību;

         informācija ir dabūjama no SAF signāla bez frekvences starppārveides.

THSS ir viena no bāzes tehnoloģijām superplatjoslu sakaru sistēmās. To potenciāli var lietot šādos virzienos: dažādi sensoru tīkli; bezvadu sakaru sistēmas intelektuālām mājām un dzīvokļiem; apsardzes sistēmas ar paaugstinātu drošību; automobiļu tālvadība; precīza lokācija un pozicionēšana no neliela attāluma; liela pārraides ātruma personālie bezvadu sakaru tīkli, kas salāgojami ar pašreizējām un nākotnes mobilajām sakaru sistēmām; monitoringa līdzekļi klīnikās, ugunsnedrošos un ātri uzliesmojošos objektos, preču noliktavās un citur; mājas elektronikas bezvadu vadība u.c.

 

Kopš 1992. gada tika piedāvāta vesela virkne pārraides signālu, kuros izmantota haotiskā dinamika:

         haotiskās maskēšanās informatīvais signāls λ(t) summējas ar x(t) haotiskās sistēmas izejas signālu x(t). Rezultātā signāls s(t) = x(t)+ λ (t) pārveidojas radiosignālā un tiek pārraidīts kanālā;

         pārslēdzot haotiskus režīmus, bināra informatīva signāla gadījumā simbols 1 ir kodējams ar haotiska signāla vienu tipu, bet 0 simbols ar citu.

         nelineāra piejaukuma gadījumā informatīvais signāls tieši piedalās sistēmas sarežģītās haotiskās uzvedības veidošanā, un tādu informācijas ievadi nedrīkst nosaukt nedz par aditīvu uzklāšanu, nedz par parastu summēšanu;

         sistēmās ar duālu nelineāru pārveidi raidītājs sastāv no haotiskas sistēmas, kurā ir ievadāms informatīvs signāls. Uztvērējs ir inversa sistēma attiecībā pret raidītāju. Sistēmas ar duālu nelineāru pārveidi potenciāli nodrošina augstākus pārraides ātrumus;

         apsteidzošā vadība ar Puankarē šķēlumu. Šai modulācijas veidā kodēšanai un dekodēšanai tiek izmantota simboliska analīze. Analogās haotiskās sistēmas Puankarē šķēlumā identificējas divi vai vairāk apgabali, kuriem tiek piešķirta noteikta vērtība informācijas kodēšanai (piemēram, vienai haosa un procesa trajektorijai nosacīti tiek piešķirta vērtība 0, citai - 1). Ar atbilstošas vadības metodes palīdzību raidošās sistēmas fāžu trajektorija virzās caur vienu no Puankarē šķēluma apgabaliem tā, lai veidotos tādas trajektorijas, kādas ir informatīvajam signālam, kurš ir jāpārraida. Vadību var īstenot, piemēram, nedaudz izmainot vienu no stohastiskās pašsvārstību sistēmas parametriem saskaņā ar pārraidāmo simbolu no paziņojuma alfabēta.

 

Haosa teorija ļauj izstrādāt un lietot:

         jaunu stratēģiju un lēmuma pieņemšanas algoritmus signālu atpazīšanai: pēc atraktora/fraktāla;

         jaunu stratēģiju un kodēšanas algoritmus: pēc atraktora/fraktāla;

         jaunu stratēģiju un pārraidāmo paziņojumu modulācijas algoritmus, ne pēc amplitūdas, frekvences, fāzes vai polarizācijas, kā tas notiek pašreizējās radiosistēmās, kur izmantojamo modulējamo parametru daudzums ir ierobežots, bet ar atraktora/fraktāla neierobežoto daudzveidību.

 

Fraktālas dimensijas modulācija ar haotisko nesēju

Atgādināsim, ka fraktāla dimensija nav vesels skaitlis. Uztvērēja signāls, ko uztver antena, ir apstrādājams, salīdzinot to ar testa signālu, un tiek izdalīta signāla fraktālā dimensija atkarībā no laikdales un attiecīgi arī pārraidītā informācija. Īpaši svarīgi nelineāro sistēmu raksturojumi ir dažādu statistisku sadalījumu fāžu trajektoriju parametri, kā arī attālums starp sistēmas fāžu trajektorijām un testu fāžu trajektorijām.

 

Šifrēšana un informācijas pārraide uz haotisku dinamisku sistēmu pamata ar informatīvā signāla nelineāru piejaukumu haotiskajā ir ilustrēts zīmējumos 10.-13. Šī algoritma lietojums informācijas šifrēšanai deva iespēju izmantot to arī kriptogrāfiskajai kodēšanai. Šifrētajā attēlā nav nekādu struktūru (12. att.), un pikseļu spilgtuma spektrs kļūst viendabīgs (13. att.).

 

Fraktālās antenas (FA)

Mobilo ierīču antenām bieži vien tiek izvirzītas vairākas pretrunīgas prasības. Tām jābūt miniatūrām, jūtīgām, ar spēju vienlaikus strādāt dažādās frekvencēs. Piemēram, automobilī ieteicama tikai viena antena ultraīsviļņu un vidējo viļņu radiouztvērējam, mobilajam telefonam, interneta piekļuvei un navigācijas sistēmai. Bezvadu WiFi tīklos ieteicams strādāt ar IEEE standartiem 802.11, 802.11b/g (2.4 GHz- Eiropā) un IEEE 802.11a/h ( ASV ) vai ETSI EN 301893 (5 GHz -Eiropā).

Tieši fraktālo īpašību piešķiršana antenām arī ļaus atrisināt šos uzdevumus vienlaikus.

Fraktālas struktūras, kā zināms, atšķirīgos mērogos ir sev līdzīgas un nav apveltītas ar tām raksturīgiem izmēriem, jo vienā objektā mēdz būt bezgalīgs mērogu un izmēru skaits. Pateicoties tam, fraktālās struktūras elektromagnētiskajā nozīmē ir daudzdiapazonu struktūras. Fraktālās teorijas izmantošana ļauj iegūt antenas, kuras ir elektriski garas, bet fiziski kompaktas un aizņem mazu laukumu. Tāpēc arī var panākt antenas miniaturizāciju.

14. att. Mobilā telefona korpusā iebūvēta FA ir parasta slaida izmērā (24 x36 mm). Turklāt tā strādā plašā frekvenču diapazonā: CDMA ( 450 MHz ), GSM 900/1800/1900 MHz.

FA parametri mainās ļoti interesanti. Pēc pirmās iterācijas antenas pastiprinājums pieaug, bet tālāk pastiprinājums nepalielinās, paplašinās tikai uztverošo frekvenču diapazons. Tādējādi pati antena top daudz kompaktāka. Tiesa, efektīvi ir tikai pirmie pieci, seši soļi.

Bez viendimensiālajām FA iespējams projektēt arī divdimensiālās (antenu režģis) un trīsdimensiālās FA.

FA tiek plaši pielietotas bezvadu tīklos, mobilajos tīklos, telemātikā, radiofrekvenču identifikācijā (RFID ) un citās radioelektroniskās komercsistēmās. Šīs antenas plaši izmanto militāristi, piemēram, ASV Armijas pētniecības centrā (U.S. Army Research Office) [4]. Radās jauns virziens: fraktālā elektrodinamika, kura savienoja fraktālu teoriju ar elektromagnētisma teoriju. Atšķirībā no tradicionajālām metodēm, kad sintezējas antenas vērsuma diagrammas, fraktālās sintēzes teorijas pamatā ir raksturlīkņu, kuru struktūrai ir atkārtojošs izstarojums, realizācija patvaļīgos mērogos. Fraktālā elektrodinamika ir speciāls pētījuma priekšmets Eiropas programmas IST Fifth Framework Programme ietvaros [5].

Tātad, haosa teorija dažādās radioelektronikas jomās paver plašas perspektīvas. Piemēram, informācijas modulācijas/demodulācijas, ziņojumu kodēšanas vai MIMO (Multiple Inpout Multiple Outpout: Receiver 1, Receiver 2, ) procedūras realizācijas laikā atraktoru un fraktāļu daudzveidības izmantošana. Tā ir it kā otrā elpa vai ceturtā dimensija.

 

Izmantotie avoti

1. .. : . . 2-, . .- .: , 2005. - 848 .

2. . .-:, 2003.-320 .

3. ., . ( 3- ) 2002

4. Strategic Assessment Report.TOWARD A NEW DIGITAL COMMUNICATION TECHNOLOGY BASED ON NONLINEAR DYNAMICS AND CHAOS.Based on the Advanced Concept Workshop "Communicating by Chaos: Digital Signal Generation by Simple Nonlinear Devices" U.S. Army Research Office.1996 (http://www.aro.army.mil/mcsc/sarrepor/nonlindv.htm)

5. Exploring the limits of Fractal Electrodynamics for the future telecommunication technologies IST-2001-33055 http://www.tsc.upc.es/fractalcoms/

 

Profesors,Dr.habil.sc.ing.,

SIA VERSIJA viceprezidents

Vladimirs KARPUHINS

 

 
Design and programming by Anton Alexandrov - 2001