СВЧ-системы связи с применением хаоса

Динамический хаос обладает совокупностью свойств, привлекательных для передачи информации по радиоканалам. Кроме упоминавшейся выше возможности организации конфиденциальной связи, к ним следует отнести потенциально высокие скорости передачи информации и устойчивость систем связи на широкополосных хаотических сигналах к многолучевому распространению.

К настоящему времени на основе хаоса предложено несколько подходов для расширения спектра информационных сигналов и построения передатчиков и приемников с простой архитектурой.

Рассмотрим три наиболее продвинутые с экспериментальной точки зрения схемы. Схема с дифференциальным переключением хаотических режимов (Differential Chaos Shift Keying, DCSK) функционирует следующим образом .

Каждый передаваемый бит представляется двумя фрагментами хаотической последовательности. Первый фрагмент используется как реферативный, второй же несет информацию. Значение «1» кодируется передатчиком путем повторения одной и той же последовательности, а при передаче «0» за реферативным фрагментом следует его инвертированная копия. В приемнике хаотический сигнал задерживается на время T/2, где T - длина бита, и определяется корреляция между исходным и задержанным сигналами. Битам со значениями «1» и «0» отвечают положительная и отрицательная корреляции со значениями «1» и «-1», соответственно. Поэтому решение о значении поступившего бита может быть принято пороговым устройством. Отметим, что сформированный модулятором сигнал в соответствии с классической схемой передачи информации модулирует высокочастотный синусоидальный сигнал и лишь затем излучается [13].

Модифицированная схема DCSK (FM-DCSK) положена в основу лабораторного макета цифровой системы связи со скоростью передачи данных 512 кбит/с, работающего в диапазоне 2,4 ГГц. Макет разработан группой исследователей из Хельсинкского технологического университета и представлен в августе этого года на конференции ECCTD 2001 [14].

Другая идея применения хаоса в системах радиосвязи имеет отправной точкой сверхширокополосное импульсное радио (UWB Pulse Radio). Начиная с конца 1970-х годов развивались идеи использования коротких импульсов для радиосвязи и радиолокации [15]. В отличие от традиционных схем связи, где в качестве носителя информации используются протяженные во времени узкополосные синусоидальные носители, в сверхширокополосных импульсных системах носителями информации служат очень короткие импульсы с очень широким спектром. Интерес к импульсным системам никогда не угасал, однако о широком коммерческом применении речь тогда не шла. Но во второй половине 1990-х годов были разработаны прототипы таких систем связи. Их достоинствами являются: сверхширокополосность, обеспечивающая устойчивые характеристики передачи даже в неблагоприятных условиях распространения сигнала; малая спектральная плотность излучения; высокие скорости передачи информации. Кроме того, подобные системы могут (потенциально) работать в тех же диапазонах, что и традиционные системы связи, не мешая последним. Таким образом обеспечивается более эффективное использование эфира.

Структуры передатчика и приемника в UWB Pulse Radio радикально отличаются от традиционных. В них отсутствует разделение системы на низкочастотную и высокочастотную части. Ультракороткие импульсы, являющиеся носителями информации, имеют спектр мощности, простирающийся от единиц мегагерц до 2-3 ГГц. Непосредственно на этот сигнал накладывается передаваемая информация.

Технология обладает значительным потенциалом по скорости передачи данных и числу пользователей (продемонстрирована скорость передачи информации 40-50 Мбит/с). Однако ее особенность заключается в том, что если импульсы будут следовать почти периодически, то в среднем спектре мощности сигнала возникнут нежелательные спектральные компоненты. Чтобы этого не происходило, импульсы должны следовать, например, по случайному закону. Реализация этой идеи возможна с помощью хаотического кодирования расстояний между импульсами [16].

Рис. 6. Так выглядят сигналы на экране осциллографа при сверхширокополосной прямохаотической передаче информации. Голубым цветом показан исходный информационный сигнал. Желтым - поток хаотических радиоимпульсов на входе приемника. Скорость передачи 100 Мбит/с.

Еще одна разновидность систем связи с использованием хаоса - прямохаотические схемы [18] - не только обладает многими преимуществами сверхширокополосных импульсных систем, но также рядом дополнительных достоинств. В прямохаотической схеме связи (ПХСС) информационный сигнал вводят в хаотический сигнал, который генерируется непосредственно в радио- или СВЧ-диапазоне (рис. 6). Это осуществляется либо путем модуляции параметров передатчика, либо путем модуляции хаотического сигнала информационным. Извлечение информационного сигнала из хаотического также осуществляют в области высоких или сверхвысоких частот. ПХСС могут работать как в широкой, так и в сверхширокой полосе частот. По оценкам, они способны обеспечить скорости передачи информации от десятков мегабит до 1 Гбит/с. Первые эксперименты с широкополосными ПХСС были проведены весной 2000 года, когда в диапазоне 1 ГГц и полосе частот 100 МГц была экспериментально продемонстрирована скорость передачи данных до 70 Мбит/с [18-19]. В сверхширокополосной ПХСС с полосой частот 2.5 ГГц в сентябре 2001 года достигнуты скорости передачи до 200 Мбит/с.