CC BY
38
Прикладные задачи.^^^™^^^™^^^™^^^^™
нелинейной теории колебании и волн
УДК 537.86,621.373
https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-5-72-86
Моделирование системы относительной передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов в среде ADS
А. С. Дмитриев1, Т. И. Мохсени1, К.М. Сьерра-Теран
,2
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Россия, 125009 Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 2Московский физико-технический институт (государственный университет) Россия, 141700 Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9
E-mail: chaos@cplire.ru, mokhseni@gmail.com, serra@phystech.edu Автор для переписки Тимур Исхакович Мохсени, mokhseni@gmail.com Поступила в редакцию 6.06.2019, принята к публикации 26.06.2019, опубликована 31.10.2019
Темой работы являлось изучение свойств прямохаотической схемы относительной передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов. Цель работы заключалась в схемотехническом моделировании схемы в интересах получения ее характеристик, близких к характеристикам реального устройства, для последующего перехода к экспериментам на физических макетах схемы относительной передачи. Методы. Схемотехническое моделирование проведено в специализированной программной среде Advanced Design System (ADS). В процессе моделирования подобраны элементы схемы, функционирование которых формально понятно, но их физическая реализация на доступной элементной базе неочевидна. Найдены ограничения по частотному диапазону и технической реализации элементов. Результаты. При моделировании в среде ADS получены режимы работы системы передачи, которые в целом качественно согласуются с предшествующими результатами по моделированию прямохаотической относительной системы передачи в пакете Matlab, что является дополнительным доказательством работоспособности схемы в реальных условиях. Обсуждение. Представленные в работе количественные данные определяются используемыми электронными компонентами и их реальными динамическими характеристиками, заложенными в моделях производителей. Их можно непосредственно использовать при подготовке и проведении экспериментов с физическими макетами системы относительной передачи.
Ключевые слова: система связи, хаотический радиоимпульс, сверхширокополосный сигнал, относительный прием, корреляция, схемотехническое моделирование.
Образец цитирования: Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Сьерра-Теран К.М. Моделирование системы относительной передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов в среде ADS//Известия вузов. ПНД. 2019. T. 27, № 5. С. 72-86. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-5-72-86
Финансовая поддержка. Работа выполнена в рамках государственного задания.
72
© Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Сьерра-Теран К.М., 2019
https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-5-72-86
Simulation of differentially coherent information transmission system based on chaotic radio pulses in ADS environment
A. S. Dmitriev1, T. I. Mokhseni1, C. M. Sierra-Teran2
1Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS 11-7, Mokhovaya, 125009 Moscow, Russia 2Moscow Institute of Physics and Technology 9, Institutskiy pereulok, 141700 Dolgoprudny, Moscow Region, Russia E-mail: chaos@cplire.ru, mokhseni@gmail.com, serra@phystech.edu Received 6.06.2019, accepted for publication 26.06.2019, published 31.10.2019
Subject of the study. The subject of the work was the study of direct chaotic differentially coherent information transmission scheme based on chaotic radio pulses and its properties. The aim of the work was to carry out circuit simulation of the scheme in order to obtain its characteristics close to the characteristics of real device for the subsequent transition to experiments with physical layouts of differentially coherent transmission scheme. Methods. The circuit simulation was carried out in specialized program environment Advanced Design System (ADS). The elements of the scheme, which operation is formally clear, but their physical implementation on accessible components basis is not obvious, were selected during the process of simulation. The limitations on the frequency range and technical implementation of elements are found. Results. During the simulation in ADS the authors managed to obtain the transmission system's operation modes, which, in general, are in qualitative agreement with previous results on the simulation of the direct chaotic differentially coherent transmission system in Matlab environment. That is additional evidence of the scheme's performance in real conditions. Discussion. The quantitative data presented in the work are determined by the electronic components used and their actual dynamic characteristics embedded in the manufacturer's models. They can be directly used for the preparation and conduct of experiments with physical layouts of differentially coherent transmission system.
Key words: communication system, chaotic radio pulse, ultra-wideband signal, differentially coherent detection, correlation, circuit simulation.
Reference: Dmitriev A.S., Mokhseni T.I., Sierra-Teran C.M. Simulation of differentially coherent information transmission system based on chaotic radio pulses in ADS environment. Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics, 2019, vol. 27, no. 5, pp. 72-86. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-5-72-86
Acknowledgements. The research was supported by the state contract.
Введение
Методы относительной передачи инфомации, предложенные первоначально для регулярных и шумовых сигналов [1-3], в последние десятилетия широко применяются в схемах связи, использующих в качестве носителя данных хаотические сигналы.
В [4, 5] предложена схема прямохаотичекой относительной передачи с помощью хаотических радиоимпульсов: прямохаотическая относительная система связи (ПХОСС), Direct chaotic differentially coherent communication system (DCDC CS - DC2 CS). Были проведены аналитические оценки помехоустойчивости схемы при наличии в канале белого шума, а также построена ее математическая модель в виде системы дифференциально-разностных уравнений. Анализ схемы показал, что, по сравнению с популярной теоретической схемой DCSK (Differential Chaotic Shift Keing) [6, 7] и ее модификациями [8-11], длительность линий задержек в новой схеме значительно меньше и это радикально упрощает ее создание. Однако степень идеализации в мате-
матической модели предложенной схемы слишком велика, чтобы на ее основе сразу переходить к экспериментальной реализации системы передачи.
Во-первых, схема передачи содержит элементы, функционирование которых формально понятно, но их физическая реализация на доступной элементной базе неочевидна и вызывает вопросы.
Во-вторых, реальная система должна работать на СВЧ-частотах, и поведение электронных компонентов может существенно отличаться от поведения идеализированных низкочастотных моделей.
В-третьих, доступная элементная база может накладывать принципиальные ограничения по частотному диапазону и технической реализации элементов.
По перечисленным причинам было принято решение перед переходом к экспериментальному этапу исследований провести симуляцию работы схемы передачи в программной среде для схемотехнического моделирования Advanced Design System (ADS) [12, 13].
1. Использование ADS для моделирования систем со сложной динамикой
Программная среда ADS для схемотехнического моделирования является развитием пакетов SPICE и Electronic Workbench и обеспечивает возможность симуляции работы электронных устройств и систем не только в области низких частот, но и в микроволновом диапазоне. Во всяком случае, когда речь идет о системах с регулярной динамикой.
Среда обеспечивает симуляцию в двух режимах (модах): частотном и временном. В первом режиме все расчеты проводятся для частотных характеристик компонентов симулируемой системы и системы в целом. Во втором случае производится непосредственное интегрирование (итерирование) динамических уравнений элементов системы и системы в целом во временной области. Первый режим работы среды предназначен, в основном, для линейных систем. Поскольку ПХОСС существенно нелинейная система, в данной работе будет использован второй режим работы среды.
Как и в ряде других средств для симуляции динамики электронных устройств и схем, ADS имеет графический интерфейс, при помощи которого на экране формируется схемотехническая модель системы. Схема состоит из узлов и связей между ними.
В среде имеются собственные обширные библиотеки узлов, как правило, представляющих собой идеализированные модели электронных компонентов. Допускается также формирование специальных библиотек путем дополнительного введения моделей, предоставленных производителем электронных компонентов. Кроме того, исследователю обеспечивается возможность построения собственных моделей компонентов и их использования при симуляциях.
Проиллюстрируем процесс формирования схемотехнической модели в среде ADS на примере СВЧ-генератора, который в дальнейшем будет использоваться как один из основных элементов схемы относительной передачи.
Разработка генератора предполагает прохождение нескольких этапов от низкоразмерной математической модели до экспериментального устройства, на каждом из которых проводится анализ динамики системы и корректировка параметров для получения хаотических режимов с требуемыми характеристиками. Методика разработки генераторов СВЧ-хаоса описана в работе [13].
Рис. 1. Схема генератора источника несущего хаотического сигнала Fig. 1. Scheme of carrier-chaotic-signal source generator
В модели для симуляций будем использовать генератор хаоса, основанный на математической модели автоколебательной системы с 2.5 степенями свободы [14, 15] (рис. 1), которая описывается следующей системой дифференциальных уравнений:
Со Усе = Л — /с ¿1/1 = VI — Усе — Й1Л
С VI = /2 — /1 (*)
¿2/2 = Ус — У1 — #2/2 + Уве С2Уве = (Уе — Уве) /#е — /2 — /в
где Усе, Уве напряжения коллектор-эмиттер и база-эмиттер, У1 - напряжение на емкости С1; /1, /2, /с, /в - токи через индуктивность ¿1, индуктивность ¿2, коллектор С и базу В.
В качестве активного элемента в генераторе используется биполярный транзистор. Система (*) описывает низкочастотную модель генератора. Путем анализа бифуркационных диаграмм и спектральных характеристик сигнала в ней выбирается подходящий режим генерации хаотического сигнала, затем производится продвижение вверх по частотному диапазону путем пересчета параметров автоколебательной системы, использования реалистичной модели транзистора и, при необходимости, коррекции параметров для получения требуемого режима.
Разработанная в пакете схемотехнического моделирования ЛЭ8 модель автоколебательной системы (рис. 2) включает в себя идеальные пассивные элементы и реалистичную модель актив-
Рис. 2. Схема генератора источника несущего хаотического сигнала в ADS Fig. 2. Scheme of carrier-chaotic-signal source generator in ADS
Рис. 3. Характеристики хаотического сигнала генератора источника: а - проекция фазового портрета на плоскость (Vi ,V2 ); b - спектр мощности сигнала на выходе генератора; c - автокорреляционная функция сигнала на выходе генератора
Fig. 3. Characteristics of source-generator chaotic signal: a - projection of phase portrait on the plane (Vi, V2); b - power spectrum of generator output signal; c - autocorrelation function of signal at generator output
ного элемента (биполярного транзистора), учитывающую его динамические свойства, паразитные эффекты и другие артефакты. В данном случае использована модель транзистора BFP620, предоставляемая производителем.
Кроме того, в модель включены выходные цепи, обеспечивающие согласование генератора с внешними устройствами и фильтрацию выходного сигнала, а также виртуальные приборы, позволяющие контролировать характер процессов в генераторе.
В схеме использован единственный источник питания. Выходная цепь представляет собой фильтр высоких частот, который ограничивает спектр частот хаотического сигнала снизу и участвует в формировании динамики генератора. Фильтр промоделирован каскадом RC-элементов. Параметры системы выбраны таким образом, чтобы обеспечить генерацию хаотических колебаний в диапазоне частот 1...2 ГГц (рис. 3).
2. Модель системы относительной передачи в среде ADS
Исходная модель системы относительной передачи на хаотических радиоимпульсах строилась в среде ADS на основе структурных схем передатчика и приемника ПХОСС [4, 5].
Структурная схема передатчика ПХОСС на хаотических радиоимпульсах состоит из источника хаотических радиоимпульсов (ИХР), делителя, модулятора, источника входного информационного потока (ИП), задержки и сумматора. В среде ADS ей будет соответствовать блок-схема, показанная на рис. 4, a. Модель ИХР (блок 1) состоит из: генератора хаотических колебаний, генератора прямоугольных импульсов и перемножителя. Генератор хаотических колебаний порождает непрерывный сигнал. Сигнал с выхода генератора хаоса перемножается с выходным сигналом генератора прямоугольных импульсов. В результате на выходе перемножителя, который соотвествует выходу ИХР, формируется поток хаотических импульсов длительностью Ти; промежутки между импульсами (защитные интервалы) имеют длительность Тз. Каждый импульс поступает в делитель, после которого попадает в два канала. Сигнал с первого выхода делителя поступает на вход модулятора, управляемого входным ИП. В качестве источника сигнала входного ИП выступает генератор прямоугольных импульсов. В модуляторе сигнал в зависимости от значения напряжения входного ИП либо проходит без изменений, либо инвертируется. Импульс, пропущенный через модулятор без изменений, соответствует передаче «1», инвертированный импульс - передаче «0». Сигнал со второго выхода делителя задерживается на время та, превышающее время автокорреляции несущего хаотического сигнала. После этого сигналы с выхода
Рис. 4. Схема модели ПХОСС в среде ADS: а - передатчик (1 - ИХР, 2 - делитель, 3 - модулятор, 4 - входной ИП, 5 - задержка, 6 - сумматор, 7 - выход передатчика); b - приемник (1 - вход приемника, 2 - делитель, 3 - задержка, 4 - перемножитель, 5 - фильтр нижних частот, 6 - пороговое устройство, 7 - выходной ИП)
Fig. 4. Scheme of DC2 CS model in ADS: a - transmitter (1 - chaotic radio pulses source, 2 - power divider, 3 - modulator, 4 - input information sequence, 5 - time delay, 6 - adder, 7 - transmitter output); b - receiver (1 - receiver input, 2 - power divider, 3 - time delay, 4 - multiplier, 5 - low-pass filter, 6 - threshold device, 7 - output information sequence)
модулятора и выхода блока задержки суммируются. Затем суммарный сигнал поступает в канал связи.
Структурная схема приемника ПХОСС состоит из делителя, задержки, перемножителя, интегратора и порогового устройства. В среде ADS ей будет соответствовать блок-схема, показанная на рис. 4, b. Сигнал, полученный из канала, поступает на вход делителя (блок 2). Сигнал с первого выхода делителя поступает на перемножитель. Сигнал со второго выхода задерживается на время та, после чего он также поступает на перемножитель. Длительность импульса, полученного путем перемножения, равна Ти. Импульс, полученный с выхода перемножителя, интегрируется в течение времени Ти. В качестве интегратора для модели в ADS использовалась модель фильтра нижних частот (ФНЧ) Баттерворта второго порядка. С выхода ФНЧ сигнал поступает на пороговое устройство с нулевым порогом. Если поступивший сигнал больше нуля, то пороговое устройство фиксирует прием «1», если же он меньше нуля, то фиксируется прием «0».
Большинство блоков, используемых в качестве узлов модели в ADS было взято из библиотеки «Analog/RF», содержащей идеальные компоненты: генератор прямоугольных импульсов, делитель, блоки модулятора, задержка, сумматор, перемножитель, ФНЧ второго порядка, пороговое устройство. Блоки модели соединялись идеальными линиями задержек между собой. В качестве источника хаотических колебаний была использована модель практически реализуемого генератора на основе автоколебательной системы с 2.5 степенями свободы, описанная в разделе 1.
3. Замена идеальных элементов модели схемы на реальные
Рассмотрим возможность практической реализации электронных элементов, входящих в передатчик рассматриваемой схемы.
Генератор хаоса. Этот блок описан в разделе 1. Выбор рабочего диапазона диктуется ограничениями по характеристикам электронных элементов, представленных на рынке. В данном случае верхняя частота лимитируется перемножителем в приемном устройстве. С другой стороны, для использования схемы в беспроводном канале необходимо, чтобы сиганл был полосовым и нижняя частота генератора достаточно далеко отстояла от нуля. Для выполнения этих условий, а также условий сверхширокополосности сигнала, полоса генерации хаотических колебаний была выбрана в пределах от 1 до 2 ГГц. В соответствии с разработанными подходами [13-15] был синтезирован генератор с указанной полосой, описанный в разделе 1. В качестве активного элемента в генераторе используется СВЧ-транзистор BFP620. Экспериментально генератор может быть выполнен на плате размером 2 х 3 см из материала FR-4.
Задержки. При работе в выбранном диапазоне частот несущего сигнала в качестве элементов задержек можно использовать фрагменты микроволновых кабелей. Для них имеется специальное описание от производителя. При требуемой для схемы временной задержке та, длина соотвествующего ей кабеля будет La = тас/Ку, где c - скорость света, Ку - коэффициент укорочения, характеризующий скорость движения электронов в кабеле относительно скорости света. Коэффициент укорочения предоставляется производителем. Длительность задержки та, соответствующей времени автокорреляции несущего сигнала (см. рис. 3, с), составляет 4 нс.
Для реализации задержек будем использовать в ADS модель микроволнового коаксиального кабеля 10D-FB PE компании Radiolab. Его коэффицент укорочения равен Ку = 1.22. Длина кабеля La при задержке 4.0 нс оказывается равной примерно 98.4 см.
Среда ADS позволяет симулировать коаксиальные кабели при помощи модели, которой соотвествует компонент COAX_MDS из подбиблиотеки «TLines-Ideal» библиотеки «Analog/RF». Параметры блока COAX_MDS: A (радиус внутреннего проводника) = 1.75 мм, Ri (радиус ди-
электрика/внутренний радиус внешнего проводника) = 4.85 мм, Ro (радиус экрана/внешний радиус внешнего проводника) = 4.925 мм, L (длина кабеля) = 24.6 см, T (толщина покрытия проводника) = 0 мм, Condi (проводимость металла покрытия) - нет, Cond2 (проводимость металла-проводника) = 5.95 х 107 См/м (чистая медь), Er (диэлектрическая константа материала, располагающегося между проводниками) = 1.5 (вспененный полиэтилен), Mur (относительная магнитная проницаемость диэлектрика) = 1.0 (вспененный полиэтилен FPE), TanD (тангенс угла диэлектрических потерь) = 0.
Модулятор. Функция модулятора (рис. 5) заключается в инвертировании хаотических импульсов, соотвествующих передаче «0» и пропускании без изменения импульсов, соотвествую-щих передаче «1». Модулятор включает в себя входной двухпозиционный ключ 3, на первый вход которого подаются хаотические радиоимпульсы, а на второй - управляющий сигнал, который может принимать значения «0» или «1». В зависимости от подаваемого управляющего сигнала радиоимпульс попадает в верхний или нижний канал модулятора. При попадании в верхний канал (что соответствует передаче символа «1»), он без изменений проходит до верхнего входа выходного ключа 5, который также управляется управляющим сигналом 1, и далее поступает на его выход 6. При попадании в нижний канал (что соответствует передаче символа «0») хаотический радиоимпульс поступает в инвертор 4, где умножается на (-1), после этого -на нижний вход ключа 5 и, пройдя через ключ, попадает на выход 6.
Делитель. При выборе делителя основными критериями являлись его рабочий частотный диапазон и компактность. Также важным критерием являлись потери и искажения при прохождении сигнала через делитель. Данный признак проверялся путем подстановки различных делителей в схемотехническую модель системы относительной передачи. В результате исследования было отдано предпочтение СШП делителю/сумматору EP2W1+ с частотным диапазоном от 0.5 до 9.5 ГГц компании Mini-Circuits. Блок делителя для схемотехнической модели в ADS симулировался при помощи S-параметров, предоставляемых производителем.
Среда ADS позволяет точно импортировать модели на основе S-параметров из частотной области в схемотихнические симуляторы и симуляторы каналов с помощью специальных встроенных алгоритмов. S-параметры описывают прохождение сигнала через СВЧ радиотехнические устройства (фильтры, делители, сумматоры, перемножители, ключи) при помощи волновой матрицы рассеяния. Волновая матрица рассеяния или матрица S-параметров связывает линейной зависимостью комплексные амплитуды падающих и отраженных сигналов. Для моделирования
Рис. 5. Модулятор ПХОСС (1 - вход модулятора, 2 - входной ИП, 3 - входной ключ, 4 - инвертор, 5 - выходной ключ, 6 - выход модулятора)
Fig. 5. Modulator of DC2 CS (1 - modulator input, 2 - input information sequence, 3 - input key, 4 - inverter, 5 - output key, 6 - modulator output)
СВЧ устройств готовыми наборами S-параметров в ADS предусмотрены спецальные SNP блоки из подбиблиотеки «Data Items» библиотеки «Analog/RF». N в аббревиатуре SNP характеризует количество терминалов в блоке, которые можно использовать в качестве входов и выходов моделируемого компонента (N = 1,2,3...). В зависимости от устройства и режима его работы определяется требуемое количество терминалов, выбирается соотвествующий SNP блок, а затем определяется какие терминалы выступают в качестве входа/выхода. S-параметры загружаются в SNP блок путем указания адреса их файла. Файл с S-параметрами представляет собой коэффициенты отражения и передачи S11, S22, S12, S21 при различных значениях частоты внутри рабочего диапазона моделируемого устройства.
Делитель имеет один вход и два выхода, соответственно в ADS он может быть промоделирован S3P блоком с тремя терминалами. Один из терминалов выступал в качестве входа, а два оставшихся в качестве выходов. S-параметры, описывающие работу делителя, загружались в S3P блок. Основные параметры S3P блока, симулирующего работу делителя: ImpMaxFreq (максимальная частота) = 9.6 ГГц, ImpDeltaFreq (шаг выборки по частоте) = 100 МГц.
Сумматор. Устройство EP2W1+, выбранное для использования в качестве делителя для схемы передачи, работает как сумматор при включении в обратном направлении. Сумматор моделировался аналогично делителю трехтерминальным S3P блоком и набором идентичных S-параметров.
Ключ. При разработке модулятора для схемотехнической модели системы относительной передачи в его схеме было использовано два двунаправленных двухпозиционных ключа. При выборе ключа основными критериями были: рабочий частотный диапазон, потери и искажения при прохождении сигнала, компактность, а также работа при инверсном включении для использования в схеме модулятора. В результате был выбран двунаправленный двухпозиционный СВЧ ключ компании Mini-Circuits JSW2-63VHDRP+ c рабочей полосой от 5 Мгц до 6 ГГц.
Среда ADS позволяет моделировать двухпозиционный двунаправленный ключ при помощи компонента SPDT_Dynamic из подбиблиотеки «System-Switch & Algorithmic» библиотеки «Analog/RF». В зависимости от подключения компонент SPDT_Dynamic имеет один вход и два выхода, либо наоборот. Ключ, моделируемый SPDT_Dynamic, имеет два положения, в которых пропускает сигнал по одному из своих двух каналов. При напряжении менее 1 В ключ пропускает сигнал по первому каналу, при напряжении более 2 В ключ пропускает сигнал по второму каналу. Параметры модели ключа в ADS: Ron (Сопротивление ключа в открытом состоянии) = 0 Ом, Roff (Сопротивление ключа в закрытом состоянии) = 1 ГОм.
Набор S-параметров для двухпозиционного СВЧ ключа от производителя представляет собой перечень файлов, содержащих информацию о прохождении сигнала при различных положениях ключа. Прохождение сигнала через ключ, когда он замкнут с контактом одного из своих каналов описывается отдельным набором S-параметров. Соотвественно для представления двухпозиционного ключа требуется пара наборов S-параметров. Каждый набор характериузет прохождение сигнала через ключ при его замыкании на один из двух каналов. Для представления ключа в ADS S-параметрами применялась модель идеального двухпозиционного двунаправленного ключа на основе компонента SPDT_Dynamic. Ключ содержит один вход и два выхода. Для моделирования ключа S-параметрами были использваны S3P блоки с тремя терминалами, соотвественно. К обоим выходам идеального ключа подключались S3P блоки. В первый и второй блок загружались S-параметры, отвечающие за прохождение сигнала при замыкании ключа HMMC-2027 с контактом верхнего и нижнего канала соотвественно. Параметры S3P блока, симулирующего работу ключа: ImpMaxFreq (Максимальная частота) = 6 ГГц, ImpDeltaFreq (Шаг выборки по частоте) = 100 МГц.
Модель приемника в ADS содержит следующие элементы: делитель, задержка, перемножитель, фильтр нижних частот, пороговое устройство. Элемент, отвечающий за пороговое устройство не требует более детального рассмотрения и может быть заменен на реальный эквивалент. Возможность реализации делителя и задержки рассмотрены выше. Рассмотрим возможность реализации остальных элементов, входящих в схему приемника.
Перемножитель. Анализ перемножителей, представленных на рынке, показал, что в наличии имеются аналоговые перемножители с максимальной частотой до 2 ГГц. При этом производитель не предоставляет возможности импортирования моделей своей продукции в ADS. Это является ограничительной частью для схемотехнической модели системы относительной передачи. В ADS в качестве перемножителя использовалась модель идеального перемножителя соотвествующего компоненту Vmult из подбиблиотеки «System-Amps & Mixers» библиотеки «Analog/RF».
Фильтр нижних частот. Частота среза ФНЧ, выступающего в качестве интегратора, равна величине обратно пропорциональной длительности отрезка интегрирования при корреляции, равной длительности импульса Т. Например, при длительности несущего импульса 50 нс, следует выбирать фильтр с частотой среза F = 1/T = 20 МГц. В качестве ФНЧ для схемотехнической модели был выбран фильтр от компании Mini-Circuits SCLF-21.4+ с пропускной полосой от 0 до 22 МГц. Крутизна среза SCLF-21.4+ составляет 39 дБ/октаву.
Блок фильтра симулировался при помощи S-параметров. Для моделирования фильтра SCLF-21.4+ был использован S2P блок с двумя терминалами, в который загружались S-парамет-ры. Один из терминалов был обозначен входом, второй - выходом фильтра. Параметры S2P блока, симулирующего работу фильтра SCLF-21.4+: ImpMaxFreq (максимальная частота) = 3.5 ГГц, ImpDeltaFreq (шаг выборки по частоте) = 1.5 МГц.
4. Схемотехническая модель системы с реальными элементами
Схемотехнические модели передатчика и приемника с учетом замены идеальных элементов на их эквиваленты, соответствующие реальным компонентам, изображены на рис. 6, a и рис. 6, b, соответственно.
Генератор хаотических колебаний с 2.5 степенями свободы, выступающий в качестве источника, порождает непрерывный сигнал с полосой от 1 до 2 ГГц (см. рис. 3, b). Формирование хаотических радиоимпульсов осуществляется путем перемножения сигнала источника с выходным сигналом генератора прямоугольных импульсов. Длительность импульсов T составляет 50 нс, длительность защитных интервалов Тз - 100 нс. Сформированный поток хаотических радиоимпульсов поступает на вход делителя. Сигнал с первого выхода делителя поступает на вход модулятора, управляемого входным информационным потоком. В зависимости от напряжения управляющего информационного сигнала модулятор либо пропускает импульс без изменений, либо осуществляет его инверсию. Импульс, прошедший через модулятор без изменений, соответствует передаче «1», инвертированный импульс - передаче «0». Сигнал со второго выхода делителя поступает в блок задержки на время, превышающее время автокорреляции сигнала источника. В качестве задержки выступает модель отрезка коаксиального кабеля длиной = 1.0 м. Затем сигналы с выхода модулятора и с выхода задержки суммируют. Суммарный сигнал передается в канал связи.
На приемнике полученный из канала сигнал поступает на делитель. Сигнал с первого выхода делителя поступает на вход задержки в виде коаксиального кабеля длиной L. Сигнал
со второго выхода делителя поступает на перемножитель, где он перемножается с сигналом с выхода задержки. Сигнал, полученный в результате перемножения поступает на вход интегратора. В качестве интегратора выступает фильтр нижних частот 8СЬБ-21.4+ с пропускной полосой от 0 до 22 МГц. С выхода фильтра сигнал поступает на пороговое устройство. В пороговом устройстве осуществляется сравнение сигнала с нулевым порогом. Положительный сигнал соответствует приему «1», отрицательный - приему «0».
Рис. 6. Схема ПХОСС с реальными элементами: а - схема передатчика, b - схема приемника Fig. 6. DC2CS scheme with real elements in ADS: a - transmitter scheme, b - receiver scheme
5. Результаты моделирования
Схемотехническое моделирование в пакете ADS производилось согласно моделям приемника и передатчика, описанным в предыдущем разделе.
В качестве источника хаотических колебаний использовался генератор с полосой частот от 1 до 2 ГГц (см. рис. 3, b). Сформированный поток хаотических радиоимпульсов (рис. 7, a) подавался на вход делителя. Поток импульсов с первого выхода делителя поступал на модулятор. В зависимости от напряжения управляющего входного ИП (рис. 7, b), произведенного генератором прямоугольных сигналов, модулятор либо пропускал без изменений («1»), либо инвер-
Рис. 7. Вид сигналов при преобразованиях в передатчике и приемнике модели ПХОСС на рис. 6: а - фрагмент хаотического сигнала источника; b - фрагмент входной модулирующей последовательности; c - сумма фрагмента хаотического сигнала источника и его копии с задержкой на время т; d - фрагмент сигнала на выходе перемножителя приемника; e - фрагмент сигнала на выходе ФНЧ приемника; f - фрагмент выходной информационной последовательности
Fig. 7. Signal form during transformations in transmitter and receiver in DC2 CS ADS model: a - fragment of source chaotic signal; b - fragment of input modulating sequence; c - sum of source chaotic signal fragment and its copy delayed by т; d - fragment of receiver multiplier output signal; e - fragment of receiver low-pass filter output signal; f - fragment of output information sequence
тировал («0») пришедший импульс. Поток импульсов со второго выхода делителя пропускался через блок задержки, превышающей время автокорреляции сигнала источника. Затем сигнал с выхода модулятора и сигнал с выхода задержки суммировались. Суммарный сигнал (рис. 7, c) передавался в канал.
В приемнике полученный из канала сигнал поступал на вход делителя. Сигнал с первого выхода делителя подавался на блок задержки. Затем сигналы с выхода задержки и со второго выхода делителя перемножались. Сигнал с выхода перемножителя (рис. 7, d) поступал на вход ФНЧ. Сигнал с выхода ФНЧ (рис. 7, e) попадал на пороговое устройство, где принималось решение о значении полученного бита. На выходе порогового устройства формировался результирующий ИП, совпадающий с исходным информационным потоком в передатчике (рис. 7, f).
Выводы
В работе проведено схемотехническое моделирование системы относительной передачи иноформации на основе хаотических радиоимпульсов в среде автоматического проектирования ADS. Целью моделирования являлась подготовка переход к эксперименту по реализации макета системы относительной передачи.
В целом картина при моделировании в ADS качественно согласуется с картиной при моделировании прямохаотичекой относительной системы передачи в пакете Matlab, проведенном в работах [4-5]. Однако полученные количественные данные определяются используемыми электронными компонентами и их реальными динамическими характеристиками, заложенными в моделях производителей. Поэтому получаемые при таких симуляциях данные можно непосредственно использовать при подготовке и проведении экспериментов с физическими макетами системы относительной передачи.
Библиографический список
1. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Советское радио, 19б9.
2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 c.
3. Петрович Н.Т. Относительные методы передачи информации. Москва: Книга-М, 2003.
4. Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Сьерра-Теран К.М. Относительная передача информации на основе хаотических радиоимпульсов // Радиотехника и электроника. 2018. Т. б3, № 10. С. 1074-1082.
5. Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Сьерра-Теран К.М. Сверх- и гиперширокополосная относительная передача информации на основе хаотических радиоимпульсов // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2018. Т. 2б, № 4. С. 59-74.
6. Kolumban G., Kennedy M. The role of synchronization in digital communications using chaos. Part I: Fundamentals of digital communications // IEEE Trans. Circuits and Systems. 1997. Vol. 44, no. 10. Pp. 927-93б.
7. Kolumban G., Vizvari В., Schwarz W., Abel A. Differential chaos shift keying: A robust coding for chaotic communication. Proc. NDES'96, 199б. Pp. 87-92.
8. Galias Z., Maggio G.M. Quadrature chaos shift keying: Theory and performance analysis // IEEE Trans. Circuits Syst.-I. 2001. Vol. 48, no. 12. Pp. 1510-1519.
9. Quyen N.X. On the Study of a Quadrature DCSK Modulation Scheme for Cognitive Radio // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2017. Vol. 27, no. 9. (12 pages).
10. Yang H., Jiang G.P., Duan J.Phase separated DCSK: A simple delay-component-free solution for chaotic communications// IEEE Trans. Circuits Syst.-II: Exp. Briefs. 2014. Vol. 61, no. 12. Pp. 967-971.
11. Escribano F. J., Kaddoum G., Wagemakers A., Giard P. Design of a new differential chaos-shift-keying system for continuous mobility // IEEE Trans. Commun. 2016. Vol. 64, no. 5. pp. 2066-2078.
12. Keysight Technologies: Keysight EEsof Eda Advanced Design System https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-3326EN.pdf?id=921864
13. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Панас А.И., Максимов Н.А. Генерация хаоса. М.: Техносфера, 2012. 424 с.
14. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Григорьев Е.В. Генератор хаотических колебаний сверхвысокочастотного диапазона на основе автоколебательной системы с 2.5 степенями свободы // Радиотехника и электроника. 2007. Т. 52, № 10. C. 1232-1240.
15. Ефремова Е.В., Атанов Н.В., Дмитриев Ю.А. Генератор хаотических колебаний радиодиапазона на основе автоколебательной системы с 2.5 степенями свободы. Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2007. Т. 15, № 1. С. 23-41.
References
1. Petrovich N.T., Razmakhnin M.K. Communication systems with noise-like signals. Moscow: Soviet Radio, 1969. (in Russian).
2. Varakin L.E. Communication systems with noise-like signals Moscow: Radio I Svyaz, 1985. (in Russian).
3. Petrovich N.T. Differentially coherent information transmission methods. Moscow: Kniga-M, 2003. (in Russian).
4. Dmitriev A.S., Mokhseni T.I., Sierra-Teran C.M. Differentially coherent information transmission based on chaotic radio pulses. Journal of Communications Technology and Electronics, 2018, vol. 63, no. 10, pp. 1-9. (in Russian).
5. Dmitriev A.S., Mokhseni T.I., Sierra-Teran C.M. Ultra and hyper-wideband differentially coherent information transmission based on chaotic radio pulses. Izvestiya VUZ, Applied Nonlinear Dynamics, 2018, vol. 26, no. 4, pp. 59-74. (in Russian).
6. Kolumban G., Kennedy M. The role of synchronization in digital communications using chaos. Part I: Fundamentals of digital communications. IEEE Trans. Circuits and Systems, 1997, vol. 44, no. 10, pp. 927-936.
7. Kolumban G., Vizvari В., Schwarz W., Abel A. Differential chaos shift keying: A robust coding for chaotic communication. Proc. NDES'96, 1996, pp. 87-92.
8. Galias Z., Maggio G.M. Quadrature chaos shift keying: Theory and performance analysis. IEEE Trans. Circuits Syst.-I, 2001, vol. 48, no. 12, pp. 1510-1519.
9. Quyen N. X. On the Study of a Quadrature DCSK Modulation Scheme for Cognitive Radio. International Journal of Bifurcation and Chaos, 2017, vol. 27, no. 9, (12 pages).
10. Yang H., Jiang G.P., Duan J. Phase separated DCSK: A simple delay-component-free solution for chaotic communications. IEEE Trans. Circuits Syst.-II: Exp. Briefs, 2014, vol. 61, no. 12, pp. 967-971.
11. Escribano F. J., Kaddoum G., Wagemakers A., Giard P. Design of a new differential chaos-shift-keying system for continuous mobility. IEEE Trans. Commun., 2016, vol. 64, no. 5, pp. 2066-2078.
12. Keysight Technologies: Keysight EEsof Eda Advanced Design System. https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf75988-3326EN.pdf?id=921864
13. Dmitriev A.S., Efremova E.V., Maksimov N.A., Panas A.I. Generation of chaos. Moscow: Tekhnosfera, 2012 (in Russian).
14. Dmitriev A.S., Efremova E.V., Maksimov N.A., Grigoriev Ye.V. Generator of microwave chaotic oscillations based on oscillator with 2.5 freedom degrees. Journal of Communications Technology and Electronics, 2007, vol. 52, no. 10, pp. 1232-1240 (in Russian).
15. Efremova E.V., Atanov N.V., Dmitriev Yu.A. RF chaotic generator based on oscillator with 2.5 degrees of freedom. Izvestiya VUZ, Applied Nonlinear Dynamics, 2007, vol. 15, no. 1, pp. 23-41 (in Russian).
Дмитриев Александр Сергеевич. Закончил факультет общей и прикладной физики Московского физико-технического института в 1971 году. Кандидат физико-математических наук по специальности радиофизика с 1974. Доктор физико-математических наук по специальности радиофизика с 1988. Профессор с 1995. Заведующий отделом статистической радиофизики в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Профессор Московского физико-технического института. Область научных исследований и разработок: информационные и коммуникационные технологии на основе динамического хаоса. Автор и соавтор более 230 статей в журналах, 9 монографий, более 25 патентов и авторских свидетельств. Дважды Лауреат Премии Совета Министров СССР. Заслуженный радист Российской Федерации.
125009 Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН E-mail: chaos@cplire.ru
Мохсени Тимур Исхакович - родился в Чебоксарах (1985), окончил Московский физико-технический институт (2008). После окончания института работает в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов -применение широкополосных хаотических сигналов для передачи информации. Автор более 30 печатных работ (из них 9 статей в соавторстве) по направлению, указанному выше.
125009 Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН E-mail: mokhseni@gmail.com
Сьерра-Теран Кристиан Маурисио - родился в 1990 году в Картахене, Колумбия. В 2014 году окончил радиотехнический факультет Московского физико-технического института (МФТИ). Область интересов - применение динамического хаоса в информационных системах связи. Аспирант Московского физико-технического института. Автор и соавтор ряда печатных работ (в том числе 1 статьи).
141701 Долгопрудный, Институтский переулок, 9 Московский физико-технический институт E-Mail: serra@phystech.edu
