CC BY
106
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.391,621.396 ю. н. КЛИКУШИН
В. Ю. КОБЕНКО
Омский государственный технический университет
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ В ПРЯМОХАОТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ
Предлагается новый способ передачи сообщений в системах связи с хаотической несущей. Способ основан на принципе управления формой распределения несущего колебания. Исследованы характеристики помехоустойчивости и определены условия, обеспечивающие правильный прием сообщений с вероятностью не менее 0,92.
Ключевые слова: демодуляция, модуляция, помехоустойчивость, способ передачи сообщений, системы связи, управление распределением, хаотическая несущая.
Введение. Возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов была обоснована в работе [1]. В 2000 г. в лаборатории «ИнформХаос» 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 единицы является наличие хаотического радиоимпульса в некоторой позиции на временной оси, а признаком передачи логического нуля — от-
сутствие 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 коле-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
*
Классификация систем связи с управлением распределениями <СС УР)
Фрактальная несущая
Управление трендом (Н = 1) Управление размерностью
<Н = 0&Н=1)
Стационарная несущая
Управление параметрами Управление видом
распределения распределения
Рис. 1. Классификация систем связи с управлением распределениями
Рис. 2. Структурная схема модели ССУР
бания. Предполагается, что в этом случае повысятся скрытность и помехоустойчивость передачи информации, а структурная сложность системы уменьшится.
Методика и инструменыт исследования. 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].
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 единицы — 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 единицы — 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 единицы — 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.
Входное передаваемое сообщение (Sinp) представляет собой двоичную последовательность, которая управляет аналоговым переключателем посимвольно. Алгоритм работы переключателя та-
Рис. 3. Эпюра сигнала и его гистограмма на входе приемной части модели ССУР
Рис. 4. Функциональная схема виртуальной модели стационарной ССУР
ков: «Если Sinp равен логическому нулю (лог.0), то Pd = P0. Если Sinp равен логической единице (лог.1), то Pd = P1», где Pd — параметр, управляющий распределением генератора несущей. В данной работе в качестве генератора несущей был выбран генератор стационарного случайного сигнала с параметрическим распределением Бернулли. Сигнал несущей, модулированный параметром Pd и усиленный в передатчике, 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.
Приемная часть системы представляет собой детектор распределений (ДР), идентифицирующий и измеряющий форму распределения сигнала, поступающего с антенны. Выходной сигнал ДР, например в виде напряжения, зависит от формы распределения. Пороговый фильтр (компаратор) настраивается на выделение необходимой компоненты распределения, в простейшем случае, с помощью опорного напряжения.
На рис. 3 показаны эпюра сигнала (Signal Graph) на входе ДР и его гистограмма (Histogram), полученные при передаче 4-разрядного двоичного слова (0110) по каналу связи с нормальной помехой. Пере-
датчик модели ССУР был настроен таким образом, что модуляция несущей с распределением Бернулли производилась при значениях параметра формы, равных Р0 = 0,1 и Р1 = 0,9, соответственно, для логического нуля и логической единицы. Уровень нормальной помехи соответствовал дисперсии, равной 0,25, а уровень несущего сигнала имел дисперсию 0,09. Таким образом, отношение сигнал-шум в эксперименте для данного, тестового примера составляло примерно —4,44 дБ при длительности передачи всего кода N = 2000 (в числе отсчетов).
Контроль правильности передачи информации проводился путем сравнения кодовых слов на входе (Input Code) и выходе (Out Code) системы при наличии (переключатель gaus-noise-even) в канале связи либо нормального (gaus-noise), либо равномерного (even-noise) шума. Вероятность принятия правильного решения оценивалась по 1000 выборкам с вычислением среднего значения (окно Prob = 0,9325) и его среднеквадратического отклонения (окно Sigma=0,003963). При указанных параметрах настроек (положение переключателя = gaus-noise), достоверность передачи составила Р = 0,93±0,008 для уровня доверительной вероятности 0,95.
Частотный диапазон работы подобной ССУР определяется, главным образом, двумя фактора-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
*
Рис. 5. Структурная схема детектора распределений
Зависимость достоверности приема сообщения от длины одного символа при наличии помех в канале связи
Таблица 1
№ п/п Длина символа Ns (кол-во отсчетов) Достоверность (Р) приема сообщения по совокупности L=1000 реализаций
Равномерный шум с дисперсией 6,8 Нормальный шум с дисперсией 0,25
P Sigma P Sigma
1 100 0,бЗ G,GG8 G,84 G,GG6
2 200 G,78 G,GG7 G,88 G,GG5
З 300 G,88 G,GG5 G,9 G,GG46
4 400 G,92 G,GG4 G,92 G,GG4
5 500 G,95 0,00З 0,9З G,GG4
б 1000 G,998 G,GGG8 G,94 0,0038
7 2000 G G,95 0,0035
ми — частотой дискретизации генератора несущего случайного сигнала и инерционностью детектора распределений. Предварительный анализ показывает, что принципиальных ограничений на работу в СВЧ диапазоне для генератора несущей — нет. Для оценки же частотных пределов работы ДР требуется проведение дополнительных исследований.
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 Р0 и Р1 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 (Select).
За пределами внутреннего цикла расположены: 1) переключатель (gaus-noise-even), с помощью которого задается тип помехи, подмешиваемой в канал связи; 2) дисплей индикации (Signal Graph) сигнала передаваемого сообщения; 3) построитель и индикатор гистограммы (Histogram) сигнала; 4) детектор распределений (ColorDetectDistrib.vi); 5) модуль посимвольного сравнения входного (Input Code) и выходного (Out Code) кодов.
Внешний цикл предназначен для организации сбора статистики испытаний. По умолчанию количество испытаний (реализаций передаваемого сообщения) составляет L= 1000. За пределами внешнего цикла установлен блок, вычисляющий среднее значение вероятности (Prob) правильного приема сообщения и случайную составляющую погрешности среднего (Sigma).
На рис. 5 изображена структурная схема ДР, который является основным модулем приемной части системы. ДР состоит из сканера, идентификационного тестера типа Color tester [6, 7], компаратора и переключателя.
Сканер осуществляет разбиение сигнала S(t) сообщения на порции, соответствующие длительности одного символа. Каждая порция измеряется идентификационным тестером с формированием оценок RGB — компонент цветового вектора распределения. Компаратор проверяет выполнение условия (B>R), управляет работой сканера, заставляя его просматривать очередную порцию, для которой формирует логический уровень нуля или единицы (с помощью переключателя). Для правильной работы ДР требуется априорная информация о длительности (Ns) одного символа и числе передаваемых разрядов.
Результаты моделирования. 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.
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 помех в канале связи представлены в табл. 1. Достоверность оценивалась вероятностью (Р) правильного приема и оценкой разброса вероятности в виде
Зависимость достоверности приема сообщений от интенсивности шума в канале связи при Q(bem)=0r1
№ п/п Мощность нормального шума, Q(gaus) Вероятность правильного приема, Р Отношение Q(bern)/ Q(gaus), дБ Мощность равномерного шума, Q(even) Вероятность правильного приема, Р Отношение Q(bern)/ Q(even), дБ
1 0,01 9,4 0,08 0,3
2 0,04 3,4 0,33 -5,7
3 0,1 0,997 -0,03 1,34 -12
4 0,17 0,98 -2,45 2,88 0,996 -15
5 0,25 0,92 -4,47 5,8 0,974 -17,8
6 0,35 0,84 -6 7,7 0,94 -20
7 0,63 0,72 -8,6 12 0,89 -21
8 1 0,62 -10,5 17,5 0,84 -23
6. Зависимость вероятности правильного приема сообщений от длины одного символа
-5 о
{ОЬет/Ода1Б), <Ш
Рис. 7. Зависимость достоверности приема сообщений от отношения сигнал-шум для нормальной помехи
стандартного отклонения (Sigma) среднего. 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 (К) передаваемого двоичного кода: N = Ns*K.
Все измерения проводились при постоянной дисперсии нормальной (0,25) и равномерной (6,8) помехи.
Качественный характер зависимости вероятности (Prob) правильного приема от длины (Ns) одного символа для нормального шума представлен на рис. 6. Анализ данных табл. 1 показывает, что система гораздо более устойчива к действию равномерной, чем нормальной помехи [8]. По-видимому, это связано с влиянием «хвостов» нормального распределения.
Если это так, то особого смысла в увеличении длины (Ns) символа значениями более 500— 1000 отсчетов, нет. Для повышения достоверности более конструктивен путь совершенствования алгоритма
построения ДР. При этом могут быть использованы корреляционные или гетеродинные способы детектирования сигнала на входе приемника.
Оценка помехоустойчивости проводилась путем измерения зависимости достоверности, как функции отношения мощностей несущего сигнала и помехи (табл. 2). При этом мощность несущего сигнала оставалась постоянной и равной Q(bem) = 0,1, а варьировалась мощность помехи.
Данные по помехоустойчивости получены при условии, что длина символа составляла № = 500 отсчетов при количестве 4 разрядов двоичного слова. Таким образом, общая длина сообщения составляла 2000 отсчетов. Если задать нижний порог по вероятности Р = 0,92, то из табл. 2 можно оценить нижнее предельное отношение сигнал-шум (ОСШ) для нормального (ОСШ даш« — 4,5 дБ) и равномерного (ОСШ even«—20 дБ) шума. При значениях ОСШ» «0 дБ (когда мощности сигнала и помехи приближенно равны), достоверность приема составляет 100 % — вне зависимости от вида шума.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
*
Граф-аналитическая модель зависимости достоверности приема сообщений от отношения сигнал-шум для нормальной помехи представлена на рис. 7. Данная зависимость построена в среде TCWin (фирма Jandel Scientific) путем подбора моделей по критерию минимума среднеквадратического отклонения из полного списка внутренней базы данных.
Выводы. Результатами моделирования подтверждена возможность передачи сообщений в структуре системы связи с управлением распределением вероятности хаотического несущего колебания. Определены условия правильной (с вероятностью не менее 0,92) передачи сообщений в виде двоичных кодовых слов по каналам связи при наличии равномерных и нормальных помех. Оценена минимальная длина (Ns«500) одного символа передаваемого кода, при которой обеспечивается 92 % достоверность.
Предложенный способ развивает теорию и технику прямохаотических систем связи.
Перспективы использования данного способа передачи сообщений связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.
Библиографический список
1. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ-диапазонах / А. С. Дмитриев [и др.] // Радиотехника. - 2000. - № 3. - С. 9-20.
2. Прямохаотическая передача информации в СВЧ-диапазоне / А. С. Дмитриев [и др.] // Препринт - М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2000 - № 1 (625). - 50 с.
3. Дмитриев, А. С., Динамический хаос: новые носители информации для систем связи / А. С. Дмитриев, А. И. Панас. -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] / Ю. А. Дмитриев // Журнал Радиоэлектроники — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2012. — № 10. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
5. Кликушин, Ю. Н. Классификационные шкалы для распределений вероятности [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кликушин // Журнал радиоэлектроники — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2000. — № 11. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
6. Кликушин, Ю. Н. RGB — шкала для измерения распределений [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кликушин // Журнал радиоэлектроники — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2008. — № 3. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
7. Кликушин, Ю. Н. «Цветовая» модель распределений [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко, А. С. Колмогоров // Журнал радиоэлектроники. — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2011. — № 10. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
8. Кликушин, Ю. Н. Идентификационный способ классификации сигналов / Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко // Омский научный вестник. — 2013. — №2 (120). — С. 267 — 272.
КЛИКУШИН Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Технология электронной аппаратуры».
КОБЕНКО Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 07.06.2013 г.
© Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко
уДК 621.31:681.586.5'326 А. Д. БЯЛИК
В. А. ГРИДЧИН М. А. ЧЕБАНОВ
Новосибирский государственный технический университет
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
В работе рассматриваются вопросы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков (ВОД) давления. Исследуется преобразовательная характеристика и влияние на нее конструктивных параметров ВОД.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, давление, функция преобразования.
Введение. Амплитудные волоконно-оптические Общие вопросы проектирования амплитудных
датчики (ВОД) давления имеют ряд преимуществ ВОД давления рассматривались в работах [1—5]. перед тензорезистивными и емкостными, такие как Преобразовательная характеристика амплитуд-
нечувствительность к электромагнитным полям, ных ВОД давления рефлектометрического типа име-пожаро-, взрыво- и электробезопасность. Это обу- ет структуру: словлено их принципом действия, заключающимся
в перераспределении светового потока между из- и = №(р)]}
лучающими и приемными оптическими волокнами
из-за перемещения микрозеркала под действием из- где F1, F2, F3 — частные функции преобразования, меряемого давления [1 — 3]. которые соответствуют трем этапам преобразова-
