СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ И ФОРМИРОВАТЕЛЬ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
METHOD OF GENERATING STREAM OF RANDOM RADIO PULSES AND RANDOM RADIO PULSE GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к радиотехнике и, в частности, к формированию широкополосных и сверхширокополосных сверхвысокочастотных (СВЧ) хаотических сигналов.
Уровень техники
Решением FCC (Федеральная комиссия по коммуникациям, США) от 2002 года разрешено нелицензируемое использование сверхширокополосных (СШП) сигналов в беспроводных системах связи. В настоящее время разработаны соответствующие стандарты: IEEE 802.15.3а - для высокоскоростной передачи информации (в основном, между компьютерами) на расстояние 2-10 м (со скоростями 100-500 Мбит/с) и IEEE 802.15.4а для СШП беспроводных сетей датчиков (со скоростями до 250 Кбит/с). Эти стандарты рассчитаны на низкие уровни излучения.
В декабре 2009 года Государственная комиссия по радиочастотам Российской Федерации утвердила условия использования СШП беспроводных устройств с малым радиусом действия в диапазоне 2,85-10,6 ГГц.
Существует потребность в беспроводных решениях для передачи информации на малые расстояния, например, для связи МР3 плеера с наушниками, либо для обеспечения связи в так называемом «беспроводном умном доме и офисе».
Реализация указанных применений СШП сигналов связана с проблемой создания эффективных источников таких сигналов. И здесь весьма перспективным представляется использование хаотических источников (генераторов) вследствие естественного широкого спектра частот генерируемых ими сигналов.
В настоящее время известно, что хаотические сигналы, генерируемые нелинейными детерминированными динамическими системами (так называемый динамический хаос), обладают целым рядом свойств, способствующих применению этих сигналов для передачи информации. В частности, показана перспективность использования хаотических сигналов, генерируемых так называемыми хаотическими динамическими системами, в качестве несущих или модулируемых колебаний (Дмитриев А.С. и др. Динамический хаос как парадигма современных систем связи. // Успехи современной радиоэлектроники. 1997, №10, стр.4; Хаслер М. Достижения в области передачи информации с использованием хаоса. // Успехи современной радиоэлектроники. 1998, №11, стр.33). Предложен ряд конкретных схем передачи информации, использующих динамический хаос, в частности схема хаотической маскировки информационного сигнала (L.Коsarev, K.S.Halle, К.Eckert, L.Chua, U.Parlitz. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization // Int. J. Bifurcation and Chaos, 1992, v.2, №3, pp.709-713), схема с переключением хаотических режимов (Бельский Ю.Л., Дмитриев А.С. Передача информации с помощью детерминированного хаоса. //Радиотехника и электроника, 1993, т.38, №7, с.1310-1315, Н. Dedieu, М. Kennedy, М. Hasler. Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuits // IEEE Trans. Circuits and Systems, October 1993, v. CAS-40, №10, pp.634-642), схемы с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический (Волковский А.Р., Рульков Н.В. Синхронный хаотический отклик нелинейной системы передачи информации с хаотической несущей. // Письма в ЖТФ, 1993, т.3, №3, с.71-75; A.Dmitriev, А.Panas, S.Starkov. Experiments on speech and music signals transmission using chaos // Int. Journal of Bifurcation and Chaos, 1995, v.5, №3, pp.317-376) и др. В настоящее время созданы прямохаотические системы связи, в которых хаотические колебания выступают в качестве носителя информации, генерируемого непосредственно в области частот, где происходит передача информации, например в области СВЧ (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. // Радиотехника, 2000, №3, стр.9-19; Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. //М.: Издательство Физико-математической литературы, 2002, 252 с.; Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В., Кузьмин Л.В., Лактюшкин A.M., Юркин В.Ю. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. // Радиотехника и электроника, 2008, т.53, №10, с.1278-1289).
В патенте США №5923760 (публ. 13.07.1999) описано устройство формирования хаотического сигнала, в котором нелинейная динамическая система включена в петлю автоматической подстройки частоты.
В Российском патенте №2185032 (публ. 10.07.2002) описано устройство формирования хаотических радиоимпульсов, в котором нелинейная динамическая система генерирует непрерывный хаотический сигнал, а упомянутые импульсы формируются из непрерывного хаотического сигнала с помощью модулятора на выходе системы.
В патенте США №7072469 (публ. 04.07.2006) описан формирователь хаотических сигналов, в котором нелинейная динамическая система также включена в петлю автоматической подстройки частоты, в которую через сумматор вводится подлежащий передаче информационный сигнал. На выходе петли имеется фильтр, с выхода которого и снимается хаотический сигнал.
В статье «Неавтономный генератор хаотических радиоимпульсов» (Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. // Радиотехника и электроника», 2006, т.51, №12, с.1454-1464) описан формирователь хаотических радиоимпульсов, в котором импульсы генерируются внутри нелинейной динамической системы путем воздействия периодического сигнала на активный элемент упомянутой системы.
Однако все эти документы описывают устройства и способы формирования хаотических радиоимпульсов лишь обобщенно. Построение на основе этих документов конкретного простого формирователя хаотических радиоимпульсов, пригодного для использования на малых расстояниях, весьма затруднительно.
Во всех указанных случаях отсутствует возможность управления спектральными характеристиками хаотических радиоимпульсов. Кроме того, в последнем из указанных формирователей (Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Неавтономный генератор хаотических радиоимпульсов. // Радиотехники и электроника, 2006, т.51, №12, с.1454-1464) внутренняя модуляция приводит к возникновению режимов, затрудняющих передачу информации с высокими скоростями.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении способа и устройства формирования хаотических радиоимпульсов, которые были бы достаточно просты в конструктивном отношении и в то же время обеспечивали устойчивый режим формирования хаотических радиоимпульсов с возможностью управления их спектральными характеристиками, в том числе и на высоких скоростях передачи информации.
Для достижения этого технического результата в первом объекте изобретения предлагается способ формирования потока хаотических радиоимпульсов, заключающийся в том, что генерируют сигнал заранее заданной опорной частоты; формируют сигнал несущей частоты с помощью управляемого генератора несущей частоты; осуществляют фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) формируемого сигнала несущей частоты к частоте генерируемого сигнала опорной частоты; генерируют хаотический сигнал с заранее заданными характеристиками; модулируют сигнал несущей частоты хаотическим сигналом путем подачи этого хаотического сигнала на управляемый генератор несущей частоты; манипулируют сигнал несущей частоты, модулированный хаотическим сигналом, импульсами информационного сигнала; при этом подают на манипуляцию часть мощности сигнала с выхода управляемого генератора несущей частоты, а оставшуюся часть мощности этого сигнала используют для ФАПЧ.
Дополнительное отличие этого способа состоит в том, что генерирование хаотического сигнала осуществляют путем такого синтеза нелинейной динамической системы, чтобы генерируемый в ней хаотический сигнал обладал заранее заданными спектральными и статистическими характеристиками.
Еще одно дополнительное отличие способа заключается в том, что хаотический сигнал перед подачей на управляемый генератор несущей частоты могут усиливать или ограничивать по амплитуде.
Еще одно дополнительное отличие способа заключается в том, что этот усиленный и (или) ограниченный по амплитуде хаотический сигнал могут суммировать с сигналом в петле обратной связи ФАПЧ перед подачей на управляемый генератор несущей частоты.
Еще одно дополнительное отличие способа заключается в том, что перед суммированием с хаотическим сигналом могут осуществлять фильтрацию сигнала в петле обратной связи ФАПЧ с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), предназначенного для подавления высокочастотных колебаний хаотического сигнала в петле обратной связи ФАПЧ.
Еще одно дополнительное отличие способа заключается в том, что оставшуюся часть мощности сигнала с выхода управляемого генератора несущей частоты могут подавать на один вход фазового детектора, на другой вход которого подают сигнал опорной частоты, а выходной сигнал фазового детектора подвергают фильтрации с помощью ФНЧ.
Еще одно дополнительное отличие способа заключается в том, что перед подачей на фазовый детектор частоту опорного сигнала могут делить на m, а частоту сигнала оставшейся части сигнала с выхода управляемого генератора несущей частоты при этом могут делить на n, где m и n являются целыми числами, которые выбирают в зависимости от требуемого значения центральной частоты сигнала несущей частоты.
Для достижения того же технического результата во втором объекте изобретения предлагается формирователь хаотических радиоимпульсов, содержащий генератор опорной частоты, предназначенный для генерирования сигнала опорной частоты с заранее заданным значением частоты; нелинейную динамическую систему, предназначенную для генерирования хаотического сигнала с заранее заданными спектральными и статистическими характеристиками; петлю обратной связи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), предназначенную для ФАПЧ сигнала несущей частоты и включающую в себя управляемый генератор несущей частоты, предназначенный для генерирования сигнала несущей частоты и модуляции этого сигнала несущей частоты хаотическим сигналом; делитель мощности, предназначенный для разделения мощности управляемого генератора несущей частоты на выходную часть мощности и оставшуюся часть мощности; фазовый детектор, предназначенный для сравнения по фазе сигнала с генератора опорной частоты и сигнала оставшейся части мощности с делителя мощности; фильтр нижних частот (ФНЧ), предназначенный для фильтрации сигнала фазового детектора для подавления высокочастотных колебаний хаотического сигнала, генерируемых петлей обратной связи ФАПЧ; сумматор, предназначенный для суммирования отфильтрованного сигнала от фазового детектора и хаотического сигнала; при этом сигнал выходной части мощности с делителя мощности предназначен для использования в качестве несущего колебания при передаче информационного сигнала.
Дополнительное отличие этого формирователя заключается в том, что он может содержать далее первый усилитель, предназначенный для усиления сигнала от нелинейной динамической системы перед подачей его на модуляцию сигнала несущей частоты. При этом первый усилитель может быть усилителем-ограничителем.
Еще одно дополнительное отличие этого формирователя заключается в том, что петля обратной связи ФАПЧ может содержать второй усилитель, предназначенный для усиления сигнала от ФНЧ перед суммированием с хаотическим сигналом.
Еще одно дополнительное отличие этого формирователя заключается в том, что делитель мощности может быть асимметричным делителем мощности, причем оставшаяся часть мощности является меньшей частью.
Еще одно дополнительное отличие этого формирователя заключается в том, что он может содержать первый делитель частоты, предназначенный для деления на m частоты сигнала опорной частоты, и второй делитель частоты, предназначенный для деления на n частоты сигнала оставшейся части мощности сигнала от управляемого генератора несущей частоты, где m и n являются целыми числами, которые выбирают в зависимости от требуемого значения центральной частоты сигнала несущей частоты, перед подачей на фазовый детектор.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 представляет блок-схему варианта осуществления формирователя по настоящему изобретению.
Фиг.2 иллюстрирует характерный вид сигнала с выхода нелинейной динамической системы в формирователе по фиг.1.
Фиг.3 иллюстрирует характерный вид сигнала на входе управляемого генератора несущей частоты в формирователе по фиг.1.
Фиг.4 представляет характерный спектр сигнала на выходе управляемого генератора несущей частоты в формирователе по фиг.1.
Фиг.5 иллюстрирует поток хаотических радиоимпульсов на выходе формирователя по фиг.1.
Фиг.6 представляет характерный спектр сигнала на выходе формирователя по фиг.1.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 представлена блок-схема возможного варианта осуществления формирователя хаотического радиосигнала по настоящему изобретению. Этот формирователь содержит генератор 1 опорной частоты, выход которого через первый делитель 2 частоты подключен к первому входу фазового детектора (ФД) 3. Ко второму входу ФД 3 подключен выход второго делителя 4 частоты, вход которого соединен с первым выходом делителя 5 мощности. Вход делителя 5 мощности подключен к выходу управляемого генератора 6 несущей частоты, ко входу которого подключен выход сумматора 7. К первому входу сумматора 7 через первый усилитель 8 подключен выход нелинейной динамической системы 9.
Выход ФД 3 через последовательно соединенные фильтр 10 нижних частот (ФНЧ) и второй усилитель 11 подключен ко второму входу сумматора 7. Второй выход делителя 5 мощности соединен с первым входом коммутатора 12, на второй вход 13 которого подается информационный сигнал. Выход 14 коммутатора 12 является выходом формирователя хаотического радиосигнала, который может быть подключен к каналу связи (не показан).
ФД 3, ФНЧ 10, второй усилитель 11, сумматор 7, управляемый генератор 6 несущей частоты, делитель 5 мощности и второй делитель 4 частоты образуют петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). При этом первый и второй делители 2 и 4 частоты, первый и второй усилители 8 и 11 являются необязательными («опциональными») блоками, а коммутатор 12 при необходимости может быть заменен соответствующим манипулятором или иным подходящим устройством.
o
Генератор 1 опорной частоты предназначен для генерирования сигнала заранее заданной опорной частоты f и может быть выполнен по любой подходящей схеме (например, емкостная трехточка), как это общеизвестно специалистам. Значение опорной частоты поясняется ниже.
н
Управляемый генератор 6 несущей частоты может быть выполнен по традиционной схеме генератора, управляемого напряжением (ГУН), как это общеизвестно специалистам. Частота f выходного сигнала этого управляемого генератора 6 может составлять, к примеру, единицы ГГц.
o
н
Первый делитель 2 частоты осуществляет деление опорной частоты f генератора 1 на m, а второй делитель 4 частоты осуществляет деление несущей частоты генератора 6 f на n. Делители 2 и 4 частоты используются для облегчения ФАПЧ. Величины m и n являются целыми числами, которые выбираются так, чтобы удовлетворялось соотношение:
n
где S - чувствительность ГУН (управляемого генератора 6 несущей частоты), а - амплитуда постоянной составляющей управляющего сигнала на входе ГУН.
Нелинейная динамическая система 9 предназначена для генерирования хаотического сигнала с заранее заданными спектральными и статистическими характеристиками. Она может быть выполнена, например, в виде однотранзисторного СВЧ генератора с микрополосковыми частотно-избирательными цепями в цепи обратной связи (см., например, вышеупомянутый патент РФ №2185032).
Первый усилитель 8 может быть усилителем-ограничителем, хотя при достаточной величине выходного сигнала нелинейной динамической системы 9 первый усилитель 8 может отсутствовать. Второй усилитель 11 служит для доведения сигнала с выхода ФНЧ 10 до величины, необходимой для суммирования в сумматоре 7 с хаотическим сигналом.
н
н
н
ФНЧ 10 имеет очень большую постоянную времени, чтобы отфильтровать все высокочастотные флюктуации хаотического сигнала, поступающего в петлю ФАПЧ, и оставить только постоянную составляющую и изменения очень низкой частоты (порядка единиц Гц) в петлевом сигнале ФАПЧ. Для этого частота среза ФНЧ 10 выбирается много меньше полосы хаотического сигнала из нелинейной динамической системы 9. Указанный постоянный (квазипостоянный) сигнал суммируется далее с постоянной составляющей хаотического сигнала и определяет центральную частоту f генерируемого несущего сигнала на выходе ГУНа. При регулировании величины постоянной составляющей хаотического сигнала (например, с помощью усилителя 8) можно управлять центральной частотой f, а меняя его амплитуду - управлять полосой Δf несущего сигнала.
Делитель 5 мощности может быть как симметричным, так и несимметричным, причем последнее предпочтительнее. Соотношение мощностей, подаваемых на коммутатор 12 и в петлю ФАПЧ (основная и оставшаяся части), может составлять, например, 70:30 или 80:20, предпочтительно 90:10.
Формирователь хаотических радиоимпульсов по фиг.1 работает следующим образом.
o
o
н
н
н
Сигнал опорной частоты f с генератора 1 опорной частоты поступает на первый делитель 2 частоты, с выхода которого сигнал с частотой f/m поступает на первый вход ФД 3, на второй вход которого поступает сигнал с частотой f/n с выхода второго делителя 4 частоты. ФД 3 фактически осуществляет перемножение поступающих на его входы сигналов. ФНЧ 10 отфильтровывает сигнал суммарной частоты и пропускает сигнал разностной частоты с выхода ФД 3. Этот усиленный при необходимости сигнал поступает на сумматор 7, где он суммируется с хаотическим сигналом из нелинейной динамической системы 9. Характерный вид хаотического сигнала показан на фиг.2. Хаотический сигнал с выхода нелинейной динамической системы 9 при необходимости усиливается и даже ограничивается по амплитуде перед подачей на сумматор 7, как пояснено выше. Сигнал с сумматора 7, примерный вид которого показан на фиг.3, подается на управляющий вход управляемого генератора 6 несущей частоты, который выдает на делитель 5 мощности сигнал несущей частоты f, модулированный хаотическим сигналом, причем несущая частота f получается стабильной за счет действия ФАПЧ. Спектр сигнала на выходе управляемого генератора 6 несущей частоты приведен на фиг.4.
Делитель 5 мощности отбирает часть выходного сигнала с управляемого генератора 6 несущей частоты для работы петли ФАПЧ и подает основную часть этого сигнала на коммутатор 12, куда поступают также информационные импульсы. В результате на выходе коммутатора 12 формируются хаотические радиоимпульсы, примерный вид которых показан на фиг.5, а спектр этих хаотических радиоимпульсов приведен на фиг.6. Сравнение спектров на фиг.4 и 6 показывает, что манипуляция сигнала несущей частоты, модулированного хаотическим сигналом, информационными импульсами практически не влияет на спектр сигнала, который остается очень широкополосным.
Таким образом, предложены способ формирования потока хаотических радиоимпульсов и устройство (формирователь) для его реализации, обеспечивающие устойчивый режим формирования хаотических радиоимпульсов с возможностью управления их спектральными характеристиками.