Спосіб і система передавання інформації з використанням хаотичних сигналів

Реферат: Винахід належить до радіотехнічних пристроїв та засобів телекомунікацій і може бути використаний при розробленні систем передавання інформації, що використовують як несучі складні широкосмугові сигнали, зокрема хаотичні. Для отримання комбінованого сигналу від вихідних сигналів генераторів хаосу передавальної сторони віднімають постійні складові, підсилюють або послаблюють результуючі сигнали і підсумовують їх, приводять потужність сумарного сигналу до рівня потужності одного вихідного сигналу генератора. Технічним результатом є підвищення прихованості та завадостійкості процесу передавання інформації. UA 104917 C2 (12) UA 104917 C2 UA 104917 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіотехнічних пристроїв та засобів телекомунікацій і може бути використаний при розробленні систем передавання інформації, що використовують як несучі складні широкосмугові сигнали, зокрема хаотичні. Відомі способи передавання інформації, що використовують, хаотичне маскування, перемикання хаотичних режимів, нелінійне підмішування для модуляції несучого коливання та явище хаотичної синхронізації для відновлення переданого повідомлення [1, 2]. Такі способи характеризуються низькою завадостійкістю із-за необхідності забезпечення режиму повної хаотичної синхронізації і вимагають ідентичності генераторів хаосу на передавальній та приймальній сторонах. Також відомий спосіб передавання інформації [3], що використовує хаотичні радіоімпульси для передавання інформації. Такий спосіб не забезпечує високий ступінь конфіденційності передавання інформації. Найбільш близьким до винаходу способом передавання інформації є спосіб запропонований в [3], що полягає в генеруванні хаотичного сигналу, формуванні хаотичних радіоімпульсів, модуляції хаотичного сигналу інформаційним, для виявлення інформації використовується динамічна система узгоджена з хаотичною системою передавальної сторони. Недоліком найближчого способу є недостатня прихованість інформаційного сигналу в модульованому хаотичному сигналі. Найбільш близькою до винаходу системою передавання інформації є система, описана в [3]. Передавальна сторона містить джерело цифрового інформаційного сигналу, генератор хаосу, при цьому вихід джерела цифрового інформаційного сигналу з'єднаний з входом генератора хаосу, генератор хаотичних сигналів з'єднаний з входом каналу зв'язку. Приймальна сторона містить узгоджену динамічну хаотичну систему, детектор, інтегратор, пристрій прийняття рішень, адресат інформації, при цьому вихід каналу зв'язку з'єднаний з входом узгодженого генератора хаотичних коливань, узгоджений генератор хаотичних коливань з'єднаний з входом детектора, вихід детектора з'єднаний з входом інтегратора, вихід інтегратора з'єднаний пристроєм прийняття рішень, вихід пристрою прийняття рішень з'єднаний з адресатом інформації. Недоліком найближчої системи є необхідність забезпечити ідентичність генераторів хаосу на різних сторонах каналу зв'язку. Задачею винаходу є підвищення прихованості та завадостійкості процесу передавання інформації. Суть способу передавання інформації з використанням хаотичних сигналів полягає в тому, що на передавальній стороні генерують хаотичні сигнали з однаковими статистичними характеристиками та спектром; модуляцію хаотичного сигналу здійснюють зміною розподілу густини ймовірності його миттєвих значень, яку досягають маніпуляцією між хаотичним сигналом одного з генераторів та комбінованим сигналом, при цьому потужність, дисперсія і спектр вихідного модульованого сигналу залишаються постійними, для отримання комбінованого сигналу від вихідних сигналів генераторів хаосу передавальної сторони віднімають постійні складові, підсилюють або послаблюють результуючі сигнали і підсумовують їх, при цьому коефіцієнти підсилення або послаблення задають так, щоб амплітуда сумарного сигналу не перевищувала амплітуду початкового вихідного сигналу генератора без постійної складової, потужність сумарного сигналу приводять до рівня потужності одного вихідного сигналу генератора та через канал зв'язку передається до приймальної сторони, а демодуляцію здійснюють за допомогою аналізу потужності вихідних сигналів неавтономного генератора хаосу приймальної сторони, при цьому використовують залежність потужності вихідних сигналів генератора хаосу приймальної сторони від густини розподілу ймовірності миттєвих значень вхідного модульованого сигналу. Новим у способі передавання інформації з використанням хаотичних сигналів є те, що для підвищення прихованості передавання інформації використовують модуляцію розподілу густини ймовірності миттєвих значень хаотичного сигналу, а для відновлення інформації використовують нелінійну залежність вихідних сигналів хаотичного генератора приймальної сторони від вхідного сигналу. Новим у системі передавання інформації з використанням хаотичних сигналів є те, що для підвищення завадостійкості передавання використовують на передавальній стороні два генератори хаосу, що забезпечують ідентичність статистичних характеристик генерованих ними сигналів, які в двох пристроях віднімання, двох пристроях узгодження і суматорі перетворюють так, щоб модулювати хаотичний сигнал без зміни його потужності, спектра та дисперсії. На фіг. 1 приведена структурна схема системи передавання інформації. На фіг. 2 приведена часова залежність вихідного сигналу кільцевого генератора хаосу. 1 UA 104917 C2 5 10 15 20 25 На фіг. 3 приведені часові залежності хаотичного сигналу для випадків передавання бітів "1" ("0") при k=0 та "0" ("1") при k=0,5 а) і б) відповідно. На фіг. 4 приведена залежність потужності вихідних сигналів x3(t) і z3(t) кільцевого генератора приймальної сторони криві 1 і 2 відповідно. На фіг. 5 приведена залежність густини розподілу ймовірності хаотичного сигналу для випадків передавання бітів "1" ("0") при k=0 та "0" ("1") при k=0,5 а) і б) відповідно. На фіг. 6 приведено: а) початкову інформаційну послідовність; б) сигнал в каналі зв'язку; в) сигнал на виході детектора 11; г) відновлену інформаційну послідовність. Спосіб передавання інформації пропонований в даному винаході може бути реалізований в системі передавання інформації, що представлена на фіг. 1. Система складається з передавальної та приймальної сторін та каналу зв'язку. Передавальна сторона містить два генератори хаосу 1 і 2, що генерують сигнали з однаковими статистичними характеристиками, пристрої віднімання 3 і 4 відповідно, пристрої узгодження 5 і 6 з коефіцієнтами підсилення/послаблення qk і q(1-k) відповідно, де k є [0, 1], q - коефіцієнт, введений для врівноваження потужностей вихідних сигналів при передаванні різних бітів інформації, суматор 7, джерело інформації 8, модулятор 9. Приймальна сторона містить генератор хаосу 10, детектор 11, інтегратор 12, пристрій прийняття рішення 13, адресат інформації 14. Система працює наступним чином. Генератори 1 і 2 генерують хаотичні, які надходять на пристрої віднімання 3 і 4 відповідно. На виході пристроїв віднімання отримаємо хаотичні сигнали, що не містять постійної складової. Вихідний сигнал першого пристрою віднімання 3 поступає на вхід модулятора 9 і на пристрій узгодження 5 з коефіцієнтом підсилення або послаблення qk. Вихідний сигнал другого пристрою віднімання 4 надходить на пристрій узгодження 6 з коефіцієнтом підсилення або послаблення q(1-k). Вихідні сигнали пристроїв узгодження u1(f) і u(t) 5 і 6 надходять на вхід суматора 7. На виході суматора 7 отримаємо наступний сигнал: ut   qku1t   1  ku2 t  1 q - де 30 (1) 2 2k  1  2k Сигнали ut  і u1 t  матимуть однакові потужності, спектри і дисперсії. В модуляторі здійснюється модуляція хаотичного сигналу цифровим інформаційним сигналом m(t), причому вихідний сигнал uв их t  може приймати наступні значення: u t , якщо mt   «0» uв их t    1 ut , якщо mt   «1» 35 40 45 (2) Сигнал uв их t  передається в канал зв'язку. На вхід генератора хаосу 10 приймальної сторони з каналу зв'язку надходить зашумлений u t   uв их[ t   t  сигнал в х , де t  - шум в каналі зв'язку. Відновлення корисної інформації здійснюється наступним чином. Один з вихідних сигналів генератора 10, що є найбільш чутливим до зміни густини розподілу ймовірності миттєвих значень вхідного сигналу uв х t  подається на детектор 11. Вихідний сигнал детектора надходить на інтегратор 12 де визначається його енергія. В залежності від розподілу ймовірності миттєвих значень вхідного сигналу uв х t  вихідні сигнали генератора змінюватимуть свою потужність (енергію). Пристрій прийняття рішень 13 приймає рішення, якому з бітів "0" чи "1" відповідає прийнятий сигнал і передає прийняту інформацію адресату 14. Використання несинхронізованого хаотичного генератора приймальної сторони для відновлення переданої інформації можливе завдяки встановленій авторами залежності потужності сигналів веденого генератора від розподілу ймовірності миттєвих значень ведучого сигналу. Приклад 1. Розглянемо математичну модель кільцевого генератора хаосу в безрозмірному вигляді: 2 UA 104917 C2  x  Mƒz  x   2  y  2 x  z  z  y  z   5 (3) , - де   2,1 ,   138 , M  5 - параметри системи. При вибраних параметрах системи x  0 , тобто постійна складова у генерованому сигналі відсутня. Нелінійна характеристика описується виразом:   1   ƒz   z  1  z  1  z4  z4  2   10 (4) При вказаних параметрах в системі (1) спостерігається стійкий хаотичний режим. Реалізація сигналу x  xt  приведена на фіг. 2. Нехай поведінка генераторів передавальної сторони 1 і 2 описується наступною системою диференційних рівнянь:  x 1,2  Mƒ z1,2   x 1,2    2 y1,2  2 x 1,2  z1,2   z1,2  y1,2  z1,2  15 (5) , , , - де індекси i  12 позначають сигнали генераторів 1 і 2 відповідно,   12 ,   138 , M  5 параметри системи. Введення корисної інформації m(t) в хаотичний сигнал відбувається згідно з наступним виразом: Uвих t    kx 1  1  kx 2  q q 20 (6) 1 2k 2  1  2k . - де k0;1 , Надалі виберемо k=0, якщо передається біт "1" ("0") і k=0,5, якщо передається біт "0" ("1"). Тоді вихідний сигнал передавальної сторони в залежності від інформаційного біту прийматиме значення:  x 1 t , якщо mt  "0" "1"  Uв их t     2 x 1  x 2 , якщо mt  "1" "0"   25 (7) Залежності uв их t  для випадків m(t) = "0" ("1") та m(t) = "1" ("0") приведено на фіг. 3а і 3б відповідно. Генератор приймальної сторони аналітично описується системою диференційних рівнянь:  x 3  Mƒz 3   x 3    2 y 3  2 x 3  ex 1  x 3   z 3  z  y  z 3 3  3  30 (8) - де e - коефіцієнт зв'язку, що визначає силу впливу вхідного сигналу на генератор , , приймальної сторони,   12 ,   138 , M  5 - параметри системи. На фіг. 4 приведена залежність потужності сигналів x3, y3, z3 від коефіцієнта k при е = 0.7. З фіг. 4 випливає, що при значенні k=0, якому відповідає передавання біту "0" ("1") згідно з (6) потужність дорівнює Рх3=1.48 (Вт), при k=0,5 - передавання біту "1" ("0") згідно з (1) Рх3=2.97 3 UA 104917 C2 5 10 15 20 (Вт). Тобто потужності сигналів генератора приймальної сторони при прийнятті різних бітів інформації суттєво відрізняються, що дозволяє правильно інтерпретувати передану інформацію. Різні значення потужності зумовлені зміною розподілу густини ймовірності вихідного сигналу (7) при зміні значення інформаційного біту. Залежності розподілу густини ймовірності вихідного сигналу (7) для випадків передавання бітів "0" ("1") та "1" ("0") приведено на фіг. 5а і 5б відповідно. На фіг. 6а зображено вхідну інформаційну послідовність бітів m(t) = {1101000101}. Часова залежність модульованого хаотичного вихідного сигналу зображена на фіг. 6б. При моделюванні тривалість передавання одного біту прийнята Т = 200 (с). На фіг. 6в приведена часова залежність усередненої потужності за час передавання одного біту. З порівняння фіг. 6а і фіг. 6в випливає, що передану інформацію можна правильно відновити. Відновлене повідомлення m(t) зображено на фіг. 6г. Зауважимо, що коефіцієнт q в (6) розрахований при умові некорельованості незалежних реалізацій хаотичного процесу. Генератори 1 і 2 передавальної сторони в загальному випадку можуть бути структурно різними. У випадку структурно і параметрично однакових генераторів 1 і 2, умова ідентичності необов'язкова. Джерела інформації: 1. Дмитриев А.С. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи / А.С. Дмитриев, А.И. Панас // М.: Издательство Физико-математической литературы. - 2002. - 252 с. 2. Вельский Ю.Л., Дмитриев А.С. Передача информации с помощью детерминированного хаоса / Ю.Л. Вельский, А.С. Дмитриев // Радиотехника и Электроника. 1993, Т. 38, № 7, с. 13101315. 3. Патент РФ № 2185032, опублікований 10.07.2002 - найближчий аналог. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб передавання інформації з використанням хаотичних сигналів, який полягає в тому, що на передавальній стороні генерується хаотичний сигнал, який модулюється інформаційним сигналом та передається через канал зв'язку до приймальної сторони, де демодулюється для відновлення інформаційного сигналу, який відрізняється тим, що на передавальній стороні генерують хаотичні сигнали з однаковими статистичними характеристиками та спектром, модульований хаотичний сигнал отримують зміною розподілу густини ймовірності його миттєвих значень, яку досягають маніпуляцією між хаотичним сигналом одного з генераторів та комбінованим сигналом, який отримують відніманням постійних складових від хаотичних сигналів, підсиленням або послабленням результуючих сигналів і підсумовуванням їх, при цьому коефіцієнти підсилення або послаблення задають так, щоб амплітуда сумарного сигналу не перевищувала амплітуду початкового вихідного сигналу генератора без постійної складової, потужність сумарного сигналу приводять до рівня потужності вихідного сигналу генератора, демодуляцію здійснюють за допомогою аналізу потужності вихідних сигналів генератора хаосу приймальної сторони, при цьому використовують залежність потужності вихідних сигналів генератора хаосу приймальної сторони від густини розподілу ймовірності миттєвих значень вхідного модульованого сигналу. 2. Система передавання інформації з використанням хаотичних сигналів, що складається зі з'єднаних через канал зв'язку передавального і приймального пристрою, при цьому передавальний пристрій містить джерело інформації, перший хаотичний генератор, модулятор, при цьому джерело інформації з'єднане з першим входом модулятора; приймаючий пристрій містить генератор хаотичних коливань, детектор, інтегратор, пристрій прийняття рішень, адресат інформації, при цьому в приймальному пристрої вихід каналу зв'язку з'єднаний з входом хаотичного генератора, вихід генератора з'єднаний з входом детектора, вихід детектора з'єднаний з входом інтегратора, вихід інтегратора з'єднаний з входом пристрою прийняття рішень, вихід пристрою прийняття рішень з'єднаний з адресатом інформації, яка відрізняється тим, що передавальний пристрій додатково містить другий генератор хаосу ідентичний першому, два пристрої віднімання, два пристрої узгодження, суматор, при цьому виходи першого і другого генераторів хаосу з'єднані відповідно з входами першого і другого пристрою віднімання, вихід першого пристрою віднімання з'єднаний з входом першого пристрою узгодження та з першим входом модулятора, вихід другого пристрою віднімання з'єднаний з входом другого пристрою узгодження, виходи першого і другого пристроїв узгодження з'єднані з входами суматора, вихід суматора з'єднаний з другим входом модулятора. 4 UA 104917 C2 5 3. Система за п. 2 яка відрізняється тим, що пристрої узгодження в передавальному пристрої виконані з можливістю підсилення або послаблення вхідного сигналу, при цьому коефіцієнти підсилення або послаблення обох пристроїв узгодження є взаємозалежними і регульованими. 4. Система за п. 2 яка відрізняється тим, що потужність, дисперсія і спектр модульованого хаотичного сигналу є постійними. 5 UA 104917 C2 6 UA 104917 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7