Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКИ, ХРАНЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

Гуляев Ю.В., Беляев Р.В., Воронцов Г.М., Залогин Н.Н., Калинин В.И., Кальянов Э.В., Кислов В.В., Кислов В.Я., Колесов В.В., Мясин Е.А., Чигин Е.П.

Институт радиотехники и электроники РАН, http://www.cplire.ru Москва 125009, Российская Федерация

Поступила в редакцию 16.06.2003 [1]

Рассмотрены перспективные направления использования информационных технологий на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Представлены широкополосные системы передачи информации, использующие сложные сигналы с большой базой, построенные на основе систем с хаотической динамикой. Предложены конечномерные математические алгоритмы для расчета хаотических сигналов методом реконструкции нелинейной динамики в диссипативных системах с запаздыванием. Показано, что цифровая система передачи информации с расширением спектра и динамической сменой хаотических кодов обладает высокой помехозащищенностью, скрытностью, электромагнитной совместимостью и обеспечивает надежную и конфиденциальную передачу сообщений в условиях сложной электромагнитной обстановки. На основе оригинальных хаотических алгоритмов реализованы схемы для маскировки, защиты, обработки и передачи информации.

Ключевые слова: информационные технологии, динамический хаос, широкополосные системы, алгоритмы расчета хаотических сигналов, диссипативные системы с запаздыванием, помехозащищенность, скрытность

УДК 004.93, 621.391_

Содержание1

1. Введение (279)

2. Информационные носители на хаотических алгоритмах (281)

A. Дискретные порождающие алгоритмы для формирования хаотических сигналов (282)

Б. Реконструкция нелинейной динамики для системы с запаздыванием (284)

B. синтез множества хаотических кодов (286)

3. Применение дискретных хаотических алгоритмов в широкополосных телекоммуникационных системах (287)

A. Формирование шумоподобной несущей в системах связи с расширением спектра (288) Б. Формирование шумоподобной несущей (291)

B. Хаотические алгоритмы для создания расширяющих функций (292)

Г. Система связи с расширением спектра на основе хаотических бинарных кодов (292) Д. Цифровой генератор хаотического кода (298)

4. Шумовая радиолокация и радиовидение (301) 1 Статья публикуется с согласия основных авторов текста.

А. Эффекты нелинейного рассеяния радиоволн - нелинейная радиолокация (302)

5. Применение хаотических алгоритмов для защиты, обработки и передачи информации (305)

А. Маскировка информации многомодовым хаосом при пакетной передаче (305) Б. Псевдоголографическое кодирование информации (306)

6. заключение (309) Литература (311)

1. ВВЕДЕНИЕ

В классической радиофизике возникновение шумов всегда связывали с флуктуациями теплового и дробового характера. Обогащение частотного спектра колебаний генераторов электромагнитных колебаний выражалось в наличии гармоник или субгармоник основной частоты, а конечная ширина спектральной линии генераторов объяснялась воздействием флуктуаций. Поэтому обнаружение в ИРЭ РАН в середине 60-х годов генерации шумовых

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

колебаний явилось для специалистов в области радиофизики в какой-то мере неожиданным событием [1]. Интенсивность и полоса частот шумов, полученных на плазменных и электронных приборах типа лампы бегущей волны (ЛБВ), никак не могла быть объяснена воздействием флуктуаций. Природу генерации столь интенсивных хаотических колебаний удалось объяснить на основе методов нелинейной динамики в автоколебательных системах с запаздывающей обратной связью. Примерно в то же время Лоренц при численном эксперименте на существенно упрощенной модели конвективной неустойчивости земной атмосферы, сведенной к трем обыкновенным нелинейным дифференциальным уравнениям первого порядка, показал возможность возникновения хаотических колебаний [2].

Разработка математических концепций возможности появления сложных

непериодических движений в динамических системах восходит еще к Пуанкаре, который применительно к проблеме движения системы трех взаимодействующих тел ввел понятие гомоклинических траекторий [3]. Дальнейшие исследования показали, что для динамических систем очень широкого класса сложные нерегулярные движения не менее характерны, чем классические регулярные процессы. Поразительным оказался факт, что такого рода движения возможны в динамических системах с малым числом степеней свободы. До этого интуитивно допускалось, что сложное хаотическое движение возможно в системах с бесконечным или очень большим числом степеней свободы. Именно это утверждение содержалось в модели турбулентного движения гидродинамической системы, развиваемой Ландау в 1944 г. [4]. Установление же сложного хаотического характера движения динамической системы с малой размерностью достаточно нетривиально.

В ИРЭ РАН с начала 60-х годов проводили работы по созданию прямошумовых генераторов СВЧ-диапазона преимущественно в рамках решения задач радиоэлектронной борьбы. Именно тогда была предложена оригинальная идея шумотрона - генератора шума на основе кольцевой автоколебательной

системы, состоящей из СВЧ-усилителя О- или М-типа и специального нелинейного элемента, обеспечивавшего стохастизацию генерируемых колебаний. Генераторы подобного типа были реализованы на ЛБВ, в плазме, а позднее в полупроводниковых транзисторных и диодных генераторах [5-12].

В конце 70-х годов появилось большое число работ по выявлению хаотического движения в самых различных системах и средах. В результате началось создание классификации сценариев перехода от монохроматических колебаний к хаосу в различных динамических системах. Расширение фронта исследований позволило выйти на обобщения и выявить закономерности возникновения хаотического движения. В результате это привело к разработке представлений о странном аттракторе как образе движения динамической системы в ее фазовом пространстве. В настоящее время понятие динамического хаоса отождествляется с понятием "странного аттрактора", введенного Рюэлем и Такенсом [13]. Специфической особенностью движения динамической системы на странном аттракторе является то, что неустойчивые траектории в ее фазовом пространстве притягиваются не к предельному циклу или тору, имеющему целочисленную размерность, а к устойчивому канторовому множеству, имеющему фрактальную размерность [14]. Ранее сложная динамика в консервативных системах была обнаружена в работах Чирикова и Заславского

[15].

Дальнейшие исследования проводили по пути установления все более широких классов динамических систем (причем как естественных, представляющих природные явления, так и математических моделей и технических систем), в которых наблюдались эффекты динамического хаоса. Установлены закономерности сценариев переходов к хаосу и выяснены основные необходимые условия для существования хаотического движения [16].

Хаотическое движение динамических систем обладает рядом специфических особенностей. Реализации этого движения имеют сплошной в полосе частот спектр мощности, экспоненциально спадающую функцию автокорреляции, гауссовскую

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

функцию распределения вероятности значений. Одновременно для систем с динамическим хаосом характерны такие чисто динамические свойства, как чрезвычайно высокая чувствительность к начальным условиям и связанное с ней экспоненциальное разбегание близких траекторий.

Ранее изучение механизмов формирования хаотических движений динамических систем проводили в основном на радиофизических и радиоэлектронных системах. Эти результаты показали, что хаотические свойства динамических систем могут найти практическое применение. Актуальным направлением является поиск новых технологий на основе использования специфических свойств динамических систем в состоянии динамического хаоса. Это и послужило основой для развития ряда новых направлений исследований, в том числе и в таких областях, как информатика, биофизика, химия, медицина, динамика природных явлений (например, землетрясений) [16].

Одним из таких перспективных направлений являются исследования в области создания новых телекоммуникационных систем на основе свойств хаотической динамики. Хаотическая динамика систем привлекает возможностью получения сложных колебаний простыми по структуре устройствами, реализацией в одном устройстве большого числа различных хаотических мод, большой информационной емкостью, разнообразием методов ввода информационного сигнала в хаотический, возможностью синхронизации передатчика и приемника, конфиденциальностью при передаче сообщений. Такое многообразие хаотических проявлений динамических систем послужило причиной различных подходов к использованию хаотических режимов динамических систем в области связи [17]. Важным направлением при этом является разработка новых классов алгоритмов формирования последовательностей

со свойствами случайных процессов на основе хаотической динамики [18-21]. Это открывает возможность разработки новых информационных технологий и создания новых перспективных методов применения

хаотических сигналов для передачи, обработки, хранения и защиты информации.

2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ НОСИТЕЛИ НА ХАОТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМАХ

Поиск информационных носителей (процессов и сигналов), обладающих повышенной информационной емкостью, и математических алгоритмов, порождающих такие процессы, является наиболее актуальной задачей при разработке новых информационных технологий. Основным понятием в области информационных технологий служит "кодирование информации", трактуемое обычно как синоним понятия "представление информации". Такими носителями информации могут быть графика (рисунки), тексты, нотные записи, числа, последовательности электромагнитных,

оптических или других сигналов.

Термин "информационные системы" включает все устройства, обеспечивающие получение, обработку, передачу и хранение информации. Это различные датчики, преобразующие внешние воздействия (звук, изображение в виде светового поля различной локальной интенсивности, давление,

температура, химический состав среды и др.) в электрические сигналы, электронные системы преобразования и обработки сигналов на основе компьютерной техники и это средства радиосвязи и телекоммуникаций. Информация в этих системах записывается либо в виде непрерывного электрического сигнала -аналоговая форма кодирования информации, либо в виде последовательности электрических импульсов - цифровая форма кодирования. При аналоговом кодировании необходимая информация передается соответствующей амплитудой или частотой колебаний непрерывного электрического сигнала. В цифровой форме информация выражается в виде двоичного кода, задаваемого электрическим импульсом, для которого, например, логическому состоянию "0" соответствует отсутствие электрического напряжения (или тока), а состоянию "1" - его наличие. Цифровые коды благодаря хорошей защищенности от ошибок и помех, высоким скоростям обработки в вычислительных системах и высокой плотности

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

передачи по каналам связи преимущественно распространены в современных информационных системах.

А. Дискретные порождающие алгоритмы для формирования хаотических сигналов

Из теории информации известно, что наибольшей информационной емкостью обладают стохастические сигналы, порождаемые случайными процессами. Основная проблема при разработке информационных носителей в цифровых телекоммуникационных каналах заключается в трудности генерирования случайных двоичных последовательностей с применением короткого задающего ключа. Математические алгоритмы, которые на основе ключа формируют псевдослучайные последовательности (ПСП) числовых значений, должны обладать рядом необходимых свойств:

1) сколь угодно большой длиной непериодического сегмента получаемой ПСП,

2) статистическим подобием получаемой последовательности чисел свойствам чисто случайной выборки,

3) возможностью программно-аппаратной реализации генератора случайных чисел для применения в канале связи с соответствующим быстродействием.

Несмотря на то, что известно довольно много алгоритмов генерации псевдослучайных последовательностей (ПСП), на практике для генерации двоичных ПСП, как правило, используется рекуррентный алгоритм, когда на основании линейного рекуррентного соотношения и некоторых начальных значений строится бесконечная последовательность, каждый последующий член которой определяется из предыдущих. Двоичные последовательности на основе рекуррентных соотношений достаточно легко реализуются на ЭВМ в виде программ и схемотехнически на основе быстродействующих многоразрядных двоичных сдвиговых регистров.

Попытки приспособить для цифровых алгоритмов операции над действительными числами оканчивались неудачами, так как замена действительного числа его приближенным значением сильно меняет статистику получаемой последовательности. Операция округления вносит непредсказуемое

возмущение в порождающий алгоритм, и получаемая последовательность перестает быть статистически независимой, а значит, и случайной.

Основной метод получения ПСП в настоящее время — это формирование М-последовательностей (последовательности максимального периода) на основе сдвиговых регистров, когда численное значение в данный момент определяется линейными соотношениями с некоторым весом (кодом) по отношению к предыдущим членам последовательности. При этом весовые коэффициенты подбирают таким образом, чтобы обеспечить быстрый спад корреляционной функции до значений порядка , где

N — длина периода М-последовательности. Самый большой недостаток данного метода — отсутствие математического аппарата, позволяющего получать алгебраические многочлены, порождающие последовательности максимального периода сколь угодно большой степени, к тому же информация о полиномах высокой степени, пригодных для помехоустойчивого кодирования, является исключительно секретной.

Известные классы ПСП, как линейных (М-последовательности, последовательности Адамара, Голда, Касами и др.), так и нелинейных (последовательности Лежандра, бент-последовательности и др.), обладают определенными недостатками и не удовлетворяют отдельным из перечисленных выше требований. Определенное решение проблемы дает применение шумоподобных сигналов (ШПС), формируемых нелинейными системами с динамическим хаосом. Такие ШПС, обладая корреляционными свойствами не хуже, чем у М-последовательностей, имеют практически неограниченный набор длин, могут образовывать ансамбли сигналов больших объемов и являются нелинейными, что затрудняет их распознавание в целях последующего воспроизведения.

Все известные динамические системы с небольшим числом степеней свободы, которые обладают динамическим хаосом ("странным аттрактором"), — аттрактор Лоренца, Ресслера, системы Чуа, кольцевые системы с запаздыванием и чисто амплитудной нелинейностью — также

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

не обеспечивают корреляционных функций с необходимыми параметрами.

Хорошими статистическими свойствами обладают динамические системы, в которых одновременно присутствует и диссипативная (амплитудная) нелинейность, и реактивная (фазовая) нелинейность. В автоколебательных системах с фазовой нелинейностью и задержкой в результате существования нелинейности фазы нарушаются условия баланса фаз, условия синхронизации мод, и в процессе хаотизации колебаний происходит ослабление внутриспектральных связей и более быстрое (по сравнению с другими автостохастическими системами) расщепление корреляций в генерируемом сигнале. Сигналы с хорошими корреляционными свойствами могут быть получены в классе нелинейных кольцевых систем с запаздыванием, в которых одновременно присутствуют и активная (амплитудная), и реактивная (фазовая) нелинейности. Схему такой системы можно представить в виде кольца из трех блоков (рис. 1).

Механизм автоколебаний в такой системе, можно описать комплексным интегральным уравнением, где учтено действие всех функциональных блоков:

*(') = | Е« -т)Р(т- Т )Ст,

(1)

которое можно преобразовать к дискретному виду:

. = (1- ехр(-Л)) Рк - ^ + ехр(-й) .Гк-1, (2)

если ввести прямоугольную фильтрацию сигнала, представить функции £ и Р в виде ортогональных рядов Котельникова и осуществить некоторые преобразования. Здесь х = оехр^ Рк = Р(ак)ехр[Фк + ^а^] N -параметр запаздывания, Ь -шаг дискретизации,

1 2

Рис. 1. Модель динамической системы с хаотическим поведением: 1 — нелинейный усилитель; 2 — линия задержки; 3 — фильтр.

выбираемый в соответствии с теоремой Котельникова [22]. Нелинейные функции преобразования амплитуды Р(х) и фазы сигнала Ф(х), определяющие процесс стохастизации колебаний в данной динамической системе, в зависимости от выбора типа нелинейного усилителя могут быть достаточно сложными. Определяющим фактором для получения сигналом нужных статистических свойств является наличие крутого наклона фазовой характеристики по отношению к значению сигнала на входе нелинейного элемента. Путем численного анализа на ЭВМ проведен выбор параметров системы с целью получения развитой хаотичности автоколебаний и быстрого спадания автокорреляционной функции сигнала (АКФ).

Вычисление значений взаимной

корреляционной функции (ВКФ) показали, что форма ВКФ качественно аналогична виду АКФ, а ее наибольшие выбросы имеют тенденцию к снижению при увеличении длительности

реализаций по аналогичному закону а

При практической реализации нового класса сигналов в цифровой технике связи, которая основана главным образом на двоичном коде, имеются две возможности получения бинарных сигналов. Первый способ связан с клиппированием многоуровневых сигналов, полученных в результате расчетов. Как показал численный эксперимент, бинарное квантование многоуровневого сигнала практически не ухудшает его корреляционные свойства.

Второй способ представляет собой прямое построение дискретных автоколебательных систем. Например, алгоритм получения бинарного сигнала в дискретной автоколебательной системе может иметь вид

X = ^[ДХк-м)] + Хк-1. (3)

Это соотношение получено непосредственно из уравнения (2).

На основе математической модели кольцевой автоколебательной системы с сильной амплитудно-фазовой нелинейностью, фильтрацией и запаздыванием разработан и исследован дискретный порождающий алгоритм хаотического сигнала, относящийся к классу алгоритмов рекуррентно-па-раметрического типа с запаздыванием. Форма алгоритма этого класса в общем виде имеет вид

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

дискретного функционального преобразования (отображения):

^ = Ах „ х „, ..., х ), (4)

п ^ V п-1' п-2' ' V /

где х и х , — соответственно вновь вычисляемый

п п-1

член формируемой псевдослучайной

последовательности на п-м шаге и предыдущий член этой последовательности на (п — 1)-м шаге, N — параметр запаздывания, равный числу членов последовательности на интервале запаздывания х , хп 2, ..., хп № которые полностью определяют новое значение Х и должны быть заданы в качестве начального условия на первом шаге, а функция У(х) отражает преобразования амплитуды и фазы в порождающей кольцевой автоколебательной системе в режиме хаоса. Алгоритм определен на множестве М целых чисел натурального ряда, принадлежащих замкнутому числовому интервалу [М1, М2], (М2 > М, М = М2 - М1 + 1), и формирует практически некоррелированную псевдослучайную последовательность

целых чисел распределением вероятностей, близким к равномерному, и корреляционными характеристиками, соответствующими

требованиям, предъявляемым к кодирующим сигналам.

Особенностью алгоритмов с запаздыванием является то, что задаваемая ими формула отображения может выводить новое значение хп за область определения алгоритма [М1, М2]. Поэтому формула алгоритма (4) должна быть дополнена специальной операцией, обеспечивающей возвращение в заданный числовой интервал значения х каждого вновь вычисленного члена последовательности в случае, если он оказался вне его границ. Преобразования подобного рода с отображением числового множества "в себя" известны давно. Примером может служить хорошо известное преобразование пекаря [14]. Возможны и другие виды преобразований, но среди них следует особо выделить те, которые не вносят существенных изменений в распределение вероятностей генерируемых чисел. Б. Реконструкция нелинейной динлмики для системы с запаздыванием Теоремы о восстановлении нелинейнойдинамики в пространстве вложения [23] утверждают существование взаимно однозначного и конечномерного отображения для исходной бесконечномерной системы с запаздыванием.

Однако теоремы о реконструкции нелинейной динамики не дают общего способа построения конечномерных диффеоморфных отображений. Методом реконструкции нелинейной динамики можно определить наименьшую размерность новой динамической системы, которая более чем в два раза может превышать фрактальную размерность исходного хаотического аттрактора.

При разработке дискретных математических алгоритмов формирования широкополосных хаотических сигналов на основе

автоколебательных систем с запаздыванием возникает проблема конечномерного представления сильно неравновесной нелинейной динамики. Рассмотрим

диссипативные динамические системы, для которых сжимается первоначальный объем в фазовом пространстве. Важным свойством диссипативных систем с запаздыванием является сходимость ограниченных траекторий к конечномерным многообразиям в исходном фазовом пространстве с квадратичной метрикой

[24].

Хаотические аттракторы в бесконечномерных динамических системах с запаздыванием имеют конечную фрактальную размерность

[25]. Конечномерное описание ограниченных траекторий на исходном хаотическом аттракторе можно провести методом реконструкции нелинейной динамики [23].

Поведение многих динамических

систем с запаздыванием определяется дифференциальным уравнением первого порядка общего вида:

<Ы$)/йг = Ф[х(/); х(г — Т); ц], (5)

где Ф есть нелинейный оператор, Т — время запаздывания, ц — управляющий параметр. Каждое состояние динамической системы (5) задается непрерывной траекторией х (Т) на к-м интервале времени / = кТ + т(0 < т < Т) длительностью Т. Множество всех хаотических траекторий хк длиной Т образует притягивающее множество-аттрактор М(Т) = {хк} в бесконечномерном фазовом пространстве Ь2(Т) исходной системы

(5).

Введем в пространстве Ь2(Т) непрерывных функций среднеквадратичную метрику и определим расстояние между произвольными функциями в виде

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Р( Хк , Хт ) = | |Хк - Хш\\. (6)

При этом норму каждой функции полагаем ограниченной.

Важным свойством диссипативных систем с запаздыванием является сходимость ограниченных траекторий к конечномерным многообразиям в исходном фазовом пространстве Ь2(Т) с квадратичной метрикой.

Пусть хаотический аттрактор М(Т) = {хк} с фрактальной размерностью О содержится в компактном многообразии МО целой размерности D > D. Тогда, согласно теореме о вложениях, хаотический аттрактор М(Т) = {хк} может быть взаимно однозначно спроектирован на подпространство Мм с размерностью вложения N > 2D + 1 [26].

Конечномерное описание движений на хаотическом аттракторе можно провести в пространстве восстановления Мю+1 при помощи N = 2D + 1 новых динамических переменных. Для нахождения этих переменных воспользуемся известной процедурой ортогонального проектирования непрерывных функций на конечномерные подпространства [27].

Если выбираем в Ь2(Т) базис {фг(х); г = 1, 2, ... , N1 из ортонормальных функций, например в виде весовых функций со смещением на конечном интервале времени Т, то смещение во времени для соседних базисных функций определяется отношением времени запаздывания в системе к размерности вложения: Ах = Т/^ + 1). (7)

Построим линейное, функциональное подпространство М2О+1, натянутое на систему из базисных функций {ф}. Выполним ортогональное проектирование хаотических функций {хк(х)} из Ь2(Т) на построенное пространство М2О+1:

2 О+1

Хт) = X хк Фъ(т).

(8)

г=1

Здесь численные координаты хк(г) разложения функции хк (т) по системе базисных функций {фг(т); г = 1, 2, ... , N1 находятся в виде скалярного произведения:

хк (0 = (хк ) = | хк (т)Ъ (т)Ст.

(9)

Представительная функция . хк (т) является взаимно однозначной проекцией в пространстве М2В+1 для исходной хаотической функции х(х) согласно теореме Такенса о реконструкции нелинейной динамики [23].

Набор численных координат {хк(1), хк (2)

хк(2О+1)}определяет (2О+1)-мерный вектор Хк

0?2 О+1

в пространстве восстановления эт .

Координаты вектора Хк = {хк(г)} определяются скалярным произведением (9) с весовыми функциями {фг} и поэтому в общем случае отличаются от дискретных отсчетов хаотической траектории. Нахождение численных координат (9) потребует вычислительных затрат при осуществлении процедуры ортогонального разложения (8) по системе базисных функций {ф}, определенных на конечном интервале времени Т. Однако размерность (2О + 1) построенного таким образом пространства

О? 2 О+1

восстановления эт является наименьшей согласно теореме о реконструкции Такенса [23].

При вычислении координат вектора Хк = {хк(г)} шаг дискретизации (7) равен отношению времени запаздывания Т в динамической системе (5) к размерности вложения (2О + 1). Выражение (7) определяет наибольший интервал дискретизации при конечномерном представлении исходных траекторий {хк(х)}. Здесь О является размерностью компактного множества, в котором содержится исходный хаотический аттрактор для динамической системы (5).

Таким образом, в результате методов реконструкции нелинейной динамики для системы с запаздыванием (5) получена нижняя граница для размерности вложения N N = 2О+ 1, (10)

которая более чем в два раза превышает фрактальную размерность самого

хаотического аттрактора [28]. Величина размерности многообразия D > D является ближайшим целочисленным дополнением для фрактальной размерности хаотического

аттрактора. Наибольший шаг дискретизации Ах определяется нижней границей N = 2О + 1 для размерности вложения по формуле (7). Этот результат важен с практической точки зрения для построения дискретных математических моделей.

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Конечномерные нелинейные алгоритмы взаимно однозначно описывают хаотическое поведение исходной бесконечномерной динамической системы с запаздыванием (5) при условии, если размерность нелинейных алгоритмов более чем в два раза превышает фрактальную размерность исходного хаотического аттрактора.

В. синтез множества хлотических кодов

Идентификация передаваемых сообщений собственным хаотическим кодом из т начальных условий для хаотической траектории Хо = ад, Хо(2А), ... , х0{тЬ)}Т (11)

позволяет осуществить кодовое разделение и кодовую адресацию для всех абонентов в сети связи.

Базой хаотического сигнала является число дискретных отсчетов п, используемых для передачи одного бита полезной информации. В процессе передачи сообщений база п хаотического сигнала может быть произвольной по отношению к размерности вложения т. На практике база хаотического сигнала задается скоростью передачи информации и длительностью Ь одного элементарного символа для хаотического кода. База п хаотического сигнала является важным параметром, определяет реальный объем системы хаотических сигналов и характеризует помехозащищенность системы связи с расширением спектра.

Создание большого ансамбля бинарных хаотических кодов осуществляется простым математическим алгоритмом вида

Ук = м&Ър (хк )]> (12)

хк = (1 - ехР(-Ь^^[ ^ (Хк-т)] + ехр(-К) Хк -,

при помощи которого вычисляются хаотические процессы в сильно неравновесной динамической системе с запаздыванием [18]. Здесь параметр h означает шаг дискретизации по теореме отсчетов Котельникова, а целое число т определяет число отсчетов на интервале запаздывания в системе (12), которое является размерностью вложения для множества хаотических кодов по теореме Такенса о реконструкции нелинейной динамики

[23].

Кодирование в широком смысле понимают как представление сообщений в форме, удобной для передачи по каналу связи. Процедура кодирования состоит в том, чтобы осуществить

взаимно однозначное представление

передаваемых сообщений п-мерными сигналами из избыточного множества Мп размерностью п. Мощность множества М или число различных

п ^

кодовых последовательностей длительностью п определяется величиной С = Ь", где Ь является основанием кода.

Хаотические кодовые последовательности формируются математическим нелинейным алгоритмом с запаздывающим аргументом (12). В заданной области управляющих параметров порождающий алгоритм (12) обладает сильно неравновесной хаотической динамикой. Каждое сообщение передается единственной и никогда не повторяющейся хаотической кодовой комбинацией из п двоичных символов.

Расстояние между произвольными

бинарными кодами у = ^ у^ ... ,ук и у = (У!р

у , ... ,уп) в исходном пространстве Мп задается метрикой Хемминга <(У, У), которая указывает на число позиций с несовпадающими символами для выбранной пары кодов. Синтез системы оптимальных хаотических кодов заключается в выборе по заданному критерию подмножества и из всего множества М хаотических кодов.

пп

Кодовым расстоянием выбранного подмножества и называется число

п

& = шт<(Ук, У), (13)

где минимум находится по всем расстояниям, определенным между кодами подмножества и . Кодовое расстояние подмножества и

пп

характеризуется удаленностью друг от друга двух

самых близких кодовых последовательностей. Хаотические коды Ук = (ук у2к ... ,упк) большой

длительности п не повторяются. Анализ множества хаотических кодов показывает, что кодовое расстояние всего множества повышается по мере увеличения длины кода и стремится к величине, равной половине длины кода [29].

Хаотические коды большой длительности распределяются в пространстве Хемминга таким образом, что становятся почти равноудаленными друг от друга на половину длины кода. Взаимное рассеяние хаотических кодов обусловлено сильной локальной неустойчивостью и последующим перемешиванием хаотических траекторий в исходной динамической системе с запаздыванием (5). Квазиэквидистантное распределение хаотических кодов при большой

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

длительности свидетельствует о приближении групповых свойств кодов к оптимальным в смысле метрики Хемминга [29].

Хаотический код у полностью воспроизводится в приемном устройстве при точном задании т начальных отсчетов для порождающего алгоритма (12). При неточном задании начальных отсчетов даже малая ошибка приводит к экспоненциальному расхождению возмущенной и заданной траекторий и по истечении малого времени возмущенный код полностью отличается от заданного кода. При этом восстановление передаваемой информации на основе возмущенного кода становится невозможным. Точное задание т начальных отсчетов определяет идентификатор абонента и одновременно является ключом при восстановлении конфиденциального сообщения.

Таким образом, теоретическое исследование и численное моделирование математических моделей с хаотической динамикой позволят разработать новые информационные технологии для защиты информационных ресурсов. На основе численного моделирования хаотических алгоритмов можно построить большую систему сложных ШПС (сигналов с большой базой) или хаотических кодов-ключей. Динамически изменяющиеся хаотические коды сделают невозможным раскрытие в реальном времени информационных ресурсов открытых телекоммуникационных систем. Разработка дискретных математических моделей на основе систем с хаотической динамикой позволит также предложить принципиально новую технологию криптографического закрытия информационных ресурсов.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКРЕТНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Развитие телекоммуникационных систем нового поколения основано на использовании широкополосных сигналов с большой информационной емкостью и обеспечивает увеличение скорости передачи информации и повышение устойчивости работы систем

при наличии возмущающих факторов [30, 31]. Такие сигналы используются для передачи информации в многоканальных системах с кодовым разделением, беспроводных системах связи с расширением спектра и др. Использование ШПС позволяет принимать сообщения при соотношении сигнал/помеха много меньшем единицы, и бороться с влиянием многолучевого распространения, ослабить воздействие многих видов помех и обеспечить высокую скрытность при функционировании и электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами за счет излучения непрерывных во времени ШПС с очень низкой спектральной плотностью.

При разработке узкополосных каналов цифровой связи встречаются трудности в поисках компромисса между противоречивыми требованиями. В многопользовательских системах связи обязательным требованием является обеспечение эффективности использования спектра, измеряемой в битах на секунду на герц. Высокое качество передачи информации требует использования кодеров с большой скоростью, а также метода кодирования, который позволял бы обнаруживать и исправлять ошибки. Все это связано с введением избыточной информации в передаваемые данные и в конечном счете приводит к увеличению ширины полосы канала.

В качестве альтернативы в настоящее время разрабатываются широкополосные и сверхширокополосные каналы для персональной радиосвязи. Расширение полосы частот (spread spectrum) происходит при использовании несинусоидальных сигналов: шумоподобной несущей, сверхкоротких видеоимпульсов и др.

В связи с бурным развитием в последнее время многоканальных автономных систем связи и передачи информации с кодовым разделением чрезвычайно актуальной остается проблема построения систем ШПС. Системой сигналов называется множество сигналов, определяемых единым правилом построения (алгоритмом). Число сигналов в системе L называется объемом системы, который принято обычно сравнивать с базой ШПС В, равной произведению ширины сигнала Af на его длительность Т: В = A/T. Если L << В, то это

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

малая система сигналов, ^ ~ В - нормальная и при Ь >> В - большая система. Достаточно сложной является проблема построения больших систем фазомодулированных (ФМ) ШПС с хорошими корреляционными свойствами [31].

Основной метод получения ШПС в настоящее время — это формирование М-последовательностей на основе сдвиговых регистров с системой линейных обратных связей.

Известно, что для систем связи с ШПС подходят не любые шумовые сигналы, а сигналы, обладающие целым рядом определенных свойств, таких как

1) широкополосность В = А/Т >> 1,

2) равномерность спектральной плотности шума в полосе канала связи,

3) АКФ сигнала должна иметь один узкий пик и малые боковые выбросы,

4) кодовые последовательности, формируемые сигналом, должны удовлетворять следующим критериям случайности:

а) код должен быть сбалансирован, т.е. число " + 1" не должно отличаться от "—1",

б) вероятность появления блока из к одинаковых символов должна быть близка к 1/2к (для бинарного кода). Этот критерий аналогичен требованию отсутствия эксцесса по отношению к гауссовскому распределению в многоуровневом сигнале,

5)должна бытьобеспеченавоспроизводимость сигнала на приемном конце системы связи;

6) в системе сигналов должно быть обеспечено а) равенство энергии и одинаковая полоса всех сигналов.

б) малый уровень взаимной корреляции сигналов.

К перечисленному можно добавить еще несколько требований. Например, максимальность так называемого расстояния Хемминга в пространстве сигналов, обеспечение простоты алгоритма для снижения объема вычислений.

Этот набор непростых требований, который для краткости можно называть "хорошими статистическими и корреляционными свойствами", является традиционным и частично реализуется в уже используемых системах с ШПС.

л. Формировлние шумоподоБной несущей в

СИСТЕМАХ связи С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА

В последние годы заметно возрос интерес к так называемым широкополосным и сверхширокополосным методам передачи информации. Широкополосныеканалысвязипосвоей структуре рассчитаны на передачу дискретных сигналов и уже являются цифровыми. Широкополосная радиосвязь по своим свойствам и методам технического осуществления значительно отличается от обычных традиционных методов радиосвязи использованием для передачи сигналов с полосой частот, значительно более широкой, чем полоса передаваемого сообщения, и методами приема информации, основанными на применении сигналов различной формы, согласованных с формой спектра передаваемого сигнала. В таких системах все пользователи работают в одном частотном диапазоне, более широком, чем в случае традиционных узкополосных систем связи с частотно-временным разделением. В каждом абонентском канале используется свой идентификационный код или своя кодовая доследовательность для различения пользователей. На вход приемного устройства индивидуального пользователя одновременно с полезным сигналом поступают в заданной полосе частот не только обычные помехи естественной природы, но и мешающие сигналы от передатчиков других абонентов, а также отражения за счет многолучевого распространения. Сложная электромагнитная обстановка в зоне действия телекоммуникационных средств налагает дополнительные жесткие требования на систему псевдослучайных сигналов, которая используется для кодирования и передачи информации по каналам связи. Ансамбль кодовых последовательностей, используемых различными системами или одной многоканальной системой, должен обладать хорошими взаимно корреляционными и групповыми свойствами [31].

При создании систем с кодовым разделением абонентских каналов (CDMA) важным является выбор математических алгоритмов, порождающих большой ансамбль ПСП. Формируемые псевдослучайные последовательности должны обладать нужными статистическими и спектральными

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

свойствами, а также хорошими авто- и взаимно корреляционными характеристиками. Особые требования предъявляют к объему ансамбля ортогональных ПСП, что необходимо для одновременной и устойчивой работы многих пользователей в общей пространственной зоне. Математические алгоритмы должны генерировать множество статистически независимых псевдослучайных кодов большой длительности и высокой структурной сложности, чтобы обеспечить конфиденциальность при передаче информации.

Использование широкополосных сигналов в системах передачи информации дает ряд важных преимуществ:

1) возможность приема сигналов с высокой достоверностью при мощности помех в полосе частот сигнала, много большей, чем мощность сигнала;

2) значительное повышение помехоустойчивости против ряда преднамеренных помех, а также импульсных и узкополосных;

3) повышение разрешающей способности сигналов и, как следствие этого, возможность значительного улучшения работы системы связи в условиях многолучевого распространения радиоволн;

4) возможность построения асинхронных многоадресных систем с кодовым разделением абонентов, работающих в общей полосе частот;

5) возможность создания систем передачи информации, в которых затруднено пеленгование и сопровождение источников излучения.

Широкополосные сигналы образуются, как правило, за счет расширения полосы частот информационного сигнала и (или) за счет расширения спектра несущей. Расширение полосы частот сигнала обычно достигается за счет такой модуляции несущего колебания, которая формирует модулированный сигнал с полосой частот более широкой, чем у модулирующей функции. Типичный пример сигнала с расширением полосы — частотная модуляция с большим индексом модуляции.

Расширение полосы свойственно также цифровым сигналам с дополнительным помехоустойчивым кодированием, так как введение избыточных символов при сохранении

неизменной скорости передачи сообщения приводит к необходимости уменьшения длительности каждого символа. При этом расширяется полоса частот передаваемого кодированного сигнала. Необходимо отметить, что простое двоичное избыточное кодирование усложняет структуру информационного сигнала (особенно для мощных кодов), однако существенно не расширяет полосу занимаемых частот.

Существенным недостатком систем, использующих простое расширение полосы частот за счет аналоговой модуляции несущей информационным сигналом, является то, что они способны удовлетворительно работать лишь при больших отношениях сигнал/ помеха во всей полосе частот передаваемого (и принимаемого) сигнала.

Иначе обстоит дело с сигналами, формируемыми за счет расширения частотного спектра. Такие сигналы называются сложными сигналами. Эти сигналы образуются в результате модуляции несущего колебания специальной функцией, расширяющей частотный спектр и не зависящей от передаваемого сообщения. Как правило, при расширении спектра сложные сигналы занимают более широкий диапазон частот, чем при расширении полосы за счет информационного сигнала. Для расширения частотного спектра и получения сложного сигнала можно модулировать амплитуду, фазу или частоту несущей. Расширяющая функция должна быть идентичной для передатчика и приемника, чтобы на приемной стороне можно было провести обратное преобразование — "свертку" спектра, — при котором происходит демодуляция и сигнал фильтруется в полосе сообщения.

Эффективная расширяющая функция должна удовлетворять определенным

требованиям в отношении ширины полосы частот, структуры приемника и метода передачи сообщений. Расширяющая функция должна быть детерминированной, иметь шумоподобный широкий равномерный спектр (большую базу), а следовательно, относительно большую длительность и узкую АКФ с малыми боковыми выбросами, ансамбль разных расширяющих функций, используемых разными системами

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

или одной многоканальной системой, должен обладать хорошими взаимокорреляционными свойствами.

Расширяющая функция может быть аналоговой или дискретной, но практически наиболее перспективные возможности для создания ШПС дает применение цифровых (дискретных по уровню и по времени) расширяющих функций. Такие расширяющие функции формируются на основе цифровых кодовых последовательностей. В некоторых случаях возможно одновременное расширение спектра и полосы сигнала, когда, например, наряду с применением расширяющей функции используется цифровое помехоустойчивое кодирование сообщений восстанавливающими кодами.

Сигналы с расширением спектра в свою очередь делятся на когерентные и некогерентные. Примером некогерентного сигнала с расширением спектра является пачка радиоимпульсов, модулированных по амплитуде. У такого сигнала информацию переносит амплитуда, а импульсная последовательность расширяет спектр. Другой характерный пример — это сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты (случайные скачки частоты с одного частотного канала в другой). Некогерентные сложные сигналы характеризуются отношением полосы спектра сигнала к информационной полосе (или к скорости передачи информации), это соотношение служит эквивалентом базы для некогерентных сигналов и определяет выигрыш в помехоустойчивости при выделении ШПС на фоне шумов.

Когерентные сложные сигналы по большинству показателей превосходят сигналы с некогерентным расширением спектра, но некогерентные сигналы проще для реализации как приемников, так и передатчиков (модуляторов). В процессе приема и обработки когерентного ШПС в оптимальном приемнике происходит "сжатие" сигнала с базой В >> 1 в простой сигнал с базой В ~ 1, содержащий информацию. Различают два вида сжатия сигнала: по времени и по частоте. Как правило, предельный коэффициент сжатия по времени и по частоте одинаков и равен базе сигнала. Физически сжатие достигается за счет суммирования всех спектральных составляющих

сигнала с компенсацией различий их фазовых набегов, т.е. за счет когерентного суммирования всех спектральных составляющих сигнала. В результате сжатия сложный сигнал становится простым (с базой В ~ 1), имеющим ширину спектра того же порядка, что и у переносимого им сообщения. Предельный коэффициент сжатия достигается только в оптимальном, идеально согласованном с сигналом приемнике.

Основные свойства сложного сигнала с расширением спектра определяются не способом модуляции несущего, а свойствами модулирующего (расширяющего) колебания. Именно от вида АКФ этого колебания зависят конечная ширина спектра сложного сигнала и равномерность его спектральной плотности в пределах полосы частот.

Загруженность радиодиапазона в сочетании с необходимостью обеспечения скрытной и помехоустойчивой связи привели к разработке новых систем связи с кодировкой широкополосными псевдослучайными

сигналами. В таких системах все пользователи работают в одном частотном диапазоне, гораздо более широком, чем в случае традиционных систем связи с частотным разделением, но каждый из них использует свой идентификационный код или свою кодовую последовательность. При этом на вход приемного устройства индивидуального пользователя приходят не только обычные помехи и шумы флуктуационной природы, но и сигналы других абонентов и сигналы многолучевого распространения. Это налагает дополнительные требования на системы сигналов, используемых для кодирования и передачи информации по таким каналам связи с кодовым разделением.

Особо следует отметить предпочтительность использования для кодирования предельно длинных непериодических ПСП что, как известно, повышает скрытность информации, передаваемой по каналу, и затрудняет ее дешифровку [30, 31]. При создании системы с кодовым разделением абонентов (CDMA) важным является выбор вида ПСП, которые должны иметь не только хорошие статистические и корреляционные характеристики, но и большую номенклатуру длин, позволяющую формировать ансамбли

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

сигналов с большим объемом, а также высокую структурную сложность, обеспечивающую высокую конфиденциальность при передаче информации.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям хаотические алгоритмы,

описывающие поведение нелинейных динамических систем. Характерными

особенностями этих алгоритмов является использование в них запаздывания и нелинейности. К достоинствам подобных алгоритмов относятся легкость программно-аппаратного воспроизведения и необходимость передачи для синхронизации только ограниченного набора начальных условий, однозначно определяющих запуск алгоритма. Применение в системах радиосвязи шумоподобных хаотических сигналов (ШХС) позволяет повысить помехоустойчивость и надежность передачи информации в каналах с комплексом помех и искажений, а также по-новому подойти к решению задач электромагнитной совместимости радиосредств различного назначения.

Особым условием, характерным для систем с кодовым разделением каналов, является работа на фоне помех, создаваемых другими кодовыми группами в том же частотном диапазоне. В силу этого создание систем связи с кодовым разделением каналов требует разработки порождающих алгоритмов для создания системы кодирующих сигналов с большим объемом и исследования их статистических и корреляционных свойств. Б. Формирование шумоподоБной несущей Для формирования радиоканала связи с шумоподобной несущей следует обеспечить на передающем терминале модуляцию синусоидального сигнала СВЧ-диапазона расширяющей хаотической импульсной последовательностью, генерируемой

хаотическим алгоритмом, с последующей ее демодуляцией на приемном терминале. Наиболее эффективным способом расширения спектра сигнала является фазовая модуляция. Она реализуется при помощи фазового модулятора ФМ — устройства, которое изменяет фазовый сдвиг проходящего через него сигнала.

По принципу работы ФМ можно разделить на плавные (аналоговые) и дискретные (цифровые), по способу включения к внешней схеме — на отражательные и проходные, а также пассивные (без усиления) и активные (с усилением сигнала). Для применения в широкополосных системах связи ФМ должны обеспечивать получение требуемого фазового сдвига при минимальных потерях, высокое быстродействие, малую величину паразитной амплитудной модуляции, модуляцию фазы колебаний на допустимом уровне мощности и в необходимой полосе частот, хорошее согласование с СВЧ-трактом, стабильные параметры при изменении уровня входной мощности, характеристик СВЧ-тракта, напряжения управляющих сигналов и иметь малые размеры и массу.

В цифровых каналах связи для обеспечения широкой полосы частот наиболее эффективным является использование двухпозиционного ФМ, в котором реализуются два состояния, соответствующих отсутствию сдвига фазы (нулевой сдвиг) и сдвигу фазы на п (п-модулятор). Обычно фазовые модуляторы в СВЧ-диапазоне используют дискретное изменение длины линии передачи между входом и выходом модулятора под действием управляющих импульсов. Например, если под влиянием входного импульса длина линии изменилась на Х/2 (где X — длина волны в линии), то фаза выходных колебаний изменится на п (индекс фазовой модуляции Ф = п/2). Для дискретного изменения длины линии применяют переключающие элементы, в качестве которых наиболее часто используют р-ьп-диоды. Достоинство таких схем - отсутствие необходимости использования сложных в изготовлении и настройке циркуляторов и мостов.

Известно, что спектральный состав ФМ-колебаний значительно сложнее амплитудно-модулированных колебаний. При модуляции синусоидальным сигналом выражение для фазомодулированных колебаний имеет вид

X (Г) = АХ Jn (ф) ^Ч® + пО,у.

(14)

Отсюда видно, что спектр ФМ-колебаний состоит из несущей частоты ы (п = 0) с амплитудой А/0(ф) и бесконечного числа боковых частот, расположенных симметрично по обе стороны

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

(15)

несущей (ы ± nQ) с амплитудами AJ (ф). Однако практически играют роль лишь те частоты, амплитуды которых не очень малы по сравнению c AJ0 (ф). Так как значения функции Бесселя очень быстро убывают с увеличением n при заданном аргументе ф, то во многих практически важных случаях можно ограничиться лишь первыми членами ряда. Однако для сигналов с большим индексом модуляции весьма существенную роль играют члены ряда до n = 10, так как распределение амплитуд не позволяет ими пренебречь.

Форма частотного спектра во много раз усложняется, если несущая частота модулируется несинусоидальным и непериодическим сигналом.

ФМ-сигнал с синусоидальной несущей f при скачкообразном изменении фазы можно представить в виде:

N

X(t) = £ A sin 2п f0 [t + кAT(-1)л ];

к=1

0 <t< AT,

где А — амплитуда, f — несущая частота, АТ — длительность манипулированного отрезка синусоиды, равная целому числу полупериодов синусоидального сигнала, параметр jk принимает значения 0 и 1 в соответствии с заданной кодовой последовательностью, определяющей закон скачкообразного (±п) изменения фазы несущей.

Рабочая полоса частот при этом значительно расширяется. Спектр ФМ-сигнала имеет в области основного максимума форму, близкую к полупериоду синусоиды, с максимумом на частоте несущей^. Ширина спектра определяется длительностью манипулированного отрезка синусоиды АТ и равна^/n, где n — число периодов несущей в интервале АТ.

При модуляции периодическими функциями спектры сигналов имеют линейчатый вид. В случае же модуляции шумоподобным дискретным сигналом спектр сплошной, а его размеры определяются максимальной частотой (тактовой частотой).

Обратное преобразование ФМ-сигнала в импульсную форму осуществляется путем вычисления ВКФ регистрируемого сигнала с X(t). При отсутствии частотных и фазовых искажений регистрируемого сигнала ФМ-сигнал

после корреляционного преобразования будет иметь форму АКФ-сигнала.

В. Хаотические Алгоритмы для создания РАСШИРЯЮЩИХ функций

Показано, что для ШХС, построенных на основе дискретных хаотических алгоритмов, выполняются все требования, необходимые для расширения спектра и формирования шумоподобной несущей: эти сигналы являются широкополосными, обладающими большой базой, их спектральная плотность в полосе канала передачи равномерна, АКФ имеет один узкий пик и малые боковые выбросы, сигнал полностью воспроизводим в приемном устройстве, что необходимо для корреляционной обработки. Кроме того, кодовые последовательности ШХС удовлетворяют критериям случайности. Характеристики апериодической АКФ как для бинарного, так и для преобразованного бинарного сигнала хорошо соответствуют корреляционным свойствам случайных последовательностей.

Близость статистических характеристик ШХС к характеристикам гауссовского процесса также является важным качественным показателем, обеспечивающим структурную скрытность полезного сигнала на фоне шумовых помех, также в большинстве случаев имеющих нормальное распределение. Это в свою очередь обеспечивает высокую помехозащищенность. Структуру М-последовательности восстанавливают обычно по ее отличию от нормального случайного процесса.

Проведенные оценки объема системы сигналов показывают, что на базе ШХС открываются перспективы решения проблемы построения систем сигналов с большим объемом, обеспечивающих повышенную энергетическую и структурную скрытность. Динамически изменяющиеся хаотические коды сделают невозможным раскрытие в реальном времени информационных ресурсов открытых телекоммуникационных систем, обеспечивая тем самым высокую конфиденциальность и помехоустойчивость.

Г. Система связи с расширением спектра на основе хаотических бинарных кодов

В СВЧ-диапазоне разработана и экспериментально исследована модель

м1_1/+>^ш\лл i 1мпииь1с тсуыпплгмм информационные технологии на основе 293

ИпФиг1У1АЦИЦппЫЬ 1ЬЛМили1ИИ динамического хаоса для передачи, обработки...

радиотерминала для широкополосной системы связи с расширением спектра на основе мостовой схемы фазовращателя с фиксированным сдвигом фазы ф = п. При исследовании свойств канала связи применяли самую простую модель двухтерминального широкополосного канала связи с шумоподобной несущей с использованием цифрового генератора, формирующего хаотическую последовательность импульсов, фазового СВЧ-модулятора-демодулятора в микрополосковом исполнении и рупорных антенн. Предполагали, что канал связи состоит из передающей части (фазового модулятора, обеспечивавшего расширение спектра) и приемной части (демодулятора — устройства свертки, посредством которого восстанавливалась несущая). Какие-либо специальные помехи в канал не вносили и считали, что передача СВЧ-сигнала от передатчика к приемнику происходит за малое по сравнению с длительностью импульса время.

Блок-схема модели (рис. 2), реализующей канал связи с шумоподобной несущей, содержит генератор синусоидального сигнала СВЧ-диапазона 1; цифровой генератор — источник кодирующей хаотической последовательности 2, фазовый модулятор 3, фазовый демодулятор 4, анализатор спектра 5, подключаемый в различные точки схемы, блок дискретной задержки 6 и рупорные антенны 7.

Рис. 2. Блок-схема модели канала связи с шу. несущей: 1 — генератор синусоидального СВЧ-сигнала; 2 — цифровой генератор хаотического кодирующего сигнала; 3 — фазовый модулятор передающего терминала; 4 — фазовый демодулятор приемного терминала; 5 — анализатор спектра;

6 — блок дискретного запаздывания; 7 — рупорные антенны.

При проведении экспериментов

по демодуляции СВЧ-сигнала,

фазомодулированного хаотической кодовой последовательностью, формируемой

цифровым генератором, предполагали полную синхронизацию модулятора и демодулятора, т.е. когерентный режим работы. Практически это обеспечивалось подачей модулирующих сигналов одновременно на блоки модулятора и демодулятора.

Расширение спектра канала связи осуществлялось при помощи широкополосного ФМ, который создан на основе мостовой схемы СВЧ-фазовращателя с фиксированным сдвигом фазы на одно из возможных состояний ф = п/2, п/4, п/8, п/16. Переключение фазосдвигающих отрезков микрополосковой линии производится высокочастотными р-1-ж-диодами с малым временем релаксации, не превышающим 5 нс. Диапазон перестройки рабочей частоты для модема превышает октаву. Управление р-1-п-диодами в схеме фазовращателя осуществляется хаотическими бинарными кодами, которые формируются программируемым цифровым процессором согласно разработанному математическому алгоритму. Для каждого абонента программным способом устанавливается собственный хаотический код за счет выбора М-мерного вектора начальных отсчетов. Многомерный цифровой массив, задающий вектор начальных отсчетов, является идентификационным параметром абонента. Программируемый кодер для формирования индивидуальных хаотических кодов создан на основе быстродействующей ПЛИС-технологии.

Передаваемую цифровую информацию можно вносить в канал связи либо путем частотной модуляции (ЧМ) СВЧ-несущей частоты, либо посредством изменения фазы кодирующего сигнала. Операция кодового расширения спектра для ЧМ-сигнала, несущего информацию, выполняется фазовым модулятором в схеме передающего модема непосредственно на несущей частоте сигнала. Излучаемый передатчиком сигнал с информационной составляющей имеет непрерывный шумовой спектр (рис. 3а), основная доля энергии которого заключена в полосе

гуляев ю.в., беляев р.в., воронцов г.м., залогин н.н., калинин в.и., кальянов э.в., кислов в.в., кислов в.я., колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

дБ +50

(а)

(б)

-50

X

3

-5

+5 -5 /-/о, МГц

+5

Рис. 3. Кодовое расширение спектра сигнала в передатчике (а) и когерентное сжатие по частоте сигнала в приемнике (б), / = 2600 МГц.

частот А/ = 2РГ Тактовая частота ¥Т хаотических бинарных кодов устанавливается синтезатором частот в схеме модема и в эксперименте ¥Т = 1 МГц. Информационное сообщение представляет собой последовательность двоичных символов в виде импульсов тока с тактовой частотой 20 кГц.

Размерность N числового идентификатора или вектора начальных отсчетов составляет не менее ^ > 1. Это важное условие для порождающего алгоритма обеспечивает устойчивый режим многомодового хаоса при формировании кодов с хорошими корреляционными и статистическими свойствами. Передаваемый ШПС с информационной составляющей имеет непрерывный шумовой спектр и по своей структуре практически не отличим от случайного процесса с той же полосой частот.

Цифровой процессор кодера может работать в циклическом и апериодическом режимах. При циклическом формировании хаотические коды повторяются с заданным периодом. В апериодическом режиме цифровой процессор генерирует непрерывную и неповторяющуюся последовательность хаотических символов. Таким способом можно осуществить динамическую смену кодов в течение всего времени передачи данных. Разработанная система передачи данных с динамической сменой кодов, согласно результатам Шеннона [30], практически исключает возможность криптографического раскрытия сообщений.

В приемнике информация выделяется после устранения относительной задержки принятого и опорного кодов и сжатия по частоте ШПС. В эксперименте передача данных осуществляется с динамической сменой кодов за

счет непрерывной генерации непериодических последовательностей.

Копия хаотического бинарного кода формируется в приемнике цифровым процессором на основе порождающего алгоритма при точном задании ^мерного числового идентификатора или вектора начальных отсчетов. Обратное преобразование принятого ФМ-сигнала осуществляется фазовым демодулятором, который восстанавливает фазу сигнала при использовании в качестве опорного сигнала копии хаотического кода. Сжатие принятогосигнала почастотевозможно толькопри задержке принятого и опорного кодов в пределах длительности одного такта. Эффективность этого иллюстрируют энергетические спектры для декодированного сигнала (рис. 4а, 4в-4е). На рис. 4в представлен спектр сигнала на выходе демодулятора при синхронизации принятого и опорного кодов, когда запаздывание кодов т = 0 отсутствует. Спектр восстановленного сигнала

Рис. 4. Преобразование спектра сигнала при прохождении по каналу связи: спектр информационного ЧМ-сигнала (а); спектр передаваемого сигнала с кодовым расширением спектра и информационной составляющей (б); спектр восстановленного сигнала после демодулятора при полной синхронизации(в); спектры восстановленного сигнала с информационной составляющей при запаздывании опорного хаотического кода на время т = 0.1Т (г), 0.3Т (д), 0.5Т (е); Т -период повторения импульсов кодирующей последовательности.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

содержит информационную составляющую, подобную спектру ЧМ-сигнала, на выходе информационного модулятора в передатчике (рис. 46). При отсутствии активных помех уровень информационных составляющих превышает почти на 40 дБ собственные шумы приемника и на 35 дБ паразитные составляющие с тактовой частотой ¥т = 1 МГц.

При длительности одного символа Т =1/ Рт = 1 мкс запаздывание опорного кода всего на т = 0.1Т приводит к уменьшению на 14 дБ информационной составляющей в спектре до уровня 26 дБ относительно шумового пьедестала (рис. 4г). При задержке опорного кода т = 0.5Т (рис. 4е) уровень информационной составляющей практически исчезает.

Одновременно с ростом задержки т наблюдается увеличение уровня как шумового пьедестала, так и паразитных составляющих на кратных Рт частотах в спектре вследствие неполной свертки принятого сигнала. При увеличении задержки опорного кода свыше длительности одного такта т > Т информационная составляющая в спектре неразличима на фоне шума и восстановление передаваемой информации становится невозможным. Проведенный эксперимент по передаче данных с динамической сменой хаотических кодов показал, что эффективное восстановление полезной информации происходит только при малой задержке т < 0.5Т опорного кода. Результаты эксперимента по передаче информации в системе связи с расширением спектра и динамической сменой кодов свидетельствуют о необходимости точной синхронизации опорного кода в приемнике.

Экспериментально исследовали

помехоустоичивость модели радиотерминала на основе шумоподобной несущей, в которой для передачи информации применялись бинарные хаотические сигналы. Схема эксперимента представлена на рис. 5, где 1 и 2 — СВЧ-генераторы сигнала и помехи соответственно; 3, 4 и 5 — фазовые модуляторы ФМ ФМ и ФМ ; 6 и 7 — кодеры; 8 — СВЧ-сумматор; 9 — регулируемая линия задержки; 10 и 11 — передающая и приемная СВЧ-антенны; 12 — анализатор спектра. Кодеры реализовывали один из алгоритмов генерации класса хаотических сигналов типа приведенного выше.

Рис. 5. Схема исследования помехоустойчивости модели терминала с шумоподобной несущей: 1 и 2 — СВЧ-генераторы сигнала и помехи; 3,4,5—фазовые модуляторы; 6, 7 — кодеры; 8 — СВЧ-сумматор; 9 —регулируемая линия задержки; 10, 11 — передающая и приемная антенны, 12 —анализатор спектра.

Расширение спектра передаваемого сигнала от СВЧ-генератора 1 осуществляли при помощи микроволнового модема ФМ 3. СВЧ-сигнал на средней частоте Р поступал на вход модема, управление которого осуществлялось хаотической бинарной последовательностью импульсов от кодера 6. В результате на выходе ФМ 3 наблюдали шумовой сигнал с непрерывным спектром.

В эксперименте по определению помехоустойчивости использовали два вида помех: синусоидальную помеху, близкую по частоте к передаваемому СВЧ-сигналу, и широкополосную помеху, согласованную по спектру с передаваемым сигналом. Широкополосную помеху формировали при помощи микроволнового модема ФМ2 4. Управление модемом 4 осуществляли отдельным кодером 7 с той же тактовой частотой, что и у кодера 6 передатчика. Кодирующие последовательности обоих кодеров 6 и 7 некоррелированы во времени. Эксперимент выполнен при синхронизме кодирующих последовательностей для модемов передатчика и приемника. Синхронизм обеспечивали применением регулируемой задержки 9. Обратное когерентное сжатие по частоте принятого сигнала осуществляли модемом 5 в схеме приемника.

В качестве критерия помехоустойчивости принимали превышение свернутого сигнала на выходе приемного устройства 12 над шумовым фоном в зависимости от отношения сигнал/ помеха на входе приемника.

При воздействии узкополосной помехи спектр суммарного сигнала и помехи на входе

гуляев ю.в., беляев р.в., воронцов г.м., залогин н.н., калинин в.и., кальянов э.в., кислов в.в., кислов в.я., колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

приемника имеет вид непрерывного в полосе широкополосного шума, соответствующего принятому сигналу с расширением спектра, над уровнем которого возвышается синусоидальная помеха. Декодер ФМ3 обеспечивает свертку и выделение полезного сигнала. При декодировании узкополосная помеха размывается по спектру во всей полосе и превращается в шумовой пьедестал, над которым появляется свернутый информационный сигнал.

Широкополосная помеха формируется при прохождении сигнала генератора 2 через ФМ2, и на входе приемника ее спектр имеет вид широкополосного непрерывного шума, который подобен шумовому спектру информационного сигнала на выходе ФМ^ Суммарный спектр сигнала и широкополосной помехи на входе приемника имеет вид непрерывного в полосе широкополосного шума и показан на рис. 6а. Спектр на выходе приемного устройства в результате свертки в ФМ3 для отношения мощностей помеха/сигнал на входе, равного 10 дБ, показан на рис. 6б.

На рис. 7 представлены результаты измерения отношения сигнал/помеха ($ / $п) на выходе приемного устройства в зависимости от соотношения уровней помехи и информационного сигнала на входе приемника ($ /$) для двух видов помехи: узкополосной 1 и широкополосной 2. Предельная помехоустойчивость для системы связи с расширением спектра определяется отношением сигнал/помеха на входе приемника, при котором восстановление передаваемой информации становится невозможным при заданном времени усреднения.

Результаты экспериментов показывают, что для обоих типов помехи предельная

SJSn

25 20 15 10 5

0

- \

-

-

1 1 1 1 \ 1 ^ 1

10

15

20

25

30

Sn/Sc

Рис. 6. Суммарный спектр сигнала и широкополосной помехи на входе приемника (а) и на его выходе (б).

Рис. 7. Зависимость отношения сигнал/помеха Зс/Зп на выходе приемного устройства от величины Зп/Зс на входе приемника: 1 —узкополосная помеха; 2 — широкополосная помеха..

помехоустойчивость составляет ~25 дБ. При передаче информации используется непрерывная непериодическая кодирующая хаотическая последовательность, реализованная на интервале времени произвольной длительности. Таким способом реализуется динамическая смена кодов в течение всего времени передачи данных. Согласно Шеннону, в этом случае практически исключается возможность криптографического раскрытия сообщения [30]. Этот результат свидетельствует о потенциальных возможностях применения исследуемой системы с расширением спектра на основе хаотических кодов в многостанционных мобильных системах связи с высокой степенью конфиденциальности.

Основной проблемой при использовании сложных сигналов при передаче информации в канале связи является проблема поиска и временной синхронизации сложных сигналов. Известен переборный метод поиска, когда вычисляют корреляционный интеграл относительно сдвигаемого опорного сигнала и в качестве оценки временного положения принятого сигнала выбирают временной сдвиг, максимизирующий эту корреляцию. Однако для большой области априорной неопределенности задержек сигнала и большой базы сигналов, необходимой для обеспечения высокой помехоустойчивости, такой метод при аппаратурной реализации приводит к значительному времени поиска, а при параллельной обработке на нескольких

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

корреляторах — к нежелательному увеличению сложности связного оборудования. При программной реализации на основе ЭВМ этот метод требует большой емкости оперативного запоминающего устройства и высокого быстродействия процессоров.

Для сокращения времени поиска и синхронизации разрабатываются алгоритмы быстрого поиска. Это быстрые преобразования Фурье и другие спектральные преобразования, упрощающие выполнение операции свертки. Особенность алгоритма синхронизации заключается в том, что основной целью передачи сигналов по каналу связи является определение их временного положения, а вспомогательной — передача информации.

Под сложными обычно понимают сигналы, для которых произведение их длительности на занимаемую полосу частот значительно больше единицы. Известно, что произведение длительности любого импульсного сигнала на его полосу частот приблизительно равно единице. Поэтому для того чтобы это произведение было больше единицы, необходимо применять специальные алгоритмы, расширяющие спектр сигнала.

Необходимо отметить, что простое двоичное избыточное кодирование усложняет структуру информационного сигнала (особенно для мощных кодов), однако практически существенно не расширяет полосу занимаемых частот.

Наиболее трудным моментом при проектировании системы связи на основе сложных сигналов является построение системы синхронизации таким образом, чтобы она не ухудшала помехоустойчивости и скорости передачи для основной информации. При этом нужно учесть ряд дополнительных обстоятельств:

1) снижение стабильности опорных генераторов и эквивалентные этому флуктуации частоты в канале связи приводят к необходимости значительно увеличивать скорость передачи "синхроинформации" и, следовательно, к снижению помехоустойчивости,

2) сигналы для передачи синхроинформации могут отличаться по своей структуре от сигналов для передачи основной информации, т.е. могут быть неоптимальными,

3) для синхронизации сложных составных сигналов, чтобы осуществить простую тактовую синхронизацию, приходится использовать всю сложную форму составного сигнала, а это возможно только при синхронизации по периоду полного сигнала.

При использовании прямой свертки на входе приемника проблемы синхронизации и передачи информации могут быть решены практически одинаковыми способами. При этом функциональная схема радиотерминала может состоять из практически стандартных узлов.

При синхронизации необходимо осуществить последовательно следующие операции:

1) поиск, плавное сканирование по фазе либо непосредственно тактовой частоты, либо кодовой комбинации данного абонента,

2) захват и синхронизацию тактовой частоты, идентификацию абонента, уведомление о синхронизме с данным абонентом, уведомление о начале информационной посылки, запуск генератора ШПС,

3) периодическую подстройку параметров синхросигнала.

Таким образом, для повышения помехоустойчивости синхроканала информация по нему должна идти не только в начале сеанса связи, но и в течение всего цикла обмена информацией между приемником и передатчиком.

При использовании принципа прямой свертки сигнала на входе информационный и синхроканал можно разместить в общей полосе частот, разделив их структурно в приемнике и передатчике (самой высокой расширяющей частотой является тактовая частота опорного генератора). При этом в синхроканале будут циркулировать информация о фазе тактовой частоты опорного генератора и идентификационный код абонента. Наличие связи по синхроканалу непрерывно контролируется как на принимающей стороне, так и на передающей стороне.

При стабильном синхроканале на обоих концах связного тракта запускается генератор шумоподобного сигнала,

генерирующий непериодическую случайную последовательность, которая и служит для

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

кодирования и декодирования информационных битов.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения систем псевдослучайных сигналов, формируемых хаотическими алгоритмами в качестве кодирующих последовательностей для широкополосных систем передачи с кодовым разделением каналов. Цифровая система связи с расширением спектра и динамической сменой хаотических кодов обладает высокой помехозащищенностью и повышенной конфиденциальностью при передаче данных в условиях сложной электромагнитной обстановки, воздействия сильных помех и многолучевого распространения сигналов. Быстродействующие цифровые процессоры на основе конечномерных алгоритмов с нелинейной динамикой создают большой ансамбль хаотических бинарных кодов, что позволяет практически осуществить кодовое разделение большого числа абонентов. Передача данных с динамической сменой хаотических кодов затрудняет возможность криптографического раскрытия конфиденциальных сообщений. Д. Цифровой генератор хаотического кода В процессе кодирования информации кодирующая последовательность налагается на информационную последовательность по определенному закону. Из теории информации известно, что наилучшей кодирующей функцией является случайный процесс (белый шум). Основная проблема при кодировании информации в цифровых каналах связи заключается в трудности генерирования случайных двоичных последовательностей.

Аналоговые генераторы шума, которые интенсивно разрабатывали в предыдущие десятилетия, имеют специфическое применение, связанное в основном с проблемой создания искусственной помехи и калибровкой различных измерительных устройств и приборов [32]. Физическое моделирование случайности при помощи таких физических явлений, как радиоактивное излучение, дробовой шум при термоэмиссии электронов или лавинный пробой в стабилитроне, не дает настоящих случайных процессов. Поэтому вместо физических процессов для формирования случайных последовательностей применяются различные

математические алгоритмы. Развитие методов вычислительной математики привело к развитию специальных программных методов генерации последовательностей случайных чисел. При их использовании разработаны специальные статистические методы вычислений, например метод Монте-Карло (33]. Немалую роль в этом развитии играли потребности криптографии. Псевдослучайные генераторы применяют не только в криптографии, но и в теории сложности и в других областях дискретной математики.

Для генерации случайных числовых последовательностей применяют два основных метода: метод, основанный на использовании оцифровки аналоговых физических процессов, и вычислительные методы, позволяющие генерировать потоки чисел, обладающих статистическими свойствами случайных чисел, но в действительности формируемых при помощи детерминированных алгоритмов, вследствие чего они были названы псевдослучайными.

На базе разработанного порождающего алгоритма для формирования дискретной хаотической последовательности (34] разработана модель цифрового канала передачи информации. Центральным элементом этой схемы является генератор цифровой хаотической последовательности, реализующий работу такого алгоритма.

Дискретные алгоритмы, формирующие хаотические последовательности, подобные описанным в (18], достаточно просто могут быть реализованы при помощи быстродействующей цифровой техники. В принципе такой цифровой последовательный вычислительный алгоритм может быть реализован на основе быстродействующего микропроцессорного комплекта, например DSP (35]. Однако для работы в реальном режиме времени на практике более простым и дешевым является матричный способ генерации хаотической последовательности, когда в адресном пространстве быстродействующего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) на основе заранее вычисленного массива данных формируется таблица данных. Для каждого полного набора входных величин из этой таблицы проводится выборка текущих значений хаотической последовательности.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

При этом могут быть использованы стандартные цифровые шины с любой разрядностью (8-, 16-, 32-разрядные).

После возникновения открытых

телекоммуникационных сетей активно развивались методы защиты информации при ее передаче, обработке и хранении. Это направление связано как с потребностями шифрования цифровой информации, так и с появлением новых телекоммуникационных технологий, использующих широкополосные каналы связи на основе систем сложных псевдослучайных сигналов [31].

Несмотря на то, что известно довольно много алгоритмов генерации псевдослучайных процессов, их статистические свойства, как правило, далеки от свойств случайного сигнала, поэтому на практике для генерации двоичных псевдослучайных последовательностей

используется рекуррентный алгоритм, когда на основании линейного рекуррентного соотношения и некоторых начальных значений строится непрерывная последовательность, каждый последующий член которой определяется из предыдущих. Попытки приспособить для цифровых алгоритмов операции над действительными числами оканчивались неудачами, так как замена действительного числа его приближенным значением сильно меняет статистику получаемой последовательности. Операция округления вносит непредсказуемое возмущение в порождающий алгоритм, и получаемая последовательность перестает быть статистически независимой, а значит, и случайной.

При практической разработке радиосистем многостанционного доступа с кодовым разделением абонентов важной задачей является выбор вида кодирующих последовательностей, которые обладают не только хорошими статистическими и корреляционными характеристиками, но и позволяют формировать на их основе ансамбли сигналов с большим объемом, что обеспечивает высокую структурную сложность и конфиденциальность при передаче информации [31].

На базе нелинейных динамических систем разработандискретный алгоритм, формирующий случайную последовательность целых чисел на

интервале [0, 255]. Выбор алгоритма именно в такой форме обусловлен тем, что он может быть схемотехнически реализован на стандартной восьмиразрядной микропроцессорной серии с достаточно высокой тактовой частотой (до 100 МГц и выше). Параметр запаздывания выбран равным 16. Начальные условия алгоритма определяются заданием некоторой конкретной комбинации из 16 восьмиразрядных двоичных чисел так, чтобы начальная точка динамической системы в фазовом пространстве принадлежала странному аттрактору и полностью определяла дальнейшее поведение системы. Это позволяет однозначно воспроизвести идентичную копию формируемого хаотического сигнала в любом другом месте и в любой момент времени.

Изменяя параметры такой динамической системы и начальные условия, можно в широких пределах изменять характер ее поведения и тем самым целенаправленно управлять видом и свойствами генерируемого хаотического сигнала. Возможность получения большого разнообразия сигналов в зависимости от начальных данных для одного и того же алгоритма свидетельствует о том, что можно создавать таким способом большие системы хаотических сигналов с заданными необходимыми статистическими свойствами.

При исследовании порождающего алгоритма особое внимание было уделено экспериментальной проверке отсутствия областей регулярности и коррелированности на больших временах. Теоретическая оценка вероятного значения возможного максимального периода генерируемого сигнала за счет конечного множества элементов для данного алгоритма дает величину порядка 1038 символов. Путем увеличения длительности задержки или разрядности двоичных чисел можно еще значительнее уменьшить вероятность возникновения периодичности в генерируемом хаотическом процессе.

Проведенные исследования влияния параметров алгоритма на статистические характеристики формируемого сигнала позволили определить области значений параметров, в которых генерируемая алгоритмом хаотическая последовательность по своим статистическим свойствам практически совпадает

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

с 8-коррелированным случайным процессом и имеет равномерное распределение плотности вероятности сигнала во всем интервале допустимых значений.

Проанализирована частота появления группы из k одинаковых символов в бинарной последовательности, сформированной

исследуемым алгоритмом с последующим клиппированием. Сопоставление полученных результатов с законом для идеального случайного процесса, представляющего собой величину 1/2^, показало, что они практически идентичны.

Исследование влияния начальных условий показало, что даже минимальное отличие начальных условий на один бит приводит к полному изменению формируемой последовательности через число шагов порядка величины задержки, но с теми же статистическими характеристиками, т.е. новая последовательность принадлежит к тому же ансамблю системы сигналов.

Для оценки величины объема системы хаотических сигналов проведен отбор сегментов бинарных последовательностей, формируемых алгоритмом и удовлетворяющих заданным корреляционным свойствам. Анализ показал, что формируемый ансамбль действительно является большим, т.е. объем его превышает базу сигнала. Его величина в несколько раз превышает объем системы сигналов М-последовательности, которые в настоящее время обычно используются в качестве кодирующих сигналов.

На базе разработанного порождающего хаотического алгоритма для формирования дискретной последовательности создана и исследована модель цифрового генератора случайных чисел.

Блок-схема цифрового генератора хаотического сигнала, реализующего один из хаотических алгоритмов, представлена на рис. 8. На выходной шине генератора хаотического сигнала в параллельном коде формируется числовая последовательность из восьмиразрядных двоичных чисел. Для запуска хаотического алгоритма необходимо задать набор начальных условий, различные варианты которого хранятся в ПЗУ. При загрузке различных наборов начальных условий в генераторе формируются различные цифровые случайные

последовательности, что может служить основой для реализации режима динамической смены ключей при кодировании информации.

Макет цифрового генератора хаотического сигнала функционально состоит из устройства числовой выборки из массива, кольцевого стека 2, устройства задания начальных условий 1 и формирователя сетки тактовых частот 7, 8, 9. Конструктивно в схеме макета использована восьмиразрядная шина данных. Это означает, что дискретный хаотический алгоритм формируется при помощи набора из 256 восьмиразрядных двоичных чисел.

Устройство числовой выборки из массива выполнено на основе ПЗУ 3. Применение ПЗУ для реализации выборки дискретных значений хаотической последовательности позволяет использовать табличный способ вычислений, когда число возможных дискретных числовых значений конечное, детерминированный алгоритм известен, и поэтому можно установить взаимно однозначное соответствие конечного числа дискретных значений адресному пространству используемого числового массива ПЗУ. Такой способ обеспечивает возможность гибкого изменения хаотического алгоритма

Рис. 8. Блок-схема цифрового генератора хаотического сигнала, реализующего хаотический алгоритм: 1 — ПЗУ для хранения начальных условий, 2 — кольцевой стек на основе ОЗУ, 3 — ПЗУ для хранения массива данных, 4, 5, 6 — регистр-защелка, 7, 8, 9 —формирователь сетки тактовых частот, 10 —буферный регистр для клиширования сигнала; 11 — выходная одноразрядная шина; 12 — выход тактового генератора. — сигналыуправления. Короткий поперечный отрезок линии отмечает восьмиразрядную шину данных.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

путем зашивки в ПЗУ другого табличного массива данных.

Кольцевой стек 1 представляет собой набор сдвиговых регистров для оперативного хранения данных, необходимых для работы устройства числовой выборки из массива. Кольцевой стек построен на основе ОЗУ с блоком управления. Устройство задания начальных условий выполнено на ПЗУ, в котором хранятся наборы начальных условий, обеспечивающих загрузку кольцевого стека в начальный момент времени. Наличие различных наборов начальных условий позволяет получать генератору хаотического цифрового сигнала различные реализации случайного процесса. Это свойство дает возможность реализовать управляемый режим динамической смены ключа при кодировании цифровой информации. Реальное число всевозможных ключей ограничено только емкостью данного ПЗУ.

Формирователь сетки тактовых частот 7, 8, 9 предназначен для синхронизации процессов на восьмиразрядной шине данных в различных блоках генератора. Режим работы генератора случайных чисел выбирают путем установки соответствующего разрешающего сигнала, при помощи которого осуществляется загрузка начальных условий (или закон динамической смены ключей) и затем происходит запуск генератора в рабочем режиме формирования случайной последовательности.

Для получения одноразрядной бинарной последовательности, которую можно

использовать в дальнейшем, например при фазовой модуляции, проводили клиппирование последовательности из восьмиразрядных двоичных чисел.

Анализ работы модели генератора хаотического сигнала проводили при помощи ЭВМ. Для этого восьмиразрядную шину данных этого генератора подключали к параллельному порту IBM РС в ЕРР-моде (режим двустороннего обмена данных). При этом проводили дополнительную синхронизацию тактовой частоты формирователя сетки тактовых частот генератора и тактов считывания параллельного порта.

При подаче на вход генератора сигнала определенного набора начальных условий

на параллельной выходной шине генератора формировалась бинарная последовательность, соответствующая формируемой алгоритмом хаотической последовательности при заданных начальных условиях. Сегменты временных реализаций дискретного случайного процесса записывались в отдельные файлы и затем при помощи ЭВМ проводился корреляционный анализ полученной системы сигналов.

Экспериментальные исследования

подтвердили идентичность программной и аппаратной реализации хаотического алгоритма. Реальное быстродействие генератора ограничивалось временем считывания информации из ПЗУ. Результаты анализа полученных сегментов подтвердили высокое качество сигналов, формируемых из реализаций цифровой хаотической последовательности на выходе генератора.

Разработанный цифровой генератор случайных чисел на основе дискретного хаотического алгоритма предназначен в качестве кодирующего и декодирующего устройства (кодека) для радиотерминалов широкополосного цифрового канала связи, а также для кодирования информации в криптографических системах шифрования. Хаотический алгоритм позволяет сформировать систему кодов с большим объемом, что является существенным преимуществом по сравнению с применяемыми в настоящее время псевдослучайными последовательностями, и обеспечивает высокую потенциальную межканальную помехоустойчивость в многостанционных системах связи с кодовым разделением абонентов. Экспериментальные исследования подтвердили идентичность программной и аппаратной реализации хаотического алгоритма. Реальное быстродействие генератора ограничивается временем считывания информации из ПЗУ.

4. ШУМОВАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОВИДЕНИЕ

Использование сверхширокополосных шумовых сигналов в современной радиолокации позволяет значительно повысить информативность, точность и разрешающую способность измерений [36, 37]. При увеличении полосы частот зондирующих сигналов свыше 3 ГГц

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

достигается пространственное разрешение менее 5 см для отдельных отражателей. С таким высоким разрешением осуществляется распознавание сложных целей и построение информативных радиоизображений в шумовых радиолокаторах микроволнового и миллиметрового диапазонах волн с оптимальной обработкой сверхширокополосных сигналов.

В приемнике радиолокационной

станции (РЛС) производится когерентное сжатие шумовых сигналов во времени при корреляционной обработке или по частоте при двойной спектральной обработке [38]. В результате когерентного сжатия и длительного накопления энергии зондирующих шумовых сигналов достигается высокая порядка 60 дБ и выше помехоустойчивость РЛС при воздействии активных и пассивных помех. Шумовые радиолокаторы непрерывно излучают электромагнитные волны с низкой спектральной плотностью мощности в очень широкой полосе частот и поэтому характеризуются скрытностью шумовых излучений и электромагнитной совместимостью с другими работающими средствами, включая традиционные и узкополосные системы.

Сверхширокополосные зондирующие

сигналыспособныпроникать сквозьрастительные и земные покровы, а также искусственные препятствия в виде стен зданий, бетонных и иных сооружений. Сверхширокополосные шумовые радиолокаторы позволяют обнаруживать с высоким разрешением скрытые среди высокой лесной растительности объекты военной техники, а также производить дистанционное обнаружение, идентификацию противопехотных мин и минных полей по обратному отражению и рассеянию электромагнитных волн [39]. При зондировании шумовыми сигналами с последующей когерентной обработкой и накоплением энергии полезных отражений удается обнаруживать на большом удалении малозаметные объекты с радиопоглощающими покрытиями за счет увеличения их эффективной поверхности рассеяния по мере расширения полосы частот.

Для шумовой радиолокации актуальной задачей являются разработка источников сверхширокополосных шумовых сигналов

с достаточной мощностью излучения и развитие методов оптимальной обработки таких сигналов. Твердотельные и электронно-волновые автогенераторы для формирования сверхширокополосных шумовых сигналов с заданной мощностью и управляемым спектром можно содавать на основе достижений в области динамических систем с хаотическим поведением [40]. Современные устройства когерентной свертки шумовых и шумоподобных сигналов в виде аналоговых и цифровых корреляторов, конвольверов, фазовых демодуляторов с кодовым управлением успешно выполняют корреляционную обработку зондирующих сигналов (ЗС) в полосе частот, составляющей десятки и сотни мегагерц. Исследования, проведенные в последние годы в ИРЭ РАН в области спектральной интерферометрии, показали возможность высокоточных радиолокационных измерений с использованием шумовых сигналов в полосе частот, простирающейся до нескольких гигагерц (и даже до десятков гигагерц). Пространственное разрешение шумовых радиолокаторов на основе спектральной интерферометрии с кепстральной обработкой сверхширокополосных шумовых сигналов может достигать долей сантиметров, что намного повысит информативность радиолокационных измерений и даст возможность построения детальных

радиоизображений для сложных и протяженных объектов.

А. Эффекты нелинейного рассеяния РАДИОВОЛН - нелинейная РАДИОЛОКАЦИЯ

Использование в радиолокационной технике новых технологий, связанных с использованием нелинейного рассеяния электромагнитного излучения различными объектами, позволяет существенно увеличить объем информации об окружающей среде. Физической основой таких технологий являются эффекты нелинейного рассеяния электромагнитных волн и появление в рассеянном объектом поле спектральных компонент, отсутствующих в поле, падающем на него. Эффекты нелинейного рассеивания позволяют обнаруживать различные объекты на фоне отражений от окружающей объекты среды при ее зондировании электромагнитными волнами, а в ряде случаев дистанционно

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

получать информацию о динамических процессах в объекте и окружающей его среде. Причина возникновения нелинейного рассеяния - наличие в объектах нелинейных элементов (НЭ) с нелинейными электромагнитными свойствами (несовершенные электрические контакты металлических конструкций, полупроводниковые элементы электронных средств и т.п.) [41].

В настоящее время нелинейные эффекты используют, в основном, по двум направлениям: при дистанционном обнаружении объектов, обладающих способностью нелинейного рассеяния радиоволн (НРР), например минно-взрывных устройств, замаскированных транспортных средств и систем вооружения, и при разработке и исследовании искусственных нелинейных рассеивателей (НР) - маркеров - для обозначения и дистанционного поиска объектов и людей [42].

Среди новых направлений исследования, вызывающих активный интерес, можно отметить следующие:

1) дистанционный анализ динамики систем,

2) простейшие искусственные НР, как датчики локальных состояний окружающей их среды,

3) системы НР, как средство распознавания перемещающихся объектов, ретрансляции сигналов, контроля определенной области пространства,

4) системы дистанционной диагностики технических объектов и сооружений,

5) поисковые дистанционные системы для анализа горных пород.

Под "нелинейным" объектом обычно понимают пассивный рассеиватель ЭМВ, содержащий дискретные нелинейные

включения, электрические параметры которых о, ц, в зависят от протекающих через них токов. Вследствие этого в рассеянном объектом сигнале могут возникать спектральные компоненты, отсутствующие в падающем на него поле.

Механизмы возникновения вторичного (рассеянного) поля могут быть различны. Это можно видеть на примере воздействия на НР квазимонохроматических ЗС:

а) НР искажающего типа содержит НЭ с нелинейной зависимостью тока от приложенного напряжения, что приводит к

искажениям и появлению в частотном спектре высших гармоник;

б) НР субгармонического типа содержит энергоемкие НЭ, наличие которых при определенных условиях приводит к возникновению параметрического резонанса и токов в рассеивателе на субгармониках;

в) специально синтезированные НР содержат НЭ, способные создавать вторичное поле на основе возникающей в НР при воздействии ЗС постоянной составляющей с последующим формированием совокупностью НЭ, входящих в НР, любого наперед заданного его отклика на ЗС.

Общим для всех этих механизмов взаимодействия является дистанционное получение энергии от источника ЭМВ, наличие антенной (обычно линейной) части, наличие НЭ и создание вторичного поля с расширенным спектром как результат их взаимодействия с ЗС. В качестве НР могут выступать и неизлучающие системы, содержащие активные элементы для обеспечения их внутренней динамики.

Исследование эффекта НРР на механических системах, радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) и ее компонентах в целях их обнаружения - наиболее изученное и освоенное в техническом отношении направление. Вследствие исследований в этом направлении появился термин "нелинейная радиолокация". В настоящее время развито представление об НР как об электродинамической структуре с конечным числом дискретных нелинейных включений. Оценено влияние на уровень рассеянного сигнала таких факторов как глубина погружения НР в грунт, его влажность, угловое положение НР. Изучаются свойства НЭ (структур металл-окисел-металл, образуемых различными металлами) в амплитудной, временной и частотной областях и влияние на них различных факторов. Значительная часть исследований направлена на изучение амплитудных, частотных, поляризационных свойств НР. В частности, установлено, что амплитудные характеристики НР могут представлять собой разрывные функции и не существует однозначной связи между поляризациями падающего и рассеиваемого НР поля, которая определяется не только конфигурацией линейной части НР, ее

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

угловым положением относительно поля ЗС, но и направлением проводимости НЭ, входящих в НР.

Представление о том, что в нелинейной радиолокации уровень принимаемого сигнала падает с расстоянием как 1/К6, для нелинейных полей второго порядка и свободного пространства нуждается в коррекции. Амплитудные характеристики НР в общем случае имеют квадратичный участок, линейный, и насыщение (или даже обрыв). Поэтому принимаемый поток вектора нелинейного поля может быть пропорционален соответственно 1/ Я2,1/Я4 (как в линейной радиолокации) или 1/Я6 и даже увеличиваться с ростом Я.

Пассивные ответчики — это в настоящее время освоенная производством область использования эффектов НРР. Первые маркеры представляли собой полуволновые вибраторы, нагруженные на диод, и могли быть использованы, в частности, для обнаружения терпящих бедствие людей. Информационный объем их отклика составлял один бит. Неограниченный срок службы таких ответчиков, малая стоимость и привлекательные массогабаритные характеристики стимулировали развитие этого направления.

В общем случае маркер содержит антенну, передатчик, приемник и блок памяти. Вес маркера обычно не превышает нескольких десятков грамм, рабочие частотные диапазоны маркеров от сотен килогерц до 5 ГГц. На низких частотах их антенны встроены в маркер в виде обмоток. Ответ маркера может происходить как на частоте нелинейного поля (НП), так и на частоте ЗС или своей частоте, не зависимой от частоты ЗС. В последнем случае возникающая на НЭ маркера постоянная составляющая используется для питания модулятора или собственного ВЧ-генератора. ЗС может содержать адресный запрос. Объем считываемой с меток информации доходит до нескольких сотен бит. Допустимые скорости передвигающихся возле считывателей объектов, оснащенных метками, достигают 300 км/ч. Легко видеть, что при ограничениях на длительность времени контакта с меткой дальность идентифицирования зависит от объема считываемой информации, определяющего ширину полосы приемника считывателя. Существенное значение при этом

имеет распределение энергии между информационными объемами адресного запроса и ответа метки, выбора несущей, расположения метки на маркируемом объекте.

На основе данной технологии могут быть разработаны НР-датчики состояния окружающей среды при ее дистанционном контроле. Наличие разрывов в амплитудных характеристиках некоторых НР и малые размеры позволяют применять их для неразрушающего контроля распределения поля ЭМВ. Такие простые искусственные НР позволяют дистанционно фиксировать слабые возмущения стационарного падающего на них поля ЭМВ, вызываемые изменениями в окружающей НР обстановке, например вследствие перемещения объектов или живых существ. Имеется возможность распознавания "линейных" объектов, перемещающихся вдоль решетки из НР. Известны работы по обнаружению живых существ и дистанционному измерению их физиологических параметров на основе анализа НП рассеиваемых окружающей эти существа обесточенной электроникой при падении на них ЭМВ с достаточной для приема НП интенсивностью.

Установлено, что в системе субгармонических рассеивателей (СГР) возможны коллективные эффекты, проявляющиеся в возникновении некой иерархии, когда ранее возбудившиеся рассеиватели при нарастании фронта ЗС способны навязывать свою фазу рассеянного сигнала другим СГР, входящим в систему. Установлены условия, налагаемые на ЗС и взаимное расположение СГР, при которых стохастическую в общем случае реакцию системы на ЗС можно превращать в детерминированную. При этом ее "трепещущая" диаграмма обратного рассеяния приобретает определенную фиксированную форму, появляется возможность регулировать скорость распространения процессов возбуждения и синхронизации в системе [43].

В настоящее время есть ряд задач исследовательского характера, присущих в разной степени указанным выше направлениям и требующих внимания. К ним могут быть отнесены следующие:

1) вопросы распознавания НР,

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2) определение координат НР,

3) развитие методов обработки,

4) повышение КПД синтезированных НР,

5) изучение эффектов НРР и возможностей их использования на более высоких частотах, что обеспечивает более эффективную пространственную селекцию НР и облегчает формирование более плотных потоков ЭМВ. Использование сложных ШПС в нелинейной

радиолокации позволит значительно увеличить информативность радиолокационных систем.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ХАОТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

А. Маскировка информации многомодовым хаосом при пакетной передаче

Хаотическая маскировка представляет интерес применительно к пакетной связи, которая все больше используется в последнее время. Например, введение цифрового WAP-протокола в GSM-стандарт, который используется в сотовых системах связи, подразумевает мультимедийную поддержку, и в том числе передачу видеосигналов в режиме реального времени. Введение новых телекоммуникационных технологий пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service) и EDGE (Enchanced Data rates for GSM Evolution) позволит поднять скорости передачи до 171.2 кбит/с и 384 кбит/с соответственно, однако для перехода к универсальной системе связи третьего поколения UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) необходимо обеспечить скорость передачи данных не менее 2.048 Мбит/с. На сегодняшний день технология GPRS является мостиком для плавного перехода от нынешних видов сотовой связи к широкополосным стратегическим системам третьего поколения. При этом достаточно актуальными являются разработки альтернативных способов пакетной передачи информации, в частности целесообразно применять ждущие хаотические системы с многомодовым хаосом. Один из способов использования таких систем иллюстрирует блок-схема на рис. 9, содержащая передатчик из элементов 1-8 (рис. 9а) и приемное устройство из элементов 9-16 (рис. 9б) [44).

(а)

(б)

7 п 11 14 15

9 12 13 16

Рис. 9. Блок-схемы передатчика из элементов 1-8 (а) и приемного устройства из элементов 9-16 (б).

В приемном устройстве колебания с антенны 9 подаются на разветвитель 10. С одного его выхода (первого) принятые колебания поступают на электронный коммутатор 11, который, пропуская пилот-сигнал, запирается, так что на ждущий генератор 13, который подобен генератору 4, воздействует только радиоимпульс, прошедший через линию задержки 12, а хаотические колебания, сформированные в передатчике, "отсекаются". При этом в коммутаторе 11 при разветвлении радиоимпульса на две равные части компенсируются потери на разветвление так, что колебания радиоимпульса на каждом из двух выходов равны колебаниям радиоимпульса на входе коммутатора. Если на входе разветвителя 10 колебательный процесс (при компенсации потерь в передающем тракте) определяется величиной С то на

первом его выходе (на входе коммутирующего устройства 11) реализуются колебания Су2^(?), где у2 - коэффициент разветвления в приемнике. На втором его выходе возникает сигнал (1 — у2) После прохождения коммутирующего устройства имеем бу2(1 — у1)/(/), а после

задержки в линии 12 на время Т2 (при условии Т2 = Т1) сигнал имеет вид ф2(т) = бу2(1 - у^т). В результате воздействия этого сигнала генератор 13 возбуждается. При этом его колебания х (?) подаются на один из входов сумматора 14. На другой его вход поступает сигнал (1 — у1) у^М. Суммарный колебательный процесс, определяемый выражением = х2(т) + (1 — у1) у^М, попадает на один из входов (на первый) вычитающего устройства 15. На второй его вход подаются колебания (с выхода разветвителя 10),

sy(\f гуляев ю.в., беляев р.в., воронцов г.м., залогин н.н., 306 калинин в.и., кальянов э.в., кислов в.в., кислов в.я., колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

равные С(1 — Разностные колебания =

—У2) Z1 0) — 0 воздействуют на детектирующее устройство 16, с которого снимается выходной сигнал после нелинейного преобразования, интегрирования и фильтрации.

На рис. 10 приведены характерные спектры мощности при передаче информации. На рис. 10а показан спектр мощности ^ на выходе устройства 6 и спектр мощности на выходе приемного устройства, а на рис. 10б — спектр мощности на выходе усилителя 7. При численном анализе математической модели генераторы 4 и 13 описывались нелинейными дифференциальными уравнениями с

запаздывающим аргументом при характеристике НЭ, обеспечивающей жесткое возбуждение. Передаваемый сигнал s(i) задан (для простоты и наглядности) в виде периодической функции.

Как видно (рис. 10б), спектр мощности на выходе передатчика отображает хаотический характер колебаний. При этом передаваемый регулярный сигнал надежно замаскирован. В приемном устройстве передаваемый сигнал четко выделяется (кривая S3 на рис. 9а).

sb s3, дБ

Рис. 10. Спектры мощности сигнала при передаче информации по блок-схемам рис. 9: спектр мощности 3 на выходе устройства 6 передатчика и спектр мощности 33 на выходе приемного устройства 16 (а); спектр мощности 32 на выходе усилителя 7 передатчика (б).

Б. ПСЕВДОГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

С появлением новых телекоммуникационных технологий при разработке методов передачи и хранения больших объемов информации в цифровом виде наряду с требованиями высокой скорости передачи и возможности быстрого доступа на первый план выходит проблема эффективного восстановления информации при неизбежных потерях при передаче, архивации и долговременном хранении. Импульсный шум в канале связи при передаче, сбои при записи и считывании с магнитных и оптических носителей, несовершенство технологии, различные повреждения рабочего слоя при хранении — все это приводит к потерям как отдельных битов, так и целых блоков информации, иногда весьма значительных. Использование и хранение информации в электронном виде все шире используется в современном мире. Практически все крупные библиотеки и хранилища переводят свои архивные фонды на цифровые носители. Поэтому разработка специальных способов кодирования информации при передаче, обработке и хранении, позволяющих обеспечить эффективное восстановление потерь информации, имеет большую актуальность.

В связи с этим интересен физический принцип оптической голографии (от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу). Оптическая голография представляет собой способ фиксации на фотоносителе (голограмме) фазовой картины волновых полей, рассеянных объектами, при помощи опорной когерентной волны и является по сути своей аналоговым кодированием изображений объектов. Важной и полезной особенностью такого кодирования является тот факт, что в силу сферичности рассеянных волн информация о каждой рассеивающей точке объекта равномерно распределяется по всей голограмме и появляется возможность полноценного восстановления первоначального изображения по небольшому фрагменту голограммы при помощи опорного когерентного излучения (ключа). Даже безвозвратная потеря значительного участка голограммы не мешает восстановить целостное изображение при декодировании. Ухудшение качества восстановленного изображения

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

проявляется лишь в некотором уменьшении яркости и контрастности.

Наиболее показательным, как и в случае оптической голографии, является восстановление цифрового изображения. Очевидно, что любую текстовую информацию тоже можно представить как графическую.

В качестве физической модели подлежащего кодированию цифрового изображения можно взять матрицу элементов, состоящую из нулей и единиц, аналогичного растровому изображению. При этом можно считать, что единице соответствует черный элемент изображения, нулю — белый. Очевидно, что такой способ представления графической информации можно распространить и на цветные изображения путем наложения друг на друга нескольких матриц, как это делается в цветной полиграфии или в телевидении. В зависимости от разрешения единичный элемент изображения — пиксел — может быть представлен как одиночной точкой, так и целым набором точек растра.

При преобразовании растровой матрицы путем перенумерации (перемешивания) ее членов таким образом, чтобы любое компактное подмножество элементов

рассеивалось равномерно по всему полю матрицы, черные и белые элементы растра перемешиваются и изображение становится однородно серым. Обратное однозначное преобразование возвращает все элементы на свои места, и изображение восстанавливается в первоначальном виде. Такой способ преобразования матрицы должен обеспечивать удовлетворительное воспроизведение

изображения в целом при декодировании, даже если часть преобразованной матрицы будет потеряна. Таким образом, имеет место прямая аналогия между предлагаемым способом цифрового кодирования изображений и аналоговым способом, известным как оптическая голография.

Следует отметить, что восстановление целостного изображения по фрагменту кодированного может быть осуществлено различными способами, в частности и при помощи хорошо известного двумерного преобразования Фурье и аналогичных ему. Однако перемешивание элементов изображения

в этом случае происходит достаточно неравномерно. Необходимо отметить, что способы кодирования, использующие разложение элементов изображения по пространственным гармоническим модам и учитывающие фазовые соотношения между ними, являются аналоговыми даже при использовании дискретного аналитического аппарата.

В качестве модельного изображения, подлежащего кодированию, выбрана простая матрица размером 256 х 256 элементов, содержащая набор нулей и единиц, организованных в виде букв русского алфавита (рис. 11a) [46]. Такое изображение обладает достаточно хорошей контрастностью. Перемешивание элементов матрицы производилось при помощи метода двойной перестановки по псевдослучайному закону. Для обеспечения равномерности _(а)__(б)

У1ББГДЕЖ31

250 200 150 10050-

ИКЛМНОПР СТУФХЦЧШ

щъьыэюя

(Г)

ИББГДЕЖ31

иклмноп

СТУФХЦЧ

щъьызюя

(е)

г-." i 4 fs ' 1« & Ж.Ч

И К* 11 -t W, J • i ?! ; ОПР

С V Ф X *

1 _ ? ( '1 ?„7> 1« { W PJf ,!' i ■

50 100 150 200 250 50 100 150 200 250

Рис. 11. Пример псевдоголографического кодирования графической информации: исходное изображение русского алфавита на матрице 256х256 элементов (а); кодированное изображение после равномерного псевдослучайного перемешивания элементов по всему полю матрицы (б); поврежденное кодированное изображение (в); восстановленное изображение по соответствующим усеченным матрицам (г); фрагмент кодированного изображения (д); восстановленное изображение по его фрагменту (е).

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

рассеяния и однозначности кодирующего преобразования при помощи генератора случайных чисел для каждой строки матрицы создавался специальный код перемешивания из перестановок по случайному закону полного набора 256 целых чисел натурального ряда. Таким образом, создавалась кодирующая матрица, состоящая из 256 строк с различными псевдослучайными последовательностями из 256 беспорядочно перемешанных целых чисел из числового интервала {1, 256}. При помощи этой матрицы производилась перенумерация исходной матрицы изображения по строкам путем перестановки ее элементов по случайному закону, задаваемому соответствующей строкой кодирующей матрицы.

Перенумерованная таким образом матрица изображения переворачивалась на 90°. В результате такого поворота строки становились столбцами, а столбцы — строками. После этого формировалась новая кодирующая матрица из псевдослучайных последовательностей перемешанных 256 чисел натурального ряда от 1 до 256 и производилось новое перемешивание. В результате второй перенумерации происходило полное перемешивание элементов исходной матрицы. Ее у-й элемент становился 1т-м элементом с вероятностью порядка 1/2562, т.е. черные и белые элементы изображения достаточно равномерно распределялись по всему полю преобразованной матрицы. Изображение становилось серым квадратом (рис. 11б).

Для проведения обратного преобразования необходимо подготовить декодирующие матрицы, т.е. матрицы, возвращающие перенумерованные элементы на прежнее место. Имитацию потерь части кодированного изображенияможнопромоделироватьразличным образом. Замена в матрице, соответствующей закодированному изображению, произвольного блока элементов нулями так, чтобы исходные размеры матрицы сохранились, аналогична процедуре, которую можно назвать "забеливанием". При восстановлении исходного изображения по фрагменту закодированного неважно, какой участок закодированного изображения поврежден. На рис. 11в, 11д показан один из вариантов повреждения закодированного изображения:

массив "забеленных" столбцов и фрагмент 1/16 кодированного изображения. Результаты восстановления исходного изображения при таких повреждениях представлены на рис. 11г, 11е. Хорошо видно, что по уцелевшим фрагментам преобразованной матрицы удается достаточно удовлетворительно восстановить первоначальную картину. Естественно, что с уменьшением площади матрицы, по которой проводится восстановление, изображение становится все более неразборчивым. Полученные результаты подтверждают справедливость проведения аналогии между предложенным способом кодирования и принципом восстановления целого изображения по фрагменту голограммы.

При использовании дополнительных аппроксимационных методов при реконструкции изображения по кодированному фрагменту эффективность восстановления может быть значительно повышена. При этом априорная информация о характере изображения позволит выбрать наиболее эффективный метод аппроксимации; например, полутоновые изображения хорошо восстановятся при применении медианного сплайна, а контурные (текст, чертежи, схемы) — при применении методов, усиливающих линейный контраст [21].

Как показывают численные эксперименты, основным требованием к кодирующему алгоритму является обеспечение равномерного перемешивания отдельных элементов

информационного блока по всему объему. Второе важное требование — однозначность при восстановлении информационного блока. В результате обратного преобразования при декодировании различные элементы не должны отображаться в одну точку.

При создании кодирующих матриц, обеспечивающих перемешивание элементов изображения по псевдослучайному закону, могут быть использованы как стандартные генераторы псевдослучайных чисел, так и специальные программы генерации псевдослучайных целых чисел, например дискретные хаотические алгоритмы, описанные в [21]. Следует отметить, что с увеличением объема информационных блоков эффективность восстановления по фрагментам сильно зависит от "равномерности"

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

перемешивания первичной информации, поэтому применение для этих целей разработанных детерминированных хаотических алгоритмов может играть решающую роль.

При длительном хранении цифровой информации в электронном виде, на магнитных и оптических носителях, а также при ее передаче по несовершенным каналам связи часто возникают потери достаточно больших информационных блоков. Предлагаемый метод кодирования графической информации позволяет

существенно снизить такие потери, поскольку при восстановлении изображения (декодировании) потери больших блоков заменяются потерями отдельных точек изображения, не влияющих на целостность восприятия общей картины. Отметим, что для закодированной предлагаемым способом информации могут быть в дальнейшем применены различные способы сжатия, позволяющие эффективно уменьшать информационный объем.

Дополнительным преимуществом

предлагаемого способа кодирования цифровой информации является криптографическая устойчивость. Рассмотренная операция перемешивания элементов матрицы по сути является шифрованием с ключом, длина которого равна длине информационного массива. Это значит, что даже при известном способе кодирования дешифровка такого изображения простым перебором ключей превращается в задачу, непосильную для современной вычислительной техники. В действительности, число всевозможных перестановок даже для небольшого информационного блока (256 элементов в строке) равно 256! ~ 10507. Такое число возможных вариантов ключа современный персональный компьютер квалифицирует как бесконечность. Поэтому попытки несанкционированного дешифрования такой информации могут быть связаны только с попытками выявления алгоритма формирования матрицы, обеспечивающей перемешивание элементов изображения. Закодированную предлагаемым способом информацию можно хранить в архивах со свободным доступом и передавать по открытым информационным каналам с гарантией сохранения режима конфиденциальности.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время развитие современных информационно-телекоммуникационных систем и информационных технологий связано в первую очередь с разработкой программных и алгоритмических средств защиты информации при ее передаче, обработке и хранении в компьютерных сетях, а также с бурным ростом систем персональной радиосвязи, резким увеличением числа пользователей, с возросшей подвижностью абонентов, с необходимостью передачи разнообразной информации.

Рассмотрены перспективные направления использования информационных технологий на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Предложены конечномерные математические алгоритмы для расчета хаотических сигналов методом реконструкции нелинейной динамики в диссипативных системах с запаздыванием. Разработан цифровой генератор хаотических бинарных кодов на основе быстродействующих цифровых устройств. Предложено и реализовано применение дискретных хаотических алгоритмов для защиты, обработки и передачи информации, в том числе графической с использованием метода псевдоголографического кодирования.

Прикладное применение информационных технологий предполагает физическую реализацию конкретного кодирующего процесса при передаче, обработке и хранении информации в телекоммуникационных системах и компьютерных сетях. Прогресс в данной области связан с увеличением быстродействия и повышением помехозащищенности

информационных каналов. Это в первую очередь вызвано потребностью разработки эффективных каналов информационного обмена и управления распределенными сетями и автоматическими системами с дистанционным управлением, где цена ошибки или частичная потеря информации может иметь катастрофические последствия, вплоть до потери всей системы.

На примере телекоммуникационного радиотерминала широкополосного

цифрового канала связи с расширением спектра экспериментально исследованы информационные технологии модели цифрового канала связи с расширением спектра

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

с использованием кодирующих хаотических сигналов. Показано, что в таком канале связи при передаче реализуется эффективное расширение спектра несущей, трансформирующее его в шумовой сигнал в широкой полосе частот. Расширение спектра при передаче информации обеспечивает энергетическую скрытность (заметность), а характер формируемой шумоподобной несущей обеспечивает эффективную структурную скрытность канала связи. Реализованный на этих принципах канал связи имеет высокую конфиденциальность, так как восстановить хаотическую расширяющую функцию и свернуть широкополосный сигнал при несанкционированном приеме практически невозможно. Свойство взаимной ортогональности хаотических кодов позволяет осуществить статистическое разделение широкополосных сигналов в канале связи при многолучевом распространении с относительной задержкой лучей, превышающей длительность одного символа хаотического кода.

Наблюдаемая в последние годы тенденция глобального распространения разнообразных открытых телекоммуникационных систем и резкий рост числа абонентов приводят к необходимости защиты информации не только на уровне государственных органов, специальных служб или деловых кругов, но и на уровне практически каждого индивидуального пользователя. В информационных сетях данная проблема в основном связана не с закрытием информации от несанкционированного доступа (криптография), а с потерями информации из-за низкой помехоустойчивости различных каналов связи. Особенно остро проблема повышения помехоустойчивости каналов связи проявляется в радиорелейных линиях.

Современная интегральная схемотехника позволяет реализовать полностью цифровой радиоканал без аналоговых СВЧ-модулей, когда СВЧ-несущая, управляющие сигналы и цифровая информация формируются на основе единой сетки частот. Это открывает дополнительные возможности по преодолению технических ограничений, связанных с необходимостью совмещения аналоговых и цифровых блоков в современной компьютеризированной аппаратуре телекоммуникационных каналов.

Использование сверхширокополосных

хаотических сигналов в современной радиолокации позволяет значительно повысить информативность, точность и разрешающую способность измерений, что даст возможность построения детальных радиоизображений для сложных и протяженных объектов в микроволновом и миллиметровом диапазонах волн. Шумовые радиолокаторы с непрерывным излучением в очень широкой полосе частот характеризуются скрытностью функционирования и электромагнитной совместимостью с другими работающими средствами, включая традиционные и узкополосные системы.

Стремительное развитие полупроводниковой микроэлектроники и элементной базы для нее уже сейчас привело к созданию элементов субмикронного размера. Дальнейший прогресс микроэлектроники будет возможен только при создании новых элементов с размерами порядка десятков и единиц нанометров. Одной из перспективных ветвей дальнейшего развития электроники является молекулярная наноэлектроника.

При разработке молекулярных электронных устройств может быть реализована очень высокая степень интеграции отдельных элементов. Использование таких устройств в качестве элементной базы для наноэлектронной схемотехники позволит развивать на новой аппаратной инфраструктуре цифровые информационные технологии нового поколения, создавать структурно-развитые нейросетевые системы и системы типа клеточных автоматов, основанные на принципах двоичной и многоуровневой логики, и разработать телекоммуникационные системы нового поколения с большой информационной емкостью, использующие хаотические сигналы с большой фрактальной размерностью. Комплексная разработка таких систем внесла бы кардинальные перемены в решение проблемы создания искусственного интеллекта.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты N0 03-0790133, 01-07-90349, 01-02-17529).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев Ю.В., Беляев Р.В., Воронцов Г.М., Залогин Н.Н., Калинин В.И., Кальянов Э.В., Кислов В.В., Кислов В.Я., Колесов В.В., Мясин Е.А., Чигин Е.П. Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Радиотехника и электроника, 2003, 48(10):1157-1185.

2. Богданов ЕВ, Кислов ВЯ, Мясин ЕА. Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний. A.c. 1125735 СССР, Б.И., 1984, No 43, с. 311.

3. Lorenz EN. J. Atm. Sa., 1963, 20(2):130.

4. Пуанкаре А. О кривых, определяемых дифферен-циальнымиуравнениями. М., Гостехтеориздат, 1947.

5. Ландау ЛД. Докл. АН СССР, 1944, 44(2):339.

6. Кислов ВЯ, Залогин НН, Мясин ЕА. РЭ,

1979, 24(6):118.

7. Кислов ВЯ. РЭ, 1980, 25(8):1683.

8. Кислов ВЯ, Залогин НН, Мясин ЕА. РЭ,

1980, 25(10):2161.

9. Кальянов ЭВ, Иванов ВП, Лебедев МН. РЭ,

1982, 27(5):982.

10. Калинин ВИ, Залогин НН, Кислов ВЯ. РЭ,

1983, 28(10):2001.

11. Калинин ВИ, Залогин НН, Мясин ЕА. Письма в ЖТФ, 1984, 10(21):1311.

12. Анисимова ЮВ, Дмитриев АС, Залогин НН и др. Письма в ЖЭТФ, 1983, 37(8):387.

13. Дмитриев АС, Кислов ВЯ. Стохастические колебания в радиотехнике и электронике. М., Наука, 1989.

14. Ruell DD, Takens F. Commun. Math. Phys, 1971, 20(3):167.

15. Шустер Г. Детерминированный хаос. М., Мир, 1988.

16. Заславский ГМ, Чириков БВ. Успехи физ. наук, 1971, 105(1):3.

17. Малинецкий ГГ, Потапов АБ. Современные проблемы нелинейной динамики. М., Эдиториал УРСС, 2000.

18. Дмитриев АС, Панас АИ. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи. М., Физматгиз, 2002.

19. Гуляев ЮВ, Кислов ВЯ, Кислов ВВ. Докл. РАН, 1998, 359(6):750.

20. Гуляев ЮВ, Кислов ВЯ, Кислов ВВ и др. Радиотехника, 2002, 10:3.

21. Кислов ВЯ, Калмыков ВВ, Беляев РВ, Воронцов ГМ. РЭ, 1997, 42(11):1342.

22. Беляев РВ, Воронцов ГМ, Колесов ВВ. РЭ,

2000, 45(8):954.

23. Котельников ВА. Теория потенциальной помехоустойчивости. М., Радио и связь, 1998.

24. Takens F. Lecture Notes in Mathematics, 1981, 898:366.

25. Ладыженская ОА Докл.. АН СССР, 1972, 205(2):317.

26. Farmer JD. Physica 4D, 1982, 4(3):366.

27. Мапе R. Lecture Notes in Mathematics, 1981, 898:230.

28. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. М., Наука, 1972.

29. Kalinin VI. Proc. 8th Int. WorkshopND&CS. "Nonlinear Dynamics and Complex Systems". 2000. Minsk, p. 7.

30. Беляев РВ, Воронцов ГМ, Калинин ВИ, Колесов ВВ. Тр. IV Межд. науч.-техн. конф. "Перспективные технологии в редствах передачи информации"', 2001, Владимир-Суздаль, с. 212.

31. Shannon СЕ. Bell System Techn. J., 1948, 27(3):379.

32. Варакин ЛЕ. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., Радио и связь, 1979.

33. Анисимова ЮВ, Воронцов ГМ, Залогин НН и др. Радиотехника, 2000, 2:19.

34. Кнут Д. Искусство программирования на ЭВМ. Получисленные алгоритмы. Т. 2. М., Мир, 1977.

35. Колесов ВВ, Беляев РВ, Воронцов ГМ РЭ,

2001, 46(11):1361.

36. Ушенин А, Реганов В, Нырков М. Электронные компоненты, 1998, 5(14):17.

37. Демин ВП, Куприянов АИ, Сахаров АВ. Радиоэлектронная разведка и радиомаскировка. М., МАИ, 1997.

38. Kalinin VI. Proc. PIERS Workshop on Advances in Radar Methods, July 20-22, 1998, Baveno, Italy, p. 222.

39. Aksenov Vl, Zalogin NN, КшПт КК Proc. Int. Corf. "Radar 87", April 15-18, 1987, London, p. 143.

40. Walton Е. Proc. PIERS Workshop on Advances in Radar Methods, July 20-22, 1998, Baveno, Italy, p. 141.

41. Кальянов ЭВ, Калинин ВИ, Кислов ВЯ. РЭ,

2002, 47(8):984.

42. Кузнецов АС, Кутин ГИ. Зарубеж. радиоэлектроника, 1985, 4:41.

43. Бабанов НЮ, Горбачев АА, Ларцов СВ и др. РЭ, 2000, 45(6):676.

44. Горбачев ПА. РЭ, 1995, 40(11):1606.

45. Кальянов Э.В. РЭ, 2002, 47(4):469.

46. Колесов ВВ, Воронцов ГМ, Залогин НН. РЭ, 2002, 47(5):583.

колесов в.в, мясин е.а., чигин е.п.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Гуляев ^Эрий Васильевич

д.ф.-м.н, проф., академик РАН и РАЕН

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Москва 125009, Россия

[email protected]

Беляев Ростислав Владимирович

к.ф.-м.н, с.н.с, чл.-корр. РАЕН

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Москва 125009, Россия

[email protected]

Воронцов Георгий Михайлович

к.ф.-м.н., с.н.с.

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected]

Залогин Николай Николаевич

к.т.н, с.н.с.

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected] Калинин Валерий Иванович

к.ф.-м.н., с.н.с.

ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Фрязино 141014, Моск.обл, Россия [email protected] Кальянов Эраст Владимирович

к.ф.-м.н., с.н.с.

ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН,

Фрязино 141014, Моск.обл, Россия [email protected]

Кислов Владимир Владимирович

д.ф.-м.н., проф.

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected]

Кислов Владимир Яковлевич

д.ф.-м.н., проф., академик РАЕН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected]

Колесов Владимир Владимирович

к.ф.-м.н., с.н.с., академик РАЕН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected]

Мясин Евгений Александрович

к.т.н, с.н.с.

ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Фрязино 141014, Моск. обл., Россия [email protected] Чигин Евгений Павлович

к.ф.-м.н., с.н.с., академик РАЕН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия [email protected]

DYNAMIC-CHAOS INFORMATION TECHNOLOGIES FOR DATA TRANSMISSION, STORAGE, AND PROTECTION

Yuri V. Gulyaev, Rostislav V. Belyaev, Georgy M. Vorontsov, Nikolay N. Zalogin, Valerii I. Kalinin, Erast V. Kal'yanov, Vladimir V. Kislov, Vladimir Ya. Kislov, Vladimir V. Kolesov, Evgeny A. Myasin, Evgeny P. Chigin

Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS, http://www.cplire.ru/ Moscow 125009, Russian Federation

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]. ru, [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract. Information technologies based on dynamic chaos are considered. Their promising applications in data transmission, processing, storage, and protection are reviewed. Wideband data transmission channels that use complex signals with a large processing gain produced by dynamic chaotic systems are described. Finitedimensional mathematical algorithms are proposed for calculation of chaotic signals by reconstructing nonlinear dynamics in dissipative systems with delay. It is shown that a digital data transmission system with spread spectrum and dynamic code escape exhibits high noise immunity and security, is electromag-netically compatible with other devices, and guarantees reliable and confidential data transmission in a complex electromagnetic environment. Schemes of data masking, protection, processing, and transmission are implemented in original chaotic algorithms.

Keywords: information technologies, dynamic chaos, broadband systems, algorithms for computing chaotic signals, dissipative systems with delay, noise immunity, security UDC 004.93, 621.391

Bibliography - 45 references Received 29.08.2018 (16.06.2003) RENSIT, 2018, 10(2):279-312_DOI: 10.17725/rensit.2018.10.279