Дмитриев А.С., Ефремова Е.В.,
Максимов Н.А., Панас А.Н.

Генерация хаоса

Генерация хаоса / Под общ. ред. Дмитриева А.С. Москва: Техносфера, 2012. — 424 с.
ISBN 978-5-94836-321-9
УДК 621З7
ББК 32.85

Явление динамического хаоса, открытое в последней трети двадцатого века, широко распространено в природе и искусственных системах. Его необычные свойства буквально перевернули обычные представления о том, что малые возмущения или события могут приводить лишь к незначительным изменениям в будущем. Оказалось, что все может быть с точностью до наоборот («эффект бабочки»).
Подобно тому, как лазеры являются эффективными источниками узкополосного света, генераторы хаотических колебаний являются эффективными источниками широкополосных аналоговых шумоподобных колебаний. Излагаются теория генерации динамического хаоса в радио- и микроволновом диапазонах частот, принципы построения источников хаоса и их реализация в виде твердотельных устройств с сосредоточенными параметрами.

Скачать первые 40 страниц книги для ознакомления (в формате pdf):
Dmitriev-generaciya-haosa.pdf

Информация об авторах: Дмитриев А.С., д.т.н., профессор

Предисловие

Динамический хаос фундаментальное явление, отрытое в поведении нелинейных систем в последней трети двадцатого века, детально исследовалось в последующие годы учеными разных специальностей и к началу 90-х годов превратилось их усилиями в зрелую область знаний. Тогда, а на самом деле даже раньше, перед исследователями встал вопрос: как это явление может быть конструктивно использовано в промышленности, медицине, бизнесе и других направлениях человеческой деятельности.

Встал этот вопрос и перед авторами предлагаемой книги, работающими в области радиотехники, электроники и телекоммуникаций. К тому времени в Институте радиотехники и электроники АН СССР [впоследствии РАН] был накоплен значительный опыт разработки и применения источников хаотических колебаний радио- и СВЧ-диапазона. Это наталкивало на мысль использовать хаотические колебания в системах беспроводной связи и радиолокации. Имелись также теоретические представления о генерации хаотических колебаний в электронных системах с различным числом степеней свободы, в том числе с заданными спектральньгми характеристиками [Дмитриев и Кислов [1989]]. Наконец, в это время мысль об использовании хаотических колебаний в средствах беспроводной связи витала в воздухе, и вскоре были опубликованы первые теоретические схемы по передаче информации с его помощью.

Наши исследования в этом направлении, результаты которых обобщены в книге [Дмитриев и Ланас [2002]], привели к идее прямохаотической передачи информации [Дмитриев и др. [2001], [2002]].

Реализация этой идеи потребовала создания нового поколения источников хаотических колебаний компактных, небольшой мощности, работающих в заданных диапазонах частот и реализуемых [в перспективе) в виде интегральных схем. Решение этой проблемы заняло несколько лет. В результате была создана теория генерации хаоса, разработаны методы расчета и моделирования генераторов хаотических колебаний, сконструирован и экспериментально исследован ряд источников хаоса в различных участках радио- и СВЧ-диапазона.

Этим исследованиям и разработкам посвящена предлагаемая книга.

Создание компактных твердотельных генераторов хаоса позволило спроектировать и реализовать малогабаритные сверхширокополосные прямохаотические приемопередатчики и начать использование этих коммуникационных средств в беспроводных системах связи и сенсорных сетях.

В 2007 году метод прямохаотической передачи информации (передача с помощью хаотических импульсов) был введен в стандарт сверхширокополосной беспроводной персональной связи IEEE 802.15.4а (Standard IEEE802.15.4а [2007]j, и тем самым международное научно-техническое сообщество впервые признало динамический хаос в качестве нового эффективного носителя информации для беспроводных систем связи.

В 2012 году сверхширокополосные хаотические импульсы были введены в качестве носителя информации еще в один стандарт беспроводной персональной связи беспроводные нательные сенсорные сети (Standard IEEE 802.15.6 Wireless Body Area Networks WBAN [2012]j.

Так шаг за шагом осуществляется переход из области фундаментальных и прикладных исследований в практическую деятельность.

Во время проведения исследований и при подготовке самой книги нам посчастливилось работать и взаимодействовать со многими отечественными и зарубежными исследователями. Практически всегда это общение было не только конструктивным, но и максимально дружеским. Особенно хотелось бы выделить плодотворные дискуссии и обсуждения с В.С. Анищенко, Б.П. Безручко, В.Н. Белых, А.В. Гапоновым-Греховым, Г.Т. Гурия, С.А. Кащенко, М.В. Краюшкиным, С.П. Кузнецовым, Д.С. Лукиным, В.Л. Майстренко, Ю.Л. Майстренко, Г.Г. Малинецким, В.И. Некоркиным, Н.В. Рульковым, Ю.Г. Тратасом, Д.И. Трубецковым, В.И. Федоренко, М. Хаслером, Л.О. Чуа, Н.П. Чубинским, Д.В. Шалфеевым, А.Н. Шарковским, В. Шварцем, Л.П. Шильниковым. Авторы высоко ценят внимание к тематике книги и постоянную поддержку исследований в области динамического хаоса со стороны руководства Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН: Ю.В. Гуляева, С.А Никитова, В.А. Черепенина и И.И. Чусова.

Считаем своим приятным долгом выразить глубокую благодарность за сотрудничество своим коллегам и соавторам ряда результатов, представленных в книге: Ю.В. Андрееву, М.Ю. Герасимову, А.В. Клецову, Л.В. К1вьмину, Б.Е. Кяргинскому, В.А. Лазареву, А.М. Лактюшкину, Т.И. Мохсени, А.Ю. Никишову, Д.Ю. П1викову, А.И. Рыжову, Н.В. Румянцеву, В.И. Синякину, С.О. Старкову, А.Д. Хилинскому.

Содержание

Предисловие Введение

ГЛАВА 1. НАЧАЛО ПРОЦЕССА. ОБНАРУЖЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ. ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1.1. Введение
1.2. Генерация хаоса в вакуумных приборах
1.3. Микрополосковые генераторы хаоса
1.4. Моделирование генераторов хаоса

ГЛАВА 2. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С СОБСТВЕННОЙ СЛОЖНОЙ ДИНАМИКОЙ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Введение 32
2.2. Кольцевые радиофизические системы
2.3. Теоретические предпосылки исследования сложной динамики Физических систем
2.4. Методы компьютерного моделирования
2.5. Экспериментальные методы исследования. Обработка данных

ГЛАВА 3. ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА КОЛЬЦЕВЫХ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ПОЛУТОРА СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
3.1. Введение
3.2. Динамика автогенератора с инерционным запаздыванием первого порядка
3.3. Теоретическое и численное исследование влияния асимметрии на динамику кольцевого автогенератора
3.4. Экспериментальное исследование автогенератора с асимметричной характеристикой нелинейного элементы

ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКИЙ ХАОС В КОЛЬЦЕВЫХ СИСТЕМАХ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ
4.1. Введение
4.2. Странные аттракторы в кольцевых автоколебательных системах с апериодическими звеньями
4.3. Динамика модели с 2,5 степенями свободы и симметричной характеристикой нелинейного элемента
4.4. Явление затягивания и переключения мод в системе с 2,5 степенями свободы
4.5. Развитие странных аттракторов с ростом надкритичности. Фазовые переходы «хаос гиперхаос»
4.6. Динамика модели с 3,5 степенями свободы. Хаос на основе двухи трехчастотных колебаний
4.7. Экспериментальное исследование системы с 2,5 степенями свободы и асимметричной характеристикой нелинейного элемента

ГЛАВА 5. ПРЕЦИЗИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ХАОСА
5.1. Введение
5.2. Понятие хаотического синхронного отклика
5.3. Примеры декомпозиции автоколебательных систем
5.4. Оценка качества хаотического синхронного отклика
5.5. Устойчивость отклика. Явление «оп — off»-перемежаемости
5.6. Критерий прецизионности генераторов
5.7. Структура прецизионных генераторов хаоса
5.8. Генератор хаоса с 1,5 степенями свободы
5.9. Генератор хаоса с 2,5 степенями свободы

ГЛАВА 6. СИНТЕЗ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ЗАДАННЫМ СПЕКТРОМ МОЩНОСТИ
6.1. Введение
6.2. Модель автоколебательной системы (АКС)
6.3.АКС с числами л= 1, т =0
6.4.АКС с числами л= 2, т =0
6.5.АКС с числами л= 1, т =1
6.6. Динамические характеристики хаотических сигналов с заданными спектральными характеристиками

ГЛАВА 7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА БАЗЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С МАЛЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ
7.1. Введение
7.2. Базовые модели низкоразмерных автоколебательных систем на основе твердотельных активных элементов
7.3. Автоколебательная система с 1,5 степенями свободы
7.4. Автоколебательная система с 2,5 степенями свободы ..
7.5. Задача формирования спектральных характеристик сигналов в низкоразмерных автоколебательных системах
7.6. Спектральные характеристики автоколебательной системы с 1,5 степенями свободы
7.7. Спектральные характеристики автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы
7.8. Автоколебательная система с 2,5 степенями свободы с экспоненциальной характеристикой активного элемента
7.9. Влияние размерности автоколебательной системы на спектральные свойства хаотических сигналов
7.10. Генерация хаотических колебаний с более сложными формами спектра мощности

ГЛАВА 8. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХАОСА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
8.1. Введение
8.2. Принципы построения имитационных моделей для хаотических систем микроволнового диапазона
8.3. Средства моделирования
8.4. Модель твердотельного источника хаоса дециметрового диапазона
8.5. Экспериментальный макет твердотельного источника хаоса дециметрового диапазона
8.6. Модель твердотельного источника хаоса сантиметрового диапазона
8.7. Экспериментальный макет твердотельного источника хаоса сантиметрового диапазона
8.8. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов

ГЛАВА 9. ГЕНЕРАЦИЯ ХАОТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
9.1. Введение
9.2. Модель неавтономной автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы
9.3. Динамика низкоразмерной модели автоколебательной системы при внешнем гармоническом воздействии
9.4. Динамика низкоразмерной модели автоколебательной системы при периодическом воздействии видеоимпульсами
9.5. Генерация сложных идентичных импульсов
9.6. Модель неавтономной автоколебательной системы с сосредоточенными параметрами
9.7. Моделирование автоколебательной системы с сосредоточенными параметрами под внешним управляющим воздействием
9.8. Идентичность импульсов
9.9. Экспериментальный макет
9.10. Генерация импульсов. Эксперимент

ГЛАВА 10. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ХАОСА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
10.1. Введение
10.2. Динамика некоторых простых автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами при учете эквивалентной схемы корпуса транзистора
10.3. Источник хаоса микроволнового диапазона с одним источником питания. Моделирование без учета топологии платы
10.4. Источник хаоса микроволнового диапазона с одним источником питания. Моделирование с учетом топологии платы
10.5. Экспериментальное исследование твердотельного источника хаоса микроволнового диапазона с одним питанием
10.6. Источник хаоса микроволнового диапазона с одним источником питания с печатными индуктивностями
10.7. Экспериментальное исследование динамических режимов твердотельного источника хаоса микроволнового диапазона с одним источником питания с печатными индуктивностями
10.8. Экспериментальное исследование зависимости спектральных характеристик сигнала от значений параметров системы

ГЛАВА 11. ГЕНЕРАЦИЯ ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
11.1. Введение
11.2. Модель автоколебательной системы с полевым транзистором в качестве активного элемента
11.3. Генерация хаоса на высоких частотах при заданной крутизне характеристики транзистора
11.4. Моделирование с учетом реальных характеристик транзистора

ГЛАВА 12. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХАОСА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА В ВИДЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
12.1. Введение
12.2. Моделирование твердотельных источников хаоса микроволнового диапазона в виде интегральных микросхем на основе кремний-германиевой технологии....
12.3. Экспериментальная реализация твердотельного источника хаоса микроволнового диапазона в виде интегральной микросхемына основе кремний-германиевой технологии

ГЛАВА 13. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ТРЕМЯ АКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
13.1. Введение
13.2. Структура автоколебательной системы
13.3. Экспериментальное исследование системы
13.4. Модель распределённой системы
13.5. Исследование бифуркационных явлений

ГЛАВА 14. СИСТЕМА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 14.1. Введение 14.2. Переход от системы с распределёнными элементами к структуре на сосредоточенных элементах
14.3. Динамика основных режимов колебаний
14.4. Экспериментальное исследование системы
14.5. Изменение спектральных и энергетических свойств колебаний при вариации количества активных элементов в кольце обратной связи
14.6. Управление спектром автоколебаний

ГЛАВА 15. ГЕНЕРАЦИЯ ХАОСА В СИСТЕМЕ НА КМОП-СТРУКТУРЕ
15.1. Введение
15.2. Структура и модель системы
15.3. Исследование динамических свойств системы
15.4. Управление диапазоном частот спектра мощности колебаний
15.5. Влияние длины канала КМОП-структуры на частотные и энергетические характеристики хаотических колебаний
15.6. Эксперимент
Процесс разработки экспериментального макета
Исследование экспериментального макета

ГЛАВА 16. ГЕНЕРАЦИЯ ХАОТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА В СИСТЕМЕ НА КМОП-СТРУКТУРЕ
16.1. Введение
16.2. Динамика системы при работе в импульсном режиме
16.3. Экспериментальное подтверждение возможности генерации хаотических импульсов

ГЛАВА 17. ГЕНЕРАТОРЫ ХАОСА СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ В МИКРОПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ
17.1 Введение
17.2 Описание конструкции генератора и его динамических режимов
17.3. Низкочастотное периодическое воздействие на СВЧ-генератор

ГЛАВА 18. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИХ АНАЛИЗ
18.1 Введение
18.2. Динамика нелинейного осциллятора с р п-переходом при внешнем гармоническом воздействии. Численный эксперимент
18.3. Экспериментальное исследование физической модели нелинейного осциллятора
18.4. Нелинейный осциллятор при внешнем гармоническом воздействии и постоянном смещении на р п-переходе
18.5. Низкочастотная модель генератора с варактором

ГЛАВА 19. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ МИКРОВОЛНОВОГО ХАОСА ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ

Литература Предметный указатель

Следующая страница: Kryukov A., Levashov V., Puzina Yu. Non-Equilibrium Phenomena near Vapor-Liquid Interfaces