Controlling Chimeras

Coupled phase oscillators model a variety of dynamical phenomena in nature and technological applications. Non-local coupling gives rise to chimera states which are characterized by a distinct part of phase-synchronized oscillators while the remaining ones move incoherently. Here, we apply the idea of control to chimera states: using gradient dynamics to exploit drift of a chimera, it will attain any desired target position. Through control, chimera states become functionally relevant; for example, the controlled position of localized synchrony may encode information and perform computations. Since functional aspects are crucial in (neuro-)biology and technology, the localized synchronization of a chimera state becomes accessible to develop novel applications. Based on gradient dynamics, our control strategy applies to any suitable observable and can be generalized to arbitrary dimensions. Thus, the applicability of chimera control goes beyond chimera states in non-locally coupled systems

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Collective Phase Chaos in the Dynamics of Interacting Oscillator Ensembles

We study chaotic behavior of order parameters in two coupled ensembles of self-sustained oscillators. Coupling within each of these ensembles is switched on and off alternately, while the mutual interaction between these two subsystems is arranged through quadratic nonlinear coupling. We show numerically that in the course of alternating Kuramoto transitions to synchrony and back to asynchrony, the exchange of excitations between two subpopulations proceeds in such a way that their collective phases are governed by an expanding circle map similar to the Bernoulli map. We perform the Lyapunov analysis of the dynamics and discuss finite-size effects.Comment: 19 page

Complex Dynamics and Synchronization of Delayed-Feedback Nonlinear Oscillators

We describe a flexible and modular delayed-feedback nonlinear oscillator that is capable of generating a wide range of dynamical behaviours, from periodic oscillations to high-dimensional chaos. The oscillator uses electrooptic modulation and fibre-optic transmission, with feedback and filtering implemented through real-time digital-signal processing. We consider two such oscillators that are coupled to one another, and we identify the conditions under which they will synchronize. By examining the rates of divergence or convergence between two coupled oscillators, we quantify the maximum Lyapunov exponents or transverse Lyapunov exponents of the system, and we present an experimental method to determine these rates that does not require a mathematical model of the system. Finally, we demonstrate a new adaptive control method that keeps two oscillators synchronized even when the coupling between them is changing unpredictably.Comment: 24 pages, 13 figures. To appear in Phil. Trans. R. Soc. A (special theme issue to accompany 2009 International Workshop on Delayed Complex Systems

Synchronization of spatiotemporal semiconductor lasers and its application in color image encryption

Optical chaos is a topic of current research characterized by high-dimensional nonlinearity which is attributed to the delay-induced dynamics, high bandwidth and easy modular implementation of optical feedback. In light of these facts, which adds enough confusion and diffusion properties for secure communications, we explore the synchronization phenomena in spatiotemporal semiconductor laser systems. The novel system is used in a two-phase colored image encryption process. The high-dimensional chaotic attractor generated by the system produces a completely randomized chaotic time series, which is ideal in the secure encoding of messages. The scheme thus illustrated is a two-phase encryption method, which provides sufficiently high confusion and diffusion properties of chaotic cryptosystem employed with unique data sets of processed chaotic sequences. In this novel method of cryptography, the chaotic phase masks are represented as images using the chaotic sequences as the elements of the image. The scheme drastically permutes the positions of the picture elements. The next additional layer of security further alters the statistical information of the original image to a great extent along the three-color planes. The intermediate results during encryption demonstrate the infeasibility for an unauthorized user to decipher the cipher image. Exhaustive statistical tests conducted validate that the scheme is robust against noise and resistant to common attacks due to the double shield of encryption and the infinite dimensionality of the relevant system of partial differential equations.Comment: 20 pages, 11 figures; Article in press, Optics Communications (2011