Tài liệu Phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số. (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN QUYỀN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP SỬ DỤNG THỜI GIAN XUNG HỖN LOẠN CHO THÔNG TIN SỐ Chuyên nghành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62 52 70 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2013 Công trình này được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Văn Yêm Phản biện 1: ……………………………………….. Phản biện 2: ……………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Họp tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi………giờ, ngày……tháng…….năm…….. Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu và Thư viện Quốc gia Việt Nam Giới thiệu Hỗn loạn và ứng dụng trong kỹ thuật thông tin Hiện tượng hỗn loạn (chaos) đã được biết đến từ cuối thế kỷ 19. Poincaré là nhà khoa học đầu tiên quan sát thấy và đưa ra những công bố quan trọng về trạng thái hỗn loạn trong hệ thống động phi tuyến. Vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20, hỗn loạn trong các mạch điện tử được phát hiện, cụ thể là trong các mạch dao động tạo sóng mang của các hệ thống thông tin vô tuyến. Cuộc cách mạng máy tính của nửa sau của thế kỷ 20 đã cung cấp một công cụ hiệu quả cho quá trình phân tích hệ thống động phi tuyến. Các mô phỏng số trên máy tính đã chứng minh được quan sát về hỗn loạn trước đó là hoàn toàn chính xác. Được thúc đẩy bởi các kết quả này, hỗn loạn đã được mở rộng nghiên cứu trong các chuyên nghành kỹ thuật khác nhau như sinh học, hóa học, vật lý, vv. Vào năm 1990, Pecora và Carroll đã chứng tỏ được rằng hai hệ thống hỗn loạn có cùng một tập các giá trị thông số có thể đồng bộ được với nhau. Kết quả này là một bước quan trọng góp phần đẩy nhanh nghiên cứu các ứng dụng của động phi tuyến và hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin. Trong hai thập kỷ vừa qua, các nghiên cứu về kỹ thuật thông tin sử dụng hỗn loạn chủ yếu đi theo ba hướng chính sau:  Các hệ thống thông tin bảo mật sử dụng hỗn loạn Tính bảo mật chủ yếu dựa vào sự phụ thuộc đặc biệt nhạy cảm của đồng bộ hỗn loạn vào sự sai khác thông số, đặc biệt là sai khác điều kiện đầu.  Đề xuất các phương pháp điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn Các phương pháp này có thể được chia làm hai loại: liên kết (coherent) và không liên kết (non-coherent). Với loại liên kết, phía giải điều chế yêu cầu phát lại sóng mang hỗn loạn bằng cách sử dụng đồng bộ hỗn loạn để khôi phục thông tin. Trong khi đó, các phương pháp không liên kết khôi phục thông tin bằng cách ước lượng năng lượng bit mà không cần đồng bộ hỗn loạn.  Hệ thống thông tin trải phổ sử dụng hỗn loạn Các chuỗi trải phổ hỗn loạn được phát ra bởi hệ thống động phi tuyến rời rạc cũng có những đặc tính tương tự như chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise), do đó nó được sử dụng như chuỗi trải phổ để thay thế cho chuỗi PN trong hệ thống thông tin trải phổ truyền thống. Hiện nay, khả năng áp dụng kỹ thuật thông tin hỗn loạn cho các hệ thống thực tế vẫn còn là ở dạng tiềm năng cần nghiên cứu, cũng như là thách thức lớn cần giải quyết. Do đó, nó đã, đang và sẽ nhận được sự quan tâm lớn của giới khoa học. Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án Các vấn đề còn tồn tại Các phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn đã được đề xuất cho thông tin số trong hai thập kỷ vừa qua nhìn chung vẫn đang còn tồn tại một số vấn đề sau:  Đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn Quá trình phân tích và khảo sát đã chỉ ra rằng hầu hết các phương pháp đồng bộ 1 hỗn loạn đề xuất rất nhạy cảm với nhiễu, sai khác thông số và méo tín hiệu. Điều này có nghĩa là việc đồng bộ sóng mang hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn. Hiện nay vẫn chưa có phương pháp đồng bộ hỗn loạn nào đủ mạnh để có thể áp dụng vào hệ thống thông tin thực tế.  Sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi Với điều chế liên kết, máy thu phải có đầy đủ thông tin về kiến trúc, các thông số điều chế, hàm số và các tham số của hệ thống động hỗn loạn được sử dụng để có thể đồng bộ chính xác. Giá trị của các thông số liên quan này đóng vai trò như một khóa bảo mật. Do đó tính bảo mật được cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên bởi vì đồng bộ hỗn loạn là rất khó khăn, tính khả của chúng rất thấp. Với điều chế không liên kết, quá trình khôi phục thông tin chỉ dựa vào ước lượng năng lượng bit, tính khả thi cao hơn. Tuy nhiên, không khó để phát hiện ra quy luật điều chế/giải điều chế bởi những phép đo tách thông thường. Do đó tính bảo mật vẫn chưa được khẳng định.  Hiệu suất băng thông thấp Bởi vì thuộc tính băng rộng cố hữu của tín hiệu hỗn loạn được phát trên kênh truyền, với dòng dữ liệu nhị phân đưa vào điều chế có tốc độ bit cố định, hiệu suất băng thông của các phương pháp điều chế hỗn loạn thấp hơn nhiều so với phương pháp điều chế sóng mang băng hẹp truyền thống tương đương.  Hạn chế trong việc dịch chuyển dải tần số phát mong muốn Trong hầu hết các phương pháp điều chế và trải phổ hỗn loạn đã đề xuất, tín hiệu hỗn loạn mang thông tin sau khi điều chế hoặc trải phổ được phát trực tiếp trên kênh truyền. Dải tần chiếm giữ trên kênh truyền hoàn toàn phụ thuộc vào băng tần của sóng mang hoặc chuỗi trải phổ hỗn loạn được sử dụng. Việc dịch chuyển phổ tần tín hiệu được phát về dải tần mong muốn hoặc cho phép thường được thực hiện bằng cách thay đổi trực tiếp hệ thống động hỗn loạn. Tuy nhiên sự thay đổi này rất khó khăn và kém linh hoạt. Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn: ưu điểm nổi bật Trong kỹ thuật điều chế thời gian xung, dữ liệu nhị phân được điều chế vào một trong các thông số phụ thuộc thời gian của xung như vị trí, độ rộng, khoảng cách hoặc tần số. Sự kết hợp giữa điều chế thời gian xung và hỗn loạn được đề xuất lần đầu tiên bởi Rulkov vào năm 2001 với phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn CPPM (Chaotic Pulse Position Modulation). Bản thân CPPM cũng là một phương pháp điều chế liên kết, do đó tính bảo mật được cải thiện. Ưu điểm nổi bật của CPPM đó là khả năng đồng bộ hỗn loạn tự động mà không cần giao thức bắt tay đặc biệt nào. Phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn CS-DS/SS (Chaotic SequenceDirect Sequence/Spread Spectrum) được đề xuất lần đầu tiên bởi G. Heidari-Bateni vào năm 1994. Trong đó chuỗi trải phổ được sử dụng là chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát ra bởi các hệ thống động phi tuyến rời rạc để thay thế cho chuỗi PN truyền thống. Ưu điểm của phương này đó là quá trình đồng bộ chuỗi trải phổ hỗn loạn được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ chuỗi PN truyền thống với độ tin cậy cao, tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) qua môi trường nhiễu khá thấp. 2 Mục tiêu nghiên cứu Các ưu điểm về đồng bộ của CPPM và CS-DS/SS là lý do để luận án này đi sâu nghiên cứu và phát triển các phương pháp này theo các hướng sau:  Đề xuất và thực hiện phương pháp điều chế thời gian xung hỗn loạn và sự kết hợp của nó với các kỹ thuật điều chế số truyền thống.  Đề xuất và thực hiện điều chế thời gian xung hỗn loạn cho hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp. Các đề xuất trên đều có mục tiêu chung là khắc phục tối đa các vấn đề tồn tại được nêu ở trên trong thông tin số hỗn loạn. Tổ chức nội dung của luận án Nội dung chính của luận án bao gồm ba chương. Kiến thức nền tảng được trình bày trong Chương 1. Các nội dung được đề xuất và thực hiện trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện toàn bộ đóng góp khoa học của luận án. Chương 1. Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn: Trình bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng trong kỹ thuật thông tin. Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho một số phương pháp điều chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn chính được mô tả và phân tích. Chương 2. Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM: Sơ đồ điều chế/giải điều chế đề xuất, tỷ lệ lỗi bit qua môi trường nhiễu, đặc tính động hỗn loạn và các thông số trung bình của phương pháp CPWPM (Chaotic Pulse Width-Position Modulation) được phân tích lý thuyết và mô phỏng số. Sự kết hợp của CPWPM với các phương pháp điều chế truyền thống M-ary và BPSK cũng được đề xuất và khảo sát. Chương 3. Hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp với độ rộng bit biến đổi hỗn loạn CBD-DS/SS: Kiến trúc và hoạt động, tỷ lệ lỗi bit, lựa chọn các thông số, thực hiện đa truy nhập cũng như đặc điểm bảo mật của hệ thống CBD-DS/SS (Chaotic Bit Duration-DS/SS) đề xuất được mô tả chi tiết sử dụng phân tích lý thuyết và mô phỏng số. Kết luận và hướng phát triển: Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung, các đóng góp khoa học của luận án cũng như hướng phát triển nghiên cứu trong thời gian tới được trình bày. 3 Chương 1 Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 1.1. Hỗn loạn 1.1.1. Khái niệm và phân loại Khái niệm:“Hỗn loạn là trạng thái vận động không có chu kỳ trong một quá trình của một hệ thống xác định. Sự vận động này phụ thuộc nhạy cảm với các điều kiện khởi động của hệ thống” Các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau: ⁄ ( ) ( )  Dạng liên tục của thời gian: , trong đó ( ) là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều, và là thời điểm và giá trị khởi động. ( ) ( )  Dạng rời rạc của thời gian: ( ), với là giá trị khởi động, là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều ở bước lặp thứ . 1.1.2. Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan Để minh họa cho các đặc điểm của hỗn loạn, các kết quả mô phỏng trong Matlab của hệ thống động hỗn loạn liên tục Lorenz được sử dụng. Tính vận động không có chu kỳ và phụ thuộc nhạy cảm với các điều kiện đầu của hệ thống được thể hiện thông qua sự biến đổi biên độ không dự đoán được của biến trạng thái theo thời gian như trong Hình 1.1. Các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như cùng một điểm (sai khác điều kiện đầu rất nhỏ), nhưng sau đó chúng tách biệt nhanh chóng và trở nên khác nhau hoàn toàn. Hình 1.1. Biến đổi theo thời gian của biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn Giá trị tự tương quan của cùng một tín hiệu hỗn loạn (tự tương quan) đạt cực đại ứng với thời gian trễ bằng không, và hầu như bằng không với thời gian trễ khác không. Giá trị tương quan của hai tín hiệu hỗn loạn khác nhau (tương quan chéo) gần như bằng không với mọi giá trị thời gian trễ. Bởi vì biên độ biến đổi hỗn loạn dẫn đến tần số cũng biến đổi theo và tạo ra rất nhiều các thành phần tần số trong phổ của nó. Do đó, tín hiệu hỗn loạn luôn thể hiện đặc tính băng rộng. 4 1.1.3. Quỹ đạo di chuyển: vùng hút Để biểu diễn một cách rõ ràng nhất sự vận động hệ thống hỗn loạn, quỹ đạo di chuyển theo thời gian của các biến trong không gian pha của chúng được vẽ ra, được gọi là vùng hút (attractor). Hình 1.2 chỉ ra vùng hút của hệ thống Lorenz. Có thể thấy rằng đường di chuyển không bao giờ trùng lặp, không khép kín (thể hiện tính phi chu kỳ) và luôn nằm trong miền giới hạn xác định cho dù thời gian vận động tiến đến vô cùng. Hình 1.2. Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong không gian pha (x, y, z) 1.2. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin Các kỹ thuật thông tin hỗn loạn đã được đề xuất trong hai thập kỷ vừa qua có thể chia thành ba loại chính: điều chế/giải điều chế tương tự, điều chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp. 1.2.1. Điều chế/giải điều chế tương tự hỗn loạn Có hai phương pháp điều chế chính đã được đề xuất đó là mặt nạ hỗn loạn và thông số hỗn loạn. Trong phương pháp mặt nạ hỗn loạn, bên điều chế, tín hiệu thông tin tương tự được che giấu bằng cách cộng thêm với tín hiệu hỗn loạn giống nhiễu. Giải điều chế được thực hiện bằng cách lấy tín hiệu nhận được trừ cho tín hiệu hỗn loạn được phát lại và đã được đồng bộ. Với phương pháp thông số hỗn loạn, tín hiệu thông tin được đưa vào để làm thay đổi các thông số của hàm hỗn loạn. Khi đó trạng thái động của hàm hỗn loạn và tín hiệu hỗn loạn đầu ra sẽ thay đổi theo tin tức. Giải điều chế được thực hiện mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn. Tuy nhiên, các phương pháp điều chế tương tự này vẫn không đủ mạnh để chống lại sự tác động của nhiễu và méo. 1.2.2. Điều chế/giải điều chế số hỗn loạn Một số lượng lớn các phương pháp điều chế/giải điều chế số hỗn loạn đã được đề xuất. Các phương pháp này được chia làm hai loại: liên kết và không liên kết. Có thể kể đến hai phương pháp điều chế liên kết chính đã được đề xuất đó là khóa dịch pha đặc tính động (CSK) và khóa dịch pha đối xứng (ACSK), trong đó sự phát lại chính xác sóng mang hỗn loạn thông qua đồng bộ hỗn loạn được thực hiện bên phía giải điều chế. Đối với các phương pháp điều chế không liên kết, quá trình giải điều chế dựa vào ước lượng năng lượng 5 bit mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn. Phương pháp điều chế không liên kết đầu tiên được đề xuất đó là khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK), trong đó độ rộng bit sẽ được chia là hai khoảng thời gian bằng nhau, khoảng đầu phát tín hiệu hỗn loạn tham chiếu, khoảng sau phát tín hiệu hỗn loạn mang thông tin. Bên phía giải điều chế, các tín hiệu hỗn loạn của hai khoảng sẽ được tính tương quan và giá trị nhị phân sẽ được khôi phục dựa vào dấu của giá trị tương quan đầu ra. Một phương pháp khác đó là khóa dịch trễ tương quan (CDSK), trong đó sóng mang hỗn loạn tham chiếu sẽ được cộng với phiên bản được làm trễ và điều chế thông tin của chính nó. So với DCSK, tỷ lệ lỗi bit của phương pháp này trong môi trường nhiễu cao hơn nhưng bù lại tốc độ được cải thiện. Để khắc phục sự biến đổi năng lượng bit trong DCSK, phương pháp điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK) đã được đề xuất. Sóng mang hỗn loạn trước hết được điều tần để tạo ra tín hiệu FM có tần số biến đổi hỗn loạn nhưng biên độ không đổi. Sau đó tín hiệu FM hỗn loạn được đưa vào điều chế DCSK như thông thường. Tín hiệu FM-DCSK đầu ra có năng lượng bit không đổi. Ngoài các phương pháp chính ở trên, có thể kể đến một số các phương pháp điều chế hỗn loạn không liên kết khác như: khóa dịch hỗn loạn cầu phương (QCSK), khóa dịch hỗn loạn vi sai hoán vị (P-DCSK), khóa dịch hỗn loạn phân loại tối ưu (OC-CSK). Tất cả các phương pháp này đều nhằm mục đích cải thiện chất lượng của các phương pháp CSK và DCSK. Với sự ra đời của chuẩn thông tin băng siêu rộng (UWB), phương pháp điều chế khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) cho thông tin UWB đã được đề xuất. Phụ thuộc vào giá trị nhị phân “0” hay “1” của bit dữ liệu, sóng mang hỗn loạn UWB được tạo ra sẽ được phát hay không được phát đi tương ứng. ΔTn-1 UCPPM(t) ΔTn Δτ ... tn-1 0 tn t Hình 1.3. Tín hiệu CPPM theo thời gian Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) là một phương pháp điều chế liên kết khá đặc biệt. Hình 1.3 minh họa tín hiệu CPPM. Trong đó, độ rộng của các xung là không đổi, vị trí của mỗi xung được xác định bởi khoảng cách thời gian giữa nó và xung trước đó . Khoảng cách này phụ thuộc vào khoảng cách xung trước đó , hệ thống phi động tuyến được sử dụng ( ), các thông số điều chế và giá trị của bit thông tin , được biểu diễn như sau: ( ) (1.1) Các thông số và hàm phi tuyến được tính toán và lựa chọn hợp lý để luôn duy trì trạng thái hỗn loạn trong công thức (1.1) trong quá trình lặp. Điều này có nghĩa là vị trí các xung mang thông tin và biến đổi hỗn loạn trong quá trình điều chế. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là cơ chế tự đồng bộ mà 6 không cần giao thức bắt tay đặc biệt nào. Trong đó mỗi xung nhận được đóng vai trò như là tín hiệu đánh dấu đồng bộ. Tín hiệu đánh dấu giúp cho phía thu khôi phục lại toàn bộ các tín hiệu hỗn loạn như bên phát và từ đó khôi phục bit dữ liệu. 1.2.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn Ứng dụng hỗn loạn vào thông tin trải phổ lần đầu tiên được đề xuất trong phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn CS-DS/SS. Trong đó chuỗi trải phổ được sử dụng là chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát ra bởi các hệ thống động phi tuyến rời rạc để thay thế cho chuỗi PN truyền thống. b(t) 1 Tb 0 -1 t Tc c(t) 0 t e(t) 0 t Hình 1.4. Tín hiệu miền thời gian trong quá trình trải phổ CS-DS/SS Các tín hiệu miền thời gian của quá trình trải phổ được minh họa như trong Hình 1.4. Tín hiệu nhị phân đầu vào ( ) được đưa về dạng đối xứng với hai mức biên độ là “1” và “-1”. Chuỗi hỗn loạn rời rạc ( ) cũng được dịch mức biên độ đối xứng qua mức không. Quá trình trải phổ được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp dữ liệu nhị phân với chuỗi hỗn loạn. Tín hiệu trải phổ đầu ra, ( ) ( ) ( ), được phát trực tiếp trên kênh truyền. Quá trình giải trải phổ theo kiểu liên kết, chuỗi hỗn loạn rời rạc được khôi phục lại thông qua quá trình đồng bộ. Khác với các phương pháp giải điều chế liên kết sử dụng đồng bộ hỗn loạn được đề cập ở trên, quá trình đồng bộ chuỗi trải phổ rời rạc được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ chuỗi PN truyền thống, lần lượt theo hai bước: trước hết đạt được đồng bộ thô (bắt) và sau đó duy trì đồng bộ chính xác (bám). Do đó tỷ lệ lỗi bit qua môi trường nhiễu là khá thấp, tính khả thi cao. 1.3. Kết luận Xuất phát từ các ưu điểm của CPPM và CS-DS/SS, các đề xuất nghiên cứu của luận văn tập trung phát triển các phương pháp này theo các hướng: cải thiện hiệu suất băng thông, nâng cao tính bảo mật, mở rộng kết hợp với các kỹ thuật điều chế truyền thống và có khả năng dịch phổ lên dải tần phát linh hoạt. 7 Chương 2 Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM 2.1. Giới thiệu Chương 2 đề xuất và thực hiện phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM. Trong đó, cả vị trí xung và độ rộng xung đều mang thông tin và biến đổi hỗn loạn. Với mỗi xung nhận được, thông tin nhị phân của hai bit sẽ được khôi phục, điều này làm tăng tốc độ bit. Vì tín hiệu CPWPM có dạng chuỗi xung, nên nó cũng có khả năng đồng bộ tự động. Với cả vị trí và độ rộng cùng biến đổi hỗn loạn với nhiều thông số điều chế liên quan, tính bảo mật của CPWPM sẽ được cải thiện đáng kể. Cũng như CPPM, với khả năng đồng bộ tự động và giải điều chế liên kết, phương pháp CPWPM đề xuất cũng khắc phục được hai trong số các vấn đề đang tồn tại đó là đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực tế khó khăn và bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi. Các vấn đề hiệu suất băng thông thấp và hạn chế trong lựa chọn dải tần phát linh hoạt vẫn còn tồn tại. Do đó, sự kết hợp của CPWPM với các phương pháp điều chế truyền thống M-ary và BPSK cũng sẽ được đề xuất nhằm khắc phục hai vấn đề trên. 2.2. Sơ đồ điều chế và giải điều chế CPWPM Sơ đồ điều chế và giải điều chế CPWPM được đề xuất như trong Hình 2.1(a) và (b), tương ứng. Các sơ đồ này được xây dựng xung quanh khối phát xung vị trí hỗn loạn kép (DCPPG) như chỉ ra trong Hình 2.1(c). 2.2.1. Khối phát xung hỗn loạn kép (DCPPG) Bộ đếm tạo ra tín hiệu tăng tuyến tính, ( ) với là bước đếm (độ dốc tín hiệu). Trước mỗi thời điểm bộ đếm được thiết lập lại, giá trị của ( ) được lưu bởi khối lấy và giữ mẫu (S/H) và được đưa vào khối biến đổi phi tuyến ( ). Bộ khuếch đại với , tạo ra một tín hiệu tăng tuyến tính khác, ( ) , với . Khi biên độ của ( ) và ( ) chạm đến cùng một giá trị ở đầu ra của khối ( ), hai xung hẹp ở các đầu ra 2 và 1 được phát ra. Với sự lựa chọn hợp lý các giá trị của , và các thông số hàm ( ), khi đầu ra 1 nối với đầu vào để tạo thành một vòng lặp kín, khối DCPPG sẽ phát ra hai chuỗi xung có vị trí hỗn loạn ở các đầu ra của nó. 2.2.2. Điều chế Tại các khối điều chế trễ, các xung đầu vào kích thích nguồn dữ liệu để dịch các bit nhị phân tiếp theo , ra đầu ra. Các xung đầu vào O2(t) và O1(t) được trễ bởi các khoảng thời gian, và , tương ứng. Ở đây, và là các trễ không đổi được chèn vào; và là sai khác thời gian trễ giữa bit “0” và “1”, được gọi là các độ sâu điều chế. Sau đó, hai chuỗi xung hẹp đã được điều chế trễ được đưa vào khối phát sườn được kích thích bởi xung (PTEG). Đầu ra của PTEG được chuyển lên mức cao và xuống mức thấp khi được kích thích tương ứng bởi, M1(t) và M2(t), để xác định vị trí và độ rộng của các xung. Chuỗi xung ở đầu ra khối PTEG được minh họa 8 trong Hình 2.2 cũng chính là tín hiệu CPWPM. Trong đó, độ rộng của xung thứ và vị trí của xung thứ ( ) được xác định bởi các khoảng thời gian sau ( )⁄ { (2.1) ( ) Nguồn dữ liệu 1 1 Bn+1 1 Bn+1 1 0 1 0 Điều chế trễ 1 Tách trễ 1 M1(t) O1(t) 1 1 1 1 UCPWPM(t) DCPPG O2(t) DCPPG PTEG 2 2 ETPG 2 2 M2(t) Điều chế trễ 2 Tách trễ 2 1 0 0 1 Bn2 Bn2 Nguồn dữ liệu 2 (a) (b) Khuếch đại Khối so sánh K Khối phát xung Đầu ra 2 A(t) Bộ đếm C(t) Đầu ra 1 Reset F(. ) S/H X(t) Đầu vào F(X1n ) X1n (c) Hình 2.1. Các sơ đồ cho phương pháp CPWPM: (a) điều chế, (b) giải điều chế và (c) khối DCPPG Các thông số , , và ( ) được lựa chọn với giá trị hợp lý để hệ thống động rời rạc được biểu diễn bởi công thức (2.1) rơi vào trạng thái hỗn loạn, khi đó các biến trạng thái là vị trí và độ rộng cũng biến đổi hỗn loạn. 2.2.3. Giải điều chế Bộ phát xung được kích thích bởi sườn (ETPG) được kích thích lần lượt bởi sườn tăng và sườn giảm của các xung đầu vào để tạo ra các xung hẹp ở đầu ra 1 và 2 tương ứng. Tại các bộ tách trễ 1 và 2, các xung hẹp phát lại bởi DCPPG sẽ được so sánh với các xung hẹp được phát ra từ ETPG để xác định ( ) ( ) các khoảng thời gian trễ, và , tương ứng. Trước hết, các giá trị trung gian và sẽ được xác định bởi 9 ( ( ) ) (2.2) ( ( ) ) sau đó lần lượt các các bit dữ liệu sẽ được khôi phục bằng quyết định cứng như sau: { { (2.3) { { UCPWPM(t) Tn1 Tn  n1  n  n1 (n-1)th nth (n+1)th t 0 Hình 2.2. Tín hiệu CPWPM theo thời gian Đồng bộ trong phương pháp CPWPM cũng được thực hiện một cách tự động. Công thức (2.2) chỉ ra rằng phía giải điều chế chỉ cần xác định ba khoảng thời gian đúng liên tiếp là và để tái đồng bộ và khôi phục chính xác dữ liệu. 2.3. Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit Mô hình hệ thống CPWPM được sử dụng cho ước lượng được đưa ra như Hình 2.3. Độ rộng của mỗi thời gian tách bằng độ sâu điều chế tương ứng và được chia thành các cửa sổ “0” và “1”có độ rộng bằng nhau. Bởi vì ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ( ), lỗi bit sẽ xảy ra khi các sườn xung bị dịch của chuỗi xung ( ) rơi vào cửa sổ không mong muốn. Dữ liệu vào y(t) Khối điều chế CPWPM AWGN p(t) Khối tách ngưỡng Khối giải điều chế CPWPM Dữ liệu khôi phục Kênh truyền Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống thông tin CPWPM với kênh AWGN Mỗi xung CPWPM có thể mang thông tin nhị phân của hai bit tương ứng là “00”, “01”, “10” hoặc “11”. Chúng ta xem xét trường hợp kí tự (tương ứng với “11”) được phát đi. Xác xuất tách đúng kí tự này sẽ là ( ) (2.4) trong đó và tương ứng là xác suất tách đúng bit “1” trong thời gian tách của sườn tăng và sườn giảm khi bit “1” được phát đi, được xác định bởi ∏ ( ) [ 10 ( √ )] (2.5) ∏ ( ) [ (( )√ )] (2.6) ở đây, là chu kỳ xung nhịp của hệ thống, và là các độ rộng cửa sổ tương ứng, là tỷ lệ giữa giá trị ngưỡng và biên độ xung ( ), và lần lượt là năng lượng bit và mật độ phổ công suất tạp âm. Giả sử rằng xác suất lỗi của các kí tự còn lại là như nhau và bằng xác suất lỗi của kí tự . Khôi phục dữ liệu sẽ không thành công nếu ít nhất một trong bốn kí tự bị giải mã sai. Từ các công thức (2.4)-(2.6), tỷ lệ lỗi bit của phương pháp CPWPM có thể được ước lượng như sau: ( ) [ ( √ )] * (( )√ )+ (2.7) 2.4. Trạng thái động hỗn loạn với hàm Tent map và các thông số trung bình 2.4.1. Thiết lập hàm CPWPM Tent map Hàm Tent map truyền thống được tạo ra bởi phép lặp thông qua chuyển đổi: ( ) ( ) ( ) như sau: ( ( )( ) ) { (2.8) ( ) trong đó, là giá trị khởi động, là thông số điều khiển trạng thái động. Trong phương pháp CPWPM, từ công thức (2.1), vị trí và độ rộng của xung thứ có thể được biến đổi về dạng: (⏟ ) ⏟ ⏟ ⏟ (⏟ ⏟ ) ⏟ (2.9) ⏟ { Dựa vào các công thức (2.8) và (2.9), hàm Tent map cho hệ thống CPWPM, gọi là hàm CPWPM Tent map, được thiết lập như sau: ( ) { ( ) (2.10) ( ) { ( ) { 2.4.2. Trạng thái động hỗn loạn Hệ số Lyapunov của hàm CPWPM Tent map được xác định bởi . ∑ | ( ) |/ . ∑ / (2.11) Dựa vào các công thức (2.10) và (2.11), trạng thái động của CPWPM Tent map trở nên hỗn loạn trong khoảng ( ) với điều kiện: 11 (2.12) Trong quá trình điều chế, bit nhị phân biến đổi giữa hai giá trị “0” hoặc “1”, do đó cũng có hai giá trị, hoặc . Dựa vào công thức (2.12), điều kiện để đảm bảo trạng thái động hỗn loạn trong phương pháp CPWPM sử dụng Tent map được xác định như sau: { (2.13) ( ) Hình 2.4 chỉ ra đồ thị rẽ nhánh của hàm CPWPM Tent map theo các thông số , , . Với , sơ đồ rẽ nhánh của hàm Tent map truyền thống. Khi giá trị loạn càng giảm xuống. Và khi hoàn toàn giống với sơ đồ của càng tăng lên, diện tích miền hỗn , miền hỗn loạn biến mất. Hình 2.4. Đồ thị rẽ nhánh của hàm CPWPM Tent map 2.4.3. Các thông số trung bình Trong quá trình điều chế, bởi vì sự biến đổi giữa “0” hoặc “1” của các bit nhị phân đầu vào và , giá trị các biến của hàm CPWPM Tent map sẽ dịch chuyển xung quanh điểm cố định trung bình ( ), được xác định bởi ( ⁄ )) ( ( ) , (2.14) ( ⁄ ))⁄( ⁄ ( ) Dựa vào đặc điểm này, các khoảng thời gian xác định vị trí và độ rộng trung bình, hài cơ bản trung bình , băng thông trung bình và tốc độ bit trung bình của hệ thống CPWPM được xác định như sau: 12 ⁄ . ∑ / ⁄ . ∑ / ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ (2.15) ⁄ 2.5. Kết quả mô phỏng Mô phỏng số của hệ thống CPWPM với các thông số cụ thể được thực hiện trong Matlab. Trạng thái động hỗn loạn của hệ thống được xác nhận thông qua sơ đồ vùng hút như trong Hình 2.5. Trong quá trình điều chế, các điểm cố định được dịch trên trục phân giác và quanh điểm cố định trung bình ( ). Hình 2.5. Vùng hút của CPWPM Tent map với điểm cố định trung bình Hình 2.6 chỉ ra rằng rằng, đường cong tỷ lệ lỗi bit (BER) mô phỏng của hệ thống CPWPM cao hơn so với đường cong ước lượng. Cụ thể với cùng một giá trị =12dB, BER mô phỏng và lý thuyết lần lượt là 8 10-2 và 5 10-2. Để đạt được cùng một giá trị BER, của cả hệ thống CPWPM và CPPM đều cao hơn khoảng 4dB so với của hệ thống PPM truyền thống. BER của hệ thống CPWPM cao hơn không nhiều nhưng bù lại tốc độ bit gấp hai lần so với hệ thống CPPM tương đương. Cụ thể, với cùng một giá trị =15dB, BER của CPPM và CPWPM lần lượt là 6 10-4 và 10-3. 2.6. Kết hợp CPWPM với điều chế M-ary CPWPM được kết hợp với điều chế M-ary bằng cách dịch các thông số phụ thuộc thời gian mang thông tin thành nhiều mức trễ khác nhau, mức trễ cho vị trí và mức trễ cho độ rộng, tạo ra phương pháp MxN-ary CPWPM. Điều chế và giải điều chế MxN-ary CPWPM được phát triển dựa trên nguyên lý của CPWPM. Bên phía điều chế, các nhóm bit và bit lần lượt được ánh xạ đến cặp trễ tương ứng, từ đó các giá trị tham chiếu tương ứng là và được xác định. Trong quá trình điều chế, biến đổi từ 0 đến ( ) và biến đổi từ 0 đến ( ), do đó sẽ có tất cả sự kết hợp giữa chúng ( cặp trễ). Quá trình điều chế/giải điều chế hai giá trị tham chiếu và với các khoảng thời gian hỗn loạn của vị trí và độ rộng xung hoàn toàn 13 tương tự như phương pháp CPWPM. Bên phía giải điều chế, các giá trị tham chiếu khôi phục được ánh xạ ngược đến cặp trễ tương ứng, từ đó các nhóm bit và bit lần lượt được xác định ở đầu ra. Hình 2.6. BER của phương pháp CPWPM Dựa vào các kết quả ước lượng BER của hệ thống CPWPM, ước lượng BER cho hệ thống MxN-ary CPWPM với kênh nhiễu AWGN được thực hiện dựa trên thuật toán đệ quy, kết quả ta có: ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ) (2.16) với ( [ ( ) √ )] [ (( )√ )] (2.17) Điều kiện để hệ thống MxN-ary CPWPM biến đổi hỗn loạn sẽ được xác ( ( ) ). định như công thức (2.13) với Các thông số trung bình của hệ thống MxN-ary CPWPM cũng được xác định tương ứng theo công thức (2.15), trong đó giá trị điểm cố định trung bình ( ) như sau: { ( ( . ( . ( ) ) /)⁄( /) ( ) ) ( ) (2.18) Bảng 2.1 chỉ ra rằng, khi số lượng mức trễ tăng dần, tốc độ xung có giảm đi nhưng tốc độ bit tăng lên đáng kể. Cụ thể với trường hợp 2x2-ary CPWPM, tốc độ xung và tốc độ bit tương ứng là 3501 xung/s và 7,002 kbps. Khi tăng số mức trễ lên với 4x4-ary CPWPM, tốc độ xung giảm còn 3459 xung/s (giảm 408 xung/s), nhưng tốc độ bit được đẩy lên tới 13,836 kbps. Các đường cong mô phỏng và lý thuyết được chỉ ra như trong Hình 2.7 đều thể hiện rằng khi số 14 lượng mức trễ tăng dần, BER có tăng lên nhưng không nhiều. Với cùng một giá trị , đường cong BER mô phỏng cao hơn không nhiều so với đường cong lý thuyết tương ứng. Ví dụ với cùng =15dB, BER lý thuyết và mô phỏng của 2x2-, 4x2-, 4x4- và 8x4-ary CPWPM lần lượt là 6 10-4, 9 10-4, 1,5 10-3, 4 10-3 và 10-3, 2 10-3, 5 10-3, 7 10-3. Bảng 2.1. Kết quả mô phỏng tốc độ truyền dẫn của các hệ thống 2x2-, 4x2-, 4x4-, 8x4-, 8x8-, 16x8- và 16x16-ary CPWPM Số mức trễ MxN Tốc độ xung (xung/s) Tốc độ bit (bit/s) 2x2 3501 3501x(1+1)=7002 4x2 3459 3459x(2+1)=10377 4x4 3459 3459x(2+2)=13836 8x4 3392 3392x(3+2)=16960 8x8 3392 3392x(3+3)=20352 16x8 3293 3293x(4+3)=23051 16x16 3293 3293x(4+4)=26344 Hình 2.7. BER lý thuyết và mô phỏng của 2x2-, 4x2-, 4x4-, 8x4-, 8x8-, 16x8- và 16x16ary CPWPM 2.7. Kết hợp CPWPM với BPSK Bên phía điều chế, chuỗi xung ở đầu ra khối điều chế CPWPM được đưa về dạng NRZ, sau đó được đưa vào khối điều chế BPSK. Tín hiệu CPWPM ( ), được nhân với sóng mang điều hòa, đầu vào, ( ) ( ), để tạo ra tín hiệu CPWPM-BPSK được biểu diễn như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.19) { ( ) ( ) 15 Tín hiệu CPWPM-BPSK được lọc thông dải (BPF) trước khi phát trên kênh truyền. Tần số trung tâm và băng thông của BPF thỏa mãn: và , trong đó là băng thông trung bình của tín hiệu CPWPM. Trong sơ đồ giải điều chế, tín hiệu nhận được trước hết được giải điều chế BPSK. Bộ nhân thực hiện nhân tín hiệu đầu vào với sóng mang điều hòa phát lại và đã được đồng bộ. Tín hiệu đầu ra có nhiều thành phần tần số, trong đó thành phần tần số thấp của tín hiệu CPWPM được tách và đưa ra bởi bộ lọc thông thấp (LPF) có tần số cắt, . Tín hiệu đầu ra LPF được khôi phục lại thành dạng xung bằng cách sử dụng bộ tách ngưỡng. Chuỗi xung này sau đó được đưa vào khối giải điều chế CPWPM để khôi phục dữ liệu nhị phân. Hình 2.8. BER mô phỏng của hệ thống CPWPM-BPSK Có thể thấy từ Hình 2.8 rằng BER của phương pháp kết hợp CPWPMBPSK cao hơn so với BPSK nhưng lại thấp hơn nhiều so với CPWPM. Cụ thể, để đạt được cùng một giá trị BER=10-3, tỷ số cần cho BPSK, CPWPMBPSK và CPWPM lần lượt là 6,4dB, 10,2 dB và 15dB. 2.8. Kết luận So với phương pháp CPPM tương đương, phương pháp CPWPM đề xuất có BER cao hơn không nhiều nhưng bù lại tốc độ bit cao hơn gấp đôi. Hơn nữa, cả vị trí và độ rộng đều biến đổi hỗn loạn với nhiều thông số điều chế liên quan, tính bảo mật được cải thiện. Hai dòng dữ liệu nhị phân có thể được mang bởi các xung CPWPM và được khôi phục riêng biệt bên phía giải điều chế. Do đó CPWPM có thể được sử dụng như một phương pháp đa truy nhập của hai người dùng. Cải thiện hiệu suất băng được thực hiện một cách hiệu quả với phương pháp MxN-ary CPWPM. Tuy nhiên, khi tăng số mức trễ để đẩy tốc độ bit lên cao, tỷ lệ lỗi bit cũng tăng lên tương ứng. Khả năng dịch chuyển dải tần phát trở nên linh hoạt với phương pháp kết hợp CPWPM-BPSK. Kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng tỷ lệ lỗi bit của phương pháp kết hợp này thấp hơn nhiều so với CPWPM. 16 Chương 3 Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp với độ rộng bit biến đổi dựa trên hỗn loạn 3.1. Giới thiệu Chương này đề xuất hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp với độ rộng bit biến đổi dựa trên hỗn loạn (CBD-DS/SS). Sử dụng nguyên lý điều chế thời gian xung hỗn loạn, độ rộng của các bit dữ liệu được biến đổi dựa trên một trạng thái động hỗn loạn nhưng luôn bằng một số nguyên lần độ rộng chip cố định. Các bit dữ liệu với độ rộng biến đổi này được trải phổ bằng cách nhân trực tiếp với chuỗi PN và sau đó được dịch lên dải tần phát mong muốn với điều chế BPSK. Hình 3.1 chỉ ra dạng tín hiệu theo thời gian trong quá trình trải phổ của hệ thống CBD-DS/SS, trong đó là độ rộng biến đổi của bit thứ . Rõ ràng sự biến đổi này tạo ra sự khác biệt với các hệ thống truyền thống trước đó. Vì hệ thống đề xuất cũng hoạt động dựa trên kỹ thuật DS/SS sử dụng chuỗi PN với điều chế BPSK, nên nó kế thừa tất cả các ưu điểm từ hệ thống DS/SS truyền thống. Hơn nữa, do quá trình giải trải phổ và khôi phục dữ liệu cần sự phát lại chính xác của cả chuỗi PN và trạng thái động hỗn loạn, khả năng bảo mật thông tin sẽ được cải thiện đáng kể. Dữ liệu nhị phân với độ rộng bít biến đổi 1 -1 Tb(n-1) Tbn Tb(n+1) t Tc 1 Chuỗi PN t -1 Tín hiệu trải phổ 1 t -1 Hình 3.1. Tín hiệu theo thời gian trong quá trình trải phổ của hệ thống CBD-DS/SS 3.2. Kiến trúc và hoạt động của hệ thống CBD-DS/SS Máy phát và máy thu được xây dựng quanh các khối phát vị trí xung biến đổi và chuỗi PN, được gọi là khối phát VPP-PNS. Các sơ đồ khối của khối phát VPP-PNS và hệ thống CBD-DS/SS được đưa ra như trong Hình 3.2 và Hình 3.3 tương ứng. 3.2.1. Khối phát vị trí xung biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) Tại thời điểm khởi động , khối phát xung nhịp bắt đầu làm việc và khối lấy/giữ mẫu (S/H) được gán một giá trị khởi động . Bộ đếm hoạt động chế ( ) độ chạy tự do để tạo ra tín hiệu tăng dần rời rạc, ( ) ,ở đầu ra của nó. Trong đó, là bước đếm (giá trị tăng lên trong một chu kỳ xung nhịp ) và là số đếm (số lượng xung nhịp đầu vào tính từ thời điểm ( ), ở đầu ra khởi động). Khi tín hiệu ( ) tăng đến bằng với giá trị, của khối biến đổi phi tuyến (khối ( ) sử dụng hàm hỗn loạn rời rạc một chiều, 17 ( )), khối so sánh phát ra ở đầu ra 1 một xung với độ rộng cố định tại thời điểm, . Xung này kích thích khối phát chuỗi PN để bắt đầu làm việc và khối S/H để lưu lại giá trị , sau đó được đưa vào bộ đếm để thiết lập số đếm về không. Một vòng lặp mới lại bắt đầu và các xung tiếp theo sẽ được phát ra như quá trình mô tả ở trên. Tổng quát, chuỗi xung ở đầu ra 1 sẽ được biểu diễn như sau: ( ) ∑ ( ) (3.1) trong đó, xung thứ được phát ra tại thời điểm ⌊ ⁄ ⌋ (3.2) ( ) là hàm dạng xung chữ nhật được định nghĩa bởi: ( ) với với và bằng 0 với các khoảng còn lại. Chuỗi PN được phát ra tại đầu ra 2 với các chip có độ rộng cố định được biểu diễn bằng chuỗi xung NRZ như sau: ( ) ∑ ∑ ( ( ) ) (3.3) * + trong đó và lần lượt là giá trị nhị phân của chip thứ và số lượng -. các chip trong khoảng thời gian , reset Bộ đếm C(t) m Khối phát xung nhịp fc=1/Tc X(t) Xn-1 F(.) Khối so sánh Tc 1 p(t) 2 c(t) Xn S/H (X0) bắt đầu Khối phát chuỗi PN Hình 3.2. Sơ đồ của khối phát VPP-PNS 3.2.2. Máy phát Mỗi xung của chuỗi ( ) kích thích nguồn dữ liệu để dịch một bit đến đầu ra. Do đó xung thứ sẽ được dịch ra tại thời điểm và độ rộng của nó sẽ -, được xác định bởi bằng khoảng thời gian , ⌊ ⁄ ⌋ ⌊ ( ) ( )⁄ ⌋ (3.4) Với một hàm ( ) xác định, trong quá trình lặp, các giá trị đầu ra của nó biến -. Điều này đổi hỗn loạn nhưng luôn nằm trong một miền xác định , sẽ dẫn đến sự biến đổi của độ rộng bit trong khoảng thời gian xác định , - trong quá trình thông tin. Bởi vì độ rộng chip là không đổi, do đó số chip trên một bit, , được gọi là hệ số trải phổ, cũng sẽ - được xác định từ công thức biến đổi trong một khoảng xác định , (3.4) như sau: 18