Phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số

Phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2013

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 ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62 52 70 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Văn Yêm

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Quyền

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vũ Văn Yêm, người không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau ba năm làm nghiên cứu sinh Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Hoàng Mạnh Thắng và GS TS Kyandoghere Kyamakya, những người luôn đưa cho tôi sự tư vấn hiệu quả và sự hỗ trợ kịp thời về mặt chuyên môn trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua

Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu Cảm ơn quỹ học bổng OeAD của chính phủ Áo đã cho tôi cơ hội để được học tập nghiên cứu trong hơn một năm tại Viện Công nghệ Hệ thống Thông minh thuộc Trường Đại học Alpen-Adria Klagenfurt nước Cộng hòa Áo

Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ và con trai tôi Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

Danh mục các thuật ngữ viết tắt 1

Danh mục các hình 3

Danh mục các bảng 6

Giới thiệu 7

Hỗn loạn và ứng dụng trong kỹ thuật thông tin 7

Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án 8

Các vấn đề còn tồn tại 8

Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn: ưu điểm nổi bật 10

Mục tiêu nghiên cứu 11

Tổ chức nội dung của luận án 11

Chương 1 13

Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 13

1.1 Giới thiệu 13

1.2 Hỗn loạn 13

1.2.1 Khái niệm và phân loại 13

1.2.2 Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan 14

1.2.3 Quỹ đạo di chuyển: vùng hút 16

1.3 Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin 18

1.3.1 Điều chế tương tự 18

1.3.2 Điều chế số 19

1.3.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp 20

1.4 Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 20

1.4.1 Điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK) 20

1.4.1.1 Khóa dịch hỗn loạn dựa trên đặc tính động 20

1.4.1.2 Khóa dịch hỗn loạn đối xứng (ACSK) 23

1.4.1.3 Khóa dịch hỗn loạn dựa trên năng lượng bit 24

1.4.1.4 Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) 25

1.4.2 Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) 26

1.4.3 Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK) 28

1.4.4 Điều chế khóa dịch trễ tương quan (CDSK) 29

1.4.5 Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) 30

1.4.6 Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu 32

1.5 Phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn 33

1.6 Kết luận 36

Chương 2 37

Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM 37

2.1 Giới thiệu 37

2.2 Sơ đồ điều chế và giải điều chế CPWPM 39

2.2.1 Khối phát xung hỗn loạn kép (DCPPG) 39

2.2.2 Điều chế 40

2.2.3 Giải điều chế 41

2.3 Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit 42

2.4 Trạng thái động hỗn loạn với hàm Tent map và các thông số trung bình 44

2.4.1 Thiết lập hàm CPWPM Tent map 45

2.4.2 Trạng thái động hỗn loạn 45

2.4.3 Các thông số trung bình 47

2.5 Các kết quả tính toán và mô phỏng 47

2.5.1 Tính toán lý thuyết 48

2.5.2 Mô phỏng số 48

2.6 Kết hợp CPWPM với điều chế M-ary 51

2.6.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế MxN-ary CPWPWM 51

2.6.2 Ước lượng tỷ lệ lỗi bit 54

2.6.3 Điều kiện về hỗn loạn và các giá trị trung bình 55

2.6.4 Kết quả mô phỏng 56

2.6.4.1 Tín hiệu miền thời gian 56

2.6.4.2 Tốc độ truyền dẫn 57

2.6.4.3 Tỷ lệ lỗi bit 58

2.7 Kết hợp CPWPM với BPSK 59

2.7.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế kết hợp CPWPM-BPSK 59

2.7.2 Mô phỏng số và kết quả 60

2.7.2.1 Dạng sóng và dạng phổ 61

2.7.2.2 Tỷ lệ lỗi bit 63

2.8 Kết luận 64

Chương 3 66

Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp với độ rộng bit biến đổi dựa trên hỗn loạn 66

3.1 Giới thiệu 66

3.1 Kiến trúc và hoạt động của hệ thống CBD-DS/SS 67

3.1.1 Khối phát vị trí xung biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) 68

3.1.2 Máy phát 69

3.1.3 Máy thu 70

3.2 Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit 71

3.3 Phân tích lựa chọn các thông số 74

3.4 Kết quả mô phỏng số 75

3.5 Thực hiện đa truy nhập 78

3.5.1 Sơ đồ hệ thống 78

3.5.2 Ước lượng tỷ lệ lỗi bit 79

3.6 Thảo luận về tính bảo mật 81

3.7 Kết luận 84

Kết luận và hướng phát triển 85

Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án 85

Đóng góp khoa học của luận án 86

Hướng phát triển trong thời gian tới 88

Các công trình khoa học công bố của luận án 89

Bài báo tạp chí và hội nghị 89

Đề tài nghiên cứu tham gia 90

Tài liệu tham khảo 91

Danh mục các thuật ngữ viết tắt 1

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

ACSK Antipodal Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn đối xứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gausian trắng cộng

CBD-DS/SS Chaos-based Bit Duration-Direct

Sequence/Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp-độ rộng bit biến đổi dựa trên hỗn loạn CDSK Correlation Delay Shift Keying Khóa dịch trễ tương quan

CPPG Chaotic Pulse Position Genarator Khối phát vị trí xung hỗn loạn CPPM Chaotic Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung hỗn loạn CPWPM Chaotic Pulse Width-Position

Modulation

Điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn

loạn CS-DS/SS Chaotic Sequence-Direct-

Sequence/Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng

chuỗi hỗn loạn

DCPPG Dual Chaotic Pulse Position

Generator

Khối phát vị trí xung hỗn loạn kép

DCSK Differential Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn vi sai DS/SS Direct-Sequence/Spread-Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

ETPG Edge-Triggered Pulse Generator Bộ phát xung được kích thích bởi

sườn xung FM-DCSK Frequency Modulated-Differential

Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần

FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng logic khả trình trường

LPI Low Probability of Intercept Xác suất bị chặn thấp

MA-DS/SS Multiple Access-

Direct-Sequence/Spread-Spectrum

Đa truy nhập-trải phổ chuỗi trực

tiếp

OC-CSK Optimal Classifier-Chaos Shift

Keying

Khóa dịch hỗn loạn-bộ phân loại

tối ưu P-DCSK Permutation-Differential Chaos Shift Khóa dịch hỗn loạn vi sai-hoán vị

Keying

PNS Pseudo-random Noise Sequence Chuỗi nhiễu giả ngẫu nhiên

PTEG Pulse-Triggered Edge Generator Bộ phát sườn xung được kích thích

bởi xung

QCSK Quadrature Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn cầu phương

VPP-PNS Variable-Position Pulse and

Pseudo-random Noise Sequence

Xung vị trí biến đổi và chuỗi giả

ngẫu nhiên

Danh mục các hình 3

Danh mục các hình

Hình 1.1 Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn 14

Hình 1.2 Biến đổi theo thời gian của biến x(t) với hai điều kiện khởi động sai khác nhau rất nhỏ trong hệ Lorenz hỗn loạn 15

Hình 1.3 Biến đổi theo thời gian rời rạc của biến trạng thái trong hệ logistic map hỗn loạn 15

Hình 1.4 (a) Hàm tự tương quan, (b) hàm tương quan chéo, và (c) phổ tần số của tín hiệu hỗn loạn (nguồn [15]) 16

Hình 1.5 Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong các không gian pha khác nhau: (a) (x, y, z); (b) (x, y); (c) (y, z); và (d) (z, x) 17

Hình 1.6 Vùng hút của hệ Logistic map hỗn loạn 17

Hình 1.7 Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động 20

Hình 1.8 Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ 21

Hình 1.9 Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên sự tương quan 22

Hình 1.10 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp CSK dựa trên tương quan cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) 22

Hình 1.11 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp ACSK 23

Hình 1.12 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit 24

Hình 1.13 Biểu đồ mật độ giá trị năng lượng bit của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) 25

Hình 1.14 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp COOK 25

Hình 1.15 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp DCSK 26

Hình 1.16 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp DCSK cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) 27

Hình 1.17 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp FM-DCSK 28

Hình 1.18 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp FM-DCSK cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) 28

Hình 1.19 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp CDSK 29

Hình 1.20 Sơ đồ (a) điều chế, (b) giải điều chế, và (c) khối phát lại vị trí xung hỗn loạn CPPG cho phương pháp CPPM 30

Hình 1.21 Minh họa chuỗi xung CPPM 31

Hình 1.22 BER của các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 33

Hình 1.23 Sơ đồ (a) trải phổ và (b) giải trải phổ cho phương pháp CS-DS/SS 34

Hình 1.24 Minh họa tín hiệu miền thời gian của quá trình trải phổ: (a) dữ liệu vào, (b) chuỗi hỗn loạn rời rạc, và (c) tín hiệu sau trải phổ 35

Hình 1.25 So sánh BER giữa các phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn và chuỗi

PN truyền thống với cùng hệ số trải phổ N=31 (K là số người dùng) 35

Hình 2.1 Minh họa tín hiệu theo thời gian của các phương pháp điều chế PPM, PWM, CPPM và CPWPM 37

Hình 2.2 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp CPWPM 39

Hình 2.3 Sơ đồ khối phát xung vị trí hỗn loạn kép DCPPG 39

Hình 2.4 Minh họa tín hiệu miền thời gian trong khối điều chế CPWPM: (a) tín hiệu tăng tuyến tính đầu ra bộ đếm và bộ khuếch đại; (b), (c) tín hiệu đầu ra 1 và 2 của khối DCPPG; (d), (e) tín hiệu đầu vào 1 và 2 của khối PTEG; và (f) tín hiệu CPWPM 41

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống thông tin CPWPM với kênh AWGN 42

Hình 2.6 Cửa sổ tách sườn xung của phương pháp CPWPM 43

Hình 2.7 Đồ thị rẽ nhánh của hàm CPWPM Tent map 46

Hình 2.8 Các tín hiệu miền thời gian trong hệ thống CPWPM 49

Hình 2.9 Vùng hút của CPWPM Tent map với điểm cố định trung bình 50

Hình 2.10 Phổ tần số trung bình của tín hiệu CPWPM 50

Hình 2.11 BER lý thuyết và mô phỏng của CPWPM, so sánh với BER của CPPM và PPM truyền thống 51

Hình 2.12 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp MxN-ary CPWPM 52

Hình 2.13 Sơ đồ chòm sao mức trễ của phương pháp MxN-ary CPWPM 53

Hình 2.14 Minh họa tín hiệu MxN-ary CPWPM 53

Hình 2.15 Cửa sổ tách sườn xung của phương pháp MxN-ary CPWPM 54

Hình 2.16 Tín hiệu miền thời gian đạt được từ mô phỏng hệ thống 8x4-ary CPWPM 57

Hình 2.17 BER lý thuyết và mô phỏng của 2 2-, 4 2-, 4 4-, 8 4-, 8 8-, 16 8- và 16 16-ary CPWPM 58

Hình 2.18 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế kết hợp CPWPM-BPSK 59

Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống thông tin CPWPM-BPSK với kênh AWGN 61

Hình 2.20 Các tín hiệu miền thời gian trong khối điều chế CPWPM-BPSK 61

Hình 2.21 Các tín hiệu miền thời gian trong khối giải điều chế CPWPM-BPSK 62

Hình 2.22 Phổ tần của các tín hiệu trong sơ đồ kết hợp CPWPM-BPSK 63

Hình 2.23 BER mô phỏng của các hệ thống BPSK, CPWPM và CPWPM-BPSK qua kênh AWGN 64

Hình 3.1 Minh họa tín hiệu theo thời gian trong quá trình trải phổ của: (a) hệ thống DS/SS truyền thống sử dụng chuỗi PN, (b) hệ thống CS-DS/SS sử dụng chuỗi hỗn loạn, và (c) hệ thống CBD-DS/SS với độ rộng bit biến đổi theo hỗn loạn 67

Hình 3.2 Sơ đồ của khối phát xung vị trí biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) 68

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin CBD-DS/SS 69

Hình 3.4 BER đạt được từ ước lượng lý thuyết và mô phỏng số của hệ thống đề xuất, so sánh với BER của hệ thống truyền thống tương đương cho các trường hợp: (a)

Danh mục các hình 5

và , (b) và 73Hình 3.5 Tín hiệu theo miền thời gian đạt được từ mô phỏng của hệ thống đề xuất sử dụng hàm Tent map cho trường hợp 77Hình 3.6 Biến đổi của độ rộng bit theo trạng thái động hỗn loạn: (a) vùng hút của hàm hỗn loạn , (b) biến đổi của độ rộng bit 77Hình 3.7 BER mô phỏng của hệ thống CBD-DS/SS với các hàm hỗn loạn khác nhau cho các trường hợp: (a) , (b) 78Hình 3.8 Sơ đồ khối của hệ thống CBD-DS/SS với thực hiện đa truy nhập của K người dùng 79Hình 3.9 BER của hệ thống đa truy nhập theo số lượng người dùng cho các trường hợp khác nhau: (a) và , (b)

, 81Hình 3.10 Tín hiệu theo miền thời gian trong máy thu đạt được từ mô phỏng của hệ thống

đề xuất sử dụng hàm Tent map cho trường hợp với không có sai khác thông số và sai khác giá trị khởi động 82Hình 3.11 BER đạt được từ mô phỏng của hệ thống đề xuất cho các trường hợp

và với không có sai khác thông số và sai khác giá trị khới động 83

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Kết quả mô phỏng tốc độ truyền của các hệ thống 2 2-, 4 2-, 4 4-, 8 4-, 8 , 16 8- và 16 16-ary CPWPM 58Bảng 3.1 Các thông số cụ thể cho các trường hợp khác nhau của hệ thống CBD-DS/SS 75

8-Giới thiệu 7

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 (Nonlinear-dynamical system) [1] Các công bố đã chỉ ra một đặc

tính quan trọng đó là sự phụ thuộc nhạy cảm của trạng thái hỗn loạn vào điều kiện khởi động Chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của điều kiện khởi động có thể dẫn đến một sự thay đổi hoàn toàn của trạng thái hệ thống 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 Trong khi điều chỉnh mạch dao động với tín hiệu đầu ra có chu kỳ như mong muốn, người ta lại quan sát thấy có những trạng thái bất thường mà tín hiệu ra biến đổi không có chu kỳ hoặc hỗn loạn Trường hợp nổi tiếng nhất về quan sát này

là của Val Der Pol Tại thời điểm đó, hỗn loạn được xem như là một trạng thái đặc biệt cần tránh trong quá trình thiết kế mạch điện Cuộc cách mạng máy tính của nửa sau 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 của Poincaré là hoàn toàn chính xác Một ví dụ đơn giản được tìm thấy bởi Lorenz vào năm 1963 với phân tích đối lưu của

tầng khí quyển sử dụng mô hình phi tuyến bậc ba [2] Phân tích chỉ ra rằng khi các thông

số xác định thiết lập sự ổn định của hệ thống không phải là một điểm cân bằng và cũng không phải là trạng thái có chu kỳ, lúc này các tín hiệu đầu ra của hệ thống sẽ phân kỳ và trở nên không tương quan với nhau với chỉ một sự khác nhau rất nhỏ của các điều kiện khởi động Được thúc đẩy bởi các kết quả này, trạng thái hỗn loạn đã được mở rộng nghiên

cứu trong các chuyên ngành kỹ thuật khác nhau như sinh học, hóa học, vật lý, vv [1,3,4]

Vào đầu những năm 1990, các nhà khoa học bắt đầu khai thác các đặc tính của động phi tuyến và hỗn loạn cho các ứng dụng cụ thể Có thể kể đến ứng dụng được gọi là điều

khiển hỗn loạn [5,6,7] Với kỹ thuật này, sự chuyển động của một hệ thống hỗn loạn khối

lượng lớn có thể được điều khiển bởi những năng lượng rất nhỏ Trong xử lý tín hiệu, các phương pháp khác cũng đã được đề xuất để giảm nhiễu, trong đó tín hiệu hỗn loạn và

nhiễu có cùng dải tần có thể được tách biệt sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa [8,9] Việc sử dụng hỗn loạn trong nén tín hiệu cũng được nghiên cứu [10] Bên cạnh đó, rất nhiều các nỗ

lực đã dành cho việc nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin Đầu tiên có thể

kể đến công trình của Pecora và Carroll [11], hai ông 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 tín hiệu 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 [12,13,14] Trong đó 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 (Parameter mismatch), đặc biệt là sai khác điều kiện khởi động (Innitial condition)

 Đề xuất các phương pháp điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn [15,16,17,18] Các

phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn được đề xuất trước tiên, trong đó tín hiệu tin tức đầu vào là tín hiệu tương tự Với sự phát triển của thông tin số, các phương pháp điều chế số sử dụng hỗn loạn được đề xuất Những phương pháp này có thể được chia

làm hai loại: liên kết (Coherent) [14,19,20,21] và không liên kết (Non-coherent) [22,23,24] Với loại liên kết, phía thu 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 [25,26,27,28,29] Bởi vì tín hiệu hỗn

loạn cũng có những đặc tính tương tự như chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo-noise (PN) sequence), đó là biến đổi giống như nhiễu với phổ tần rộng, tính tự tương quan cao và tương quan chéo thấp Do đó tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như chuỗi trải phổ

để thay thế cho chuỗi PN trong hệ thống thông tin trải phổ truyền thống Các chuỗi trải phổ hỗn loạn (Chaotic sequence) được tạo ra bởi hệ thống động phi tuyến rời rạc Hiện nay, khả năng áp dụng kỹ thuật thông tin hỗn loạn1 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/giải điều chế số 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

Như đã nói ở trên, được thúc đẩy bởi kết quả nghiên cứu về đồng bộ hỗn loạn của Pecora và Carroll Một số lượng các phương pháp đồng bộ đã được đề xuất để khôi

phục sóng mang hỗn loạn ở phía thu [30] Các phương pháp điều chế số liên kết được

đề xuất cũng dựa trên các phương pháp đồng bộ này [14,19,20,21] Tuy nhiên, quá

trình phân tích và khảo sát đã chỉ ra rằng hầu hết các phương pháp đồng bộ hỗn loạn

đề xuất rất nhạy cảm với nhiễu, sự sai khác thông số và méo tín hiệu [31,20,32] Có

nghĩa là việc đồng bộ sóng mang hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn

1 Để tránh trùng lặp quá nhiều cụm từ ―sử dụng hỗn loạn‖, trong quyển luận án này từ đây trở về sau, các cụm từ như ―kỹ thuật thông tin sử dụng hỗn loạn‖, ―điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn‖, hay ―trải phổ trực tiếp sử dụng hỗn loạn‖ sẽ được gọi tắt tương ứng là ―kỹ thuật thông tin hỗn loạn‖, ―điều chế/giải điều chế hỗn loạn‖, hay ―trải phổ trực tiếp hỗn loạn‖

Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án 9

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 [33]

 Sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi

Với các phương pháp điều chế số hỗn loạn liên kết, phía thu khôi phục đúng thông tin chỉ khi đồng bộ hỗn loạn là chính xác Bởi vì sự phụ thuộc nhạy cảm vào sai khác

thông số và đặc biệt là điều kiện khởi động [30,15], để đồng bộ hỗn loạn chính xác,

máy thu phải có đầy đủ thông tin về kiến trúc và các thông số của điều chế, hàm số và các tham số của hệ thống động hỗn loạn được sử dụng 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

[12,13,14] Tuy nhiên bởi vì đồng bộ hỗn loạn là rất khó khăn, khả năng áp dụng của

chúng cho hệ thống thông tin thực tế là rất thấp Với các phương pháp điều chế số không liên kết, quá trình khôi phục thông tin dựa vào ước lượng năng lượng bit mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn, do đó tính khả thi cao hơn Tuy nhiên quy luật điều chế/giải điều chế khá đơn giản, không khó để phát hiện bởi những phép đo tách thông

thường [34] Cho đến nay, sự cải thiện tính bảo mật của các phương pháp không liên

kết vẫn chưa được khẳng định

 Hiệu suất băng thông thấp

Trong thông tin số, hiệu suất băng thông (Bandwidth efficiency) là số bit truyền được

trong một giây trên một Hz băng thông, đơn vị là bit/s/Hz [35] Với các phương pháp

điều chế sóng mang băng hẹp, băng thông của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu tin tức đầu vào Trong khi đó, băng thông tín hiệu đầu ra của các phương pháp điều chế hỗn loạn cũng chính là băng thông của sóng mang hỗn loạn

được tạo ra [15,16] Do thuộc tính băng rộng cố hữu của tín hiệu hỗn loạn [15,33], 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 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/giải 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 [15,33] 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 [16,26] Tuy nhiên

với một kênh truyền thông tin xác định, thông thường chúng ta phải dịch chuyển phổ tần tín hiệu phát về dải tần mong muốn hoặc cho phép Việc dịch chuyển phổ này có thể được thực hiện bằng cách thay đổi trực tiếp các thông số của hệ thống động hỗn loạn để phát ra sóng mang hoặc chuỗi hỗn loạn ở dải tần mong muốn 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: ƣu điểm nổi bật

Kỹ thuật điều chế thời gian xung (PTM) đã được đề xuất vào cuối những năm 1940

[36] Trong đó, 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 để tạo ra các phương pháp điều chế tương ứng là điều chế vị trí xung (PPM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế

khoảng cách xung (PIM) hoặc điều chế tần số xung (PFM) [37] 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) [38,39] Nguyên lý và hoạt động của phương

pháp này sẽ được mô tả trong Mục 1.4.5 Trong đó, vị trí của mỗi xung được xác định bởi khoảng cách thời gian giữa nó và xung trước đó mang thông tin nhị phân của một bit và được biến đổi hỗn loạn Bản thân CPPM cũng là một phương pháp điều chế hỗn loạn có liên kết Bên phía giải điều chế yêu cầu phát lại các tín hiệu hỗn loạn như bên phía điều chế

để khôi phục thông tin Tuy nhiên, so với các phương pháp điều chế liên kết khác, CPPM

có những ưu điểm nổi bật sau:

 Khả năng đồng bộ hỗn loạn tự động mà không cần giao thức bắt tay đặc biệt nào Mỗi xung nhận được vừa mang thông tin lại vừa đóng vai trò như xung đánh dấu đồng bộ

[40] Bên phía giải điều chế chỉ cần xác định đúng hai khoảng cách xung liên tiếp để

thiết lập và duy trì đồng bộ Do đó tính khả thi của phương pháp CPPM khá cao

 Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu là khá thấp, điều này được chỉ ra trong Mục 1.4.6

 Để đồng bộ hỗn loạn chính xác và khôi phục đúng thông tin, phía thu phải có đầy đủ các thông số điều chế và hàm hỗn loạn được sử dụng Do đó tính bảo mật của phương pháp CPPM được cải thiện đáng kể so các phương pháp điều chế hỗn loạn không liên kết

 CPPM được đề xuất sử dụng trong truyền thông băng siêu rộng (UWB) [41] Trong đó

các xung với độ rộng siêu hẹp được điều chế vị trí hỗn loạn và được phát trực tiếp trên kênh truyền

Phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS) được đề xuất lần đầu tiên

bởi G Heidari-Bateni trong [25,26] 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 Quá trình trải phổ được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp dữ liệu nhị phân đầu vào với chuỗi hỗn loạn Tín hiệu trải phổ đầu ra được phát trực tiếp trên kênh truyền Quá trình giải trải phổ sẽ thực hiện theo kiểu liên kết, tương tự như giải trải phổ truyền thống (DS/SS) Nghĩa là chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát lại và đồng bộ được sử dụng để khôi phục dữ liệu So với các phương pháp điều chế/giải điều chế liên kết, CS-DS/SS thể hiện những ưu điểm sau:

 Quá trình đồng bộ chuỗi trải phổ hỗn loạn được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ

chuỗi PN truyền thống [42] Do đó khả năng đồng bộ qua môi trường nhiễu là rất tốt,

tính khả thi cao

Tổ chức nội dung của luận án 11

 Kế thừa hầu hết các đặc điểm của trải phổ chuỗi PN truyền thống với các ưu điểm như: tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), loại bỏ nhiễu cùng tần số, khả năng đa truy

nhập (MA) và xác suất bị chặn thấp (LPI) [26]

 Tỷ lệ lỗi bit qua môi trường nhiễu cao hơn không nhiều so với phương pháp trải phổ chuỗi PN nhưng thấp hơn nhiều so với các phương pháp điều chế hỗn loạn Điều này được chỉ ra trong Mục 1.5

 Tính bảo mật được cải thiện đáng kể so với trải phổ chuỗi PN truyền thống Các đặc

điểm về tính bảo mật được chỉ ra cụ thể trong [26]

Với các ưu điểm kể trên, rõ ràng các phương pháp CPPM và CS-DS/SS đã khắc phục

hai trong số các vấn đề tồn tại đã nêu ra ở trên, đó là đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực tế khó khăn và sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi Đây cũng chính là lý

do để luận án này đi sâu nghiên cứu phát triển các phương pháp điều chế/giải điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số

Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những phân tích ở trên, luận án sẽ tập trung thực hiện hai nội dung khoa học chính như 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 nội dung 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 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 Cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn: Chương này

trình bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng của nó trong kỹ thuật thông tin Trạng thái động và tín hiệu của hệ thống động phi tuyến hỗn loạn với các đặc điểm về dạng phổ, dạng sóng, tính tương quan và quỹ đạo di chuyển sẽ được phân tích Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào các hệ thống thông tin và các kết quả đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua được tổng hợp Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho các phương pháp điều chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn sẽ được mô tả và phân tích chi tiết

Chương 2 Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM: Chương

này đề xuất và thực hiện phương pháp CPWPM Sơ đồ điều chế/giải điều chế cũng như mô

hình ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu được mô tả và phân tích Sự phụ thuộc của trạng thái động vào các thông số điều chế và hàm phi tuyến sử dụng được khảo sát, từ

đó điều kiện để đảm bảo tính hỗn loạn cũng như các thông số trung bình của phương pháp được xác định Mô phỏng số và các kết quả được chỉ ra để kiểm tra lại các kết quả lý thuyết đạt được Sự kết hợp của CPWPM với các phương pháp điều chế truyền thống cũng được đề xuất Trong đó, tốc độ bit được cải thiện bằng cách kết hợp với điều chế M-ary, tạo ra phương pháp MxN-ary CPWPM Khả năng dịch chuyển dải tần phát sẽ linh hoạt hơn với sự kết hợp của CPWPM và BPSK, gọi là phương pháp CPWPM-BPSK

Chương 3 Hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp với độ rộng bit biến đổi hỗn loạn CBD-DS/SS: Trong chương này, hệ thống CBD-DS/SS được đề xuất Kiến trúc và hoạt

động của hệ thống được mô tả và phân tích Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu cũng như phân tích lựa chọn các thông số cho hệ thống được thực hiện Hoạt động của CBD-DS/SS trong hệ thống đa truy nhập được xem xét Các kết quả mô phỏng số được chỉ ra để so sánh với các kết quả lý thuyết đạt được Cuối cùng, tác giả đưa ra một số thảo luận về tính bảo mật của hệ thống đề xuất

Kết luận và hướng phát triển: Kết luận với 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 sẽ được đưa ra

Chương 1 13

Chương 1

Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 1.1 Giới thiệu

Chương này trình bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin

sử dụng hỗn loạn, nhằm cung cấp những kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu sau này của luận án Trong đó tập trung vào các phương pháp điều chế/giải điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) hỗn loạn cho thông tin số Trong Mục 1.2, trạng thái động hỗn loạn trong hệ thống động phi tuyến và các đặc điểm về tín hiệu như dạng phổ, dạng sóng, tính tương quan và quỹ đạo di chuyển sẽ được giới thiệu Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin và các kết quả đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua sẽ được đề cập trong Mục 1.3 Mục 1.4 đi sâu vào phân tích một số phương pháp điều chế/giải điều chế số hỗn loạn chính đã được đề xuất trước đây Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho từng phương pháp sẽ được đưa ra và phân tích Trong Mục 1.5, phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS) và các đặc điểm chính được mô tả Các kết luận đáng chú ý được đưa ra trong Mục 1.6

1.2 Hỗn loạn

1.2.1 Khái niệm và phân loại

Khái niệm về hỗn loạn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật được đưa ra như sau:

“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 điều kiện khởi động của hệ thống” 2

Ba tính chất quan trọng của hỗn loạn được nêu ra trong khái niệm trên là:

Vận động không có chu kỳ: đường di chuyển của hệ thống trong mặt phẳng pha không đi

vào bất kỳ điểm cố định hay quỹ đạo có chu kỳ nào khi thời gian vận động tiến tới vô cùng

Hệ thống xác định: là hệ thống không có các thông số thống kê xác suất Đây là điểm

khác nhau quan trọng giữa hệ thống hỗn loạn và hệ thống nhiễu với quá trình ngẫu nhiên Vận động bất thường trong hệ thống hỗn loạn được tạo ra do tính phi tuyến bên trong nó chứ không phải do nhiễu

Phụ thuộc nhạy cảm với các điều kiện khởi động: đường di chuyển xuất phát từ các

điều kiện khởi động có sai khác nhau rất nhỏ (gần như là như nhau) sẽ phân tách rất nhanh theo luật số mũ tạo ra các quỹ đạo di chuyển hoàn toàn khác nhau

Các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau:

 Dạng liên tục của thời gian

2 Được trích dẫn từ [15]

⁄ , (1.1) trong đó là biến trạng thái có thể một hoặc nhiều chiều, và là thời điểm và giá trị khởi động của hệ thống

 Dạng rời rạc của thời gian

với là giá trị khởi động, là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều của hệ thống ở bước lặp thứ

1.2.2 Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan

Để minh họa cho các tính chất trên của hỗn loạn, chúng ta xem xét hệ thống động

Lorenz liên tục ba chiều [2] được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân sau:

{

Hình 1.1 Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn

trong đó là các biến trạng thái và là các tham số của hệ thống Với bộ tham số ⁄ , hệ Lorenz rơi vào trạng thái vận động hỗn loạn Rõ ràng tính

chất hệ thống xác định hoàn toàn được thỏa mãn với hệ thống này bởi vì nó được biểu diễn

bằng hệ phương trình vi phân xác định với các thông số cụ thể (không có thông số thống

lặp tính toán được thực hiện Chúng ta có thể nhận thấy tính vận động không có chu kỳ của

hệ thống thông qua sự biến đổi biên độ không dự đoán được của các biến theo thời

gian như trong Hình 1.1 Tính chất phụ thuộc nhạy cảm với các điều kiện khởi động được

thể hiện trong Hình 1.2 Trong đó biến đổi biên độ của biến với hai điều kiện khởi động

có giá trị sai khác rất nhỏ được chỉ ra Chúng ta có thể thấy rằng các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như cùng một điểm, nhưng sau đó chúng tách biệt nhanh chóng và trở nên khác nhau hoàn toàn

Hình 1.2 Biến đổi theo thời gian của biến x(t) với hai điều kiện khởi động sai khác nhau rất nhỏ

trong hệ Lorenz hỗn loạn

Hình 1.3 Biến đổi theo thời gian rời rạc của biến trạng thái trong hệ logistic map hỗn loạn

Các đặc điểm trên là hoàn toàn tương tự cho hệ thống động phi tuyến rời rạc Xét hệ

thống Logistic map [1,43] một chiều cho bởi công thức sau:

với hệ số điều khiển được chọn , hệ thống rơi vào trạng thái hỗn loạn Khi đó, giá trị đầu ra biến đổi hỗn loạn trong khoảng (0, 1) như trong Hình 1.3

Hàm tự tương quan và tương quan chéo điển hình của tín hiệu hỗn loạn được chỉ ra như trong Hình 1.4(a) và (b) tương ứng Có thể thấy rằng giá trị 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 Bên cạnh đó, tín hiệu hỗn loạn được phân biệt bởi đặc tính băng rộng của nó Do 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 Phổ tần số băng rộng điển hình của một tín hiệu hỗn loạn được chỉ ra như Hình 1.4(c) Dựa vào các đặc điểm này, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như các sóng mang băng rộng

để mang thông tin thay cho sóng mang điều hòa hoặc là chuỗi PN trong các hệ thống thông tin truyền thống

Trễ thời gian chuẩn hóa Trễ thời gian chuẩn hóa

1.2.3 Quỹ đạo di chuyển: vùng hút

Để biểu diễn một cách rõ ràng nhất sự vận động hệ thống hỗn loạn, chúng ta vẽ quỹ đạo di chuyển theo thời gian của các biến trong không gian pha của chúng Dạng hình học

được vẽ ra được gọi là vùng hút (Attractor) [1,43] Hình 1.5(a), (b), (c) và (d) lần lượt chỉ

Hỗn loạn 17

ra kết quả mô phỏng vùng hút của hệ thống Lorenz trong không gian pha (x, y, z) và các mặt phẳng pha (x, y), (y, z), (z, x) Có thể thấy rằng đường di chuyển không bao giờ trùng

lặp và không khép kín cho dù thời gian vận động tiến đến vô cùng, điều này thể hiện tính

phi chu kỳ và hỗn loạn của hệ thống Một đặc điểm nữa của vùng hút đó là nó luôn nằm

trong một miền giới hạn xác định của không gian pha và không bao giờ di chuyển ra khỏi miền này

Hình 1.5 Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong các không gian pha khác nhau: (a) (x, y, z); (b)

(x, y); (c) (y, z); và (d) (z, x)

Hình 1.6 Vùng hút của hệ Logistic map hỗn loạn

Vùng hút của hệ thống động rời rạc Logistic map cũng được đưa ra trong Hình 1.6 Vùng hút này được tạo ra bằng cách vẽ quỹ đạo di chuyển hệ thống trong mặt phẳng pha

biểu diễn mối quan hệ của giá trị biến trạng thái hiện tại và trước đó Chúng ta

có thể thấy rằng, đường di chuyển trong quỹ đạo không khép kín, không bao giờ chồng lấn lên nhau, và luôn nằm trong miền giới hạn

1.3 Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin

Trong hơn một thập kỷ vừa qua, việc nghiên cứu ứng dụng trạng thái động hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin đã nhận được sự quan tâm đáng kể Các hệ thống thông tin hỗn loạn cũng thể hiện được những ưu điểm của nó so với các hệ thống truyền thống Thông thường các tín hiệu hỗn loạn được phát ra bằng các mạch điện đơn giản Việc phát ra một số lượng lớn các tín hiệu hỗn loạn khác nhau trên cùng một hệ thống động có thể được thực hiện chỉ bằng cách thay đổi điều kiện khởi động Bởi vì sự biến đổi không có chu kỳ và giống nhiễu ngẫu nhiên của tín hiệu được phát trên kênh truyền, tính bảo mật thông tin sẽ được cải thiện 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 tương tự, điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp

1.3.1 Điều chế tương tự

Với các phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn, có hai hướng tiếp cận chính đã được

đề xuất đó là điều chế mặt nạ hỗn loạn [14,44] và điều chế thông số hỗn loạn [45,46]

Trong điều chế mặt nạ hỗn loạn, bên phía 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 Phương pháp này thực hiện khá đơn giản, tuy nhiên yêu cầu đồng bộ giữa hai hệ hỗn loạn Khi tín hiệu nhận được bao gồm cả nhiễu và méo từ kênh truyền, vấn đề đồng bộ là rất khó khăn Với điều chế 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 Có ba kỹ thuật giải điều chế chính đã được đề xuất đó là:

 Kỹ thuật đảo ngược [47,48] Đây là kỹ thuật đơn giản nhất nhưng khó khăn trong việc

khôi phục thông tin khi tín hiệu hỗn loạn chịu tác động bởi nhiễu kênh truyền

 Kỹ thuật giải điều chế tuyến tính sử dụng bộ lọc thích nghi trung bình bình phương tối

thiểu, bình phương đệ qui tối thiểu và các thuật toán dựa trên bộ lọc Kalman [49]

Trong đó, bộ lọc thích nghi giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu lên quá trình giải điều chế

 Kỹ thuật giải điều chế phi tuyến sử dụng mạng nơ-ron RBF [50,51] Một mạng nơ-ron

RBF được sử dụng để ước lượng liên tục trạng thái của hệ thống động phi tuyến phía thu Dựa trên kết quả ước lượng, thông tin tương tự sẽ được khôi phục

Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin 19

Tuy nhiên, các phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn vẫn không đủ mạnh để chống lại sự tác động của nhiễu Điều này hạn chế khả năng phát triển và ứng dụng của chúng vào các hệ thống thông tin thực tế

1.3.2 Điều chế số

So với điều chế tương tự, điều chế số có tính khả thi cao hơn, do đó nhiều phương

pháp điều chế/giải điều chế số dựa trên hỗn loạn đã được đề xuất [52,53,54,55,56,22] Các

phương pháp này được chia làm hai loại: liên kết và không liên kết Một số phương pháp

liên kết đã được đề xuất trong [14,19,20,21], trong đó sự phát lại chính xác sóng mang 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 bit mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn Điều chế không liên kết đầu tiên được đề xuất có thể kể đến phương pháp khóa

dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) [23], 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 không liên kết khác đó là khóa dịch trễ tương quan (CDSK) [22],

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, phương pháp này thực hiện trong môi trường nhiễu kém hơn nhưng bù lại có thể tốc độ bit cao hơn 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 [24] Sóng mang hỗn loạn trước hết được điều tần để tạo ra tín

hiệu điều tần có tần số biến đổi hỗn loạn nhưng biên độ không đổi Sau đó tín hiệu điều tần hỗn loạn sẽ được đưa vào điều chế DCSK như thông thường Tín hiệu FM-DCSK đầu ra được phát đi có năng lượng bit không đổi (năng lượng như nhau với mọi bit) 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) [57], khóa dịch hỗn loạn vi sai hoán vị (P-DCSK) [58,59], khóa dịch hỗn loạn phân loại tối ưu (OC-CSK) [53,60], vv Tất

cả các phương pháp này đều nhằm mục đích cải thiện thực hiện của các phương pháp CSK

và DCSK

Với sự ra đời của kỹ thuật thông tin băng siêu rộng (UWB), các phương pháp điều chế hỗn loạn ứng dụng trong hệ thống thông tin UWB đã được đề xuất Có thể kể đến hai phương pháp điển hình đó là điều chế khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) và điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) Trong UWB-COOK, phụ thuộc vào giá trị nhị phân của bit đưa vào điều chế, sóng mang hỗn loạn UWB được tạo ra sẽ được phát hay không được phát đi

tương ứng [61,62] Trong khi đó, với UWB-CPPM, các xung có độ rộng rất hẹp với băng

tần siêu rộng sẽ được phát đi, vị trí của các xung vừa mang thông tin lại vừa biến đổi hỗn

loạn [38,63]

1.3.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp

Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp đầu tiên được đề xuất

trong [25,26], gọi là phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS) Trong đó,

các chuỗi hỗn loạn rời rạc sẽ được sử dụng để thay thế cho các chuỗi PN trong hệ thống DS/SS truyền thống Phương pháp CS-DS/SS cũng thể hiện hầu hết những ưu điểm của

phương pháp truyền thống [42] Bên cạnh đó, với sự biến đổi biên độ hỗn loạn của tín hiệu trải phổ trên kênh truyền, tính bảo mật được cải thiện đáng kể [26] Chuỗi hỗn loạn lượng

tử hóa cũng được khảo sát cho ứng dụng trong hệ thống CS-DS/SS [27,28] Trong suốt quá

trình thông tin, các tín hiệu lượng tử hóa sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu có chu kỳ Các kết quả đạt được chỉ ra rằng, hệ thống đề xuất đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với hệ

thống DS/SS truyền thống sử dụng chuỗi m hoặc chuỗi Gold [42]

1.4 Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn

Trong gần hai thập kỷ qua, đã có một số lượng lớn các phương pháp điều chế và giải điều chế hỗn loạn đã được đề xuất Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các hệ thống thông tin số, các phương pháp điều chế số hỗn loạn đã, đang và sẽ được nghiên cứu phát triển Trong phần dưới đây, chúng ta sẽ tập trung vào phân tích một số các phương pháp điều chế/giải điều chế số hỗn loạn chính đã được nghiên cứu trước đây Đây cũng chính là kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu của luận án sau này

1.4.1 Điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK)

Các phương pháp điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK) cũng được chia thành hai loại: liên kết và không liên kết Mỗi loại được thực hiện theo hai cách khác nhau, đó là sử dụng một hoặc hai khối phát sóng mang hỗn loạn

1.4.1.1 Khóa dịch hỗn loạn dựa trên đặc tính động

 Điều chế

Bộ phát hỗn loạn 1

Bộ phát hỗn loạn 2

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 21

Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động với hai khối phát sóng mang hỗn loạn được chỉ ra như Hình 1.7 Các tín hiệu hỗn loạn đầu ra và có đặc tính động phi tuyến khác nhau Trong khoảng độ rộng bit , tùy thuộc vào giá trị nhị phân của bit được đưa vào, quá trình điều chế sẽ được thực hiện như sau: nếu là bit ―1‖, sẽ được phát đi, nếu là bit ―0‖, sẽ được phát đi Tín hiệu đầu ra của khối điều chế trong khoảng thời gian của bit thứ , [ ], được biểu diễn như sau:

{

(1.5) với là giá trị nhị phân của bit thứ

 Giải điều chế dựa trên lỗi đồng bộ

Khối đồng bộ hỗn loạn 1

Khối đồng bộ hỗn loạn 2

r(t)

So sánh

và quyết định

Hình 1.8 Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ

Hình 1.8 minh họa sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ [19,64] Hai khối

đồng bộ hỗn loạn sẽ được sử dụng để tạo ra hai sóng mang hỗn loạn và tương ứng, có đặc tính hỗn loạn tương tự như và bên phía điều chế Nếu bit ―1‖ được phát đi, khối đồng bộ hỗn loạn 1 sẽ đồng bộ với tín hiệu nhận được , trong khi khối đồng bộ hỗn loạn 2 sẽ không đồng bộ Tương tự, khối đồng bộ hỗn loạn 2 sẽ đồng bộ và khối đồng bộ hỗn loạn 1 sẽ không đồng bộ với tín hiệu nhận được nếu bit ―0‖ được phát đi Các tín hiệu lỗi đồng bộ nhận được, và , được đưa vào bộ so sánh và quyết định mức Giá trị nhị phân của bit thứ được khôi phục đầu ra được quyết định như sau:

{

(1.6)

 Giải điều chế dựa trên tương quan

Các sóng mang hỗn loạn được phát lại ở đầu ra của hai khối đồng bộ hỗn loạn,

và , sẽ được đánh giá mức độ tương quan với tín hiệu nhận được bằng cách sử dụng hai khối tính tương quan 1 và 2 Sơ đồ giải điều chế này được đưa ra như Hình 1.9

[52,65] Ở thời điểm cuối mỗi độ rộng bit, tín hiệu đầu ra của các khối tương quan sẽ được

lấy mẫu Các mẫu nhận được của bit thứ sẽ được xác định bởi

, ∫ ∫ (1.7) trong đó là khoảng thời gian để bắt đầu đạt được trạng thái đồng bộ Hiệu của các mẫu này, , sẽ được đưa vào khối quyết định mức với giá trị ngưỡng bằng không Bit dữ liệu thứ sẽ được khôi phục như sau:

(n-1)T b +T a

nT b

(n-1)T b +T a

nT b

Khối tương quan

Khối tương quan

y 1 (nT b )

y 2 (nT b )

y(nT b )

( )dt

( )dt

Hình 1.9 Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên sự tương quan

Giá trị các mẫu tương quan y(nT b)

Hình 1.10 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp CSK dựa trên tương quan cho

hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15])

Để minh họa rõ ràng quá trình giải điều chế dựa trên tương quan, biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị của các mẫu tương quan đầu ra và số lượng mẫu quan sát tương ứng được cung cấp, được gọi là biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan Hình 1.10(a)

và (b) đưa ra các biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan ứng với hai trường hợp: không nhiễu và có nhiễu ở đầu vào giải điều chế Có thể thấy từ Hình 1.10(a) rằng, bởi vì tính hỗn loạn của các tín hiệu đưa vào tính tương quan, giá trị của các mẫu đầu ra biến đổi nhưng

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 23

luôn nằm trong hai miền riêng biệt tương ứng với hai mức nhị phân ―1‖ và ―0‖, do đó quá trình quyết định mức không có lỗi bit Tuy nhiên, trong Hình 1.10(b), khi có sự tác động của nhiễu, các miền này sẽ giãn ra và chồng lấn lên nhau Các mẫu nằm trong miền chồng lấn này sẽ làm cho khối quyết định mức không phân biệt được và tạo ra các bit lỗi ở đầu ra

1.4.1.2 Khóa dịch hỗn loạn đối xứng (ACSK)

Phương pháp điều chế ACSK được xem như là một phương pháp điều chế CSK liên kết sử dụng một khối phát hỗn loạn Sơ đồ điều chế và giải điều chế được đưa ra trong

Hình 1.11 [66] Bên phía điều chế, khối phát tín hiệu hỗn loạn phát ra sóng mang hỗn loạn

với mức biên độ đã được dịch để đối xứng qua mức không Quá trình điều chế được thực hiện như sau: nếu là bit ―1‖, sóng mang hỗn loạn sẽ được phát đi, nếu là bit ―0‖, sóng mang với biên độ đảo ngược sẽ được phát đi Trong khoảng độ rộng bit thứ , [ ], tín hiệu đầu ra khối điều chế được biểu diễn như sau:

,

Bộ phát hỗn loạn

Khối đồng bộ hỗn loạn

r(t)

c(t)

Dữ liệu khôi phục

(a)

(b)

( )dt

Hình 1.11 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp ACSK

Bên giải điều chế, sóng mang hỗn loạn được khôi phục ở đầu ra của khối đồng bộ hỗn loạn được tính tương quan với tín hiệu nhận được Tín hiệu đầu ra khối tương quan sẽ được lấy mẫu ở cuối thời gian tích phân của độ rộng bit Mẫu thứ được tính theo

∫ (1.10) Các mẫu sau đó được đưa vào khối quyết định mức với ngưỡng bằng không Bit dữ liệu thứ sẽ được khôi phục theo công thức (1.8)

1.4.1.3 Khóa dịch hỗn loạn dựa trên năng lượng bit

Sơ đồ điều chế và giải điều chế CSK không liên kết dựa trên năng lượng bit được đưa

ra trong Hình 1.12 [20] Bên phía điều chế, thay vì có đặc tính động khác nhau, hai sóng

mang hỗn loạn được phát ra và có mức năng lượng bit trung bình khác nhau, , được xác định như sau:

{ ∫ ∫ (1.11) Trong khoảng độ rộng của mỗi bit, được phát đi nếu là bit ―1‖, được phát đi nếu là bit ―0‖

r(t)

Dữ liệu khôi phục

Bộ phát hỗn loạn 2

Hình 1.12 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit

Bên phía giải điều chế, tín hiệu nhận được được đưa vào khối ước lượng năng lượng bit Giá trị đầu ra bộ ước lượng sẽ được lấy mẫu với chu kỳ Năng lượng bit trung bình của bit thứ được xác định bởi

∫ (1.12) Mẫu này được đưa vào khối quyết định mức với giá trị ngưỡng, ( ) Giá trị nhị phân của bit thứ được quyết định như sau:

,

(1.13) Các biểu đồ mật độ giá trị năng lượng bit đưa ra trong Hình 1.13 Có thể thấy rằng, do tính hỗn loạn của các tín hiệu đưa vào ước lượng năng lượng bit, giá trị của các mẫu đầu ra biến đổi theo thời gian (biến đổi trên từng bit) Trong trường hợp không có nhiễu đầu vào,

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 25

Hình 1.13(a) chỉ ra rằng hai miền giá trị tương ứng với các bit ―1‖ và ―0‖ được khôi phục

là riêng biệt, do đó quá trình tách ngưỡng không tạo ra lỗi bit Trong Hình 1.13(b), khi có

sự tác động của nhiễu đầu vào, các miền giá trị năng lương bit sẽ giãn rộng ra, chồng lấn lên nhau và bị dịch theo mức nhiễu Do vậy để đảm bảo khối quyết định mức hoạt động tối

ưu nhất, giá trị ngưỡng cũng phải dịch theo Tuy nhiên, các mẫu nằm trong miền chồng lấn vẫn làm cho khối quyết định mức hoạt động sai và tạo ra các bit lỗi ở đầu ra

Hình 1.13 Biểu đồ mật độ giá trị năng lượng bit của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit

cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15])

1.4.1.4 Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK)

r(t)

Dữ liệu khôi phục

Dữ liệu nhị phân,

1 hoặc 0

0 1

(a)

(b)

( )dt

Hình 1.14 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp COOK

Phương pháp này được xem như là một phương pháp điều chế CSK không liên kết sử dụng một khối phát hỗn loạn Hình 1.14 đưa ra sơ đồ điều chế và giải điều chế COOK

[20] Nguyên lý điều chế rất đơn giản, trong thời gian của mỗi bit, sóng mang hỗn loạn được phát đi nếu là bit ―1‖, và không được phát đi nếu là bit ―0‖ Tương ứng với năng lượng bit trung bình được phát đi bằng ∫ nếu là bit ―1‖, và bằng 0 nếu là bit ―0‖

Bên phía giải điều chế sẽ thực hiện ước lượng năng lượng bit trung bình của tín hiệu nhận được, ∫ , rồi cho qua khối quyết định mức với giá trị ngưỡng, Giá trị nhị phân của bit thứ sau đó được xác định theo công thức (1.13)

1.4.2 Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK)

Trong phương pháp giải điều chế CSK dựa trên năng lượng bit và COOK đã được trình bày ở trên, khi tín hiệu nhận được bao gồm cả nhiễu từ kênh truyền, để đảm bảo khôi phục chính xác nhất, mức ngưỡng của khối quyết định phải dịch theo mức biên độ của nhiễu Để khắc phục vấn đề này, phương pháp điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai DCSK

được đề xuất [67] Sơ đồ điều chế và giải điều chế DCSK được chỉ ra như Hình 1.15

Bộ phát hỗn loạn

Dữ liệu nhị phân,

1 hoặc 0

c(t)

e(t) [0, T b /2)

r(t)

Dữ liệu khôi phục

(a)

(b)

Trễ T b /2

-1 0 1

( )dt

Hình 1.15 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp DCSK

Bên phía điều chế, mỗi thời gian độ rộng bit được chia thành hai nửa bằng nhau Nửa khoảng thứ nhất được sử dụng để phát sóng mang hỗn loạn tham chiếu Nửa khoảng thứ hai gửi đi sóng mang hỗn loạn mang thông tin với quy luật sau: nếu là bit ―1‖, sóng mang hỗn loạn tham chiếu của nửa khoảng trước đó, ⁄ , được phát lại; nếu

là bit ―0‖, sóng mang hỗn loạn tham chiếu của nửa khoảng trước đó sẽ được đảo

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 27

ngược, ⁄ , và phát đi Tín hiệu đầu ra bộ điều chế ứng với bit thứ được biểu diễn như sau:

,

⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄

(1.14)

Bên phía giải điều chế, tín hiệu nhận được trong nửa khoảng thứ hai được tính tương quan với tín hiệu trong nửa khoảng thứ nhất Giá trị đầu ra bộ tương quan tương ứng với bit thứ được xác định bởi

∫ (1.15) Nếu không tính đến tác động của nhiễu đầu vào, khi đó , giá trị tương quan sẽ trở thành

Hình 1.16 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp DCSK cho hai trường hợp:

(a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15])

Hình 1.16 đưa ra các biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp DCSK Với trường hợp không nhiễu như trong Hình 1.16(a), giá trị của các mẫu đầu ra biến đổi nhưng luôn nằm trong hai miền riêng biệt đối xứng với nhau qua giá trị không Do đó với mức ngưỡng không được chọn, quá trình tách ngưỡng không có lỗi bit Khi có sự tác động của nhiễu, có thể thấy trong Hình 1.16(b) rằng, các miền này sẽ giãn ra và chồng lấn lên nhau, khi đó các bit lỗi ở đầu ra là không tránh khỏi Tuy nhiên, cả miền chồng lấn và không chồng lấn vẫn duy trì đối xứng qua giá trị không Do đó mức không vẫn là giá trị tối

ưu của ngưỡng tách và được duy trì không đổi trong suốt quá trình giải điều chế Nhược điểm chính của phương này đó là tốc độ bit sẽ giảm đi một nửa so với các phương pháp

CSK không liên kết đã được khảo sát ở trên Điều này bởi vì DCSK chỉ sử dụng một nửa thời gian bit để truyền đi tín hiệu hỗn loạn mang tin, trong khi nửa trước đó chỉ đóng vai trò tham chiếu và không mang tin tức

1.4.3 Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK)

Trong phương pháp điều chế DCSK, bởi vì sự biến đổi hỗn loạn của biên độ sóng mang, giá trị năng lượng bit cũng biến đổi theo thời gian Điều này dẫn đến khó khăn trong ước

lượng năng lượng bit [68] Để khắc phục vấn đề này, phương pháp kết hợp giữa điều chế DCSK và điều chế tần số FM đã được đề xuất, được gọi là phương pháp FM-DCSK [24]

r(t)

Dữ liệu khôi phục

Khối điều chế tần số c(t)

( )dt

Hình 1.17 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp FM-DCSK

Giá trị các mẫu tương quan y(nT b) Giá trị các mẫu tương quan y(nT b)

Hình 1.18 Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp FM-DCSK cho hai trường

hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15])

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 29

Hình 1.17 đưa ra sơ đồ điều chế và giải điều chế FM-DCSK Tín hiệu hỗn loạn phát ra được đưa vào khối điều tần Tín hiệu FM đầu ra có tần số thay đổi hỗn loạn nhưng biên độ luôn không đổi Tín hiệu này được đưa vào điều chế DCSK và đóng vai trò như một sóng mang tần số hỗn loạn mới Do đó năng lượng bit của tín hiệu FM-DCSK đầu ra là như nhau đối với tất cả các bit Bên phía giải điều chế sử dụng sơ đồ tương tự như của DCSK Hình 1.18(a) đưa ra các biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan ứng với trường hợp không

có nhiễu ở đầu vào giải điều chế Có thể thấy rằng giá trị tương quan cho tất cả các mẫu là như nhau và không đổi trong quá trình giải điều chế Lúc này, hai miền giá trị sẽ trở thành hai vạch giá trị đối xứng với nhau qua mức không Khi có sự tác động của nhiễu đầu vào, trong Hình 1.18(b), hai vạch này sẽ trở thành hai miền giá trị có vùng chồng lấn nhưng luôn đối xứng qua mức không

1.4.4 Điều chế khóa dịch trễ tương quan (CDSK)

Khối phát hỗn loạn

(a)

(b)

-1

0 1 c(t)

Trễ τ d

( )dt

Hình 1.19 Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp CDSK

Sơ đồ điều chế và giải điều chế của phương pháp khóa dịch trễ tương quan CDSK

được đưa ra như Hình 1.19 [22] Bên phía điều chế, tín hiệu phát đi là tổng của sóng mang

hỗn loạn và phiên bản trễ của nó sau khi đã được điều chế theo các bit đầu vào Tín hiệu phát đi bao gồm cả tín hiệu hỗn loạn tham chiếu và tín hiệu hỗn loạn trễ mang thông tin Ở đây là ký hiệu thời gian trễ Tín hiệu điều chế đầu ra ứng với bit thứ được biểu diễn bởi

{

(1.17)

Bên phía giải điều chế, tín hiệu nhận được được tính tương quan với phiên bản trễ thời gian của chính nó Giá trị đầu ra bộ tương quan ở cuối thời gian bit thứ được xác định bởi

∫ (1.18) Nếu không tính đến tác động của nhiễu đầu vào, khi đó , được tính theo

∫

∫ ( )( )

∫ ∫ ∫ ∫

(1.19)

Trong công thức (1.19), quá trình tách ngưỡng phụ thuộc chính vào thành phần năng lượng, ∫ , trong khi các thành phần năng lượng còn lại nhỏ hơn nhiều Do đó mức ngưỡng không sẽ được sử dụng để quyết định giá trị nhị phân của bit được khôi phục theo công thức (1.8)

1.4.5 Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM)

Khối điều chế trễ

1 0

Dữ liệu nhị phân vào

CPPG

Dữ liệu nhị phân khôi phục

CPPG

1 0

tách trễ r(t)

Xn Xn+1

Ra

Vào

Khối so sánh

Khối phát xung

X(t)

Hình 1.20 Sơ đồ (a) điều chế, (b) giải điều chế, và (c) khối phát lại vị trí xung hỗn loạn CPPG cho

phương pháp CPPM

Phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn CPPM là sự kết hợp của hệ thống động hỗn

loạn rời rạc và điều chế vị trí xung PPM truyền thống [38,39] Trong đó vị trí của mỗi xung

được xác định bởi khoảng cách thời gian giữa nó và xung trước đó Khoảng cách này phụ

Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 31

thuộc vào giá trị đầu ra của hệ thống phi tuyến động được sử dụng, các thông số điều chế

và giá trị của bit đầu vào Với sự lựa chọn hợp lý của các thông số, khoảng cách giữa các xung liên tiếp vừa biến đổi hỗn loạn vừa mang thông tin nhị phân Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là cơ chế tự đồng bộ mà 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 [39] Tín hiệu đánh

dấu giúp cho phía thu khôi phục lại toàn bộ các tín hiệu hỗn loạn bên phát và từ đó khôi phục bit dữ liệu

Sơ đồ điều chế và giải điều chế CPPM được đưa ra như Hình 1.20(a) và (b) tương ứng

[38] Về cơ bản, các sơ đồ này được xây dựng dựa trên khối phát xung vị trí hỗn loạn

CPPG được biểu diễn như Hình 1.20(c) Trong khối CPPG, một bộ đếm được sử dụng để phát ra tín hiệu có biên độ tăng dần, , với là khoảng thời gian từ thời điểm thiết lập lại và là bước đếm (độ dốc của tín hiệu) Bộ đếm này được thiết lập lại mỗi khi có sự tác động xung đầu vào (tín hiệu Reset trong Hình 1.20(c)) Tại thời điểm , xung thứ ) đầu vào kích thích mạch lấy và giữ mẫu (S/H) để lưu lại giá trị đầu ra của bộ đếm, đồng thời nó kích thích bộ đếm để thiết lập giá trị đầu ra về không Mẫu đầu ra với giá trị được đưa qua khối biến đổi phi tuyến để tạo ra giá trị mới Khi biên độ của bằng giá trị , khối so sánh sẽ phát hiện ra và xung thứ được phát

ra tại thời điểm Nếu đầu ra được nối với đầu vào tạo thành vòng lặp kín, các xung sẽ được phát ra liên tục để tạo thành chuỗi xung ở đầu ra Bằng cách lựa chọn hợp lý giá trị các thông số của hàm phi tuyến và bước đếm , vị trí các xung đầu

ra sẽ biến đổi hỗn loạn

Hình 1.21 Minh họa chuỗi xung CPPM

Trong khối điều chế, bit dữ liệu sẽ được điều chế vị trí xung bởi khối điều chế trễ được đặt trên đường phản hồi của khối CPPG Tùy thuộc vào giá trị bit đầu vào , xung đầu vào sẽ bị trễ một khoảng thời gian tương ứng là , với gọi là độ sâu điều chế Khi đó xung thứ sau khi được điều chế trễ sẽ được phát ra tại thời điểm, Chuỗi xung CPPM đầu ra được minh họa như trong Hình 1.21 và được biểu diễn như sau:

∑ với { (1.20) trong đó, ⁄ , là thời điểm phát ra xung thứ , là độ rộng xung không đổi Khoảng cách giữa hai xung liên tiếp được xác định bởi,

⁄ Mối quan hệ giữa hai khoảng cách xung liên tiếp, và , được xác định như sau:

⁄ ⁄ (1.21) Công thức (1.21) chỉ ra rằng sự biến đổi khoảng cách xung phụ thuộc vào giá trị bit và các thông số , hàm Với sự lựa chọn hợp lí giá trị các thông số này, các khoảng cách xung sẽ biến đổi hỗn loạn trong suốt quá trình điều chế

Bên phía giải điều chế, tín hiệu nhận được đưa vào khối CPPG hoàn toàn tương tự như phía phát Khi hệ thống đạt được trạng thái đồng bộ, chuỗi xung được phát lại ở đầu ra khối CPRG cũng tương tự như chuỗi phía phát Tại khối tách trễ, chuỗi xung phát lại này

sẽ được so sánh với chuỗi xung nhận được để xác định lại các thời gian trễ, ⁄ Sử dụng thời gian trễ này, trước hết giá trị trung gian được xác định bởi

⁄ ⁄ (1.22) sau đó bit dữ liệu sẽ được khôi phục bằng quyết định cứng như sau:

{ (1.23) Công thức (1.22) chỉ ra rằng, phía giải điều chỉ chỉ cần xác định được hai khoảng cách xung đúng liên tiếp là và để có thể đạt lại được trạng thái đồng bộ và khôi phục đúng dữ liệu Giá trị của các thông số và đóng vai trò như khóa bảo mật Rất khó cho các truy cập trái phép có thể giải mã đúng dữ liệu nếu không có thông tin đầy đủ về sơ

đồ điều chế cũng như khóa bảo mật này Do đó phương pháp CPPM cải thiện được tính bảo mật so với các phương pháp điều chế hỗn loạn không liên kết và cao hơn nhiều so với phương pháp PPM truyền thống

1.4.6 Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu

Hình 1.22 chỉ ra và so sánh tỷ lệ lỗi bit (BER) của các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn đã được đưa ra ở trên với sự hiện diện của nhiễu Gaussian trắng cộng

(AWGN) [55,22,39,65] Trong đó các đường cong được vẽ lên bởi các giá trị BER và

tương ứng Ở đây, là tỷ lệ giữa năng lượng bit ( ) và mật độ phổ công suất nhiễu ( )

Với các phương pháp liên kết là ACSK và CSK dựa trên đặc tính động, BER phụ thuộc rất nhiều vào khả năng đồng bộ hỗn loạn, tức khả năng phát lại chính xác sóng mang hỗn loạn bên phía giải điều chế Có thể thấy rằng BER của hai phương pháp này thấp hơn nhiều so với các phương pháp còn lại, trong đó ACSK là thấp nhất Để đạt được cùng một giá trị BER=10-3, yêu cầu của ACSK, CSK đặc tính động, DCSK/FM-DCSK, CPPM, COOK, CDSK và CSK năng lượng bit tương ứng là 7,5dB, 10dB, 13,5dB, 14,5dB, 16,5dB, 20dB và 23,5dB Tuy nhiên, BER của ACSK và CSK đặc tính động đạt được như trên chỉ với điều kiện đồng bộ hỗn loạn là hoàn hảo, đây là điều kiện lý tưởng Thực tế, vấn

đề đồng bộ hỗn loạn qua kênh nhiễu là một khó khăn lớn mà hiện nay thực sự vẫn chưa có giải pháp đủ mạnh, dẫn đến khả năng áp dụng vào các hệ thống thông tin thực tế bị hạn chế