Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều chế giải điều chế tín hiệu băng thông siêu rộng sử dụng kỹ thuật hỗn loạn (chaotic UWB)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT

HỖN LOẠN (CHAOTIC UWB)

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: ĐTĐL2009G/44

Cơ quan chủ trì đề tài: Đại học Bách khoa Hà nội

Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS Hoàng Mạnh Thắng

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà nội, ngày tháng 9 năm 2011

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

- Độc lập (tên lĩnh vực KHCN): Nghiên cứu cơ bản hướng ứng dụng

Điện tử-Viễn thông

Tên tổ chức đang công tác: Viện Điện tử-Viễn thông, Trường ĐHBKHN Địa chỉ tổ chức: Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: xã Đại Mỗ, huyện Từ Liêm, Hà Nội

3 Tổ chức chủ trì đề tài/dự án:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

E-mail: nckh@mail hut edu vn

Website: http://www hut edu vn

Địa chỉ: Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS Nguyễn Trọng Giảng

Số tài khoản: 931 01062

Ngân hàng: tại Kho bạc Hai Bà Trưng, Hà Nội

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện đề tài/dự án:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 9 năm 2009 đến tháng 8 năm 2011

- Thực tế thực hiện: từ tháng 9 năm 2009 đến tháng 8 năm 2011

2 Kinh phí và sử dụng kinh phí:

a) Tổng số kinh phí thực hiện: 1900 tr đ, trong đó:

+ Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 1900 tr đ

+ Kinh phí từ các nguồn khác: ……… tr đ

Theo kế hoạch Thực tế đạt được

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr đ)

Ghi chú

(Số đề nghị quyết toán)

618 618

3 Đến tháng

8/2011

282 Đến tháng 8/2011

282 282

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

- Lý do thay đổi (nếu có):

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án

(Ông Hoàng Mạnh Thắng) 443/QĐ-ĐHBK- Quyết định về việc cử cán bộ,

viên chức đi công tác nước

TCCB

Ngày 18 tháng 3

năm 2011

ngoài (Ông Nguyễn Tiến Dũng)

(Ông Vũ Văn Yêm) 2522/QĐ-

ĐTĐL2009G/44 650/QĐ-ĐHBK-

ĐTĐL2009G/44 1222A/QĐ-

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Hỗ trợ xây dụng chương trình giao tiếp trên máy tính

Phần mềm trên máy tính đã hoàn thành

Bộ Quốc Phòng

Đánh giá tính khả thi của phương pháp bảo mật dùng kỹ thuật hỗn loạn

Đưa ra nhận định

về khả năng bảo mật dung Hàm lặp Tent-map

Lập phương

án phát triển hướng ứng dụng sau khi hoàn thành

đề tài

Đang hoàn thành phương án đưa bộ điều chế/giải điều chế vào thiết bị

y tế

Hỗ trợ kỹ thuật đo cao tần

Đã hoàn thành các

đo đạc cơ bản

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 TS Hoàng

Mạnh Thắng

TS Hoàng Mạnh Thắng

Chủ trì đề tài (quản lý chung)

Quyết định hướng thực hiện, thực hiện thiết

kế Thiết kế mạch điện

tử, phần mềm trên máy tính và trên vi điều khiển

Báo cáo,

Nguyễn Văn

Khang

Nguyễn Văn Khang

các thông tin liên quan đến chuẩn UWB

3 PGS TS Vũ

Văn Yêm

PGS TS Vũ Văn Yêm

Lĩnh vực cao tần, ăngten và truyền sóng

Thiết kế mạch, ăngten và

chương trình trên máy tính

5 TS Nguyễn

Văn Đức

TS Nguyễn Văn Đức

các thông tin liên quan đến chuẩn UWB

6 TS Phạm

Ngọc Nam

TS Phạm Ngọc Nam

các thông tin liên quan đến chuẩn UWB

7 TS Phạm Văn

Tiến

TS Phạm Văn Tiến

Lập trình trên máy

9 ThS Nguyễn

Xuân Quyền

ThS Nguyễn Xuân Quyền

Lĩnh vực cao tần, ăngten và truyền sóng

Thiết kế mạch, ăngten và

đo đạc, viết báo

(Nội dung, thời gian, kinh

phí, địa điểm, tên tổ chức

người tham gia )

Ghi chú*

1 Tên đơn vị: Viện các Công

nghệ Hệ thống thông minh,

Trường Đai học Alpen-Adria

Klagenfurt, Cộng hòa Áo

Địa chỉ: LAKESIDE B04a

9020 Klagenfurt, AUSTRIA

Nội dung: Tham gia quá

trình nghiên cứu lý thuyết,

Tên đơn vị: Viện các Công nghệ Hệ thống thông minh, Trường Đai học Alpen-Adria Klagenfurt, Cộng hòa Áo Địa chỉ: LAKESIDE B04a

9020 Klagenfurt, AUSTRIA Nội dung: Tham gia quá trình nghiên cứu lý thuyết, thiết

thiết kế, đo lường đánh giá

Thời gian: Trong cả quá

trình thực hiện đề tài

Không dung tiền của Đề tài

cho đoàn ra/vào với đối tác

này

kế, đo lường đánh giá

Thời gian: Trước khi thực hiện đề tài, Chủ nhiệm đề tài

đã đến làm việc 1 tháng tại Viện này Viện này cũng hỗ trợ trong quá trình thực hiện

đề tài

2 Viện Đại Học Bách Khoa

Quốc gia Grenoble

Đia chỉ: 46, avenue Félix

Viallet - 38031 Grenoble

Cedex 1 - France

Nội dung hợp tác:

- Tham khảo và tư vấn

chuyên môn của chuyên gia

đầu ngành trong lĩnh vực

thiết kế chế tạo,

- Sử dụng phần mềm thương

mại CST với chi phí bản

quyền cao mà phía Việt nam

chưa có kinh phí mua với

mục đích mô phỏng các

thông số kỹ thuật của ăngten,

Viện Đại Học Bách Khoa Quốc gia Grenoble

Đia chỉ: 46, avenue Félix Viallet - 38031 Grenoble Cedex 1 - France

Nội dung hợp tác:

- Tham khảo và tư vấn chuyên môn của chuyên gia đầu ngành trong lĩnh vực thiết kế chế tạo,

- Sử dụng phần mềm thương mại CST với chi phí bản quyền cao mà phía Việt nam chưa có kinh phí mua với mục đích mô phỏng các thông số kỹ thuật của ăngten,

và tăng ích của ăngten

Có 01 đoàn ra gồm 4 người

vào năm 2010

và tăng ích của ăngten

Có 01 đoàn ra gồm 4 người vào năm 2011

Thực tế, Chủ nhiệm đề tài đã sang và thực hiện các công việc liên quan đến đề tài với Viện này là 4 lần tổng cộng

Lần 1: tháng 7 năm 2009 (trước khi ký hợp đồng đề tài),

Lần 2: tháng 9 năm 2010, Lần 3: tháng 5 năm 2011 (theo đoàn ra như thuyết minh đề tài)

Lần 4: tháng 7 năm 2011

- Lý do thay đổi (nếu có):

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

(Nội dung, thời gian,

kinh phí, địa điểm )

Kinh phí: 20 triệu đồng

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Thực tế đạt được

Người,

cơ quan thực hiện

1 Nội dung 1: Nghiên cứu phát

triển kỹ thuật hỗn loạn trong

hệ thống truyền thông không

dây băng thông siêu rộng

5/2010

5/2010

9/2009-Nhóm Đại học Bách khoa, Viện các Công nghệ Hệ thống thông minh và Viện Đại học Bách Khoa Quốc gia Grenoble

2 Nội dung 2: Nghiên cứu tính

toán mô phỏng hệ thống

thông tin UWB hỗn loạn

1/2010 đến 8/2010

1/2010 đến 8/2010

Nhóm Đại học Bách khoa, Viện các Công

học Bách Khoa Quốc gia Grenoble

3 Nội dung 3: Nghiên cứu thiết

kế chế tạo bộ điều chế, giải

điều chế tín hiệu băng siêu

rộng dùng kỹ thuật hỗn loạn

5/2010 đến 2/2011

5/2010 đến 2/2011

Nhóm Đại học Bách khoa, Viện các Công nghệ Hệ thống thông minh và Viện Đại học Bách Khoa Quốc gia Grenoble

4 Nội dung 4: Nghiên cứu đề

xuất phương pháp bảo mật

mới trong hệ thống thông tin

UWB dùng kỹ thuật hỗn loạn

11/2010- 8/2011

11/2010- 8/2011

Nhóm Đại học Bách khoa, Viện các Công nghệ Hệ thống thông minh và Viện Đại học Bách Khoa Quốc gia Grenoble

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Thực tế đạt được

- Lý do thay đổi (nếu có):

Tiện cho thử nghiệm và thay thế phòng khi hỏng hóc

dụng kỹ thuật hỗn

loạn

loạn

- Quy trình công nghệ chế tạo, đo kiểm bộ điều chế/giải điều chế UWB sử dụng kỹ thuật hỗn loạn

- Phân tích kết quả

đo kiểm thử nghiệm

2 Bộ tài liệu thiết kế

và quy trình công

nghệ chế tạo, đo

thử angten UWB

- Bản vẽ thiết kế angten UWB

- Quy trình công nghệ chế tạo, đo kiểm angten UWB

- Phân tích kết quả

đo, kết quả mô phỏng

- Đã hoàn thành theo đúng kế hoạch

3 Cơ chế bảo mật

mới cho hệ thống

UWB dùng kỹ

thuật hỗn loạn

được mô tả trong

các báo cáo khoa

học

Chịu được các tấn công hiện nay, tiêu thụ ít năng lượng,

- Theo đúng kế hoạch và được đăng ký sở hữu trí tuệ

4 Các báo cáo về các Các báo cáo hoàn

chỉnh, dễ hiểu,

- Đã hoàn thành theo

và lựa chọn các tham số Các đường cong đường đặc tính thể hiện quan hệ giữa các tham số làm việc của bộ điều chế/giải điều chế như tốc độ bit, khoảng cách, tỷ lệ lỗi bít…

- Đã hoàn thành theo đúng kế hoạch, được ghi vào đĩa CD

- Lý do thay đổi (nếu có):

Số lượng, nơi công bố

(Tạp chí, nhà

xuất bản)

2

01 sách chuyên khảo về

kỹ thuật hỗn loạn ứng

dụng trong truyền thông

01 quyển 01 quyển Nhà xuất bản

Bách khoa

sách in tiếng Anh, xuất bản nước ngoài

Nhà xuất bản INTECH Croatia

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:

Số lượng

Số

TT

Cấp đào tạo, Chuyên

hoạch

Thực tế đạt được

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống cây trồng:

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

xung-biên độ xung hỗn loạn

trong truyền thông

băng siêu rộng (UWB)”

Số đơn: 1-2011-02137

Ngày nhận đơn: 17 tháng 8 năm 2011-09-26Ngày công bố đơn: 20 tháng 9 năm 2011

Nơi nhận đơn: Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa

học và Công nghệ

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

Kết quả

sơ bộ

1

2

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình

độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

tiếp cận và làm chủ các đề tài mới, công nghệ mới mang tính thời sự cao

và nghiên cứu đón đầu và làm chủ công nghệ tiên tiến Đồng thời đề tài cũng là cơ hội để Chủ nhiệm đề tài và các thành viên tham gia nâng cao khả năng tổ chức và triển khai những công việc mang tính hệ thống, yêu cầu sự phối kết hợp chặt chẽ giữa nhiều cá nhân, nhiều bên đối tác hoạt động khoa khoa học có liên quan

- Đề tài đã góp phần phát triển nền tảng lý thuyết và thực tiễn cho nghiên cứu thiết kế liên quan đến lĩnh vực công nghệ cao Nhóm nghiên cứu nhận thấy trách nhiệm rất rõ rằng đây là một cơ hội thúc đẩy khoa học công nghệ của đất nước lên ngang tầm Quốc tế và cho Quốc tế biết trình

độ khoa học công nghệ của người Việt

- Đề tài đã hoàn thành hy vọng tạo ra sự tin cậy về trình độ khoa học công nghệ của người Việt nam trong nước, để từ đó góp phần giúp các cơ quan quản lý có cơ sở để đánh giá khả năng thực sự và từ đó giao việc cho các nhóm nghiên cứu mạnh,

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

- Đề tài đặt ra mục đích giảm chi phí cho bộ điều chế/giải điều chế so với thông thường phù hợp cho các ứng dụng nhằm giúp mang lại lợi ích cho doanh nghiệp và từ đó nhiều người có cơ hội được tiếp cận công nghệ

Cụ thể, với lợi điểm là công suất phát nhỏ và do đó không ảnh hưởng đến sức khỏe, nó sẽ giúp tăng giá trị kinh tế cho các thiết bị y tế công

nghệ cao như thiết bị y tế và chăm sóc sức khỏe

- Góp phần vào việc phát triển các sản phẩm điện tử vô tuyến cầm tay như máy tính xách tay, điện thoại di động, máy trợ giúp cá nhân PDA,… từ

đó gia tăng nhu cầu của xã hội đối với các sản phẩm này

- Bên cạnh đó, bộ điều chế/giải điều chế dùng kỹ thuật hỗn loạn giúp giảm bớt đáng kể mức độ phức tạp về phần cứng so với các phương pháp khác đang được nghiên cứu triển khai Điều này gián tiếp giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng của thiết bị và giảm cả về lượng rác thải mạch điện

tử (do kỹ thuật hỗn loạn có mạch điện đơn giản) mà vẫn thay thế được

cơ chế bảo mật sử dụng nhiều mạch điện phức tạp đang được thử nghiêm

gần đây

Như vậy, rất rõ ràng nhận thấy kết quả của đề tài giúp thúc đẩy phát triển

kinh tế - xã hội và giúp giữ gìn môi trường đáng kể

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

I Báo cáo định kỳ

2010

Đã hòan thành theo đúng tiến độ

2010

Đã hòan thành theo đúng tiến độ

2011

Đã hòan thành theo đúng tiến độ

Lần 4

Tháng 8 năm

2011 (Làm luôn báo cáo kết thúc)

II Kiểm tra định kỳ

2011

Đánh giá tốt tiến độ thực hiện

III Nghiệm thu cơ sở

Dự kiến tháng năm

PHẦN I – TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn thế giới đặc biệt là lĩnh vực truyền thông Các hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển để phục vụ cho các mục đích dân sự và quân sự và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng Trong khoảng 25 năm trở lại đây, truyền thông băng siêu rộng (UWB) đã được sử dụng cho các ứng dụng radar, thăm

dò và các ứng dụng trong quân sự Đặc biệt kể từ khi Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) của Mỹ đưa ra định nghĩa và các chuẩn cho truyền thông băng siêu rộng vào năm 2002, truyền thông băng siêu rộng càng có nhiều ứng dụng được dùng phổ biến hơn Với nhiều ưu điểm như mức độ phức tạp chấp nhận được, giá thành rẻ, ít gây nhiễu cho các hệ thống khác, chống đa đường

và can nhiễu và độ phân giải thời gian tốt, Các hệ thống truyền thông băng siêu rộng đang được tập trung phát triển mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong khoa học và cuộc sống

1.1 Về thông tin băng siêu rộng (UWB)

Các hệ thống thông tin UWB như radio xung và radar xung đều dùng những xung cực ngắn để truyền đi, từ đó có phổ siêu rộng Đặc tính giống nhiễu của tín hiệu sử dụng trong UWB làm cho nó khó bị chặn và phát hiện trong quá trình truyền đi Do mật độ phổ công suất thấp (xem Hình 0.1), tín hiệu UWB tạo ra rất ít nhiễu với các hệ thống radio băng hẹp đang hoạt động

Hình 0 1 Phổ năng lượng của UWB

Tín hiệu radio xung được điều chế thời gian được xem như truyền tin băng tần cơ sở không có sóng mang Đặc tính không sóng mang này đặc trưng cho hệ thống radio xung và radar xung, khác với các hệ thống băng hẹp và hệ thống đa sóng mang trải phổ dãy trực tiếp – cũng được coi là một kỹ thuật băng rộng hoặc siêu rộng Các tín hiệu nhỏ nhảy tần nhanh hoặc tín hiệu hình sin suy giảm theo hàm mũ cũng có thể tạo ra được tín hiệu UWB Hình 0.2 dưới đây mô tả các cơ chế điều chế được sử dụng trong UWB truyền thống gồm điều chế vị trí xung (PPM), điều chế xung trực giao v v

(a) Các xung không được điều chế

(b) Điều chế biên độ xung

(c) Điều chế kiểu dịch chuyển BẬT/TẮT

(d) Điều chế dùng các xung trực giao nhau

(e) Trải phổ nhảy thời gian (time hopping)

(f) Trải phổ trực tiếp (direct spreading ) Hình 0 2 Các mô hình điều chế dùng trong UWB truyền thống

UWB có nhiều ưu điểm thu hút sự quan tâm nhất là các ứng dụng truyền thông thương mại:

‐ Một cách tương đối, độ phức tạp và giá thành của UWB thấp và rẻ hơn

so với các phương pháp truyền thông khác dựa trên tốc độ bit và khoảng cách truyền tin

‐ Tín hiệu được truyền đi có nhiều đặc điểm giống nhiễu

‐ Chịu được hiện tượng đa đường ngay cả trong trường hợp rất xấu, chịu được can nhiễu

‐ Độ phân giải trong miền thời gian tốt nên được dụng nhiều trong các ứng dụng định vị và giám sát

Độ phức tạp thấp và giá thành rẻ của hệ thống UWB xuất phát từ đặc tính của tín hiệu băng tần cơ sở Không giống như các hệ thống vô tuyến thông thường, bộ phát UWB tạo ra một xung cực ngắn trong miền thời gian và tín hiệu này được truyền mà không cần nâng tần và khuếch đại Quá trình ngược lại cũng không cần phải hạ tần ở máy thu Điều này nghĩa là không cần bộ dao động nội ở máy thu, loại bỏ được các trễ do tính phức tạp của mạch và ở các vòng bám pha Do vậy, các hệ thống UWB có thể thực hiện bằng các IC giá rẻ, công suất thấp

Do mật độ năng lượng thấp và đặc tính giả ngẫu nhiên (pseudo-random) của tín hiệu truyền đi nên tín hiệu UWB có tính giống nhiễu, khiến cho việc

dò được thông tin là rất khó Hơn nữa, truyền thông băng UWB không can nhiễu nhiều đến các hệ thống thông tin hiện tại

Do đặc tính băng thông rộng của tín hiệu được truyền, ta có thể đạt được

độ phân giải đa đường rất cao Băng thông rộng cho phép và yêu cầu phân tập tần số lớn cùng với truyền thông tin rời rạc làm cho tín hiệu băng siêu rộng điều chế thời gian (TM-UWB) chịu được tốt hiện tượng đa đường và hiện tượng can nhiễu/nhiễu Các hệ thống TM-UWB cho phép xác suất bị chặn thấp (LPI) và xác suất bị phát hiện thấp (LPD) Bởi vậy, các hệ thống này phù hợp với các ứng dụng trong quân sự và các ứng dụng bảo mật

Các xung rất ngắn trong miền thời gian được dùng trong hệ thống UWB cho phép định thời một cách chính xác hơn nhiều so với GPS và các hệ thống

vô tuyến khác Cùng với đặc tính xuyên thấu vật liệu tốt, các tín hiệu UWB cho phép khả năng thực hiện các ứng dụng radar tầm ngắn như các hoạt

TM-1.2 Về kỹ thuật hỗn loạn

Tín hiệu hỗn loạn là các tín hiệu không tuần hoàn, giống nhiễu từ các hệ thống động phi tuyến tính Nói chung, một hệ thống động có số lượng biến trạng thái độc lập là cố định mà quỹ đạo chuyển động của nó được điều khiển bằng một tập các phương trình vi phân chứa tất cả các biến trạng thái Với một hệ thống bậc N, N biến trạng thái tồn tại và một tập N phương trình vi phân được viết ra Để hiểu các tín hiệu hỗn loạn được sinh ra như thế nào, ta xem xét các biểu diễn rời rạc của các hệ thống động Một cách cơ bản, khi một hệ thống được mô tả trong miền thời gian rời rạc, các biến trạng thái của

nó được lấy mẫu tại các khoảng thời gian cố định và động học của nó được

mô tả bằng một hàm lặp (iterative) mà biểu diễn các trạng thái tại điểm lấy mẫu theo các điểm lấy mẫu trước đó, nghĩa là , với với là vector các biến trạng thái tại điểm lấy mẫu thứ n, là hàm lặp biểu diễn động học của hệ thống, và là vector các tham số ảnh hưởng lên hệ thống Các hệ thống hỗn loạn là các hệ thống động mà các biến trạng thái của nó biến đổi theo một mô hình giới hạn, không tuần hoàn và giống ngẫu nhiên

Nó cũng được đặc trưng bằng một tính chất đặc biệt là nhạy với các điều kiện đầu, nghĩa là hai điều kiện đầu rất gần nhau có thể dẫn tới hai đường chuyển động hoàn toàn không tương quan với nhau một cách nhanh chóng Tính chất này, một cách lý thuyết, cho phép ta tạo ra vô số các tín hiệu hỗn loạn không tương quan từ cùng một hệ thống bằng các sử dụng các điều kiện đầu khác nhau Một điều đáng chú ý nữa là do tính ngẫu nhiên của nó, các tín hiệu hỗn loạn có hàm tự tương quan dạng xung và có phổ công suất băng rộng Hàm tương quan chéo của các tín hiệu hỗn loạn cũng có giá trị rất nhỏ

Tín hiệu hỗn loạn cùng với đặc tính băng rộng của nó có thể dùng trong việc trải phổ thông tin băng hẹp Bởi vậy, sử dụng tín hiệu hỗn loạn để mã hóa thông tin, các tín hiệu thu được sẽ là những tín hiệu trải phổ, có băng thông rộng và mật độ phổ công suất thấp Chúng có được tất cả những ưu điểm của tín hiệu trải phổ như khó bị dò, giảm bớt được hiệu ứng fading đa đường, chống can nhiễu (jamming), Hơn nữa, một số lượng lớn các dạng sóng trải phổ có thể được tạo ra một cách dễ dàng do đặc tính nhạy với điều

kiện đầu và sự thay đổi các tham số Do đó, kỹ thuật hỗn loạn có thể được dùng làm cơ sở để xây dựng các hệ thống truyền thông tin trải phổ với giá thành rẻ và đa năng Trong những năm gần đây, một số kỹ thuật điều chế và giải điều chế đã được đề xuất để truyền thông tin

Một trong các kỹ thuật điều chế ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn đã được đưa

ra và phát triển dựa trên vị trí xung (CPPM), đó là kỹ thuật điều chế hỗn loạn

vị trí xung Đây là phương pháp điều chế số sử dụngbộ tạo hỗn loạn để định thời gian xuất hiện tương đối của các xung trong chuỗi Với kỹ thuật điều chế truyền thống, vị trí của xung tương đối so với xung trước đó được xác định bởi một trong hai trường hợp (trễ ngắn hay trễ dài), nó thể hiện trạng thái của bit thông tin được điều chế lên Khác với kỹ thuật điều chế truyền thống đó, vị trí xung tiếp theo so với xung trước đó không nhận một trong hai giá trị, mà

có thể nhận giá trị nhiều mức Giá trị nhiều mức này được sinh ra từ một hàm tạo hỗn loạn Như vậy khỏang thời gian giữa các xung thay đổi theo một hàm hỗn loạn nào đó

Với CPPM, việc khôi phục được thực hiện thông qua quá trình đồng bộ giữa hai bộ tạo hỗn loạn Đồng bộ hỗn loạn được xác lập thì khoảng thời gian giữa các xung cũng được xác định ở bên thu và từ đó khôi phục lại được bit

đã được truyền Một hệ thống CPPM được đưa ra như trong Hình 3 dưới đây

Hình 0 3 Mô hình điều chế CPPM Cho tới nay, nhiều phương pháp điều chế dùng kỹ thuật hỗn loạn đã được

đề xuất Trong đó, phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) là một

1.3 Tính cấp thiết

Như đã đề cập ở trên, truyền thông băng rộng truyền thống có những ưu điểm mà nổi bật là tính đơn giản trong việc thực hiện điều chế Tuy nhiên có những đơn giản về ý tưởng trong điều chế, nhưng việc thực hiện mạch lại hoàn toàn không đơn giản để có giá thành thấp Mặt khác, khả năng bảo mật của UWB hiện nay chủ yếu dựa vào các bộ mật mã vốn có chi phí lớn

Khi nói đến kỹ thuật hỗn loạn không thể không nói đến ưu điểm khi dùng

là mạch điện tử tạo ra dao động rất đơn giản và có thể tạo ra tín hiệu ở bất kỳ dải tần số nào Hơn nữa, tín hiệu hỗn loạn có đặc điểm giống nhiễu trắng nên mang đặc điểm của trải phổ

Bên cạnh đó, để đáp ứng yêu cầu về mã hóa thông tin nhanh và bảo mật trong thời đại bùng nổ về thông tin như hiện nay, các hệ thống truyền thông ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn đã được nghiên cứu trong khoảng 20 năm gần đây Vì vậy, các hệ thống này thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu không chỉ cho các kỹ thuật điều chế mà còn cho các lĩnh vực khác như bảo mật, trải phổ,

Dựa trên những hướng phát triển và các đặc điểm nổi trội của truyền thông băng siêu rộng và truyền thông hỗn loạn, năm 2009, nhóm nghiên cứu

cùng các cộng sự đã đề xuất đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều chế/giải điều chế tín hiệu băng thông siêu rộng sử dụng kỹ thuật hỗn loạn (chaotic UWB)”

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của Đề tài này nhằm thiết kế một hệ thống thu phát dùng phương pháp điều chế và giải điều chế CPPM với các xung là các tín hiệu hỗn loạn có băng siêu rộng thay vì các xung cực ngắn của truyền thông UWB thông thường Do đó, hệ thống vẫn đảm bảo được tính bảo mật với việc điều chế CPPM, vừa tạo ra được tín hiệu có băng siêu rộng một cách dễ dàng hơn, khắc phục được những khó khăn khi sử dụng phương pháp tạo và thu phát

dùng xung cực ngắn Đề tài tập trung thiết kế cho dải tần số 3.1Ghz-10.6 Ghz

và theo qui định của FCC về truyền thông trong nhà Hơn nữa, bộ điều chế và giải điều chế này được hướng đến ứng dụng với bộ thủ tục 802.15.4a phiên bản 2007

Bên cạnh những mục tiêu về thiết kế chế tạo, Đề tài cũng đặt ra các mục tiêu về đào tạo nguồn nhân lực cũng nhu tạo ra các xuất bản có ý nghĩa trong đào tạo

3 PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Cụ thể đề tài đã hoàn thành việc các việc cơ bản sau trong quá trình thiết

kế và chế tạo bộ điều chế và giải điều chế cho truyền thông băng siêu rộng trong nhà ở dải tần số 3.1 Ghz-10.6 Ghz theo qui định của FCC:

- Mô phỏng các phân hệ của hệ thu phát dùng phần mềm Matlab/Simulink

- Xây dựng sơ đồ khối hệ thống thu phát sử dụng phương pháp điều chế

và giải điều chế CPPM cho truyền thông băng siêu rộng dung kỹ thuật hỗn loạn

- Thiết kế hệ thu và phát

- Chế tạo mạch thu phát

- Thiết kế và viết phần mềm điều khiển

- Chạy thử nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN CỦA ĐỀ TÀI

Về nguyên lý, ta hoàn toàn có thể sử dụng các xung cực ngắn nhằm tạo ra phổ rộng cho phương pháp điều chế và giải điều chế vị trí xung hỗn loạn

và giải điều chế CPPM sẽ được trình bày trong báo cáo này Kỹ thuật này vừa tận dụng được tính chất phổ siêu rộng và dễ dàng tạo ra của tín hiệu hỗn loạn, vừa có được tính bảo mật cho cho việc truyền thông do sử dụng phương pháp điều chế CPPM

Đề tài này được thực hiện dựa trên các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học ở các phạm vi hẹp đã được đăng tải trên các tạp chí khoa học chuyên ngành có chất lượng cao Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã được xem xét đưa vào thiết kế của đề tài Chính vì vậy, xét về tính mới

và trình độ công nghệ thì đề tài đã đáp ứng được với trình độ khoa học của quốc tế và được cập nhật các kỹ thuật mới nhất

Cụ thể, để nghiên cứu và phát triển đề tài, các phương pháp sau sẽ được

áp dụng:

- Tổng hợp các giải pháp kỹ thuật cho bài toán đặt ra cụ thể là theo tiêu chuẩn Châu Âu; cụ thể: Đối với hệ thống UWB, dải tần làm việc từ 3.1-10.6 GHz, một dải tần rất rộng và việc thiết kế chế tạo phần cứng như ăngten, bộ điều chế/giải điều chế là rất khó khăn so với công nghệ truyền thống Ngoài

ra, hệ thống UWB tồn tại song song với các hệ thống vô tuyến sẵn có mà không gây nhiễu, do vậy mật độ công suất tín hiệu phải nhỏ hơn -41.3 dBm/MHz theo tiêu chuẩn đặt ra

- Phân tích bộ điều chế/giải điều chế truyền thống, ứng dụng có chọn lựa các giải pháp khả thi dùng kỹ thuật hỗn loạn

- Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng giải pháp điều chế/giải điều chế đã lựa chọn

- Thiết kế chế tạo mẫu thử nghiệm Việc thiết kế chế tạo được thực hiện thông qua hợp tác với các cơ sở nghiên cứu mạnh đã có nhiều năm kinh nghiệm về lĩnh vực này

- Đo đạc, kiểm nghiệm và đánh giá các tham số Mô hình đo đạc và đánh giá các tham số được đưa ra với sự tham khảo, tư vấn và góp ý bởi các nhà khoa học hàng đầu trong nước và nước ngoài

Các yếu tố liên quan đến kỹ thuật được nhận ra và tận dụng trong tiến hành triển khai đề tài:

- Đề tài này ứng dụng kỹ thuật được xây dựng từ lý thuyết đến vào thực tiễn Do vậy, trước hết các thuật toán mô hình sẽ được xây dựng và được kiểm nghiệm dựa trên mô hình mô phỏng máy tính, từ đó phát triển trên mô hình thử nghiệm ở quy mô nhỏ Qua đánh giá thử nghiệm, mô hình sẽ được phát triển từng bước để phù hợp với quy mô thực tế,

- Đề tài sẽ được phát triển dựa trên sự kết hợp các năng lực nghiên cứu thực tế ở trong nước, kế thừa các kinh nghiệm và kiên thức sẵn có, đồng thời kết hợp với các quan hệ quốc tế để tận dụng những lợi thế đi trước của họ trong lĩnh vực thiết kế mạch tần số siêu cao,

- Đề tài sẽ được nghiên cứu và tìm hiểu sao cho phù hợp với điều kiện thực tế và khả năng ứng dụng của Việt Nam,

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài được thực hiện bằng cách kết hợp các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học được nhóm nghiên cứu tìm hiểu và thể hiện lại ý tưởng trên mô phỏng Các kết quả mô phỏng được dùng xem xét đưa vào thiết kế Các mô phỏng đơn lẻ được hoàn thành sẽ được dùng vào thiết kế mạch điện cứng

Sau khi có được thiết kế trên máy tính, hệ thống được thực hiện trên thiết

kế thực nghiệm Qua nhiều lần triển khai thiết kế thực nghiệm đã cho ra được các phiên bản khác nhau của mạch cứng

Như được đề cập rõ trong nội dung thuyết nghiên cứu, đề tài này được đưa ra nghiên cứu với nhiều yếu tố mới và đòi hỏi tính sáng tạo rất cao Cụ thể, là đưa ra phương thức điều chế/giải điều chế dùng kỹ thuật hỗn loạn không những đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật của một hệ thống UWB mà còn

lĩnh vực UWB Từ đó, thấy được các ưu và nhược điểm có thể kế thừa hay loại bỏ trong quá trình đưa ra mô hình mới

Bước tiếp theo là tiến hành xây dựng mô hình điều chế/giải điều chế dựa trên những chọn lọc các yếu tố phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và mục tiêu của

đề tài Các ưu điểm phù hợp và liên quan đến đồng bộ hỗn loạn, điều chế dùng kỹ thuật hỗn loạn và bảo mật trong nội tại mô hình được đưa vào thiết

kế Tiếp theo là mô phỏng hoạt động cho mô hình đồng bộ hỗn loạn và cơ chế điều chế/giải điều chế đã lựa chọn theo từng phần nhỏ dùng các phần mềm Matlab/Simulink và SPICE… Sử dụng các phương pháp đánh giá cho các tiêu chí nhằm điều chỉnh thiết kế và các tham số sao cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Hệ thống có đủ yêu cầu mong muốn được đưa ra thực hiện hiện mạch điện tử

Việc tiến hành so sánh các kết quả tính toán bằng công cụ tự phát triển với các kết quả tính toán bằng các phần mềm thương mại sẽ được thực hiện với

sự trợ giúp của bên đối tác tham gia

Hơn nữa, kỹ thuật thiết kế và chế tạo mạch in chính xác được sử dụng để thiết kế và chế tạo các mẫu thực nghiệm, dùng cho việc đo thử và kiểm nghiệm thực tế

5.2 Công cụ:

Sản phẩm nghiên cứu được thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau như khoảng cách, tốc độ bit, ảnh hưởng của nhiễu lên tốc độ bit… nhằm đánh giá các tính năng và thông số thực nghiệm thực tế Tuy nhiên ở Việt nam, các thiết bị này không có đầy đủ nên việc đo đạc chi tiết và chính xác là rất khó thực hiện

Các thiết bị đã được sử dụng trong quá trình thực hiện Đề tài

- Máy tính để bàn và máy tính chủ phục vụ cho mô phỏng và thiết kế;

- Phần mềm dung trong mô phỏng và thiết kế: Matlab/Simulink 2008a, Proteus, ModelSim 6.5, PSPICE…ORCAD 10.5, Proteus, ADS, CST, Altium 10…

- Thiết bị hàn mạch: mỏ hàn nhiệt, hàn hơi…

- Mạch in: tự làm trong nước (Công ty/Xưởng Kim Sơn, Mai Hưng, M2 Quân đội….) và đặt nước ngoài (Công ty Futurlec, Úc)

- Thiết bị demo: KIT DE1, DE2 của Altera,

- Thiết bị đo: Máy hiện sóng ở dải tần số thấp (tại SIP-LAB có), tần số cao (Viện Đại học Grenoble, Pháp; Khoa ĐT-VT, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG HN), máy đo và phân tích phổ, máy phân tích mạng…

- Các loại linh kiện như được kèm theo trong báo cáo đầy đủ của Đề tài

6 NỘI DUNG BÁO CÁO CỦA ĐỀ TÀI

Báo cáo Đề tài được chia làm các Phần và các Chương như sau:

PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• Chương 1: Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng (UWB)

Chương này trình bày các kiến thức tổng quan về truyền thông băng siêu rộng, bao gồm: khái niệm, các quy định về truyền thông băng siêu rộng, mô hình kênh và các sơ đồ điều chế thường dùng trong truyền thông băng siêu rộng thông thường

• Chương 2: Tổng quan về truyền thông hỗn loạn

số hệ thống hỗn loạn cơ bản Chương này cung cấp những nền tảng cơ bản trước khi đi sâu vào các phương pháp điều chế hỗn loạn ở Chương 4

• Chương 3: Phương pháp tạo tín hiệu hỗn loạn băng siêu rộng

Chương này trình bày các phương pháp tạo ra tín hiệu hỗn loạn có băng siêu rộng, thỏa mãn các định nghĩa và quy định đã nêu ở Chương 1 Các phương pháp gồm có dùng bộ dao động Colpitts có sửa đổi, dùng bộ dao động 2 5 bậc tự do và bộ khuếch đại vòng

• Chương 4: Phương pháp điều chế và giải điều chế số dùng kỹ thuật

hỗn loạn

Chương này tập trung vào các phương pháp điều chế và giải điều chế số dùng kỹ thuật hỗn loạn, đặc biệt nhấn mạnh vào phương pháp điều chế và giải điều chế vị trí xung hỗn loạn CPPM được dùng trong hệ thống thu phát đề xuất

• Chương 5: Ăngten vi dải và ăngten UWB vi dải

Chương này tập trung trình bày về cơ sở lý thuyết, mô hình truyền sóng của ăng ten vi dảivà ăngten vi dải ứng dụng trong UWB

PHẦN III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

• Chương 6: Thiết kế mô phỏng phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) cho truyền thông băng siêu rộng

Chương này tập trung chính và việc thực hiện trên máy tính cho phương pháp điều chế CPPM bao gồm các mô phỏng hoạt động cũng như đánh giá hoạt động trên máy tính Bước này được thực hiện trước khi đi vào thiết kế chế tạo, mô hình điều chế/giải điều chế, nhằm thấy được tính khả thi

về phương pháp tiếp cận Các kết quả mô phỏng đã cho thấy khả thi của

phương án đề xuất, đó là CPPM kết hợp với kỹ thuật hỗn hỗn loạn để cho ra

bộ điều chế giải điều chế làm việc ở băng thông siêu rộng

• Chương 7: Thực hiện thiết kế chế tạo bộ điều chế/giải điều chế truyền

thông băng siêu rộng ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn

Chương này tập trung vào chi tiết thiết kế, chế tạo bộ điều chế và giải điều chế sử dụng kỹ thuật hỗn loạn Các loại linh kiện điện tử, cơ chế truyền tin trong thử nghiệm hoạt động của bộ điều chế và giải điều chế, mạch in và các

kế quả đo đạc được đề cập ở Chương này

• Chương 8: Thiết kế và lập trình phần mềm

Cấu trúc và nội dung thiết kế phần mềm được mô tả ở Chương này Chi tiết về mã của chương trình có thể được trình bày trong tài liệu Qui trình thiết

kế chế tạo

• Chương 9: Thiết kế và chế tạo ăngten vi dải băng thông siêu rộng

Các mẫu ăngten và các tham số thiết kế được đưa ra chi tiết ở đây Các kết quả này được ứng dụng vào bộ thu phát của đề tài

PHẦN IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

• Chương 10: Quá trình chế tạo và hoàn thành bộ điều chế

Các sản phẩm sau quá trình thiết kế được trình bày ở đây thông qua các hình ảnh trực quan Các kết quả đo lường thực nghiệm cũng được trình bày

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Nội dung thực hiện của đề tài được tóm tắt ngắn gọn ở phần này Một

số hướng phát triển tiếp theo cũng được đưa ra

Viện Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà nội cùng với sự hỗ trợ của các đơn vị hợp tác trong suốt thời gian thực hiện đề tài Đề tài đã được thực hiện thành công đáp ứng đầy đủ các yêu cầu theo thuyết minh đề tài Với kết quả này, hy vọng sẽ có những hợp tác với các doanh nghiệp để có những bước đi tiếp theo đến sản phẩm có thể thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi Nhóm nghiên cứu xin cảm ơn sự đóng góp tích cực của các thành viên và hợp tác nhiệt tình của các đối tác công ty trong nước và đặc biệt tới Viện Đại học Grenoble (Pháp) trong thời gian thực hiện đề này

7 DANH SÁCH CÁC CÁN BỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Danh sách cán bộ tham gia chính thực hiện đề tài phía Việt nam:

1 PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng (Chủ nhiệm Đề tài)

2 PGS.TS Vũ Văn Yêm

3 PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng

4 PGS.TS Nguyễn Văn Đức

5 TS Phạm Ngọc Nam

6 TS Nguyễn Văn Tiến

7 PGS.TS.Nguyễn Văn Khang

8 NCS Nguyễn Xuân Quyền

Danh sách sinh viên và học viên cao học tham gia thực hiện đề tài

1 Nguyễn Tiến Đạt, Sinh viên - K50, hiện là học viên cao học năm cuối tại trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

2 Vũ Quang Hiển, Sinh viên - K50, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội Hiện

là chuyên viên kỹ thuật của Viettel Telecoms và đang làm việc tại Haiti