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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN QUYỀN PHƢƠNG 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN QUYỀN PHƢƠNG 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 LỜI CẢM ƠN 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 Chƣơng 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 phƣơng 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. Phƣơng pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn 33 1.6. Kết luận 36 Chƣơng 2 37 Phƣơng 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. Ƣớc lƣợng 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 Chƣơng 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. Ƣớc lƣợng 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 hƣớng phát triển 85 Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án 85 Đóng góp khoa học của luận án 86 Hƣớng 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 ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gausian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BW Bandwidth Băng thông 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 COOK Chaotic On/Off Keying Khóa tắt/mở hỗn loạn 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 CSK Chaos Shift Keying Khóa dịch 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 DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số 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 FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số LPI Low Probability of Intercept Xác suất bị chặn thấp MA Multiple Access Đa truy nhập MA-DS/SS Multiple Access- Direct- Sequence/Spread-Spectrum Đa truy nhập-trải phổ chuỗi trực tiếp MP Micro-Processor Bộ vi xử lý NRZ Non Return to Zero Không trở về không 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 PFM Pulse Frequency Modulation Điều chế tần số xung PIM Pulse Interval Modulation Điều chế khoảng cách xung PN Pseudo-random Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên PNS Pseudo-random Noise Sequence Chuỗi nhiễu giả ngẫu nhiên PPM Chaotic Pulse Position Điều chế vị trí xung PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PTEG Pulse-Triggered Edge Generator Bộ phát sườn xung được kích thích bởi xung PTM Pulse Time Modulation Điều chế thời gian xung PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung QCSK Quadrature Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn cầu phương RBF Radial Basis Function Hàm cơ bản xuyên tâm S/H Sample-and-Hold Lấy và giữ mẫu SNR Signal Noise Rate Tỷ số tín hiệu trên tạp âm UWB Ultra Wide Band Băng siêu rộng VPP Variable-Position Pulse Xung vị trí biến đổi VPP-PNS Variable-Position Pulse and Pseudo- random Noise Sequence Xung vị trí biến đổi và chuỗi giả ngẫu nhiên [...]... 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. .. của các xung vừa mang thông tin lại vừa biến đổi hỗn loạn [38,63] Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 20 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... 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 tƣơng 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. .. 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. .. 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 4 Danh mục các hình 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. .. 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 Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 26 [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... 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... hơn so với hệ thống DS/SS truyền thống sử dụng chuỗi m hoặc chuỗi Gold [42] 1.4 Các phƣơng 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... 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 Chƣơng 2 Phƣơng pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM: Chương này đề xuất và thực hiện phương pháp CPWPM Sơ đồ điều. .. 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 . 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 phƣơng pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn. 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. 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