Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM

Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSMNguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM Nguyên lý hoạt động và bảo mật mạng di động GSM

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian năm học tập khoa Điện- Điện tử tàu biển trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, phân công khoa đồng ý hướng dẫn thầy PGS.TS Lê Quốc Vượng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cho phép em bày tỏ lời cảm ơn thầy cô giáo khoa tận tình dạy dỗ em thời gian học tập rèn luyện trường Đồng thời em gửi lời cảm ơn đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Lê Quốc Vượng hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình hoàn thành đồ án Cùng giúp đỡ nhiệt tình, vô tư bạn tập thể lớp DTV52- DH1 Tuy vậy, thời gian có hạn, kiến thức hạn chế sinh viên nên đồ án tốt nghiệp không tránh khỏi thiếu sót, hạn chế định Vì vậy, em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy cô toàn thể bạn để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung đồ án tốt nghiệp thực hướng dẫn trực tiếp thầy PGS.TS Lê Quốc Vượng Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Sinh viên, Nguyễn Thị Nhung MỤC LỤC Trang PHỤ LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU PAM Pulse Amplitude Modulation – Điều biên xung PPM Pulse Phase Modulation – Điều pha xung PFM Pulse Frequency Modulation – Điều tần xung PCM Pulse Code Modulation – Điều xung mã DC/AC Dòng chiều/ xoay chiều ESS Electronic Switching System – Chuyển mạch điện tử CO Central Office – Trạm trung tâm RT Remote Terminal – Thiết bị đầu cuối từ xa ISDN Intergrated Service Digital Network – mạng số dịch vụ tổ hợp ASL Analog Subcriber Line – Đường dây thuê bao tương tự DSL Digital Subcriber Line – Đường dây thuê bao số TDM Time Devide Modulation – Ghép kênh phân chia theo thời gian FCC Federal Communication Committee OIRT Organization International Radio Television NTSC National Television System Committee SECAM PAL Sequentiel Couleur A Memoire Phase Alternative Line DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng 1.1 1.2 3.1 Tên bảng Các chuẩn điện thoại cho vòng thuê bao Các hệ thống điện thoại di động tiêu biểu Biểu diễn độ méo(delta) tín hiệu tần số f_cutoff thay đổi Trang 11 14 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Tên hình Trang Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin Ví dụ tín hiệu nguyên thủy Mô hình kênh với tín hiệu vào Mô hình thiết bị mã hóa đơn giản Hệ thống điện thoại có đầu cuối từ xa Sơ đồ khối chức số kênh CDMA Mô tả mức quy định điều chế biên độ Phổ tín hiệu điều chế AM, DSB, SSB Sơ đồ xung tín hiệu Một số hình ảnh tín hiệu trước sau điều chế FM Dạng phổ tín hiệu sau điều chế FM dải hẹp Sơ đồ mạch điều chế FM Phổ băng tần hẹp Phổ tín hiệu sau điều chế WBFM Tín hiệu sau điều chế PM Sơ đồ khối điều chế AM mức thấp Sơ đồ khối điều chế AM mức cao Sơ đồ khối giải điều chế AM Phổ tín hiệu tin tín hiệu điều chế DSB-AM Giải điều chế tín hiệu DSB-AM Hình ảnh tín hiệu phổ tín hiệu sau điều chế giải điều chế f_cutoff=150 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=100 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=120 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=170 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=200 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=250 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=350 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=360 Phổ tín hiệu sau giải điều chế f_cutoff=400 Đường biểu diễn độ méo tín hiệu theo biến thiên tần số f_cutoff 10 12 15 21 23 24 26 27 27 28 28 29 31 31 34 36 37 43 45 46 46 47 47 48 48 49 51 MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin liên lạc phát triển nhanh chóng Ngay Việt Nam, chục năm qua cho thấy biến đổi hệ thống thông tin liên lạc cách ngoạn mục với việc đưa vào khai thác diện rộng sở hạ tầng viễn thông, phục vụ cung cấp nhiều dịch vụ Do hệ thống truyền tin mối quan tâm nhiều người đặc biệt sinh viên kĩ thuật điện tử viễn thông để có tảng vững trường có công việc ổn định Trong hệ thồng truyền tin có truyền tin liên tục truyền tin rời rạc Đồ án xin trình bày khía cạnh nhỏ hệ thống truyền tin liên tục: “ Xây dựng chương trình khảo sát ảnh hưởng tần số cắt lọc thông thấp trình giải điều chế tín hiệu DSB-AM” Với đề tài này, em phân tích ảnh hưởng tần số f_cutoff lọc thông thấp tới tín hiệu sau giải điều chế DSB-AM qua hình ảnh chương trình mô Matlab xây dựng chương trình xác định độ méo tín hiệu Nội dung đồ án gồm phần: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin Chương 2: Điều chế giải điều chế Chương 3: Chương trình mô CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Khái niệm hệ thống thông tin - Tin tức: phản ảnh vật khách quan nhận biết người Tin tức có tính chất mẻ độ tin cậy - Thông tin: phản ảnh mang tính hướng đích (sự quan tâm người nhận) vật khách quan nhận biết người Một tin quan tâm thông tin người Tin tức thông tin gắn liền với giao lưu trao đổi Nếu giao lưu trao đổi không thành tin tức thông tin - Một hệ thống truyền tin tức, thông tin từ nguồn phát đến thu gọi hệ thống truyền tin hệ thống viễn thông Tin tức, thông tin truyền xử lý hệ thống viễn thông điện tử biểu thị dạng tín hiệu sóng đoạn tin gửi Trong hệ thống thông tin nào, điểm thu, tín hiệu thông tin hữu ích nhận có tạp nhiễu kèm theo Tạp nhiễu thân hệ thống tác động gây nên gọi tạp âm tác động bên hệ thống gây nên gọi can nhiễu - Tạp nhiễu giới hạn khả truyền tin hệ thống Nếu tạp nhiễu truyền đoạn tin hệ thống truyền tin điện tử đến ranh giới vũ trụ mà cần lượng vô nhỏ Tuy nhiên thực tế phải tính đến yếu tố suy hao lượng sóng môi trường truyền yếu tố can nhiễu gây nên Theo lượng mang tin: + Hệ thống điện tín dùng lượng điện chiều + Hệ thống thông tin vô tuyến điện dùng lượng sóng điện từ + Hệ thống thông tin quang (hệ thống báo hiệu, thông tin hông ngoại, laser, cáp quang…) + Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm,… Theo nhu cầu kĩ thuật: giúp cán kĩ thuật nhận thức vấn đề cách cụ thể tìm hiểu khai thác loại hệ thống cách dễ dàng Theo đặc điểm thông tin: + Hệ thống truyền tin rời rạc + Hệ thống truyền tin liên tục Chúng ta định nghĩa: Truyền tin dịch chuyển thông tin từ điểm đến điểm khác môi trường xác định Hai điểm gọi điểm nguồn tin điểm nhận tin Môi trường truyền tin gọi kênh tin Sơ đồ khối chức hệ thống truyền tin gồm khâu chính: nguồn tin, kênh tin nhận tin Nguồn Kênh tin tin Nhận tin Hình 1.1 Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin Trong sơ đồ này: -Nguồn tin nơi sản sinh hay chứa tin cần truyền Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nhận tin, dãy phần tử sở nguồn tin truyền với phân bố sác xuất Dãy gọi tin Vậy nguồn tin tập hợp tin mà hệ thống truyền tin dùng để lập tin khác để truyền tin -Kênh tin môi trường lan truyền thông tin Để lan truyền thông tin môi trường vật lý xác định, thông tin phải chuyển thành tín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan -Thu tin cấu khôi phục thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy đầu kênh 1.2 Những vấn đề 1.2.1.Định nghĩa -Một nguồn tin số tạo tập hữu hạn đoạn tin có Ví dụ: máy đánh chữ -Một nguồn tin tương tự tạo đoạn tin xác định dãy liên tục Ví dụ: microphone -Một hệ thống truyền tin số truyền tin tức từ nguồn số tới thu -Một hệ thống truyền tin tương tự truyền tin tức từ nguồn tương tự tới thu -Ưu điểm truyền tin số: 10 Thực biến đổi Fourier : Y(f) = 0.025 sinc[0.05(f)] (1- ) + sinc[0.05(f-500)] (1- ) + 0.0125 0.0125 sinc[0.05(f+500)] (1- ) Trong đó: Số hạng thứ tương ứng với tín hiệu tin số hạng lại ứng với thành phần cao tần tần số gấp lần tần số sóng mang Phổ tín hiệu lối mạch trộn có thành phần thông thấp, tương tự phổ tín hiệu tin có hệ số ½ thành phần thông dải nằm 2fc (500Hz) Bộ lọc thông thấp sử dụng để tách thành phần thông thấp khỏi thành phần thông dải Để khôi phục lại tín hiệu tin m(t), ta cho tín hiệu thu sau diều chế qua lọc 3.2.2 thông thấp có độ rông băng 150Hz Bộ lọc thông thấp lí tưởng có đặc điểm: H(f) = |f| 150 = với tần số f khác Chương trình Matlab Chương trình Matlab cho giải điều chế DSB-AM : • Phần nhập liệu đầu vào : Khoảng thời gian tồn tín hiệu : t0=0.15 Khoảng thời gian lấy mẫu: ts=1/1500 Tần số sóng mang:fc=250 Tần số lấy mẫu: fs=1/ts Vec tơ thời gian, nằm khoảng 0t0 : t=[0:ts:t0] Độ phân giải tần số mong muốn :df=0.3 • Tín hiệu tin xây dựng dòng lệnh: m =[ones(1,t0/(3*ts)),-2*ones(1,t0/(3*ts)),zeros(1,t0/(3*ts)+1)] =[ ones(1,75),-2*ones(1,75),zeros(1,76)] Tín hiệu tin m gồm có 226 phần tử: + ma trận hàng 75 cột với giá trị 47 + ma trận hàng 75 cột với giá trị -2 + ma trận hàng 76 cột với giá trị Tín hiệu sóng mang tính công thức: c=cos(2*pi*fc.*t) Độ dài vec tơ c length(c)= length(t)= length(m)=226 phần tử Tín hiệu sau điều chế u tích tín hiệu tin m tín hiệu sóng mang c tần số góc pha: u=m.*c Qua trộn, tín hiệu u trộn với sóng mang: y=u.*c - Biến đổi Fourier hàm fftseq giải thích chương trình riêng(trong phụ lục), ta phổ tín hiệu tin tín hiệu điều chế hàm sau : [M,m,df1]=fftseq(m,ts,df) Fftseq dử dung dạng thức biến đầu vào:m,ts,df biến đầu M,m,df1 Bên trái biến đầu vào, bên phải biến đầu Các biến đầu là: + M biến đổi Fourier nhanh fft m + m đầu dãy đầu vào thêm số để độ dài phù hợp + df1 độ phân dải tần số tương ứng dãy đầu vào thêm số dạng 2k - Tín hiệu thu sau biến đổi Fourier M để thu tín hiệu gốc ta thực lấy lại tỉ lệ xích cách chia M cho fs: M=M/fs Tín hiệu sau điều chế U tín hiệu sau trộn Y thực biến đổi tương tự M: [U,u,df1]=fftseq(u,ts,df) U=U/fs [Y,y,df1]=fftseq(y,ts,df) 48 Y=Y/fs Phổ tín hiệu lối trộn có thành phần thông thấp tương tự phổ tín hiệu tin khác chỗ có hệ số ½ thành phần thông dải 2fc Sử dụng lọc thông thấp với tần số cắt là: f _cutoff=150 để tách thành phần thông thấp khỏi thành phần thông dải thiết kế lọc n_cutoff=floor(150/df1); f=[0:df1:df1*(length(y)-1)]-fs/2; H=zeros(size(f)); Hàm truyền đạt H có length(H)=length(f) H(1:n_cutoff)=2*ones(1,n_cutoff); H(length(f)-n_cutoff+1:length(f))=2*ones(1,n_cutoff); Phổ tín hiệu lối lọc: DEM=H.*Y Tín hiệu lối lọc tính cách biến đổi Fourier : dem=real(ifft(DEM))*fs • Hiển thị kết Sử dụng hàm subplot, plot, title, xlabel để hiển thị kết đồ thị subplot(3,1,1) plot(f,fftshift(abs(M))) title('Spectrum of the Message Signal') xlabel('Frequency') 3.2.3 Chương trình phát triển Với tần số f_cutoff chọn từ trước 150 ta có hình ảnh biểu diễn tín hiệu phổ tín hiệu sau điều chế giải điều chế DSB-AM sau : 49 F_cutoff = 150 ta có : Spectrum of the Message Signal 0.2 0.1 -800 -600 -400 -200 200 400 Frequency Spectrum of the Modulated Signal 600 800 -600 -400 -200 400 600 800 -600 -400 400 600 800 -200 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 600 800 600 800 0.1 0.05 -800 200 Frequency Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -200 Frequency 200 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -600 -400 -200 -600 -400 -200 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 50 200 400 Spectrum of the Message Signal 0.2 0.15 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator Output -600 -400 -200 600 800 400 600 800 0.12 0.14 0.16 0.12 0.14 0.16 0.2 0.15 0.1 0.05 -800 Frequency 200 The Message Signal -1 -2 0.02 0.04 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time The Demodulator Output -2 -4 0.06 0.08 Time 0.1 Hình 3.3 :Hình ảnh tín hiệu phổ tín hiệu sau điều chế giải điều chế tần số f_cutoff = 150 51 Ta thay đổi vài giá trị tần số f_cutoff lọc để thấy thay đổi (độ méo) tín hiệu lối giải điều chế Do để khảo sát ảnh hưởng tần số f_cutoff lọc thông thấp để giải điều chế tín hiệu DSB_AM, ta thay đổi giá trị f_cutoff khoảng [100,400] Và đương nhiên chương trình Matlab cho giá trị f_cutoff thay đổi - Chương trình Matlab phát triển (chỉ thay đổi số dòng lệnh so với chương trình gốc) : 23 f_cutoff=input('nhap f_cutoff='); 24 n_cutoff=floor(f_cutoff/df1); 25 f=[0:df1:df1*(length(y)-1)]-fs/2; 26 H=zeros(size(f)); 27 H(1:n_cutoff)=2*ones(1,n_cutoff); 28 H(length(f)-n_cutoff+1:length(f))=2*ones(1,n_cutoff); 29 DEM=H.*Y; 30 dem=real(ifft(DEM))*fs; 31 mg=m(1:length(t)); 32 mp=dem(1:length(t)); 33 delta=domeo(mg,mp); 34 pause 35 delta 36 pause - Dòng 23 : f_cutoff=150; f_cutoff=input(‘nhap f_cutoff= ’); nhập giá trị f_cutoff - Dòng 24: thay giá trị 150 có sẵn f_cutoff giá trị f_cutoff thay đổi - Từ dòng 31: 52 +mg=m(1:length(t)); vec to tín hiệu gốc độ dài vec tơ tín hiệu tin +mp=dem(1:length(t)); vec to tín hiệu sau giải điều chế độ dài vec tơ mg độ dài vec tơ tín hiệu tin +delta=domeo(mg,mp); +pause +delta +pause Các giá trị f_cutoff thay đổi với giá trị khác hình ảnh cho thấy thay đổi phổ tín hiệu sau giải điều chế sau: F_cutoff = 100 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 -600 -600 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 -400 -200 600 800 -400 -200 600 800 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.4: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 100 53 F_cutoff = 120 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 200 Frequency Lowpass Filter Characteristics 400 600 800 -600 -400 -200 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 600 800 -600 -400 -200 600 800 -800 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.5: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 120 F_cutoff = 170 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 -600 -600 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 -400 -200 600 800 -400 -200 600 800 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.6: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 170 F_cutoff = 200 54 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 200 Frequency Lowpass Filter Characteristics 400 600 800 -600 -400 -200 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 600 800 -600 -400 -200 600 800 -800 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.7: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 200 F_cutoff=250 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 200 Frequency Lowpass Filter Characteristics 400 600 800 -600 -400 -200 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 600 800 -600 -400 -200 600 800 -800 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.8: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 250 55 F_cutoff=350 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 -600 -600 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 -400 -200 600 800 -400 -200 600 800 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.9: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 350 F_cutoff=360 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 -600 -600 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 -400 -200 600 800 -400 -200 600 800 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.10: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 360 56 F_cutoff=400 Spectrum of the Mixer Output 0.1 0.05 -800 -600 -400 -200 -600 -600 200 400 Frequency Lowpass Filter Characteristics 600 800 -400 -200 600 800 -400 -200 600 800 -800 200 400 Frequency Spectrum of the Demodulator output 0.2 0.1 -800 Frequency 200 400 Hình 3.11: Phổ tín hiệu sau giải điều chế với f_cutoff= 400 3.3 Kết • Xây dựng chương trình xác định độ méo tín hiệu function delta=domeo(mg,mp) %chương trình xác định độ méo tín hiệu %mg vec to tín hiệu gốc, độ dài N %mp vec to tín hiệu sau giải điều chế, độ dài N %delta độ méo tín hiệu N=length(mg); del1=(mg-mp).^2; vec1=ones(N,1); delta=del1*vec1; 57 - dòng 1: tên hàm delta = độ méo véc tơ mg mp - dòng : N độ dài véc tơ mg - dòng : biểu thức tính độ lệch mg mp • Chương trình xác định độ méo theo thay đổi tần số f_cutoff : i=0; for f_cutoff=100:20:400;% cutoff freq of the flter i=i+1; q(i)=f_cutoff; n_cutoff=floor(f_cutoff/df1);% Design the flter f=[0:df1:df1*(length(y)-1)]-fs/2; H=zeros(size(f)); H(1:n_cutoff)=2*ones(1,n_cutoff); H(length(f)-n_cutoff+1:length(f))=2*ones(1,n_cutoff); DEM=H.*Y;% spectrum of the flter output dem=real(ifft(DEM))*fs;% flter output delta=domeo(m,dem); p(i)=delta; end plot(q,p) xlabel('f-cutoff') ylabel('delta') title('Do thi bieu dien meo tin hieu f-cutoff thay doi') Với giá trị tần số f_cutoff, chương trình xác định độ méo lại cho kết khác : Bảng 3.1: Biểu diễn độ méo(delta) tín hiệu tần số f_cutoff thay đổi 58 f_cutoff Delta(độ méo) 10,9360 9,2451 8,0595 7,1932 6,5429 6,0474 5,6685 5,3817 5,1716 5,0290 4,9496 4,9342 4,9885 5,1263 5,3732 5,7783 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Do thi bieu dien meo tin hieu f-cutoff thay doi 11 10 delta 100 150 200 250 f-cutoff 300 350 400 Hình 3.12: Đường biểu diễn độ méo tín hiệu theo thay đổi f_cutoff 59 KẾT LUẬN - Khi tần số f_cutoff thay đổi độ méo tín hiệu sau giải điều chế thay đổi + Tần số tăng từ khoảng 100 đến giá trị 350 độ méo giảm từ 10,9360 xuống 4,9342 + Nhưng tăng tiếp giá trị tần số cắt độ méo lại tăng lên từ 4,9885 lên 5,7783 ứng với giá trị tần số cắt từ 340 đến 400 - Độ méo nhỏ tín hiệu thu sau giải điều chế trung thực Do cần chọn tần số cắt cho lọc phù hợp để độ méo nhỏ - Dựa vào điều ta dễ dàng xây dựng chương trình xác định độ méo tín hiệu sau giải điều chế qua lọc thông thấp có tần số cắt thay đổi để thu tín hiệu trung thực đầu Đồ án phần giúp giải công việc cách dễ dàng 60 61