nghiên cứu, mô phỏng hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân, người tần tình giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành đồ án Xin cảm ơn bảo quý báu thầy, từ nguyên lý, phương pháp thuật ngữ luận văn Em luôn biết ơn bảo chân thành thầy học thuật sống Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mạnh Thắng tận tình giúp đỡ em hoàn thành phần mô luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu năm học vừa qua Cảm ơn bạn khóa nhiệt tình khích lệ việc nghiên cứu lĩnh vực mẻ Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình luôn ủng hộ, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn thời gian khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo tận tình quý thầy cô Em xin chân thành cảm ơn ! Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang TÓM TẮT Những khái niệm lý thuyết ban đầu hỗn loạn nêu sớm, nhiên năm gần lý thuyết nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Nó coi trào lưu khoa học lĩnh vực nghiên cứu nhiều ngành khoa học sinh học, khí tượng học, vật lý học… Hỗn loạn nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả ứng dụng lĩnh vực điện tử viễn thông Gần đây, Ủy ban châu Âu tài trợ để thử nghiệm hệ thống truyền dẫn hỗn loạn cáp quang thương mại Athen, Hy Lạp Thực nghiệm bước khởi đầu để áp dụng hỗn loạn vào truyền dẫn quang – phương pháp truyền dẫn đường dài viễn thông Mở thời kỳ truyền dẫn bảo mật cho thông tin quang Luận văn tập trung nghiên cứu, mô hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang bao gồm laser diode hỗn loạn, vấn đề đồng bộ, kênh truyền, máy thu máy phát Luận văn gồm chương :     Chương : Laser bán dẫn Chương : Chế độ hỗn loạn laser bán dẫn Chương : Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn Chương : Kết mô đồng laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang ABSTRACT Although the concepts and theories of chaos were raised long time ago, they have been studied and developed quickly in recent years Chaos is being regarded as a new trend of science and a new field for study of such sciences as biology, meteorology, physics… Chaos is also being studied in order to find out its application in communication Recently, an experiment, financed by the European Comission, realized a demonstration of chaos transmission over a commercial fiber optic networks beneath the streets of Athens The experiment is the beginning step of using chaos in optical transmission – which is the current main medium on longhaul transminssion It is also hoped that the experiment will lead to a new period of secured optical transmission where the privacy of the users is more enhanced This thesis focuses on study and simulation of an all-optical chaotic transmission system including chaotic laser diode, synchronization, transmission channel, transmitter and receiver issues The thesis includes chapters :     Chapter 1: Semiconductor laser Chapter : Chaotic in semiconductor laser Chapter 3: Chaotic optical telecommunication system Chapter 4: Simulation results for synchronization in laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt ACM AM ASE BH BR CM CW DBR DCF DL EDFA ELED EOM GS LPF ML SL SRS SE Tiếng Anh Additive chaos masking Amplitude Modulation Amplified Spontaneous Emission Buried Heterostructure Bit rate Chaos Modulation Continuous Wave Distributed Bragg Reflector Dispersion Compensation Fiber Delay line Erbium Doped Fiber Amplifier Edge Light Emitting Diode Electro-optic Modulator General Synchronization Lowpass Filter Master Laser Slave Laser Stimulated Raman Scattering Synchronization Error MỤC LỤC Tiếng Việt Mặt nạ hỗn hợp cộng thêm Điều biên Nhiễu phát xạ tự phát Cấu trúc dị thể chôn Tốc độ bit Điều chế hỗn loạn Sóng liên tục Phản xạ phân tán Bragg Sợi bù tán sắc Dây trễ Sợi pha tạp khuếch đại Erbium LED phát xạ cạnh Bộ điều chế quang điện Đồng tổng quát Bộ lọc thông thấp Laser chủ Laser tớ Tán xạ Raman kích thích Lỗi đồng Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang DANH SÁCH CÁC BẢNG Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang DANH SÁCH CÁC HÌNH Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang LỜI NÓI ĐẦU Các dịch vụ viễn thông giới phát triển mạnh mẽ đòi hỏi mở rộng băng thông bảo mật liệu đường truyền Trong thời gian gần đây, mạng truyền dẫn sử dụng cáp quang sử dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu Với đặc tính băng thông rộng chất lượng truyền tốt nên cáp quang đáp ứng tốt yêu cầu phát triển không ngừng hệ thống viễn thông Các mạng truyền dẫn quang áp dụng phương pháp bảo mật sử dụng phương pháp mã hóa truyền thống Một số phương pháp bảo mật nghiên cứu bật phương pháp sử dụng hỗn loạn Mặc dù khái niệm hỗn loạn nêu từ lâu lý thuyết hỗn loạn phát triển mạnh năm gần Hỗn loạn coi lĩnh vực nghiên cứu để áp dụng nhiều ngành khoa học có viễn thông đặc biệt truyền thông thông tin quang Sau khả đồng hỗn loạn nêu lần đầu Pecora Caroll dần phát triển hoàn thiện số thí nghiệm hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn tiến hành nhằm đánh giá hoàn thiện hệ thống Kết bước đầu cho thấy hỗn loạn sử dụng truyền dẫn quang, nhiên, vài vấn đề cần phải nghiên cứu hoàn thiện thêm Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang “ làm đề tài tốt nghiệp Được hướng dẫn bảo tận tình GS.TS Trần Đức Hân, em hoàn thành tốt yêu cầu đề tài Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2013 Học viên thực Bùi Xuân Linh Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, mạng thông tin toàn cầu phát triển nhanh đòi hỏi lưu lượng thông tin truyền với tốc độ cao cần phải bảo mật Một vài phương pháp để bảo mật tin thực từ lâu qua việc ẩn tồn tin thực ẩn tin mật mã Để bảo mật, giải pháp đưa “deterministic chaos” Giải pháp áp dụng tính chất không tuần hoàn gần ngẫu nhiên hệ thống phi tuyến, mà thay đổi định điều kiện ban đầu Trong thực tế, biến động nhỏ điều kiện ban đầu quy định diễn biến tương tự hệ thống không hỗn loạn, hệ thống hỗn loạn chúng phân theo cấp số nhân (hiệu ứng cánh bướm) Một đặc điểm hệ thống hỗn loạn L.Pecora & T.Carrol tìm vào năm 80: Hai hệ thống hỗn loạn tương tự đồng hóa, hệ thống trước gọi “master”, hệ thống phát triển lên sau gọi “slave” Hiện tượng khai thác truyền thông, đặc biệt áp dụng hệ thống truyền dẫn quang yêu cầu tính bảo mật cao Trong thực tế, máy phát, laser bán dẫn “master” định tuyến thành chỉnh thể hỗn loạn tin nhúng chồng chất dạng sóng hỗn loạn (thực hỗn loạn nhanh tin) Tại máy thu, đồng hóa hệ thống slave cho phép phục hồi tin ban đầu từ dạng sóng hỗn loạn cách trừ sóng hỗn loạn từ tín hiệu phát Trong thực tế, thông tin bị kẻ trộm lấy cắp dễ dàng xác định tín hiệu hỗn loạn, chép xác tín hiệu hỗn loạn phục hồi thông tin truyền cách lọc tín hiệu Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Trong thực tế, đồng hóa có tác dụng với cặp lasers master-slave tương tự (cặp master-slave gọi cặp sinh đôi) Độ tin cậy hệ thống hỗn loạn kiểm chứng đầu năm 2000 tài trợ hội đồng châu Âu, liên doanh thực mô với tốc độ truyền 1Gp/s qua 115km mạng cáp quang thương mại phía phố Athen [3] Tuy nhiên nghiên cứu chủ đề chưa hoàn thành Trong trình thực gặp số vấn đề ghép nguồn, ảnh hưởng vùng phân cực, xác định mức độ bảo mật cải thiện hiệu suất để đạt chuẩn chưa nghiên cứu Mục đích luận văn nghiên cứu toàn hệ thống hỗn loạn quang từ máy phát (phát sóng hỗn loạn, gắn tin) tới máy thu (sự đồng bộ, khôi phục tin) Sự suy giảm truyền quang tắt dần, tán sắc, tính phi tuyến tính đến Sự phân cực xét đến để làm sáng tỏ tác động phân cực chế độ tán sắc thể sợi quang thực Việc làm tập trung vào xác định nhược điểm hệ thống đưa phương pháp để cải hiệu suất Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang LASER BÁN DẪN Nguyên lý hoạt động laser 1.1 Động học trạng thái kích thích Nguyên lý làm việc máy phát laser liên quan tới môi trường nghịch đảo nồng độ Chúng ta xét chuyển tiếp p-n đặt thiên áp theo chiều thuận, tạo nên tiếp giáp nồng độ điện tử dư vùng dẫn, nồng độ lỗ trống dư vùng hóa trị Ngay tác động bên hạt tồn trạng thái kích thích thời gian ngắn (10 -10 sec tới vài giây) Ở thời điểm tùy ý hạt dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức lượng thấp hơn, hạt xạ lượng tử lượng điện từ (photon) Quá trình gọi xạ tự phát, cường độ xạ không phụ thuộc vào tác động bên Ta mô tả xạ tự phát mô hình: A** → A* + (ℏω) (1-1) Vận tốc trình xạ tự phát số dịch chuyển xạ tự phát đơn vị thời gian đơn vị thể tích Nó phụ thuộc vào nồng độ ban đầu trạng thái kích thích Ni và: M ik = Aik*Ni (1-2) Trong đó, Aik hệ số tỷ lệ, lại có ý nghĩa vật lý Nó xác suất đặc trưng riêng dịch chuyển không phụ thuộc vào điều Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.6: Hệ thống laser thu 2.2.1 Phương trình E(t): 73 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.7: Phương trình E(t) thu 2.2.2 Phương trình Ф (t): 74 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.8: Phương trình Ф (t) thu 2.2.3 Phương trình N(t): 75 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.9: Phương trình N(t) thu Hệ thống tổng quát: Hình 4.10: Hệ thống tổng quát Tín hiệu thu được: 4.1 E(t) bên thu: 76 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.11: Tín hiệu E(t) thu 77 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 4.2 Ф(t) bên thu: Hình 4.12: Tín hiệu Ф (t) thu 4.3 N(t) bên thu: Hình 4.13: Tín hiệu N(t) thu 4.4 E(t) bên phát: 78 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.14: Tín hiệu E(t) bên phát 4.5 Ф (t) bên phát: Hình 4.15: Tín hiệu Ф (t) bên phát 4.6 N(t) bên phát: 79 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.16: N(t) bên phát 80 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Đồ thị đồng 5.1 Đồ thị điện trường bên thu bên phát chưa đồng Hình 4.17: Đồ thị điện trường bên thu bên phát chưa đồng 5.2 Đồ thị pha bên thu bên phát chưa đồng 5.3 Đồng điện trường bên thu bên phát đồng Hình 4.18: Đồ thị pha bên thu bên phát chưa đồng 81 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.19: Đồ thị điện trường bên thu bên phát đồng 5.4.Đồ thị đồng pha bên thu bên phát 82 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hình 4.20: Đồ thi pha bên thu bên phát đồng 4.6 Đánh giá kết quả: Kết quả: Đã mô thành công hệ thống laser thu phát Đồng hệ thống bên thu bên phát 4.7 Hướng phát triển đề tài: Dựa kết đạt Em xin đề xuất hướng phát triển đề tài sau: • Xây dựng hệ thống laser phát với nhiều đường trễ • Thực mô mang tin tức vào hệ thống laser truyền • Thực mô loại laser khác phương pháp để tạo tín hiệu hỗn loạn khác KẾT LUẬN 83 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Với qui mô luận văn Luận văn đưa “Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang” giải vấn đề sau: Về mặt lý thuyết: • Tìm hiểu diode laser loại laser • Đã nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết hỗn loạn • Tìm hiểu phương pháp đồng hệ thống phương pháp đồng hệ thống laser • Tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng đến bảo mật tín hiệu hỗn loạn đường truyền quang Về mặt mô phỏng: • Đã mô hệ thống phát laser hỗn loạn MatlabSimulink • Đã đồng hệ thống laser phát laser thu Hệ thống mô hoạt động tốt cho kết xác Tuy nhiên, hệ thống chưa cho phép đưa tín hiệu mang tin tức để đồng bên thu bên phát Ngoài hệ thống chưa cho nhiễu đường truyền Mặc dù cố gắng nhiều, đồ án số hạn chế mặt lý thuyết mô Trong thời gian tới với việc khắc phục hạn chế này, bổ sung thiếu xót tìm tòi cho đồ án Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân TS Hoàng Mạnh Thắng tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình thực luận văn MỤC LỤC THAM KHẢO 84 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang [1] S.H Strogatz, Non Linear Dynamics and Chaos, Addision-Wesley, New York, 1994 [2] L.M Pecora, T.L Carroll, G.A Johnson and D.J.Mar, Fundamentals of synchronization in chaotic systems, concepts and application, CODE 6343, J.of Chaos, Vol.7, No.4, pp.520-543,1997 [3] A Argyris et al., Chaos-based communications at high bit-rates using commercial fiber-optic links, Nature, Vol.438, pp.343-346, 2005 [4] J.M Liu, H.F Chen and S Tang, Optical-communication system based on chaos in semiconductor lasers, IEEE Tran Circuit and Systems, Vol.48, No.12, pp.1475-1483,2002 [5] C Mirasso, A Sanchez- Diaz, P.Colet and P Garcia-Fernandez, Synchronization of chaotic semiconductor lasers : application to encoded communication, IEEE Phot Tech.Lett., 8,299-301,1996 [6] M San Miguel and R Toral, Stochastic effects in physical systems in Instabilies and Nonequilibrium Structures, VI E,2000,E Tirapegui and W.Zelle Eds (Kluwer Academic Publishers),1997 [7] U K chler, E Platen, Strong discrete time approximation of stochastic differential equations with time delay, J.Math Comput Simulation, Vol.54, No.54,pp.189-205,2000 [8] L.M Pecora, T.L Carroll, Synchronization in chaotic systems, Phys Rev Lett.,64,pp.821-824,1990 [9] M.V Lee, J.Paul, S Sivaprakasam and K.A Shore, Comparision of closedloop and open-loop feedback schemes of message decoding using chaotic laser diodes, Opt Lett., Vol.28, No.22,pp.2168-2170,2003 [10] R.vicente, T.Perez and C.R Mirasso, Open-versus cloded-loop performance of synchronized chaotic external-cavity semiconductor J.Quant.Electron, Vol.38,No.9,pp.1197-1204,2002 85 lasers, IEEE Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang [11] J.M Liu, H.F Chen and S.Tang, Synchronized chaotic optical communications at high bit rates, IEEE J.Quant.Electron, Vol.38,No.9,pp.11841196,2002 [12] A.Sasnchez-Diaz, C.R Mirasso, P.Colet and P Garcia-Fernández, Encoded Gbit/s digital communications with synchronized chaotic semiconductors lasers, IEEE J.Quant.Electron,Vol.35,No.3,pp.292-297,1999 [13] A Argyris, D Kanakidis, A Bogris and D Syvridis, Spectral synchronization in chaotic optical communication systems, IEEE J.Quant.Electron, Vol.41,No.6,pp.892-897,2005 [14] V.Annovazzi-Lodi, C.Antonelli, G Aromataris, M Benedetti, M Guglielmucci, A.Mecozzi, S.Merlo, M.Santagiustina, l Ursini, Chaos Encrypted Optical Communication System, Fiber and Integrated Optics, Vol.27,No.4,pp.308-316, July 2008 [15] C Kurtsiefer et al., A step towards global key distribution, Nature, Vol.419, pp.450, 2002 [16] D.Kanakidis, A.Argyris and D Syvridis, Performance characterization of high bit rate optical chaotic communication systems in a back-to-back configuration, IEEE J.Lightw Tech., Vol.21, No.3,pp.750-758, 2003 [16s] Optical Chaos Masking of Video Signals [17] Y.Liu and W.K S Tang, Cryptanalysis of chaotic masking secure communication systems using an adaptive observer, IEEE Transaction on Circuits and System, Vol.55, No.11, pp.1183-1187,2008 [18] C Zhou and C.H Lai, Decoding information by following parameter modulation with parameter adaptive control, Phys.Rev.E, Vol.59,No.6,pp.66296634,1999 [19] G.P.Agrawal, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 2001, ISBN 0-1204514303 [20] G.P.Agrawal, Fiber optics communication systems, Third Edition, J.Wiley&Sons, 2002 86 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang [21] Y.Aoki, Properties of fiber Raman amplifiers and their applicability to digital optical communication system, J.Lightw Tech, Vol.6, No.7,pp.12251239,1988 [22] Optical Chaos Masking of Video Signals 87 ... dụng hỗn loạn vào truyền dẫn quang – phương pháp truyền dẫn đường dài viễn thông Mở thời kỳ truyền dẫn bảo mật cho thông tin quang Luận văn tập trung nghiên cứu, mô hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn. .. quang DANH SÁCH CÁC BẢNG Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang DANH SÁCH CÁC HÌNH Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang LỜI NÓI ĐẦU Các dịch vụ viễn thông giới... độ hỗn loạn laser bán dẫn Chương : Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn Chương : Kết mô đồng laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang ABSTRACT Although the concepts and theories