Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn phần thu

Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn phần thu Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn phần thu Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn phần thu luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊM XUÂN QUYỀN Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn – phần thu LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: Kỹ thuật điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN HÀ NỘI – 2012 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn – phần thu” em tự thực hướng dẫn GS.TS Trần Đức Hân Các số liệu kết đồ án hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối sách, em đảm bảo khơng chép cơng trình thiết kế tốt nghiệp người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin chịu trách nhiệm hoàn toàn Học viên NGHIÊM XUÂN QUYỀN LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ dịch vụ viễn thông giới, nhu cầu tốc độ truyền dẫn, băng thông độ bảo mật liệu ngày cao Trong vài thập kỷ gần đây, mạng truyền dẫn sử dụng cáp quang đời nhằm đáp ứng nhu cầu Với đặc tính băng thơng rộng chất lượng truyền tải tốt, cáp quang chứng tỏ khả đáp ứng tốt nhu cầu viễn thông ngày gia tăng Tuy nhiên, mạng truyền dẫn quang đa số sử dụng phần mềm mã hóa cho mục đích bảo mật việc phát minh máy tính nhanh hiệu gây ảnh hưởng lớn đến tính khả thi kỹ thuật Do đó, nhu cầu việc sang tạo cách thức bảo mật thông tin thiết Thông tin quang hỗn loạn kỹ thuật đầy hứa hẹn việc bảo mật cho hệ thống mạng truyền thơng Nó sử dụng đồng hỗn loạn Diode Laser phía phát phía thu để mã hóa giải mã mức phần cứng Sóng mang hỗn loạn tạo phía phát sử dụng để “giấu” thông tin cần truyền Thông tin giải mã cách sử dụng thu phù hợp Kỹ thuật sử dụng kết hợp với phần mềm mã hóa để tạo nên cấp độ bảo mật mức hai Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn – phần thu” làm đề tài tốt nghiệp Được hướng dẫn, bảo tận tình GS TS Trần Đức Hân, em hồn thành tốt yêu cầu đề tài Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2012 Học viên thực Nghiêm Xuân Quyền LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện Điện Tử – Viễn Thơng tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồng Mạnh Thắng tận tình giúp đỡ em hồn thành phần mô đồ án Cảm ơn bạn lớp, khóa nhiệt tình đóng góp nhiều ý kiến cho đồ án Cảm ơn gia đình, bạn bè ln ln ủng hộ, tạo điều kiện tốt để em hồn thành đồ án Lời cảm ơn chân thành sâu sắc em xin dành cho GS.TS Trần Đức Hân, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hồn thành đồ án Em ln ln biết ơn bảo chân tình, quý báu thầy học thuật sống Mặc dù em cố gắng hoàn thành đồ án thời gian khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm tận tình bảo q Thầy Cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT Khái niệm hỗn loạn lý thuyết nêu từ lâu rồi, lý thuyết nghiên cứu phát triển mạnh mẽ thập kỉ gần Hỗn loạn nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả ứng dụng nhiều lĩnh vực, có viễn thơng Để áp dụng ngành hỗn loạn phải giải vấn đề sống viễn thơng độ rộng băng thơng bảo mật liệu Gần đây, thử nghiệm trình diễn khả truyền dẫn hỗn loạn cáp quang thương mại thực Athen, Hy Lạp Thực nghiệm bước khởi đầu để áp dụng hỗn loạn vào truyền dẫn quang – phương pháp truyền dẫn đường dài chủ yếu dùng cho viễn thông Nó hứa hẹn mở thời kỳ truyền dẫn bảo mật cho thơng tin quang, tính bảo mật liệu người dùng nâng cao Đồ án tập trung nghiên cứu, mô hệ thống thông tin quang hỗn loạn, gồm chương:  Chương I: DIODE LASER: Trình bày lý thuyết Diode Laser  Chương II: MƠ HÌNH HỖN LOẠN: Trình bày mơ hình hỗn loạn vấn đề đồng bảo mật hệ thống  Chương III: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG HỖN LOẠN: Trình bày hệ thống thơng tin quang hỗn loạn chế truyền tin  Chương IV: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG: Trình bày kết thu sử dụng MatLab để mô hệ thống thông tin quang hỗn loạn ABSTRACT Though the concepts and basic theories of chaos were raised long time ago, they only have been studied and developed quickly in recent decades Chaos is being studied in order to find out its application in various fields, including telecommunication In order to apply into this field, chaos has to resolve the problem of privacy, security and broad bandwidth, one of the vital issues of telecommunication Recently, an experiment, realized a demonstration of chaos transmission over a commercial fiber optic networks has been implemented at Athens – Greek The experiment is the beginning step of using chaos in optical transmission – which is the current main medium on long-haul transmission 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 a chaotic optical communication system It includes chapters:  Chapter I: LASER DIODE: Fundamental theories of Laser Diode  Chapter II: CHAOTIC MODEL: This chapter presents the chaotic model as well as the system’s synchronization and security issues  Chapter III: CHAOTIC OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM: This chapter presents chaotic optical communication system and message transmission  Chapter IV: SIMULATION RESULTS: The chapter provides simulation results of a chaotic optical communication system by using MatLab THUẬT NGỮ VIẾT TĂT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACM Additive chaos masking Mặt nạ hỗn loạn cộng them AM Amplitude Modulation Điều biên ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát khuếch đại BH Buried hetero-structure Cấu trúc dị thể chon BR Bit Rate Tốc độ bit CM Chaos modulation Điều chế hỗn loạn CW Continuous wave Sóng liên tục DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân tán Bragg DCF Dispersion compensation fiber Sợi bù tán sắc DFB Distributed Feedback Phản hồi phân tán DL Delay Line Đường trễ EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Sợi pha tạp khuếch đại Erbium ELED Edge Light Emitting Diode LED phát xạ cạnh EOM Electro-optic Modulator Bộ điều chế quang điện GS General Synchronization Đồng tổng quát IPD Inverting Photodiode Điốt quang đảo LASER Light Amplification by Stimulated Khuếch đại ánh sáng xạ Emission of Radiation kích thích Laser Diode Điốt Laser LD LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LPF Low pass filter Bộ lọc thông thấp MAGIC Multi-stripe Array Grating Mảng sọc hoạt tính kết hợp cách tử Integrated Cavity nhiễu xạ cố định ML Master Laser Laser chủ, Laser phía phát MOD Modulator Bộ điều biến NLSE Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình phi tuyến Schrodinger NZDS Non-zero Dispersion Shifted Độ tán xạ dịch khác không PD Photodetected Tách sóng quang SE Synchronization Error Lỗi đồng SL Slave Laser Laser tớ, Laser phía thu SMSR Side Mode Suppression Ratio Tỷ lệ nén biên độ mode mode bên SRS Stimulated Raman Scattering Phân tán Raman kích thích VCSEL vertical cavity surface emitting Laser phát xạ mặt có buồng cộng Laser hưởng đứng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ABSTRACT THUẬT NGỮ VIẾT TĂT .6 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH 10 MỤC LỤC BẢNG 13 CHƯƠNG I: DIODE LASER 14 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH HỖN LOẠN 25 2.1 Mơ hình hỗn loạn 25 2.2 Đồng 28 2.3 Truyền thông hỗn loạn 33 2.4 Bảo mật truyền thông 37 CHƯƠNG III: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG HỖN LOẠN 39 3.1 Hệ thống thông tin quang hỗn loạn 39 3.1.1 Laser hỗn loạn 39 3.1.2 Đồng 46 3.2 Cơ chế truyền tin 54 3.2.1 Mã hóa tin 54 3.2.2 Bảo mật 57 3.2.3 Khôi phục tin 60 3.2.4 Ảnh hưởng tốc độ bit 61 3.2.5 Kênh truyền 62 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 69 4.1 Thiết lập mô 69 4.2 Các kết thu 75 4.2.1 Thành phần tín hiệu Et(t) 75 4.2.2 Thành phần tín hiệu Er(t) 76 4.2.3 Thành phần tín hiệu phi_t(t) 76 4.2.4 Thành phần tín hiệu phi_r(t) 77 4.2.5 Thành phần tín hiệu Nt(t) 77 4.2.6 Thành phần tín hiệu Nr(t) 78 4.2.7 Hàm Er(t) theo Et(t) 78 4.2.8 Hàm phi_r(t) theo phi_t(t) 79 4.3 Đánh giá kết 79 4.4 Hướng phát triển đề tài 79 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Chương trình bày thiết lập mô kết thu nhằm minh họa cho phần lý thuyết nêu chương trước Phần mô thực phần mềm Matlab TS Hoàng Mạnh Thắng đề xuất 4.1 Thiết lập mô Hệ thống thông tin quang hỗn loạn đơn giản thiết lập theo sơ đồ: Hình Sơ đồ mô hệ thống thông tin quang hỗn loạn 69 Hình Master Laser 70 Hình SLave Laser 71 Hình 4 Phương trình Et(t) Hình Phương trình phi_t(t) 72 Hình Phương trình N(t) phía phát Hình Kênh truyền có nhiễu 73 Hình Phương trình Er(t) Hình Phương trình phi_r(t) 74 Hình 10 Phương trình N(t) phía thu 4.2 Các kết thu 4.2.1 Thành phần tín hiệu Et(t) Hình 11 Thành phần tín hiệu Et(t) thu từ Master Laser 75 4.2.2 Thành phần tín hiệu Er(t) Hình 12 Thành phần tín hiệu Er(t) thu từ slave laser 4.2.3 Thành phần tín hiệu phi_t(t) Hình 13 Thành phần tín hiệu phi_t(t) thu từ Master Laser 76 4.2.4 Thành phần tín hiệu phi_r(t) Hình 14 Thành phần tín hiệu phi_r(t) thu từ Slave Laser 4.2.5 Thành phần tín hiệu Nt(t) Hình 15 Thành phần tín hiệu Nt(t) thu từ Master Laser 77 4.2.6 Thành phần tín hiệu Nr(t) Hình 16 Thành phần tín hiệu Nr(t) thu từ slave laser 4.2.7 Hàm Er(t) theo Et(t) Hình 17 Đầu Slave hàm đầu Master 78 4.2.8 Hàm phi_r(t) theo phi_t(t) Hình 18 Quan hệ phi_r(t) phi_t(t) 4.3 Đánh giá kết Mô cho thấy sơ đồ hệ thống truyền dẫn hỗn loạn quang Tín hiệu đầu master laser slave laser hỗn loạn Mô cho thấy trình đồng tốt: Đầu slave (Er(t)) hàm đầu master (Et(t)) Các tín hiệu phi_t(t) phía phát phi_r(t) phía thu giống (quan hệ phi_r(t) phi_t(t) quan hệ tuyến tính) 4.4 Hướng phát triển đề tài Dựa kết mô thu được, em đề xuất hướng phát triển đồ án sau:  Thực mô nhúng tin vào hệ thống laser truyền  Nghiên cứu mô thêm giải pháp tăng hiệu suất truyền 79 KẾT LUẬN Sau thời gian dài tìm tịi, nghiên cứu, em hoàn thành đồ án: nghiên cứu hệ thống thông tin quang hỗn loạn – phần thu Bản đồ án trình bày số vấn đề như: đồng hỗn loạn, phương pháp nhúng tin cần truyền vào hỗn loạn, phương thức điều chế cho hỗn loạn quang… Tuy nhiên, hạn chế nhiều mặt nên em cố gắng nhiều đồ án chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy bạn Trong tương lai, có điều kiện em hồn thiện thiếu sót, đồng thời mở rộng, bổ sung thêm yếu tố cho đồ án Cuối cùng, lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô, đặc biệt GS.TS Trần Đức Hân tận tình bảo em thời gian làm đồ án để em hồn thành đồ án 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Apostolos Argyris, Dimitris Syvridis, Laurent Larger, … , Chaos-based communications at high bit-rates using commercial fiberoptic links, Nature, Vol 438, pp 343-346, 2005 [2] Apostolos Argyris, High bit rate optical communication systems based on chaotic carriers, 2006 [3] Alexandre Locquet, Chaotic optical communications using delayed feedback systems [4] Christos H Skiadas, Charilaos Skiadas, Chaotic Modelling and Simulation: Analysis of chaotic models, attractors and forms, CRC Press Taylor & Francis Group, 2009 [5] Fabrizio Chiarello, Study of an optical chaotic steganographic free space system [6] G Kandiban & V Blachandran, Optical communication using chaos based signal transmission scheme, Indian Journal of Pure & Physic, Vol.47, pp 346-349, 2009 [7] G P Agrawal, Fiber optics communication systems, Third Edition, J.Wiley& Sons, 2002, ISBN (el) 0-471-22114-7 [8] G P Agrawal, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 2001, ISBN 0-12045143-3 [9] Gregory D VanWiggeren and Rajarshi Roy, Optical communication with chaotic waveforms, Physical review letters, Vol.81, pp.3547-3550, 1998 [10] 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 [11] Professor J M Liu, H.F Chen, S.K Hwang, F.Y Lin, S Tang, Performances of Synchronized Chaotic Optical Communication Systems, 2003 80 [12] Kanakidis, A Argyris and D Syvridis, Performance characterization of highbit- rate optical chaotic communication systems in a back-to-back configuration, IEEE J Lightw Tech., Vol 21, No 3, pp 750-758, 2003 [13] L M Pecora, T L Carroll, G A Johnson and D J Mar, Fundamentals of synchronization in chaotic systems, concepts, and applications, CODE 6343, J of Chaos, Vol.7, No 4, pp.520-543, 1997 [14] Laurent Larger, Jean-Pierre Goedgebuer, Encryption using chaotic dynamics for optical telecommunications, pp.609-611, 2004 [15] Lawrence E Larson, Jia-Ming Liu, Lev S Tsimring, Digital Communications Using Chaos and Nonlinear Dynamics, Springer Science + Business Media, LLC, 2006, e-ISBN: 0-387-29788-X [16] Leonora Ursini, Optical chaotic tranmission systems for secure data communication, CICLO XXI, University of Padova, Italy, 2009 [17] Locquet, C Masoller, and C R Mirasso, Synchronization regimes of opticalfeedback-induced chaos in unidirectionally coupled semiconductor lasers [18] Locquet, F Rogister, M Sciamanna, P Me´gret, and M Blondel, Two types of synchronization in unidirectionally coupled chaotic external-cavity semiconductor lasers [19] Min Won Lee, Laurent Larger, Jean-Pierre Goedgebuer, Transmission System using chaotic delays between lightwaves, IEEE Journal of quantum electronics, Vol.39, pp 931-935, 2003 [20] Mirasso, A Sanchez-Diaz, P Colet and P Garcia-Fernandez, Synchronization of chaoticsemiconductor lasers: application to encoded communication, IEEE Phot Tech Lett., 8, 299-301, 1996 [21] M Bulinski, M L Pascu, I R Andrei, Phase synchronization and coding chaos with semiconductor laser [22] M San Miguel and R Toral, Stochastic effects in physical systems in Instabilities and Nonequilibrium Structures, VI E, 2000, E Tirapegui and W Zelle Eds (Kluwer Academic Publishers), 1997 81 [23] Nicolas Hugh René Gastaud Gallagher, Multi-gigahertz encrypted communication using electro-optical chaos cryptography, Georgia Institute of Technology, 2007 [24] Peter Stavroulakis, Chaos applications in telecommunications, Taylor & Francis Group, LLC, 2006, ISBN 0-8493-3832-8 [25] S H Strogatz, Non Linear Dynamics and Chaos, Addison-Wesley, New York, 1994 [26] Trần Đức Hân (chủ biên) – Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật Laser, Nhà xuất Giáo dục, 2006 [27] Y Aoki, Properties of fiber Raman amplifiers and their applicability to digital optical communication system, J Lightw Tech., Vol 6, No 7, pp 1225-1239, 1988 [28] Y Liu and W .K S Tang, Cryptanalysis of chaotic masking secure communication systems using an adaptive observer, IEEE Transaction on Circuits and Systems, Vol 55, No 11, pp 1183-1187, 2008 [29] Y Liu, H F Chen, J M Liu, P Davis, and T Aida, Communication using synchronization of optical – feedback – included chaos in semiconductor lasers, IEEE transactions on circuits and systems – I: Fundamental theory and applications, Vol 48, pp.1484-1490, 2001 [30] Zhou and C H Lai, Decoding information by following parameter modulation with parameter adaptive control, Phys Rev E, Vol 59, No 6, pp 6629-6634, 1999 82 ... II: MƠ HÌNH HỖN LOẠN: Trình bày mơ hình hỗn loạn vấn đề đồng bảo mật hệ thống  Chương III: HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG HỖN LOẠN: Trình bày hệ thống thông tin quang hỗn loạn chế truyền tin  Chương... III: HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG HỖN LOẠN 3.1 Hệ thống thơng tin quang hỗn loạn Theo định nghĩa, hỗn loạn, coi đáp ứng khơng tuần hồn, bất thường phụ thu? ??c mạnh mẽ vào điều kiện ban đầu hệ thống. .. sóng mang hỗn loạn tạo Diode Laser hoạt động chế độ phi tuyến Hình Hệ thống thông tin hỗn loạn tổng quát Chương khảo sát số vấn đề thông tin quang hỗn loạn việc tạo tín hiệu quang hỗn loạn, mơ