Ứng dụng hiện tượng hỗn loạn vào đa truy cập phân chia theo mã Ứng dụng hiện tượng hỗn loạn vào đa truy cập phân chia theo mã Ứng dụng hiện tượng hỗn loạn vào đa truy cập phân chia theo mã 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
Lê thị ngọc hà giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học ngành: kỹ thuật điện tử ngành kỹ thuật điện tử ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mà Lê thị ngọc hà khoá 2007 - 2009 Hà Nội - 2009 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mà ngành: kỹ thuật điện tử Lê thị ngọc hà Người hướng dẫn khoa học: TS Hoàng mạnh thắng Hà Nội - 2009 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, tiến sĩ Hồng Mạnh Thắng tận tình hướng dẫn, định hướng để tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy cô giáo, anh chị bạn bè lớp đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ thời gian làm đề tài Qua đây, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi động viên chia sẻ, an ủi, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa học hồn thành tốt luận văn Mặc dù, đề tài nằm phạm vi nghiên cứu tơi xin cam đoan tồn nội dung hồn tồn tơi tự làm lấy mà khơng có chép nguyên văn từ nguồn tài liệu nào, sai tơi xin chịu trách nhiệm Trong q trình nghiên cứu, cố gắng chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2009 Tác giả Lê Thị Ngọc Hà Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông 1.2 Truyền thông trải phổ 1.2.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp 1.2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần 1.3 Ưu điểm hệ thống trải phổ .9 1.3.1 Làm giảm hiệu ứng đa đường 1.3.2 Trung bình hố chất lượng tín hiệu mơi trường đa người sử dụng 1.3.3 Làm giảm công tác qui hoạch tần số 10 1.3.4 Làm tăng dung lượng hệ thống 11 1.4 Các ứng dụng truyền thông trải phổ 11 1.5 Truyền thông dựa hỗn loạn 12 1.5.1 Hỗn loạn .12 1.5.2 Ứng dụng hỗn loạn vào truyền thông 13 1.6 Lợi ích khó khăn 15 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN VÀ GIẢI ĐIỀU BIẾN SỐ DỰA TRÊN SỰ HỖN LOẠN 17 2.1 Từ truyền thông số thông thường đến truyền thông số dựa hỗn loạn 17 2.2 Phân loại hệ thống truyền thông dựa hỗn loạn 19 2.3 Khoá dịch hỗn loạn 20 2.3.1 Bộ giải điều chế kết hợp dựa tương quan 22 2.3.2 Bộ giải điều chế không kết hợp dựa tính tốn lượng bit 24 2.4 Khoá dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) 26 2.5 Các hệ thống điều chế khác .28 2.5.1 Khố đóng mở hỗn loạn .29 2.5.2 DCSK điều tần 29 2.5.3 Khoá dịch trễ tương quan 29 2.5.4 Khoá dịch hỗn loạn đối xứng .30 2.5.5 Khoá dịch hỗn loạn cầu phương 32 2.6 Các mơ hình tương đương băng tần sở rời rạc 34 2.6.1 Hệ thống băng thông 34 2.6.2 Mơ hình tương đương thơng thấp 35 2.6.3 Mơ hình tương đương thông thấp rời rạc 36 2.6.4 Tỷ số lượng bit trung bình mật độ phổ công suất nhiễu 38 Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH NĂNG HỆ THỐNG KHÓA DỊCH HỖN LOẠN KẾT HỢP 40 3.1 Tổng quan hệ thống CSK .41 3.2 Phân tích hệ thống CSK đa truy nhập .44 3.2.1 Cấu trúc máy phát 44 3.2.2 Cấu trúc máy thu 44 3.2.3 Tỷ số lỗi bit thu 46 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG KHÓA DỊCH HỖN LOẠN VI SAI KHÔNG KẾT HỢP 53 4.1 Tổng quan hệ thống DCSK 53 4.2 Hệ thống DCSK đa truy nhập 56 4.3 Hệ thống DCSK đa truy nhập dựa thời gian trễ 58 4.3.1 Cấu trúc khung tín hiệu phát 58 4.3.2 Cấu trúc máy thu 61 4.3.2 Tỉ số lỗi bit thu 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 SUMMARIZATION OF THESIS 73 TÓM TẮT 74 Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ truyền thông đơn giản Hình 1.2 Các dạng băng tần hệ truyền thơng trải phổ chuỗi trực tiếp chuẩn hố theo chu kỳ bit (a) Dữ liệu nhị phân; (b) Chuỗi trải; (c) Dạng sóng phát sau trải phổ; (d) Chuỗi giải trải; (e) Khôi phục liệu Hình 1.3 Phổ cơng suất tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp (a) Trước trải; (b) Sau trải Hình 1.4 Sơ đồ khối khố dịch pha nhị phân hệ thống truyền thông trải phổ chuỗi trực tiếp (a) Phía phát; (b) Phía thu .7 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ nhảy tần (a) Phía phát; (b) Phía thu .8 Hình 2.1: Hệ thống truyền thông số CSK 21 Hình 2.2 Bộ giải điều chế CSK dựa đồng lỗi 22 Hình 2.3 Bộ giải điều chế CSK kết hợp dựa tương quan 23 Hình 2.4: Bộ phát CSK gửi lượng bit trung bình khác với ký tự khác 24 Hình 2.5 Bộ thu CSK dựa tính tốn lượng bit 25 Hình 2.6 Bộ điều chế DCSK 26 Hình 2.7 Bộ giải điều chế DCSK .27 Hình 2.9 Hệ thống khoá dịch trễ tương quan (a) Bộ điều chế; (b) Bộ giải điều chế 30 Hình 2.10 Hệ thống CSK đối xứng (a) Bộ điều chế; (b) Bộ giải điều chế .31 Hình 2.11 Hệ thống CSK cầu phương .33 Hình 2.12 Đồ thị phổ tín hiệu phát hệ truyền thơng băng dải với tần số trung tâm f0 độ rộng băng W 34 Hình 3.1: Hệ truyền thơng CSK kết hợp đơn truy nhập 43 Hình 3.2: Hệ thống truyền thơng CSK đa truy nhập .45 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống DCSK đơn truy nhập 55 (a) Bộ điều chế; (b) Bộ giải điều chế 55 Hình 4.2: Các hệ thống DCSK nhiều thuê bao đơn 57 Hình 4.3: Bộ phát hệ truyền thơng DCSK đa truy cập dựa thời gian trễ .58 Hình 4.4: Hệ truyền thông DCSK đa truy nhập dựa thời gian trễ .60 Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu cộng trắng Gauss BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA Coded Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CDSK Correlation Delay Shift Keying Khóa dịch trễ tương quan COOK Chaos On Off Keying Khóa đóng mở hỗn loạn CSK Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn DCSK Differential Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn vi sai DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai DS-SS Direct- Sequency Spread -Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp FDMA Frequency Division Multiple Access FH-SS Frequency-Hopping Spread Spectrum Đa truy nhập phân chia theo tần số Trải phổ nhảy tần FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần MAS Mixed Analysis Simulation Phân tích mơ kết hợp PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QCSK Quadrature Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn cầu phương SCSK Symmetric Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn đối xứng SNR Signal - to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã LỜI MỞ ĐẦU Trong thập niên qua, có quan tâm lớn việc khai thác tượng hỗn loạn với ứng dụng có lợi hệ thống kỹ thuật Một ứng dụng gây ý lớn vấn đề truyền thơng Tín hiệu hỗn loạn, với thuộc tính tự nhiên để mang thông tin môi trường truyền thông trải phổ, hiệu với đặc tính băng rộng chúng Sử dụng tín hiệu hỗn loạn để mã hố thơng tin, tín hiệu thu tín hiệu trải phổ có độ rộng băng lớn mật độ phổ cống suất thấp Chúng lĩnh hội tất ưu điểm hệ thống truyền thông trải phổ nay, tính thiết thực môi trường truyền dẫn đa đường, khả chống nhiễu, xác suất lỗi thấp, … Ngồi ra, tín hiệu hỗn loạn dễ dàng tạo mang lại giải pháp giá thành thấp, công cụ đa cho công nghệ truyền thông trải phổ Với lý đó, với định hướng đóng góp khoa học thầy giáo hướng dẫn, chọn nghiên cứu đề tài Nội dung luận văn đề cập đến dạng hệ thống bản, phân tích hoạt động, đánh giá tính số hệ thống truyền thông số dựa hỗn loạn hệ thống CSK kết hợp, hệ thống DCSK không kết hợp Cụ thể, đề cập đến vấn đề trải phổ, đặc tính tín hiệu hỗn loạn, ứng dụng tượng hỗn loạn vào truyền thông trải phổ ưu nhược điểm chúng Các vấn đề kỹ thuật điều chế, tính tốn tỉ số lỗi bit, khả chống nhiễu tồn đồng thời với hệ thống truyền thông thông thường, nêu hai hệ thống CSK DCSK phương pháp tính tỉ số lỗi bit hai hệ thống Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông Hệ thống truyền thông hiểu hệ thống có khả hay cải tiến truyền dẫn phân tán thơng tin hữu ích người vị trí khác Về mặt kỹ thuật, mục đích hệ thống truyền thơng để truyền tin tức từ nguồn thông tin tới nhiều nơi đến Nói chung, xác định bốn khâu hệ truyền thơng hình 1.1 Nguồn thơng tin Máy phát Kênh truyền dẫn Máy thu Khơi phục tin tức Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ truyền thông đơn giản - Nguồn thông tin: Nơi bắt đầu thơng tin hay tin tức có ích cần phát hay phân tán Trong hệ thống truyền thông đại, thơng tin hay tin tức tạo dạng tương tự hay dạng số Chẳng hạn, tiếng nói hay âm có dạng tín hiệu tương tự mà qua máy tính liệu tín hiệu số Hơn nữa, thơng tin tương tự biến đổi sang dạng số Trong trường hợp này, thơng tin số hố theo quan điểm hệ truyền thông - Máy phát: Nguyên tắc máy phát để biến đổi tín hiệu phát sang dạng phù hợp với kênh truyền dẫn Trong máy phát tín hiệu tương tự thơng thường, tín hiệu thường điều biến biên độ, tần số hay pha sóng mang hình sin Vì điều biến cho phép tín hiệu tin tức chiếm giữ phổ tần số phân định Trong hệ thống số, điều biến biên độ, tần số hay pha sóng mang hình sin hệ thống điều biến khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK) khoá dịch pha (PSK) cấu tạo kí tự số Đặc biệt, để tạo băng tần có hiệu quả, q trình điều biến phải thiết kế cho tín hiệu điều Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã Lê Thị Ngọc Hà Luận văn thạc sỹ chế chiếm băng tần phù hợp với tốc độ liệu Các hệ truyền thông gọi hệ truyền thông băng hẹp - Kênh truyền dẫn: Là mơi trường vật lý qua tín hiệu từ máy phát truyền đến máy thu Có hai dạng kênh truyền kênh vô tuyến kênh hữu tuyến Các vơ tuyến khí thơng thường kênh hữu tuyến tạo từ dạng khác cáp vòng xoắn, cáp đồng trục hay cáp quang Mặc dù không kể đến loại mơi trường truyền dẫn nào, tín hiệu phát bị lỗi ngẫu nhiên số chế Ví dụ, nhiễu cộng sinh từ trình nhiệt, trình đánh lửa tự động, hệ thống chiếu sáng… Hơn nữa, có nhiều thuê bao chiếm kênh thời gian, nhiễu qua lại ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Một nguyên nhân khác, chất lượng tín hiệu giảm kênh truyền dẫn đa đường, kết tín hiệu truyền theo số đường trực tiếp phản xạ vật lý máy phát máy thu Méo dạng dạng nhiễu không cộng nguyên nhân làm cho biên độ tín hiệu thay đổi Hiệu ứng gọi pha đinh đa đường - Máy thu: Tại phía thu, tin tức có ích ban đầu khôi phục Đây nhiệm vụ máy thu Do tín hiệu thu bị lỗi nhiều chế khác nhau, việc khơi phục tín hiệu khơng đạt hiệu Chất lượng tín hiệu thu thường mơ tả tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) trường hợp nguồn dạng tương tự Trong trường hợp truyền dẫn số, chất lượng thu đánh giá tỉ số lượng bit mật độ phổ công suất nhiễu (Eb/N0) Năng lượng bit thường định nghĩa Eb xác định trung bình lượng phát bit N0/2 biểu diễn mật độ phổ cơng suất hai phía nguồn nhiễu cộng trắng Gaussian Tính hệ thống truyên thông số thường đánh giá tỉ số lỗi bit (BER), định nghĩa xác suất bit giải mã lỗi Cho hai hệ thống điều chế số khác làm việc tốc độ bit, so sánh tính đặc trưng chúng dựa hệ số BER với Eb/N0 giống Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 60 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà Mô tả đầu thiết bị phát sk(i) Nếu khe khe mẫu tham chiếu, sk(i) = xk(i) Cịn khe tương ứng với khe mẫu liệu phát tín hiệu nhị phân “+1”, có sk(i) = xk-iß(i) Ngược lại, khe tương ứng với khe mẫu liệu phát tín hiệu nhị phân “-1”, có sk(i) = - xk-iß(i) Bộ phát Nhiễu ζk sk(1) Bộ phát i Bộ tạo tín hiệu hỗn loạn x(i)k sk(i) + Trễ iβ X Iβ sk(N) Thông tin số phát Bộ phát N Bộ thu j Decoded symbol Chuyển mạch lấy mẫu hoạt động nửa thứ hai khung Kí tự số yl(i ) giải mã Bộ tương quan j N rk = ∑ s k(i ) + ζ k i =1 β ∑ (.) k = ( l −1) β +1 X Bộ tách sóng ngưỡng Trễ jβ Hình 4.4: Hệ truyền thông DCSK đa truy nhập dựa thời gian trễ Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 61 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà Để đơn giản, với khe thời gian thứ l thuê bao thứ i, định nghĩa al(i) là: (i ) al (i ) (i ) y k = x k −η +1 = (i ) (i ) y k = - x k −η -1 (4-16) Trong η = với mẫu tham chiếu η = iβ với mẫu liệu Rõ ràng tín hiệu phát thuê bao thứ i khe thời gian thứ l biễu diễn bởi: s k(i ) = al(i ) x k(i−)η ; với k = β(l-1) +1, β(l-1) + 2,…, βl (4-17) Tồn tín hiệu phát thời điểm k sk tương đương với: N sk = ∑s i =1 (i ) k (4-18) 4.3.2 Cấu trúc máy thu Giả thiết kênh truyền AWGN, tín hiệu thu thời điểm k rk tính đơn giản sau: rk = sk + ξk (4-19) Trong ξk nhiễu cộng trắng Gaussian với trị trung bình không phương sai (mật độ phổ công suất) N0/2 Với thuê bao, tín hiệu nhận khe mẫu tham chiếu tương quan với tín hiệu khe mẫu liệu tương ứng Tùy thuộc vào tín hiệu lớn hay nhỏ mức ngưỡng, “+1” “-1” giải mã Máy thu DCSK dựa tương quan biểu diễn hình 4.4 Lưu ý chuyển mạch lấy mẫu (sampling switch) hoạt động nửa thứ hai khung tách sóng ngưỡng tạo tín hiệu giải mã sau khe thời gian Sự mơ tả xác hiệu xem xét tồn hệ thống có trạng thái khe thời gian cho thuê bao cụ thể Chính xác ~ (u ) mơ tả trạng thái thứ u hệ thống khe thứ l Α l sau: ~ (N ) Α l( u ) = [ al(1) al( 2) … al(u −1) al(u −2) … al ]T Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã (4-20) 62 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà Bây giờ, xem xét thuê bao thứ j tín hiệu thu khe thời gian thứ l Giả sử khe tương ứng với khe mẫu tham chiếu cho thuê bao thứ ( j) j, nghĩa là, al = +1 Các mẫu tham chiếu khe tương quan với mẫu khe j nhận sau đó, nghĩa khe thứ (l + j) Đầu tuơng quan, ( j) ~ ~ ( j) ( j) mô tả y l |( Α l( j ) , Α l(+j )j , al = +1, al + j ) tính bởi: ~ ( j) ~ ( j) ( j) ( j) yl( j ) |( Α , Α l + j , al = +1, a l + j ) = l lβ N (u ) N (v) + s ξ ∑ ∑ k k ∑ s k + jβ + ξ k + jβ k = ( l −1) β +1 u =1 v =1 lβ N (v) (v) N (u ) (u ) + ξ a x = ∑ ∑ l k −ηu k ∑ a l + j x k + jβ −ηv + ξ k + jβ k = ( l −1) β +1 u =1 v =1 N = lβ N ∑∑ ∑β ∑ a u =1 v =1 k = ( l −1) +1 u =1 N + ∑ N N (u ) (v ) l l+ j a x lβ ∑ al(+v)j xk(v+)jβ −ηu ξ k + v =1 k = ( l −1) β +1 (u ) k −ηu x (v) k + βj −ηv + lβ ∑ ∑βa ξ (u ) (u ) k −ηu k + βj l u =1 k = ( l −1) +1 x lβ ∑ξ ξ k k = ( l −1) β +1 k + jβ (4-21) Trong ηi = (i = 1, 2, …, N) với mẫu tham chiếu, ηi = iβ với mẫu liệu Giải mã tín hiệu phụ thuộc vào cặp khe thời gian này, xác định α~l( j ) theo nguyên tắc đơn giản sau: α~l( j ) = +1 -1 ( j) ( j ) ~ ( j) ~ ( j) Α l , Α l+ j , al( j ) = +1, al + j > y l ( j) y l ~ ( j) ~ ( j) Α l( j ) , Α l(+j )j , al = +1, al + j ≤ (4-22) 4.3.2 Tỉ số lỗi bit thu Tín hiệu phát thuê bao thứ j khe thời gian thuê bao thứ (l + j) α l( j ) , nghĩa α l(+j )j = α l( j ) Với thuê bao thứ j, tín hiệu phát khe thứ j (l+j) có dạng cặp mẫu tham chiếu - liệu Vì vậy, u = v = j, đơn (v ) ( j) (u ) giản (4-22) việc đặt x k −ηu = x k + jβ −ηv = x k Từ đó: ~ ( j) ~ ( j) ( j) ~y ( j ) = y ( j ) |( Α al = +1, α l( j ) ) l l , Α l+ j , l Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã (4-23) 63 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà ~ ~ ( j) ( j) a ω~ j ,u ,v = ω j ,u ,v |( Α l( j ) , Α α l( j ) ) l+ j , l = +1, lβ =a (u ) l a ∑βx (u ) k −ηu k = ( l −1) +1 (v ) l+ j x k( v+) jβ −ηv (4-24) lβ ( j) ~p ~ ( j) al( u ) j ,u = p j ,u |( Α l , a l = +1) = ~ (v) ( j) q~ j ,v = q j ,v |( Α l+( j )j , α l ) = al γ = ∑βx (u ) k −ηu k = ( l −1) +1 lβ ∑βx (v) k + jβ −ηv k =( l −1) +1 ξ k + βj ξk (4-25) (4-26) lβ ∑ ξβ ξ k =( l −1) k (4-27) k + jβ Đầu tương quan công thức (4-21) trở thành: ~y ( j ) = ω~ + l j, j, j (1) N N N ∑∑ ω~ j ,u ,v + N ~p + ∑ q~ j ,v + γ ∑ j ,u u =1 v =1 u =1 v =1 ( u ,v ) ≠ ( i , j ) (4-28) ( 3) ( 2) Trong (1) tín hiệu yêu cầu, (2) thành phần nhiễu giao thoa thuê bao (3) thành phần nhiễu Với ω~ j , j , j = α lJ lβ ∑β( x k = ( l −1) +1 ( j) k ) (4-29) Tại thời điểm này, đưa nhiều giả thiết nhằm làm đơn giản cho phân tích Các chuỗi hỗn loạn từ máy tạo khác độc lập Tất chuỗi hỗn loạn có giá trị trung bình zero Tất tín hiệu hỗn loạn nhiễu ổn định Với giả thiết này, dễ dàng thấy giá trị trung bình ~y ( j ) , E[ ~y ( j ) ] tính bằng: l l Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 64 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà ∑βE [(x ) ] [ ] lβ E~ y l( j ) = α l( j ) + N ~ Eω j ,u , v ] ∑ E [~p ] N + u =1 v =1 ( u ,v ) ≠ ( j , j ) + E [γ ] = βα l( j ) E x k( j ) j ,v v =1 ∑∑ [ N j ,u u =1 [( ) ] ∑ E[q~ ] N + k = ( l −1) +1 ( j) k (4-30) ~ ( j) Trong E[ψ] trị trung bình ψ Do đó, var[ y l ] phương sai ~y ( j ) tính sau: l [ var[ ~y l( j ) ] = var ω~ j , j , j ] N N + ∑∑ var[ω~ j ,u ,v ] + u =1 v =1 ( u ,v ) ≠ ( i , j ) N ∑ var[ ~p j ,u ] + u =1 N ∑ var[q~ v =1 j ,v ] (4-31) var[γ ] + ∑∑ cov[C , D] C D ~ ~ ~ Trong C, D ∈ { ω j ,u ,v , p j ,u , q j ,v , γ ; u , v = 1, N } , var[ψ] phương sai ψ cov[C,D] đồng phương sai C D xác định bởi: cov[C,D] = E[CD] – E[C]E[D] (4-32) Hơn nữa, nhận thấy biểu thức tính đồng phương sai (4-22) bị triệt tiêu, trừ C = ω~ j ,u ,v D = ω~ j ,v ,u với ( u~ , v~ ) = (v, u) ≠ (u, v), biểu thức đồng phương sai cho bởi: lβ cov[ ω~ j ,u ,v , ω~ j ,v ,u ] = a (u ) l a (u ) l+ j (v ) l a a (v ) l+ j ∑β k = ( l −1) +1 ∑β(E[x lβ m = ( l −1) +1 (u ) (u ) k −ηu m + jβ −ηu x ])(E[x (v ) (v ) m −ηv k + jβ −ηv x ]) (4-33) Nó hàm trạng thái hệ thống Ngồi biểu thức tính phương sai độc lập với trạng thái trong, đó: Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 65 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà [ var ω~ j , j , j var [ ~y l( j ) ] = N ] N N + ∑∑ var [ω~ j ,u ,v ] + u =1 v =1 [ N N var [γ ] + 2∑∑ cov ω~ j ,u ,v , ω~ j ,v ,u N ∑ var [ ~p j ,u ] + ∑ var u =1 ( u ,v ) ≠ ( i , j ) v =1 [q~ j ,v ] ] u =1 v =1 (4-34) ( j) Lưu ý rằng, ~y l tổng số lớn phương sai Nếu giả thiết phân bố chuẩn hóa xác suất lỗi xảy ra, BERl(j) xác định bằng: BER = ( j) l ~ A ( ( j) l ∑ ∈U ( n −1) ) ∑ [Pr ob ( ~y ~ Al(+j )j ∈U ( n −1) ( j) l ≤ α l( j ) = +1)x ~ Pr ob ( A ~ ~ Pr ob ( Al( j ) , Al(+j )j )x x Pr ob α l( j ) = +1 + Pr ob ( ~yl( j ) ≤ α l( j ) = −1)x ( j) l ~ ,A ( j) l+ j ) ( ) Pr ob α l( j ) = −1 ] = ∑ A~l( j ) ∈U ( N −1) ( [ ∑ ~ All( +j )j ∈U ( N −1) ~ ~ x Pr ob Al( j ) , Al(+j j) ) ] ~ ( j) ( j) erfc E y l α l = +1 2 var ~ y l( j ) α l( j ) = +1 [ ] [ ] −E ~ y l( j ) α l( j ) = −1 + erfc var ~ y l( j ) α l( j ) = −1 [ ] (4-35) Trong U∈{-1, +1} erfc(.) hàm lỗi bổ sung xác định bởi: erfc (Ψ ) ≡ π ∞ −λ ∫ e dλ (4-36) ψ Định nghĩa s(j) khối khe tương ứng với khe tham chiếu thuê bao thứ j siêu khung BER trung bình cho thuê bao thứ j, BER(j), sau tính tổng tất giá trị l siêu khung, nghĩa là: Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 66 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà BER ( j) = [ erfc ∑ ~ All( +j )j ∈U ( N −1) ∑ ~ Al( j )∈U ( N −1) ] −E ~ yl( j ) α l( j ) = −1 + erfc var ~ yl( j ) α l( j ) = −1 [ ( ] ~ ~ B Al( j ) , Al(+j j) Trong ) = NS [ [ var ~ yl( j ) α l( j ) ~( j) ~( j) xB Al , Al + j ( ] = +1 E~ yl( j ) α l( j ) = +1 ] (4-37) ) ~ ( j) ~ ( j) l , Al + j ) ∑ Pr ob(A l∈S ( j ) ~ ~ ( N −1) Mỗi trạng thái Α l( j ) Α l(+j )j có tổ hợp xảy ra, ~ ~ ( Α l( j ) , Α l(+j )j ) có tất ( ( N −2) tổ hợp Xác suất xảy trung bình với tổ hợp này, ) ~ ~ B Al( j ) , Al(+j j) , tính cho thuê bao thứ j cách tính tốn cấu trúc siêu khung Ví dụ, hệ thống gồm thuê bao có 16 tổ hợp, xác suất tương ứng với thuê bao thứ B3(1) tính bằng: B3(1) = 1/96 [35 15 5 1 7 1 1]T (4-38) Tương tự, xác suất tương ứng với thuê bao thứ thuê bao thứ là: B3( ) = 1/96 [37 11 11 5 3 1]T (4-39) B3(3) = 1/48 [13 5 0 1 0]T (4-40) Phần tử dãy tương ứng với B([+1,+1],[+1,+1]), thành phần thứ hai tương ứng với B([+1,+1],[+1,-1]),…và thành phần cuỗi tương ứng với B([-1,-1],[-1,-1]) Lưu ý rằng, cấu trúc không đối xứng siêu khung, xác suất thuê bao khác Ngoài ra, tất phần tử dãy cộng lại Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 67 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà 4.3.3.1 Kỹ thuật phân tích mơ tổng hợp Khi khơng có giả thiết cụ thể loại hỗn loạn sử dụng, tính tốn BER phương pháp phân tích – mơ tổng hợp (MAS) Cụ thể là, từ (4-30) (4-34), biểu thức tính giá trị trung bình, phương sai đồng phương sai tính mơ Vì thế, (4-30), (4-34) (4-38) đưa kỹ thuật phân tích mơ hỗn hợp để suy BER hệ thống 4.3.3.2 Phân tích BER Nếu đưa thêm giả thiết việc phân tích BER tính tốn hình thức đóng Cụ thể là, để đảm bảo tất thuê bao xử lý cách nhau, giả thiết tất th bao phát với cơng suất trung bình nhau, nghĩa là: =P PS =P (1) S ( 2) S = = P (N ) S với PS [( ) ] = E x k(i ) (i ) (4-41) Ps = E[ (xk(1) ) ] = E[ (xk( 2) ) ] = … = E[ (x k( N ) ) ] 2 (4-42) Lúc (3-36) trở thành: [ ] E y ( j ) = β α l Ps ( j) (4-43) Trường hợp 1: Chuỗi hỗn loạn với thuộc tính trạng thái cụ thể Giả sử chuỗi hỗn loạn tạo thuê bao thứ j, {x k(i ) } , thoã mãn điều kiện sau: cov [( [(x ) , (x ) ] = E [(x ) , (x ) ] - E [(x ) ]E [(x ) ] = (i ) k (i ) m [( (i ) k ) ( )] E x k(i ) , x m(i ) ) ( ) ( ) ( )] =0 E x k(i ) , x k(i+)k , x k(i+)µ , x k(i+)θ = (i ) m (i ) k (i ) m k≠m k≠m (4-44) ∀k , µ , θ ∈ I + < k < µ < θ (4-45) Hai giả thiết đầu làm cho tự phương sai (x m(i ) ) tự tương quan (x ) triệt tiêu Giả thiết thứ ba chủ yếu thể bốn số không tạo từ chuỗi (x ) khơng tương quan Vì vậy, có : (i ) k (i ) k Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 68 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà [( [ ] y l( j ) var ~ = β var x )] ( j) k N N ∑∑ βP + u =1 v =1 N ∑ βP + S S u =1 N0 N N N N0 β + β + P N / (0) ∑ ∑∑ S v =1 u =1 v =1 + [( = β var x k( j ) )] ( (4-46) ) + β N − PS2 + β NPS N + β N 02 / [ ] Hơn nữa, trường hợp E ~yl( j ) α l( j ) = +1 = - [ ] ( j) y l( j ) α l( j ) = −1 var[ ~y l ] E~ độc lập với α l( j ) Ngoài ra, E[ ~y l( j ) ] var[ ~y l( j ) ] ~ ( j) ~ độc lập với Α l( j ) Α l+ j Do đó, (4-37) trở thành: BER = ( j) = [ ] E~ yl( j ) α l( j ) = +1 erfc var ~ yl( j ) α l( j ) = +1 [( var x ( j ) k erfc βPS [ )] + 2( N − 1) Để thích đơn giản, ta xác định [( ] var xk( j ) Ψ( j ) = Ps2 2 NN βPS + β + N βPS2 − ) ] = var[(x( ) ) ] E [(x ( ) ) ] j j k (4-47) (4-48) k Ψ ( j ) phụ thuộc vào dạng chuỗi hỗn loạn dùng khơng phụ thuộc vào cơng suất trung bình chuỗi BER cho thuê bao thứ j viết sau: ( j) BERDCSK −I = − 2Ψ ( j ) (2 N − 1) NN N 02 = erfc + + + β β P β βPS2 S 2Ψ ( j ) (2 N − 1) E erfc + + N b β β N0 −1 E + β b N0 −2 (4-49) − Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã (4-50) 69 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà Trong Eb đặc trưng cho lượng bit trung bình cho bởi: Eb = 2βPS (4-51) Ngoài xác định: θ CSK − I = N 02 2Ψ ( j ) (2 N − 1) NN + + + β β βPS βPS2 (1) = 2Ψ ( j ) β + ( 2) (2 N − 1) β ( 3) E + N b N0 −1 E + β b N0 (4-52) −2 Trong đó, (1) phương sai (x k( j ) ) ; (2) tín hiệu giao thoa thuê bao; (3) thành phần nhiễu Rõ ràng, tính hệ thống TLMA-DCSK chịu ảnh hưởng bởi: - Hệ số trải phổ 2β - Phương sai (x k( j ) ) với Ps cho - Số th bao N - Cơng suất nhiễu Vì vậy, với Eb/N0 cố định, đưa BER cho thuê bao thứ j cách điều chỉnh nhiều thông số sau: - Thay đổi hệ số trải phổ 2β đạt BER tối ưu - Giảm thiểu phương sai (x k( j ) ) với Ps cho trước Trong trường hợp tối ưu var[ (x k( j ) ) ] = chuỗi nhị phân tạo - Giảm số thuê bao N Trường hợp 2: Tất thuê bao sử dụng khối hỗn loạn chung để tạo chuỗi với thuộc tính trạng thái cụ thể Chúng ta lại giả thiết chuỗi hỗn loạn thõa mãn điều kiện cho (4-44), (4-45) Ngoài ra, ta giả thiết thuê bao sử dụng chung khối hỗn loạn thuê bao dùng điều kiện ban đầu khác Vì vậy, thuộc tính Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 70 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà thống kê (x k(i ) ) đồng cho tất thuê bao BER thuê bao sau: BERDCSK − II = Trong đó: − 2Ψ ( j ) (2 N − 1) NN N 02 = erfc + + + β βPS βPS2 β 2Ψ ( j ) (2 N − 1) E + + N b erfc β β N0 −1 Eb + 2β N −2 − (4-53) [( ) ] = var[(x ) ] = = var[(x ) ] var x k(1) Ψ= Ps2 ( 2) k s P (N ) k s P (4-54) (4-55) Như trường hợp trước, với Eb/N0 cố định, ta đưa BER hệ thống cách điều chỉnh nhiều thông số sau: - Thay đổi hệ số trải phổ 2β đạt BER tối ưu - Giảm thiểu phương sai (x k( j ) ) với Ps cho trước - Giảm số thuê bao N Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 71 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nội dung luận văn trình bày vấn đề truyền thông trải phổ, ứng dụng tượng hỗn loạn vào hệ thống truyền thông đa truy nhập, vấn đề điều chế giải điều chế số dựa hỗn loạn Nội dung nhấn mạnh rõ việc phân tích nguyên lý hoạt động phương pháp tính tốn tỉ số lỗi bit thu hệ thống CSK DCSK Mảng nghiên cứu vấn đề hỗn loạn sâu rộng Trong phạm vi luận văn nghiên cứu số vấn đề cụ thể nêu Với điều kiện cho phép mặt thời gian trình độ khoa học, tiếp tục hoàn thiện nâng cao đề tài cấp độ cao mô đánh giá tỉ số lỗi bit hệ thống CSK DCSK thực tế Nghiên cứu đến tính chống nhiễu hệ thống trên, phân tích tính tổ hợp hệ thống truyền thông số dựa hỗn loạn hệ thống thông thường, vấn đề tách sóng khơng kết hợp… Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 72 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà TÀI LIỆU THAM KHẢO Abel A , Schwarz W (2002): Chaos communication - Principles, schemes, and system analysis, Proceedings of the IEEE, 90(5), 691-710 Dedieu H., Kennedy M.P., Hasler M (1993): Chaos Shift Keying: modulation, and demodulation of a chaotic carrier using self –synchronizing Chua’s circuit, IEEE Transactions on Circuits and Systems Part II, 40(10), 634-642 F.C.M.Lau, M.M.Yip, C.K.Tse, and S.F.Hau (2002) : A multiple access technique for differential chaos shift keying, IEEE Trans, Circuits Syst.I, 49 ,99-104 F.C.M.Lau, M.M.Yip, C.K.Tse (2003): Chaos - Based digital communication systems, Operation, Analysis and Evaluation, Heidelberg, NJ Springer-Verlag Kolumban G., Vizvari G.K., Schwarz W., Abel A (1998): Differential chaos shift keying: a robust coding for chaos communication, Proc International Workshop on nonlinear Dynamics of Electronic Systems, Seville, Spain, 97-92 Tam W.M., Lau F.C.M., Tse C.K.(2002): Multi-user detection techniques for multiple access chaos-based digital communication systems, Proc International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications, Xi’an, China, 503-506 Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 73 Lê Thị Ngọc Hà Luận văn thạc sỹ SUMMARIZATION OF THESIS Chaotic signals, by virtue of the wideband characteristic, are natural candidates for carrying information in a spread - spectrum communication environment The use of chaotic signals in communications thus naturally inherits th advantages that are currently being offered by conventional spread - spectrum communication systems, such as robustness in multipath environment, resistance to jamming, low probability of interception, etc In addition, chaotic signals are easy to generate and hence offer a potentially low - cost solution to spread - spectrum communications This thesis is intended to address the basic system design, operation, analysis, and performance evaluation of a few selected chaos-based digital communication systems We put emphasis on the analytical approach taken to study chaos -based communition systems, and focus our attention on a few performance aspects that are of practical importance In paticular, we discuss in this thesis the modulation teachniques, error rate calculations, anti - jamming capabilities, and coexistence with conventional communication systems We begin in chapter with an overview of spread - spectrum communication systems and the potential benefits of carrying information with chaotic signals In chapter introduce chaos - based digital modulations and discuss the salient concepts in encoding information with chaotic signals A review of the various modulation schemes is given In this also contains a discussion on the use of equivalent discrete - time baseband models for studying chaos – based digital communication systems Chapter and provide an indepth treatment of analytical techniques for calculating bit error probabilities of chaos-based digital communication systems CSK (Coherent Chaos Shift Keying) and DCSK (Non Differential Chaos Shift Keying) Both singler - user and multi - user are studied Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã 74 Luận văn thạc sỹ Lê Thị Ngọc Hà TÓM TẮT Nội dung luận văn nhấn mạnh việc phân tích hệ truyền thơng số dựa hỗn loạn đề cập đến vài tính quan trọng thực tế chúng ảnh hưởng Cụ thể, đề tài đề cập đến vấn đề trải phổ, đặc tính tín hiệu hỗn loạn, ứng dụng tượng hỗn loạn vào truyền thông trải phổ ưu nhược điểm chúng Các vấn đề kỹ thuật điều chế, tính tốn tỉ số lỗi bit, khả chống nhiễu tồn đồng thời với hệ thống truyền thông thông thường, nêu hai hệ thống CSK DCSK phương pháp tính tỉ số lỗi bit hai hệ thống Trong chương tổng quan hệ thống truyền thông trải phổ, kỹ thuật trải phổ, phân tích ưu nhược điểm hệ thống trải phổ lợi ích tín hiệu hỗn loạn mang thông tin Chương giới thiệu hệ thống CSK DCSK, điều chế số dựa hỗn loạn COOK, SCSK, QCSK,… đề cập đến vấn đề mã hóa thơng tin với tín hiệu hỗn loạn Cũng chương có đề cập đến việc sử dụng mơ hình tương băng sở gián đoạn theo thời gian việc nghiên cứu hệ truyền thông số dựa hỗn loạn Chương đưa kỹ thuật phân tích với hướng giải cụ thể việc tính tốn xác suất lỗi bit hệ truyền thơng số dựa hỗn loạn CSK (khóa dịch hỗn loạn kết hợp) DCSK (khóa dịch hỗn loạn vi sai không kết hợp) Cả hai phương thức đơn đa truy nhập nghiên cứu Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã ... trường đa người sử dụng Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time-DivisionMultiple-Access: TDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy. .. dịch hỗn loạn đối xứng Khoá dịch hỗn loạn đối xứng (Symmertric Chaos Shift Keying: SCSK) xem lớp khóa dịch hỗn loạn đối cực Hoạt động hệ Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã. .. phát hệ truy? ??n thông DCSK đa truy cập dựa thời gian trễ .58 Hình 4.4: Hệ truy? ??n thơng DCSK đa truy nhập dựa thời gian trễ .60 Ứng dụng tượng hỗn loạn vào đa truy nhập phân chia theo mã DANH