Nghiên cứu các kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống thông tin hỗ loạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ĐĂNG BUA NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ VĂN YÊM Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC Lời cảm ơn LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN SUMMARY OF THE THESIS DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 10 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 12 MỞ ĐẦU 18 Lý chọn đề tài 18 Lịch sử nghiên cứu 18 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 22 Đóng góp luận văn 22 Phương pháp nghiên cứu 23 Kết cấu luận văn 23 NỘI DUNG 25 Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN SỐ SỬ DỤNG ĐẶC TÍNH HỖN LOẠN VÀ ĐỘNG HỌC PHI TUYẾN 25 1.1 Giới thiệu 25 1.2 Truyền thông vô tuyến dựa động học phi tuyến hỗn loạn 27 1.3 Tổng quan hỗn loạn 28 1.3.1 Giới thiệu 28 1.3.2 Ứng dụng hỗn loạn vào truyền thông 29 1.3.2.1 Điều chế tương tự 29 1.3.2.2 Điều chế số 29 1.3.2.3 Trải phổ dãy trực tiếp 30 1.4 Truyền thông vô tuyến dựa động học phi tuyến hỗn loạn 31 1.4.1 Thơng tin vơ tuyến sử dụng sóng mang hỗn loạn 31 1.4.2 Điều chế vị trí xung hỗn loạn vơ tuyến 38 1.5 Một số hệ thống hỗn loạn điển hình 41 1.5.1 Hệ thống Lorenz 41 1.5.2 Hệ thống Rossler 42 1.5.3 Mạch Chua 43 1.5.4 Mạch dao động Colpitts 44 Kết luận chương 45 Chương TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN 46 2.1 Giới thiệu 46 2.2 Khái niệm đồng hỗn loạn 47 2.3 Tổng quát hóa nội dung nghiên cứu 48 2.4 Đồng có mã hóa thơng tin 49 Kết luận 54 2.4 Một số kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn 55 2.4.1 Khái niệm số loại đồng hệ thống hỗn loạn 55 2.4.2 Đồng dự đoán 56 2.4.2.1 Giới thiệu 56 2.4.2.2 Một số ví dụ 58 2.4.3 Đồng tổng quát 60 2.4.3.1 Giới thiệu 60 2.4.3.2 Lý thuyết đồng tổng quát 61 2.4.3.3 Đồng tổng quát hệ thống 61 Kết luận 64 2.4.4 Đồng trễ 64 2.4.4.1 Giới thiệu 64 2.4.4.2 Lý thuyết đồng trễ 64 2.4.5 Đồng xạ ảnh 66 2.4.5.1 Giới thiệu 66 2.4.5.2 Đồng xạ ảnh hệ thống hỗn loạn MLCL 66 2.4.5.3 Điều khiển đồng xạ ảnh 70 Kết luận 73 2.4.6 Đồng hoàn chỉnh ngược 73 2.4.6.1 Giới thiệu 73 2.4.6.2 Đồng hoàn chỉnh ngược hệ thống đa hồi tiếp Ikeda 73 Kết luận 76 Kết luận chương 76 Chương PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ PHÁT TÍN HIỆU DAO ĐỘNG HỖN LOẠN 77 3.1 Giới thiệu hệ thống hỗn loạn 77 3.2 Hệ thống Lorenz 77 3.3 Hệ thống Rossler 85 3.3 Hệ thống Linz Sprott 91 3.4 Hệ thống Chua 98 Kết luận chương 106 Chương NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN VÀ ÁP DỤNG KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ HOÀN CHỈNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN 107 4.1 Đồng hỗn loạn 107 4.2 Khả đồng từ việc kiểm soát hệ thống hỗn loạn 108 4.2.1 Khả kiểm soát nội cho khả đồng hoàn chỉnh 109 4.2.2 Khả theo dõi nội cho khả đồng hoàn chỉnh 110 4.3 Khả đồng hoàn chỉnh 111 4.4 Đồng hệ thống Lorenz 112 4.4.5 Đồng hoàn chỉnh hệ thống Lorenz sử dụng mơ túy tốn học 127 4.5 Đồng hệ thống Rossler 132 4.6 Đồng hệ thống Linz Spott 143 4.7 Đồng hệ thống Chua 152 Kết luận chương 164 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 165 KẾT LUẬN 165 HƯỚNG NGHIÊN CỨU 166 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 167 PHỤ LỤC HÌNH VẼ MƠ PHỎNG CÁC KIẾN TRÚC SIMULINK 172 Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo, cô giáo - nhà khoa học Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy giáo PGS TS Vũ Văn Yêm tận tình bảo, hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp đỡ em trình làm luận văn Đề tài khó, cố gắng hết sức, song luận văn em cịn nhiều thiếu sót, kính mong Q thầy đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn em hoàn thiện Cảm ơn gia đình, bạn bè người thân tạo điều kiện, động viên giúp đỡ em hoàn thành luận văn thạc sĩ Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2014 Học viên Phạm Đăng Bua LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tự nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Vũ Văn Yêm Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2014 Học viên: Phạm Đăng Bua TĨM TẮT LUẬN VĂN Tín hiệu hỗn loạn, hỗn loạn viễn thông biết đến từ lâu thông qua nghiên cứu điều chế xung hỗn loạn, trải phổ tín hiệu hỗn loạn… Sự thực tượng hỗn loạn diện tất ngành khoa học như: toán học, vật lý, y học, sinh học, thiên văn dự báo thời tiết, viễn thông… Nhưng riêng lĩnh vực viễn thông, hỗn loạn chưa ứng dụng rộng rãi Mặc dù tín hiệu hỗn loạn có tính bảo mật truyền thơng cao Một lý chính, việc nghiên cứu kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn chưa áp dụng nhiều thực tế hệ thống viễn thông mà dừng lại nghiên cứu, ứng dụng quân công nghệ cao nước có khoa học phát triển giới Kể từ công bố khoa học Louis M Pecora Thomas L Carrol thuộc viện nghiên cứu hải quân Mỹ đưa báo “Synchronization in Chaotic System” đăng tạp chí Physical Review Letters năm 1990 việc nghiên cứu đồng hỗn loạn hệ thống thơng tin có bước đột phá từ Trong báo, Pecora Carrol tiến hành đồng hệ thống hỗn loạn cách kết nối hệ thống hỗn loạn phụ (Slave) phi tuyến với hệ thống hỗn loạn chủ (Master) tín hiệu điều khiển thông thường Họ sử dụng tiêu chuẩn dấu hiệu số mũ phụ Lyapunov Họ tiến hành đồng hỗn loạn mạch điện tử thật áp dụng ý tưởng Điều chứng tỏ khả đồng hệ thống thơng tin hỗn loạn hồn tồn khả thi có khả ứng dụng cao viễn thơng ngành khoa học khác có liên quan đến hỗn loạn Tính khả thi để đồng hai hệ thống hỗn loạn lần thực dựa lý thuyết đề xuất Pecora Carroll, sau tổng quát cho khái niệm đồng tích cực - thụ động (Master - Slave) đề xuất Kocarev Parlitz Chính thành cơng việc nghiên cứu đồng hỗn loạn Pecora Carrol, Kocarev Parlitz với nhà khoa học tiên phong khác lĩnh vực nghiên cứu kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn khiến cho đồng hỗn loạn ngày trở thành đề tài quan tâm nghiên cứu nhà khoa học toàn giới tất lĩnh vực nói chung viễn thơng nói riêng Với mục đích luận văn nghiên cứu kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn, tác giả muốn đóng góp phần nhỏ việc tổng hợp kiến thức mặt lý thuyết động học phi tuyến hỗn loạn ứng dụng truyền thơng, ví dụ điều chế xung hỗn loạn, trải phổ tín hiệu hỗn loạn… nghiên cứu nhà khoa học Tác giả nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn, đồng hỗn loạn có mã hóa thông tin để phục vụ truyền thông Tác giả tổng hợp, phân tích phương pháp đồng hỗn loạn nghiên cứu: đồng tổng quát, đồng pha, đồng trễ, đồng dự đoán, đồng xạ ảnh, đồng hoàn chỉnh, đồng hoàn chỉnh ngược Sau đó, tác giả sâu vào việc thiết kế, mô hệ thống thông tin hỗn loạn điển hình Lorenz, Rossler, Chua, Linz Sprott Matlab-Simulink Tác giả sâu vào nghiên cứu đồng hồn chỉnh tiếp cận theo quan điểm hình học, hệ phương trình vi phân phân tích tính tốn sử dụng cơng cụ tốn học ma trận Tác giả tính tốn lỗi hệ thống đồng bộ, tính tốn thiết kế lệnh điều khiển đồng hỗn loạn Matlab-Simulink Các tạo dao động hỗn loạn tiếp tục dùng để mơ đồng hồn chỉnh sử dụng tín hiệu lệnh điều khiển đồng hỗn loạn Các kết đồng đưa dạng đồ thị, bảng biểu attractor để chứng minh xác hệ thống đạt đồng hồn chỉnh Thiết kế mơ hình đồng hồn chỉnh hệ thống thông tin hỗn loạn chi tiết sử dụng làm hướng nghiên luận văn thiết kế, lập trình đồng hồn chỉnh mạch vi mạch khả trình FPGA Tác giả làm theo hướng thiết kế chế tạo mạch điện tử đồng hồn chỉnh sử dụng linh kiện đơn giản vi mạch khuếch đại thuật toán SUMMARY OF THE THESIS Signal of chaos especially chaos in tele-communication was already known many years ago through the studies about modulating chaotic impulsion, spreading chaotic signal The fact that phenomenon of chaos has occurred in almost sciencies such as mathematics, physics, medecine, biology, astronomy, weather forcast telecommunication, philosophy, but especially in the field of tele-communication, chaos has not been widely applied although signal of chaos has a very hight secrecy of communication One of the main reasons is that the studies about the techniques of synchronization in the system of chaotic communication have not been widely applied in the system of tele-communication however they stand at the studies of applying in military, excellent industries of the countries with the developed sciencies in the world Since when the scientific promulgation of Louis M Pecora and Thomas L Carrol belonging to the US institute of naval forces was presented in the article “synchronization in chaotic system” published on the magazine “Physical Review letters 1990”, from that time on the studies about synchronization of chaos in the system of communication have rapidly developed In the article, Pecora and Carrol had carried out synchronizing the chaotic systems by combining the minor chaotic non-clinear system with the chaotic Master system by using normal controll signal They had used the standard which was the sign of minor exponents Lyapunov They had carried out synchronizing chaos on the real electric circuit applying that idea The matter had proved that the ability of synchronizing chaotic communication systems was completely possible and it could have excellent possibility of applying in tele-communication as well as in other sciences concerning with chaos It was possible to synchonize two chaotic systems which was firstly carried out on the theory presented by Pecora and Carroll, then comprehended for the idea of active and passive synchonization (Master – Slave) presented by Kocarev and Patlitz It was the success in studying synchronizing chaos by Pecora and Carroll, Kocarev and Patlitz, and other advanced scientists in the field of studying the techniques of synchonization in the chaotic communication systems that made synchronizing chaos become the subject which was interested and studied by the scientists all over the world in the whole fields in general and in tele-communication in particular Through the theme of the thesis: Studying the techniques of synchronization in chaotic communication system, we wish to take a small part in collecting knowledge about theory of non-linearities and chaos applied in tele-communication such as modulating chaotic impulsion, spreading signal already studied by the scientists We will study the theory of the techniques of synchronization in chaotic communication system, synchronization of chaos with encoding communication in order to serve telecommunication We will synthesize and analyze the chaotic synchronization methods were researched: general synchronization, phase synchronization, delay synchronization, anticipating synchronization, projective synchronization, complete synchronization, opposite complete synchronization After that we will carry out designing the simulink for four model chaotic communication systems such as Lorenz, Roslers, Linz and Spott and Chua on Matlab simulink We will study complete synchronization bordered according to the standpoint of geometry, the differential equation systems will be enalysed and calculated by using chief mathematical instrument which is Matric We will calculate the errors of synchronizing system, calculate and design controll command of chaotic synchronization on Matlab simulink Generators of chaotic oscilation will be still used to simulate complete synchronization using a signal which is controll command for the complete synchronization The results of synchronization will be presented with the diagrams, lists and illustrating attractors To prove exactly the success of the complete synchronization, designing dummy of completely synchronizing the chaotic communication system is very detailed And it will be used for the next study of the thesis That is designing, programming complete synchronization of number circuit on Field Programmable Gate Array (FPGA) We can also design and make electric circuit for the complete synchronization using the main component part which simply is algorism amplification microcircuit Hình 3.14 Kiến trúc Simulink hệ phương trình Chua 175 Hình 3.15 Kiến trúc Simulink hàm phi tuyến g(x1) 176 Hình 4.1 Kiến trúc Simulink hệ thống Lorenz Slave 177 Hình 4.2 Kiến trúc Simulink lệnh điều khiển u cho mô hình đồng hệ thống Lorenz 178 Hình 4.3 Kiến trúc Simulink đồng hoàn chỉnh hệ thống Lorenz 179 Hình 4.7 Kiến trúc Simulink đồng hồn chỉnh hệ thống Lorenz sử dụng hàm tốn 180 Hình 4.9 Kiến trúc Simulink hệ thống Rossler Slave 181 Hình 4.10 Kiến trúc Simulink lệnh điều khiển u cho mơ hình đồng hệ thống Rossler 182 Hình 4.11 Kiến trúc Simulink hệ thống đồng Rossler 183 Hình 4.15 Kiến trúc Simulink hệ thống Linz Spott Slave 184 Hình 4.16 Kiến trúc Simulink lệnh điều khiển u cho mơ hình đồng hệ thống Linz Spott 185 Hình 4.17 Kiến trúc Simulink mơ hình đồng hệ thống Linz Sprott 186 Hình 4.21 Kiến trúc Simulink hệ thống Chua Slave 187 Hình 4.22 Kiến trúc Simulink lệnh điều khiển u cho mơ hình đồng hệ thống Chua 188 Hình 4.23 Kiến trúc Simulink mơ hình đồng hệ thống Chua 189 ... kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn sâu vào nghiên cứu, mô kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn - Đối tượng nghiên cứu luận văn: nghiên cứu kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn. .. niệm đồng hỗn loạn; tổng quát hóa nội dung kỹ thuật đồng hỗn loạn nghiên cứu; kỹ thuật đồng tín hiệu hỗn loạn có mã hóa thơng tin; số kỹ thuật đồng hệ thống thông tin hỗn loạn tiêu biểu: đồng. .. Hệ thống Chua 98 Kết luận chương 106 Chương NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN VÀ ÁP DỤNG KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ HOÀN CHỈNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN