Bài viết này trình bày giải pháp thiết kế mô phỏng số bộ điều chế/giải điều chế vị trí xung ứng dụng hỗn loạn kết hợp đa biểu tượng định hướng ứng dụng trong truyền thông băng siêu rộng (Ultra Wide Band). Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy việc nâng cao tỉ lệ lỗi bít qua kênh nhiễu, cải thiện tính bảo mật và tính khả thi của giải pháp.
ISSN 2354-0575 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG HỖN LOẠN ĐA BIỂU TƯỢNG Nguyễn Quốc Trung, Phạm Ngọc Thắng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 22/01/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 25/02/2018 Ngày báo chấp nhận đăng: 27/02/2018 Tóm tắt: Hiện tượng hỗn loạn (chaotic) biết đến từ cuối kỷ 19 thực nhận quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ cộng đồng khoa học năm gần với hàng loạt cơng trình cơng bố có lĩnh vực điện tử truyền thông Trong hai thập kỷ trở lại đây, nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn lĩnh vực chủ yếu theo ba hướng bảo mật, ứng dụng thơng tin trải phổ điều chế/giải điều chế số Bài báo trình bày giải pháp thiết kế mơ số điều chế/giải điều chế vị trí xung ứng dụng hỗn loạn kết hợp đa biểu tượng định hướng ứng dụng truyền thông băng siêu rộng (Ultra Wide Band) Các kết mô cho thấy việc nâng cao tỉ lệ lỗi bít qua kênh nhiễu, cải thiện tính bảo mật tính khả thi giải pháp Từ khóa: Chaotic, CPPM, UWB, Modulation Đặt vấn đề Như ta biết phát triển kỹ thuật truyền thông trải qua nhiều phương pháp điều chế khác Nhìn chung phương pháp điều chế giải điều chế thực tín hiệu sóng mang dạng hình SIN Điều chế giải điều chế với sóng mang hình SIN sử dụng rộng rãi tần số khác với ứng dụng khác Những nghiên cứu gần đưa phương pháp điều chế dựa sóng mang có dạng phức tạp khơng có chu kỳ Các tín hiệu khơng có chu kỳ sinh dao động có trạng thái khơng ổn định, hệ hỗn loạn [1, 2, 3, 11] Điều chế giải điều chế dùng tín hiệu hỗn loạn làm sóng mang hứa hẹn tạo bước ngoặt lớn kỹ thuật truyền thông tương lai gần ưu điểm như: bảo mật thơng tin, phổ rộng, điều chế tin tức hệ phức tạp nhiều chiều … [4, 7, 10, 12] Các phương pháp điều chế/giải điều chế số trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn nghiên cứu cho thông tin số năm qua nhìn chung cịn tồn số vấn đề sau [1, 5, 6, 8, 9, 13, 14, 15]: • Đồng hỗn loạn qua kênh truyền thực tế khó khăn • Sự bù trừ mức độ bảo mật tính khả thi • Hiệu suất băng thơng thấp • Hạn chế việc dịch chuyển dải tần số phát mong muốn Tuy nhiên có nhiều ưu điểm như: • Khả đồng hỗn loạn tự động mà không cần giao thức bắt tay đặc biệt Mỗi xung nhận vừa mang thơng tin lại vừa đóng vai trị 50 xung đánh dấu đồng Bên phía giải điều chế cần xác định hai khoảng cách xung liên tiếp để thiết lập trì đồng Do mà tính khả thi phương pháp CPPM (Chaotic Plulse Position modulation) cao Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu thấp • Tính bảo mật phương pháp CPPM cải thiện đáng kể so với phương pháp điều chế hỗn loạn không liên kết • CPPM nghiên cứu sử dụng truyền thơng băng siêu rộng (UWB) Trong xung với độ rộng siêu hẹp điều chế vị trí hỗn loạn phát trực tiếp kênh truyền Dưới trình bày giải pháp thiết kế điều chế/giải điều chế CPPM Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) 2.1 Nguyên lý CPPM Chúng ta giả thiết chuỗi xung hỗn loạn có biểu thức toán học sau: U (t) = / w (t - t j ) j=0 (1) Trong w(t − tj) dạng sóng xung sinh j thời điểm t j = / n = Tn với Tn khoảng thời gian giữa xung thứ n-1 xung thứ n Giá trị Tn kết hàm phi tuyến Tn=F(Tn–1) Bằng cách chọn hàm phi tuyến F(.) với giá trị tham số thích hợp, Tn thay đổi cách hỗn loạn giá trị ngẫu nhiên Ở phía điều chế, thơng tin nhị phân điều chế lên tín hiệu sóng mang hỗn loạn nhờ chế chèn thêm trễ sau: Tn = F(Tn – 1) + d + mSn (2) Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Sn giá trị bit thông tin nhị phân: Sn nhận giá trị Tham số d tham số trễ cố định hệ thống Tham số bắt buộc cần trình triển khai điều chế giải điều chế [1] Tín hiệu điều chế tín hiệu truyền sau: i j=0 n=0 U (t) = / w (t - / Tn ) (3) Ở phía giải điều chế, tham số d, m F(.) đồng hoàn toàn với khối điều chế Mỗi xung tới vừa mang thơng tin bit vừa kiểm sốt q trình đồng phía giải điều chế Khi trạng thái đồng hệ thống CPPM trì, giả sử giải điều chế nhận thông tin khoảng thời gian trễ Tn–1 trước đó, Sn dễ dàng giải điều chế thu lại theo biểu thức sau: (4) Sn = (Tn − F(Tn – 1) − d)/m Từ giá trị Sn, bit thứ n xác định nguồn thông tin nhị phân khôi phục 2.2 Cấu trúc CPPM 2.2.1 Điều chế Điều chế CPPM thực theo cấu trúc Hình Trong sơ đồ Hình 1, tích phân đưa đầu điện áp tăng tuyến tính: (5) V(t) = β –1(t − tn) Tại khối so sánh, điện áp so sánh với điện áp ngưỡng tạo thành từ khối biến đổi phi tuyến F(x) Ngưỡng F(Vn) sinh biến đổi phi tuyến giá trị Vn lấy mẫu lưu lại từ chu kì trước khối S&H Khi V(t) đạt tới giá trị ngưỡng, so sánh kích hoạt tạo xung thời điểm t'n + = tn + bF (Vn ) Với xung tạo (tín hiệu xung hỗn loạn), phát liệu cập nhật bit thông tin truyền Xung sinh tác động tới khối nguồn để cập nhập bit cần truyền Tùy thuộc vào thông tin bit mà khối điều chế trễ định xem xung trễ khoảng là: d + mSn+1 Do xung truyền phát thời điểm: tn+1 = tn + βF(Vn) + d + mSn+1 (6) Sau đó, xung điều chế tác động lên khối S&H reset tích phân Một chu trình lại bắt đầu bit điều chế theo cách tương tự Chúng ta có chuỗi xung CPPM đầu khối điều chế Như vậy, khoảng thời gian xung thứ n+1 thứ n xác định biểu thức: Tn+1 = tn+1 − tn = βF(β-1Tn) + d + mSn + (7) Biểu thức (7) cho thấy Tn+1 phụ thuộc vào Tn hàm phi tuyến F(.) Do chọn hàm phi tuyến F với tham số hợp lý, Tn+1 biến đổi hỗn loạn 2.2.2 Giải điều chế Giải điều chế CPPM thực theo cấu trúc Hình Hình Sơ đồ khối điều chế CPPM Hình Sơ đồ khối giải điều chế CPPM Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 51 ISSN 2354-0575 Trong sơ đồ Hình 2, khối tích phân, F(.), S&H khối tạo xung thiết kế giống hệt phía điều chế Tại đầu vào bên giải điều chế, chuỗi xung CPPM đưa qua khối so sánh ngưỡng Khi tín hiệu vượt giá trị ngưỡng, xung hẹp chữ nhật sinh khối Xung sinh trước tiên tác động tới khối S&H nhằm lưu lại giá trị F(Vn) từ giá trị đầu hàm F(.), sau tác động tới S&H nhằm lưu lại giá trị tích phân lúc Vn+1 cuối reset tích phân Hai giá trị lưu trữ nằm khối S&H đưa vào trừ Giá trị sau trừ nhỏ giá trị tham chiếu β(d+m/2) bit nhận 0, lớn giá trị tham chiếu bit nhận Một phần quan trọng chế khối chọn cửa sổ Một bên giải điều chế thu xung liên tiếp đúng, hồn hồn dự đốn thời điểm sớm mà xung đến Điều có nghĩa ta hồn tồn đóng đầu vào khối giải điều chế trước thời điểm sớm Theo sơ đồ cửa sổ điều khiển đầu khối so sánh Cửa sổ mở thời điểm: (8) t'n + = tn + bF (Vn ) Hình Tín hiệu M-ary CPPM Giá trị Tk kết hàm phi tuyến Tk=F(Tk-1) cách chọn hàm phi tuyến F(.) với giá trị tham số thích hợp, Tk thay đổi cách hỗn loạn giá trị ngẫu nhiên Hình biểu diễn khoảng thời gian Tk trường hợp điều chế M mức Ở phía điều chế, thơng tin nhị phân điều chế lên tín hiệu sóng mang hỗn loạn nhờ chế trễ sau: Tk = F(Tk – 1) + d + mSk (10) Trong Sk giá trị tương ứng symbol thứ k Dữ liệu nguồn nhóm thành nhóm nhiều bit ánh xạ tới symbol tương ứng Dải giá trị Sk tùy thuộc vào số bit symbol phương pháp điều chế Giả sử điều chế n bits/symbol, tương đương có M=2n symbols Sk thay đổi từ tới M−1 3.2 Cấu trúc M-ary CPPM 3.2.1 Điều chế M-ary CPPM Điều chế M-ary CPPM thực sơ đồ khối Hình C(t) Bộ đếm S&H 52 F(Ck) Ck Phát ngưỡng hỗn loạn F(.) Bộ điều chế Mary CPPM Điều chế trễ Trễ Tạo xung chữ nhật Sk k=0 đó: u(t)=1 t ≥ u(t)=0 t < hàm bước nhảy đơn vị; A τ biên độ độ rộng xung chữ nhật Xung thứ k sinh thời điểm: k tk = t0 + / k = Tk Bộ so sánh Clock Điều chế vị trí xung hỗn loạn đa biểu tượng (M-ary CPPM) Khi sử dụng CPPM, với tỉ số Eb/N0 đủ lớn hệ thống hồn tồn đạt BER tới 10-4 So với hệ thống thơng tin truyền thống khơng cao so với phương pháp điều chế khác truyền thơng hỗn loạn rõ ràng điểm đáng ý Tuy vậy, hệ thống lại có nhược điểm tốc độ truyền thông tin chậm xung nhận giải mã bit Rõ ràng điều không hiệu mặt truyền tin Để giải vấn đề người ta phát triển phương pháp có tên gọi M-ary CPPM Đây kết hợp CPPM điều chế đa biểu tượng mang lại ưu điểm: tiêu thụ lượng thấp, tránh hiệu ứng fading đa đường, gây ảnh hưởng tới hệ thống khác, có tính riêng tư bảo mật cao 3.1 Nguyên lý M-ary CPPM Giả thiết tín hiệu M-ary CPPM chuỗi xung chữ nhật hỗn loạn minh họa Hình tuân3 theo biểu thức sau: S (t) = / A 7u (t - tk ) - u (t - tk - x )A (9) với Tk khoảng thời gian xung thứ k xung thứ k-1 Tín hiệu M-ary CPPM n bits Mã hóa MDL nhị ary phân Symbol nguồn Hình Sơ đồ khối điều chế M-ary CPPM Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bộ đếm hoạt động chế độ đếm tự cho đầu giá trị tăng tuyến tính C(t) = K.t, t thời gian kể từ lúc đếm reset K bước đếm Tại thời điểm tk–1, đếm reset C(tk–1) = bắt đầu đếm sau Tín hiệu đầu C(t) đưa vào Comparator để so sánh với giá trị ngưỡng F(Ck–1) Giá trị ngưỡng tạo từ khối Phát ngưỡng hỗn loạn F(.), với Ck–1 giá trị đầu Counter lấy mẫu lưu lại khối S&H từ vòng lặp trước thời điểm trước reset Khi giá trị đầu đếm C(t) vượt giá trị ngưỡng F(Ck–1), khối So sánh sinh xung clock tác động tới khối Tạo xung chữ nhật thời điểm: t’k = tk–1 + F(Ck–1)/K Xung sinh tác động tới khối Dữ liệu nhị phân nguồn để ánh xạ n bit vào symbol Sk khối Mã hóa M-ary Symbol Tại khối Điều chế trễ, tùy thuộc vào giá trị Sk, xung chữ nhật sinh bị trễ khoảng d+mSk Do 3.2.2 Giải điều chế M-ary CPPM Giải điều chế M-Ary CPPM thực sơ đồ khối Hình Bộ trừ Ck Bộ đếm vậy, xung điều chế thời điểm: tk = tk–1 + F(Ck–1)/K + d + mSk (11) Sau đó, xung điều chế tác động lên khối S&H reset đếm Một chu trình lại bắt đầu symbol điều chế theo cách tương tự Chúng ta có chuỗi xung M-ary CPPM đầu khối điều chế Theo lập luận trên, khoảng thời gian xung thứ k k-1 xác định biểu thức: Tk = tk − tk–1 = F(Ck–1)/K + d + mSk = = F(KTk–1)/K + d + mSk (12) Biểu thức (12) Tk phụ thuộc vào F(KTk–1)/K, Tk thay đổi cách hỗn loạn Phát F(Ck) ngưỡng hỗn loạn S&H2 F(.) C(t) S&H1 F(Ck-1) Reset Bộ tách M-ary Trễ Bộ tách Symbol Trễ Sk Tách ngưỡng Giải mã Mary Symbol Tạo xung chữ nhật Chuỗi xung M-Ary CPPM Dữ liệu bit nhị phân Chuỗi xung M-Ary CPPM Hình Sơ đồ khối giải điều chế M-ary CPPM Các khối Bộ đếm, Phát ngưỡng hỗn loạn F(.), S&H Tạo xung chữ nhật thiết kế giống hệt phía điều chế Tại đầu vào bên giải điều chế, chuỗi xung M-ary CPPM đưa qua khối Tách ngưỡng Khi tín hiệu vượt giá trị ngưỡng, xung hẹp chữ nhật sinh khối Tạo xung chữ nhật Xung sinh trước tiên tác động tới khối S&H nhằm lưu lại giá trị F(Ck–1) từ giá trị đầu hàm F(.), sau tác động tới S&H nhằm lưu lại giá trị Bộ đếm Ck thời điểm cuối reset khối đếm Hai giá trị lưu trữ nằm khối S&H đưa vào trừ Giá trị sau trừ xác định sau: Ck − F(Ck–1) = KTk − F(Ck–1) = K(d + mSk) (13) Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Sau giá trị đưa tới khối tách Symbol để giải mã giá trị tham chiếu Sk theo biểu thức: Sk = [(Ck − F(Ck–1))/K − d]/m (14) Dựa vào giá trị Sk, symbol thứ k xác định sau qua khối giải mã M-ary Symbol, liệu nhị phân khôi phục Mô số điều chế giải điều chế vị trí xung hỗn loạn đa biểu tượng (M-ary CPPM) Hệ thống điều chế giải điều chế M-ary CPPM mô số học môi trường Simulink/Matlab Các thơng số hồn tồn đồng bên điều chế giải điều chế: K=0.03/τ, d=15τ, m=4τ, với τ độ rộng xung đồng thời thời gian mẫu phần mềm mô Journal of Science and Technology 53 ISSN 2354-0575 Trong sơ đồ mô khối Phát ngưỡng hỗn loạn F(.) sử dụng hàm Tent-map với biểu thức sau : xn+1 = F(xn) = 1.3|0.5−|0.5 − xn|| (15) Trong Simulink, Hàm F(.) theo (15) xây dựng Hình Bộ điều chế giải điều chế M-ary CPPM thực theo sơ đồ khối Hình Mơi trường kênh chọn AWGN với Eb/N0 = 30dB để đảm bảo điều kiện truyền tốt nhằm quan sát đặc điểm tín hiệu miền thời gian rõ Hình Hàm Ten-map theo công thức (15) Kết mô miền thời gian từ thời điểm bắt đầu t=0 tới 500τ thể Hình d) Giá trị Sn Symbol a) Tín hiệu đầu đếm b) Tín hiệu đầu vào F(.) c) Tín hiệu đầu F(.) 54 e) Tín hiệu M-ary CPPM Hình Tín hiệu miền thời gian hệ thống M-ary CPPM Từ kết mô ta thấy khoảng cách xung Tk biến thiên cách hỗn loạn từ 15τ tới 50τ Tín hiệu M-ary CPPM chuỗi xung có độ rộng xung 1τ Tại thời điểm định, Sk nhận giá trị 0, 1, tương ứng với symbol 00, 01, 10 11 Khi điều kiện đồng đảm bảo, tín hiệu bên giải điều chế thu hồn tồn giống với tín hiệu bên điều chế tức Hình (a), (b), (c), Khoa học & Cơng nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 (d) (e) đồng thời mô tả tín hiệu miền thời gian khối giải điều chế Điều chứng tỏ điều chế M-ary CPPM hồn tồn hợp lí khả thi Để đánh giá hiệu giải pháp ta xem xét tỉ số lỗi 2,4,8,16-ary CPPM qua tính tốn mơ số Trong hệ thống, phía đầu thu tín hiệu nhận tổng tín hiệu chuỗi xung M-ary CPPM truyền nhiễu trắng AWGN Căn vào so sánh mức tín hiệu nhận với mức ngưỡng, máy thu định xung chữ nhật hay không Bảng thống kê tốc độ truyền M-ary CPPM thực với 10000 mẫu thời gian mô Bảng Tốc độ truyền M-ary CPPM 10000 mẫu thời gian mô M Số xung truyền Số bit truyền 3587 3587 3225 6450 3166 9498 16 3112 12448 Bảng thể so sánh tốc độ truyền 2,4,8,16 CPPM q trình mơ 10000 mẫu thời gian tỉ số Eb/N0 Kết cho thấy M-ary CPPM đạt tốc độ xung thấp chút so với CPPM lại có tốc độ bit truyền cao đáng kể so với CPPM Kết vô quan trọng chứng minh M-ary CPPM cải tiến đáng kể tốc độ bit so với CPPM Kết luận Hỗn loạn lĩnh vực khoa học đầy tiềm nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ truyền thông Việc kết hợp với đa biểu tượng thành phương pháp điều chế M-ary CPPM giúp cải thiện tốc độ bit đáng kể so với phương pháp CPPM Cải tiến với đặc tính phương pháp tính bảo mật cao, hoạt động tốt môi trường nhiễu méo, đạt tỉ số lỗi bit mức chấp nhận so với phương pháp điều chế thông thường làm M-ary CPPM trở thành phương pháp có khả ứng dụng cao vào truyền thông hỗn loạn, đặc biệt truyền thơng băng siêu rộng Tài liệu tham khảo [1] Hồng Mạnh Thắng, Vũ Văn Yêm, Nguyễn Tiến Dũng Ứng dụng động học phi tuyến hỗn loạn truyền thông, NXB Bách khoa, 2012 [2] S H Strogat Nonlinear Dynamics And Chaos: With Applications To Physics, Biology, Chemistry, And Engineering.: Westview Press, 2001 [3] E N Lorenz, Deterministic nonperiodic flow Journal of the Atmospheric Sciences, 1963, vol 20, pp 131-140 [4] Z Jákó and G Kolumbán, Carrier generation for chaotic communication by fourth- order analog phase-lock loop In International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA’98), Crans-Montana, Switzerland, 1998, pp 827-830 [5] H Dedieu and M J Ogorzalek, Nonlinear approach to signal coding and compression In European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD’99), Stresa-Italy, 1999, pp 58-61 [6] B Chen and G W Wornell, Efficient channel coding for analog sources using chaotic systems In IEEE GLOBECOM, London-UK, 1996 [7] D R Frey, Chaotic digital encoding: An approach to secure communication IEEE Transactions on Circuits and Systems II, 1993, vol 40, no 10, pp 660-666 [8] P Stavroulakis Chaos Applications in Telecommunications: CRC Press, 2005 [9] F C M Lau and C K Tse Chaos-Based Digital Communication Systems: Operating Principles, Analysis Methods, and Performance Evaluation: Springer, 2003 [10] M P Kennedy and G Kolumbán, Special issue on noncoherent chaotic communications IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 2000, vol 47, no 12, pp 1661–1662 [11] A Abel and W Schwarz, Chaos communications-principles, schemes, and system analysis Proceedings of the IEEE, 2002, vol 90, no 5, pp 691–710 [12] H Dedieu, M P Kennedy, and M Hasler, Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua’s circuit IEEE Transactions on Circuits and Systems II, 1993, vol 40, no 10, pp 634–642 [13] G Kolumbán, M P Kennedy, and L O Chua, The role of synchronization in digital Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 55 ISSN 2354-0575 communications-Part II: Chaotic modulation and chaotic synchronization IEEE Transactions on Circuits and Systems I, 1998, vol 45, no 4, pp 1129–1140 [14] M Sushchik, L.S Tsimring, and A R Volkovskii, Performance analysis of correlation-based communication schemes utilizing chaos IEEE Transactions on Circuits and Systems I, 2000, vol 47, no 12, pp 1684–1691 [15] S Boccaletti and et al., The synchronization of chaotic systems, I Procaccia, Ed.Florence, Italy: Elsevier Science, February 2002 DESIGN DEMONSTRATION M-ary CHAOTIC PULSE POSITION MODULATOR AND DEMODULATOR Abstract: Chaotic phenomena have been known since the late 19th century but have only really received a strong research interest by the scientific community in recent years with a series of publications in which the field electronics and communications Over the past two decades, research applications in this field have been dominated by three main directions: security, application in spread spectrum information and digital modulation/demodulation This paper presents the design solution for simulating the number of application-specific pulses/pulse-position modulation emulation modulators used in multi-directional application in Ultra Wide Band communications Simulation results will show improvement of the bit error rate over the interference channel, improving the security and feasibility of the solution Keywords: Chaotic, CPPM, UWB, Modulation 56 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ... chế giải điều chế vị trí xung hỗn loạn đa biểu tượng (M-ary CPPM) Hệ thống điều chế giải điều chế M-ary CPPM mô số học môi trường Simulink/Matlab Các thơng số hồn tồn đồng bên điều chế giải điều. .. Chuỗi xung M-Ary CPPM Hình Sơ đồ khối giải điều chế M-ary CPPM Các khối Bộ đếm, Phát ngưỡng hỗn loạn F(.), S&H Tạo xung chữ nhật thiết kế giống hệt phía điều chế Tại đầu vào bên giải điều chế, ... khối Điều chế trễ, tùy thuộc vào giá trị Sk, xung chữ nhật sinh bị trễ khoảng d+mSk Do 3.2.2 Giải điều chế M-ary CPPM Giải điều chế M-Ary CPPM thực sơ đồ khối Hình Bộ trừ Ck Bộ đếm vậy, xung điều