Điều chế QPSK và 16PSK phân cực kép trong kênh truyền quang có và không có tín hiệu hỗn loạn

Bài viết trình bày nghiên cứu về hệ thống thông tin quang sợi sử dụng hai phương pháp điều chế tiên tiến QPSK và 16PSK. Hệ thống so sánh hiệu năng quang học trong các kênh quang có và không có tín hiệu hỗn loạn ở tốc độ bit 60Gbps, chiều dài sợi quang là 80 km và khoảng cách kênh 100 GHz trong băng tần C.

Vũ Anh Đào, Trần Thị Thanh Thủy, Nguyễn Xuân Quyền ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CĨ VÀ KHƠNG CĨ TÍN HIỆU HỖN LOẠN Vũ Anh Đào*1,2, Trần Thị Thanh Thủy2, Nguyễn Xuân Quyền1 Đại học Bách Khoa Hà Nội Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu hệ thống thơng tin quang sợi sử dụng hai phương pháp điều chế tiên tiến QPSK 16PSK Hệ thống so sánh hiệu quang học kênh quang có khơng có tín hiệu hỗn loạn tốc độ bit 60Gbps, chiều dài sợi quang 80 km khoảng cách kênh 100 GHz băng tần C Bài báo khảo sát tỷ số lỗi bit BER theo chiều dài theo tốc độ truyền, cho hai dạng kênh truyền thông với hai loại điều chế Qua hai khảo sát chúng tơi thấy điều chế QPSK có chất lượng tốt Bên cạnh đó, báo thảo luận phân tích đánh giá sâu số tham số hệ thống gồm tương quan máy phát máy thu giản đồ chòm với loại điều chế cho hai loại kênh truyền Từ khóa: hỗn loạn, thông tin quang, tương quan, BER, QPSK, 16PSK I GIỚI THIỆU Ngày nay, thông tin quang sợi kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng quang WDM (wavelength division multiplexing) xuất hệ thống mạng thông tin truy nhập, vùng, đô thị, mạng xương sống quốc gia hay mạng quốc tế [1]–[4] Trong hệ thống thông tin quang, dạng điều chế tiên tiến khác PSK[5] , QAM [6],[7] áp dụng rộng rãi để nâng cao hiệu suất phổ thông tin nâng cao tốc độ bit kênh truyền PSK (Phase Shift Keying) điều chế số theo pha tín hiệu mà bit đặc trưng góc pha khác tín hiệu Một dạng thông dụng điều chế PSK kiểu điều chế khóa dịch pha cầu phương QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Kỹ thuật xây dựng từ dạng sin với bốn giá trị pha, xác định tổ hợp bit liền tín hiệu nhị phân, gọi Dibit có độ dài bit Dạng điều chế PSK thứ hai phổ biến khác 16-PSK, tín hiệu có dạng sin với tám giá trị pha lệch 22.50, xác định tổ hợp bit liền tín hiệu nhị phân, gọi Quadbit Sơ đồ điều chế 16PSK có độ phức tạp cao, sử dụng chủ yếu kỹ thuật radio số Các điều chế khóa chuyển dịch đa pha dạng PSK thường áp dụng cho tín hiệu băng gốc hệ thống thơng tin vô tuyến Trong lĩnh vực truyền thông, chất lượng dịch vụ không ngừng nâng cao, người dùng không quan tâm đến tốc độ, chất lượng truyền tin mà đặc biệt ý đến tính an tồn truyền tin qua mạng Các nhà khoa học lĩnh vực bảo mật thông tin đưa nhiều phương pháp mã hóa bảo mật DSS (tiêu chuẩn chữ ký số), triple DES (tiêu chuẩn mã hóa liệu) [8], AES (tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) [8]–[10] v.v dần bị giải mã số thuật toán thuật toán vét cạn, quy hoạch động, vv Hỗn loạn biết đến từ cuối kỷ 19 sử dụng nhiều lĩnh vực toán học, điều khiển học, sinh học, vật lý… Về mặt chất, hỗn loạn trạng thái vận động khơng có tính chu kỳ hệ thống xác định q trình đó, thường biểu diễn phương trình đặc trưng mô tả quan hệ biến đổi theo thời gian [11]–[13] Hiện nay, tín hiệu hỗn loạn thường sử dụng hệ thống truyền thơng để tăng tính bảo mật tính chất nhạy cảm với sai khác thơng số, đặc biệt điều kiện khởi tạo Tín hiệu hỗn loạn tín hiệu trải phổ, sử dụng băng thơng lớn có mật độ cơng suất thấp Trong hệ thống truyền thông truyền thống, hàm mẫu tương tự gửi qua kênh tổng trọng số dạng sóng tuyến tính Tuy nhiên, hệ thống thông tin liên lạc hỗn loạn, mẫu phân đoạn dạng sóng hỗn loạn phi tuyến Đặc tính phi tuyến tính, khơng ổn định khơng theo chu kỳ tín hiệu hỗn loạn có nhiều đặc điểm khiến trở nên hấp dẫn truyền thông [14]–[19] Tác giả liên lạc: Vũ Anh Đào, Email: daova@ptit.edu.vn Đến tòa soạn: 9/2020, chỉnh sửa: 10/2020, chấp nhận đăng: 10/2020 Nghiên cứu tài trợ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng có mã số 07-HV-2020-ĐT1 SỐ 03 (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 131 ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CĨ VÀ KHƠNG CĨ TÍN HIỆU HỖN LOẠN Chaos Channel Power Meter Rx1 Chaos QPSK MZ Laser1 CW data1 S/P PBS Power Meter Tx1 LO1 QPSK MUX Chaos Channel MZ NZ-DSF PBS QPSK S/P PBC MZ DCF PBS Chaos QPSK Demod data1 Power Meter Tx2 90° EO Hybrid Chaos QPSK Demod Channel EDFA Laser2 CW data2 90° EO Hybrid Chaos MZ QPSK PBS PBC DMUX Channel PBS Power Meter Rx2 90° EO Hybrid QPSK Demod data2 LO2 PBS 90° EO Hybrid QPSK Demod Hình Mơ hình hệ thống ghép kênh có hỗn loạn khơng có hỗn loạn sử dụng điều chế QPSK phân cực kép Trên thực tế, việc triển khai hỗn loạn cho thiết bị liên lạc điện tử cần ý hai trình quan trọng đồng hóa hỗn loạn kiểm sốt hỗn loạn Tín hiệu hỗn loạn trộn với thông tin thông qua số sơ đồ khác xáo trộn, điều chế mã hóa giúp bảo mật tốt bị nghe trộm, họ khơng thể phát cách xác thơng tin bị mã hóa [20],[21] Trong báo này, chúng tơi triển khai mơ hình thơng tin quang WDM hai kênh với kênh có hỗn loạn (COC - chaotic secure optical communication) kênh quang thông thường (CFOCcommon fiber-optic communication) sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK 16PSK kết hợp với kỹ thuật phân cực kép (dual polarization) Kênh COC có ứng dụng kênh truyền thông tin bảo mật dành riêng cho dịch vụ thơng tin quan trọng Đây mơ hình kênh đơn giản hiệu sử dụng hàm hỗn loạn (chaos) để nâng cao mức độ bảo mật kênh thông tin Chúng khảo sát BER theo tham số hệ thống, hiệu sử dụng truyền dẫn kênh có hỗn loạn truyền qua sợi tốc độ cao II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh kênh COC CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép thể Hình Khi phân cực kép, dung lượng kênh tăng gấp đôi BER kênh quang bị suy giảm đánh đổi tránh khỏi ảnh hưởng đến tỷ số tín hiệu nhiễu quang OSNR (optical signal to noise ratio) Mỗi kênh, xác định bước sóng sóng mang quang λc, ghép vào sợi quang định dạng liệu gốc Kênh tin chia làm luồng song song có tốc độ nửa tốc độ ban đầu, sau luồng điều chế QPSK hỗn loạn thêm vào Kênh xây dựng kênh 1, nhiên khác kênh khơng có hỗn loạn thêm vào trước điều chế miền quang Hệ thống Logistic map chiều chọn hệ thống động phi tuyến rời rạc, phù hợp với tính chất phi tuyến hệ thống truyền tin quang, cho cơng thức: SỐ 03 (CS.01) 2020 xn +1 = a.xn (1 − xn ), x0  ( 0,1) (1) Với n = 1,2,3… số nguyên dương Nếu hệ số điều khiển a = 3.9 hệ thống rơi vào trạng thái hỗn loạn Khi đó, giá trị đầu biến đổi hỗn loạn khoảng từ đến Hàm hỗn loạn có dạng mật độ phân bố xác suất sau: p( x) =  x(1 − x) với 0