Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn : ưu điểm nổi bật
1.3. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin
Trong hơn một thập kỷ vừa qua, việc nghiên cứu ứng dụng trạng thái động hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin đã nhận được sự quan tâm đáng kể. Các hệ thống thông tin hỗn loạn cũng thể hiện được những ưu điểm của nó so với các hệ thống truyền thống. Thơng thường các tín hiệu hỗn loạn được phát ra bằng các mạch điện đơn giản. Việc phát ra một số lượng lớn các tín hiệu hỗn loạn khác nhau trên cùng một hệ thống động có thể được thực hiện chỉ bằng cách thay đổi điều kiện khởi động. Bởi vì sự biến đổi khơng có chu kỳ và giống nhiễu ngẫu nhiên của tín hiệu được phát trên kênh truyền, tính bảo mật thơng tin sẽ được cải thiện. Các kỹ thuật thông tin hỗn loạn đã được đề xuất trong hai thập kỷ vừa qua có thể chia thành ba loại chính: điều chế tương tự, điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp.
1.3.1. Điều chế tƣơng tự
Với các phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn, có hai hướng tiếp cận chính đã được đề xuất đó là điều chế mặt nạ hỗn loạn [14,44] và điều chế thông số hỗn loạn [45,46]. Trong điều chế mặt nạ hỗn loạn, bên phía điều chế, tín hiệu thông tin tương tự được che giấu bằng cách cộng thêm với tín hiệu hỗn loạn giống nhiễu. Giải điều chế được thực hiện bằng cách lấy tín hiệu nhận được trừ cho tín hiệu hỗn loạn được phát lại và đã được đồng bộ. Phương pháp này thực hiện khá đơn giản, tuy nhiên yêu cầu đồng bộ giữa hai hệ hỗn loạn. Khi tín hiệu nhận được bao gồm cả nhiễu và méo từ kênh truyền, vấn đề đồng bộ là rất khó khăn. Với điều chế thơng số hỗn loạn, tín hiệu thơng tin được đưa vào để làm thay đổi các thông số của hàm hỗn loạn. Khi đó trạng thái động của hàm hỗn loạn và tín hiệu hỗn loạn đầu ra sẽ thay đổi theo tin tức. Giải điều chế được thực hiện mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn. Có ba kỹ thuật giải điều chế chính đã được đề xuất đó là:
Kỹ thuật nghịch đảo [47,48]. Đây là kỹ thuật đơn giản nhất nhưng khó khăn trong việc khơi phục thơng tin khi tín hiệu hỗn loạn chịu tác động bởi nhiễu kênh truyền.
Kỹ thuật giải điều chế tuyến tính sử dụng bộ lọc thích nghi trung bình bình phương tối thiểu, bình phương đệ qui tối thiểu và các thuật toán dựa trên bộ lọc Kalman [49]. Trong đó, bộ lọc thích nghi giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu lên quá trình giải điều chế. Kỹ thuật giải điều chế phi tuyến sử dụng mạng noron RBF [50,51]. Một mạng noron RBF được sử dụng để ước lượng liên tục trạng thái của hệ thống động phi tuyến phía thu. Dựa trên kết quả ước lượng, thơng tin tương tự sẽ được khôi phục.
Tuy nhiên, các phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn vẫn không đủ mạnh để chống lại sự tác động của nhiễu. Điều này hạn chế khả năng phát triển và ứng dụng của chúng vào các hệ thống thông tin thực tế.
Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin 19
1.3.2. Điều chế số
So với điều chế tương tự, điều chế số có tính khả thi cao hơn, do đó nhiều phương pháp điều chế/giải điều chế số dựa trên hỗn loạn đã được đề xuất [52,53,54,55,56,22]. Các phương pháp này được chia làm hai loại: liên kết và không liên kết. Một số phương pháp liên kết đã được đề xuất trong [14,19,20,21], trong đó sự phát lại chính xác sóng mang hỗn loạn được thực hiện bên phía giải điều chế. Đối với các phương pháp điều chế không liên kết, quá trình giải điều chế dựa vào ước lượng năng lượng bit mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn. Điều chế không liên kết đầu tiên được đề xuất có thể kể đến phương pháp khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) [23], trong đó độ rộng bit sẽ được chia là hai khoảng thời gian bằng nhau, khoảng đầu phát tín hiệu hỗn loạn tham chiếu, khoảng sau phát tín hiệu hỗn loạn mang thơng tin. Bên phía giải điều chế, các tín hiệu hỗn loạn của hai khoảng sẽ được tính tương quan và giá trị nhị phân sẽ được khôi phục dựa vào dấu của giá trị tương quan đầu ra. Một phương pháp khơng liên kết khác đó là khóa dịch trễ tương quan (CDSK) [22], trong đó sóng mang hỗn loạn tham chiếu sẽ được cộng với phiên bản được làm trễ và điều chế thơng tin của chính nó. So với DCSK, phương pháp này thực hiện trong môi trường nhiễu kém hơn nhưng bù lại có thể tốc độ bit cao hơn. Để khắc phục sự biến đổi năng lượng bit trong DCSK, phương pháp điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM- DCSK) đã được đề xuất [24]. Sóng mang hỗn loạn trước hết được điều tần để tạo ra tín hiệu điều tần có tần số biến đổi hỗn loạn nhưng biên độ khơng đổi. Sau đó tín hiệu điều tần hỗn loạn sẽ được đưa vào điều chế DCSK như thơng thường. Tín hiệu FM-DCSK đầu ra được phát đi có năng lượng bit khơng đổi (năng lượng như nhau với mọi bit). Ngồi các phương pháp chính ở trên, có thể kể đến một số các phương pháp điều chế hỗn loạn khơng liên kết khác như: khóa dịch hỗn loạn cầu phương (QCSK) [57], khóa dịch hỗn loạn vi sai hốn vị (P-DCSK) [58,59], khóa dịch hỗn loạn phân loại tối ưu (OC-CSK) [53,60], vv. Tất cả các phương pháp này đều nhằm mục đích cải thiện thực hiện của các phương pháp CSK và DCSK.
Với sự ra đời của kỹ thuật thông tin băng siêu rộng (UWB), các phương pháp điều chế hỗn loạn ứng dụng trong hệ thống thơng tin UWB đã được đề xuất. Có thể kể đến hai phương pháp điển hình đó là điều chế khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) và điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM). Trong UWB-COOK, phụ thuộc vào giá trị nhị phân của bit đưa vào điều chế, sóng mang hỗn loạn UWB được tạo ra sẽ được phát hay không được phát đi tương ứng [61,62]. Trong khi đó, với UWB-CPPM, các xung có độ rộng rất hẹp với băng tần siêu rộng sẽ được phát đi, vị trí của các xung vừa mang thông tin lại vừa biến đổi hỗn loạn [38,63].
1.3.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp
Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp đầu tiên được đề xuất trong [25,26], gọi là phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS). Trong đó, các chuỗi hỗn loạn rời rạc sẽ được sử dụng để thay thế cho các chuỗi PN trong hệ thống
DS/SS truyền thống. Phương pháp CS-DS/SS cũng thể hiện hầu hết những ưu điểm của phương pháp truyền thống [42]. Bên cạnh đó, với sự biến đổi biên độ hỗn loạn của tín hiệu trải phổ trên kênh truyền, tính bảo mật được cải thiện đáng kể [26]. Chuỗi hỗn loạn lượng tử hóa cũng được khảo sát cho ứng dụng trong hệ thống CS-DS/SS [27,28]. Trong suốt q trình thơng tin, các tín hiệu lượng tử hóa sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu có chu kỳ. Các kết quả đạt được chỉ ra rằng, hệ thống đề xuất đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với hệ thống DS/SS truyền thống sử dụng chuỗi m hoặc chuỗi Gold [42].