Thạc Sĩ Phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Phương pháp điều chế và trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số


MỤC LỤC
Danh mục các thuật ngữ viết tắt 1
Danh mục các hình 3
Danh mục các bảng . 6
Giới thiệu 7
Hỗn loạn và ứng dụng trong kỹ thuật thông tin . 7
Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án 8
Các vấn đề còn tồn tại 8
Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn: ưu điểm nổi bật 10
Mục tiêu nghiên cứu 11
Tổ chức nội dung của luận án 11
Chương 1 13
Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn 13
1.1. Giới thiệu 13
1.2. Hỗn loạn . 13
1.2.1. Khái niệm và phân loại 13
1.2.2. Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan . 14
1.2.3. Quỹ đạo di chuyển: vùng hút . 16
1.3. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin . 18
1.3.1. Điều chế tương tự 18
1.3.2. Điều chế số 19
1.3.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp . 19
1.4. Các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn 20
1.4.1. Điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK) 20
1.4.1.1. Khóa dịch hỗn loạn dựa trên đặc tính động . 20
1.4.1.2. Khóa dịch hỗn loạn đối xứng (ACSK) 23
1.4.1.3. Khóa dịch hỗn loạn dựa trên năng lượng bit . 23
1.4.1.4. Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) . 25
1.4.2. Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) . 26
1.4.3. Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK) 28
1.4.4. Điều chế khóa dịch trễ tương quan (CDSK) . 29
1.4.5. Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) 30
1.4.6. Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu . 32
1.5. Phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn . 33
1.6. Kết luận 36
Chương 2 37
Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM . 37
2.1. Giới thiệu 37
2.2. Sơ đồ điều chế và giải điều chế CPWPM 39
2.2.1. Khối phát xung hỗn loạn kép (DCPPG) 39
2.2.2. Điều chế . 40
2.2.3. Giải điều chế 41
2.3. Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit 42
2.4. Trạng thái động hỗn loạn với hàm Tent map và các thông số trung bình . 44
2.4.1. Thiết lập hàm CPWPM Tent map . 45
2.4.2. Trạng thái động hỗn loạn . 45
2.4.3. Các thông số trung bình . 47
2.5. Các kết quả tính toán và mô phỏng . 47
2.5.1. Tính toán lý thuyết . 48
2.5.2. Mô phỏng số 48
2.6. Kết hợp CPWPM với điều chế M-ary . 51
2.6.1. Sơ đồ điều chế và giải điều chế MxN-ary CPWPWM 51
2.6.2. Ước lượng tỷ lệ lỗi bit . 53
2.6.3. Điều kiện về hỗn loạn và các giá trị trung bình . 55
2.6.4. Kết quả mô phỏng . 56
2.6.4.1. Tín hiệu miền thời gian . 57
2.6.4.2. Tốc độ truyền dẫn 57
2.6.4.3. Tỷ lệ lỗi bit 58
2.7. Kết hợp CPWPM với BPSK . 59
2.7.1. Sơ đồ điều chế và giải điều chế kết hợp CPWPM-BPSK . 59
2.7.2. Mô phỏng số và kết quả . 60
2.7.2.1. Dạng sóng và dạng phổ . 61
2.7.2.2. Tỷ lệ lỗi bit 63
2.8. Kết luận 64
Chương 3 66
Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp với độ rộng bit biến đổi dựa
trên hỗn loạn 66
3.1. Giới thiệu 66
3.1. Kiến trúc và hoạt động của hệ thống CBD-DS/SS 67
3.1.1. Khối phát vị trí xung biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) . 68
3.1.2. Máy phát 69
3.1.3. Máy thu 70
3.2. Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit 71
3.3. Phân tích lựa chọn các thông số . 74
3.4. Kết quả mô phỏng số . 75
3.5. Thực hiện đa truy nhập . 79
3.5.1. Sơ đồ hệ thống . 79
3.5.2. Ước lượng tỷ lệ lỗi bit . 79
3.6. Thảo luận về tính bảo mật 81
3.7. Kết luận 84
Kết luận và hướng phát triển . 85
Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án . 85
Đóng góp khoa học của luận án . 86
Hướng phát triển trong thời gian tới . 88
Các công trình khoa học công bố của luận án 89
Bài báo tạp chí và hội nghị 89
Đề tài nghiên cứu tham gia . 90
Tài liệu tham khảo . 91


Giới thiệu
Hỗn loạn và ứng dụng trong kỹ thuật thông tin
Hiện tượng hỗn loạn (Chaos) đã được biết đến từ cuối thế kỷ 19. Poincaré là nhà khoa học
đầu tiên quan sát thấy và đưa ra những công bố quan trọng về trạng thái hỗn loạn trong hệ
thống động phi tuyến (Nonlinear-dynamical system) [1]. Các công bố đã chỉ ra một đặc
tính quan trọng đó là sự phụ thuộc nhạy cảm của trạng thái hỗn loạn vào điều kiện khởi
động. Chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của điều kiện khởi động có thể dẫn đến một sự thay đổi
hoàn toàn của trạng thái hệ thống. Vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20, hỗn loạn trong
các mạch điện tử được phát hiện, cụ thể là trong các mạch dao động tạo sóng mang của các
hệ thống thông tin vô tuyến. Trong khi điều chỉnh mạch dao động với tín hiệu đầu ra có
chu kỳ như mong muốn, người ta lại quan sát thấy có những trạng thái bất thường mà tín
hiệu ra biến đổi không có chu kỳ hoặc hỗn loạn. Trường hợp nổi tiếng nhất về quan sát này
là của Val Der Pol. Tại thời điểm đó, hỗn loạn được xem như là một trạng thái đặc biệt cần
tránh trong quá trình thiết kế mạch điện. Cuộc cách mạng máy tính của nửa sau thế kỷ 20
đã cung cấp một công cụ hiệu quả cho quá trình phân tích hệ thống động phi tuyến. Các
mô phỏng số trên máy tính đã chứng minh được quan sát của Poincaré là hoàn toàn chính
xác. Một ví dụ đơn giản được tìm thấy bởi Lorenz vào năm 1963 với phân tích đối lưu của
tầng khí quyển sử dụng mô hình phi tuyến bậc ba [2]. Phân tích chỉ ra rằng khi các thông
số xác định thiết lập sự ổn định của hệ thống không phải là một điểm cân bằng và cũng
không phải là trạng thái có chu kỳ, lúc này các tín hiệu đầu ra của hệ thống sẽ phân kỳ và
trở nên không tương quan với nhau với chỉ một sự khác nhau rất nhỏ của các điều kiện
khởi động. Được thúc đẩy bởi các kết quả này, trạng thái hỗn loạn đã được mở rộng nghiên
cứu trong các chuyên ngành kỹ thuật khác nhau như sinh học, hóa học, vật lý, vv [1,3,4].
Vào đầu những năm 1990, các nhà khoa học bắt đầu khai thác các đặc tính của động phi
tuyến và hỗn loạn cho các ứng dụng cụ thể. Có thể kể đến ứng dụng được gọi là điều khiển
hỗn loạn [5,6,7]. Với kỹ thuật này, sự chuyển động của một hệ thống hỗn loạn khối lượng
lớn có thể được điều khiển bởi những năng lượng rất nhỏ. Trong xử lý tín hiệu, các phương
pháp khác cũng đã được đề xuất để giảm nhiễu, trong đó tín hiệu hỗn loạn và nhiễu có
cùng dải tần có thể được tách biệt sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa [8,9]. Việc sử dụng hỗn
loạn trong nén tín hiệu cũng được nghiên cứu [10]. Bên cạnh đó, rất nhiều các nỗ lực đã
dành cho việc nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin. Đầu tiên có thể kể đến
công trình của Pecora và Carroll [11], hai ông đã chứng tỏ được rằng hai hệ thống hỗn loạn
có cùng một tập các giá trị thông số có thể đồng bộ được với nhau. Kết quả này là một
bước quan trọng góp phần đẩy nhanh nghiên cứu các ứng dụng của tín hiệu hỗn loạn vào
kỹ thuật thông tin. Trong hai thập kỷ vừa qua, các nghiên cứu về kỹ thuật thông tin sử
dụng hỗn loạn chủ yếu đi theo ba hướng chính sau:
 Các hệ thống thông tin bảo mật sử dụng hỗn loạn [12,13,14]. Trong đó tính bảo mật
chủ yếu dựa vào sự phụ thuộc đặc biệt nhạy cảm của đồng bộ hỗn loạn vào sự sai khác
Giới thiệu
8
thông số (Parameter mismatch), đặc biệt là sai khác điều kiện khởi động (Innitial
condition).
 Đề xuất các phương pháp điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn [15,16,17,18]. Các
phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn được đề xuất trước tiên, trong đó tín hiệu tin
tức đầu vào là tín hiệu tương tự. Với sự phát triển của thông tin số, các phương pháp
điều chế số sử dụng hỗn loạn được đề xuất. Những phương pháp này có thể được chia
làm hai loại: liên kết (Coherent) [14,19,20,21] và không liên kết (Non-coherent)
[22,23,24]. Với loại liên kết, phía thu yêu cầu phát lại sóng mang hỗn loạn bằng cách
sử dụng đồng bộ hỗn loạn để khôi phục thông tin. Trong khi đó, các phương pháp
không liên kết khôi phục thông tin bằng cách ước lượng năng lượng bit mà không cần
đồng bộ hỗn loạn.
 Hệ thống thông tin trải phổ sử dụng hỗn loạn [25,26,27,28,29]. Bởi vì tín hiệu hỗn
loạn cũng có những đặc tính tương tự như chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo-noise
(PN) sequence), đó là biến đổi giống như nhiễu với phổ tần rộng, tính tự tương quan
cao và tương quan chéo thấp. Do đó tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như chuỗi trải phổ
để thay thế cho chuỗi PN trong hệ thống thông tin trải phổ truyền thống. Các chuỗi trải
phổ hỗn loạn (Chaotic sequence) được tạo ra bởi hệ thống động phi tuyến rời rạc.
Hiện nay, khả năng áp dụng kỹ thuật thông tin hỗn loạn
1
cho các hệ thống thực tế vẫn còn
là ở dạng tiềm năng cần nghiên cứu, cũng như là thách thức lớn cần giải quyết. Do đó, nó
đã, đang và sẽ nhận được sự quan tâm lớn của giới khoa học.
Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án
Các vấn đề còn tồn tại
Các phương pháp điều chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn đã được đề
xuất cho thông tin số trong hai thập kỷ vừa qua nhìn chung vẫn đang còn tồn tại một số
vấn đề sau:
 Đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn
Như đã nói ở trên, được thúc đẩy bởi kết quả nghiên cứu về đồng bộ hỗn loạn của
Pecora và Carroll. Một số lượng các phương pháp đồng bộ đã được đề xuất để khôi
phục sóng mang hỗn loạn ở phía thu [30]. Các phương pháp điều chế số liên kết được
đề xuất cũng dựa trên các phương pháp đồng bộ này [14,19,20,21]. Tuy nhiên, quá
trình phân tích và khảo sát đã chỉ ra rằng hầu hết các phương pháp đồng bộ hỗn loạn
đề xuất rất nhạy cảm với nhiễu, sự sai khác thông số và méo tín hiệu [31,20,32]. Có
nghĩa là việc đồng bộ sóng mang hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn.
1
Để tránh trùng lặp quá nhiều cụm từ ―sử dụng hỗn loạn‖, trong quyển luận án này từ đây trở về sau, các
cụm từ như ―kỹ thuật thông tin sử dụng hỗn loạn‖, ―điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn‖, hay ―trải phổ
trực tiếp sử dụng hỗn loạn‖ sẽ được gọi tắt tương ứng là ―kỹ thuật thông tin hỗn loạn‖, ―điều chế/giải điều
chế hỗn loạn‖, hay ―trải phổ trực tiếp hỗn loạn‖.
Động lực và mục tiêu nghiên cứu của luận án
9
Hiện nay vẫn chưa có phương pháp đồng bộ hỗn loạn nào đủ mạnh để có thể áp dụng
vào hệ thống thông tin thực tế [33].
 Sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi
Với các phương pháp điều chế số hỗn loạn liên kết, phía thu khôi phục đúng thông tin
chỉ khi đồng bộ hỗn loạn là chính xác. Bởi vì sự phụ thuộc nhạy cảm vào sai khác
thông số và đặc biệt là điều kiện khởi động [30,15], để đồng bộ hỗn loạn chính xác,
máy thu phải có đầy đủ thông tin về kiến trúc và các thông số của điều chế, hàm số và
các tham số của hệ thống động hỗn loạn được sử dụng. Giá trị của các thông số liên
quan này đóng vai trò như một khóa bảo mật. Do đó tính bảo mật được cải thiện rõ rệt
[12,13,14]. Tuy nhiên bởi vì đồng bộ hỗn loạn là rất khó khăn, khả năng áp dụng của
chúng cho hệ thống thông tin thực tế là rất thấp. Với các phương pháp điều chế số
không liên kết, quá trình khôi phục thông tin dựa vào ước lượng năng lượng bit mà
không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn, do đó tính khả thi cao hơn. Tuy nhiên quy luật điều
chế/giải điều chế khá đơn giản, không khó để phát hiện bởi những phép đo tách thông
thường [34]. Cho đến nay, sự cải thiện tính bảo mật của các phương pháp không liên
kết vẫn chưa được khẳng định.
 Hiệu suất băng thông thấp
Trong thông tin số, hiệu suất băng thông (Bandwidth efficiency) là số bit truyền được
trong một giây trên một Hz băng thông, đơn vị là bit/s/Hz [35]. Với các phương pháp
điều chế sóng mang băng hẹp, băng thông của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào băng
thông của tín hiệu tin tức đầu vào. Trong khi đó, băng thông tín hiệu đầu ra của các
phương pháp điều chế hỗn loạn cũng chính là băng thông của sóng mang hỗn loạn
được tạo ra [15,16]. Do thuộc tính băng rộng cố hữu của tín hiệu hỗn loạn [15,33], với
dòng dữ liệu nhị phân đưa vào điều chế có tốc độ bit cố định, hiệu suất băng thông của
các phương pháp điều chế hỗn loạn thấp hơn so với phương pháp điều chế sóng mang
băng hẹp truyền thống tương đương.
 Hạn chế trong việc dịch chuyển dải tần số phát mong muốn
Trong hầu hết các phương pháp điều chế/giải điều chế và trải phổ hỗn loạn đã đề xuất,
tín hiệu hỗn loạn mang thông tin sau khi điều chế hoặc trải phổ được phát trực tiếp
trên kênh truyền [15,33]. Dải tần chiếm giữ trên kênh truyền hoàn toàn phụ thuộc vào
băng tần của sóng mang hoặc chuỗi trải phổ hỗn loạn được sử dụng [16,26]. Tuy nhiên
với một kênh truyền thông tin xác định, thông thường chúng ta phải dịch chuyển phổ
tần tín hiệu phát về dải tần mong muốn hoặc cho phép. Việc dịch chuyển phổ này có
thể được thực hiện bằng cách thay đổi trực tiếp các thông số của hệ thống động hỗn
loạn để phát ra sóng mang hoặc chuỗi hỗn loạn ở dải tần mong muốn. Tuy nhiên sự
thay đổi này rất khó khăn và kém linh hoạt.
Giới thiệu
10
Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn: ưu điểm nổi bật
Kỹ thuật điều chế thời gian xung (PTM) đã được đề xuất vào cuối những năm 1940 [36].
Trong đó, dữ liệu nhị phân được điều chế vào một trong các thông số phụ thuộc thời gian
của xung như vị trí, độ rộng, khoảng cách hoặc tần số để tạo ra các phương pháp điều chế
tương ứng là điều chế vị trí xung (PPM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế khoảng
cách xung (PIM) hoặc điều chế tần số xung (PFM) [37]. Sự kết hợp giữa điều chế thời gian
xung và hỗn loạn được đề xuất lần đầu tiên bởi Rulkov vào năm 2001 với phương pháp
điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM) [38,39]. Nguyên lý và hoạt động của phương pháp
này sẽ được mô tả trong Mục 1.4.5. Trong đó, vị trí của mỗi xung được xác định bởi
khoảng cách thời gian giữa nó và xung trước đó mang thông tin nhị phân của một bit và
được biến đổi hỗn loạn. Bản thân CPPM cũng là một phương pháp điều chế hỗn loạn có
liên kết. Bên phía giải điều chế yêu cầu phát lại các tín hiệu hỗn loạn như bên phía điều chế
để khôi phục thông tin. Tuy nhiên, so với các phương pháp điều chế liên kết khác, CPPM
có những ưu điểm nổi bật sau:
 Khả năng đồng bộ hỗn loạn tự động mà không cần giao thức bắt tay đặc biệt nào. Mỗi
xung nhận được vừa mang thông tin lại vừa đóng vai trò như xung đánh dấu đồng bộ
[40]. Bên phía giải điều chế chỉ cần xác định đúng hai khoảng cách xung liên tiếp để
thiết lập và duy trì đồng bộ. Do đó tính khả thi của phương pháp CPPM khá cao.
 Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu là khá thấp, điều này được chỉ ra trong Mục 1.4.6.
 Để đồng bộ hỗn loạn chính xác và khôi phục đúng thông tin, phía thu phải có đầy đủ
các thông số điều chế và hàm hỗn loạn được sử dụng. Do đó tính bảo mật của phương
pháp CPPM được cải thiện đáng kể so các phương pháp điều chế hỗn loạn không liên
kết.
 CPPM được đề xuất sử dụng trong truyền thông băng siêu rộng (UWB) [41]. Trong đó
các xung với độ rộng siêu hẹp được điều chế vị trí hỗn loạn và được phát trực tiếp trên
kênh truyền.
Phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS) được đề xuất lần đầu tiên bởi
G. Heidari-Bateni trong [25,26]. Trong đó chuỗi trải phổ được sử dụng là chuỗi hỗn loạn
rời rạc được phát ra bởi các hệ thống động phi tuyến rời rạc để thay thế cho chuỗi PN
truyền thống. Quá trình trải phổ được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp dữ liệu nhị phân
đầu vào với chuỗi hỗn loạn. Tín hiệu trải phổ đầu ra được phát trực tiếp trên kênh truyền.
Quá trình giải trải phổ sẽ thực hiện theo kiểu liên kết, tương tự như giải trải phổ truy ền
thống (DS/SS). Nghĩa là chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát lại và đồng bộ được sử dụng để
khôi phục dữ liệu. So với các phương pháp điều chế/giải điều chế liên kết, CS-DS/SS thể
hiện những ưu điểm sau:
 Quá trình đồng bộ chuỗi trải phổ hỗn loạn được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ
chuỗi PN truyền thống [42]. Do đó khả năng đồng bộ qua môi trường nhiễu là rất tốt,
tính khả thi cao.
Tổ chức nội dung của luận án
11
 Kế thừa hầu hết các đặc điểm của trải phổ chuỗi PN truyền thống với các ưu điểm
như: tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), loại bỏ nhiễu cùng tần số, khả năng đa truy
nhập (MA) và xác suất bị chặn thấp (LPI) [26].
 Tỷ lệ lỗi bit qua môi trường nhiễu cao hơn không nhiều so với phương pháp trải phổ
chuỗi PN nhưng thấp hơn nhiều so với các phương pháp điều chế hỗn loạn. Điều này
được chỉ ra trong Mục 1.5.
 Tính bảo mật được cải thiện đáng kể so với trải phổ chuỗi PN truyền thống. Các đặc
điểm về tính bảo mật được chỉ ra cụ thể trong [26].
Với các ưu điểm kể trên, rõ ràng các phương pháp CPPM và CS-DS/SS đã khắc phục hai
trong số các vấn đề tồn tại đã nêu ra ở trên, đó là đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực
tế khó khăn và sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi. Đây cũng chính là lý do để
luận án này đi sâu nghiên cứu phát triển các phương pháp điều chế/giải điều chế và trải
phổ chuỗi trực tiếp sử dụng thời gian xung hỗn loạn cho thông tin số.
Mục tiêu nghiên cứu
Xuất phát từ những phân tích ở trên, luận án sẽ tập trung thực hiện hai nội dung khoa học
chính như sau:
 Đề xuất và thực hiện phương pháp điều chế thời gian xung hỗn loạn và sự kết hợp của
nó với các kỹ thuật điều chế số truyền thống.
 Đề xuất và thực hiện điều chế thời gian xung hỗn loạn cho hệ thống thông tin trải phổ
chuỗi trực tiếp.
Các nội dung đề xuất trên đều có mục tiêu chung là khắc phục tối đa các vấn đề tồn tại
được nêu ở trên trong thông tin số hỗn loạn.
Tổ chức nội dung của luận án
Nội dung luận án bao gồm ba chương. Kiến thức nền tảng được trình bày trong Chương 1.
Các nội dung được đề xuất và thực hiện trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện toàn bộ
đóng góp khoa học của luận án. Cụ thể như sau:
Chương 1. Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn: Chương này trình
bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng của nó trong kỹ thuật thông
tin. Trạng thái động và tín hiệu của hệ thống động phi tuyến hỗn loạn với các đặc điểm về
dạng phổ, dạng sóng, tính tương quan và quỹ đạo di chuyển sẽ được phân tích. Ứng dụng
tín hiệu hỗn loạn vào các hệ thống thông tin và các kết quả đã đạt được trong gần hai thập
kỷ vừa qua được tổng hợp. Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho các phương pháp điều
chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn sẽ được mô tả và phân tích chi tiết.
Chương 2. Phương pháp điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn CPWPM: Chương này
đề xuất và thực hiện phương pháp CPWPM. Sơ đồ điều chế/giải điều chế cũng như mô
hình ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu được mô tả và phân tích. Sự phụ thuộc
Giới thiệu
12
của trạng thái động vào các thông số điều chế và hàm phi tuyến sử dụng được khảo sát, từ
đó điều kiện để đảm bảo tính hỗn loạn cũng như các thông số trung bình của phương pháp
được xác định. Mô phỏng số và các kết quả được chỉ ra để kiểm tra lại các kết quả lý
thuyết đạt được. Sự kết hợp của CPWPM với các phương pháp điều chế truyền thống cũng
được đề xuất. Trong đó, tốc độ bit được cải thiện bằng cách kết hợp với điều chế M-ary,
tạo ra phương pháp MxN-ary CPWPM. Khả năng dịch chuyển dải tần phát sẽ linh hoạt
hơn với sự kết hợp của CPWPM và BPSK, gọi là phương pháp CPWPM-BPSK.
Chương 3. Hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp với độ rộng bit biến đổi hỗn loạn
CBD-DS/SS: Trong chương này, hệ thống CBD-DS/SS được đề xuất. Kiến trúc và hoạt
động của hệ thống được mô tả và phân tích. Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit qua kênh
nhiễu cũng như phân tích lựa chọn các thông số cho hệ thống được thực hiện. Hoạt động
của CBD-DS/SS trong hệ thống đa truy nhập được xem xét. Các kết quả mô phỏng số
được chỉ ra để so sánh với các kết quả lý thuyết đạt được. Cuối cùng, tác giả đưa ra một số
thảo luận về tính bảo mật của hệ thống đề xuất.
Kết luận và hướng phát triển: Kết luận với các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung, các
đóng góp khoa học của luận án cũng như hướng phát triển nghiên cứu trong thời gian tới sẽ
được đưa ra.


Chương 1
Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn
1.1. Giới thiệu
Chương này trình bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin sử
dụng hỗn loạn, nhằm cung cấp những kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu
sau này của luận án. Trong đó tập trung vào các phương pháp điều chế/giải điều chế và trải
phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) hỗn loạn cho thông tin số. Trong Mục 1.2, trạng thái động hỗn
loạn trong hệ thống động phi tuyến và các đặc điểm về tín hiệu như dạng phổ, dạng sóng,
tính tương quan và quỹ đạo di chuyển sẽ được giới thiệu. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật
thông tin và các kết quả đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua sẽ được đề cập trong
Mục 1.3. Mục 1.4 đi sâu vào phân tích một số phương pháp điều chế/giải điều chế số hỗn
loạn chính đã được đề xuất trước đây. Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho từng phương
pháp sẽ được đưa ra và phân tích. Trong Mục 1.5, phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi
hỗn loạn (CS-DS/SS) và các đặc điểm chính được mô tả. Các kết luận đáng chú ý được
đưa ra trong Mục 1.6.
1.2. Hỗn loạn
1.2.1. Khái niệm và phân loại
Khái niệm về hỗn loạn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật được đưa ra như sau:
“Hỗn loạn là trạng thái vận động không có chu kỳ trong một quá trình của một hệ thống
xác định. Sự vận động này phụ thuộc nhạy cảm với điều kiện khởi động của hệ thống”
2
.
Ba tính chất quan trọng của hỗn loạn được nêu ra trong khái niệm trên là:
Vận động không có chu kỳ: đường di chuyển của hệ thống trong mặt phẳng pha không đi
vào bất kỳ điểm cố định hay quỹ đạo có chu kỳ nào khi thời gian vận động tiến tới vô
cùng.
Hệ thống xác định: là hệ thống không có các thông số thống kê xác suất. Đây là điểm khác
nhau quan trọng giữa hệ thống hỗn loạn và hệ thống nhiễu với quá trình ngẫu nhiên. Vận
động bất thường trong hệ thống hỗn loạn được tạo ra do tính phi tuyến bên trong nó chứ
không phải do nhiễu.
Phụ thuộc nhạy cảm với các điều kiện khởi động: đường di chuyển xuất phát từ các điều
kiện khởi động có sai khác nhau rất nhỏ (gần như là như nhau) sẽ phân tách rất nhanh theo
luật số mũ tạo ra các quỹ đạo di chuyển hoàn toàn khác nhau.
Các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau:
 Dạng liên tục của thời gian


Tài liệu tham khảo
[1] S. H. Strogatz, Nonlinear Dynamics And Chaos: With Applications To Physics,
Biology, Chemistry, And Engineering.: Westview Press, 2001.
[2] E. N. Lorenz, "Deterministic nonperiodic flow," Journal of the Atmospheric Sciences,
vol. 20, pp. 131-140, 1963.
[3] R. C. Hilborn, Chaos and Nonlinear Dynamics: An introduction for Scientists and
Engineer.: The Clarendon Press Oxford University Press, 2001.
[4] M. P. Kennedy, R. Rovatti, and G. Setti, Chaotic Electronics in Telecommunications.:
CRC Press, 2000.
[5] G. Chen, "Chaos, bifurcations, and their control," in Wiley Encyclopedia of Electrical
and Electronics Engineering, J. G. Webster, Ed. New York: Wiley, 1999, pp. 194-218.
[6] Z. Galias, C. A. Murphy, M. P. Kennedy, and M. J. Ogorzalek, "A feedback chaos
controller: Theory and implementation," in IEEE International Symp. on Circuits and
Systems (ISCAS’96), Atlanta, 1996, pp. 120-124.
[7] M. Ogorzalek, "Observation of stochastic resonance in a ring laser," Physical Review
Letters, vol. 60, 1998.
[8] Z. Jákó and G. Kolumbán, "Carrier generation for chaotic communication by fourthorder analog phase-lock loop," in International Symposium on Nonlinear Theory and
its Applications (NOLTA'98), Crans-Montana, Switzerland, 1998, pp. 827-830.
[9] E. J. Kostelich and T. Schreiber, "Noise reduction in chaotic time series data: A
survey of common methods," Physical Review E, vol. 48, pp. 1752-1763, 1993.
[10] 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.
[11] L. M. Pecora and T. L. Carroll, "Synchronization in chaotic systems," Physical
Review Letters, vol. 64, no. 8, pp. 821-824, 1990.
[12] B. Chen and G. W. Wornell, "Efficient channel coding for analog sources using
chaotic systems," in IEEE GLOBECOM, London-UK, 1996.
[13] D. R. Frey, "Chaotic digital encoding: An approach to secure communication," IEEE
Transactions on Circuits and Systems II, vol. 40, no. 10, pp. 660-666, 1993.
[14] L. Kocarev, K. Halle, K. Eckert, and L. O. Chua, "Experimental demonstration of
secure communication via chaotic synchronization," International Journal of
Bifurcation and Chaos, vol. 2, no. 3, pp. 709-713, 1992.
[15] P. Stavroulakis, Chaos Applications in Telecommunications.: CRC Press, 2005.
Tài liệu tham khảo
92
[16] F. C. M. Lau and C. K. Tse, Chaos-Based Digital Communication Systems: Operating Principles, Analysis Methods, and Performance Evaluation.: Springer, 2003.
[17] M. P. Kennedy and G. Kolumbán, "Special issue on noncoherent chaotic communications," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental The-ory
and Applications, vol. 47, no. 12, pp. 1661–1662, 2000.
[18] A. Abel and W. Schwarz, "Chaos communications-principles, schemes, and system
analysis," Proceedings of the IEEE, vol. 90, no. 5, pp. 691–710, 2002.
[19] 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, vol. 40, no. 10, pp. 634–642, 1993.
[20] G. Kolumbán, M. P. Kennedy, and L. O. Chua, "The role of synchronization in digital
communications— Part II: Chaotic modulation and chaotic synchronization," IEEE
Transactions on Circuits and Systems I, vol. 45, no. 4, pp. 1129–1140, 1998.
[21] G. Kolumbán, "Basis function description of chaotic modulation schemes," in in
International Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems (NDES’00),
Catania-Italy, 2000, pp. 165-169.
[22] 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, vol. 47, no. 12, pp. 1684–1691, 2000.
[23] G. Kolumbán, G. K. Vizvari, W. Schwarz, and A. Abel, "Differential chaos shift
keying: A robust coding for chaos communication," in International Workshop on
Nonlinear Dynamics of Electronic Systems, Seville-Spain, 1996, pp. 87–92.
[24] G. Kolumbán, G. Kis, M. P. Kennedy, and Z. Jáko, "FM-DCSK: A new and robust
solution to chaos communications," in International Symposium on Nonlinear Theory
and Its Applications (NOLTA’97), Hawaii, 1997, pp. 117–120.
[25] G. Heidari-Bateni and C. D. McGillem, "Chaotic sequences for spread spectrum: an
alternative to PN-sequences," in IEEE International Conference on Selected Topics in
Wireless Communications, Vancouver-Canada, June 1992, pp. 437–440.
[26] G. Heidari-Bateni and C. D. McGillem, "A chaotic direct-sequence spread-spectrum
communication system," IEEE Transactions on Communications Systems, vol. 42, pp.
524–1527, 1994.
[27] G. Mazzini, G. Setti, and R. Rovatti, "Chaotic complex spreading sequences for
asynchronous DS-CDMA - Part I: system modeling and results," IEEE Transactions
on Circuits and Systems I, vol. 44, no. 10, pp. 937–947, 1997.
[28] G. Mazzini, G. Setti, and R. Rovatti, "Chaotic complex spreading sequences for
asynchronous DS-CDMA part II: some theoretical performance bound," IEEE
Transactions on Circuits and Systems I, vol. 45, pp. 496–506, 1998.
[29] U. Parlitz and S. Ergezinger, "Robust communication based on chaotic spreading
Tài liệu tham khảo