Tiến 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 SỸ
NĂM 2013


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 . 20
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 . 24
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 . 54
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 . 56
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 . 78
3.5.1. Sơ đồ hệ thống . 78
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:

ã 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 thông số (Parameter mismatch), đặc biệt là sai khác điều kiện khởi động (Innitial condition).
ã 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.
ã 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 loạn1 cho các hệ thống thực tế vẫn còn là ở dạng tiềm năng cần nghiên cứu, cũng như là thách thức lớn c