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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN QUYỀN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP SỬ DỤNG THỜI GIAN XUNG HỖN LOẠN CHO THÔNG TIN SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN QUYỀN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP SỬ DỤNG THỜI GIAN XUNG HỖN LOẠN CHO THÔNG TIN SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62 52 70 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Văn Yêm HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Nguyễn Xuân Quyền LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm, người không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau ba năm làm nghiên cứu sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS. Hoàng Mạnh Thắng và GS. TS. Kyandoghere Kyamakya, những người luôn đưa cho tôi sự tư vấn hiệu quả và sự hỗ trợ kịp thời về mặt chuyên môn trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Cảm ơn quỹ học bổng OeAD của chính phủ Áo đã cho tôi cơ hội để được học tập nghiên cứu trong hơn một năm tại Viện Công nghệ Hệ thống Thông minh thuộc Trường Đại học Alpen-Adria Klagenfurt nước Cộng hòa Áo. Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ và con trai tôi. Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. 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 Chƣơng 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. 1.2.2. 1.2.3. 1.3. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin ..................................................... 18 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.4. Khái niệm và phân loại ................................................................................ 13 Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan....................................................... 14 Quỹ đạo di chuyển: vùng hút ....................................................................... 16 Điều chế tương tự ........................................................................................ 18 Điều chế số .................................................................................................. 19 Trải phổ chuỗi trực tiếp ............................................................................... 20 Các phƣơng 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. Phƣơng pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn ............................................. 33 1.6. Kết luận .............................................................................................................. 36 Chƣơng 2 ........................................................................................................ 37 Phƣơng 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. 2.2.2. 2.2.3. Khối phát xung hỗn loạn kép (DCPPG) ...................................................... 39 Điều chế ....................................................................................................... 40 Giải điều chế ................................................................................................ 41 2.3. Ƣớc lƣợng 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. 2.4.3. Trạng thái động hỗn loạn ............................................................................. 45 Các thông số trung bình ............................................................................... 47 2.5. Các kết quả tính toán và mô phỏng ................................................................. 47 2.5.1. 2.5.2. 2.6. Tính toán lý thuyết ....................................................................................... 48 Mô phỏng số ................................................................................................ 48 Kết hợp CPWPM với điều chế M-ary ............................................................. 51 2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. Sơ đồ điều chế và giải điều chế MxN-ary CPWPWM ................................ 51 Ước lượng tỷ lệ lỗi bit ................................................................................. 54 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 Chƣơng 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. 3.1.3. Máy phát ...................................................................................................... 69 Máy thu ........................................................................................................ 70 3.2. Ƣớc lƣợng 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. 3.5.2. Sơ đồ hệ thống ............................................................................................. 78 Ước lượng tỷ lệ lỗi bit ................................................................................. 79 3.6. Thảo luận về tính bảo mật ................................................................................ 81 3.7. Kết luận .............................................................................................................. 84 Kết luận và hƣớng phát triển ....................................................................... 85 Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án ..................................................... 85 Đóng góp khoa học của luận án ................................................................................... 86 Hƣớng 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 Danh mục các thuật ngữ viết tắt 1 Danh mục các thuật ngữ viết tắt ACSK ASK AWGN BER BPSK BW CBD-DS/SS CDSK COOK CPPG CPPM CPWPM CS-DS/SS CSK DCPPG DCSK DS/SS DSP ETPG FM-DCSK FPGA FSK LPI MA MA-DS/SS MP NRZ OC-CSK P-DCSK Antipodal Chaos Shift Keying Amplitude Shift Keying Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Bandwidth Chaos-based Bit Duration-Direct Sequence/Spread Spectrum Correlation Delay Shift Keying Chaotic On/Off Keying Chaotic Pulse Position Genarator Chaotic Pulse Position Modulation Khóa dịch hỗn loạn đối xứng Khóa dịch biên độ Nhiễu Gausian trắng cộng Tỷ lệ lỗi bit Khóa dịch pha nhị phân Băng thông Trải phổ chuỗi trực tiếp-độ rộng bit biến đổi dựa trên hỗn loạn Khóa dịch trễ tương quan Khóa tắt/mở hỗn loạn Khối phát vị trí xung hỗn loạn Điều chế vị trí xung hỗn loạn Chaotic Pulse Width-Position Modulation Chaotic Sequence-DirectSequence/Spread Spectrum Chaos Shift Keying Dual Chaotic Pulse Position Generator Differential Chaos Shift Keying Direct-Sequence/Spread-Spectrum Digital Signal Processing Edge-Triggered Pulse Generator Điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn loạn Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng chuỗi hỗn loạn Khóa dịch hỗn loạn Khối phát vị trí xung hỗn loạn kép Frequency Modulated-Differential Chaos Shift Keying Field Programmable Gate Array Frequency Shift Keying Low Probability of Intercept Multiple Access Multiple Access- DirectSequence/Spread-Spectrum Micro-Processor Non Return to Zero Optimal Classifier-Chaos Shift Keying Permutation-Differential Chaos Shift Khóa dịch hỗn loạn vi sai Trải phổ chuỗi trực tiếp Xử lý tín hiệu số Bộ phát xung được kích thích bởi sườn xung Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần Mảng cổng logic khả trình trường Khóa dịch tần số Xác suất bị chặn thấp Đa truy nhập Đa truy nhập-trải phổ chuỗi trực tiếp Bộ vi xử lý Không trở về không Khóa dịch hỗn loạn-bộ phân loại tối ưu Khóa dịch hỗn loạn vi sai-hoán vị PFM PIM PN PNS PPM PSK PTEG PTM PWM QCSK RBF S/H SNR UWB VPP VPP-PNS Keying Pulse Frequency Modulation Pulse Interval Modulation Pseudo-random Noise Pseudo-random Noise Sequence Chaotic Pulse Position Phase Shift Keying Pulse-Triggered Edge Generator Pulse Time Modulation Pulse Width Modulation Quadrature Chaos Shift Keying Radial Basis Function Sample-and-Hold Signal Noise Rate Ultra Wide Band Variable-Position Pulse Variable-Position Pulse and Pseudorandom Noise Sequence Điều chế tần số xung Điều chế khoảng cách xung Nhiễu giả ngẫu nhiên Chuỗi nhiễu giả ngẫu nhiên Điều chế vị trí xung Khóa dịch pha Bộ phát sườn xung được kích thích bởi xung Điều chế thời gian xung Điều chế độ rộng xung Khóa dịch hỗn loạn cầu phương Hàm cơ bản xuyên tâm Lấy và giữ mẫu Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Băng siêu rộng Xung vị trí biến đổi Xung vị trí biến đổi và chuỗi giả ngẫu nhiên Danh mục các hình 3 Danh mục các hình Hình 1.1. Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn .......... 14 Hình 1.2. Biến đổi theo thời gian của biến x(t) với hai điều kiện khởi động sai khác nhau rất nhỏ trong hệ Lorenz hỗn loạn......................................................................................... 15 Hình 1.3. Biến đổi theo thời gian rời rạc của biến trạng thái trong hệ logistic map hỗn loạn ............................................................................................................................................. 15 Hình 1.4. (a) Hàm tự tương quan, (b) hàm tương quan chéo, và (c) phổ tần số của tín hiệu hỗn loạn (nguồn [15]) .......................................................................................................... 16 Hình 1.5. Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong các không gian pha khác nhau: (a). (x, y, z); (b). (x, y); (c). (y, z); và (d). (z, x) .................................................................................. 17 Hình 1.6. Vùng hút của hệ Logistic map hỗn loạn .............................................................. 17 Hình 1.7. Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động ........................................... 20 Hình 1.8. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ .................................................... 21 Hình 1.9. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên sự tương quan................................................ 22 Hình 1.10. Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp CSK dựa trên tương quan cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) ........................... 22 Hình 1.11. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp ACSK ...................... 23 Hình 1.12. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit............................................................................................................................... 24 Hình 1.13. Biểu đồ mật độ giá trị năng lượng bit của phương pháp CSK dựa trên năng lượng bit cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) .................... 25 Hình 1.14. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp COOK ..................... 25 Hình 1.15. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp DCSK...................... 26 Hình 1.16. Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp DCSK cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) ............................................................ 27 Hình 1.17. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp FM-DCSK .............. 28 Hình 1.18. Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp FM-DCSK cho hai trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu (nguồn [15]) ................................................ 28 Hình 1.19. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp CDSK...................... 29 Hình 1.20. Sơ đồ (a) điều chế, (b) giải điều chế, và (c) khối phát lại vị trí xung hỗn loạn CPPG cho phương pháp CPPM ........................................................................................... 30 Hình 1.21. Minh họa chuỗi xung CPPM ............................................................................. 31 Hình 1.22. BER của các phương pháp điều chế và giải điều chế số hỗn loạn .................... 33 Hình 1.23. Sơ đồ (a) trải phổ và (b) giải trải phổ cho phương pháp CS-DS/SS.................. 34 Hình 1.24. Minh họa tín hiệu miền thời gian của quá trình trải phổ: (a) dữ liệu vào, (b) chuỗi hỗn loạn rời rạc, và (c) tín hiệu sau trải phổ .............................................................. 35 4 Danh mục các hình Hình 1.25. So sánh BER giữa các phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn và chuỗi PN truyền thống với cùng hệ số trải phổ N=31 (K là số người dùng)................................. 35 Hình 2.1. Minh họa tín hiệu theo thời gian của các phương pháp điều chế PPM, PWM, CPPM và CPWPM .............................................................................................................. 37 Hình 2.2. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp CPWPM .................... 39 Hình 2.3. Sơ đồ khối phát xung vị trí hỗn loạn kép DCPPG............................................... 39 Hình 2.4. Minh họa tín hiệu miền thời gian trong khối điều chế CPWPM: (a) tín hiệu tăng tuyến tính đầu ra bộ đếm và bộ khuếch đại; (b), (c) tín hiệu đầu ra 1 và 2 của khối DCPPG; (d), (e) tín hiệu đầu vào 1 và 2 của khối PTEG; và (f) tín hiệu CPWPM............................ 41 Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống thông tin CPWPM với kênh AWGN.................................. 42 Hình 2.6. Cửa sổ tách sườn xung của phương pháp CPWPM ............................................ 43 Hình 2.7. Đồ thị rẽ nhánh của hàm CPWPM Tent map ...................................................... 46 Hình 2.8. Các tín hiệu miền thời gian trong hệ thống CPWPM .......................................... 49 Hình 2.9. Vùng hút của CPWPM Tent map với điểm cố định trung bình .......................... 50 Hình 2.10. Phổ tần số trung bình của tín hiệu CPWPM ...................................................... 50 Hình 2.11. BER lý thuyết và mô phỏng của CPWPM, so sánh với BER của CPPM và PPM truyền thống ......................................................................................................................... 51 Hình 2.12. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp MxN-ary CPWPM .. 52 Hình 2.13. Sơ đồ chòm sao mức trễ của phương pháp MxN-ary CPWPM ........................ 53 Hình 2.14. Minh họa tín hiệu MxN-ary CPWPM ............................................................... 53 Hình 2.15. Cửa sổ tách sườn xung của phương pháp MxN-ary CPWPM........................... 54 Hình 2.16. Tín hiệu miền thời gian đạt được từ mô phỏng hệ thống 8x4-ary CPWPM ..... 57 Hình 2.17. BER lý thuyết và mô phỏng của 2 2-, 4 2-, 4 4-, 8 4-, 8 8-, 16 8- và 16 16-ary CPWPM ............................................................................................................ 58 Hình 2.18. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế kết hợp CPWPM-BPSK ...................... 59 Hình 2.19. Sơ đồ hệ thống thông tin CPWPM-BPSK với kênh AWGN ............................ 61 Hình 2.20. Các tín hiệu miền thời gian trong khối điều chế CPWPM-BPSK ..................... 61 Hình 2.21. Các tín hiệu miền thời gian trong khối giải điều chế CPWPM-BPSK .............. 62 Hình 2.22. Phổ tần của các tín hiệu trong sơ đồ kết hợp CPWPM-BPSK .......................... 63 Hình 2.23. BER mô phỏng của các hệ thống BPSK, CPWPM và CPWPM-BPSK qua kênh AWGN ................................................................................................................................. 64 Hình 3.1. Minh họa tín hiệu theo thời gian trong quá trình trải phổ của: (a) hệ thống DS/SS truyền thống sử dụng chuỗi PN, (b) hệ thống CS-DS/SS sử dụng chuỗi hỗn loạn, và (c) hệ thống CBD-DS/SS với độ rộng bit biến đổi theo hỗn loạn ................................................. 67 Hình 3.2. Sơ đồ của khối phát xung vị trí biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) ..... 68 Hình 3.3. Sơ đồ khối hệ thống thông tin CBD-DS/SS ........................................................ 69 Hình 3.4. BER đạt được từ ước lượng lý thuyết và mô phỏng số của hệ thống đề xuất, so sánh với BER của hệ thống truyền thống tương đương cho các trường hợp: (a) Danh mục các hình 5 và , (b) và ................................................................................................................... 73 Hình 3.5. Tín hiệu theo miền thời gian đạt được từ mô phỏng của hệ thống đề xuất sử dụng hàm Tent map cho trường hợp .................................................. 77 Hình 3.6. Biến đổi của độ rộng bit theo trạng thái động hỗn loạn: (a) vùng hút của hàm hỗn loạn , (b) biến đổi của độ rộng bit................................................................................. 77 Hình 3.7. BER mô phỏng của hệ thống CBD-DS/SS với các hàm hỗn loạn khác nhau cho các trường hợp: (a) , (b) ................... 78 Hình 3.8. Sơ đồ khối của hệ thống CBD-DS/SS với thực hiện đa truy nhập của K người dùng ..................................................................................................................................... 79 Hình 3.9. BER của hệ thống đa truy nhập theo số lượng người dùng cho các trường hợp khác nhau: (a) và , (b) , ....................................................................... 81 Hình 3.10. Tín hiệu theo miền thời gian trong máy thu đạt được từ mô phỏng của hệ thống đề xuất sử dụng hàm Tent map cho trường hợp với không có sai khác thông số và sai khác giá trị khởi động......................................................................... 82 Hình 3.11. BER đạt được từ mô phỏng của hệ thống đề xuất cho các trường hợp và với không có sai khác thông số và sai khác giá trị khới động .................................................................................................................. 83 6 Danh mục các bảng Danh mục các bảng Bảng 2.1. Kết quả mô phỏng tốc độ truyền của các hệ thống 2 2-, 4 2-, 4 4-, 8 4-, 8 8, 16 8- và 16 16-ary CPWPM .......................................................................................... 58 Bảng 3.1. Các thông số cụ thể cho các trường hợp khác nhau của hệ thống CBD-DS/SS . 75 Giới thiệu 7 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 loạn1 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:  1 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. 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. 10 Giới thiệu Điều chế thời gian xung và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn: ƣu 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 truyền 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: Chƣơng 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. Chƣơng 2. Phƣơng 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 12 Giới thiệu hình ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu được mô tả và phân tích. Sự phụ thuộc 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. Chƣơng 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 hƣớng 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.