Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng trong thông tin số

Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
------------------------

NGUYỄN MẠNH HÙNG

ĐIỀU CHẾ THỜI GIAN XUNG HỖN LOẠN ĐA BIỂU TƯỢNG
TRONG THÔNG TIN SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN
MÃ NGÀNH:60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS VŨ VĂN Y ÊM

HÀ NỘI -2015

Nguyễn Mạnh Hùng

1


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các
nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành. Nội dung của luận văn này được tổng hợp từ
các tài liệu tham khảo được liệt kê ở cuối luận văn. Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của tôi. Kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực,
chính xác.

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn
Nguyễn Mạnh Hùng

Nguyễn Mạnh Hùng

2


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................... 3
Danh mục các thuật ngữ viết tắt ......................................................................... 5
Danh mục các hình .............................................................................................. 7
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỖN LOẠN VÀ THÔNG TIN SỐ HỖN
LOẠN ............................................................................................................. 11
1.1

Giới thiệu. ...................................................................................... 12

1.2.

Hỗn loạn......................................................................................... 12
1.2.1. Khái niệm và phân loại. ............................................................ 12
Khái niệm về hỗn loạn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật được đưa

ra như sau : ...................................................................................... 12
1.2.2. Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan. .................................... 13
1.2.3. Qũy đạo di chuyển: vùng hút. ................................................... 18

1.3.

Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin................................... 20
1.3.1. Điều chế tương tự. .................................................................... 20
1.3.2. Điều chế số. .............................................................................. 20
1.3.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp. ............................................................ 21

1.4.

Tóm tắt chương 1. ......................................................................... 21

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HỖN LOẠN ..................... 23
2.1. Điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK)................................................. 23
2.1.1. Khóa dịch hỗn loạn (CSK) dựa trên đặc tính động .................... 23
2.1.2. Khóa dịch hỗn loạn đối xứng (ACSK Antipodal Chaos Shift
Keying). .......................................................................................... 27
Nguyễn Mạnh Hùng

3


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
2.1.3. Khóa dịch hỗn loạn dựa trên năng lương bit. ............................. 28
2.1.4. Khóa tắt mở hỗn loạn (COOK Chaos On/Off Keying). ............. 31
2.2. Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai (CDSK Correlation Delay Shilf
Keying). ................................................................................................ 32

2.3. Điều chế khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM – DCSK). ........... 35
2.4. Tóm tắt chương 2. ............................................................................ 35
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG HỖN LOẠN ĐA
BIỂU TƯỢNG M-ARAY CPPM .................................................................. 37
3.1. Phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn CPPM ........................ 37
3.1.1. Nguyên lý của CPPM. ............................................................... 37
3.2. Cấu trúc của CPPM. ........................................................................ 38
3.2.1. Điều chế. ................................................................................... 38
3.2.2. Giải điều chế. ............................................................................ 39
3.3. Tín hiệu trên miền thời gian và tần số. ............................................ 41
3.4. Nguyên lý M-ary CPPM................................................................... 46
3.5. Cấu trúc M-ary CPPM. ................................................................... 48
3.5.1. Điều chế. ................................................................................... 48
3.5.2. Giải điều chế. ............................................................................ 49
3.6. Sơ đồ mô phỏng. .............................................................................. 50
3.6.1.. Hàm tent-map. ......................................................................... 50
3.6.1.1. Khối điều chế. ..................................................................... 51
3.6.1.2. Khối giải điều chế. ............................................................... 51
3.6.2. Kết quả...................................................................................... 52
3.6.2.1. Kết quả trên miền thời gian. ................................................ 52
3.6.2.2. Đánh giá tỉ số lỗi. ................................................................ 55
3.7. Tóm tắt nội dung chương 3. ............................................................. 57
KẾT LUẬN........................................................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................ 60

Nguyễn Mạnh Hùng

4

Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

Danh mục các thuật ngữ viết tắt
STT

Ký hiệu

1

ABR

Average Bit Rate

Tốc độ bit trung bình

2

ACSK

Antipodal Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn đối xứng

3

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

4

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gausian trắng cộng

5

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

6

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

7

BW

Bandwidth

Băng thông

8

CBD-DS/SS

9

CDSK

Chaos-based Bit Duration-Direct
Sequence/Spread Spectrum
Correlation Delay Shift Keying

Trải phổ chuỗi trực tiếp-độ rộng
bit biến đổi dựa trên hỗn loạn
Khóa dịch trễ tương quan

10

COOK

Chaotic On/Off Keying

Khóa tắt/mở hỗn loạn

11

CPPG

Chaotic Pulse Position Genarator

Khối phát vị trí xung hỗn loạn

12

CPPM

Chaotic Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung hỗn loạn

13

CPWPM

14

CS-DS/SS

15

CSK

16

DCPPG

17

DCSK

18

DS/SS

19

DSP

20

ETPG

21

FM-DCSK

22

FPGA

23

FSK

Nguyễn Mạnh Hùng

Tên đầy đủ

Chú giải

Chaotic Pulse Width-Position
Modulation
ChaoticSequence-Direct
Sequence/Spread Spectrum
Chaos Shift Keying

Điều chế vị trí-độ rộng xung
hỗnloạn
Trải phổ chuỗi trực tiếp sử
dụng chuỗi hỗn loạn
Khóa dịch hỗn loạn

Dual Chaotic Pulse Position
Generator
Differential Chaos Shift Keying

Khối phát vị trí xung hỗn loạn
kép
Khóa dịch hỗn loạn vi sai

Direct-Sequence/Spread-Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

Bộ phát xung được kích thích bởi
sườn xung
Frequency Modulated-Differential Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều
Chaos Shift Keying

tần
Field Programmable Gate Array
Mảng cổng logic khả trình
trường
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần số
Edge-Triggered Pulse Generator

5


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
24

LPI

Low Probability of Intercept

25

MA

Multiple Access

26

MA-DS/SS

27

Xác suất bị chặn thấp
Đa truy nhập

MultipleAccess-Direct
Sequence/Spread-Spectrum

Đa truy nhập-trải phổ chuỗi trực
tiếp

MP

Micro-Processor

Bộ vi xử lý

28

NRZ

Non Return to Zero

29

OC-CSK

30

P-DCSK

31

Không trở về không
Khóa dịch hỗn loạn-bộ phân loại

PFM

OptimalClassifier-ChaosShift
keying
Permutation-Differential
Chaos
Shift Keying
Pulse Frequency Modulation

32

PIM

Pulse Interval Modulation

Điều chế khoảng cách xung

33

PN

Pseudo-random Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

34

PNS

Pseudo-random Noise Sequence

Chuỗi nhiễu giả ngẫu nhiên

35

PPM

Chaotic Pulse Position

Điều chế vị trí xung

36

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

37

PTEG

Pulse-Triggered Edge Generator

38

PTM

Pulse Time Modulation

Bộ phát sườn xung được kích
thích bởi xung
Điều chế thời gian xung

39

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

40

QCSK

Quadrature Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn cầu phương

41

RBF

Radial Basis Function

Hàm cơ bản xuyên tâm

42

S/H

Sample-and-Hold

Lấy và giữ mẫu

43

SNR

Signal Noise Rate

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

44

UWB

Ultra Wide Band

Băng siêu rộng

45

VPP

Variable-Position Pulse

Xung vị trí biến đổi

46

VPP-PNS

Nguyễn Mạnh Hùng

Khóa dịch hỗn loạn vi sai-hoán
vị
Điều chế tần số xung

Variable-Position
Pulse
and Xung vị trí biến đổi và chuỗi
Pseudo random Noise Sequence
giả ngẫu nhiên

6


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

Danh mục các hình
Hình 1.1. Hiệu ứng cánh bướm. ................................................................................ 11
Hình 1.2. Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn ...13
Hình 1.3. 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 ..................................................................... 14
Hình 1.4. Biến đổi theo thời gian rời rạc của biến trạng thái trong hệ logistic map hỗn
loạn .......................................................................................................................... 15
Hình 1.5. (a) Hàm tự tương quan, (b) hàm tương quan chéo, (c) phổ tần số của tín hiệu
hỗn loạn.....................................................................................................................16
Hình 1.6. Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong các không gian pha khác nhau..16
Hình 1.7. Vùng hút của hệ Logistic map hỗn loạn ..................................................18
Hình 2.1. Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động ......................... 22
Hình 2.2. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ ..................................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên sự tương quan. ................................... 24
Hình 2.4. 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 .......................... 25
Hình 2.5. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp ACSK ....................27
Hình 2.6. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp CSK dựa trên
năng lượng bit. ....................................................................................................... 29
Hình 2.7. 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 ............................. 30
Hình 2.8. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế của phương pháp COOK .................. 31
Hình2.9. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp DCSK ............ /32
Hình 2.10. Biểu đồ mật độ giá trị mẫu tương quan của phương pháp DCSK cho hai
trường hợp: (a) không có nhiễu, (b) có nhiễu ........................................................34
Hình 2.11. Sơ đồ (a) điều chế và (b) giải điều chế cho phương pháp FM-DCSK...35
Hình 3.1 Sõ ðồ khối ðiều chế CPPM ...................................................................... 39
Nguyễn Mạnh Hùng

7


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
Hình 3.2 Sõ ðồ khối giải ðiều chế CPPM................................................................... 40

Hình 3.3. Tín hiệu trên miền thời gian và phổ của chúng .......................................... 42
Hình 3.4. Tín hiệu trên miền thời gian của CPPM trên môi trýờng mô phỏng
Simulink...................................................................................................................44
Hình 3.5 Xác suất lỗi của CPPM ,so sánh với các hệ thống khác.............................. 46
Hình 3.6. Tín hiệu M-ary CPPM. ............................................................................. 46
Hình 3.7. Khoảng thời gian giữa các xung Tk trong trýờng hợp M symbol ............ 47
Hình 3.8. Sõ ðồ khối ðiều chế M-ary CPPM ............................................................ 48
Hình 3.9. Sõ ðồ khối giải ðiều chế M-ary CPPM...................................................... 49
Hình 3.10. sơ đồ hàm tent-map trong Simulink. ....................................................... 51
Hình 3.11. Khối ðiều chế M-ary CPPM. .................................................................. 51
Hình 3.12. Khối giải ðiều chế M-ary CPPM............................................................ 52
Hình 3.13. Tín hiệu trên miền thời gian.................................................................... 54
Hình 3.14. Minh họa cơ chế nhận diện bit................................................................ 55

Nguyễn Mạnh Hùng

8


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

MỞ ĐẦU
Như ta đa biết sự phát triển của kỹ thuật truyền thông đã trải qua nhiều phương
pháp điều chế khác nhau. Nhìn chung các phương pháp điều chế và giải điều chế được
thực hiện trên các tín hiệu sóng mang dạng hình SIN. Điều chế và giải điều chế với
sóng mang hình SIN đã và đang được sử dụng rộng rãi ở các tần số khác nhau với các
ứng dụng khác nhau. Những nghiên cứu gần đây nhất đã đưa ra các phương pháp điều
chế dựa trên sóng mang có dạng phức tạp và không có chu kỳ. Các tín hiệu không có
chu kỳ này được sinh ra bởi các bộ dao động có trạng thái không ổn định, đó là các hệ
hỗn loạn. Điều chế và giải điều chế dung tín hiệu hỗn loạn làm sóng mang hứa hẹn tạo

ra bước ngoặt lớn trong kỹ thuật truyền thông trong tương lai gần bởi các ưu điểm của
nó như: Bảo mật thông tin, phổ rộng , điều chế tin tức trên các hệ phức tạp nhiều
chiều….vv.[1 ,2, 4]
Luận văn này sẽ trình bày các khái niệm, đặc điểm, tính chất, ưu nhược điểm,
những ứng dụng cũng như cách điều chế và giải điều chế hỗn loạn trong kỹ thuật truyền
thông.
Trước tiên ta sẽ nói một chút về lịch sử ra đời của hiện tượng hỗn loạn.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). Thuyết hỗn loạn
nghiên cứu hành vi của các hệ thống động lực (dynamical system) nhạy cảm với điều
kiện ban đầu, chúng là những hệ thống phi tuyến tính (non-linear) hoặc có số chiều
không gian không giới hạn. Những hệ thống này được đặc trưng bởi tính chất "hỗn
loạn" và sự nhạy cảm của các hệ thống đó thường được nhắc đến như là hiệu ứng cánh
bướm (butterfly effect) - một hiện tượng được tìm ra bởi Edward Loenz. [1,2,4]
Với đặc tính này, những biến đổi quan sát được của các hệ thống vật lý có biểu
hiện hỗn loạn trông có vẻ ngẫu nhiên, dù mô hình mô tả của hệ thống là xác định theo
nghĩa là được định nghĩa chính xác và không chứa những tham số ngẫu nhiên. Những
Nguyễn Mạnh Hùng

9


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
biến đổi này có thể được dự đoán trước bằng những phương trình tất định đơn giản
(simple deterministic equation). [4]
Hỗn loạn xuất hiện trong các mạch điện tử, cụ thể là trong các mạch dao động
tạo sóng mang của các hệ thống thông tin vô tuyến. Val Der Pol là người đã quan sát
thấy có những trạng thái bất thường mà tín hiệu ra biến đổi không có chu kỳ hoặc
hỗn loạn.Các mô phỏng số trên máy tính đã chứng minh được quan sát của Poincaré

là hoàn toàn chính xác. 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.[1,4]
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.
[1,4].Đã có rất nhiều những nghiên cứu về ứng dụng của hỗn loạn vào kỹ thuật
thông tin. Đầu tiên có thể kể đến công trình của Pecora và Carroll, 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.[4]
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: [2]
• Các hệ thống thông tin bảo mật sử dụng hỗn loạn.
• Nghiên cứu các phương pháp điều chế/giải điều chế sử dụng hỗn loạn.
• Hỗn loạn được sủ dụng trong hệ thống thông tin trải phổ.
Các phương pháp điều chế/giải điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn
đã được nghiên cứu cho thông tin số trong hai thập kỷ vừa qua nhìn chung vẫn đang
còn tồn tại một số vấn đề sau:
Nguyễn Mạnh Hùng

10


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
• Đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền thực tế là rất khó khăn.
• Sự bù trừ giữa mức độ bảo mật và tính khả thi.
• Hiệu suất băng thông thấp.

• Hạn chế trong việc dịch chuyển dải tần số phát mong muốn.
Tuy nhiên cũng có rất nhiều những ưu điểm như:
• 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. 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 mà tính khả thi của phương pháp CPPM
(Chaotic Plulse Position modulation) khá cao. Tỷ lệ lỗi bit qua kênh nhiễu là khá thấp.
• Tính bảo mật của phương pháp CPPM được cải thiện đáng kể so với các
phương pháp điều chế hỗn loạn không liên kết.
•

CPPM được nghiên cứu sử dụng trong truyền thông băng siêu rộng
(UWB)

Trong đó các xung với độ rộng siêu hẹp được điều chế vị trí hỗn loạn và được phát
trực tiếp trên kênh truyền. [1,2,3,4,6]
Để hiểu được một cách chi tiết và cụ thể hơn ta sẽ đi vào nghiên cứu từng
chương trong luận văn.
Nội dung của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn.
Chương 2: Các phương pháp điều chế hỗn loạn.
Chương 3: Phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn đa biểu tượng M-ARAY CPPM.
Kết Luận.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỖN LOẠN VÀ KỸ THUẬT
Nguyễn Mạnh Hùng

11

Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

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 văn. Chúng ta sẽ biết được chi tiết thế nào là hỗn
loạn, những đặc tính của chúng hay là những ứng dụng của nó trong thông tin di
động….vv

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 [1,2,4].Khi nói tới hỗn loạn thì chắc chắn ta sẽ nghĩ ngay tới đặc trưng của
nó. Đó là “hiệu ứng cánh bướm”(butterfly effect) một hiện tượng được tìm ra
bởi Edward Lorenz.

Hình 1.1 Hiệu ứng cánh bướm(nguồn [3,4,5])

Hình 1.1 biểu diễn quỹ đạo của hệ Lorenz cho các giá trị r = 28, σ = 10, b = 8/3
(nguồn [4], [5]).
Ba tính chất quan trọng của hỗn loạn được nêu ra trong khái niệm trên là :
Nguyễn Mạnh Hùng

12


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

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.[4,6]
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.[4,6]
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.[4,6]
Các hệ thống động hỗn loạn được chia theo hai dạng sau :
• Dạng liên tục của thời gian

dx/dt = f(x),x(t0)=x0,

(1.1)

Trong đó x(t) là biến trạng thái có thể một hoặc nhiều chiều.t0 và x0 là thời điểm và
giá trị khởi động của hệ thống.[2]
• Dạng rời rạc của thời gian

xn= f(xn -1)= f(n) (x0)

(1.2)

với xo là giá trị khởi động, xn là biến trạng thái một chiều hoặc nhiều chiều của
hệ thống bước lặp thứ n.[2]

1.2.2. Dạng sóng, dạng phổ và sự tương quan.
Để minh họa cho các tính chất trên của hỗn loạn, chúng ta xem xét hệ thống

động Lorenz liên tục ba chiều được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân sau:[2]

Nguyễn Mạnh Hùng

13


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

(1.3)

Hình 1.2. Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ Lorenz hỗn loạn
(nguồn [2,5])

Nguyễn Mạnh Hùng

14


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
Trong đó x,y,z là các biến trạng thái và
Với bộ tham số

là các tham số của hệ thống.

hệ Lorenz rơi vào trạng thái vận động hỗn

loạn. Rõ ràng tính chất hệ thống xác định hoàn toàn được thỏa mãn với hệ thống này
vì nó được biểu diễn bằng hệ phương trình vi phân xác định với các thông số cụ thể .
Với một điều kiện khởi động xác định, chúng ta hoàn toàn có thể xác định trạng

thái của hệ thống ở một thời điểm bất kỳ.
Các Hình 1.2, 1.3 và 1.4 chỉ ra kết quả mô phỏng sử dụng Matlab của hệ thống
Lorenz với bộ tham số như trên. Trục thời gian chuẩn hóa trong các kết quả mô
phỏng là số vòng lặp tính toán được thực hiện. Chúng ta có thể nhận thấy tính vận
động không có chu kỳ [2]của hệ thống thông qua sự biến đổi biên độ không dự đoán
được của các biến x, y, z theo thời gian như trong Hình 1.2. Tính chất phụ thuộc
nhạy cảm với các điều kiện khởi động[2] được thể hiện trong Hình 1.3. Trong đó
biến đổi biên độ của biến x với hai điều kiện khởi động có giá trị sai khác rất nhỏ
được chỉ ra. Chúng ta có thể thấy rằng các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như
cùng một điểm, nhưng sau đó chúng tách biệt nhanh chóng và trở nên khác nhau
hoàn toàn.

Nguyễn Mạnh Hùng

15


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
Hình 1.3. 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.[2]

Hình 1.4. Biến đổi theo thời gian rời rạc của biến trạng thái trong hệ
logistic map hỗn loạn[2]

Các đặc điểm trên là hoàn toàn tương tự cho hệ thống động phi tuyến rời rạc. Xét
hệ thống Logistic map một chiều cho bởi công thức sau :[2]
Xn+1= .xn ( 1-xn )
với hệ số điều khiển được chọn

(1.4)

, hệ thống rơi vào trạng thái hỗn loạn. Khi

đó, giá trị đầu ra biến đổi hỗn loạn trong khoảng (0,1) như trong Hình 1.4.
Hàm tự tương quan và tương quan chéo điển hình của tín hiệu hỗn loạn được
chỉ ra như trong Hình 1.5(a) và (b) tương ứng. Có thể thấy rằng giá trị tương quan
của cùng một tín hiệu hỗn loạn (tự tương quan) đạt cực đại ứng với thời gian trễ bằng
không, và hầu như bằng không với thời gian trễ khác không.
Nguyễn Mạnh Hùng

16


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
Giá trị tương quan của hai tín hiệu hỗn loạn khác nhau (tương quan chéo) gần
như bằng không với mọi giá trị thời gian trễ. Bên cạnh đó, tín hiệu hỗn loạn được
phân biệt bởi đặc tính băng rộng của nó.
Do biên độ biến đổi hỗn loạn dẫn đến tần số cũng biến đổi theo và tạo ra rất
nhiều các thành phần tần số trong phổ của nó.
Phổ tần số băng rộng điển hình của một tín hiệu hỗn loạn được chỉ ra như Hình
1.5(c).
Dựa vào các đặc điểm này, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như các sóng
mang băng rộng để mang thông tin thay cho sóng mang điều hòa hoặc là chuỗi PN

Hàm tự tương quan chuẩn hóa

Hàm tương quan chéo chuẩn hóa

trong các hệ thống thông tin truyền thống.

Trễ thời gian chuẩn hóa

Trễ thời gian chuẩn hóa

(a)

(b)

(C)
Nguyễn Mạnh Hùng

Tần số chuẩn hóa
17


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

Hình 1.5. (a) Hàm tự tương quan, (b) hàm tương quan chéo, và (c) phổ tần số
của tín hiệu hỗn loạn [2,40]

1.2.3. Qũy đạo di chuyển: vùng hút.
Vùng hút là quỹ đạo di chuyển theo thời gian của các biến trong không gian pha
của chúng. Và nó được biểu diễn theo dạng hình học.
Thông thường thì các sơ đồ pha sẽ cho thấy rằng đa số các quỹ đạo trạng thái sẽ
quấn quanh và tiến đến một giới hạn chung nào đó. Hệ thống này cuối cùng sẽ có một
chuyển động giống nhau cho tất cả các trạng thái ban đầu trong một vùng xung quanh
chuyển động, như thể như là hệ thống bị hút vào đó. Một chuyển động thu hút như
vậy được gọi là một vùng thu hút của hệ thống và rất phổ biến cho các hệ thống có lực
tiêu tán dần.[2,4]
Hình 1.6(a), (b), (c) và (d) lần lượt chỉ ra kết quả mô phỏng vùng hút của hệ

thống Loernz trong không gian pha (x, y, z) và các mặt phẳng pha (x, y), (y, z), (z, x).
Có thể thấy rằng đường di chuyển không bao giờ trùng lặp và không khép
kín cho dù thời gian vận động tiến đến vô cùng, điều này thể hiện tính phi chu kỳ và
hỗn loạn của hệ thống.
Một đặc điểm nữa của vùng hút đó là nó luôn nằm trong một miền giới hạn xác
định của không gian pha và không bao giờ di chuyển ra khỏi miền này.

Nguyễn Mạnh Hùng

18


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

Hình 1.6 Vùng hút của hệ hỗn loạn Lorenz trong không gian pha khác nhau
(a).(x, y ,z) ; (b).(x, y) ; (c).(y ,z) ; (d). (z ,x)(nguồn [2,4])

Hình 1.7. Vùng hút của hệ Logistic map hỗn loạn
Vùng hút của hệ thống động rời rạc Logistic map cũng được đưa ra trong Hình
1.7[2]. Vùng hút này được tạo ra bằng cách vẽ quỹ đạo di chuyển hệ thống trong
mặt phẳng pha (xn,xn-1 ) biểu diễn mối quan hệ của giá trị biến trạng thái hiện tại
Nguyễn Mạnh Hùng

19


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
và trước đó. Chúng ta có thể thấy rằng, đường di chuyển trong quỹ đạo không khép
kín, không bao giờ chồng lấn lên nhau, và luôn nằm trong miền giới hạn (0, 1).

1.3. Ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật thông tin.
Trong kỹ thuật thông tin hay trong các hệ thông vô tuyến thì hỗn loạn có những
ứng dụng vô cùng quan trọng và không thể phủ nhận.Ví dụ như trong các thiết bị
thông tin vô tuyến thì có rất nhiều các yêu cầu khác nhau như tỷ lệ dữ kiệu được
truyền đi,tỷ lệ lỗi bit,băng thông…vv.[1]
Các kỹ thuật thông tin hỗn loạn có thể chia thành ba loại chính: điều chế tương
tự, điều chế số và trải phổ chuỗi trực tiếp.[2]

1.3.1. Điều chế tương tự.
Có hai phương pháp điều chế tương tự hỗn loạn đó là: điều chế mặt nạ hỗn loạn
và điều chế thông số hỗn loạn.
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 thông số hỗn loạn, tín hiệu
thông 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.[2]
Tuy nhiên,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.Điều này đã đưa chúng ta tới phương
pháp khác đòi hỏi có tính khả thi cao hơn.

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 .
Nguyễn Mạnh Hùng

20


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
Các phương pháp này được chia làm hai loại: liên kết và không liên kết.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.
Các phương pháp điều chế không liên kết được nghiên cứu : phương pháp
khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) ,phương pháp khóa dịch trễ tương quan (CDSK),
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).[2]
Ngoài các phương pháp chính ở trên, có thể kể đến một số các phương pháp
điều chế hỗn loạn không liên kết khác như: khóa dịch hỗn loạn cầu phương (QCSK),
khóa dịch hỗn loạn vi sai hoán vị (P-DCSK), khóa dịch hỗn loạn phân loại tối ưu (OCCSK)… vv. Tất cả các phương pháp này đều nhằm mục đích cải thiện thực hiện của
các phương pháp CSK và DCSK.[2]
Với sự ra đời của kỹ thuật thông tin băng siêu rộng (UWB Ultra Wide Band),
các phương pháp điều chế hỗn loạn ứng dụng trong hệ thống thông tin UWB đã được
nghiên cứu. 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).[ 2 ]

1.3.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp.
Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp đầu tiên
gọi là phương pháp trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CS-DS/SS). Phương pháp CSDS/SS thể hiện hầu hết những ưu điểm của phương pháp truyền thống .Bên cạnh đó,
tính bảo mật được cải thiện đáng kể ,tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với hệ thống DS/SS
truyền thống sử dụng chuỗi m hoặc chuỗi Gold .[2]

1.3.Tóm tắt chương 1.
Trong chương 1 đã trình bày cho ta biết được hỗn loạn là gì , đặc tính, đặc trưng
của nó, những ưu nhược điểm của nó cũng như những ứng dụng của nó trong kỹ

Nguyễn Mạnh Hùng

21


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng
thuật thông tin di động. Qua đó ta biết được tầm quan trọng và đưa ra những giải
pháp hướng tới việc nâng cao những ưu điểm của nó trong hệ thống thông tin.Ví dụ
sử dụng các phương pháp như : Điều chế tương tự, điều chế số và trải phổ chuỗi trực
tiếp.
Các phương pháp điều chế kể trên bao gồm rất nhiều những nghiên cứu phương
pháp trong nó mà ta đã kể tên ở các mục (1.3.1), (1.3.2) và (1.3.3).Những phương
pháp này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chương 2 .
Các phương pháp điều chế kể trên đều nhằm tới mục đích làm giảm tín hiệu gây
nhiễu , giảm tỉ lệ lỗi bit và tăng tính bảo mật trong hệ thống thông tin di động.
Chương 2 chúng ta sẽ đi nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn về cách điều chế , nguyên lý
hoạt động các phương pháp điều chế hỗn loạn được đề cập trong chương 1 này.

Nguyễn Mạnh Hùng

22


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HỖN LOẠN
2.1. Điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK)
Các phương pháp điều chế khóa dịch hỗn loạn (CSK Chaos Shift Keying) cũng
được chia thành hai loại: liên kết và không liên kết. Mỗi loại được thực hiện theo
hai cách khác nhau, đó là sử dụng một hoặc hai khối phát sóng mang hỗn loạn.

2.1.1. Khóa dịch hỗn loạn (CSK) dựa trên đặc tính động
• Điều chế
Bộ phát
Hỗn loạn 1

C1(t)
1

e(t)

Bộ phát
Hỗn loạn 2

C2(t

0

Dữ liệu nhị phân 1 hoặc 0

Hình 2.1. Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động(nguồn [2])

Sơ đồ điều chế CSK liên kết dựa trên đặc tính động với hai khối phát sóng
mang hỗn loạn được chỉ ra như Hình 2.1. Các tín hiệu hỗn loạn đầu ra c1(t) và
c2(t) có đặc tính động phi tuyến khác nhau. Trong khoảng độ rộng bit Tb ,tùy
thuộc vào giá trị nhị phân của bit được đưa vào, quá trình điều chế sẽ được thực
hiện như sau: nếu là bit là “1” thì c 1(t) sẽ được phát đi, nếu là bit là “0” thì
c2(t) sẽ được phát đi. Tín hiệu đầu ra của khối điều chế trong khoảng thời gian
của bit thứ n, t

[(n-1)Tb, nTb ] được biểu diễn như sau :

Nguyễn Mạnh Hùng

23


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

e(t)=

(2.1)

Với bn là giá trị nhị phân bit thứ n [2]
Giải điều chế dựa trên lỗi đồng bộ.

r(t)
So sánh
Khối đồng bộ
hỗn loạn 1

Khối đồng bộ
hỗn loạn 2

và

c1* (t )

quyết định

dữ liệu khôi phục

c2* (t )

Hình 2.2. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên lỗi đồng bộ (nguồn [2,31])

Nguyên lý hoạt động:hai khối đồng bộ hỗn loạn sẽ được sử dụng để tạo ra
hai sóng mang hỗn loạn c1* (t ) và c2* (t ) tương ứng, có đặc tính hỗn loạn tương tự
như c1(t) và c2(t) bên phía điều chế. Nếu bit “1” được phát đi, khối đồng bộ hỗn
loạn 1 sẽ đồng bộ với tín hiệu nhận được r(t) , trong khi khối đồng bộ hỗn loạn
2 sẽ không đồng bộ.
Tương tự, khối đồng bộ hỗn loạn 2 sẽ đồng bộ và khối đồng bộ hỗn loạn 1 sẽ
không đồng bộ với tín hiệu nhận được r(t) nếu bit “ 0” được phát đi. Các tín hiệu
lỗi đồng bộ nhận được, er1(t) = c1* (t ) - r(t) và er2(t)= c2* (t ) - r(t) , được đưa vào bộ
so sánh và quyết định mức. Giá trị nhị phân của bit thứ n được khôi phục đầu ra
được quyết định như sau:
Nguyễn Mạnh Hùng

24


Đề tài: Điều chế thời gian xung hỗn loạn đa biểu tượng

bn =

(2.2)

Giải điều chế dựa trên tương quan
Lấy mẫu

Khối tương quan

r(t)
nTb

∫

(n−1)Tb−Ta

y1 (nTb )

(.)dt

Quyết định mức
nTb
khối đồng
bộ hỗn
loạn 1

y(nTb)

*
1

c (t )

Lấy mẫu

Khối tương quan

∫

nTb

( n −1) Tb +Ta

dữ liệu
khôi phục

(.) dt

y2(nTb
)
nTb

khối đồng
bộ hỗn
loạn 2

c2* (t )

Hình 2.3. Sơ đồ giải điều chế CSK dựa trên sự tương quan (nguồn [2])

Nguyên lý hoạt động: các sóng mang hỗn loạn được phát lại ở đầu ra của
hai khối đồng bộ hỗn loạn, c1* (t ) và c2* (t ) , sẽ được đánh giá mức độ tương quan
với tín hiệu nhận được r(t) bằng cách sử dụng hai khối tính tương quan 1 và 2. Sơ
đồ giải điều chế này được đưa ra như Hình 2.3 .Ở thời điểm cuối mỗi độ rộng bit,
tín hiệu đầu ra của các khối tương quan sẽ được lấy mẫu. Các mẫu nhận được của
bit thứ n sẽ được xác định bởi :
Nguyễn Mạnh Hùng

25