›
›

Điều chế QPSK và 16PSK phân cực kép trong kênh truyền quang có và không có tín hiệu hỗn loạn

Download
Vũ Anh Đào, Trần Thị Thanh Thủy, Nguyễn Xuân Quyền  
ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC  
KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CÓ  
VÀ KHÔNG CÓ TÍN HIỆU HỖN LOẠN  
Vũ Anh Đào*1,2, Trần Thị Thanh Thủy2, Nguyễn Xuân Quyền1  
1Đại học Bách Khoa Hà Nội  
2Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông  
Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu về hệ thống  
thông tin quang sợi sử dụng hai phương pháp điều chế tiên  
tiến QPSK và 16PSK. Hệ thống so sánh hiệu năng quang  
học trong các kênh quang có và không có tín hiệu hỗn loạn  
ở tốc độ bit 60Gbps, chiều dài sợi quang là 80 km và  
khoảng cách kênh 100 GHz trong băng tần C. Bài báo khảo  
sát tỷ số lỗi bit BER theo chiều dài và theo tốc độ truyền,  
cho hai dạng kênh truyền thông với hai loại điều chế trên.  
Qua hai khảo sát trên chúng tôi thấy điều chế QPSK có  
chất lượng tốt hơn. Bên cạnh đó, bài báo cũng thảo luận  
các phân tích và đánh giá sâu hơn một số tham số hệ thống  
gồm tương quan giữa máy phát và máy thu và giản đồ  
chòm sao với loại điều chế này cho cả hai loại kênh truyền.  
lệch nhau 22.50, xác định bởi tổ hợp 4 bit liền nhau của tín  
hiệu nhị phân, được gọi là Quadbit. Sơ đồ điều chế 16-  
PSK có độ phức tạp cao, được sử dụng chủ yếu trong kỹ  
thuật radio số. Các điều chế khóa chuyển dịch đa pha dạng  
PSK thường được áp dụng cho tín hiệu băng gốc trong các  
hệ thống thông tin vô tuyến.  
Trong lĩnh vực truyền thông, chất lượng dịch vụ không  
ngừng được nâng cao, người dùng không chỉ quan tâm đến  
tốc độ, chất lượng truyền tin mà đặc biệt chú ý đến tính an  
toàn khi truyền các bản tin qua mạng. Các nhà khoa học  
trong lĩnh vực bảo mật thông tin đưa ra rất nhiều phương  
pháp mã hóa bảo mật như DSS (tiêu chuẩn chữ ký số), triple  
DES (tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu) [8], AES (tiêu chuẩn mã  
hóa tiên tiến) [8]–[10] v.v nhưng cũng dần bị giải mã bởi  
một số thuật toán như thuật toán vét cạn, quy hoạch động,  
vv.  
Từ khóa: hỗn loạn, thông tin quang, tương quan, BER,  
QPSK, 16PSK.  
I. GIỚI THIỆU  
Hỗn loạn được biết đến từ cuối thế kỷ 19 và đã được sử  
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như toán học, điều khiển học,  
sinh học, vật lý… Về mặt bản chất, hỗn loạn là trạng thái  
vận động không có tính chu kỳ của một hệ thống xác định  
trong một quá trình nào đó, và thường được biểu diễn bằng  
một phương trình đặc trưng mô tả quan hệ biến đổi theo  
thời gian [11]–[13]. Hiện nay, tín hiệu hỗn loạn thường  
được sử dụng trong các hệ thống truyền thông để tăng tính  
bảo mật vì tính chất nhạy cảm với sự sai khác thông số, đặc  
biệt là điều kiện khởi tạo. Tín hiệu hỗn loạn là tín hiệu trải  
phổ, sử dụng băng thông lớn và có mật độ công suất thấp.  
Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, các hàm  
mẫu tương tự được gửi qua kênh là tổng trọng số của dạng  
sóng và là tuyến tính. Tuy nhiên, trong các hệ thống thông  
tin liên lạc hỗn loạn, các mẫu là các phân đoạn của dạng  
sóng hỗn loạn và là phi tuyến. Đặc tính phi tuyến tính,  
không ổn định và không theo chu kỳ của tín hiệu hỗn loạn  
này có nhiều đặc điểm khiến nó trở nên hấp dẫn hơn trong  
truyền thông [14]–[19].  
Ngày nay, thông tin quang sợi và kỹ thuật ghép kênh phân  
chia theo bước sóng quang WDM (wavelength division  
multiplexing) đã xuất hiện ở mọi hệ thống mạng thông tin  
như truy nhập, vùng, đô thị, mạng xương sống quốc gia hay  
mạng quốc tế [1]–[4]. Trong các hệ thống thông tin quang,  
các dạng điều chế tiên tiến khác nhau như PSK[5] , QAM  
[6],[7] được áp dụng rộng rãi để nâng cao hiệu suất phổ  
thông tin và nâng cao tốc độ bit trên các kênh truyền.  
PSK (Phase Shift Keying) là điều chế số theo pha tín  
hiệu mà mỗi bit đặc trưng bởi góc pha khác nhau của tín  
hiệu. Một dạng cơ bản thông dụng nhất của điều chế PSK  
là kiểu điều chế khóa dịch pha cầu phương QPSK  
(Quadrature Phase Shift Keying). Kỹ thuật này được xây  
dựng từ dạng sin với bốn giá trị pha, xác định bởi tổ hợp 2  
bit liền nhau của tín hiệu nhị phân, được gọi là Dibit có độ  
dài 2 bit. Dạng điều chế PSK thứ hai cũng rất phổ biến khác  
là 16-PSK, trong đó tín hiệu có dạng sin với tám giá trị pha  
Tác giả liên lạc: Vũ Anh Đào,  
Email: [email protected]du.vn  
Đến tòa soạn: 9/2020, chỉnh sửa: 10/2020, chấp nhận đăng: 10/2020.  
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn  
thông có mã số 07-HV-2020-ĐT1.  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
131  
ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CÓ VÀ KHÔNG CÓ TÍN HIỆU HỖN LOẠN  
Chaos  
Chaos  
Chaos  
Channel 1  
Power  
Meter  
Rx1  
Channel 1  
Chaos  
PBS  
QPSK.  
Demod  
90° EO  
Hybrid  
Power  
Meter  
Tx1  
QPSK  
MZ  
Laser1 CW  
data1  
data1  
S/P  
PBC  
MZ  
PBS  
LO1  
QPSK.  
Demod  
QPSK  
90° EO  
Hybrid  
Chaos  
PBS  
NZ-DSF DCF  
EDFA  
Chaos  
Channel 2  
Channel 2  
QPSK  
MZ  
QPSK.  
Demod  
PBS  
Laser2 CW  
90° EO  
Hybrid  
data2  
S/P  
Power  
Meter  
Rx2  
PBC  
MZ  
data2  
PBS  
Power  
Meter  
Tx2  
QPSK  
LO2  
QPSK.  
Demod  
90° EO  
Hybrid  
PBS  
Hình 1. Mô hình hệ thống ghép kênh có hỗn loạn và không có hỗn loạn sử dụng điều chế QPSK phân cực  
kép.  
Trên thực tế, việc triển khai hỗn loạn cho các thiết bị  
xn+1 = a.x (1− x ), x 0,1  
(1)  
(
)
n
n
0
liên lạc và điện tử cần chú ý hai quá trình quan trọng là  
đồng bộ hóa hỗn loạn và kiểm soát hỗn loạn. Tín hiệu hỗn  
loạn được trộn với thông tin thông qua một số sơ đồ khác  
nhau như xáo trộn, điều chế và mã hóa sẽ giúp bảo mật tốt  
hơn vì nếu bị nghe trộm, họ cũng không thể phát hiện một  
cách chính xác thông tin đã bị mã hóa [20],[21].  
Với n = 1,2,3… là số nguyên dương. Nếu hệ số điều  
khiển a = 3.9 hệ thống rơi vào trạng thái hỗn loạn. Khi đó,  
giá trị đầu ra biến đổi hỗn loạn trong khoảng từ 0 đến 1.  
Hàm hỗn loạn có dạng mật độ phân bố xác suất như sau:  
1
p(x) =  
với 0<x<1  
(2)  
Trong bài báo này, chúng tôi triển khai mô hình thông  
tin quang WDM hai kênh với một kênh có hỗn loạn (COC  
- chaotic secure optical communication) và kênh quang  
x(1− x)  
Trong hệ thống này, bộ phát laser diode (LDT) và bộ  
thu laser diode (LDR) đều được cấu tạo từ laser bán dẫn  
chế độ đơn với bộ phản xạ ngoài và có cùng cấu hình. Cả  
kênh hai kênh COC và CFOC đều được phóng cùng nhau  
vào sợi quang thông qua bộ ghép kênh WDM (MUX). Để  
bù suy hao do tán sắc gây ra khi thông tin được truyền đi  
trên sợi quang, bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA -  
erbium-doped fiber amplifier) được sử dụng với hệ số  
khuếch đại G được thiết kế để bù suy hao, được tính theo  
thông  
thường  
(CFOC-  
common  
fiber-optic  
communication) sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK và  
16PSK kết hợp với kỹ thuật phân cực kép (dual  
polarization). Kênh COC có ứng dụng như là một kênh  
truyền thông tin bảo mật dành riêng cho các dịch vụ thông  
tin quan trọng. Đây là mô hình kênh đơn giản và hiệu quả  
sử dụng hàm hỗn loạn (chaos) để nâng cao mức độ bảo mật  
của kênh thông tin. Chúng tôi khảo sát BER theo các tham  
số hệ thống, hiệu quả sử dụng truyền dẫn của kênh có hỗn  
loạn khi truyền qua sợi ở tốc độ cao.  
G =  
.L  
với NZ −DSF là hệ số suy hao sợi  
công thức  
NZ −DSF  
NZ-DSF, 퐿 là tổng chiều dài đường truyền sợi dịch tán sắc  
khác không NZ-DSF và sợi DCF, là sợi bù tán sắc, có hệ  
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG  
=
0.4dB/km). Đến phía thu, tín hiệu quang  
số suy hao  
DCF  
Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh của kênh COC và  
CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép được thể hiện  
như Hình 1. Khi phân cực kép, dung lượng của kênh sẽ tăng  
gấp đôi và BER của kênh quang cũng bị suy giảm như là  
sự đánh đổi không thể tránh khỏi bởi sự ảnh hưởng đến tỷ  
số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR (optical signal to noise  
ratio). Mỗi kênh, được xác định bởi bước sóng của sóng  
mang quang λc, được ghép vào cùng một sợi quang ở định  
dạng dữ liệu gốc. Kênh 1 bản tin được chia làm 2 luồng  
song song có tốc độ bằng một nửa tốc độ ban đầu, sau đó  
mỗi luồng được điều chế QPSK và hỗn loạn được thêm vào  
tại đây. Kênh 2 được xây dựng như kênh 1, tuy nhiên chỉ  
khác là kênh này không có hỗn loạn được thêm vào trước  
khi điều chế ngoài miền quang. Hệ thống Logistic map một  
chiều được chọn là hệ thống động phi tuyến rời rạc, phù  
hợp với tính chất phi tuyến trong các hệ thống truyền tin  
quang, được cho bởi công thức:  
được phân tách bằng bộ tách sóng WDM (DMUX) sau khi  
truyền tải đường dài, thông tin nếu được mã hóa hỗn loạn  
thì sẽ được giải hỗn loạn tại đây, đồng thời được giải điều  
chế QPSK. Các đặc tính động học của từng cặp máy phát  
và máy thu trong thiết lập trên có thể được mô tả bằng các  
phương trình tốc độ Lang-Kobayashi đối với laser bán dẫn  
chế độ dọc đơn mode như sau [17],[22] :  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
132  
Vũ Anh Đào, Trần Thị Thanh Thủy, Nguyễn Xuân Quyền  
G NT ,R (t) − N0   
1+ET ,R (t) 2  
dET ,R (t)  
1
2
=
(1+i)  
ET ,R (t)  
(3)  
dt  
Có hỗn loạn, QPSK  
Không hỗn loạn,  
QPSK  
+kT ,R ET ,R (t −)exp(-i)+kinjEext (t),  
Có hỗn loạn, 16PSK  
Không hỗn loạn, 16PSK  
Bảng 1. Bảng các tham số hệ thống  
Biểu  
Tham số  
Giá trị  
tượng  
Bước sóng kênh 1  
Bước sóng kênh 2  
Tốc độ bit  
1552.52nm  
1551.72nm  
80Gbps  
1  
2  
Hình 2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER vào  
chiều dài sợi quang của hệ thống.  
Rb  
Hệ số suy hao sợi NZ- 0.2dB/km  
DSF  
NZ −DSF  
NZ −DSF  
2  
ps2 / km-1  
= 0.2 dB/km,  
W-1 / km-1 . Các tham số khác của hệ thống được thể hiện  
= 5.1  
= 1.5  
Hệ số suy hao sợi 0.4dB/km  
DCF  
DCF  
ở bảng 1.  
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN  
Hệ số tán sắc sợi NZ- 16ps/nm/km  
DSF  
DNZ −DSF  
Dạng sóng của sóng mang hỗn loạn có thể được thay  
đổi thông qua việc truyền qua sợi, do đó, sự đồng bộ hỗn  
loạn giữa máy phát và máy thu được giả thiết. Ở phía phát,  
kênh 1 được cộng thêm tín hiệu hỗn loạn để truyền đi. Ở  
phía thu, tín hiệu nhận được lại một lần nữa được trừ đi tín  
hiệu hỗn loạn để có được thông tin gốc. Trong bài báo này,  
mô hình được xây dựng như trên với hai loại điều chế là  
QPSK và 16PSK phân cực kép. Bài báo sử dụng mô phỏng  
trên nền tảng của phần mềm thương mại hóa Optisystem  
V.15 cho hệ thống thông tin quang và các mã nguồn của tín  
hiệu hỗn loạn từ công cụ mô phỏng Matlab.  
Hệ số tán sắc sợi DCF -160ps/nm/km  
DDCF  
LDCF  
Chiều dài sợi DCF  
5km  
Chiều dài chuỗi bit  
Các bit bảo vệ  
65536  
10  
N
n
G
Tăng ích khuếch đại  
20dB  
Trước hết, để so sánh hai loại điều chế trên với hai kênh  
COC và CFOC, chúng tôi đánh giá hiệu năng của hệ thống  
thông qua tỉ lệ lỗi bit BER theo chiều dài sợi và tốc độ  
truyền dẫn.  
Diện tích hiệu dụng 80µm2  
sợi  
Hình 2 thể hiện kết quả khảo sát tỷ lệ lỗi bit theo chiều  
dài sợi quang ở khoảng cách từ 20 đến 80 km, với hệ số  
khuếch đại G = 20 dB để bù đủ suy hao sợi quang. Với  
QPSK, BER gần như bằng 0 ở khoảng cách từ 20 km đến  
40 km, BER giảm khi khoảng cách tăng lên (đối với kênh  
COC), khoảng cách càng xa thì hiệu năng của hệ thống  
càng giảm. Từ khoảng cách 80km trở đi chất lượng kênh  
có hỗn loạn rất xấu, BER sẽ tăng một cách nhanh chóng, số  
lượng bit sai nhiều, còn kênh CFOC thì chất lượng tốt hơn  
rất nhiều, hầu như không có sai số khi khoảng cách đường  
truyền tăng lên. Điều này chứng tỏ khi thêm bộ tạo hỗn loạn  
vào thì hiệu năng hệ thống giảm đáng kể ở khoảng cách xa.  
Khi ở khoảng cách xa, công suất suy giảm mạnh khi đến bộ  
thu, lúc này bộ thu có độ nhạy thu nhất định khó có thể phát  
hiện được tín hiệu có công suất quá thấp, cộng thêm việc  
có hỗn loạn làm che mất dạng tín hiệu gốc, làm cho máy  
G NT,R (t) − N0   
1+ET ,R (t) 2  
dNT ,R (t) IT ,R  
2 (4)  
ET ,R (t)  
1
=
−
NT ,R (t) −  
dt  
qV n  
Trong đó, 퐸푇,푅 và 푁푇,푅 tương ứng là biên độ trường điện  
tử phức tạp thay đổi chậm và mật độ sóng mang trong  
khoang laser. Các chỉ số T và R lần lượt biểu thị máy phát  
và máy thu, ω là tần số góc của laser chạy tự do, Eext là  
biên độ trường điện từ được đưa vào máy thu và là thời  
gian của một chu kỳ. Sự lan truyền của tín hiệu quang hỗn  
loạn thứ j trong sợi có thể được mô tả bằng phương trình  
Schrödinger phi tuyến (NLS) [23]:  
Ej  
z  
2Ej  
N
2   
−E 2 + 2  
Ek E ,  
2  
1
(5)  
i
= − Ej +  
j
j
2
2 t2  
k=1,kj  
trong đó Ej và Ek tương ứng là biên độ trường điện từ phức  
tạp thay đổi chậm của kênh thứ j và kênh thứ k. α là hệ số  
2  
suy hao sợi,  
là hệ số phân tán bậc hai của sợi, γ là hệ  
số phi tuyến. Sợi quang được sử dụng trong bài báo này là  
sợi dịch chuyển phân tán khác không (NZ-DSF), các tham  
số được chọn theo khuyến nghị ITU-T G.655, cụ thể là  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
133  
ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CÓ VÀ KHÔNG CÓ TÍN HIỆU HỖN LOẠN  
Giản đồ chòm sao với hỗn loạn  
QPSK  
Giản đồ chòm sao không hỗn loạn  
QPSK  
Có hỗn loạn, 16PSK  
Không hỗn loạn, 16PSK  
Có hỗn loạn, QPSK  
Không hỗn loạn, QPSK  
Giản đồ chòm sao không hỗn loạn  
QPSK  
Giản đồ chòm sao với hỗn loạn  
QPSK  
Hình. 3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER  
vào tốc độ truyền của hệ thống.  
thu khó có thể thu đúng được hết tín hiệu, gây ra lỗi bit ở  
bộ xử lý phía sau. Với 16PSK, hệ số BER rất lớn và hầu  
như không phụ thuộc vào độ dài đường truyền, dù là kênh  
COC hay CFOC.  
Giản đồ chòm sao không hỗn loạn  
QPSK  
Giản đồ chòm sao với hỗn loạn  
Tốc độ truyền thông tin cũng là một tham số mà các  
nhà nghiên cứu muốn tối ưu và nâng cao. Hình 3 khảo sát  
BER theo tốc độ bit, tốc độ bit càng cao thì BER càng lớn.  
QPSK và 16QPSK đều là những dạng điều chế đơn giản  
nên trong bài báo này, chúng tôi chỉ khảo sát kênh truyền  
ở tốc độ dưới 60 Gbps. Với QPSK, cùng một khoảng cách  
nhưng tốc độ khác nhau sẽ dẫn đến BER khác nhau, hơn  
nữa kênh có hỗn loạn cùng tốc độ bit thì nó có tỉ lệ lỗi bit  
lớn hơn, đặc biệt từ tốc độ bit từ 44 Gbps trở lên thì sự  
khác nhau này càng rõ ràng. Kênh có hỗn loạn có tỉ lệ lỗi  
bit cao như vậy là do tốc độ bit cao thì chu kỳ xung nhỏ  
mà laser cần thời gian bật, nếu như thời gian bật của laser  
lớn hơn chu kỳ xung thì sẽ dẫn đến hiện tượng chirp, thêm  
vào đó có thêm hỗn loạn làm biến đổi dạng xung. Với  
16PSK, cũng giống như BER theo độ dài, BER theo tốc độ  
rất lớn và hầu như không phụ thuộc tốc độ truyền. Thậm  
chí, với kênh COC, BER lên tới 0.5.  
QPSK  
Hình. 4. Giản đồ chòm sao của kênh  
không có hỗn loạn và kênh có hỗn loạn với điều  
chế QPSK, (a) 20km, (b) 50km, (c) 80km.  
Có hỗn loạn  
Không hỗn loạn  
Tuy rằng kênh có bộ hỗn loạn BER tăng, hay nói cách  
khác hiệu năng hệ thống không cao, nhưng đổi lại thì hệ  
thống sẽ an toàn ở trên kênh truyền, tránh bị giải mã thông  
tin khi kênh truyền bị truy cập bất hợp pháp. Đây có thể nói  
là một phương pháp bảo mật hữu hiệu, đơn giản. Để nâng  
cao hiệu năng hệ thống hay giảm BER có thể sử dụng mã  
hóa kênh, mã sửa lỗi để chèn các bit phát hiện và sửa lỗi.  
Một yêu cầu nghiêm ngặt của hệ thống có sử dụng hỗn loạn  
là phía bên máy thu cũng phải biết quy luật hàm hỗn loạn  
thì mới có thể tách được ra tín hiệu. Vì vậy, việc đồng bộ  
hàm hỗn loạn giữa máy phát và máy thu thực sự là một  
thách thức. Tuy nhiên, có thể sử dụng một kênh truyền  
riêng để truyền và mã hóa hàm hỗn loạn, tránh bị lộ quy  
luật của hàm hỗn loạn để thông tin truyền đi được an toàn.  
Qua tham số BER theo độ dài và tốc độ truyền ta thấy,  
QPSK cho chất lượng tốt hơn, kể cả kênh COC và CFOC.  
Để đánh giá chính xác hơn chất lượng của hệ thống COC  
và CFOC, giản đồ chòm sao và hệ số tương quan đã được  
sử dụng. Hình 4 thể hiện kết quả mô phỏng khác nhau của  
chòm sao tín tại kênh hỗn loạn và kênh không hỗn loạn tại  
từng khoảng cách khác nhau: 20km, 50km, 80km. Mô  
phỏng được khảo cứu sử dụng khuôn dạng điều chế QPSK.  
Giản đồ chòm sao chỉ ra trạng thái tín hiệu sau điều chế số  
ứng với cụm bit, từ đó đánh giá định tính về xác suất lỗi bit,  
Điều chế  
QPSK  
Hình 5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số  
tương quan vào chiều dài sợi của hệ thống với  
điều chế QPSK.  
lỗi symbol. Hệ thống sử dụng điều chế QPSK nên chòm  
sao có 4 điểm. Giản đồ chòm sao của kênh không có hỗn  
loạn thì các điểm nhỏ hội tụ tại điểm lớn gọi là tọa độ điểm  
bản tin tương đối rõ ràng, điều này có nghĩa là xác suất lỗi  
bit thấp, thậm chí giống hệt nhau với các khoảng cách  
20km, 50km và 80 km. Ngược lại, kênh có hỗn loạn thì tọa  
độ trạng thái trong chòm sao bị loe ra chứng tỏ sự méo dạng  
tín hiệu lớn, và do đó làm cho xác xuất lỗi bit trở nên lớn  
đáng kể. Khi truyền ở khoảng cách 20km, 50km thì tọa độ  
điểm bản tin của kênh không có hỗn loạn và kênh có hỗn  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
134  
Vũ Anh Đào, Trần Thị Thanh Thủy, Nguyễn Xuân Quyền  
loạn không bị chồng lên nhau tức là tỷ lệ lỗi bit hay lỗi  
IV. KẾT LUẬN  
symbol thấp. Tuy nhiên tại khoảng cách truyền tăng lên  
80km, các tọa độ điểm của giản đồ chòm sao của kênh có  
hỗn loạn bị chồng lên nhau, có nhiều điểm xuyên nhiễu ở  
giữa các trạng thái của biên độ véc tơ lỗi nên khó có thể xác  
định thuộc tọa độ điểm bản tin nào gây ra lỗi bit hay lỗi  
symbol, còn kênh thông thường không có hỗn loạn thì sự  
thăng giáng của biên độ véc tơ lỗi trong phạm vi biến động  
là rất nhỏ. Điều này hiển nhiên, không những do khoảng  
cách càng xa thì công suất càng suy giảm, máy thu khó có  
thể phát hiện đúng được tín hiệu mà còn do kênh có hỗn  
loạn gây biến đổi dạng sóng tín hiệu. Như vậy hệ thống  
WDM một kênh hỗn loạn và một kênh thông thường hoạt  
động đảm bảo chất lượng, hiệu năng ở khoảng cách dưới  
50km.  
Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày nghiên cứu  
về ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến BER như tốc  
độ bit và khoảng cách đường truyền cho kênh truyền quang  
có và không có hỗn loạn, sử dụng hai dạng điều chế QPSK  
và 16PSK phân cực kép. Tốc độ kênh được thiết kế để hoạt  
động lên đến 60Gbps ở khoảng cách 20km vẫn đảm bảo  
chất lượng BER khi chưa chèn mã sửa lỗi trước FEC  
(forward error correction). Đây là một kết quả hoàn toàn có  
thể đạt được BER đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cho mạng  
đường dài hay mạng truy nhập băng rộng.  
Bởi vì máy thu bắt buộc phải biết được luật hỗn loạn thì  
mới có thể nhận được thông tin một cách chính xác, do đó  
việc đồng bộ thông tin luật hỗn loạn trở thành một lĩnh vực  
sẽ được quan tâm lớn. Nghiên cứu này cũng mở ra khả năng  
nghiên cứu sâu rộng hơn trong tương lai đối với các kỹ  
thuật sử dụng ghép kênh tiên tiến như OFDM hay trong các  
siêu kênh, ghép kênh theo mode không gian trực giao hoặc  
là các hệ thống đa kênh sử dụng điều chế cao cấp hay điều  
chế đa mức mà được lồng ghép với kỹ thuật hỗn loạn để  
nâng cao mức độ bảo mật hoặc phân tập trải phổ để cải  
thiện SNR cho hệ thống thông tin.  
Muốn đánh giá đồng bộ hóa của hệ thống có thể dựa  
vào hệ số tương quan tuyến tính Pearson được xác định  
theo công thức:  
P (t)− P (t)  P (t) − P (t)   
T
T
R
R
   
=  
,
(6)  
P (t)− P (t) 2  
P (t)− P (t) 2  
T
T
R
R
TÀI LIỆU THAM KHẢO  
Với P (t) và P (t) tương ứng là công suất đầu ra của máy  
T
R
phát và máy thu và  
biểu thị trung bình thời gian. Hệ số  
[1] K. Igarashi et al., “Super-Nyquist-WDM transmission over  
7,326-km seven-core fiber with capacity-distance product  
of 103 Exabit/s·km,” Opt. Express, vol. 22, no. 2, p. 1220,  
2014, doi: 10.1364/oe.22.001220.  
[2] Z. Zheng, Z. Qian, G. Shou, and Y. Hu, “OCDMA over  
WDM system based on Chebyshev-map chaotic spread  
spectrum in passive optical network,” 2009 WRI World  
Congr. Comput. Sci. Inf. Eng. CSIE 2009, vol. 1, pp. 208–  
211, 2009, doi: 10.1109/CSIE.2009.455.  
[3] P. Guo, W. Hou, L. Guo, Z. Ning, M. S. Obaidat, and W.  
Liu, “WDM-MDM Silicon-Based Optical Switching for  
Data Center Networks,” IEEE Int. Conf. Commun., vol.  
2019-May, pp. 1–6, 2019, doi: 10.1109/ICC.2019.8762082.  
[4] J. Zhang, J. Yu, and N. Chi, “Generation and transmission  
of 512-Gb/s quad-carrier digital super-Nyquist spectral  
shaped signal,” Opt. Express, vol. 21, no. 25, p. 31212,  
2013, doi: 10.1364/oe.21.031212.  
.  
tương quan ρ chỉ số thống kê đo lường mức độ mạnh yếu  
của mối quan hệ giữa hai máy phát và máy thu. Trong đó ρ  
có giá trị từ -1 đến 1, nếu kết quả được tính ra lớn hơn 1  
hoặc nhỏ hơn -1 có nghĩa là có lỗi trong phép đo tương  
quan, trong mô phỏng này ta lấy |휌| có giá trị từ 0 đến 1.  
Hệ số tương quan ρ càng lớn thì máy phát và máy thu càng  
phụ thuộc nhau,và ngược lại, khi ρ =0 thì máy phát và máy  
thu độc lập với nhau. Hình 5 biểu thị sự phụ thuộc của hệ  
số tương quan vào chiều dài sợi quang trong khoảng cách  
từ 20km đến 80km. Khi ở khoảng cách 20km, kênh hỗn  
loạn có hệ số tương quan ρ =0.135, cao hơn kênh không có  
hỗn loạn với hệ số tương quan ρ = 0.03 khi mà công suất  
phát xạ của laser là 10dBm. Khoảng cách càng ngày càng  
tăng thì hệ số tương quan ngày càng giảm, đến khi chiều  
dài sợi là 80km thì hệ số tương quan của kênh COC khoảng  
0.08, còn của kênh CFOC gần như không phụ thuộc vào  
khoảng cách đường truyền, luôn có giá trị xấp xỉ bằng 0.  
[5] G. Charlet et al., “Transmission of 16.4-bit/s capacity over  
2550 km using PDM QPSK modulation format and coherent  
receiver,” J. Light. Technol., vol. 27, no. 3, pp. 153–157,  
2009, doi: 10.1109/JLT.2008.2005506.  
[6] F. Buchali, F. Steiner, G. Böcherer, L. Schmalen, P. Schulte,  
and W. Idler, “Rate Adaptation and Reach Increase by  
Probabilistically Shaped 64-QAM: An Experimental  
Demonstration,” in Journal of Lightwave Technology, 2016,  
Nhận thấy rằng, kênh có sử dụng kết hợp nhúng mặt nạ  
hỗn loạn thì tỷ số BER tăng nhưng đổi lại thì hệ thống sẽ  
an toàn ở trên kênh truyền, tránh bị nghe trộm. Đây có thể  
nói là một phương pháp bảo đơn giản mà hiệu quả. Để nâng  
cao hiệu năng hệ thống hay giảm BER có thể sử dụng mã  
hóa kênh, mã sửa lỗi để chèn các bit phát hiện và sửa lỗi  
vào, đến phía máy thu nó có thể tự sửa được lỗi. Một yêu  
cầu nghiêm ngặt của hệ thống có sử dụng hỗn loạn là phía  
bên máy thu cũng phải biết quy luật hàm hỗn loạn thì mới  
có thể tách được ra tín hiệu. Do đó, việc trao đổi thông tin  
chìa khóa luật sinh hỗn loạn giữa máy phát và máy thu phải  
được đồng bộ. Tuy nhiên, việc đồng bộ hàm hỗn loạn giữa  
máy phát và máy thu hiện nay là vấn đề khó khăn nhất đối  
với hệ thống thông tin hỗn loạn. Tuy nhiên, có thể sử dụng  
một kênh truyền riêng hoặc một phương thức mã hóa lượng  
tử để truyền và mã hóa hàm hỗn loạn cho tiến trình truyền  
nhận thông tin.  
vol.  
34,  
no.  
7,  
pp.  
1599–1609,  
doi:  
10.1109/JLT.2015.2510034.  
[7] J. Yu, Z. Dong, H. Chien, Y. Shao, and N. Chi, “7-Tb/s (7  
× 1.284 Tb/s/ch) Signal Transmission Over 320 km Using  
PDM-64QAM Modulation,” Photonics Technol. Lett., vol.  
24, no. 4, pp. 264–266, 2012.  
[8] K. Yuan, H. Zhang, and Z. Li, “An improved AES algorithm  
based on chaos,” 1st International Conference on  
Multimedia Information Networking and Security, MINES  
2009,  
vol.  
2.  
pp.  
326–329,  
2009,  
doi:  
10.1109/MINES.2009.219.  
[9] J. Qiu, L. Zhang, D. Li, and X. Liu, “High security chaotic  
multiple access scheme for visible light communication  
systems with advanced encryption standard interleaving,”  
Opt. Eng., vol. 55, no. 6, p. 066121, 2016, doi:  
10.1117/1.oe.55.6.066121.  
[10] Ü. Çavuşoğlu, S. Kaçar, A. Zengin, and I. Pehlivan, “A  
novel hybrid encryption algorithm based on chaos and S-  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
135  
ĐIỀU CHẾ QPSK VÀ 16PSK PHÂN CỰC KÉP TRONG KÊNH TRUYỀN QUANG CÓ VÀ KHÔNG CÓ TÍN HIỆU HỖN LOẠN  
AES algorithm,” Nonlinear Dyn., vol. 92, no. 4, pp. 1745–  
with and without chaos at a bit rate of 60Gbps, fiber length  
of 80 km and channel spacing 100 GHz in band C. BER bit  
1759, 2018, doi: 10.1007/s11071-018-4159-4.  
[11] Y. M. Al-Moliki, M. T. Alresheedi, and Y. Al-Harthi,  
error according to length and baud rate, for two types of  
“Physical-layer security against known/chosen plaintext  
communication channel with the above two modulation  
types. Through assessment, the quality of BER shows that  
the QPSK modulation has better quality. In addition, the  
paper also discusses further analysis and evaluation of a  
number of system parameters including transmitter and  
receiver correlation and constellation diagrams with this  
modulation for both types of transmission channels.  
attacks for OFDM-Based VLC system,” IEEE Commun.  
Lett., vol. 21, no. 12, pp. 2606–2609, 2017, doi:  
10.1109/LCOMM.2017.2747512.  
[12] S. Y. Xiang et al., “Wideband unpredictability-enhanced  
chaotic semiconductor lasers with dual-chaotic optical  
injections,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 48, no. 8, pp.  
1069–1076, 2012, doi: 10.1109/JQE.2012.2202269.  
[13] N. Li, H. Susanto, B. Cemlyn, I. D. Henning, and M. J.  
Adams, “Secure communication systems based on chaos in  
optically pumped spin-VCSELs,” Opt. Lett., vol. 42, no. 17,  
p. 3494, 2017, doi: 10.1364/ol.42.003494.  
Keywords: chaos, optical information, correlation,  
BER, QPSK, 16PSK  
[14] L. F. Abdulameer, J. D. Jignesh, U. Sripati, and M.  
Kulkarni, “BER performance enhancement for secure  
wireless optical communication systems based on chaotic  
MIMO techniques,” Nonlinear Dyn., vol. 75, no. 1–2, pp.  
7–16, 2014, doi: 10.1007/s11071-013-1044-z.  
Vu Anh Dao received the  
Diploma  
Engineer, Automatic Control and  
Measurement Master from  
of  
Cybernetics  
Hanoi University of Science and  
Technology, Vietnam in 1999  
and 2001, respectively. She has  
been studying as a PhD student  
at the School of Electronics and  
[15] V. Annovazzi-Lodi, G. Aromataris, M. Benedetti, and S.  
Merlo, “Secure chaotic transmission on a free-space optics  
data link,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 44, no. 11, pp.  
1089–1095, 2008, doi: 10.1109/JQE.2008.2001929.  
[16] N. Jiang, A. Zhao, Y. Wang, S. Liu, J. Tang, and K. Qiu,  
“Security-enhanced chaotic communications with optical  
temporal encryption based on phase modulation and phase-  
to-intensity conversion,” OSA Contin., vol. 2, no. 12, p.  
3422, 2019, doi: 10.1364/osac.2.003422.  
Telecommunications  
(SET),  
Hanoi University of Science and  
Technology (HUST), Vietnam since 2017, and is a lecturer in the  
Faculty of Electronics Engineering at the Posts and  
Telecommunications Institute of Technology (PTIT). Her main  
research interests are Cybernetics, electronics design, all-optical  
signal processing, optical high-speed and chaos-based digital  
communications.  
[17] D. Kanakidis, A. Bogris, A. Argyris, and D. Syvridis,  
“Numerical investigation of fiber transmission of a chaotic  
encrypted message using dispersion compensation  
schemes,” J. Light. Technol., vol. 22, no. 10, pp. 2256–  
2263, 2004, doi: 10.1109/JLT.2004.833266.  
Thanh Thuy Tran Thi was born in  
Hai Duong province, Vietnam, in  
1998. She is currently a final-year  
[18] P. Canyelles-Pericas, A. Burton, H. Le-Minh, Z.  
Ghassemlooy, and K. Busawon, “Chaos synchronization on  
Visible Light Communication with application for secure  
data communications,” IEEE AFRICON Conf., 2013, doi:  
10.1109/AFRCON.2013.6757743.  
student  
Telecommunications  
at  
the  
Posts  
Institute  
and  
of  
Technology (PTIT), Hanoi, as an  
excellent student. She has joined as a  
member of the AI-photonics lab at the  
PTIT institute since 2018. She intends  
to pursue the Ph.D. program. Her  
research interests include photonic  
[19] B. Chen, L. Zhang, and H. Lu, “High Security Differential  
Chaos-Based Modulation with Channel Scrambling for  
WDM-Aided VLC System,” IEEE Photonics J., vol. 8, no.  
5, 2016, doi: 10.1109/JPHOT.2016.2607689.  
integrated circuits, silicon photonics, machine learning in photonic  
networks, all-optical signal processing, and optical high-speed  
communication systems.  
[20] J.-Z. Zhang, A.-B. Wang, J.-F. Wang, and Y.-C. Wang,  
“Wavelength division multiplexing of chaotic secure and  
fiber-optic communications,” Opt. Express, vol. 17, no. 8,  
p. 6357, 2009, doi: 10.1364/oe.17.006357.  
Nguyen Xuan Quyen received the  
Diploma of Engineer, Master and  
[21] Q. Zhao and H. Yin, “Performance analysis of dense  
wavelength division multiplexing secure communications  
with multiple chaotic optical channels,” Opt. Commun., vol.  
PhD  
Engineering  
degrees  
in  
Electronic  
and  
Telecommunication Technologies,  
from Hanoi University of Science  
and Technology, Vietnam in 2006,  
2008 and 2013, respectively. During  
2007–2011, he has stayed with the  
285,  
no.  
5,  
pp.  
693–698,  
2012,  
doi:  
10.1016/j.optcom.2011.10.085.  
[22] D. Kanakidis, “Secure Optical Communication Systems  
based on Chaotic Carriers.”  
School  
Telecommunications (SET), Hanoi  
University of Science and  
of  
Electronics  
and  
[23] H. Bulow, “Experimental demonstration of optical signal  
detection using nonlinear fourier transform,” Journal of  
Lightwave Technology, vol. 33, no. 7. pp. 1433–1439, 2015,  
doi: 10.1109/JLT.2015.2399014.  
Technology (HUST), Vietnam. From  
2011 to 2012, he was an exchange PhD student at the Institute  
for Smart System Technologies, Alpen–Adria Klagenfurt  
University, Austria. From 2014 to 2015, he worked as a post-  
doctoral researcher at the Department of Computer Architecture,  
Polytechnic University of Catalonia (UPC), Barcelona, Spain. He  
then worked as a visiting academic staff at the Department of  
Electronic and Computer Engineering, University of Limerick,  
Ireland in 2015. Currently, he is a senior lecturer at the SET of  
HUST. His main research interests are microwave engineering,  
chaos-based digital communications and physical layer security.  
MODULATION OF MULTIPLAYER QPSK  
AND 16PSK IN OPTICAL CHANNEL WITH AND  
WITHOUT CHAOTIC SIGNAL  
Abstract: In this paper, we present research on a  
haphazard security fiber optic communication system using  
two advanced modulation methods QPSK and 16PSK. The  
system compares optical performance in optical channels  
SOÁ 03 (CS.01) 2020  
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG  
136  
pdf 6 trang baolam 21740 Free
Download
Bạn đang xem tài liệu "Điều chế QPSK và 16PSK phân cực kép trong kênh truyền quang có và không có tín hiệu hỗn loạn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfdieu_che_qpsk_va_16psk_phan_cuc_kep_trong_kenh_truyen_quang.pdf