Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng uwb thiết kế hế tạo anten vi dải uwb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB – THIẾT KẾ CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI UWB CHUYÊN NGHÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: NGUYỄN XUÂN QUYỀN Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ VĂN YÊM HÀ NỘI - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204990691000000 Nguyễn Xuân Quyền LỜI NÓI ĐẦU Ngày với đời, phát triển chóng mặt truyền thông công nghệ thông tin bước làm thay đổi sống sinh hoạt người măt Các kĩ thuật công nghệ thay cho công nghệ cũ kĩ lạc hậu đáp ứng nhu cầu cấp thiết người không lĩnh vực liên lạc trao đổi thơng tin mà cịn nhu cầu giải trí Với gia tăng hệ thống truyền thông hệ thứ ba thứ tư, chuyển đổi từ truyền thông tế bào tương tự sang số, thay kết nối WiFi, Bluetooth cho mạng có dây cho phép người sử dụng truy cập giới hạn rộng lớn thông tin lúc, nơi thu hẹp thời gian liên lạc người với người làm người đến gần mà phục vụ nhiều lĩnh vực kinh tế, trị, xã hội Do nhu cầu dung lượng cao, dịch vụ nhanh, tăng cường bảo mật cho kết nối khơng dây kĩ thuật cải tiến cần phải tìm giải pháp thích hợp để sử dụng băng thơng cách hợp lý dải tần số có hạn Trong truyền thông dịch vụ cấp phát dải thông cố định chẳng hạn dịch vụ TV, radio, cell phones truyền liệu theo tần số khác để tránh nhiễu lẫn Do với việc đời dịch vụ làm cho giới hạn phổ ngày trở thành vấn đề lớn hệ thống truyền thông Khi có nhiều dịch vụ đời làm cho nhu cầu phổ lại trở nên cấp thiết hết lúc đời công nghệ thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB giải pháp hứa hẹn mang lại nhiều ưu điểm có khả tồn với hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây nhiễu gây nhiễu nhỏ không đáng kể đồng thời với ưu điểm mà mang lại so với mạng băng hẹp làm cho giá thành hệ thống giảm xuống Sự tồn với hệ thống truyền thông khác mang lại lợi ích kinh tế lớn khơng phải đăng kí dải phổ với tổ chức quản lý tần số Nhìn lại lịch sử nghành viễn thơng hệ thống radar UWB sử dụng phổ biến cơng cụ qn có khả đâm xuyên lớn Trong năm gần công nghệ UWB Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền nghiên cứu ứng dụng viễn thông dân dụng ưu điểm vượt trội so với hệ thống khác tiêu thụ cơng suất, giá thành thấp, tốc độ liệu lớn, khả định vị xác, tạp âm thấp Ngày có nhiều sản phẩm sử dụng công nghệ UWB đưa vào phục vụ sống Nếu kĩ thuật truyền dẫn không dây mạng băng hẹp truyền thống tín hiệu phát số tần số định mạng viễn thơng sử dụng kĩ thuật UWB tín hiệu trải dải tần rộng Chính thay việc phát sóng có dạng hình sin phát chuỗi xung với tần số lên tới hàng GHz Với kĩ thuật băng rộng với việc công suất thấp làm cho việc truyền dẫn UWB giống nhiễu Chính tiềm to lớn mà UWB mang lại so với công nghệ khác thúc cần phải nghiên cứu tìm hiểu sâu cơng nghệ để mang tiến ứng dụng vào sống Trong trình làm đồ án tốt nghiệp đồng ý, hưỡng dẫn, bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Văn Yêm, với giúp đỡ bạn bè đồng nghiệp tơi có thêm nhiều tài liệu để tìm hiểu hệ thống thơng tin vơ tuyến băng siêu rộng nghiên cứu lí thuyết, kĩ thuật mô chế tạo thực nghiệm, đo đạc antenna vi dải UWB, nội dung mà tơi trình bày đồ án Do đề tài mẻ đề cập đến mảng kiến thức rộng cộng với trình độ thân cịn hạn chế nên q trình làm đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, mong hướng dẫn bảo tận tình thầy, cô giáo với giúp đỡ bạn để tơi có hiểu biết sâu đề tài mà tơi nghiên cứu tìm hiểu Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Học viên thực Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Toàn đồ án gồm có chương sau: Chương 1: Cung cấp cho kiến thức tổng quan truyền thông mạng băng siêu rộng thông qua lịch sử phát triển tảng nó, khái niệm truyền thông UWB ưu nhược điểm, khác UWB truyền thông trải phổ, điểm mạnh điểm yếu UWB so với mạng băng hẹp, truyền thông băng rộng trải phổ Chương phân tích kĩ thuật đơn băng đa băng đồng thời qui định FCC phổ phát, cuối mô tả ngắn gọn ứng dụng UWB Chương 2: Các kĩ thuật thu phát xung UWB Nêu phân tích kĩ thuật điều chế khác UWB như: On Off Keying (OOK), PAM, PPM, Bi Phase Modulation, TR Modulation Đồng thời trình bày kĩ thuật nhận biết xung (tách xung) phía thu như:bộ lọc phối hợp cổ điển tách lượng Chương 3: Mô hình hóa kênh UWB bao gồm: mơ hình kênh kích thước lớn mơ hình kênh kích thước nhỏ Trong mơ hình kênh kích thước lớn tập trung giải vấn đề tính suy hao pathloss khoảng cách (suy hao phụ thuộc vào tần số), tính mức lượng máy thu để dự đốn ngân sách cơng suất đường Mơ hình hóa kênh kích thước nhỏ dùng để tính tốn, dự báo tham số kênh như: đáp ứng xung kênh có dạng gì, độ trễ, biên độ, phân cực (pha) thành phần đa đường Các thông số quan trọng ảnh hưởng tới tín hiệu ảnh hưởng tới q trình thu.Từ thơng số này, người thiết kế hồn thiện chế hệ thống thu, nâng cao hiệu toàn hệ thống Chương 4: Tìm hiểu tổng quan antenna vi dải, đưa hai mơ hình phân tích antenna vi dải mơ hình đường truyền dẫn mơ hình hốc cộng hưởng, từ có nhìn vật lý vào sâu bên chế xạ loại antenna Đặc biệt sâu tìm hiểu antenna vi dải băng siêu rộng, xem đặc tính biến đổi làm việc băng thông siêu rộng Và cuối nguyên lý thiết kế Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền antenna băng thông siêu rộng đưa làm sở tảng cho chương ta thực sâu thiết kế, mô phỏng, chế tạo số antenna vi dải băng thông siêu rộng Chương 5: Quá trình thiết kế chế tạo antenna vi dải UWB Dựa hiểu biết hệ thống UWB antenna vi dải tìm hiểu chương trước để đề xuất mẫu antenna vi dải đơn cực phẳng tiếp điện đường dây feedline (planar monopole antenna) có mặt phẳng nối đất bị cắt phần Tiến hành mô hiệu chỉnh phần mềm CST STUDIO 2008 Sau đạt thông số mô theo yêu cầu, tiến hành chế tạo thử nghiệm đo đạc máy phân tích mạng Cuối rút kết luận quan trọng kết thực tế đo với kết tính tốn mơ Hệ thống thơng tin vơ tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 BỐI CẢNH LỊCH SỬ 1.3 CÁC KHÁI NIỆM UWB 1.4 CÁC TÍN HIỆU UWB 1.5 CÁC ƯU ĐIỂM 1.5.1 Khả chia sẻ phổ tần .7 1.5.2 Dung lượng kênh lớn 1.5.3 Khả để làm việc với tỉ số tín hiệu nhiễu SNR thấp 1.5.4 Tính bảo mật cao 1.5.5 Khả chống nhiễu 1.5.6 Hiệu cao kênh đa đường 10 1.5.7 Khả đâm xuyên lớn 11 1.5.8 Kiến trúc máy thu đơn giản 11 1.6 THÁCH THỨC 13 1.6.1 Sự méo dạng xung 13 1.6.2 Ước lượng kênh 14 1.6.3 Đồng 15 1.6.4 Nhiễu đa truy nhập .15 1.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ 16 1.7.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 17 1.7.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) .17 1.7.3 Sự khác chủ yếu 18 1.8 ĐƠN BĂNG VÀ ĐA BĂNG 20 1.8.1 Direct Sequece UWB(DS UWB) .20 1.8.2 Multiband OFDM 21 1.9 CÁC QUY ĐỊNH ĐỐI VỚI UWB 22 1.9.1 Các qui định FCC hệ thống UWB .22 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền 1.9.2 Các qui định thống toàn giới 23 1.10 GIỚI HẠN PHÁT CỦA FCC 26 1.10.1 Các thiết bị truyền thông 26 1.10.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh 27 1.10.3 Hệ thống radar chuyển động 28 1.11 CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB 29 1.12 TỔNG KẾT 33 CHƯƠNG KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB .34 2.1 GIỚI THIỆU 34 2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG 35 2.2.1 Máy phát 35 2.2.2 Máy thu 37 2.2.3 Kênh 38 2.2.4 Một sơ đồ mạch đơn giản hệ thống .38 2.3 KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU 39 2.3.1 Tách lượng (Energy Detector) 39 2.3.2 Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters) 40 2.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT 43 2.4.1 On Off Keying (OOK) .43 2.4.2 Điều chế biên độ xung(PAM: Pulse Amplitude Modulation) 44 2.4.3 Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) 45 2.4.4 Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation) 47 2.4.5 Điều chế sử dụng xung tham chiếu (TR: Transmitted Reference Modulation) 48 2.5 TỔNG KẾT 55 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA KÊNH THƠNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB .56 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 56 3.1.1 Khái niệm mơ hình hóa kênh .56 3.1.2.Mục đích mơ hình hóa kênh 57 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền 3.1.3.Phân loại 58 3.2 MÔ HÌNH HĨA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN 59 3.2.1 Suy hao đường dẫn không gian tự theo cơng thức Friis 59 3.2.2.Mơ hình suy hao đường dẫn chuẩn IEEE 802.15 61 3.3 MƠ HÌNH HĨA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING) 63 3.3.1.Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ 63 3.3.2.Mơ hình hóa kênh .65 3.3.3.Các mơ hình kênh kích thước nhỏ 70 3.4 KẾT LUẬN 75 CHƯƠNG ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN UWB VI DẢI .76 4.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 76 4.1.1.Khái niệm 76 4.1.2.Ưu nhược điểm .76 4.1.3.Đặc điểm cấu tạo 77 4.2 MƠ HÌNH LÝ THUYẾT ĐƠN GIẢN CỦA ANTEN VI DẢI 83 4.2.1 Giới thiệu 83 4.2.1.Mơ hình đường truyền dẫn (Transmission line model) 84 4.2.2.Mơ hình hốc cộng hưởng 89 4.3 ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG (UWB) 101 4.3.1.Đặc trưng anten hồn cảnh băng thơng siêu rộng .102 4.3.2.Các nguyên lý mở rộng băng thông anten 106 4.4 KẾT LUẬN 107 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG 108 5.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ANTEN UWB VI DẢI 108 5.1.1 Mục đích 108 5.1.2 Yêu cầu 108 5.2 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 109 5.3 MẪU ANTEN ĐỀ SUẤT SỬ DỤNG 110 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xuân Quyền 5.4 ANTEN ĐƠN CỰC PHẲNG TIẾP ĐIỆN BẰNG ĐƯỜNG VI DẢI VỚI PATCH HÌNH TRỊN 111 5.4.1.Cấu tạo kích thước .111 5.4.2.Mô hiệu chỉnh anten phần mềm CST .111 5.4.3.Kết chạy mô 112 5.4.4.Chế tạo mạch in 117 5.4.5.Kết đo đạc 118 5.5 ANTEN ĐƠN CỰC PHẲNG TIẾP ĐIỆN BẰNG ĐƯỜNG VI DẢI VỚI PATCH HÌNH CHỮ NHẬT 118 5.5.1.Cấu tạo kích thước .118 5.5.2.Mô anten phần mềm CST .119 5.5.3.Kết chạy mô 119 5.5.4.Chế tạo mạch in 124 5.5.5.Kết đo đạc 125 5.6 KẾT LUẬN 125 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB Nguyễn Xn Quyền DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Lịch sử sơ lược phát triển hệ thống UWB Hình 1.2 Tín hiệu băng hẹp (a) miền thời gian (b) miền tần số Hình 1.3 Xung có thời gian tồn nhỏ Ton thời gian tồn xung, Toff thời gian xung không xuất Hình 1.4 Một xung UWB (a) miền thời gian (b) miền tần số Hình 1.5 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số Hình 1.6 Sự tồn tín hiệu UWB với tín hiệu băng rộng băng hẹp khác phổ RF Hình 1.7 (a) Hiện tượng đa đường truyền thông không dây (b) ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu băng hẹp (c) ảnh hưởng đa đường lên xung băng siêu rộng 10 Hình 1.8 (a) Kiến trúc máy thu phát mạng băng hẹp (b) Kiến trúc khối thu phát hệ thống UWB 12 Hình 1.9 Kênh đa truy nhập UWB 16 Hình 1.10 Chuỗi liệu trải mã dùng DSSS 17 Hình 1.11 Phân chặng tần số kĩ thuật FHSS 18 Hình 1.12 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng miền thời gian miền tần số 18 Hình 1.13 DS UWB truyền xung đơn dải lớn phổ để biểu diễn liệu 21 Hình 1.14 Phương pháp đa băng chia dải phổ UWB làm nhiều băng không chồng lấn lên 21 Hình 1.15 Giới hạn phát cho thiết bị truyền thơng indoor 25 Hình 1.16 Giới hạn phát cho thiết bị truyền thông outdoor 26 Hình 1.17 Giới hạn phát cho hệ thống hình ảnh xuyên tường 27 Hình 1.18 Giới hạn phát cho hệ thống radar chuyển động 28 Hình 2.1 Mơ hình khối hệ thống 35 Hình 2.2 Sơ đồ máy phát 36 Hình 2.3 Sơ đồ máy thu 37 Hình 2.4 Một sơ đồ mạch đơn giản hệ thống UWB 38 Hình 2.5 Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống băng hẹp dùng sóng mang 39 Hình 2.6 Máy thu dựa kĩ thuật tách lượng 40 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB