NGHIÊN cứu PHƯƠNG PHÁP SAN BẰNG tín HIỆU CHO UWB

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH BẢNG iii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2 1.1 UWBRT là gì? 2 1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật 3 1.3 Ưu điểm 4 1.4 Ứng dụng 5 1.5 Nhược điểm 8 1.6 Hoạt động 8 1.7 Hướng phát triển 9 CHƯƠNG II 10 LIÊN LẠC BẰNG UWB 10 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Các phương pháp điều chế UWB 11 2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM 14 2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM 14 2.3 Các phương pháp điều chế khác 15 2.3.1 Điều chế xung trực giao 16 2.3.2 Điều chế biên xung 17 2.3.3 Onoff keying 18 2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB 18 2.4 Các chuỗi xung 18 2.4.1 Chuỗi xung Gauss 19 2.4.2 Mã kênh PN 20 2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 21 2.5 Máy phát UWB 23 2.6 Máy thu 24 2.6.1 Tách sóng 25 2.6.2 Tích hợp xung 26 2.6.3 Theo dấu 26 2.6.4 Máy thu Rake 26 2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB 27 2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số 27 2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 27 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 28 2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao 28 2.8 Dung lượng của các hệ thống UWB 30 2.9 So sánh của UWB với các hệ thống liên lạc băng rộng khác 33 2.9.1 CDMA 34 2.9.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 36 2.9.3 Ghép theo tần số trực giao 39 2.10 Nhiễu 43 2.10.1 Các mạng vùng nội hạt không dây 43 2.10.2 Bluetooth 45 2.10.3 GPS 46 2.10.4 Các hệ thống tế bào 47 2.11 Kết luận 48 CHƯƠNG III 49 KĨ THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB 49 3.1 Giới thiệu 49 3.2 UWBIR 50 3.2.1 MRCRAKE 52 3.2.2 MMSERAKE 52 3.3 UWBIR với MMSEFDE 53 3.3.1 Tín hiệu phát dành cho UWBIR với MMSEFDE 53 3.3.2 Tín hiệu thu dành cho UWBIR với MMSEFDE 55 3.3.3 MMSEFDE dành cho UWBIR 56 3.4 DSUWB với MMSEFDE 56 3.5 Kết quả 58 3.6 Kết luận 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH BẢNG iii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2 1.1 UWB-RT là gì? 2 1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật 3 1.3 Ưu điểm 4 1.4 Ứng dụng 5 1.5 Nhược điểm 8 1.6 Hoạt động 8 1.7 Hướng phát triển 9 CHƯƠNG II 10 LIÊN LẠC BẰNG UWB 10 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Các phương pháp điều chế UWB 11 2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM 14 2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM 15 2.3 Các phương pháp điều chế khác 16 2.3.1 Điều chế xung trực giao 17 2.3.2 Điều chế biên xung 18 2.3.3 On-off keying 18 2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB 19 2.4 Các chuỗi xung 19 2.4.1 Chuỗi xung Gauss 20 2.4.2 Mã kênh PN 21 2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 22 2.5 Máy phát UWB 23 2.6 Máy thu 25 2.6.1 Tách sóng 26 2.6.2 Tích hợp xung 27 2.6.3 Theo dấu 27 2.6.4 Máy thu Rake 27 2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB 28 2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số 28 2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 28 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 29 2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao 29 2.8 Dung lượng của các hệ thống UWB 31 2.9 So sánh của UWB với các hệ thống liên lạc băng rộng khác 34 2.9.1 CDMA 35 i 2.9.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 37 2.9.3 Ghép theo tần số trực giao 41 2.10 Nhiễu 45 2.10.1 Các mạng vùng nội hạt không dây 45 2.10.2 Bluetooth 47 2.10.3 GPS 48 2.10.4 Các hệ thống tế bào 49 2.11 Kết luận 50 CHƯƠNG III 51 KĨ THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB 51 3.1 Giới thiệu 51 3.2 UWB-IR 52 3.2.1 MRC-RAKE 54 3.2.2 MMSE-RAKE 54 3.3 UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 55 3.3.1 Tín hiệu phát dành cho UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 55 3.3.2 Tín hiệu thu dành cho UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 57 3.3.3 MMSE-FDE dành cho UWB-IR 58 3.4 DS-UWB sử dụng MMSE-FDE 58 3.5 Kết quả 60 3.6 Kết luận 65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 ii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của từng phương pháp điều chế Bảng 2.2: Các tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt không dây OFDM iii DANH SÁCH HÌNH VẼ STT Tên hình Trang Hình 1.1 UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác 3 Hình 1.2 Băng tần hoạt động của UWB 3 Hình 1.3 Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao (HDR_WPAN) 5 Hình 1.4 Mạng vùng không dây thông minh (IWAN) 6 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống UWB 8 Hình 1.6 Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH-UWB 9 Hình 2.1 Mô hình chung của một hệ thống liên lạc 11 Hình 2.2 Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB 12 Hình 2.3 So sánh phương pháp PPM và BPM 13 Hình 2.4 So sánh các kĩ thuật điều chế khác của liên lạc bằng UWB 16 Hình 2.5 Đầu ra hệ thống điều chế xung nhị phân 22 Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB 23 Hình 2.7 Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB 24 Hình 2.8 Mẫu các xung đầu ra khi đầu vào là n=2 29 Hình 2.9 Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng FHSS 34 Hình 2.10 Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng DSSS 34 Hình 2.11 So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng 36 Hình 2.12 So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp 30 người đồng thời hoạt động 37 Hình 2.13 So sánh về BER đối với số người dùng của các hệ thống DSSS và UWB 38 Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn 4 sóng mang con trực giao để tạo một dấu OFDM 39 Hình 2.15 Sơ đồ khối của một máy phát OFDM tiêu biểu (IEEE802.11a) 40 Hình 2.16 Sơ đồ khối của một máy thu OFDM tiêu biểu (IEEE 802.11a) 40 Hình 2.17 Băng tần sử dụng cùng với sự ảnh hưởng lẫn nhau của UWB và các hệ thống không dây khác 41 iv Hình 3.1 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR 52 Hình 3.2 Mô hình máy thu RAKE dành cho UWB-IR 52 Hình 3.3 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR với MMSE-FDE 53 Hình 3.4 Khối dữ liệu phát 53 Hình 3.5 Sóng phát dành cho UWB-IR 53 Hình 3.6 Mô hình máy thu dành cho UWB-IR với MMSE-FDE 54 Hình 3.7 Mô hình máy phát dành cho DS-UWB với MMSE-FDE 56 Hình 3.8 Sóng phát dành cho DS-UWB 57 Hình 3.9 Mô hình máy thu dành cho DS-UWB với MMSE-FDE 57 Hình 3.10 Kênh đa đường UWB : CM3 58 Hình 3.11 Kênh đa đường UWB : CM4 59 Hình 3.12 2BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 60 Hình 3.13 16BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 61 Hình 3.14 64BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 61 Hình 3.15 2BOK, Kênh đa đường UWB : CM4 62 v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gauss Noise BER Bit Error Rate BPM Binary Phase Modulation CDMA Code Division Multiple Access DSSS Direct Sequence Spread Spectrum FDMA Frequency Division Multiple Access FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FDE Frequency Domain Equalization IWAN Intelligent Wireless Area Network LAN Local Area Network MHP Modified Hermitian Pulse MMSE Minimum Mean Square Error MRC Maximal Ratio Combining OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OPM Orthogonal Pulse Modulation OPPN Outdoor Peer to Peer Network OOK On Off Keying PPM Pulse Position Modulation PAM Pulse Amplitude Modulation PN Pseudo-random Noise TDMA Time Division Multiple Access SPIN Sensor Positioning and Identification Network UWB Ultra Wide Band WPAN Wireless Personal Area Network vi LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khi cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện thì nhu cầu sử dụng các thiết bị kĩ thuật hiện đại có nhiều tiện ích, dễ sử dụng ngày được nâng cao, như là các công nghệ viễn thông thế hệ thứ 3, thứ 4 hay là các thiết bị không dây có thể truyền dẫn với tốc độ cao và có khả năng chia sẻ ảnh số, video, âm nhạc, dữ liệu… Nhưng một vấn đề đặt ra là các hệ thống băng thông hẹp hiện đang sử dụng không thể đáp ứng được các đòi hỏi kĩ thuật của các thiết bị hiện đại trên, vì vậy trên thế giới người ta đã nghiên cứu và tìm ra được một công nghệ mới có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật cần thiết, đó là công nghệ vô tuyến băng thông cực rộng UWB-RT (Ultra Wideband Radio Technology). Hiện nay, vô tuyến UWB đang được quan tâm, tập trung nghiên cứu trên thế giới. UWB đã được xem như một giải pháp truyền dữ liệu vô tuyến băng rộng cho tương lai. Mục đích của đồ án tốt nghiệp này là tìm hiểu công nghệ UWB, các ứng dụng của nó. Nội dung chính của đồ án là nghiên cứu đánh giá các giải pháp san bằng tín hiệu cho UWB khi làm việc trong môi trường pha-đinh chọn lọc theo tần số. 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 1.1 UWB-RT là gì? Công nghệ vô tuyến băng thông cực rộng UWB-RT là giải pháp liên kết không dây giữa các hệ thống máy tính để bàn, máy tính xách tay, các thiết bị cầm tay và các thiết bị điện tử tiêu dùng, mang lại khả năng kết nối dễ dàng và trao đổi dữ liệu tốc độ cao thường được sử dụng trong văn phòng và ngôi nhà kĩ thuật số. Khi UWB nhập cuộc, giống như các công nghệ chủ đạo khác. UWB nhắm mục tiêu vào những người sử dụng gia đình. UWB có thể kết nối các thiết bị giải trí trong gia đình lại với nhau một cách hoàn hảo và có tốc độ kết nối cao. Đằng sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào nào là dây nối chuột, bàn phím, màn hình, kết nối USB Chúng thật phiền phức và vướng víu. Các nhà cung cấp tin rằng: Một ngày nào đó, UWB sẽ thay thế toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn. Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số So với các hệ thống viễn thông đang sử dụng như là mạng LAN không dây, điện thoại di động thế hệ thứ 2, thứ 3 thì hệ thống UWB tiêu thụ công suất ít hơn và có độ rộng băng tần lớn hơn rất nhiều, điều này được thể hiện như trên Hình 1.1. 2 Hình 1.1: UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác 1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật Hệ thống UWB gồm các tiêu chuẩn kĩ thuật cơ bản sau : • Băng tần: 3.1 ÷ 10.6 Ghz (tham khảo Hình 1.2) • Tốc độ: - Hiện nay: 252Mbps - Tương lai: 480Mbps • Công suất: - Giới hạn công suất phát : -41.3dBm/Mhz Hình 1.2: Băng tần hoạt động của UWB 3 1.3 Ưu điểm Các nhà nghiên cứu và sản xuất tin tưởng rằng với các ưu điểm nổi bật về giá cả, tốc độ, hiệu quả sử dụng phổ tần, công suất sử dụng…, công nghệ UWB sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ có hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng mà các hệ thống băng thông hẹp không thể đáp ứng được. • Do giá rẻ nên các hệ thống UWB có thể đáp ứng được mong muốn bán được nhiều sản phẩm của các nhà sản suất và khả năng mua của người tiêu dùng. • Tốc độ cao của hệ thống UWB sẽ đem lại sự hài lòng cho người sử dụng. Hiện nay UWB có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới 480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là hoàn toàn có khả năng. • Với công suất truyền thấp cỡ 1mW, hệ thống UWB có khả năng tiết kiệm năng lượng và gây ra rất ít nhiễu trong các thiết bị khác trong cùng phạm vi sử dụng. • Do tài nguyên phổ tần là cực kì quí hiếm nên việc sử dụng phổ tần một cách có hiệu quả là rất quan trọng. Hệ thống UWB có thể chia sẻ tối ưu tài nguyên phổ tần đang được sử dụng mà không cần phải tìm ra một băng tần mới nhưng không thích hợp. Với việc hoạt động trên tần số rất cao cỡ GHz mà chưa có thiết bị vô tuyến nào cùng sử dụng nên các hệ thống UWB không có khả năng gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến khác. • Cho phép người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu với tốc độ cao một cách dễ dàng, đơn giản ở mọi nơi, mọi lúc. 4 [...]... đựng thông tin về chính nó, chúng ta phải thêm thông tin số cho xung tương tự bằng cách điều chế.Trong các hệ thống UWB có rất nhiều các phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thật chi tiết Bằng cách phân loại các phương pháp điều chế, chúng ta có hai kiểu cơ bản của phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB được thể hiện ở Hình 2.2 11 Các kĩ thuật dựa vào thời gian... là phương pháp điều chế nhị phân, tương tự như BPM, nhưng nó không thể mở rộng tới phương pháp điều chế M-ary như là PPM, PAM và OPM 2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB Sau khi đã tìm hiểu về các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB, chúng ta sẽ đưa ra ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp điều chế như trong bảng sau: Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của từng phương pháp điều chế Phương. .. thể tin tưởng rằng công nghệ UWB sẽ thực sự là một cách mạng không dây trong khoảng cách ngắn 9 CHƯƠNG II LIÊN LẠC BẰNG UWB Trong chương này chúng ta sẽ xem xét việc liên lạc không dây bằng UWB, đặc biệt sẽ chú ý đến các phương pháp điều chế gồm phương pháp điều chế vị trí xung PPM, phương pháp điều chế pha nhị phân, điều chế xung trực giao và sự phối hợp của các phương pháp đó Các dãy của các xung... Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB Phương pháp thông dụng nhất là phương pháp điều chế vị trí xung (PPM), tức là mỗi xung được giữ chậm hoặc được gửi đi trước mức thời gian không đổi Vì vậy hệ thống liên lạc nhị phân đã được thiết lập về phía trước hoặc về phía sau luân phiên theo thời gian Hệ thống M-ary có thể được tạo ra bằng sự chậm trễ thời gian riêng biệt của mỗi xung Phương pháp. .. năng lượng đã truyền cần thiết Một phương pháp để khắc phục các đỉnh phổ là mã tín hiệu phát bằng cách thêm vào mỗi xung một lượng bù ngẫu nhiên, di chuyển các thành phần phổ thông thường Tuy nhiên, khi chúng ta cố gắng liên lạc với lượng bù ngẫu nhiên chưa biết ở máy thu, làm cho nó thực sự khó để thu được và theo vết tín hiệu phát UWB Một phương pháp khác với các đặc tính ngẫu nhiên tương tự nhưng sử... giới thiệu Việc thiết kế máy thu và việc tách xung cũng sẽ được tìm hiểu Chúng ta đi từ môi trường một người sử dụng cho đến xem xét kỹ thuật đa truy nhập của liên lạc bằng UWB và sẽ xem xét dung lượng của kênh UWB không dây Hiệu quả của UWB trên các phương pháp liên lạc không dây đang có như là các chuẩn mạng vùng nội hạt không dây IEEE 802.11 và Bluetooth sẽ được chỉ ra Hàng loạt các phương pháp ngăn... dụng Như là phương pháp điều tần (FM) rất khó áp dụng vào UWB, do mỗi xung bao gồm nhiều phần tần số khiến cho rất khó để điều chế Chúng ta chú ý là không được nhầm lẫn với phương pháp phân chia theo tần số (FDM), đây là kĩ thuật khác hoàn toàn, dùng để chia các kênh liên lạc và đặt cơ sở cho các khối lớn hơn của tần số (được nghiên cứu sau).Chúng ta bắt đầu tìm hiểu lần lượt các phương pháp điều chế... bằng việc thêm đồng thời nhiều mẫu máy thu tương quan thì việc thu các tín hiệu đã phát đạt được độ tin tưởng cao hơn Quá trình này được gọi là tích hợp xung Nhờ tích hợp xung, các máy thu UWB có thể thu được, theo dấu, và giải điều chế các tín hiệu truyền dẫn UWB dưới nền nhiễu Phép đo hiệu suất của máy thu UWB mặc dù có các tín hiệu nhiễu trong băng được gọi là quá trình tăng ích 2.6.3 Theo dấu Theo... thống UWB được thể hiện trên Hình 1.5 Data MOD DEMOD Máy phát Data Máy thu Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống UWB 8 Hình 1.6: Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH -UWB 1.7 Hướng phát triển Mục tiêu hàng đầu chính là tìm ra một chuẩn thống nhất giữa các nhà sản suất với nhau và tiến tới mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống Các nhà nghiên cứu dự báo UWB sẽ hoạt động như một loại lớp vận chuyển đa năng cho các... thu UWB làm việc bằng cách thu tất cả các xung phát đi và chọn lọc lấy những xung tương hợp với nó Hay nói cách khác, các hệ thống thông tin vô tuyến khác cần phải nhân tín hiệu cần phát với sóng mang, sau đó khuếch đại nhằm đưa lên tín hiệu cao tần để có thể phát đi xa, còn hệ thống UWB không cần sử dụng sóng mang và khuếch đại mà nó sẽ truyền trực tiếp một chuỗi xung hẹp sau khi đã điều chế tín hiệu . THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB 51 3.1 Giới thiệu 51 3.2 UWB- IR 52 3.2.1 MRC-RAKE 54 3.2.2 MMSE-RAKE 54 3.3 UWB- IR sử dụng MMSE-FDE 55 3.3.1 Tín hiệu phát dành cho UWB- IR sử dụng MMSE-FDE 55 3.3.2 Tín hiệu. nhiều các phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thật chi tiết. Bằng cách phân loại các phương pháp điều chế, chúng ta có hai kiểu cơ bản của phương pháp điều. án tốt nghiệp này là tìm hiểu công nghệ UWB, các ứng dụng của nó. Nội dung chính của đồ án là nghiên cứu đánh giá các giải pháp san bằng tín hiệu cho UWB khi làm việc trong môi trường pha-đinh