Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu IRUWB tốc độ thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mạnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mạnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH PGS.VŨ QUÝ ĐIỀM Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án công trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học PGS TS Phạm Văn Bình PGS Vũ Quý Điềm Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa công bố hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Thay mặt tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS TS Phạm Văn Bình Trần Mạnh Hoàng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới hai người hướng dẫn tôi: PGS TS Phạm Văn Bình PGS Vũ Quý Điềm, người tận tình hướng dẫn, bảo, định hướng suốt trình thực luận án với tận tụy, sáng suốt khoa học cao Tôi biết ơn trân trọng giúp đỡ quý báu TS Đặng Quang Hiếu, TS Nguyễn Đức Minh, TS Hoàng Phương Chi thành viên nhóm nghiên cứu Thiết kế vi mạch (BKIC), Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn tới quan công tác: Bộ môn Mạch Xử lý tín hiệu, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện mặt trình theo học Nghiên cứu sinh Xin gửi lời cảm ơn tới nhà khoa học, bạn đồng nghiệp góp ý thiết thực cho luận án Và xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới vợ, trai gia đình tôi, người bên cạnh, chia sẻ khó khăn động lực giúp hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hoàng Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh sách kí hiệu toán học Danh sách hình vẽ Danh sách bảng 11 Phần mở đầu 12 Chương Tổng quan truyền thông băng siêu rộng 1.1 Lịch sử phát triển định nghĩa truyền thông băng 1.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB 1.1.2 Chuẩn hóa ứng dụng 1.2 Điều chế tín hiệu IR-UWB 1.2.1 Máy thu RAKE 1.2.2 Máy thu truyền tham chiếu 1.2.3 Kết mô 1.3 Những thách thức trình nghiên cứu IR-UWB 1.3.1 Thách thức triển khai phần cứng 1.3.2 Thách thức trình xử lý tín hiệu 1.4 Thuật toán SVD 1.5 Mô hình kênh vô tuyến UWB 1.5.1 Mô hình kênh đa đường tổng quát 1.5.2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela 1.5.3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 1.6 Kết luận chương 21 21 22 24 27 29 31 33 34 35 35 36 38 38 40 42 44 siêu rộng Chương 2.1 2.2 2.3 2.4 Thuật toán đồng triển khai máy thu TR-UWB FPGA Thuật toán đồng Triển khai Simulink HDL 2.2.1 Thiết kế 2.2.2 Triển khai ngôn ngữ mô tả phần cứng Tổng hợp mô 2.3.1 Tổng hợp 2.3.2 Kết mô Kết luận chương Chương Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB 3.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD 3.1.1 Thuật toán máy thu cải tiến 3.2 Thuật toán tính SVD 3.2.1 Bidiagonalization 3.2.2 Diagonalization 3.2.3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation 3.3 Thuật toán CORDIC 3.3.1 Chế độ Rotation 3.3.2 Chế độ Vectoring 3.4 Thuật toán CORDIC cải tiến 3.5 Kết luận chương Chương Thuật toán đồng cho máy thu UWB IEEE 4.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a 4.1.1 Tiêu đề đồng 4.1.2 Khối giới hạn khung 4.1.3 Phần tiêu đề lớp vật lý tải liệu 4.2 Mô hình tín hiệu kiến trúc máy thu 4.3 Thuật toán đồng tín hiệu 4.3.1 Đồng thô 4.3.2 Đồng tinh 4.4 Mô kết 4.4.1 Đồng thô 46 46 49 50 53 55 55 56 57 58 58 58 63 66 68 70 70 73 74 74 78 802.15.4a 80 81 81 83 83 84 85 86 88 97 99 4.5 4.6 4.4.2 Đồng tinh Triển khai khối đồng cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a 4.5.1 Thiết kế khối đồng HDL 4.5.2 Tổng hợp triển khai thử nghiệm FPGA Kết luận chương 101 FPGA104 104 107 110 Kết luận chung hướng nghiên cứu 112 Danh mục công trình công bố luận án 114 Tài liệu tham khảo 115 Phụ lục 123 Danh mục từ viết tắt ADC Analog to Digital Converter BER Bit Error Ratio BPF Band Pass Filter BPM Burst Position Modulation BPSK Binary Phase-Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CM Channel Model CORDIC COordinate Rotation DIgital Computer DSP Digital Signal Processor Bộ chuyển đổi tương tự - số Tỉ lệ lỗi bit Bộ lọc thông dải Điều chế vị trí cụm xung Khóa dịch pha nhị phân Đa truy nhập phân chia theo mã Mô hình kênh Xoay tọa độ dùng máy tính số ECC Ủy ban truyền thông điện tử châu Âu ED FCC FPGA FSM GPS GSM HDL IEEE IFI IPI IR LPF LOS MBD MIMO NLOS OFDM PAM Electronics Communications Committee Energy Detection Bộ xử lý số Tách sóng lượng Federal Communications Commission Field Programmable Gate Arrays Finite State Machine Global Positioning System Global System for Mobile Communications Hardware Description Language Institute of Electrical and Electronics Engineers InterFrame Interference InterPulse Interference Impulse-Radio Low Pass Filter Light-of-Sight Model-Based Design Multi-Input Multi-Output Non Light-of-Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Pulse-Amplitude Modulation Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ Mảng phần tử logic khả trình Máy trạng thái hữu hạn Hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống thông tin di động toàn cầu Ngôn ngữ mô tả phần cứng Viện Kĩ thuật Điện - Điện tử Giao thoa liên khung Giao thoa liên xung Xung vô tuyến Bộ lọc thông thấp Đường truyền thẳng Thiết kế dựa mô hình Đa đầu vào - đa đầu Không có đường truyền thẳng Ghép kênh đa sóng mang trực giao Điều chế biên độ xung PAN PDP PPM PHR PSDU SFD SHR SNR SVD SYNC TR VLSI WPAN UWB Personal Area Network Power Delay Profile Pulse-Position Modulation Physical-layer HeadeR PHY Service Data Unit Start of Frame Delimiter Synchronization HeadeR Signal-to-Noise Ratio Singular Value Decomposition SYNChronization preamble Transmit-Reference Very-Large-Scale Integration Wireless Personal Area Network Ultra-WideBand Mạng cá nhân Hàm trễ công suất Điều chế vị trí xung Tiêu đề lớp vật lí Đơn vị liệu dịch vụ PHY Khối giới hạn khung Tiêu đề đồng Tỉ số công suất tín hiệu tạp âm Phép phân tích trị riêng Mào đầu đồng Truyền tham chiếu Mạch tích hợp tỉ lệ lớn Mạng vô tuyến cá nhân Băng siêu rộng Danh sách kí hiệu toán học fc fH fL B g0 (t) gk (t) g(t) Tp b Tf D Ts Nf hi τi r(t) h(t) s x(t) δ(·) βk θk Th τrms ω λ τk,l Λ Tl X U V G Tần số trung tâm băng Tần số cận (-10 dB) Tần số cận (-10 dB) Băng thông băng Xung Gaussian đơn chu trình Vi phân cấp k xung Gaussian đơn chu trình Xung UWB Độ rộng xung UWB Số bit truyền khung Độ rộng khung Độ trễ xung mang tin với xung tham chiếu khung TR-UWB Tần số lấy mẫu Số mẫu khung Tuyến trễ thứ i qua kênh đa đường Độ trễ tuyến thứ i qua kênh đa đường Tín hiệu đến máy thu Xung UWB nhận máy thu Kí tự liệu phát Tín hiệu nhận máy thu TR-UWB sau tương quan Hàm delta Dirac Hệ số khuếch đại tia thứ k Độ dịch pha tia thứ k Chiều dài kênh truyền Trải trễ hiệu dụng kênh truyền Tần số điều chế cao tần Tốc độ đến tia cụm Thời gian đến tia thứ k cụm tia thứ l Tốc độ đến cụm tia Thời gian đến cụm tia thứ l Ma trận kích thước m × n Ma trận trực giao kích thước m × m Ma trận trực giao kích thước n × n Ma trận trực giao phép quay CORDIC [9] Chao Y.-L (2004), “Optimal Integration Time for UWB Transmitted Reference Correlation Receivers”, Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, vol 1, pg 647-651 [10] Choi J D and Stark W E (2002), “Performance of Ultra-Wideband Communications with Suboptimal Receivers in Multipath Channels”, The 2002 IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 20, pg 1754-1766 [11] Coyne J W (2007), “FPGA-Based Co-processor for Singular Value Array Reconciliation Tomography”, PhD Dissertation, Worcester Polytechnic Institute [12] D’Amico A A et al (2007), “Energy-Detection UWB Receivers with Multiple Energy Measurements”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 6, no 7, pg 2652-2659 [13] D’Amico A A., Mengali U and Taponecco L (2008), “Energy-based TOA Estimation”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 7, no 3, pg 838-847 [14] D’Amico A A., Mengali U and Taponecco L (2010), “TOA Estimation with the IEEE 802.15 4a Standard”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 9, no 7, pg 2238-2247 [15] Dao Ngoc Chien (2010), “A Small Monopole Antenna for UWB Mobile Applications with WLAN Band Rejected”, The 2010 Third International Conference on Communications and Electronics, pg 379-383 [16] Djapic R., Leus G., Trindade A and van der Veen A J (2005), “Blind Synchronization in Multiuser Transmit-Reference UWB Systems”, The 2005 13th European Signal Processing Conference, pg 1-4 [17] European Electronic Communications Committee (2005), “Harmonise radio spectrum use for Ultra-Wideband systems in the European Union” [18] Federal Communications Commission (2002), “Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems, First Report and Order, FCC 02” 116 [19] Foerster J et al (2003), “IEEE P802 15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs), Channel Modeling Sub-committee Report Final”, IEEE J Sel Areas Commun [20] Funk E E., Saddow S E., Jasper L J and Lee C H (1995), “Time Coherent Ultra-Wideband Pulse Generation Using Photoconductive Wwitching”, Flat Panel Display Technology/Technologies for a Global Information Infrastructure/ICs for New Age Lightwave Communications/RF Optoelectronics, 1995 Digest of the LEOS Summer Topical Meetings, pg 55-56 [21] Gezici S., Kobayashi H., Poor H V Poor and Molisch A F (2004), “Optimal and Suboptimal Linear Receivers for Time-Hopping Impulse Radio Systems”, The 2004 International Workshop on Ultra Wideband Systems Joint with Conference on Ultrawideband Systems and Technologies, pg 11-15 [22] Gezici S et al (2005), “Localization via Ultra-Wideband Radios”, IEEE Signal Processing Magazine, vol 22, no 4, pg 70-84 [23] Gezici S and Sahinoglu Z (2007), “Theoretical Limits for Estimation of Vital Signal Parameters Using Impulse Radio UWB”, The 2007 IEEE International Conference on Communications, pg 5751-5756 [24] Golub G H and van Loan C F (2012), “Matrix Computations”, vol 3, JHU Press [25] Guvenc I and Sahinoglu Z (2005), “Threshold-based TOA Estimation for Impulse Radio UWB Systems”, The 2005 IEEE International Conference on UltraWideband, pg 420-425 [26] Guvenc I., Sahinoglu Z., Molisch A F and Orlik P (2005), “Non-coherent TOA Estimation in IR-UWB Systems with Different Signal Waveforms”, The Second International Conference on Broadband Networks, pg 1168-1174 [27] Hoctor R T and Tomlinson H W (2002) “An Overview of Delay-Hopped, Transmitted-Reference RF Communications”, Ultra Wideband Systems and Technologies, 2002 Digest of Papers 2002 IEEE Conference on (pg 265-269) [28] Hoyos S., Sadler B M and Arce G R (2003), “Dithering and Σ∆ modulation in mono-bit digital receivers for ultra-wideband communications”, The 2003 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, pg 71-75 117 [29] Hoyos S., Sadler B M and Arce G R (2005), “Monobit digital receivers for ultrawideband communications”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 4, no 4, pg 1337-1344 [30] Hua Y and Wax M (1996), “Strict Identifiability of Multiple FIR Channels Rriven by an Unknown Arbitrary Sequence”, IEEE Transactions on Signal Processing, vol 44, no 3, pg 756-759 [31] IEEE Standard 802.15.4a-2007 Task Group (2007), “IEEE standard 802.15.4a2007, Specific Requirement Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)” [32] Jean Paul Linnartz’ Reference Website on Wireless Communication, http:// www.wirelesscommunication.nl/reference/chaptr05/cdma/rake.htm, Accessed: 29/06/2015 [33] Joy Lin (Electronics News), http://www.electronicsnews.com.au/ technical-articles/developing-next-generation-signal-processing-and-c, Accessed: 29/06/2015 [34] Keysight Technology, Inc., http://rfmw.em.keysight.com/wireless/ helpfiles/89600B/webhelp/subsystems/mbofdm/content/mbofdm_ modoverview.htm, Accessed: 29/06/2015 [35] Kreiser D and Olonbayar S (2011), “Design and ASIC Implementation of an IR-UWB-baseband Transceiver for IEEE 802.15.4a” The 2011 Internation Conference on Wireless Communications and Signal Processing, pg 1-6 [36] Lample L and Witrisial K (2010), “Challenges and Recent Advances in IR-UWB System Design”, Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pg 3288-3291 [37] Loubaton P., Moulines E., Regalia P (2000), “Signal Processing Advances in Wireless and Mobile Communications Volume II - Trends in Single-and MultiUser Systems”, Chapter Subspace Method for Blind Identification and Deconvolution, Prentice-Hall 118 [38] Moe Z Win and Robert A Scholtz (1998), “Impulse Radio: How it works”, IEEE Communications Letters, vol 2, pp 36-38 [39] Molisch A F., Foerester J R and Pendergrass M (2003), “Channel Models for Ultra-wideband Personal Area Networks”, IEEE Wireless Communications, vol 10, no 6, pg 14-21 [40] Molisch A F et al (2004), “IEEE 802.15.4a Channel Model - Final Report”, IEEE P802, vol 15, no 4, pg 662, Citeseer [41] Nakache Y.-P and Molisch A F (2003), “Spectral Shape of UWB Signals - Influence of Modulation Format, Multiple Access Scheme and Pulse Shape”, The 2003 IEEE Vehicular Technology Conference, vol 4, pg 2510-2514 [42] Nguyen Xuan Quyen, Bui Tran Quyet, Vu Van Yem, Nguyen Tien Dzung and Hoang Manh Thang (2010), “Simulation and Implementation of Improved Chaotic Colpitts Circuit for UWB Communications”, The 2010 Third International Conference on Communications and Electronics, pg 307-312 [43] Novakov E (2013), “A Low Complexity, Medium Data Rate, Ultra-Wideband Communication Method and System”, The 2013 19th Asia-Pacific Conference on Communications, pg 26-31 [44] Oppermann I., Hamalinen M and Iinatti J (2005), “UWB: Theory and Applications”, John Wiley & Sons [45] Parr B., Cho B L., Wallace K and Ding Z (2003), “A Novel Ultra-Wideband Pulse Design Algorithm”, IEEE Communications Letters, vol 7, no 5, pg 219221 [46] Proakis J G., Salehi M., Zhou N and Li X.(1994), “Communication Systems Engineering”, vol 2, Prentice-Hall Englewood Cliffs [47] Quang Hieu Dang and Alle-Jan van der Veen (2006), “Resolving Interframe Interference in a Transmitted-Reference Ultra-Wideband Communication System”, Acoustic, Speech and Signal Processing, 2006 ICASSP 2006 Proceedings 2006 IEEE International Conference on, vol 4, 2006, pp IV-IV 119 [48] Quang Hieu Dang, Antonio Trindade, Alle-Jan van der Veen and Geert Leus (2006), “Signal Model and Receiver Algorithms for a Transmit-Reference UltraWideband Communication System”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 24, no 4, pg 773-779 [49] Quang Hieu Dang and Alle-Jan Van der Veen (2007), “A Decorrelating Multiuser Receiver for Transmit-Reference UWB Systems”, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol 1, no 3, pg 431-442 [50] Quang Hieu Dang (2008), “Signal Processing Algorithms for Ultra-Wideband Wireless Communication Systems”, PhD Dissertation, Delft University of Technology [51] Romme J and Witrisal W (2005), “Oversampled Weighted Autocorrelation Receivers for Transmitted-Reference UWB Systems”, The 2005 IEEE 61st Vehicular Technology Conference, vol 2, pg 1375-1380 [52] Rushforth C K (1964), “Transmitted-Reference Techniques for Random or Unknown Channels”, IEEE Transactions on Information Theory, vol 10, no 1, pg 39-42 [53] Schantz H G and Fullerton L (2001), “The diamond dipole: a Gaussian impulse antenna”, Antennas and Propagation Society International Symposium, vol 4, pg 100-103 [54] Scholtz R and Lee J.-Y (2002), “Problems in Modeling UWB Channels”, The Thirty Sixth Asilonar Conference on Signals, Systems and Computers, vol 1, pg 706-711 [55] Saleh A A and Valenzuela R A (1987), “A Statistical Model for Indoor Multipath Propagation”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 5, no 2, pg 128-137 [56] Tang J., Xu Z and Sadler B M (2005), “Digital Receiver for TR-UWB Systems with Inter-Pulse Interference”, The 2005 IEEE 6th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications, pg 420-424 [57] Tian Z., Ge H and Scharf L L (2005), “Low-Complexity Multiuser Detection and Reduced-Rank Wiener Filters for Ultra-Wideband Multiple Access”, The 2005 120 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol 3, pg 621 [58] Tong L., Xu G and Kailath T (1994), “Blind Identification and Equalization Based on Second-Order Statistics: a Time Domain Approach”, IEEE Transaction on Information Theory, vol 40, no 2, pg 340-349 [59] Trinh Van Son and Dao Ngoc Chien (2010), “A Novel Quadruple L-shaped Meandered Line ElectromagneticBband Gap Structure”, The 2010 Third International Conference on Communications and Electronics, pg 318-322 [60] Van der Veen A J and Leus G (2004), “Transmit Reference UWB Systems”, in ”Short Range Wireless Communication: Emerging Technologies and Applications”, R Kraemer, M Katz (Ed.), Wiley & Sons, 2009 [61] Vu Van Yem and Tran The Phuong (2010), “Ultra-Wide Band Low-Profile Spiral Antennas Using an EBG Ground Plane”, The 2010 International Conference on Advanced Technologies, pg 89-94 [62] Win M Z and Scholtz R A (2000), “Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread Spectrum Impulse Radio for Multiple Access Communications”, The 2000 IEEE Transactions on Communications, vol 48, pg 679-689 [63] Wang Y., Leus G and Van der Veen A J (2009), “Digital Receiver Design for Transmitted Reference Ultra-Wideband Systems”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol 2009, pg 13 [64] Witrisal K., Pausini M and Trindade A (2004), “Multiuser Interference and Interframe Interference in UWB Transmitted-Reference Systems”, The 2004 International Workshop on Ultra Wideband Systems Joint with Conference on Ultrawideband Systems and Technologies, pg 96-100 [65] Witrisal K et al (2009), “Non-coherent Ultra-wideband Systems”, IEEE Signal Processing Magazine, vol 26, no 4, pg 48-66 [66] Wu X., Tian Z , Davidson T N and Giannakis G B (2004), “Orthogonal Waveform Design for UWB Radios”, The 2004 IEEE 5th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications, pg 150-154 121 [67] Xilinx, http://www.innovative-dsp.com/products/xilinxsysgen.htm, Accessed: 29/06/2015 [68] Yang L and Giannakis G B (2004), “Ultra-Wideband Communications: an Idea Whose Time has Come”, IEEE Signal Processing Magazine, vol 21, no 6, pg 26-54 [69] Yang L and Giannakis G B (2005), “Timing Ultra-Wideband Signals with Dirty Templates”, IEEE Transactions on Communications, vol 7, pg 838-847 [70] Yang L and Swami A (2006), “Noncoherent Demodulator for PPM-UWB Radios”, The 2006 International Conference on Acoustic, Speech and Signal Processing, vol [71] Yang L., Giannakis G B and Swami A (2007), “Non-coherent Ultra-wideband (De)Modulation”, IEEE Transactions on Communications, vol 55, no 4, pg 810819 [72] Yiyin Wang, Rene van Leuken and Alle-Jan van der Veen (2006), “Design of a Practical Scheme for Ultra-Wideband Communication”, The 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, p.4-pp [73] Witrisal K., Leus G., Pausini M and Krall C (2005), “Equivalent System Model and Equalization of Differential Impulse Radio UWB Systems”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 23, pg 1851-1862 [74] Yue W (2010), “Singular Value Decomposition Based Pipeline Architecture for MIMO Communication Systems”, PhD Dissertation, Drexel University [75] Zhang H and Goeckel D L (2003), “Generalized Transmitted-Reference UWB Systems”, The 2003 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, pg 147-151 122 Phụ lục Sơ đồ I/O tín hiệu vào/ra khối máy thu UWB IEEE 802.15.4a 123 A Khối điều khiển FSM CLK CE COARSE ERROR DATA END DATA START STATE[1:0] IN RST IN START PHR CHECK SYNC2 START SYNC FSM Sơ đồ I/O khối SYN_FSM Cổng Tín hiệu vào clk in_start Kích thước Hướng bit bit Vào Vào in_rst sync2_start bit bit Vào Vào sfd_start bit Vào data_start bit Vào data_end bit Vào phr_check bit Vào Tín hiệu state bit Ra Mô tả tín hiệu Tín hiệu xung nhịp chạy tần số 62.5 MHz Tín hiệu cho phép mạch hoạt động; Active mức cao Tín hiệu reset mạch; Active mức thấp Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ SYNC1 sang SYNC2; Active mức cao Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ SYNC2 sang SFD; Active mức cao Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ SFD sang DATA từ JUMP sang DATA; Active mức cao Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ DATA sang JUMP; Active mức cao Tín hiệu báo phần giải mã PHR bị sai chuyển trạng thái ban đầu SYNC1; Active mức cao Tín hiệu điều khiển báo hiệu trạng thái hoạt động mạch Tín hiệu vào khối SYN_FSM 124 B Khối đếm kí tự (SYN_COUNTER): thực đếm từ 0-247 để nhận biết kí tự SYNC hay SFD đếm từ 0-63 để nhận biết kí tự PPDU COUNTDATASYM[10:0] CLK COUNTGROUP[3:0] CE STATE[1:0] COUNTSAMPLE[7:0] COUNTSYNCSYM[12:0] COARSE ERROR COUNT COARSESAMPLE[7:0] COARSE OFF COUNT COARSESYNCSYM[4:0] EN COUNTDATA COUNT0TO7[2:0] IN RST IN START PHR CHECK RST COUNTSAMPLE RST COUNTSYNC SYNC COUNTER Sơ đồ I/O khối SYN_COUNTER C Khối đồng thô (SYN_COARSE) CLK COARSE ERROR CE COUNTGROUP[3:0] COUNTSAMPLE[7:0] COUNTSYNCSYMP[4:0] IN DATA[7:0] IN RST IN START PHR CHECK COARSE OFF SYNC COARSE Sơ đồ I/O khối SYN_COARSE 125 D Khối đồng tinh (SYN_DATAPATH) CLK DATA END CE DATA SIGNAL COUNTDATASYM[10:0] DATA START COUNTSAMPLE[7:0] PHR SIGNAL COUNTSYNCSYMP[12:0] PSDU EN IN DATA[7:0] RST COUNTSAMPLE IN RST RST SYNC IN START SYNC2 START PHR CHECK COUNT0TO7[2:0] PSDU OCTETS[6:0] STATE[1:0] SYNC MODE[1:0] COARSE ERROR SYNC DATAPATH Sơ đồ I/O khối SYN_DATAPATH E Khối giải mã tín hiệu PHR (PHR_DECODER): giải mã phần PHR để thu 19 bit chứa thông tin khung liệu OUT PSDU OCTETS[6:0] CLK CE COUNTDATASYM[10:0] COUNTSAMPLE[7:0] STATE[1:0] OUT SYNC MODE[1:0] COARSE ERROR COARSE OFF IN BIT IN RST IN START DDPOUTEN I REG OUT CHECK MAC Sơ đồ I/O khối PHR_DECODER 126 Cổng Tín hiệu vào clk Kích thước Hướng bit Vào in_start bit Vào in_rst rst_countsample bit bit Vào Vào rst_countsync bit Vào en_countdata bit Vào state bit Vào coarse_error bit Vào coarse_off bit Vào phr_check bit Vào Tín hiệu countsample countsyncsym count_coarsesample bit 13 bit bit Ra Ra Ra count_coarsesyncsym bit Ra countdatasym 11 bit Ra count0to7 bit Ra countgroup bit Ra Mô tả tín hiệu Tín hiệu xung nhịp chạy tần số 62.5MHz Tín hiệu cho phép mạch hoạt động; Active mức cao Tín hiệu reset mạch; Active mức thấp Tín hiệu reset đếm 248 mẫu SHR; Active mức cao Tín hiệu reset đếm kí tự SYNC; Active mức cao Tín hiệu cho phép đếm kí tự liệu; Active mức cao Tín hiệu báo hiệu trạng thái hoạt động mạch Tín hiệu báo đồng thô sai để reset đếm coarse_error = 1: Đồng thô sai Active mức cao Tín hiệu báo trạng thái hoạt động khối đồng thô coarse_off = 1: Kết thúc đồng thô Active mức cao Tín hiệu báo sai khối giải mã PHR phr_check = 1: Dữ liệu phần PHR sai Active mức cao Tín hiệu đếm mẫu kí tự SHR Tín hiệu đếm số kí tự SYNC Tín hiệu đếm số mẫu phục vụ cho đồng thô Tín hiệu đếm số kí tự SYNC cho đồng thô Tín hiệu đếm số kí tự liệu cho đồng tinh Tín hiệu đếm số vị trí burst khoảng chứa liệu BPM Tín hiệu đếm số vị trí chia kí tự SYNC tìm số imax đồng thô Tín hiệu vào khối SYN_COUNTER 127 Cổng Tín hiệu vào clk in_start Kích thước Hướng bit bit Vào Vào in_rst in_data countsample bit bit bit Vào Vào Vào countsyncsym bit Vào countgroup bit Vào phr_check bit Vào Tín hiệu coarse_error bit Ra coarse_off bit Ra Mô tả tín hiệu Tín hiệu xung nhịp chạy tần số 62.5MHz Tín hiệu cho phép mạch hoạt động; Active mức cao Tín hiệu reset mạch; Active mức thấp Tín hiệu liệu vào lấy từ đầu ADC Tín hiệu đếm số mẫu phục vụ cho đồng thô Tín hiệu đếm số kí tự SYNC cho đồng thô Tín hiệu đếm số vị trí chia kí tự SYNC tìm số imax đồng thô Tín hiệu báo sai khối giải mã PHR phr_check = 1: Dữ liệu phần PHR sai Active mức cao Tín hiệu báo đồng thô sai để reset đếm coarse_error = 1: Đồng thô sai Active mức cao Tín hiệu báo trạng thái hoạt động khối đồng thô coarse_off = 1: Kết thúc đồng thô Active mức cao Tín hiệu vào khối SYN_COARSE 128 Cổng Tín hiệu vào clk in_start Kích thước Hướng bit bit Vào Vào in_rst in_data state bit bit bit Vào Vào Vào sync_mode bit Vào psdu_octets bit Vào countsample countsyncsym countdatasym bit 13 bit 11 bit Vào Vào Vào count0to7 bit Vào coarse_error bit Vào phr_check bit Vào Tín hiệu sync2_start bit Ra data_signal bit data_start bit data_end bit phr_signal bit rst_countsample bit rst_countsync bit psdu_en bit Mô tả tín hiệu Tín hiệu xung nhịp chạy tần số 62.5MHz Tín hiệu cho phép mạch hoạt động Active mức cao Tín hiệu reset mạch Active mức thấp Tín hiệu liệu vào lấy từ đầu ADC Tín hiệu báo hiệu trạng thái hoạt động mạch Active mức cao Tín hiệu cho biết chế độ phát tín hiệu SYNC: 00, 01, 10, 11 tương ứng với SYNC có chiều dài 16, 64, 1028, 4096 symbol Tín hiệu nội suy độ dài phần PSDU, tách từ khung giá trị PHR Tín hiệu đếm mẫu kí tự SHR Tín hiệu đếm số kí tự SYNC Tín hiệu đếm số kí tự liệu cho đồng tinh Tín hiệu đếm số vị trí burst khoảng chứa liệu BPM Tín hiệu báo đồng thô sai để reset đếm coarse_error = 1: Đồng thô sai Tín hiệu báo sai khối giải mã PHR phr_check = 1: Dữ liệu phần PHR sai Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ SYNC1 sang SYNC2; Active mức cao Ra Tín hiệu báo hiệu xuất PPDU; Active mức cao Ra Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ SFD sang DATA từ JUMP sang DATA; Active mức cao Ra Tín hiệu báo hiệu chuyển trạng thái từ DATA sang JUMP; Active mức cao Ra Tín hiệu báo hiệu xuất phần tín hiệu PHR; Active mức cao Vào Tín hiệu reset đếm 248 mẫu SHR; Active mức cao Vào Tín hiệu reset đếm kí tự SYNC; Active mức cao Ra129 Tín hiệu báo xuất phần tín hiệu PSDU; Active mức cao Tín hiệu vào khối SYN_DATAPATH Cổng Tín hiệu vào clk Kích thước Hướng bit Vào in_start bit Vào in_rst in_bit bit bit Vào Vào ddpOuten_i_reg bit Vào state bit Vào coarse_error bit Vào countsample countdatasym bit 11 bit Vào Vào coarse_off bit Vào Tín hiệu out_check bit Ra sync_mode bit Ra psdu_octets bit Ra Mô tả tín hiệu Tín hiệu xung nhịp chạy tần số 62.5MHz Tín hiệu cho phép mạch hoạt động; Active mức cao Tín hiệu reset mạch; Active mức thấp Tín hiệu bit vào, lấy từ đầu khối giải mã liệu Tín hiệu báo hiệu có mặt bit đầu vào trạng thái hợp lệ Tín hiệu báo hiệu trạng thái hoạt động mạch Tín hiệu báo đồng thô sai chuyển trạng thái ban đầu SYNC1; Active mức cao Tín hiệu đếm mẫu kí tự SHR Tín hiệu đếm số kí tự liệu cho đồng tinh Tín hiệu báo trạng thái hoạt động khối đồng thô coarse_off = 1: Kết thúc đồng thô Active mức cao Tín hiệu báo phần giá trị giải mã PHR bị sai; Active mức cao Tín hiệu cho biết chế độ phát tín hiệu SYNC, tách từ khung giá trị PHR: 00, 01, 10, 11 tương ứng với SYNC có chiều dài 16, 64, 1028, 4096 symbol Tín hiệu nội suy độ dài phần PSDU, tách từ khung giá trị PHR Tín hiệu vào khối PHR_DECODER 130 [...]... thống thu/ phát số IR-UWB tốc độ thấp hoạt động trong môi trường trong nhà có đường truyền thẳng (mô hình kênh CM1) với trọng tâm là khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý tín hiệu số băng gốc cho máy thu IR-UWB và được chia thành các phần sau: • Các thu t toán xử lý tín hiệu cho máy thu IR-UWB: là sự kết hợp của các kĩ thu t ước lượng kênh, tách kí hiệu, đồng bộ tín hiệu trong khối DSP của máy thu. .. cho độ chính xác cao và tốc độ thực thi nhanh được đề xuất, hướng tới mục tiêu triển khai thành công thu t toán được đề xuất trên phần cứng • Đề xuất một thu t toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh gồm hai bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a không cần thực hiện thao tác đo công suất tạp âm phức tạp và sử dụng bộ ADC tốc độ thấp (62.5 - 125 MHz) mà vẫn đảm bảo giải mã dữ liệu. .. đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu • Đề xuất và cải tiến các thu t toán xử lý tín hiệu cho máy thu UWB sao cho có độ tin cậy cao, độ phức tạp tính toán thấp, phù hợp với các ứng dụng trong mạng WPAN tốc độ thấp • Thiết kế, kiểm tra và triển khai thử nghiệm khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý băng gốc UWB trên phần cứng FPGA 3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên... ma trận (SVD) và mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a sẽ được sử dụng trong quá trình mô phỏng các thu t toán được trình bày trong luận án này Chương 2 Thu t toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên FPGA” đề xuất kịch bản truyền tham chiếu cho máy thu TR-UWB nhằm giải quyết bài toán ước lượng kênh truyền gặp phải ở máy thu RAKE truyền thống, đồng thời phát triển một thu t toán máy thu mới dựa trên... tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển những thu t toán đồng bộ tín hiệu và giải mã dữ liệu có độ chính xác cao với kiến trúc đơn giản để có thể triển khai được trên phần cứng cho các hệ thống IR-UWB tốc độ thấp Ứng dụng chính của những hệ thống này là trong các mạng WPAN, vì vậy, các thu t toán sẽ được phát triển và kiểm chứng hiệu quả hoạt động với môi trường kênh trong nhà - một trong những... thu t toán đồng bộ thô khi K thay đổi 4.18 Xác suất lỗi của thu t toán đồng bộ thô khi Ts thay đổi 4.19 Xác suất lỗi của thu t toán đồng bộ thô với số bit lượng tử hóa khác nhau 4.20 Xác suất lỗi của thu t toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2} ns 4.21 Xác suất lỗi của thu t toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8} ns 4.22 Xác suất lỗi của thu t. .. thiện độ chính xác, hỗ trợ nhiều tuyến trễ và đa người dùng, tuy nhiên vẫn dựa trên giả thuyết máy thu đã đồng bộ hoàn chỉnh và/ hoặc công suất tạp âm đã biết [5, 41, 64, 47, 48] Một kiến trúc máy thu TR-UWB khác giải quyết được bài toán đồng bộ nhưng với điều kiện môi trường truyền dẫn không có tạp âm [72] Trong [16], một thu t toán đồng bộ được đề xuất cho hệ thống TR-UWB đa người dùng với giả thiết máy. .. Thu t toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a” phát triển một thu t toán đồng bộ hoàn chỉnh dành cho máy thu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a mà không cần sử dụng bộ ADC tốc độ lấy mẫu siêu cao đắt đỏ cũng như các thao tác đo đạc công suất tạp âm phức tạp, hướng đến các ứng dụng truyền tải dữ liệu tốc độ thấp với giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng Đồng thời, một triển khai của máy thu UWB IEEE 802.15.4a... hoạt động so với kịch bản TR gốc Chương 3 Thu t toán SVD cho máy thu TR-UWB” giới thiệu một thu t toán máy thu mới cho hệ thống TR-UWB mà không cần truyền đi tín hiệu dẫn đường sử dụng phép phân tích ma trận (SVD) đã trình bày ở chương 1, tiếp đó đưa ra một phương án để triển khai thu t toán này một cách hiệu quả và thích hợp trên phần cứng với các khối CORDIC tự thiết kế Chương 4 Thu t toán đồng bộ. .. hiệu suất hoạt động thấp hơn so với máy thu TR (do tạp âm bị bình phương), tuy nhiên đây vẫn là kiến trúc máy thu khả thi nhất để triển khai theo như đề xuất của chuẩn IEEE 802.15.4a [31] Vì vậy, máy thu dò năng lượng cũng sẽ được tác giả nghiên cứu chi tiết trong luận án này Với kiến trúc máy thu ED, việc phát hiện dữ liệu là khá dễ dàng Ngược lại, thu t toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu này là rất ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mạnh Hoàng THU T TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP Chuyên ngành: Kỹ thu t viễn thông Mã số: 62520208... thống, đồng thời phát triển thu t toán máy thu dựa nguyên lý trọng số để nâng cao hiệu suất hoạt động so với kịch TR gốc Chương Thu t toán SVD cho máy thu TR-UWB” giới thiệu thu t toán máy thu. .. mô thu t toán trình bày luận án Chương Thu t toán đồng triển khai máy thu TR-UWB FPGA” đề xuất kịch truyền tham chiếu cho máy thu TR-UWB nhằm giải toán ước lượng kênh truyền gặp phải máy thu