Nghiên cứu công nghệ truyền thông ultra wideband

LỜI CẢM ƠN! Đồ án tốt nghiệp khép lại toàn trình học đại học em suốt năm qua Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Em xin gửi lới cảm ơn tới tất thầy cô giáo trường dạy dỗ bảo tận tình, cung cấp kiến thức cần thiết làm sở tảng cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Phạm Văn Ngọc thầy cô giáo Khoa Công nghệ Điện tử Và Truyền thông giúp đỡ em nhiệt tình, ân cần bảo hướng dẫn em suốt thời gian qua để em hoàn thành đồ án Xin cảm ơn gia đình, bạn bè cổ vũ động viên tạo điều khiện để hoàn thành đồ án Tuy em cố gắng để hoàn thành đồ án cách tốt tránh khỏi thiếu xót Kính mong đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn có quan tâm đến lĩnh vực Công nghệ truyền thông UWB để đồ án hoàn thiện Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực Hoàng Ngọc Thái LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan tất nội dung đồ án hoàn toàn hình thành phát triển từ quan điểm nghiên cứu cá nhân em, hướng dẫn khoa học ThS Phạm Văn Ngọc Sản phẩm đồ án thân em xây dựng không chép từ tài liệu hay đồ án khác Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực Hoàng Ngọc Thái MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN! LỜI CAM ĐOAN Thuật ngữ viết tắt Lời nói đầu Error! Bookmark not defined Chuơng Tổng quan công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông vô tuyến 1.1.1 3G WLAN 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 1.2 Lịch sử UWB 1.3 Ưu điểm hệ thống UWB 10 1.3.1 Tiềm cho tốc độ bit liệu cao 10 1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp 11 1.3.3 Khả chống đa đường 11 1.3.4 Độ phức tạp thu 11 1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp 12 1.4 Nhược điểm 14 1.6 Các ứng dụng UWB 15 1.6.1 Truyền thông cảm biến 16 1.6.2 Định vị bám 25 1.6.3 Radar 27 Chuơng Tín hiệu truyền thông UWB 30 2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 30 2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 30 2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 30 2.2.2 Xung Raised Cosin 31 2.2.3 Lựa chọn dạng xung 32 2.3 Dãy xung chuỗi giả tạp âm 33 2.4 Các phương pháp điều chế UWB 35 2.4.1 Điều chế vị trí xung 36 2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 38 2.4.3 Các phương pháp điều chế khác 40 2.4.4 Tổng kết phương pháp điều chế 42 2.5 Ảnh hưởng môi trường truyền dẫn lên tín hiệu UWB 47 2.5.1 Ảnh hưởng đa đường 47 2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động Tx Rx 47 2.5.3 Lựa chọn kỹ thuật uwb 48 2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập UWB 48 2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số UWB 48 2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 49 2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 49 Chương 52 Bộ thu phát tín hiệu truyền thông UWB 52 3.1 Kiến trúc tổng quan thu phát UWB 52 3.2 Kiến trúc thu UWB 53 3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) 53 3.2.2 Máy thu Rake 54 3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý 56 3.2.4 Thảo luận 57 Chương 59 Công nghệ truyền thông UWB 59 4.1 CDMA 59 4.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 60 4.2.1 Một số đặc điểm bật OFDM 61 4.2.2 Các trường hợp ứng dụng OFDM 61 Kết Luận 74 Phụ Lục 75 Tài liệu tham khảo 78 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Tổng quan hệ thống truyền thông vô tuyến Hình 1-2: Phạm vi truyền liệu RF Hình 1-3: Thông lượng liệu WLAN theo khoảng cách Hình 1-4: So sánh tốc độ bit hệ thống truyền thông vô tuyến Hình 1-5: Đa đường tín hiệu băng hẹp 12 Hình 1-6: Một trường hợp tượng đa đường với ứng dụng nhà 13 Hình 1-7: Đa đường tín hiệu UWB 14 Hình 1-8: Mức công suất phát tín hiệu UWB tín hiệu băng hẹp cũ 14 Hình 1-9: Tổng quan ứng dụng mà UWB cung cấp 16 Hình 1-10: Sự hội tụ loại thiết bị 18 Hình 1-11: Các thiết bị tương tác với thông qua USB 19 Hình 1-12: Kết nối thiết bị lĩnh vực giải trí 22 Hình 1-13: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với theo WUSB 23 Hình 1-14: Phối hợp công nghệ tạo kịch hấp dẫn 24 Hình 1-15: Các radar chống chộm, tránh xung đột đo độ cao xác 28 Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian phổ tần 31 Hình 2-2: Xung Raised Cosin phổ lượng 32 Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn phổ 34 Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên phổ tần 34 Hình 2-5: Phân loại phương pháp điều chế UWB 35 Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung điều pha hai mức UWB 37 Hình 2-7: Điều chế vị trí xung 38 Hình 2-8: Mã hoá “0”, “1” UWB 40 Hình 2-9: Các phương pháp điều chế khác 41 Hình 2-10: Không gian tín hiệu OOK, PPMvà BPM 43 Hình 2-11: Xác xuất lỗi theo lý thuyết OOK, PPM, BPM 44 Hình 2-12: Các xung vị trí ngẫu nhiên với điều chế BPPM 45 Hình 3-1: Kiến trúc tổng quan hệ thống UWB 52 Hình 3-2: Bộ thu tương quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB 53 Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với tương quan 54 Hình 3-4: Thông tin vắn tắt tín hiệu điều kiện tạp âm máy thu Rake 55 Hình 3-5: Thông tin vắn tắt tín hiệu điều kiện có tạp âm bị giới hạn băng máy thu Rake 56 Hình 3-6: Triển khai analog thu UWB 58 Hình 3-7: Quan hệ miền tần số – thời gian hai đối tượng dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 60 Hình 7-1: Minh hoạ cho phương trình A-5 76 Thuật ngữ viết tắt Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha hai CATV Cable Television or Community Antenna Truyền hình cáp hay Television truyền hình anten cộng đồng CE Consummer Equipment Thiết bị người dùng CMOS Complementary Metal-oxide- Bán dẫn ôxít kim loại bổ Semiconductor xung Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia DSCDMA theo mã - chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên bang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống toàn cầu cho Communications truyền thông di động HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MB- Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia OFDM theo tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia ảnh động OFDM Orthogonal Frequency-Division Ghép kênh phân chia Multiplexing theo tần số trực giao OOK On-Off Keying Khoá On-Off PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân PN Pseudo Noise Giả tạp âm PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video cấp cao TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH Time Hopping Nhảy thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thông di System động toàn cầu USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia Access theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội không dây WPAN Wireless PAN Mạng nội cá nhân không dây WUSB Wireless USB Bus nối tiếp toàn cầu vô tuyến XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở rộng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến phát triển với tốc độ nhanh toàn giới, lĩnh vực thay đổi mạnh mẽ xuất chuẩn từ phát triển nhanh chóng dịch vụ thông tin Internet, là: ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền liệu băng thông rộng số dịch vụ video đặc biệt Một vài hệ thống vô tuyến tồn phát triển (3G WLAN) thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện truyền dẫn video chất lượng thấp Nhu cầu truyền thông liệu với tốc độ bít lớn qua mạng vô tuyến xuất hiện, xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử nhà ngoại vi máy tính cho tiện lợi Các công nghệ vô tuyến Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa đáp ứng yêu cầu tốc độ truyền liệu ứng dụng video với tốc độ lớn Công nghệ truyền thông UWB đời nhằm thoả mãn yêu cầu truyền dẫn liệu với tốc độ lớn, tạo bước đột biến lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ loạt ứng dụng thú vị đề xuất Ngoài ra, lý quan trọng làm xuất công nghệ UWB yêu cầu hoạt động với độ xác cao radar quân Các xung UWB có tính đặc biệt tốt cho ứng dụng radar Xuất phát từ tính hấp dẫn mà em định chọn công nghệ UWB làm đối tượng nghiên cứu đồ án tốt nghiệp đại học Nhưng hạn chế thời gian, nên trọng tâm đồ án nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB lĩnh vực truyền thông, đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: “Nghiên cứu Công nghệ truyền thông Ultra Wideband” Nội dung đồ án tập chung vào vấn đề phân thành chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan công nghệ truyền thông UWB Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB Chương 3: Bộ thu phát tín hiệu truyền thông UWB Chương 4: Công nghệ truyền thông UWB Do nhiều hạn chế mặt nhận thức, nội dung đồ án cần hiểu biết sâu rộng nhiều vấn đề viễn thông, nên chắn đồ án nhiều điểm cần chỉnh sửa Em xin chân thành cảm ơn tất ý kiến đóng góp từ phía thầy cô, bạn bè tất quan tâm đến công nghệ để đồ án tiếp tục phát triển hoàn thiện Hình 4.2: Đặc điểm phương pháp giao điểm đa cự ly Các cự ly dư vi mà kết từ việc so sánh cự ly quan sát với cự ly vị trí điều chỉnh máy phát điều khiển xa sử dụng để đánh giá tính xác phép đo cự ly Một loạt phương pháp dùng để tính toán lỗi dư Một ước lượng gần độ xác cự ly thu từ từ biểu thức: n v  i i 1 n 1 (4.1) Trong đó: - n số khoảng cách quan sát - tổng bình phương phần dư Thêm vào cự ly dư không thiết tạo nên tăng đáng kể độ vị trí lỗi ngẫu nhiên cố hữu lỗi hệ thống tồn Tuy nhiên giúp phát tồn lỗi hệ thống lớn Thông thường qua trình định vị diễn hai bước chính: 64 1) Lựa chọn phép đo thực nút 2) Các phép đo xử lý để xác định vi trí nút Trước tiên xem lại cách tổng quát kỹ thuật định vị sử dụng, qua để thấy phương pháp phù hợp với hệ thống UWB Các kỹ thuật định vị có ảnh hưởng đáng kể tới độ xác vị trí, độ phức tạp giá thành hệ thống định vị Theo vị trí nơi tiến hành đo đạc ước lượng vị trí chúng, hệ thống định vị phân loại sở mạng, sở thiết bị cầm tay, lai chúng  Hệ thống sở mạng Trong hệ thống sở mạng, việc tính toán vị trí thực trạm điều khiển mà đặt vị trí từ xa so với mục tiêu định vị Cụ thể hơn, tập hợp máy thu cố định tạo nên phép đo thích hợp tín hiệu ban đầu từ hay nhiều tia phản xạ mục tiêu định vị Các phép đo sau đứợc sử dụng trạm điều khiển nơi vị trí mục tiêu tính toán Các hệ thống đòi hỏi thiết bị di động có giá thành thấp so với kỹ thuật tự định vị, song chúng thường có độ xác thấp so với hệ thống sở máy cầm tay  Các hệ thống sở máy cầm tay Hệ thống đòi hỏi việc tính toán vị trí mục tiêu thực cách tự định vị Cụ thể hơn, vị trí máy thu sử dụng phép đo thích hợp tạo nên từ cáctín hiệu truyền máy phát có vị trí biết dẫn tới việc định vị trí Ưu điểm hệ thống kỹ thuật bảo đảm tính riêng tư tốt vị trí tính toán lưu trữ máy thu Tuy nhiên, giá thành thiết bị di động tăng lên thêm trình xử lý tín hiệu tích hợp máy thu  Các hệ thống lai Cuối cùng, hệ thống lai kết hợp kỹ thuật thiết bị cầm tay kỹ thuật sở mạng Thông thường, mục tiêu định vị thực phép đo truyền kết tới mạng cố định nơi vị trí mục tiêu ước lượng Mục đích 65 phương pháp tạo thêm nhiều giá trị ước lượng vị trí trình xử lý đơn 4.3.2 Các kỹ thuật sở mạng Trong kỹ thuật sở mạng lại có phương pháp sử dụng rộng rãi sở góc, sở thời gian, sở cường độ tín hiệu nhận Ta xem xét nguyên lý phương pháp 4.3.2.1 Định vị sở góc (AOA) Trong phương pháp này, góc tới tín hiệu gửi mục tiêu định vị đo số máy thu cố định cách lái búp sóng anten định hướng hay mảng anten thích nghi Mỗi phép đo tạo thành đường hướng tâm từ máy thu tới mục tiêu định vị Trong định vị chiều vị trí mục tiêu xác định giao hai đường hướng tâm Trong thực tế nhiều hai máy thu dùng để chống lại không xác ảnh hưởng hiệu ứng đa đường Phương pháp có ưu điểm không yêu cầu việc đồng máy thu tham chiếu thời gian xác Mặt khác, máy thu cần hiệu chuẩn thường xuyên dể bù lại biến thiên nhiệt độ không phối hợp anten Không tính tổng quát, giả sử biết tọa độ hai máy thu (0,0) cho máy thu số (0,y2) cho máy thu số Cho α β tương ứng góc tới tín hiệu từ mục tiêu Tại máy thu máy thu xác định đường thẳng bởi: y = tan(α)x (4.2) y = tan(β)x + y2 (4.3) Thay biểu thức (3.2) vào (3.3) ta được: x  xo  y2 tan    tan   (4.4) Thay x0 vào biểu thức (4.2) cho y0, điểm xác định (x0,yo) vị trí cần tìm Hình 4.2 giải thích phương pháp AOA: 66 Hình 4.2: Nguyên lý định vị AOA 4.3.2.2 Định vị sở thời gian a) Thời gian tín hiệu đến (TOA) Các thông tin liên quan tới khoảng cách cặp nút A B nhận nhờ sử dụng phép đo độ trễ lan truyền tín hiệu, hay thời gian bay tới (TOF) τf=d/c d khoảng cách thực c tốc độ lan truyền sóng điện từ (c=3.108 m/s) Có hai loại kỹ thuật TOA chiều TOA hai chiều Mỗi kỹ thuật mô tả ngắn gọn sau:  Định vị TOA chiều Tại thời điểm t1, nút A truyền tới nút B gói bao gồm dấu thời gian t1 mà thời điểm mà gói A gửi Nút B nhận gói thời điểm t2 Trong điều kiện lý tưởng, đồng hồ nút đồng hoàn hảo với thời gian tham chiếu, cách rõ ràng τf hoàn toàn có thể xác định nút B (τf=t2-t1), từ khoảng cách ước lượng Lỗi không đồng ảnh hưởng đáng kể tới lỗi định vị Ví dụ, đồng hồ không xác 1µs dẫn tới vị trí sai 300m  Định vị TOA hai chiều Trong định vị hai chiều hệ thống ước lượng thời gian tín hiệu mà thời gian tham chiếu chung Nút A truyền gói tới nút B, mà trả lời cách truyền gói xác nhận đến A sau trễ phản hồi τd Thời gian A xác định τKH=2τf+τd mà khoảng cách ước tính giả sử τd biết 67 Trong định vị hai chiều loại bỏ lỗi đồng không hoàn hảo nút độ trôi đồng hồ tương đối ảnh hưởng tới độ xác định vị Trong thực tế, trễ lan truyền ứng dụng nhà thường vào cỡ nano giây, trễ phản hồi τd vài micro giây đồng bít trễ ước lượng kênh Vì độ lệch nhỏ đồng hồ nút tương ứng với lỗi lớn việc ước lượng τd lỗi cộng tính τd Thêm nữa, kỹ thuật chịu ảnh hưởng lớn hiệu ứng đa đường Với phương pháp TOA, thời gian mà tín hiệu gửi mục tiêu định vị đo máy thu Cho thời gian lan truyền tín hiệu biết tỉ lệ thuận với khoảng cách được, thời gian đo cung cấp vòng tròn có bán kính biểu diễn khoảng cách mục tiêu máy thu, mà sau máy thu đặt làm tâm Trong định vị hai chiều yêu cầu vòng tròn Giả sử biết tọa độ ba máy thu, việc rút vị trí đơn giản Không tính tổng quát, giả sử tọa độ là: Máy thu : (0, 0) Máy thu : (0, y2) Máy thu : (x3 , y3) Cho t1, t2, t3 biểu thị thời gian mà tín hiệu cần để truyền từ mục tiêu định vị tới máy thu tương ứng c biểu thị tốc độ lan truyền tín hiệu, khoảng cách mục tiêu máy thu cho bởi: d  c.t1  x  y d  c.t  x   y  y  d  c.t  (4.5)  x  x 2   y  y 2 (4.6) (4.7) Mỗi phương trình xác định vòng tròn mà x y ẩn số chưa biết Bình phương hai vế phương trình vận dụng số phép biến đổi cho ta: y y 22  d 12  d 22 y2 (4.8) Thay biểu thức (4.8) vào (4.5) cho hai giá trị x Chỉ có giá trị số giá trị khả với cách tính toán vị trí cần tìm 68 b) Kỹ thuật hiệu số thời gian đến (TDOA) Hệ thống định vị dựa TDOA không dựa khoảng cách tuyệt đối ước lượng cặp nút Hệ thống thường sử dụng hai phương án sau: đầu tiên, nhiều tín hiệu phát từ nút cố định đồng nằm vị trí biết trạm đo sai khác thời gian đến(tương tự kỹ thuật sử dụng GPS) Trong phương án thứ 2, tín hiệu tham chiếu phát trạm nhận vài neo Các neo chia sẻ TOA ước lượng tính toán TDOA Thông thường neo đồng thông qua kết nối mạng có dây Để tính toàn vị trí trạm, ba neo với vị trí biết yêu cầu cần hai phép đo TDOA Mỗi phép đo TDOA hiểu mặt hình học hyperbol hình thành tập điểm với hiệu khoảng cách không đổi (hiệu thời gian) tới hai neo Trong phương pháp TDOA sai khác thời gian mà tín hiệu từ mục tiêu định vị tới máy thu khác đo đạc Mỗi khoảng thời gian sai khác sau chuyển thành hypebol với sai khác khoảng cách không đổi hai máy thu Trong định vị hai chiều, yêu cầu cặp máy thu, vị trí giao điểm của hypebol tương ứng Kỹ thuật yêu cầu đồng đồng hồ máy thu, nhiên việc biết thời gian lan truyền tuyệt đối tín hiệu phát không cần thiết Một lần hiệu ứng lan truyền đa đường ảnh hưởng tới tính xác định vị Điều quan trọng lưu ý độ rộng băng thông tín hiệu rộng lỗi phép đo trở nên thấp Vị trí nhận giả sử biết tọa độ máy thu Không tính tổng quát, giả sử tọa độ là: Máy thu : (0, 0) Máy thu : (0, y2) Máy thu : (x3 , y3) Cho t1, t2, t3 biểu thị thời gian cần thiết để tín hiệu từ mục tiêu định vị tới máy thu tương ứng Khoảng cách mục tiêu máy thu cho bởi: 69 d1 = c.t1 (4.9) d2 = c.t (4.10) d3 = c.t (4.11) Giờ xác định hai hyperbol sử dụng thuật toán TDOA là: d 1,  d  d  ct  t1   x   y  y   x  y  x  x 2   y  y 2 d 1,  d  d  ct  t1   (4.12)  x2  y2 (4.13) Trong x y ẩn số Lấy bình phương (4.12) (4.13) ta được: 2d1, x  y  y 22  d 12,  2 y  y (4.14) 2d1,3 x  y  x 32  y 32  d 12,3  2 x x  2 y  y (4.15) Biết x2+y2 không Biểu thức (4.14) (4.15) dẫn tới: x =by+a (4.16) Trong đó: y d 1,3  y d 1, b (4.17) x d1, a x 32 d1,  y 32 d1,  y 22 d 1,3  d 12, d 1,3  d 1, d 12,3 (4.18) x d1, Thay (4.16) vào (4.14) cho ta: 2d 1, b   y  2ba  y  a  y 22  d 12,  2 y  y (4.19) Mà kết là: 4d b 1, 2           22 y  8bad 12,  y 22  d 12, y y  4a d 12,  y 22  d 12,   (4.20) Phương trình (4.20) phương trình bậc với hai nghiệm tọa độ y giao điểm hyperbol Thay ngược lại vào phương trình (4.16) cho ta tọa độ x tương ứng Để loại bỏ không rõ ràng xác định hyperbol sau: d 2,3  d  d  ct  t    x  x 2   y  y 2  x  y  y2  (4.20) Việc thay d1,3 d2,3 biểu thức (4.14) vào (4.20) tạo điểm Một điểm phù hợp với kết trước Điểm vị trí cần tìm Hình 4.4 minh hoạ 70 phương pháp định vị TDOA Hình 4.4: Nguyên lý định vị TDOA 4.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo khoảng cách vô tuyến Hầu hết hệ thống đo khoảng cách vô tuyến hoạt động việc phân biệt độ trễ pha chiều tín hiệu sóng mang điện từ đơn xung điều chế mục tiêu máy phát tham chiếu cách đo thời gian truyền lan chiều xung điện từ trường mã hóa điểm Đối với hệ thống xung khoảng cách tính cách nhân độ trễ trôi qua đo được, có tính đến thời gian trễ nội hệ thống, với vận tốc giả định việc lan truyền lượng điện từ trường Khoảng cách tính từ biểu thức: d c t m  td (4.22) Trong c vận tốc lan truyền giả thuyết (mét/giây), tm thời gian trễ hành trình (giây), td tổng thời gian trễ nội hệ thống (giây) Kết khoảng cách d đo mét Trong điều kiện lý tưởng với phép đo lặp lại khoảng thời gian trễ tm đo tương đối xác độ xác tăng kỹ thuật so pha điều chế dùng đến, chẳng hạn với 71 hệ thống hồng ngoại, vài hệ thống sóng cực ngắn UWB Tuy nhiên, hai hệ số phía bên phải biểu thức (4.22) phải chịu lỗi ngẫu nhiên lỗi hệ thống Chỉ cách để giảm thiểu tối đa nhiễu hiệu chỉnh bên bên thiết bị Toàn thời gian trễ bên hệ thống td hoàn toàn kiểm soát số hệ thống xung đại Việc điều khiển thường gọi tự kiểm định Còn hệ thống không bình thường khác hệ thống đo không ổn định vốn có kiểm soát hay sửa lỗi Do đó, cách độc lập, việc hiệu chỉnh phía phải thực lỗi nguồn trở nên đáng kể Kết hệ thống định vị sóng cực ngắn hiệu chuẩn đo khoảng cách với độ xác ± m and ± 10 m 4.4.3.1 Tốc độ lan truyền Sự thay đổi tốc độ lan truyền không khí có nguyên nhân thay đổi mật độ không khí dẫn tới thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí Ảnh hưởng tới hệ thống định vị sóng cực ngắn mặt đất rõ rệt so với sóng ánh sáng Giả sử ổn định thời gian hệ thống xung (tm t d) hay trình đo pha không đảm bảo, định kỳ điều chỉnh độc lậ p cần thiết để kiểm tra ổn định 4.4.3.2 Vấn đề anten Lan truyền sóng điện từ vấn đề phản xạ luôn phải quan tâm đến Thời tiết, mà đặc biệt nhiệt độ độ ẩm ảnh hưởng tới lan truyền không khí Các thành phần phản xạ không mong muốn tín hiệu nhận anten Các anten định hướng sử dụng để tăng cường độ tín hiệu vào hướng Điều hoàn toàn khả thi, ví dụ sử dụng tập anten thuật toán tạo búp sóng Phân cực tròn kỹ thuật sử dụng để giảm tượng đa đường Kỹ thuật khác sử dụng phân tập anten, mà thực chuyển đổi từ anten tới anten khác để giảm tượng fading đa đường 4.4.3.3 Hiệu tượng lan truyền đa đường Lan truyền đa đường lý lỗi hệ thống Các lỗi dẫn tới 72 tượng khó để phát Việc xem xét đa đường từ vị trí đặt anten, thiết kế anten, kỹ thuật điện tử bên lọc cần thiết để cần thiết để xác định giảm thiểu tượng lan truyền đa đường Anten không gian hay hệ thống với phân cực tròn khuyên dùng để giảm thiểu khả xảy tượng 73 Kết Luận Công nghệ truyền thông UWB công nghệ nhiều phạm vi ứng dụng nghiên cứu lý thuyết kiểm nghiệm thực tế Nội dung đồ án nêu phân tích vấn đề liên quan đến công nghệ Chương 1: Làm rõ vấn đề chuẩn hoá, ứng dụng, thách thức mà công nghệ UWB phải đối mặt, ưu điểm hệ thống Chương 2: Làm rõ nhiều vấn đề liên quan đến xử lý tín hiệu UWB dạng xung sử dụng UWB lựa chọn dạng thích hợp phương diện lý thuyết thực tế, phương pháp điều chế đánh giá so sánh cần thiết để lựa chọn phương pháp khả dụng nhất, phân tích ảnh hưởng đến truyền dẫn tín hiệu UWB, kỹ thuật đa truy nhập sử dụng khả ứng dụng UWB, phân tích vấn đề công suất sử dụng hệ thống Chương 3: Nêu kiến trúc tổng quan hệ thống UWB, có phân tích chưa sâu Chương tập chung vào vấn đề có liên quan dến thu tín hiệu UWB (phần quan trọng hệ thống) phân tích loại thu thường dùng hệ thống UWB (bộ thu sử dụng máy thu Rake), có kèm theo đánh giá mốt số tham số thu số lượng Rake finger Trong chương đề cập đến vấn đề hệ số PG UWB, tham số quan trọng định khả làm việc hệ thống điều kiện mức công suất phát thấp bị ràng buộc để giảm ảnh hưởng đến hệ thống vô tuyến tồn khác Chương 4: Công nghệ truyền thông UWB, nêu đặc điểm bật OFDM, để thấy khả ứng dụng OFDM UWB (sự kết hợp công nghệ) Trên vấn đề mà đồ án nghiên cứu công nghệ truyền thông UWB Đề tài chưa đề cập đến vấn đề như: Mô hình kênh, dung lượng hệ thống, anten sử dụng UWB, đồng hoá… Đó vấn đề mà đề mà phân tích kỹ điểm hấp dẫn Đề tài chưa phân tích sâu 74 loại thu tối ưu thống UWB, xu hướng phát triển chung đề tài Phụ Lục 1.Phụ lục A Vì có: GM  f    j   f  e   f 2 (A-1) Chúng ta có phổ lượng xung Gaussian đơn chu kỳ: GM  f    f  e  2 2  (A-2) Tần số trung tâm fc phải thoả mãn công thức:   d GM  f c  / df  2. f c  e  2 f c2  4. f c3  e  2 f c2 0 f c   f c3   2 f c2 2  (A-3) Do đó, chứng tỏ fc tỉ lệ với nghịch đảo  Bước xác định độ rộng băng 3dB phổ lượng xung đơn Tần số 3dB f3dB phải thoả mãn: GM  f 3dB   f 32dB   e 2 2 GM  f c  f 32dB (A-4) 2  f c2   e 2 f c  ln f 32dB  2 f 32dB   ln f c2  2 f c2 (A-5) Chúng ta giả thiết f3dB=mfc 2 f c2 =1, nên: ln  ln m  m  (A-6) Dựa hình 5-1, có giá trị m 0.48 1.64, độ rộng băng -3dB tính sau: BW3dB  1.64  0.48 f c  1.16 f c 75 (A-7) Hình 5-1: Minh hoạ cho phương trình A-5 Phụ lục B Công suất tín hiệu UWB phát tối đa theo đặc tả FCC là: PTx=-41.25dBm/MHz.7.5GHz=0.56 milliwatts=-32.5181dBW (B-1) Chúng ta giả thiết khoảng cách anten thu anten phát 10 mét, theo mô hình -1.9 LOS đề xuất Phillips Research Redhill: PRx e-1.9d PTx (B-2) Chúng ta có công suất tín hiệu UWB thu được: PRx_dB=10log(e-1.9)-32.5=-82.5160-32.5181=-115.0341 dBW (B-3) Dựa giả thiết tạp âm mạch điện từ tạp âm nhiệt, công suất tạp âm ước tính sau: PNoise_dB=10log(PNoise)+FLNA_dB =10log(k.T.B)+FLNA_dB =10log(k.298.11.4.109)+5 =-98.2900 dBW Trong k số Boltzmann, k=1.38x10-23J/K; T nhiệt độ tuyệt đối mạch điện, ví dụ 298 K; B độ rộng băng xung UWB thu được; FLNA_dB tạp âm LNA, dB sử dụng giá trị xấp xỉ Vì vậy, SNR tính toán dựa công suất tín hiệu UWB thu công suất tạp âm nhiệt: SNR=PRx_dB-PNoise_dB=-115.0341-(-98.2900)=-16.7441 dB (B-5) Phục lục C Sơ đồ khối phát tín hiệu OFDM: 76 Sơ đồ thu tín hiệu OFDM: 77 Tài liệu tham khảo R J Fontana and S Gunderson Ultra-wideband precision asset location system In UWBST 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, May 2002 2.John.Wiley.and.Sons.Ultra.Wideband.Signals.and.Systems.in.Communication.E ngineering G F Ross Transmission and reception system for generating and receiving base-band duration pulse signals without distortion for short base-band pulse communicaton system U.S Patent 3,728,632, April 1973 Time Domain http://www.timedomain.com XtremeSpectrum http://www.xtremespectrum.com ... gian, nên trọng tâm đồ án nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB lĩnh vực truyền thông, đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: Nghiên cứu Công nghệ truyền thông Ultra Wideband Nội dung đồ án tập... quan công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dưới cho thấy trình phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến Hình 1-1: Tổng quan hệ thống truyền thông. .. dung sau: Chương 1: Tổng quan công nghệ truyền thông UWB Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB Chương 3: Bộ thu phát tín hiệu truyền thông UWB Chương 4: Công nghệ truyền thông UWB Do nhiều hạn chế mặt