i Đại học quốc gia Hà nội Trờng đại học c«ng nghƯ T« Hång Nam NGHI£N CøU HƯ THèNG B¡NG CựC RộNG UWB V ứng dụng Luận văn thạc sĩ H N i - 2006 ii Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Tô Hồng Nam NGHI£N CøU HÖ THèNG B¡NG CùC RéNG UWB Vμ øng dụng Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ Điện tư - ViƠn th«ng : K thu t vơ n thông tin liên l c : 2.07.00 LuËn văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học PGS.TS Trần Hång Qu©n Hà N i - 2006 iii iv M CL C M C L C i THU T NG VI T T T vii DANH M C HÌNH V ix DANH M C B NG BI U xii M U .xiii CH NG GI I THI U T NG QUAN CÔNG NGH UWB 1.1 Gi i thi u chung 1.2 L ch s đ i 1.3 Ph m vi ho t đ ng c a UWB 1.4 Công ngh UWB 1.5 ng d ng c a UWB 1.6 Các v n đ k thu t c n l u ý 1.7 K t lu n 10 CH NG 12 NGHIÊN C U CÁC C TR NG C B N C A TÍN HI U VÀ CƠNG NGH UWB 12 2.1 Gi i thi u 12 2.2 M t đ ph n ng l ng 12 2.3 D ng xung 14 2.4 Dãy xung 17 2.5 M t n ph 19 2.6 Kh n ng ch ng đa đ ng 20 2.7 Kh n ng truy n qua v t ch t 23 2.8 Dung l ng không gian ph 23 2.9 T c đ truy n d li u 24 2.10 Tiêu th n ng l ng 25 2.11 T ng k t 26 CH NG 27 NGHIÊN C U CÁC GI I PHÁP K THU T TRUY N TÍN HI U B NG C C R NG TRÊN KÊNH VÔ TUY N 27 M đ u 27 3.1 Gi i thi u chung 27 3.1.1 H th ng đ n b ng 30 3.1.2 H th ng đa b ng 30 a a b ng xung 30 b a b ng d a OFDM 31 3.2 T o tín hi u UWB 33 U U v 3.2.1 c m c a tín hi u UWB 33 a nh ngh a 33 b M u xung đ n 35 3.2.2 Thi t k tín hi u UWB 37 a Nguyên t c 38 b Thi t k tín hi u 39 c Tính tốn cơng su t cho xung đ c phát l p 43 3.3 Các ph ng th c u ch UWB 45 3.3.1 i u ch v trí xung 47 3.3.2 i u ch khoá l ng tr c giao M m c (M-BOK) 49 3.3.3 i u ch phân c c xung, BPSK QPSK 50 3.3.4 i u ch biên đ xung 51 3.3.5 i u ch tham chi u phát 51 3.3.6 Nh n xét 53 3.4 Dãy xung 54 3.4.1 Chu i xung Gaussian 54 3.4.2 Mã PN 55 3.4.3 H th ng UWB PPM nh y th i gian 57 3.5 B phát UWB 59 3.5.1 Quá trình phát x xung h p 59 a Tr ng xa c a m t anten b t k 62 b Tr ng xa c a m t ngu n phát x nh lý t ng 64 3.5.2 S đ b phát 65 3.6 Truy n sóng tín hi u UWB môi tr ng vô n 66 3.6.1 Truy n tín hi u UWB khơng gian t 68 3.6.2 Truy n sóng v i s ph n x m t đ t 69 a Tín hi u UWB tín hi u u hồ theo th i gian v i m t l n ph n x m t đ t 71 3.6.3 Truy n sóng UWB tr ng h p đa đ ng vô n 72 a Truy n xung UWB qua m t nhà 73 3.6.4 Mơ hình truy n sóng tham s 76 3.7 B thu UWB 77 3.7.1 Nguyên t c 77 a Thu tín hi u UWB 78 b T p âm nhi u 78 3.7.2 S đ kh i b thu 80 a Tách tín hi u 81 b Tích phân xung 81 c Bám 81 3.7.3 Hi u su t b thu tách tín hi u 82 vi 3.8 a truy c p UWB 85 3.8.1 Nh y th i gian (TH) 86 3.8.2 Tr i ph tr c ti p (DS) 88 3.9 Các gi i h n dung l ng h th ng UWB 89 3.9.1 Các gi i h n thông tin 90 a T p âm 90 b Công th c dung l ng c a Shannon 91 c Hi u su t thông tin c a ph ng pháp u ch khác 94 3.9.2 Các gi i h n c b n c a h th ng UWB 95 a Gi i h n c b n đ i v i h th ng UWB 96 b Gi i h n c b n so v i h th ng vô n thông th ng 99 3.10 nh h ng nhi u qua l i gi a h th ng truy n thông UWB 101 3.10.1 Các m ng n i h t không dây (WLAN) 101 3.10.2 Bluetooth 103 3.10.3 GPS 104 3.10.4 Các h th ng thông tin t bào 104 K t lu n 105 CH NG 106 TÌNH HÌNH TRI N KHAI CÁC NG D NG B NG C C R NG 106 M đ u 106 4.1 ng d ng quân s 106 4.1.1 H th ng đ nh v xác 106 4.2 Các ng d ng th ng m i 107 4.2.1 Time Domain PulsON 200 108 4.2.2 B t o tín hi u UWB c a Time Domain 109 4.2.3 XtremSpectrum 110 4.2.4 T p đoàn Intel 110 4.2.5 Motorola 111 4.2.6 Phòng thí nghi m nghiên c u truy n thông (CRL) 111 4.2.7 General atomics 112 4.2.8 Wisair 112 4.2.9 M ng gia đình thi t b n t dân d ng 113 4.2.10 H th ng đ nh v xác 115 K t lu n 116 K T LU N 118 TÀI LI U THAM KH O 119 vii THU T NG VI T T T CEPT European Conference of Postal and Telecommunications CE Consumer electronics DAN Device Area Network dB decibel dBi antenna gain, dB referenced to isotropic radiation dBm dB relative to one milliwatt DPSK Differential Phase Shift Keying DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Eb Bit energy eb Communication efficiency, relative efficiency, dB Eb/N0 Bit energy to noise-density ratio EIRP Effective Isotropically Radiated Power ETSI European Technical Standards Institute FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet protocol ISO International Standards Organization ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network LLC Logical Link Control LOS Line of Sight (propagation) MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network M-BOK M-ary Bi-Orthogonal Keying N0 Noise density, W/Hz NLOS Non-line of sight (propagation) viii OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OOK On–Off keying PAM Pulse Amplitude Modulation PAN Personal Area Network Pd Power density, W/m2 PHY Physical layer PN Pseudo-random Noise PPM Pulse Position Modulation PR Pseudo Random PRF Pulse Repetition Frequency PRI Pulse Repetition Interval PSD Power Spectral Density PSM Pulse Shape Modulation PVT Process, power supply Voltage and Temperature QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RFIC Radio Frequency Integrated Circuit RMS Root Mean Square RX Receiver, Receiver port SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio SNR Signal-to-Noise Ratio TCP/IP Terminal Control Protocol/Internet Protocol TDMA Time Division Multiple Access UWB Ultra-WideBand WAN Wide Area Network WLAN Wireless Local Area Network ix DANH M C HÌNH V Hình 1.1: S h i t c a thi t b Hình 1.2: So sánh tín hi u b ng h p NB, tr i ph SS UWB Hình 1.3: Các k t n i PC qua UWB Hình 1.4: H th ng thi t b gi i trí Hình 1.5: L p giao th c ng d ng cho UWB 10 Hình 2.1: Các h th ng m t đ n ng l ng th p cao 14 Hình 2.2: Xung UWB lý t ng 15 Hình 2.3: M ch đ n gi n đ t o xung Gaussian kép 16 Hình 2.4: Chi ti t xung đ c t o h th ng UWB n hình 17 Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Ph c a dãy xung UWB 18 Hình 2.6: Ph c a dãy xung b d ch v phía tr c sau so v i danh đ nh 19 Hình 2.7: M t n ph qui đ nh b i FCC cho h th ng UWB nhà 20 Hình 2.8: Xung đ c truy n b ph n x t o xung đ n phía thu v i th i gian tr khác 21 Hình 2.9: Kho ng cách hai xung l n h n đ r ng xung s không gây can nhi u 21 Hình 2.10: (a) Hai xung UWB ch ng l n (b) D ng sóng thu đ c g m xung b ch ng l p 22 Hình 3.1: M t n ph h th ng UWB nhà theo quy đ nh c a FCC 28 Hình 3.2 : Ph c a h th ng UWB so v i h th ng hi n có 28 Hình 3.3: Tín hi u ph c a UWB đ n b ng đa b ng 29 Hình 3.4: S d ng b ng t n đ tránh nhi u không mong mu n 30 Hình 3.5: Truy n d n thông tin cho h th ng đa b ng d a vào xung 31 Hình 3.6: nh h ng c a chu k l p xung đ i v i nhi u xung t i b thu 32 Hình 3.7: Mơ hình t ng qt h th ng truy n thông 32 Hình 3.8: M t s gi i h n thi t k đ i v i h th ng UWB 34 Hình 3.9: Các m thi t k tín hi u UWB 35 Hình 3.10: Mơ hình đ n gi n t o tín hi u Gaussian double 37 Hình 3.11: Chi ti t h th ng truy n thông UWB 37 (a) Chu i xung ch nh t (b) Chu i xung d ng Gaussian 37 (c) Xung đ o hàm b c (d) Các xung Gaussian double 37 Hình 3.12: Các xung h p có th t o tín hi u UWB 38 Hình 3.13: u c a m t m ch logic t o tín hi u UWB, s d ng m t b l c thông d i nh m thu đ c b ng mong mu n 39 Hình 3.14: Các bi u di n theo mi n th i gian t n s c a m t xung d a c p bi n đ i Fourier 40 x Hình 3.15: Các tín hi u mi n th i gian tr n cơng su t n m ngồi b ng t n mong mu n bé 41 Hình 3.16: Các tín hi u mi n th i gian khác có b ng thơng, nh ng cơng su t n m ngồi b ng thơng khác 42 Hình 3.17: Cơng su t kh d ng đ i v i b ng UWB v i m t tín hi u UWB th c t 44 Hình 3.18: Các xung ch a u ch đ c phát v i m t t n s c th t o thành v ch ph 45 Hình 3.19: Các ph ng th c u ch UWB 46 Hình 3.20: So sánh u ch PPM u ch BPSK UWB 47 Hình 3.21: Các d ng xung PPM v i bit 48 Hình 3.22: Xác su t l i v i lo i u ch khác 50 Hình 3.23: Xác su t l i v i u ch PAM 51 Hình 3.24: B phát thu TR-UWB 52 Hình 3.25: Xác su t l i đ i v i u ch TR 53 Hình 3.26: M t b phát xung UWB 53 Hình 3.27: Chu i xung Gaussian kép mi n th i gian t n s 55 Hình 3.28: Xung Gaussian, đ n, kép mi n th i gian t n s 56 Hình 3.29: u c a h th ng u ch v trí xung nh phân, nh y th i gian 58 Hình 3.30: Anten ch n t v i dòng n m t J(r,, ) 61 Hình 3.31: M t ch n t b ng r ng 63 Hình 3.32: Tr ng phát t i anten tr ng phát t i h ng khác 64 Hình 3.33: Anten phát vô nh 65 Hình 3.34: S đ kh i phát UWB 66 Hình 3.35: Tr i n ng l ng c a m t tín hi u theo hình c u 68 Hình 3.36: 70 (a) Tia tín hi u b ng h p UWB t i tr c ti p 70 (b) Tia tín hi u b ng h p UWB b ph n x 70 (c) Tia tín hi u b ng h p UWB t i tr c ti p b ph n x mơ hình truy n sóng hai tia 70 Hình 3.37: Các xung ch ng lên không ch ng lên 71 Hình 3.38: c tính suy hao truy n sóng UWB (đ ng in đ m) sóng u hồ g n m t đ t 72 Hình 3.39: Minh ho m t ngu n UWB truy n sóng tồ nhà 73 Hình 3.40: Mơ ph ng th i m b t đ u phát x c a m t tín hi u 74 Hình 3.41 : Mô ph ng truy n xung xuyên qua b c t ng 74 Hình 3.42: Mô ph ng ti ng v ng đa đ ng 74 Hình 3.43: Mơ ph ng ti ng v ng đa đ ng sau m t sóng truy n qua 75 Hình 3.44: Mô ph ng xung UWB ch m t i m t v t ch n 75 105 K t lu n H th ng UWB có th đ c chia thành hai nhóm: đ n b ng đa b ng H th ng UWB đa b ng có hai d ng u ch có th đ c dùng đ truy n t i thông tin m i b ng D ng th nh t s d ng k thu t ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao (OFDM), thích h p cho h th ng UWB đa b ng d a OFDM D ng th hai dùng đ n sóng mang đ truy n m i b ng thích h p cho h th ng UWB d a m t xung đa b ng Tiêu chu n cho phép ch p nh n ph bi n r ng rãi s n ph m t nhi u nhà s n xu t c p thi t b v i m t m c chi phí t i thi u, gi m chi phí đ i v i khách hàng Hi n nay, ch có t ch c IEEE ETSI phát tri n tiêu chu n liên quan đ n 25 UWB IEEE, v i h tiêu chu n 802, phát tri n m t l p v t lý vô n t c đ d li u cao cho chu n WPAN 802.15.3a Châu Âu, ETSI phát tri n tiêu chu n đo ki m ch tiêu nh m h tr cho nghiên c u chia s ph t n, k t qu s quy đ nh UWB xu t ph xung, ph Châu Âu IEEE 802.15.3a đ ng pháp tri n khai công ngh UWB, bao g m d ng vô n d ng ng pháp chu i tr c ti p, ki u vô n b ng h p gi ng nh OFDM v i tham s cho phép m r ng b ng t n 500 MHz M t nh ng ti m n ng c a UWB kh n ng đo đ c đ nh v v i đ xác cao, u khơng d th c hi n đ i v i h th ng b ng h p Các n l c chu n hoá c a t ch c tiêu chu n cho phép kh ng đ nh t ng lai c a công ngh UWB l nh v c thông tin vô n cá nhân Do đ c m b ng t n tr i r t r ng nên v n đ nh h ng nhi u qua l i gi a h th ng truy n thông vô n b ng h p khác v i h th ng UWB có ý ngh a quy t đ nh đ n tính hi n th c c a h th ng UWB V n đ đ ti t ch c xem xét chi ng có th k t lu n h th ng UWB ho t đ ng tho mãn m t n ph công su t c a FCC có th ho t đ ng đ ng th i h th ng b ng h p khác mà khơng có hi n t ng gây nhi u đáng k Ch l u ý đ i v i h th ng WLAN ho t đ ng b ng t n trung tâm c a UWB nên b thu phát c a hai h th ng không nên đ t g n 106 CH NG TÌNH HÌNH TRI N KHAI CÁC NG D NG B NG C C R NG M đ u Có nhi u ng d ng b ng c c r ng c l nh v c quân s dân s , u th c s phát tri n ch s n ph m th c t Dù ch ng ch cung c p t ng quan m t vài ng d ng tiêu bi u, đem đ n cho nh ng thông tin v nh ng ng d ng tri n khai nh ng ng d ng k ho ch cho t th ng m i c bi t ti p theo nh ng k ho ch đ n nh ng ng d ng radar, mà có l đ ng lai ta không xem xét c phát tri n nh t c a ng d ng UWB H n n a, ta t p trung vào truy n thông, quan tâm tr c h t đ n s n ph m tiêu dùng Ti c r ng, l nh v c m i ch b t đ u có nh ng thành qu d ng chipset s n ph m th nghi m Nh m t th nghi m quân s th xác quân s đ ng m i xem xét s đ nh v c xây d ng b i gi i pháp đa ph [11] i v i chipset ta th y s kh i đ ng UWB, Time Domain XtremeSpectrum, s n xu t chipset ch c n ng 4.1 ng d ng quân s C ng nh nhi u công ngh truy n thông vô n, quân s đ ng l c ch y u cho phát tri n c a UWB Th c t , ng d ng radar đ quân s nhi u n m Hãy xem m t s l c phát tri n ng l n ví d radar UWB [6] 4.1.1 H th ng đ nh v xác S d ng khía c nh đ nh v truy n thông c a UWB, m t ng d ng quân s c c k lý thú h th ng đ nh v tài s n c a Multispectral Solution US Navy [11] H th ng này, quân s thi t k , ng d ng th ng m i, ch ng ph i thi t b t n công hay b o v , nh ng h th ng vô n c i thi n ngành h u c n nh đ nh v container v t th l n khác ph m vi m t tàu h i quân m i lúc Lý c a s phát tri n UWB h th ng đ nh v tài s n xác (PAL) s di chuy n c ng k nh c a l c l ng quân s có th t i 40.000 container lên tàu; 107 nhiên, h n m t n a, kho ng 25.000 container, đ c m đ ki m tra bên sai ho c m t hố đ n Trong tàu h i quân, th nh n d ng vô n b ng h p khơng th ho t đ ng đ c nhi u đa đ ng nhi u (ngh a tr i tr l n) đ xác có gi i quy t u h th ng UWB PAL đ i h n H th ng bao g m th UWB đ t thi t b , v trí c a đ toán thi t b thu đ cđ t m t v trí c đ nh hàng hố t c tính ng ng v i v trí th Các th UWB g m b phát xung ng n công su t đ nh kho ng 250mW M i thông tin g m 40 bit đ c l p l i kho ng giây B ng thông t c th i c a xung phát kho ng 400 MHz Trong h th ng này, y u t xung có đ r ng ng n đ gian xác c a tín hi u t m i m t th đ Các th nghi m đ s , kích th c dùng đ t o kho ng th i c nh n d ng đ n nh t c th c hi n h th ng khoang hàng c a tàu quân c kho ng 25m x 30m x 9m Hàng hoá g m container tiêu chu n ISO 20 fit đ c x p lên xe t i HMMWV Các th đ c đ t c a container HMMWV sai l ch c a h th ng 1-2 m đ i v i container x p ch ng đ n kho ng 4m v i x p ch ng đôi Tu thu c vào vi c ki m tra th , đ xác d i 1m kh thi Ngồi xác đ nh mơi tr giây, m c l n h n mơi tr đ ng nhi u đa đ ng, ch r ng tr i tr micro ng nhà khác, nh v n phòng ch ng h n a ng mi n t n s vô hi u gi a 30-40dB H th ng PAL ch tri n v ng c a truy n thông UWB d i ng d ng xung ng n có th cho k t qu c c k xác, th m chí mơi tr đ ng nhi u đa ng K t lu n cho ng d ng th UWB th c hi n t t h n th nh n d ng vô n b ng h p hi n 4.2 Các ng d ng th Hi n s l giai đo n th ng ng d ng công ngh UWB v ng m i t qua giai đo n th nghi m đ n ng m i Các thi t b tiêu dùng d n đ u Ph n l n thi t 108 b UWB đ c s d ng bó h p ph hay quân s , ch y u thi t b radar UWB, mà lu n v n không tr ng nghiên c u Tuy nhiên r t nhi u công ty n t dân d ng ch đ ng phát tri n chipset ng d ng vô n có s d ng l p v t lý c a UWB Sau s li t kê vài công ty lo i gi i thi u d ki n c a h đ i v i ng d ng UWB th ng m i 4.2.1 Time Domain PulsON 200 Time Domain [13] phát tri n chipset UWB th ng m i hoá chi nhánh PulsON Th h đ u tiên PulsON 100, hi n PulsON 200 chipset ng lai t o dòng s n ph m c a h Time Domain công ty đ u tiên v t qua th t c ch ng ch FCC cho m t s n ph m truy n thông S n ph m đ c t bi t đ n v i tên PulsON 200 Evaluation Kit Nó c s chung giúp cho nhà thi t k t o s n ph m tiêu dùng, g m c thông tin vô n, dò tìm radar nh c a radio vô n phát tri n cho PulsON 200 Evaluation Kit đ c ch hình 4.1 Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios PulsON 200 Evaluation Kit có t c đ d li u t i đa kho ng 9,6 Mbps v i kho ng cách 10m mơi tr tr ng nhà ng t có ch ng ng i v t x p x 7m mơi ho c v n phòng Các thơng s chi ti t c a PulsON 200 Evaluation Kit xem b ng 4.1 109 Tham s Giá tr T n s xung l p l i T c đ d li u 9,6 MHz 9,6; 4,8; 2,4; 1,2; 0,6; 0,3; 0,15; 0,075 Mbps T n s trung tâm B ng thông 4,7 GHz 3,2 GHz (10dB radiated) Công su t phát x đ ng h -11,5 dBm ng hi u d ng (EIRP) Công su t tiêu th 12,2 W (transmit) 11,9 W (receive) Tho mãn FCC i u ch Part 15,517; 15,209 Bi-phase, quadrature flip-time modulation B ng 4.1: Thông s k thu t c a PulsON 200 Evaluation Kit Version t ng lai c a PulsON phát tri n cho b ng t n cao thi t b tiêu dùng công su t th p v i ng d ng c b n c a đa ph ng ti n vô n 4.2.2 B t o tín hi u UWB c a Time Domain Time Domain phát tri n b t o tín hi u v i ch c n ng t ng t nh máy phát UWB Nó có th s d ng vi c k t n i v i máy hi n sóng s đ mơ t kênh UWB Nó c ng có th đ nh h c s d ng v i thi t b UWB khác đ ki m tra ng c a nhi u s t n t i nh c a b t o PulsON 200 xem hình 4.2 Hình 4.2: B t o tín hi u UWB PulsON 200 110 4.2.3 XtremSpectrum XtremSpectrum [15] phát tri n chip cho ng d ng UWB Chipset có tên XS100 TRINITY Bao g m chip ngo i vi RF XSI102, b phát đáp RF XSI112, b ng s c s XSI122 u n truy nh p media MAC (XSI141) Các chip đ c s n xu t dùng công ngh CMOS 0,18 micromet SiGe có giá thành th p Ngo i vi RF bao g m ch y u b khuy ch đ i t p âm th p đ khuy ch đ i tín hi u UWB thu đ c H s khuy ch đ i t i đa 20dB, t i thi u 0dB Nhi u 5,6 dB B phát đáp RF g m b thu, phát, đ nh th i, u n Chip b ng c s s g m m t b ADC, m ch b ng c s giao di n v i chip MAC Anten vô h chi u di n tích 2,5 cm2 c ng đ chipset đ c ch t o Các thông s chi ti t c a TRYNITY c ch b ng 4.2 Tham s Giá tr B ng t n 3,1-10,6 GHz Giao th c MAC IEEE 802.15.3 Kho ng cách 10 m i u ch L D ng xung ng c c (Bi-phase) Monocycle T c đ d li u N ng l ng ph ng, 25, 50, 75, 100 (Mbps) ng tiêu th 200 mW Công su t 10 No PC 32 No Other