Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

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 Ni - 2006 ii Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Tô Hồng Nam NGHIÊN CøU HƯ THèNG B¡NG CùC RéNG UWB Vμ øng dơng Ngành Chuyên ngành MÃ số : Công nghệ Điện tử - ViƠn th«ng : Kỹ thuật vơ tuyến thơng tin liờn lc : 2.07.00 Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học PGS.TS Trần Hồng Quân H Ni - 2006 iii iv MỤC LỤC MỤC LỤC .i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU .xiii CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Lịch sử đời .1 1.3 Phạm vi hoạt động UWB .3 1.4 Công nghệ UWB 1.5 Ứng dụng UWB 1.6 Các vấn đề kỹ thuật cần lưu ý 1.7 Kết luận 10 CHƯƠNG 12 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ CÔNG NGHỆ UWB 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Mật độ phổ lượng 12 2.3 Dạng xung 14 2.4 Dãy xung 17 2.5 Mặt nạ phổ 19 2.6 Khả chống đa đường 20 2.7 Khả truyền qua vật chất 23 2.8 Dung lượng không gian phổ 23 2.9 Tốc độ truyền liệu 24 2.10 Tiêu thụ lượng 25 2.11 Tổng kết 26 CHƯƠNG 27 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU BĂNG CỰC RỘNG TRÊN KÊNH VƠ TUYẾN 27 Mở đầu .27 3.1 Giới thiệu chung 27 3.1.1 Hệ thống đơn băng 30 3.1.2 Hệ thống đa băng 30 a Đa băng xung .30 b Đa băng dựa OFDM 31 3.2 Tạo tín hiệu UWB 33 U U v 3.2.1 Đặc điểm tín hiệu UWB .33 a Định nghĩa 33 b Mẫu xung đơn 35 3.2.2 Thiết kế tín hiệu UWB 37 a Nguyên tắc 38 b Thiết kế tín hiệu 39 c Tính tốn cơng suất cho xung phát lặp .43 3.3 Các phương thức điều chế UWB 45 3.3.1 Điều chế vị trí xung .47 3.3.2 Điều chế khoá lưỡng trực giao M mức (M-BOK) 49 3.3.3 Điều chế phân cực xung, BPSK QPSK 50 3.3.4 Điều chế biên độ xung 51 3.3.5 Điều chế tham chiếu phát 51 3.3.6 Nhận xét 53 3.4 Dãy xung 54 3.4.1 Chuỗi xung Gaussian 54 3.4.2 Mã PN 55 3.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 57 3.5 Bộ phát UWB .59 3.5.1 Quá trình phát xạ xung hẹp 59 a Trường xa anten 62 b Trường xa nguồn phát xạ nhỏ lý tưởng 64 3.5.2 Sơ đồ phát .65 3.6 Truyền sóng tín hiệu UWB mơi trường vơ tuyến 66 3.6.1 Truyền tín hiệu UWB khơng gian tự 68 3.6.2 Truyền sóng với phản xạ mặt đất 69 a Tín hiệu UWB tín hiệu điều hồ theo thời gian với lần phản xạ mặt đất 71 3.6.3 Truyền sóng UWB trường hợp đa đường vô tuyến 72 a Truyền xung UWB qua tồ nhà 73 3.6.4 Mơ hình truyền sóng tham số 76 3.7 Bộ thu UWB .77 3.7.1 Nguyên tắc 77 a Thu tín hiệu UWB 78 b Tạp âm nhiễu 78 3.7.2 Sơ đồ khối thu 80 a Tách tín hiệu 81 b Tích phân xung 81 c Bám .81 3.7.3 Hiệu suất thu tách tín hiệu 82 vi 3.8 Đa truy cập UWB 85 3.8.1 Nhảy thời gian (TH) 86 3.8.2 Trải phổ trực tiếp (DS) 88 3.9 Các giới hạn dung lượng hệ thống UWB 89 3.9.1 Các giới hạn thông tin 90 a Tạp âm 90 b Công thức dung lượng Shannon 91 c Hiệu suất thông tin phương pháp điều chế khác 94 3.9.2 Các giới hạn hệ thống UWB 95 a Giới hạn hệ thống UWB 96 b Giới hạn so với hệ thống vô tuyến thông thường .99 3.10 Ảnh hưởng nhiễu qua lại hệ thống truyền thông UWB 101 3.10.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) 101 3.10.2 Bluetooth 103 3.10.3 GPS 104 3.10.4 Các hệ thống thông tin tế bào 104 Kết luận 105 CHƯƠNG 106 TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG BĂNG CỰC RỘNG 106 Mở đầu 106 4.1 Ứng dụng quân 106 4.1.1 Hệ thống định vị xác 106 4.2 Các ứng dụng thương mại 107 4.2.1 Time Domain PulsON 200 108 4.2.2 Bộ tạo tín hiệu UWB Time Domain 109 4.2.3 XtremSpectrum 110 4.2.4 Tập đoàn Intel 110 4.2.5 Motorola 111 4.2.6 Phịng thí nghiệm nghiên cứu truyền thông (CRL) 111 4.2.7 General atomics 112 4.2.8 Wisair 112 4.2.9 Mạng gia đình thiết bị điện tử dân dụng 113 4.2.10 Hệ thống định vị xác 115 Kết luận 116 KẾT LUẬN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 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 MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự hội tụ thiết bị Hình 1.2: So sánh tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS UWB Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí Hình 1.5: Lớp giao thức ứng dụng cho UWB 10 Hình 2.1: Các hệ thống mật độ lượng thấp cao .14 Hình 2.2: Xung UWB lý tưởng .15 Hình 2.3: Mạch đơn giản để tạo xung Gaussian kép 16 Hình 2.4: Chi tiết xung tạo hệ thống UWB điển hình 17 Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Phổ dãy xung UWB 18 Hình 2.6: Phổ dãy xung bị dịch phía trước sau so với danh định 19 Hình 2.7: Mặt nạ phổ qui định FCC cho hệ thống UWB nhà .20 Hình 2.8: Xung truyền bị phản xạ tạo xung đến phía thu với thời gian trễ khác 21 Hình 2.9: Khoảng cách hai xung lớn độ rộng xung không gây can nhiễu 21 Hình 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng sóng thu gồm xung bị chồng lấp 22 Hình 3.1: Mặt nạ phổ hệ thống UWB nhà theo quy định FCC .28 Hình 3.2 : Phổ hệ thống UWB so với hệ thống có 28 Hình 3.3: Tín hiệu phổ UWB đơn băng đa băng 29 Hình 3.4: Sử dụng băng tần để tránh nhiễu không mong muốn 30 Hình 3.5: Truyền dẫn thơng tin cho hệ thống đa băng dựa vào xung 31 Hình 3.6: Ảnh hưởng chu kỳ lặp xung nhiễu xung thu 32 Hình 3.7: Mơ hình tổng qt hệ thống truyền thơng .32 Hình 3.8: Một số giới hạn thiết kế hệ thống UWB 34 Hình 3.9: Các điểm thiết kế tín hiệu UWB 35 Hình 3.10: Mơ hình đơn giản tạo tín hiệu Gaussian double 37 Hình 3.11: Chi tiết hệ thống truyền thơng UWB 37 (a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian 37 (c) Xung đạo hàm bậc (d) Các xung Gaussian double .37 Hình 3.12: Các xung hẹp tạo tín hiệu UWB .38 Hình 3.13: Đầu mạch logic tạo tín hiệu UWB, sử dụng lọc thơng dải nhằm thu băng mong muốn 39 Hình 3.14: Các biểu diễn theo miền thời gian tần số xung dựa cặp biến đổi Fourier 40 x Hình 3.15: Các tín hiệu miền thời gian trơn cơng suất nằm băng tần mong muốn bé 41 Hình 3.16: Các tín hiệu miền thời gian khác có băng thơng, cơng suất nằm ngồi băng thơng khác 42 Hình 3.17: Công suất khả dụng băng UWB với tín hiệu UWB thực tế 44 Hình 3.18: Các xung chưa điều chế phát với tần số cụ thể tạo thành vạch phổ 45 Hình 3.19: Các phương thức điều chế UWB 46 Hình 3.20: So sánh điều chế PPM điều chế BPSK UWB .47 Hình 3.21: Các dạng xung PPM với bit .48 Hình 3.22: Xác suất lỗi với loại điều chế khác 50 Hình 3.23: Xác suất lỗi với điều chế PAM 51 Hình 3.24: Bộ phát thu TR-UWB 52 Hình 3.25: Xác suất lỗi điều chế TR 53 Hình 3.26: Một phát xung UWB 53 Hình 3.27: Chuỗi xung Gaussian kép miền thời gian tần số 55 Hình 3.28: Xung Gaussian, đơn, kép miền thời gian tần số 56 Hình 3.29: Đầu hệ thống điều chế vị trí xung nhị phân, nhảy thời gian 58 Hình 3.30: Anten chấn tử với dịng điện mặt J(r,,τ) 61 Hình 3.31: Một chấn tử băng rộng 63 Hình 3.32: Trường phát anten trường phát hướng khác 64 Hình 3.33: Anten phát vô nhỏ 65 Hình 3.34: Sơ đồ khối phát UWB 66 Hình 3.35: Trải lượng tín hiệu theo hình cầu 68 Hình 3.36: 70 (a) Tia tín hiệu băng hẹp UWB tới trực tiếp .70 (b) Tia tín hiệu băng hẹp UWB bị phản xạ 70 (c) Tia tín hiệu băng hẹp UWB tới trực tiếp bị phản xạ mơ hình truyền sóng hai tia 70 Hình 3.37: Các xung chồng lên không chồng lên 71 Hình 3.38: Đặc tính suy hao truyền sóng UWB (đường in đậm) sóng điều hồ gần mặt đất 72 Hình 3.39: Minh hoạ nguồn UWB truyền sóng tồ nhà .73 Hình 3.40: Mô thời điểm bắt đầu phát xạ tín hiệu .74 Hình 3.41 : Mơ truyền xung xuyên qua tường 74 Hình 3.42: Mơ tiếng vọng đa đường 74 Hình 3.43: Mơ tiếng vọng đa đường sau mặt sóng truyền qua 75 Hình 3.44: Mơ xung UWB chạm tới vật chắn 75 105 Kết luận Hệ thống UWB chia thành hai nhóm: đơn băng đa băng Hệ thống UWB đa băng có hai dạng điều chế dùng để truyền tải thông tin băng Dạng thứ sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), thích hợp cho hệ thống UWB đa băng dựa OFDM Dạng thứ hai dùng đơn sóng mang để truyền băng thích hợp cho hệ thống UWB dựa xung đa băng Tiêu chuẩn cho phép chấp nhận phổ biến rộng rãi sản phẩm từ nhiều nhà sản xuất cấp thiết bị với mức chi phí tối thiểu, giảm chi phí khách hàng Hiện nay, có tổ chức IEEE ETSI phát triển tiêu chuẩn liên quan đến 25 UWB IEEE, với họ tiêu chuẩn 802, phát triển lớp vật lý vô tuyến tốc độ liệu cao cho chuẩn WPAN 802.15.3a Ở Châu Âu, ETSI phát triển tiêu chuẩn đo kiểm tiêu nhằm hỗ trợ cho nghiên cứu chia sẻ phổ tần, kết quy định UWB Châu Âu IEEE 802.15.3a đề xuất phương pháp triển khai công nghệ UWB, bao gồm dạng vô tuyến dạng xung, phương pháp chuỗi trực tiếp, kiểu vô tuyến băng hẹp giống OFDM với tham số cho phép mở rộng băng tần 500 MHz Một tiềm UWB khả đo đạc định vị với độ xác cao, điều khơng dễ thực hệ thống băng hẹp Các nỗ lực chuẩn hoá tổ chức tiêu chuẩn cho phép khẳng định tương lai công nghệ UWB lĩnh vực thông tin vô tuyến cá nhân Do đặc điểm băng tần trải rộng nên vấn đề ảnh hưởng nhiễu qua lại hệ thống truyền thông vơ tuyến băng hẹp khác với hệ thống UWB có ý nghĩa định đến tính thực hệ thống UWB Vấn đề xem xét chi tiết chương kết luận hệ thống UWB hoạt động thoả mãn mặt nạ phổ cơng suất FCC hoạt động đồng thời hệ thống băng hẹp khác mà khơng có tường gây nhiễu đáng kể Chỉ lưu ý hệ thống WLAN hoạt động băng tần trung tâm UWB nên thu phát hai hệ thống không nên đặt gần 106 CHƯƠNG TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG BĂNG CỰC RỘNG Mở đầu Có nhiều ứng dụng băng cực rộng lĩnh vực quân dân sự, điều thực phát triển sản phẩm thực tế Dù chương cung cấp tổng quan vài ứng dụng tiêu biểu, đem đến cho thông tin ứng dụng triển khai ứng dụng kế hoạch cho tương lai thương mại Đặc biệt kế hoạch ta không xem xét đến ứng dụng radar, mà có lẽ phát triển ứng dụng UWB Hơn nữa, ta tập trung vào truyền thông, quan tâm trước hết đến sản phẩm tiêu dùng Tiếc rằng, lĩnh vực bắt đầu có thành dạng chipset sản phẩm thử nghiệm Như thử nghiệm quân thương mại xem xét định vị xác quân xây dựng giải pháp đa phổ [11] Đối với chipset ta thấy khởi động UWB, Time Domain XtremeSpectrum, sản xuất chipset chức 4.1 Ứng dụng quân Cũng nhiều công nghệ truyền thông vô tuyến, quân động lực chủ yếu cho phát triển UWB Thực tế, ứng dụng radar phát triển quân nhiều năm Hãy xem số lượng lớn ví dụ radar UWB [6] 4.1.1 Hệ thống định vị xác Sử dụng khía cạnh định vị truyền thông UWB, ứng dụng quân lý thú hệ thống định vị tài sản Multispectral Solution US Navy [11] Hệ thống này, quân thiết kế, ứng dụng thương mại, thiết bị công hay bảo vệ, hệ thống vô tuyến cải thiện ngành hậu cần nhờ định vị container vật thể lớn khác phạm vi tàu hải quân lúc Lý phát triển UWB hệ thống định vị tài sản xác (PAL) di chuyển cồng kềnh lực lượng quân tới 40.000 container lên tàu; 107 nhiên, nửa, khoảng 25.000 container, mở để kiểm tra bên sai hoá đơn Trong tàu hải quân, thẻ nhận dạng vô tuyến băng hẹp hoạt động nhiễu đa đường nhiều (nghĩa trải trễ lớn) độ xác có hạn Để giải điều hệ thống UWB PAL đời Hệ thống bao gồm thẻ UWB đặt thiết bị, vị trí tính tốn thiết bị thu đặt vị trí cố định hàng hố tương ứng với vị trí thẻ Các thẻ UWB gồm phát xung ngắn công suất đỉnh khoảng 250mW Mỗi thông tin gồm 40 bit lặp lại khoảng giây Băng thông tức thời xung phát khoảng 400 MHz Trong hệ thống này, yếu tố xung có độ rộng ngắn dùng để tạo khoảng thời gian xác tín hiệu từ thẻ nhận dạng đơn Các thử nghiệm thực hệ thống khoang hàng tàu quân sự, kích thước khoảng 25m x 30m x 9m Hàng hoá gồm container tiêu chuẩn ISO 20 fit xếp lên xe tải HMMWV Các thẻ đặt container HMMWV Độ sai lệch hệ thống 1-2 m container xếp chồng đơn khoảng 4m với xếp chồng đôi Tuỳ thuộc vào việc kiểm tra thẻ, độ xác 1m khả thi Ngồi xác định mơi trường nhiễu đa đường, trải trễ micro giây, mức lớn mơi trường nhà khác, văn phòng chẳng hạn Đa đường miền tần số vô hiệu 30-40dB Hệ thống PAL triển vọng truyền thông UWB dải ứng dụng xung ngắn cho kết xác, chí mơi trường nhiễu đa đường Kết luận cho ứng dụng thẻ UWB thực tốt thẻ nhận dạng vô tuyến băng hẹp 4.2 Các ứng dụng thương mại Hiện số lượng ứng dụng công nghệ UWB vượt qua giai đoạn thử nghiệm đến giai đoạn thương mại cịn Các thiết bị tiêu dùng dẫn đầu Phần lớn thiết 108 bị UWB sử dụng bó hẹp phủ hay quân sự, chủ yếu thiết bị radar UWB, mà luận văn không trọng nghiên cứu Tuy nhiên nhiều công ty điện tử dân dụng chủ động phát triển chipset ứng dụng vô tuyến có sử dụng lớp vật lý UWB Sau liệt kê vài công ty loại giới thiệu dự kiến họ ứng dụng UWB thương mại 4.2.1 Time Domain PulsON 200 Time Domain [13] phát triển chipset UWB thương mại hoá chi nhánh PulsON Thế hệ PulsON 100, PulsON 200 chipset tương lai tạo dòng sản phẩm họ Time Domain công ty vượt qua thủ tục chứng FCC cho sản phẩm truyền thông Sản phẩm biết đến với tên PulsON 200 Evaluation Kit Nó sở chung giúp cho nhà thiết kế tạo sản phẩm tiêu dùng, gồm thơng tin vơ tuyến, dị tìm radar Ảnh radio vô tuyến phát triển cho PulsON 200 Evaluation Kit hình 4.1 Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios PulsON 200 Evaluation Kit có tốc độ liệu tối đa khoảng 9,6 Mbps với khoảng cách 10m môi trường tự có chướng ngại vật xấp xỉ 7m mơi trường nhà văn phịng Các thơng số chi tiết PulsON 200 Evaluation Kit xem bảng 4.1 109 Tham số Giá trị Tần số xung lặp lại Tốc độ liệu 9,6 MHz 9,6; 4,8; 2,4; 1,2; 0,6; 0,3; 0,15; 0,075 Mbps Tần số trung tâm Băng thông 4,7 GHz 3,2 GHz (10dB radiated) Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) -11,5 dBm Công suất tiêu thụ 12,2 W (transmit) 11,9 W (receive) Thoả mãn FCC Điều chế Part 15,517; 15,209 Bi-phase, quadrature flip-time modulation Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật PulsON 200 Evaluation Kit Version tương lai PulsON phát triển cho băng tần cao thiết bị tiêu dùng công suất thấp với ứng dụng đa phương tiện vơ tuyến 4.2.2 Bộ tạo tín hiệu UWB Time Domain Time Domain phát triển tạo tín hiệu với chức tương tự máy phát UWB Nó sử dụng việc kết nối với máy sóng số để mơ tả kênh UWB Nó sử dụng với thiết bị UWB khác để kiểm tra ảnh hưởng nhiễu tồn Ảnh tạo PulsON 200 xem hình 4.2 Hình 4.2: Bộ tạo tín hiệu UWB PulsON 200 110 4.2.3 XtremSpectrum XtremSpectrum [15] phát triển chip cho ứng dụng UWB Chipset có tên XS100 TRINITY Bao gồm chip ngoại vi RF XSI102, phát đáp RF XSI112, băng số sở XSI122 điều khiển truy nhập media MAC (XSI141) Các chip sản xuất dùng công nghệ CMOS 0,18 micromet SiGe có giá thành thấp Ngoại vi RF bao gồm chủ yếu khuyếch đại tạp âm thấp để khuyếch đại tín hiệu UWB thu Hệ số khuyếch đại tối đa 20dB, tối thiểu 0dB Nhiễu 5,6 dB Bộ phát đáp RF gồm thu, phát, định thời, điều khiển Chip băng sở số gồm ADC, mạch băng sở giao diện với chip MAC Anten vơ hướng phẳng, chiều diện tích 2,5 cm2 chế tạo Các thông số chi tiết TRYNITY chipset bảng 4.2 Tham số Giá trị Băng tần 3,1-10,6 GHz Giao thức MAC IEEE 802.15.3 Khoảng cách 10 m Điều chế Lưỡng cực (Bi-phase) Dạng xung Monocycle Tốc độ liệu 25, 50, 75, 100 (Mbps) Năng lượng tiêu thụ 200 mW Công suất 10 No PC 32 No Other