Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB khử nhiễu trong UWB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====o0o===== LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB – KHỬ NHIỄU TRONG UWB PHẠM THÚY PHƯƠNG HÀ NỘI - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====o0o===== LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB – KHỬ NHIỄU TRONG UWB CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mà SỐ: PHẠM THÚY PHƯƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN HỮU HUÂN HÀ NỘI - 2009 Phạm Thúy Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung kết thực nghiệm luận văn tơi soạn sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, chế tạo đo đạc tham khảo số tài liệu sách báo nước ngồi nước Tuyệt đối khơng chép nội dung hay sử dụng kết có sẵn hay tác giả khác Nếu sai thật xin chịu hoàn toàn trách nhiệm! Người cam đoan Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 MỞ ĐẦU 1.2 KHÁI NIỆM VỀ UWB 1.3 CÁC TÍN HIỆU UWB 1.4 CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB 1.4.1 Ưu điểm 1.4.1.1 Khả chia sẻ phổ tần 1.4.1.2 Dung lượng kênh lớn 1.4.1.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR thấp 1.4.1.4 Khả chống nhiễu 1.4.1.5 Tính bảo mật cao 1.4.1.6 Hiệu hoạt động cao kênh đa đường 1.4.1.7 Khả đâm xuyên lớn 10 1.4.1.8 Kiến trúc máy thu đơn giản 10 1.4.2 Nhược điểm 11 1.4.2.1 Sự méo dạng xung 11 1.4.2.2 Ước lượng kênh 12 1.4.2.3 Đồng 12 1.4.2.4 Nhiễu đa truy nhập 13 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 1.5 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ 14 1.5.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 14 1.5.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 15 1.5.3 Sự khác chủ yếu UWB trải phổ 16 1.6 PHÂN LOẠI UWB 17 1.6.1 UWB đơn băng (DS UWB) 18 1.6.2 UWB đa băng 19 1.7 CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB 21 1.7.1 Các qui định FCC hệ thống UWB 21 1.7.2 Giới hạn phát FCC 22 1.7.2.1 Các thiết bị truyền thông 22 1.7.2.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh 22 1.7.2.3 Hệ thống radar chuyển động 23 1.8 CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB 25 1.9 KẾT LUẬN 27 CHƯƠNG KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 29 2.1 GIỚI THIỆU 29 2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG 29 2.2.1 Máy phát 31 2.2.2 Máy thu 32 2.2.3 Kênh 33 2.2.4 So sánh cấu trúc thệ thống thông tin băng siêu rộng UWB hệ thống thông tin băng hẹp 33 2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT 35 2.3.1 Điều chế On Off Keying (OOK) 35 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 2.3.2 Điều chế biên độ xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) 36 2.3.3 Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) 38 2.3.4 Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation) 41 2.4 KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU 43 2.4.1 Tách lượng (Energy Detector) 43 2.4.2 Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters) 44 2.5 KẾT LUẬN 47 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA KÊNH THƠNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 49 3.1 GIỚI THIỆU 49 3.1.1 Khái niệm 49 3.1.2 Mục đích mơ hình hóa kênh 50 3.1.3 Phân loại 51 3.2 MƠ HÌNH HĨA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN 52 3.2.1 Suy hao đường dẫn không gian tự theo cơng thức Friis 53 3.2.2 Mơ hình suy hao đường dẫn chuẩn IEEE 802.15 54 3.3 MƠ HÌNH HĨA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING) 56 3.3.1 Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ 57 3.3.1.1 Khái niệm pha đinh kích thước nhỏ 57 3.3.1.2Nguyên nhân 58 3.3.2 Mơ hình hóa kênh 59 3.3.2.1 Giới thiệu 59 3.3.2.2 Các đặc trưng mơ hình kênh 60 3.3.3 Các mơ hình kênh kích thước nhỏ 64 3.3.3.1 Mơ hình Saleh-Valenzuela ngun 65 3.3.3.2 Mơ hình Saleh-Valenzuela sửa đổi 802.15.3a 68 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 3.4 KẾT LUẬN 69 CHƯƠNG NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU BĂNG HẸP LÊN HỆ THỐNG UWB 71 4.1 Những vấn đề nhiễu băng hẹp hệ thống UWB 71 4.2 Những giải pháp tránh nhiễu NBI 74 4.2.1 Giải pháp đa sóng mang 74 4.2.2 Các chế đa băng tần 76 4.3 Những giải pháp khử nhiễu NBI 78 4.3.1 Kỹ thuật khử nhiễu NBI miền tần số 78 4.3.2 Kỹ thuật khử nhiễu NBI miền tần số - thời gian 78 4.3.3 Kỹ thuật khử nhiễu NBI miền thời gian 80 4.4 Hệ thống IS-OFDM cho kêh vô tuyến UWB 80 4.4.1 Hệ thống OFDM đa băng tần 80 4.4.1.1 Kế hoạch băng tần 81 4.4.1.2 Điều chế OFDM 82 4.4.1.3 Trải lặp lại số 83 4.4.1.4 Trải lặp lại thời gian 83 4.4.1.5 Mã hóa 84 4.4.1.6 Bộ thu phát MB-OFDM 84 4.4.2 Mô hệ thống MB-OFDM 86 4.4.2.1 Các tham số mô tả hệ thống 86 4.4.2.2 Kết thực Nhận xét đánh giá 88 4.5 Đề xuất giải pháp hệ thống OFDM khử nhiễu cho kênh UWB 89 4.5.1 Hệ thống IS-OFDM 90 4.5.1.2 Khối thu 94 4.5.2 Hệ thống IS-OFDM kết hợp cho kênh vô tuyến UWB 96 4.5.2.1 Phía phát 97 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 4.5.2.2 Phía thu 100 4.5.3 Mơ hình tín hiệu 101 4.5.4 Đánh giá ảnh hưởng nhiễu băng hẹp AWGN 102 4.6 KẾT LUẬN 104 KẾT LUẬN CHUNG 105 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BER DA Bit Error Rate Driver Amplifier DDA Demodulation Driver Amplifier DLL DSSS Delay Locked Loop Direct Squence Spread Spectrum EIRP Effective Isotropic Radiated Power FCC Federal Communications Comission Frequencey Hopping Spread FHSS Spectrum ISI Inter Symbol Interference LNA Low Noise Amplifier MAI Multiple Access Interference MB Multi Band OFDM NF Noise floor NLOS Non Line Of Sight LOS Line Of Sight LPF Low Pass Filter OOK On – Off keying Orthogonal Frequencey Division OFDM Multiplexing PAM Pulse Amplitude Modulation PM Pulse Position Modulation SNR Signal to Noise Ratio RF Radio Frequency RF Receiver TFI Time – Frequency Interleaved OFDM OFDM TR Transmitted Reference modulation TX Transmitter TRX Transceiver UWB Ultra – wideband VGA Variable Gain Amplifier WPAN Wireless Personal Area Network Tốc độ lỗi bit Khối khuếch đại kích thích Khối giải điều chế khuếch đại kích thích Mạch vịng khóa trễ Trải phổ trực tiếp Công suất xạ đẳng hướng tương đương Tổ chức viễn thông Quốc tế Trải phổ nhảy tần số Nhiễu giao thoa Khối khuếch đại âm nhiễu thấp Nhiễu đa truy nhập Đa băng OFDM Nhiễu sàn Tuyến khơng thẳng (phản xạ) Tuyến nhìn thẳng Bộ lọc thông thấp Điều chế On – Off Ghép kênh phân chia tần số trực giao Điều chế biên độ xung Điều chế vị trí xung Tỷ số tín hiệu nhiễu Tần số vô tuyến Bên thu Ứng dụng thời gian – tần số đan xen OFDM Điều chế Truyền – Tham chiếu Bên phát Máy thu – phát Băng siêu rộng Khối khuếch đại có hệ số thay đổi Mạng không dây cá nhân Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) miền thời gian (b) miền tần số Hình 1.2 Xung có thời gian tồn nhỏ Ton thời gian tồn xung, Toff thời gian xung không xuất Hình 1.3 Một xung UWB (a) miền thời gian (b) miền tần số Hình 1.4 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số .4 Hình 1.5 Sự tồn tín hiệu UWB với tín hiệu băng rộng băng hẹp khác Hình 1.6: So sánh phổ tín hiệu UWB Wifi………………………………………6 Hình1.7: Hiện tượng đa đường truyền thơng khơng dây Hình1.8: ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu băng hẹp .9 Hình 1.9 : ảnh hưởng đa đường lên xung băng siêu rộng Hình1.10: Kiến trúc máy thu phát mạng băng hẹp 10 Hình1.11: Kiến trúc khối thu phát hệ thống UWB 11 Hình1.12: Kênh đa truy nhập UWB 14 Hình1.13 Chuỗi liệu trải mã dùng DSSS………………………… 14 Hình 1.14 Phân chặng tần số kĩ thuật FHSS……………………………… 15 Hình 1.15 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng miền thời gian miền tần số 16 Hình 1.16 DS UWB truyền xung đơn dải lớn phổ để biểu diễn liệu .18 Hình 1.17 Phương pháp đa băng chia dải phổ UWB làm nhiều băng không chồng lấn lên 19 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB 91 Phạm Thúy Phương R(bps) Giả sử xq thể điểm tín hiệu phức chùm QAM, 𝑥𝑥𝑞𝑞 = 𝛼𝛼𝑞𝑞 + 𝑗𝑗𝛽𝛽𝑞𝑞 , tín hiệu trải phổ là: �−1 𝑋𝑋𝑞𝑞,𝑘𝑘 = 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜛𝜛𝑞𝑞,𝑘𝑘 + 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑞𝑞 𝜛𝜛𝑞𝑞,𝑘𝑘 với k=0,1, …., 𝑁𝑁 (3.8) Hình 4.7 Sơ đồ khối phát IS-OFDM Quá trình goi ghếp kênh phân chia theo mã trực giao (OFDM – � luồng liệu song Orthogonal Code Division Multiplex) cung cấp tập hợp 𝑁𝑁 song chia tách mã trực giao Hadamard Trong bước tiếp theo, luồng liệu trực giao song song xử lý OFDM truyền thống Tín hiệu trải phổ vào đệm S/P thứ mã hóa, mã hóa cung cấp N luồng liệu song song Bộ mã hóa � điểm liệu phức định nghĩa bởi: tạo N=2𝑁𝑁 𝑌𝑌𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝛼𝛼𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 , 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = ⎧ �−1 ⎪ 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 , 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 1,2, , 𝑁𝑁 = � ⎨ 𝛽𝛽𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 , 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 𝑁𝑁 ⎪ ∗ � + 1, … , 𝑁𝑁 − ⎩𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑁𝑁−1 , 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 𝑁𝑁 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 92 Ở (.)* phần chuyển vị phức 𝑌𝑌𝑞𝑞,0 𝑌𝑌𝑞𝑞,𝑁𝑁� giá trị thực Cho trước điều kiện đối xứng đầu biến đổi Fourier rời rác ngược theo sau giá trị thực Khi đó, mẫu đầu biến đổi IFFT thu là: 𝑦𝑦𝑞𝑞,𝑚𝑚 = √𝑁𝑁 ∑𝑁𝑁−1 𝑘𝑘=0 𝑌𝑌 𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝑗𝑗2𝜋𝜋(𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑁𝑁) với m=0,1,…., N-1 N đầu IFFT sau vào biến đổi P/S, biến đổi cịn có nhiệm vụ thêm vào khoảng bảo vệ mào đầu sửa lỗi cho khung Tín hiệu liệu song song thứ q là: 𝑆𝑆𝑞𝑞 (𝑚𝑚) = �𝑁𝑁𝑆𝑆 ∑𝑁𝑁−1 𝑘𝑘=0 𝑌𝑌 𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝑗𝑗2𝜋𝜋(𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑁𝑁) với m=0,1,…,N-1 NS= N+ Ng, với Ng số lượng mẫu bảo vệ thêm vào khung Q trình IS-OFDM mơ tả tiến hành cách song song vơi giá trị � − 1) 𝑁𝑁 � luồng liệu OFDM song song đồng hóa q (q=1,2,…,𝑁𝑁 � IS-OFDM song song có cách tần số (tốc độ) thời gian (độ trễ) 𝑁𝑁 xác bins tần số giống khung thời gian chế đồng Các tín hiệu song song sq(m) sau cộng lại để cung cấp tín hiệu IS-OFDM � −1 𝑁𝑁 �−1 𝑆𝑆𝑞𝑞 (𝑚𝑚) = � 𝑆𝑆𝑞𝑞 (𝑚𝑚) , 𝑚𝑚 = → 𝑁𝑁 𝑞𝑞=0 liệu vào biến đổi D/A để cung cấp tín hiệu truyền dẫn s(t) � q trình xử lý song song IFFT biến đổi P/S đồng Giả sử rằng: 𝑁𝑁 hóa, xếp tương đương phát IS-OFDM � đệm S/P 𝑁𝑁 � mã hóa lấy tổng tạo lấy đầu 𝑁𝑁 � điểm liệu song song bk hình Các điểm bk chúng để cung cấp 𝑁𝑁 cho bởi: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 93 � −1 𝑁𝑁 𝑏𝑏𝑘𝑘 = � 𝑌𝑌𝑞𝑞,𝑘𝑘 = 𝑞𝑞=0 � −1 𝑁𝑁 ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ � 𝛼𝛼𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 , 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = � 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 , �−1 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 1,2, , 𝑁𝑁 𝑞𝑞=0 � −1 𝑁𝑁 𝑞𝑞=0 � −1 𝑁𝑁 ⎨ ⎪ � 𝛽𝛽𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 , ⎪ 𝑞𝑞=0 ⎪𝑁𝑁�−1 ⎪ ⎪ � 𝑥𝑥𝑞𝑞∗ 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑁𝑁−1 , ⎩ 𝑞𝑞=0 � 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 𝑁𝑁 � + 1, … , 𝑁𝑁 − 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 𝑁𝑁 Sau N điểm bk vào IFFT đơn, theo sau biến đổi P/S (sẽ thực thêm khoảng bảo vệ vào khung) có đầu cho bởi: 𝑠𝑠(𝑚𝑚) = 𝑁𝑁−1 � √𝑁𝑁 𝑘𝑘=0 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑏𝑏𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝑗𝑗2𝜋𝜋( 𝑁𝑁 ) = � −1 𝑁𝑁−1 𝑁𝑁 𝑘𝑘𝑘𝑘 � � 𝑌𝑌𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝑗𝑗2𝜋𝜋( 𝑁𝑁 ) √𝑁𝑁 𝑘𝑘=0 𝑞𝑞=0 Chúng ta dễ dàng xác định s(m)= sq(m) giống với pt (3.11) � “ký hiệu” liệu đến [x0, x1,… , 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 ], tới Trên sở mô tả trên, 𝑁𝑁 � = 𝑅𝑅 𝑇𝑇) đầu vào phát IS-OFDM khoảng thời gian khung (𝑁𝑁 xếp mô tả ma trận 𝐷𝐷𝑁𝑁� sau đây: 𝑥𝑥0 𝑥𝑥1 𝐷𝐷𝑁𝑁� = � ⋮ 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 ↑ 𝑓𝑓0 𝑥𝑥0 𝑥𝑥1 ⋮ 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 ↑ 𝑓𝑓0 … … … … … 𝑥𝑥0 ← 𝑤𝑤0 𝑥𝑥1 ← 𝑤𝑤1 � ⋮ ⋮ 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 ← 𝑤𝑤𝑁𝑁�−1 ↑ 𝑓𝑓0 Như thấy, bins tần số OFDM hay sóng mang fi, � − chứa tất bit liệu x0, x1,…, 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 , bit phân biệt i=0,1,…., 𝑁𝑁 chuỗi trực giao Hadamard 𝑤𝑤𝑞𝑞 = �𝑤𝑤𝑞𝑞,0 , 𝑤𝑤𝑞𝑞,1 , … , 𝑤𝑤𝑞𝑞,𝑁𝑁−1 � Điều có Tổng quan hệ thống thơng tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 94 nghĩa công suất bit liệu phân bố trải tồn sóng mang con, đối ngược với OFDM truyền thống mà “ký hiệu” thuộc sóng mang Bây xem xét trường hợp đặc biệt chỗi trực giao khơng phải Hadamard có (0,1) sau: 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑞𝑞 = 𝑘𝑘 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑞𝑞 ≠ 𝑘𝑘 Wq=[wq,k] với 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 = � Do vậy, dễ dàng xác định IS-OFDM trở thành OFDM truyền thống Do đó, OFDM truyền thống trường hợp đặc biệt IS-OFDM, tương ứng với ma trận 𝐷𝐷𝑁𝑁� 4.5.1.2 Khối thu 𝑥𝑥0 𝐷𝐷𝑁𝑁� = � ⋮ 0 𝑥𝑥1 ⋮ … … � … ⋮ … 𝑥𝑥𝑁𝑁�−1 Máy thu IS-OFDM mơ tả hình 4.8 Hình 4.8: sơ đồ khối thu IS-OFDM Sau giải điều chế, biến đổi A/D, tín hiệu thu r(m) vào biến đổi S/P tạo N điểm liệu song song zm với m=0,1,…,N-1 Các liệu song song zm sau vào biến đổi Fourier nhanh FFT (hoặc DFT) để tạo N điểm liệu phức cho bởi: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 95 𝑍𝑍𝑘𝑘′ = 𝑁𝑁−1 𝑘𝑘𝑘𝑘 � 𝑧𝑧𝑚𝑚 𝑒𝑒 −𝑗𝑗2𝜋𝜋( 𝑁𝑁 ) với k = 0,1 … , N − √𝑁𝑁 𝑘𝑘=0 Dữ liệu song song sau vào giải mã/ánh xạ ngược để tạo nên �=N/2 điểm liệu định nghĩa bởi: 𝑁𝑁 𝑍𝑍𝑘𝑘′ 𝑍𝑍𝑘𝑘 = � ′ 𝑍𝑍0 + 𝑗𝑗𝑍𝑍𝑁𝑁′� �−1 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = 1,2, … , 𝑁𝑁 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑘𝑘 = (3.14) � điểm Quá trình điểm giống với OFDM truyền thống Bây 𝑁𝑁 � liệu Zk song song vào biến đổi P/S, liệu đầu giải trải với 𝑁𝑁 �-1 chuỗi Hadamard wq=[wq,0,wq,1,…,wq,N-1] cách song song với q=0,1,…, 𝑁𝑁 mơ tả hình cho việc khôi phục liệu Để xác nhận chức hệ thống IS-OFDM bản, giả sử rằng, tín hiệu nhận đầu biến đổi A/D giống với tín hiệu truyền r(m)=s(m) Ảnh hưởng làm suy yếu kênh nghiên cứu phần Tín hiệu đầu FFT là: 𝑏𝑏𝑘𝑘 = 𝑁𝑁−1 𝑘𝑘𝑘𝑘 � 𝑧𝑧𝑚𝑚 𝑒𝑒 −𝑗𝑗2𝜋𝜋( 𝑁𝑁 ) với k = 0,1 … , N − √𝑁𝑁 𝑚𝑚=0 Ở sm điểm tín hiệu đầu biến đổi S/P sau bỏ mào đầu sửa lỗi Các điểm tín hiệu đầu giải mã/ánh xạ ngược là: � −1 𝑁𝑁 �−1 𝑎𝑎𝑘𝑘 = � 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 k = 0,1 … , N 𝑞𝑞=0 Sau biến đổi P/S tín hiệu đầu giải trải thứ cho bởi: � −1 𝑁𝑁 � −1 𝑁𝑁 � −1 𝑁𝑁 � −1 𝑁𝑁 � −1 𝑁𝑁 𝑘𝑘=0 𝑘𝑘=0 𝑞𝑞=0 q=0 k=0 � x q = N � 𝑎𝑎𝑘𝑘 𝑤𝑤1,𝑘𝑘 = � �� 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝑤𝑤𝑞𝑞,𝑘𝑘 � 𝑤𝑤1,𝑘𝑘 = � xq � wq,k w1,k = � q ≠ Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB 96 Phạm Thúy Phương � lần Phương trình cơng suất tín hiệu đầu tích lũy 𝑁𝑁 tổng cơng suất tín hiệu x1 tất sóng mang Việc thực đồng hệ thống IS-OFDM bao gồm đồng thời gian đồng tần số Như mơ tả hình vẽ, hệ thống đạt đồng tần số nhờ việc tách thơng tin cần thiết từ tín hiệu analog nhận với liệu thử từ cấu trúc tín hiệu IS-OFDM Khối đồng tần số kết hợp với khối đồng mã, khối đồng mã lại kết hợp với tạo mã để cung cấp đầu vào cho giải trải phổ Các tạo mã tạo chuỗi mã Hadamard cục phía thu Những chuỗi mã Hadamard phải đồng với tín hiệu analog thu để thực giải trải phổ chúng Những kỹ thuật phát triển cho hệ thống OFDM truyền thống áp dụng hệ thống IS-OFDM Sau đạt tần số, chuỗi mã trực giao tiếp tục sử dụng để thực đồng thời gian Nếu chiều dài chuỗi mã tương đương với chiều dài “ký hiệu” q trình cho ta đồng thời gian mức “ký hiệu” xác cách liên tục Thêm vào đó, chuỗi trực giao song song sử dụng cho phân giải đa đường Trong môi trường truyền dẫn đa đường, đường truyền dẫn mà có độ trễ tươmh ứng với chip nhiều khôi phục 4.5.2 Hệ thống IS-OFDM kết hợp cho kênh vô tuyến UWB Bây mở rộng IS-OFDM để cung cấp thiết kế hoàn chỉnh liên kết vơ tuyến UWB Với mục đích này, chia toàn băng � bins tần số 𝑁𝑁 � tần số sóng mang thông đầu vào kênh UWB thành 𝑁𝑁 � bins nhóm (𝑁𝑁 �=L𝑀𝑀 � ), mơ Các bins tần số tạo thành L nhóm với 𝑀𝑀 tả hình (4.9) Thiết kế liên kết vơ tuyến UWB sử dụng IS-OFDM � bins tần số nhóm, L nhóm bins tần số cho việc kết hợp 𝑀𝑀 � “ký hiệu” kết hợp OFDM truyền thống Mỗi nhóm sau mang 𝑀𝑀 liêuh khung công suất truyền “ký hiệu” phân bố tồn � bins nhóm Đó là, bon nhóm mang tồn 𝑀𝑀 � “ký hiệu” liệu 𝑀𝑀 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB 97 Phạm Thúy Phương � chuỗi trực giao Hadamard Các nhóm cho nhóm đó, nhóm chia tách 𝑀𝑀 bin khác mà mang thông tin khác trực giao với OFDM truyền thống Hình 4.9: Hệ thống IS-OFDM kết hợp Hình 4.10: Sóng mang IS-OFDM kênh UWB 4.5.2.1 Phía phát Thiết kế máy phát UWB hình (4.11) Như hình vẽ, luồng liệu đầu vào với tốc độ R(bps) vào biến đổi S/P L luồng liệu song song Mỗi luồng liệu song song có tốc độ R/L(bps) lại vào S/P Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 98 � luồng liệu song song với tốc độ luồng R/𝑁𝑁 � với thứ để cung cấp 𝑀𝑀 �=L𝑀𝑀 � Ở đầu biến đổi S/P, tín hiệu liệu xq (với chiều dài T giây) 𝑁𝑁 luồng liệu song song q trải chuỗi Hadamard nhị phân trực giao � -1 (toàn chuỗi với chiều dài T phải với wq=[wq,0,wq,1,…,wq,N-1] q=0,1,…, 𝑀𝑀 chồng lấn “ký hiệu” liệu đơn với chiều dài T) Sau trình trải rộng tín hiệu, tốc độ tín hiệu lúc R/L(bps) Hình 4.11: Sơ đồ khối phát UWB IS-OFDM (1) Giả sử 𝑥𝑥𝑞𝑞 thể hiên điểm tín hiệu giá trị phức bảng chòm QAM (1) (1) (1) (1) (1) (1) ví dụ 𝑥𝑥𝑞𝑞 =𝛼𝛼𝑞𝑞 +j𝛽𝛽𝑞𝑞 tín hiệu trải phổ 𝑥𝑥𝑞𝑞 ωq,k=𝛼𝛼𝑞𝑞 ωq,k +j𝛽𝛽𝑞𝑞 ωq,k với � -1 l=1,…,L Chúng ta định nghĩa: k=0,…, 𝑀𝑀 (1) 𝑏𝑏𝑘𝑘 � −1 𝑀𝑀 (1) = � 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝑞𝑞=0 � -1 l=1,…,L Với (k,l) nào, xác định: với k=0,…, 𝑀𝑀 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 99 � −1 𝑀𝑀 𝑎𝑎𝑖𝑖 = ⎧ (1) (1) ℜ�𝑏𝑏0 � = � 𝛼𝛼𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑖𝑖 = ⎪ 𝑞𝑞=0 ⎪ ⎪ (1) 𝑏𝑏0 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑖𝑖 = 𝑘𝑘𝑘𝑘 + 𝑙𝑙 − ∀(k,l)≠(0,1) � 𝑀𝑀−1 ⎨ (1) (1) � 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑖𝑖 = 𝑁𝑁 ⎪ ℑ�𝑏𝑏0 � � 𝛽𝛽𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,0 ⎪ 𝑞𝑞=0 ⎪ ∗ (1) � 𝐿𝐿 − (𝑘𝑘𝑘𝑘 + 𝑙𝑙 − 1) ∀(k,l)≠(0,1) 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑖𝑖 = 2𝑀𝑀 ⎩ �𝑏𝑏0 � �=L𝑀𝑀 � N=2𝑁𝑁 � Quá trình Trong phương trình trên, giả sử 𝑁𝑁 tiến hành mã hóa để tạo N điểm tới đầu vào IFFT, đầu IFFT là: 𝑠𝑠𝑛𝑛 = √𝑁𝑁 𝑁𝑁−1 𝑖𝑖𝑖𝑖 � 𝑎𝑎𝑖𝑖 𝑒𝑒 𝑗𝑗2𝜋𝜋( 𝑁𝑁 ) với 𝑛𝑛 = 0,1, … , 𝑁𝑁 − 𝑖𝑖=0 Sử dụng ma trận 𝐷𝐷𝑀𝑀� để biểu diễn phân bố “ký hiệu” truyền bins tần số kênh UWB (1) ⎡ 𝑥𝑥0 ⎢ 𝑥𝑥1(1) ⎢ … ⎢ (1) ⎣𝑥𝑥𝑀𝑀�−1 ↑ 𝑓𝑓0 … (1) 𝑥𝑥0 (1) … 𝑥𝑥1 … … (1) … 𝑥𝑥𝑀𝑀�−1 ↑ 𝑓𝑓𝑀𝑀�−1 |… | (𝐿𝐿) 𝑥𝑥0 |… | 𝑥𝑥1(𝐿𝐿) |… | … (𝐿𝐿) |… | 𝑥𝑥𝑀𝑀�−1 ↑ 𝑓𝑓𝑁𝑁�−𝑀𝑀� … (𝐿𝐿) 𝑥𝑥0 ⎤ ← 𝑤𝑤0 (𝐿𝐿) … 𝑥𝑥1 ⎥ ← 𝑤𝑤1 ⋮ … … ⎥ ⎥ (𝐿𝐿) … 𝑥𝑥𝑀𝑀�−1 ⎦ ← 𝑤𝑤𝑀𝑀�−1 ↑ 𝑓𝑓𝑁𝑁�−1 � bins tần số nhóm Như hình vẽ, có L nhóm bins với 𝑀𝑀 �=L𝑀𝑀 � Sau đó, bin tần số tập thứ l chứa toàn điểm liệu 𝑥𝑥𝑞𝑞(1) với 𝑁𝑁 � -1 Điều có nghĩa công suất truyền “ký hiệu” q=0,…, 𝑀𝑀 � bins sóng mang nhóm Vì thế, nhiều bin bị phân bố 𝑀𝑀 lỗi nhiễu băng hẹp, “ký hiệu” bị ảnh hưởng khơi phục từ bins cịn lại Tổng quan hệ thống thơng tin vơ tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB Phạm Thúy Phương 100 � = 𝑀𝑀 � OFDM truyền Nếu giả sử L=1, hệ thống thu có 𝑁𝑁 thống Thêm vào đó, mà trận trực giao trải phổ Hadamard W= [w0,w1,…,𝑤𝑤𝑁𝑁�−1 ]T thay ma trận thực thể W=I, ta có hệ thống � =1 𝑁𝑁 �=L hệ thống OFDM truyền thống Cũng tương tự vậy, 𝑀𝑀 OFDM truyền thống 4.5.2.2 Phía thu Thiết kế máy thu UWB cho hình (4.12) Tín hiệu thu đc vào máy (1) thu OFDM, để tạo đầu song song 𝑍𝑍𝑘𝑘 , � -1 với bin tần số k=0,…., 𝑀𝑀 �=L𝑀𝑀 � ) Các đầu nhóm thứ l, 𝑍𝑍𝑘𝑘(1) vào nhóm l=1,2,…,L (𝑁𝑁 biến đổi P/S, đầu chúng giải rộng chuỗi trực giao cho việc khôi phục liệu Đầu giải trải thứ nhóm l=1 là: (1) � −1 𝑀𝑀 � −1 𝑀𝑀 (1) (1) (1) (1) 𝑍𝑍0 = � 𝑍𝑍𝑘𝑘 𝜔𝜔0,𝑘𝑘 = ��𝑏𝑏𝑘𝑘 𝐻𝐻𝑘𝑘 + 𝑛𝑛𝑘𝑘 � 𝜔𝜔0,𝑘𝑘 (1) (1) 𝑞𝑞=0 (1) � −1 với 𝑏𝑏𝑘𝑘 = ∑𝑀𝑀 𝑞𝑞=0 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝐻𝐻𝑘𝑘 𝑞𝑞=0 (1) hàm truyền 𝑛𝑛𝑘𝑘 tạp âm bin k (1) nhóm thứ Giả sử kênh lí tưởng (𝐻𝐻𝑘𝑘 =1 cho k), phần hữu ích tín (1) (1) hiệu 𝑍𝑍0 cung cấp liệu 𝑥𝑥0 đầu trải thứ đây: � −1 𝑀𝑀 (1) � 𝑏𝑏𝑘𝑘 𝜔𝜔0,𝑘𝑘 = � 𝑘𝑘=0 �𝑀𝑀 � −1 𝑀𝑀 � −1 𝑀𝑀 (1) � � � 𝑥𝑥𝑞𝑞 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 � 𝜔𝜔0,𝑘𝑘 = � 𝑘𝑘=0 �𝑀𝑀 𝑞𝑞=0 �� = � 𝑀𝑀𝑥𝑥0 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑞𝑞 = 0 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑞𝑞 ≠ � −1 𝑀𝑀 (1) � −1 𝑀𝑀 � 𝑥𝑥𝑞𝑞 � 𝜔𝜔𝑞𝑞,𝑘𝑘 𝜔𝜔0,𝑘𝑘 � 𝑞𝑞=0 �𝑀𝑀 Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu UWB 𝑘𝑘=0 101 Phạm Thúy Phương Hình 4.12: Sơ đồ khối thu UWB IS-OFDM 4.5.3 Mơ hình tín hiệu Tín hiệu Bl,m IFFT bl,k với bl,k đầu vào IFFT song song thứ k khung thứ Sau biến đổi P/S (song song – nỗi tiếp) thêm mẫu bảo vệ Mg, tín hiệu đầu sl(m) với m= -Mg,…,M -1, có Ms=M+Mg mẫu khung Khoảng thời gian tương đương Ts=T+Tg, với Tg khoảng bảo vệ (hay gọi khoảng tiền tố lặp lại), khoảng thời gian lấy mẫu TM=T/M Có điều dự điều giả sử thăng giáng kênh lớn ɽmax