Nghiên cứu ứng dụng anten beamforming vào hệ thống uwb

Luận văn thực hiện đánh giá sự cải thiện về dung lượng và chất lượng của hệ thống UWB bằng cách ứng dụng anten beamforming Đối với băng cực rộng do băng tần rộng nên dẫn tới hệ số mảng của dãy anten theo tần số là không đồng đều hướng tia chính không thể xoay về đúng vị trí quan sát ở mọi miền tần số Vì vậy các giải thuật định tia băng hẹp không thể áp dụng ngay vào băng UWB Để khắc phục điều đó luận văn sử dụng phương pháp định tia ở miền tần số và sử dụng giải thuật định tia tối ưu băng hẹp Hệ thống UWB được sử dụng để đánh giá chất lượng và dung lượng là UWB TH 2 PAM Hệ thống truyền ở băng UWB với điều chế PAM đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Học viên thực hiện: Trịnh Xuân Hoàng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO HỆ THỐNG UWB Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số Chuyên ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng - 2017 LỜI CAM ĐOAN Để hồn thành luận văn này, em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Tăng Tấn Chiến trực tiếp hướng dẫn cung cấp tài liệu thơng tin khoa học cần thiết, tận tình giúp đỡ động viên em suốt trình thực đề tài Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy Cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, thuộc Đại học Đà Nẵng tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đề tài Em cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng em Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên thực i Mục lục Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING 1.1 Công nghệ UWB 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8] 1.1.3 Đặc tả luật công nghệ UWB FCC qui định [5] 1.1.4 Các ưu điểm công nghệ UWB [5] 1.1.5 UWB định lí Shannon [5] 1.1.6 Dạng tín hiệu phổ tín hiệu [5] 1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask) [5] 1.1.8 Các phương pháp điều chế 1.1.8.1 Điều chế theo vị trí xung PPM 10 1.1.8.2 Điều chế OOK – PAM 11 1.1.9 Đa truy cập UWB – đa truy cập theo kiểu nhảy thời gian [6] 12 1.1.9.1 Nhảy thời gian với tập nhảy lặp lại 12 ii 1.2 1.3 1.4 1.1.9.2 Nhảy thời gian với tập nhảy giả ngẫu nhiên 1.1.10 Sơ đồ khối phát UWB Anten Beamforming – Anten mảng thích nghi [4] [2] 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Ưu điểm vượt trội 1.2.3 Lí thuyết mảng anten 1.2.3.1 Anten mảng tổng quát 1.2.3.2 Hệ Anten tuyến tính có xử lý tín hiệu 1.2.4 Phương pháp định tia thích nghi [4] 1.2.5 Phương pháp định tia tối ưu [4] 1.2.5.1 Định tia không ràng buộc (unconstrained beamformer) 1.2.5.2 Định tia có điều kiện ràng buộc Anten thích nghi băng rộng 1.3.1 Anten thích nghi dùng dây trễ [4] 1.3.2 Anten thích nghi băng tần [3] Kết luận chương 14 15 15 15 16 17 17 19 21 24 24 25 29 29 31 36 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TIA BẰNG CÁCH CHIA BĂNG CON Ở MIỀN TẦN SỐ ĐỂ ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO CÔNG NGHỆ UWB 37 2.1 Những hạn chế sử dụng anten đẳng hướng 37 2.2 Hạn chế phương pháp Beamforming thông thường 39 2.3 Giải pháp chia băng miền tần số 42 2.3.1 Cố định làm đồng búp tia hướng quan sát theo tần số [1] 43 2.3.2 Mỗi tần số có tập trọng số tối ưu riêng 44 2.3.3 Nhóm tần số lân cận thành băng [1] 45 2.3.4 Cập nhật trọng số theo phương pháp định tia tối ưu giải thuật LMS [4] 46 2.3.5 Sơ đồ khối mô giải thuật 48 2.3.5.1 Sơ đồ khối tính tốn trọng số tối ưu 49 2.3.5.2 Lưu đồ giải thuật khối ước lượng trọng số 50 2.4 Kết luận chương 52 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53 3.1 Các tham số mô 53 3.2 3.3 3.4 Các Các 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 Kết trường hợp thực mô mô nhận xét kết Hệ số mảng hệ anten SINR cải thiện số anten tăng Giảm xác suất lỗi bit Cải thiện dung lượng luận chương 55 56 56 58 60 62 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn thực đánh giá cải thiện dung lượng chất lượng hệ thống UWB cách ứng dụng anten beamforming Đối với băng cực rộng, băng tần rộng nên dẫn tới hệ số mảng dãy anten theo tần số không đồng đều, hướng tia khơng thể xoay vị trí quan sát miền tần số Vì giải thuật định tia băng hẹp áp dụng vào băng UWB Để khắc phục điều đó, luận văn sử dụng phương pháp định tia miền tần số sử dụng giải thuật định tia tối ưu băng hẹp Hệ thống UWB sử dụng để đánh giá chất lượng dung lượng UWB - TH - PAM Hệ thống truyền băng UWB với điều chế PAM, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian Từ khóa: Anten beamforming, UWB - TH - PAM, phương pháp định tia miền tần số, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian, phương pháp định tia tối ưu Abstract This lecture research about problem of improving quality and capacity of UWB technology by Beamforming Antennas For ultra wide band, due to the wide frequency band, the frequency range of the array of antennas is not uniform, and the direction of the beam can not be rotated to the correct position in all frequencies Therefore, narrowband beam solutions can not be applied immediately to UWB bands To overcome this, the lecture uses the frequency-domain-defining method and uses optimal beam in narrowband design The key solution to overcome those problem is to implement beamforming in frequency domain The choosen UWB system to evaluate quality and capacity is UWB - TH - PAM In which, the communication system is in UWB band, PAM modulation and time hopping multiaccess Keywords: Antenna beamforming, UWB - TH - PAM, the frequency-domaindefining method, time-hopping-multiaccess method, optimal beam design DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 AF BER BPM CDMA DFT FDMA LS MMSE NAMI OOK PAM PPM SDMA SINR SPNMI TDL TDMA TH – PAM ULA UWB Array Factor Bit Error Rate Biphase Modulation Code Division MultiAccess Discrete Frequency Transform Frequency Division MultiAccess Least Square Minimum Mean Square Estimation Noise Alone Matrix Inverse On Off Key Pulse Amplitude Modulation Pulse Position Modulation Space Division MultiAccess Signal to Interference plus Noise Ratio Signal Plus Noise Matrix Inverse Tapped Delay Loop Time division MultiAcess Time Hopping – Pulse Amplitude Modulation Uni Linear Arrays Ultra-Wideband Danh mục hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 2.1 2.2 Dạng xung vuông on – off nhanh b dạng xung Gauss đôi c Đạo hàm bậc xung Gauss đôi d Đạo hàm bậc dạng xung Gauss đôi [5] Dạng phổ tín hiệu tương ứng xung Gauss đôi vi phân bậc 1, vi phân bậc [5] Mặt nạ phổ tín hiệu UWB hoạt động chế độ indoor [5] Các giải pháp điều chế [5] a Chuỗi xung chưa điều chế, b Chuỗi xung điều chế PPM [5] a Chuỗi xung chưa điều chế, b Chuỗi xung điều chế theo PAM, c Chuỗi xung điều chế theo OOK [5] Mật độ phổ công suất với tập nhảy tuần hoàn tập nhảy giả ngẫu nhiên [6] Sơ đồ khối thu [5] Anten lưỡng cực ngắn hệ tọa độ [4] Anten mảng tuyến tính Anten mảng tuyến tính điều khiển pha [2] Cấu trúc mảng thích nghi [4] Các trọng số đặt anten để tối ưu hóa SNR [4] Cấu trúc TDL anten băng rộng [4] Mơ hình dãy anten hoạt động theo phương pháp chia băng [3] Khoảng cách anten không Băng thông chồng lấn tạo thành băng thơng tín hiệu [3] 8 10 10 11 14 15 18 19 20 22 24 30 33 33 34 Giản đồ tia anten đẳng hướng 39 Giản đồ lái tia τ = 1.63e − 9, L = 8, fL = 3GHz , góc quan sát = 60o 41 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Sơ đồ khối giải pháp chia băng [4] Các tần số gần xếp thành băng, có trọng [1] Thuật tốn LMS có điều kiện ràng buộc [4] Sơ đồ khối hệ thống mô Sơ đồ khối tính tốn trọng số Lưu đồ thuật toán giải thuật cập nhật trọng số LMS số Giản đồ beam trường hợp định tia miền tần số định tia thông thường 3.2 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp can nhiễu 3.3 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp có nguồn nhiễu giao thoa 3.4 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp nhiễu giao thoa 3.5 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu 3.6 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa 3.7 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa 3.8 Dung lượng (Mbps), trường hợp can nhiễu 3.9 Dung lương (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa 3.10 Dung lượng (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa 42 46 48 49 50 51 57 58 59 59 3.1 60 61 62 63 63 64 Danh mục bảng biểu 1.1 1.2 1.3 Bảng so sánh công suất, mật độ phổ công suất hệ thống [5] Biểu thức toán học dạng xung Gauss [5] Bảng thể nguyên tắc hoạt động đa truy cập theo mã nhảy 13 3.1 3.2 Các thông số mô 54 Các trường hợp khảo sát 56 ... nghệ UWB cơng nghệ mới, có tiềm khai thác lớn tương lai nên việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hợp thời điểm Hơn nữa, với việc kết hợp Anten Beamforming vào hệ thống UWB ta kết hợp nghiên cứu. .. Việc nghiên cứu UWB xem hướng nghiên cứu công nghệ UWB chưa sử dụng rộng rãi Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu • Anten mảng thích nghi phương pháp định tia • Hệ thống. .. luận văn đề cập nghiên cứu liên quan đến đề tài Cụ thể nghiên cứu xung quanh việc ứng dụng anten mảng vào công nghệ UWB Đề cập đến nét chung kĩ thuật ứng dụng anten beamforming vào băng cực rộng