ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ULTRA WIDEBAND

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ULTRA WIDEBAND

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Mục lục Thuật ngữ viết tắt i Lời nói đầu 1 Chơng 1 3 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 3 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 3 1.1.1 3G và WLAN 3 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 4 1.2 Lịch sử của UWB 5 1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB 7 1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 7 1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp 7 1.3.3 Khả năng chống đa đờng 7 1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. 8 1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp 8 1.4 Thách thức đối với UWB 11 1.5 Chuẩn hoá 12 1.6 Các ứng dụng của UWB 14 1.6.1 Truyền thông và cảm biến 15 1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp 15 1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC 17 1.6.1.1.2 Kết nối đa phơng tiện vô tuyến cho các thiết bị CE 18 1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động 19 1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB 20 1.6.1.1.5 Mạng cảm biến 20 1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao 22 1.6.2 Định vị và bám 23 1.6.2.1 Định vị 23 1.6.2.2 Bám 23 1.6.3 Radar 24 Chơng 2 27 Phân tích tín hiệu UWB 27 2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 27 2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 27 2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 27 2.2.2 Xung Raised Cosin 28 2.2.3 Lựa chọn dạng xung 29 2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm 30 2.4 Các phơng pháp điều chế trong UWB 32 2.4.1 Điều chế vị trí xung 33 2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 35 2.4.3 Các phơng pháp điều chế khác 37 2.4.3.1 Điều chế xung trực giao 37 2.4.3.2 Điều chế biên độ xung 39 Dơng Ngô Quý, D01VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2.4.3.3 On-Off keying 39 2.4.4 Tổng kết về các phơng pháp điều chế 40 2.4 Phân tích công suất 43 2.5 Phân tích môi trờng truyền dẫn và các ảnh hởng của nó lên tín hiệu UWB 43 2.5.1 ảnh hởng của đa đờng 43 2.5.2 Các ảnh hởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx 44 2.5.3 Khoá lại đờng khả dụng nhất 44 2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập 45 2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB 45 2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 45 2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 45 2.6.3.1 Time-Hopping 46 2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp 47 Chơng 3 48 Bộ thu phát UWB 48 3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 48 3.2 Kiến trúc bộ thu UWB 49 3.2.1 Bộ thu tơng quan (Bộ lọc thích ứng) 49 3.2.2 Máy thu Rake 49 3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý 52 3.2.4 Thảo luận 53 3.2.4.1 Số lợng Rake finger 53 3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự 53 Chơng 4 55 So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác55 4.1 CDMA 55 4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 56 4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 60 4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 60 4.3.2 Các trờng hợp ứng dụng của OFDM 60 4.3.2.1 DSL 60 4.3.2.2 WLAN 61 4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số 61 4.3.2.4 UWB 61 Chơng 5 62 Phân tích nhiễu 62 5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN 62 5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a 62 5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a 63 5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu 63 5.1.4 ảnh hởng của UWB lên WLAN 64 5.2 Bluetooth 66 5.3 GPS 67 5.4 Các hệ thống tổ ong 67 Chơng 6 69 Dơng Ngô Quý, D01VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Kết luận 69 Chơng 7 70 phụ lục 70 7.1 Phụ lục A 70 7.2 Phụ lục B 71 7.3 Phục lục C 72 Tài liệu tham khảo 73 Dơng Ngô Quý, D01VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt 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 tơng 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 cơ hai CATV Cable Television or Community Antenna Television Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng CE Consummer Equipment Thiết bị ngời dùng CMOS Complementary Metal-oxide- Semiconductor Bán dẫn ôxít kim loại bổ xung DS- CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia 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 cờng 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 Dơng Ngô Quý, D01VT i Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt 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 ph- ơng tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MB- OFDM Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về ảnh động OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia 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 lợng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên 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 Dơng Ngô Quý, D01VT ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di 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 Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ 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 Dơng Ngô Quý, D01VT iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, nh là: các ứng dụng đa phơng tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn đợc phát triển (3G và WLAN) đợc thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phơng tiện này và truyền dẫn video chất lợng thấp. Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến nh Bluetooth, hồng ngoại, , ch a đáp ứng đợc yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bớc đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã đợc đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tợng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: công nghệ truyền thông ultra wideband Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản đợc phân ra thành từng chơng với những nội dung chính nh sau: Chơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB. Chơng 2: Phân tích tín hiệu UWB Chơng 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB. Chơng 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác. Chơng 5: Phân tích nhiễu. Chơng 6: Kết luận. Chơng 7: Phụ lục. Đồ án đã làm rõ đợc các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông này. Dơng Ngô Quý, D01VT 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần đợc chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục đợc phát triển hoàn thiện. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Phi Hùng đã tạo mọi điều kiện và tận tình hớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I, Trung tâm đào tạo Bu chính viễn thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và ngời thân - những ngời đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Tây, ngày tháng năm 2005 Sinh viên Dơng Ngô Quý Dơng Ngô Quý, D01VT 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hớng phát triển của các hệ thống cũ. Chúng đợc nâng cấp từng bớc để có thể tiến lên mạng băng rộng. Con đờng đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trớc đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để có thể đợc nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống nh GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA đợc sử dụng ngay từ đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã đợc ứng dụng trớc đó. 1.1.1 3G và WLAN Trong hệ thống 3G, nh UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của ngời dùng có thể đợc cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trờng tĩnh, trong khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lợng nh trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phơng tiện hoặc truyền video chất lợng thấp. Kích thớc của một tế bào Dơng Ngô Quý, D01VT 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống 2G hiện tại, nh GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2). Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lợng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trờng cung cấp cho ngời dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét. Trong tơng lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới đợc thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad- hoc, dịch vụ đợc đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video. 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng đợc đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại nh 3G hay WLAN không thể đáp ứng đợc yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện UWB. 802.11 Thông lợng dữ liệu theo khoảng cách Dơng Ngô Quý, D01VT 4 [...].. .Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Hình 1-3: Thông lợng dữ liệu WLAN theo khoảng cách Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến 1.2 Lịch sử của UWB Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong... thành 3 nhóm: Truyền thông và cảm biến Dơng Ngô Quý, D01VT 14 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Định vị và theo dõi Radar Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp 1.6.1 Truyền thông và cảm biến Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trờng khách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng... tầm nhìn thẳng đột ngột nh là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi Dơng Ngô Quý, D01VT 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB so sánh và có thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tợng mà không gặp trở ngại gì về kết nối Nó cũng bị ảnh hởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhng ít hơn trờng hợp ánh sáng hồng ngoại Vì UWB hoạt động... cung cấp bởi hạ tầng CATV Công nghệ này sẽ tạo cho ngời vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồn tại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng Dơng Ngô Quý, D01VT 25 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB tổng thu nhập Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến và UWB hữu tuyến Sự kết hợp công nghệ này tạo ra độ rộng băng... Quý, D01VT 10 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.4 Thách thức đối với UWB Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp dẫn cho truyền thông trong tơng lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử thách cần phải vợt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến... dần dần Dơng Ngô Quý, D01VT 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB theo hớng về phía sau danh sách những quy luật cơ bản Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ đợc điều khiển Nếu không có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức... cải thiện đáng kể khả năng làm đơn giản hoá việc lu trữ và phân phối tài sản, hàng hoá và các dịch vụ trong khi làm tăng khả năng điều khiển kiểm kê Dơng Ngô Quý, D01VT 23 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Vì tính chất di động của con ngời và các đối tợng tăng lên, những thông tin mới nhất và chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trờng thích đáng Trong... thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và Hertz vào cuối những năm 1890 Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp đợc quan tâm nhiều hơn UWB Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đờng tơng tự nh vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông. .. thị phần đáng kể nh là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15) Nhng cáp cũng chỉ có thể đợc sử dụng theo phơng thức này Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tơng tác Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho Dơng Ngô Quý, D01VT 17 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB... tiện mật độ cao, nh là dùng trực tuyến đa phơng tiện tại các điểm nóng nh sân bay hoặc trung tâm hàng hoá Dơng Ngô Quý, D01VT 22 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB thậm trí cả các đơn vị cộng đồng, sẽ yêu cầu băng tần không nh công nghệ băng hẹp sóng liên tục hiện tại Khả năng đóng gói chặt các tế bào UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lợng