Đồ án tốt nghiệp đại học
Thuật ngữ viết tắt
Vũ Thanh Tùng D2001VT
v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu Tên tiếng Anh Tiếng Việt
ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng
BER Bit Rrror Rate Tỉ lệ lỗi bit
BPSK Bi-phase Shift Keying Khóa chuyển pha
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
DSSS Direct Sequent Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
EIRP Equivalent Isotropically Radiated
Power
Công suất phát xạ đẳng hướng
tương đương
FCC Federal Communications
Commission
Ủy ban truyền thông liên bang Mi
FDM Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FHSS Frequency Hopping Spread
Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FSP Free Space Propagation Truyền sóng trong không gian tự
do
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
IC Integrated Circuit Mạch tích hợp
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineering
Viện công nghệ điện và điện tử
Mĩ
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh
LMMSE Linner Minimum Square Error Lỗi trung bình bình phương tuyến
tính cực tiểu
LOS Light of Sight Nhìn thẳng
LSI Large Scale Integration Mạch tích hợp cỡ lớn
MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
MF Matched Filter Bộ lọc thích ứng
MPU Multi Processor Unit Thành phần đa xử lí
MUI Multiuser Interference Nhiễu đa người dùng
NLOS Non Light of Sight Khuất
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh theo tần số trực giao
OOK On-off Keying Khoá bật tắt
PCS Personal Communication Service Các dịch vụ thông tin cá nhân
PDA Personal digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân số
PN Pseudo Noise Giả tạp âm
PR Pseudo Random Giả ngẫu nhiên
PRF Pulse Repetiton Frequency Tần số lặp xung
Đồ án tốt nghiệp đại học
Thuật ngữ viết tắt
Vũ Thanh Tùng D2001VT
vi
PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
QPPAM Quadrature Position and Amplitude
Modulation
Điều chế vị trí và biên độ cầu
phương
SF Spread Factor Hệ số trải phổ
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
THSS Time hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy thời gian
USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp vạn năng
UWB Ultra Wideband Siêu băng rộng
WLAN Wireless Location Area Network Mạng nội hạt không dây
WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây
ISM Industry Scientific Medicine
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Vũ Thanh Tùng D2001VT
1
LỜI NÓI ĐẦU
So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởng
nhanh chóng. Xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị di động để truy cập các
dịch vụ Internet tốc độ cao. Một trong những hướng đi của vấn đề này là sử dụng
công nghệ UWB. Công nghệ này cho phép các kết nối vô tuyến có tốc độ cao hơn
hẳn so với các kết nối vô tuyến khác. Đây là một công nghệ mới không chỉ mới ở
Việt Nam mà còn là một công nghệ mới mẻ trên thế giới và là một công nghệ có
nhiều tiềm năng ứng dụng cao.
Vấn đề xử lí tín hiệu có một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống vô
tuyến nào. Cũng như bất kì một hệ thống truyền thông nào khác, vấn đề xử lí tín
hiệu trong truyền thông UWB là một trong những vấn đề quyết định đến sự thành
công của hệ thống, qua đó có thể xem xét đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới
hạn có thể. Được sử hướng dẫn của ThS.Nguyễn Phi Hùng và Ks.Bùi Văn Phú em
mạnh dạn đi vào tìm hiểu công nghệ này. Trong nội dung đồ án này em sẽ nghiên
cứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB và đánh giá hệ thống dưới quan
điểm xử lí tín hiệu.
Về nội dung đồ án được chia thành 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về hệ truyền thông UWB: giới thiệu tổng quan về hệ
thống UWB, các đặc tính cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB từ đó cho thấy tiềm
năng ứng dụng của UWB là rất lớn. Các đặc điểm đặc biệt quan tâm của hệ thống
UWB là các quy định về phổ tần của FCC đưa ra. Lợi thế về băng thông, khả năng
chống đa đường của tín hiệu UWB làm tín hiệu UWB trở lên rất hấp dẫn đối với lĩnh
vực viễn thông. Ngoài ra các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm
xuyên, định vị làm lĩnh vực ứng dụng của nó trở nên rất rộng và linh hoạt.
Chương 2 Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến
trong nhà áp dụng cho truyền thông UWB.
Chương 3 Truyền thông UWB: trình bày các thành phần quan trọng hệ thống
truyền thông, nhấn mạnh vào cách khía cạnh quan trọng của hệ thống như điều chế,
đa truy nhập và sử dụng máy thu Rake để thu tín hiệu.
Chương 4 Đánh giá một số khía cạnh của hệ thống truyền thông UWB: xem
xét các vấn đề quan trọng có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của hệ thống
truyền thông UWB như dung lượng; ảnh hưởng nhiễu qua lại với các hệ thống
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Vũ Thanh Tùng D2001VT
2
truyền thông vô tuyến khác; so sánh hiệu năng với một số hệ thống truyền thông
băng rộng hiện tại; và các trường hợp ứng dụng cụ thể của nó.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Phi Hùng
và Ks. Bùi Văn Phú và các thầy cô trong bộ môn Vô tuyến-Học viện công nghệ
Bưư chính viễn thông và phòng Nghiên cứu Kĩ thuật Thông tin Vô tuyến-Viện
Khoa học Kĩ thuật Bưu điện đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.
Hà Nội 10/2005
Sinh viên Vũ Thanh Tùng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB
1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB
Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không
sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và có
tính đột phá. Trước hết tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng
UWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ
thuật xử lí tín hiệu được sử dụng. Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ
thấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong
tương lai với các ứng dụng không dây. Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB
trước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB.
Định nghĩa:
UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần
lớn hơn 20%.
0.2
H L
c
f f
f
η
−
= ≥
(1.1)
Trong đó B:=f
H
-f
L
chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ
thống UWB với f
c
=(f
H
+f
L
)/2 với f
H
là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so
với tần số có công suất cực đại, và f
L
là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB
so với tần số có công suất cực đại.
Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ
mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất. Tuy
nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng
dụng điện tử viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công
suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây
nhiễu cực nhỏ.
Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới
thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kĩ thuật UWB có khác biệt
so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằng truyền
dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số.
Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các
chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng tần rộng và công
suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
4
1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB
Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công
nghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao, kích
cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới. Tuy
nhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của
nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng.
Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay
dựa vào các sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên
phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống
truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung. Năm 1893 Heirich Hertz
sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông. Các sóng đó
hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu. Trong khoảng 20 năm sau những thí
nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữa các
điện cực cacbon.
Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông
chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại
một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền
thông. Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết
quả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn. Các thành
phần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát
triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như rada lòng đất. Năm 1973 có
bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB. Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển
theo hướng mới. Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định
vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển. Phần lớn các ứng dụng và phát
triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩ
dưới các chương trình bí mật. Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứng
dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương
trình nghiên cứu và phát triển. Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB được gọi
là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung. Bộ Quốc phòng Mĩ
được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband.
Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bị
truyền thông UWB. Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrum
được thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
5
1.1.2 Các ưu điểm của UWB
Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:
1. Tốc độ cao
2. Giá thành thiết bị thấp
3. Chống đa đường
4. Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm
Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo,
nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB
đó là tốc độ cao. Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà
hiện tại chưa có. Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua
tốc độ trên ở khoảng cách ngắn.
Biểu thức Shannon được biểu diễn:
log 1
S
C B
N
= +
(1.2)
Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/s]; B là băng tần
kênh [Hz]; S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W].
Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh.
Có thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm. Có thể thấy rằng
dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công
suất tín hiệu S. Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể hy sinh (tăng) độ
rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác. Qua
biểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rất
cao cho các hệ thống truyền thông không dây. Vấn đề này sẽ được xem xét tỉ mỉ
hơn ở chương 4.
1.1.3 Những thách thức của UWB
UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng như
nhiều ứng dụng khác trong tương tai, nó cũng có một số thách thức phải vượt qua
để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến.
Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các
người dùng khác nhau. Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sử
dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắn
rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ. Đặc biệt là trong
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
6
trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ. Do đó
giải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.
Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu
chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB. Hiện nay chưa có sự nhất
trí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng
như các thiết bị là rất rõ ràng.
Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ
nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương
đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại.
1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu
Sử dụng các kĩ thuật xử lí tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong tất cả
các hệ thống truyền thông hiện nay. Tương lai của các hệ thống truyền thông phát
triển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới
hạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lượng kênh. Tăng hiệu năng hệ
thống là cần thiết để thoả mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự cạnh tranh
về công nghệ cũng như trên thị trường. Do đó, xử lí tín hiệu tốt là một trong những
yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông.
Trong trường hợp các hệ thống UWB điều này vẫn đúng. Xử lí tín hiệu cho
hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp dẫn.
Một trong những yếu tố thú vị của hệ thống UWB là không sử dụng sóng mang, và
tín hiệu hoàn toàn là băng gốc. Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộ trộn
sử dụng để hạ tần tín hiệu trước khi lấy mẫu.
Nội dung của đồ án này là nghiên cứu về công nghệ truyền thông UWB qua
đó phân tích hệ thống truyền thông UWB dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với mục
đích sử dụng công nghệ này cho truyền thông cự li ngắn tốc độ cao.
1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB
Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống và tín hiệu UWB. Chi
tiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo. Trước hết ta
nghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB.
1.2.1 Mặt nạ phổ công suất
Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa
ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB. Thực tế, tên
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
7
của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công
nghệ UWB. Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và
quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu
tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số.
Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB
Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng
hiện tại. Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định
nghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở
mỗi dải tần số khác nhau. Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ
thống UWB trong nhà. Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và
10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz.
Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96
GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như
thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc
phòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó. Công suất cho phép -41.3
dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra
và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn.
1.2.1 Mẫu xung
Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle
(đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu
cầu về mặt nạ phổ. Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian,
Rayleigh và Hermittian ,v,v thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian.
Lí do để sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB
Vũ Thanh Tùng D2001VT
8
là tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ. Trong nội
dung đồ án này tôi chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xung
Gaussian (bao gồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó).
Monocycle p
x
(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):
2
2
1
( ) exp
2
2
t
p t
σ
πσ
−
=
(1.3)
( )
( )
x
x
x
d p t
p t
dt
=
(1.4)
Trong đó
2
σ
là phương sai của xung Gaussian. Mật độ phổ công suất (PSD)
của xung Gaussian là:
2
2
2
( ) ( ) ( )exp( 2 ) exp( (2 ) )
P
f P f p t j ft f
π πσ
∞
−∞
= = − = −
∑
∫
(1.5)
Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle p
x
(t) nhận được là :
2
( ) (2 ) ( )
x
x
p p
f f f
π
=
∑ ∑
(1.6)
Kết quả đưa ra trong công thức (1.6) chỉ ra đạo hàm xung cơ bản có thể là
một cách điều chỉnh PSD của monocycle trong trường hợp này được giả thiết là
xung Gaussian. Một vấn đề khác là phải xác định độ rộng xung, bởi vì xung
Gaussian lí tưởng có độ dài không xác định. Rõ ràng đây là một điều không thực tế
và cần phải giới hạn độ rộng xung thực tế. Một phương pháp hợp lí để xác định độ
rộng xung là chọn độ rộng xung phù hợp với phần trăm năng lượng trong khoảng
thời gian độ rộng xung chiếm. Trong nội dung đồ án này độ rộng xung
w
p
được
định nghĩa là:
w
w
2
2
2
2
( )
99.9%
( )
p
p
x
x
p t dt
p t dt
−
∞
−∞
≥
∫
∫
(1.7)
Trong hình 1.2 các monocycle p
x
(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung p
w
=0.9 ns
được chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay
đổi phổ của monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm. Nếu ứng dụng khác với
một tiêu chuẩn khác thì giới hạn chiếm 99.9% công suất trong đồ án có thể phải
thay đổi cho phù hợp với những tiêu chuẩn này.
Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể
được xác định. Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong sử
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét