Đồ án Nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB (Ultra-Wideband) và đánh giá hệ thống dưới quan điểm xử tí tín hiệu

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Vũ Thanh Tùng D2001VT i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... v LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB .............................................. 3 1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB .............................................................................. 3 1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB ...................................................................... 4 1.1.2 Các ưu điểm của UWB .............................................................................. 5 1.1.3 Những thách thức của UWB ...................................................................... 5 1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu ............................................................................ 6 1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB .................................................... 6 1.2.1 Mặt nạ phổ công suất ................................................................................. 6 1.2.1 Mẫu xung .................................................................................................. 7 1.2.2 Chuỗi xung .............................................................................................. 10 1.2.3 Đa đường ................................................................................................. 11 1.2.4 Các đặc điểm khác ................................................................................... 14 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB ..................................................................... 16 1.4 Tổng kết .......................................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB ............................. 20 2.1 Mở đầu ............................................................................................................ 20 2.2 Mô hình kênh ................................................................................................... 24 2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn ....................................................................... 24 2.2.2 Mô hình kênh phạm vi nhỏ ...................................................................... 26 2.2.3 Sử dụng mô hình ..................................................................................... 26 2.3 Tổng kết .......................................................................................................... 27 CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG UWB ................................................................ 28 3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB ....................................... 28 3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) ...................................................................... 30 3.1.2 Điều chế pha hai trạng thái (BPSK) ......................................................... 32 3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) ...................................................................... 33 3.1.4 Điều chế biên độ xung ............................................................................. 34 3.1.5 Khoá bật- tắt ............................................................................................ 35 3.1.6 Mẫu tín hiệu ............................................................................................ 35 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Vũ Thanh Tùng D2001VT ii 3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian 36 3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp 38 3.1.7 Tổng kết về các phương pháp điều chế .................................................... 39 3.2 Bộ phát ............................................................................................................ 42 3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB ................................................. 43 3.3.1 Nhảy thời gian (TH) ................................................................................ 44 3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) ............................................................................ 46 3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB ............................................................................. 47 3.4 Bộ thu .............................................................................................................. 49 3.4.1 Khái niệm cơ bản..................................................................................... 49 3.4.2 Các máy thu cải tiến ................................................................................ 51 3.4.2.1 Máy thu Rake 51 3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan 53 3.5 Tổng kết .......................................................................................................... 54 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB ................................................ 55 4.1 Dung lượng của các hệ thống UWB ................................................................. 55 4.2 So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng ............................................ 58 4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác .......................................................................................... 62 4.3.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) .................................................... 63 4.3.2 Bluetooth ................................................................................................. 65 4.3.3 GPS ......................................................................................................... 65 4.3.4 Các hệ thống thông tin tế bào .................................................................. 65 4.3.5 Kết luận ................................................................................................... 66 4.4 Các trường hợp ứng dụng UWB ...................................................................... 66 4.4.1 Hoạt động ở khoảng cách rmax<1m .......................................................... 67 4.4.2 Hoạt động ở khoảng cách rmax<10 m ....................................................... 69 4.4.3 Hoạt động ở khoảng cách từ trung bình đến lớn với rmax<10-1000 m ....... 70 4.4.4 Kết luận ................................................................................................... 71 4.5 Tổng kết .......................................................................................................... 72 Kết luận ................................................................................................................. 70 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 72 Phụ lục .................................................................................................................. 73 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình, bảng Vũ Thanh Tùng D2001VT iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB ............... 7 Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng ................................................................................................... 9 Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet ......................... 9 Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet ...................................................................................................... 10 Hình 1.5: Chuỗi xung UWB ..................................................................................... 11 Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)........................... 12 Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu .............................................................................. 14 Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn ............................................................................................................................ 15 Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB........................................................... 17 Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà ..................... 20 Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu. ....... 21 Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên .. 22 Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB ......................................... 24 Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m ................................. 27 Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB ................. 28 Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB .................................... 29 Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ ................................................ 30 Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian. ...................................................................................... 32 .Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB ........................................ 34 Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian ........................................................... 36 Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp ..................................................... 38 Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN ........... 41 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình, bảng Vũ Thanh Tùng D2001VT iv Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung ............................................................... 42 Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn .......................... 44 Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng ................................................................... 48 Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) ............... 49 Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB ......................................................... 50 Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 52 Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử dụng Nu với hệ số trải phổ 50β = ©IEEE 2002 ........................................................ 57 Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách ..................................................................................... 58 Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần .... 59 Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp. Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau ................................. 59 Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng ...................................................................................... 61 Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn .... 61 Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS .......... 62 Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại ............................................ 63 Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN .................................................................................. 64 Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN .......... 69 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây ........ 15 Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác ........ 16 Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau .................. 19 Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu τ với BPPM trong kênh AWGN........ 31 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau ........... 42 Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn ...................... 68 Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn ........................... 70 Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn .. 71 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%. 0.2H L c f f fη − = ≥ (1.1) Trong đó B:=fH-fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống UWB với fc=(fH+fL)/2 với fH là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại, và fL 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, g