Bang Thong Sieu Rong-UWB

Ứng dụng xử lí tín hiệu cho

truyền thông Ultra-Wideband

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I

Giáo viên hướng dẫn: Ths.Nguyễn Phi Hùng

Ks. Bùi Văn Phú

Sinh viên thực hiện : Vũ Thanh Tùng

Đề tài

Nội dung

Phần I : Tổng quan về hệ thống UWB

Phần II : Truyền thông UWB

Phần III : Đánh giá về hệ thống UWB

Phần I: Tổng quan về hệ thống UWB

Định nghĩa tín hiệu UWB

Các thuộc tính của tín hiệu UWB

Các lĩnh vực ứng dụng

UWB là gì?

Theo FCC UWB được định nghĩa:

Tỉ số băng tần:

Băng tần tối thiểu là 500MHz

Tạo, thu phát và xử lí các xung có độ rộng cực nhỏ

(cỡ ps)

Thuật ngữ khác:impulse radar, impulse radio,carrier-less, carrier-free, base-band, time-domain

2 0.2H L

H L

f f

f f

LÞch sö ph¸t triÓn c«ng nghÖ UWB

2002 B¸o c¸o vµ quy ®Þnh ®Çu tiªn cña FCC cho c¸c hÖ thèng UWB

1998 Th«ng tin quy ®Þnh cña FCC ®èi víi c¸c hÖ thèng UWB

1994 C¸c ch¬ng tr×nh truyÒn th«ng UWB kh«ng ph©n lo¹i ®Çu tiªn

1990 §¸nh gi¸ c«ng nghÖ UWB

1986 HÖ thèng truyÒn th«ng UWB dùa trªn xung ng¾n ®îc ®a ra bëi

Ross vµ Fontana

1978 Ross vµ mét sè ngêi kh¸c lÇn ®Çu tiªn tr×nh bÇy vÒ hÖ thèng

truyÒn th«ng UWB

1965 Ross ph¸t triÓn c«ng nghÖ UWB t¹i trung t©m nghiªn cøu Sperry

Cuèi 1950 xuÊt hiÖn nhu cÇu ph©n tÝch ®¸p øng xung cña sãng vi ba

( t¹i phßng thÝ nghiÖm Lincoln, Sperry, … )

1893 Hert sö dông bé ph¸t xung cho c¸c thÝ nghiÖm vËt lÝ.

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra

Tín hiệu UWB có

phổ nằm trong phạm

vi từ 3,1- đến 10,6-

GHz.

Ptx (max)= -41,3

dBm/MHz hay 0,5

mW nếu sử dụng

toàn bộ dải tần 7,5

GHz

10.6 GHz

1.99 GHz

1. 61 GHz

0.96 GHz

-70

-40

-801 2 3 4 65 7 8 9 10

-50

-60

Tần số [GHz]

Các

mứ

c b

ức

xạ

EIR

P c

ủa

UW

B [

dB

m]

3.1 GHz

Miền tần số chính phục vụ cho các ứng

dụng truyền thông UWB

Xung Gaussian :

2

2

1 ( )( ) exp ( )

22

x

x x

t d p tp t p t

dt

Mật độ phổ công suất:

2 2( ) (2 ) .exp( (2 ) )x

x

pf f f

Mẫu xung và mật độ phổ tương ứng

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Chuỗi xung và mật độ phổ tương ứng

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Thời gian [ns] Tần số [GHz]

Thời gian [ns] Tần số [GHz]

1. Tốc độ cao

2. Không cần các thiết bị trung tần:

Kích cỡ thiết bị nhỏ

Giá thành thiết bị thấp

Giảm công suất tiêu thụ

3. Chống đa đường

4. Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một

thời điểm.

5. Mở ra một hướng sử dụng hiệu phổ tần mà không

cần phải cấp phép

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Các ưu điểm của UWB

log 1S

C BN

Chuẩn Tốc độ (Mb/s)

UWB (khoảng cách cỡ 1 m),USB 2.0 480

UWB (khoảng cách cỡ 4 m) 200

UWB (khoảng cách cỡ 10 m) 110

Fast Ethernet 90

802.11a 54

802.11b 11

Ethernet 10

Bluetooth 1

Các đặc tính của tín hiệu UWB

● Biểu thức Shannon

Tốc độ dữ liệu cao

Đường sau một

lần phản xạ

Đường sau hai lần

phản xạ

Đường nhìn

thẳng

Bộ

thu

Bộ

phátC

ôn

g s

uấ

t

T(trễ)

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Môi trường truyền

Đặc tính chống đa đường

Chồng lấn Không chồng lấn

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Hiện tượng chồng lấn xảy ra khi: p

dt T

c

Phạm vi hoạt động nhỏ: chỉ thực sự hiệu quả

trong phạm vi 10 m

Xử lí tạp âm và nhiễu phức tạp

Chưa có sự thống nhất giữa các tiêu chuẩn

Đồng bộ khó khăn

Các đặc tính của tín hiệu UWB

Các nhược điểm và thách thức của UWB

Các lĩnh vực ứng dụng

Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)

Mạng cảm biến (sensor network)

Các hệ thống chụp ảnh

Các hệ thống rada

Các lĩnh vực ứng dụng

Các mạng WPAN

Dịch vụ băng rộng: cáp

quang, vệ tinh, xDSL, v,vHome

gateway

Máy in

Computer

Máy ảnh số

Lactop

TV

PDA

Máy fax

Bàn phím

Chuột

Điện thoại

cầm tay

Kết nối UWB

Phần II: Truyền thông UWB

Các phương pháp điều chế

Kĩ thuật đa truy nhập

Bộ thu phát

Các phương pháp điều chế

Điều chế biên độ xung (PAM)

Khoá bật tắt (OOK)

1

1

0

0 0

0 1

1

Điều chế xung trực giao (PSM)

Điều chế vị trí xung (PPM)

Khoá chuyển pha nhị phân (BPSK)

1

1

0

0 0

0 1

1

Điều chế vị trí xung (PPM)

pT

1 0 Thời gian

Tp

pT

0 Thời gian

Tp

1

Các phương pháp điều chế

Vị trí

danh

định

Vị trí

thực tế

Điều chế vị trí xung (PPM)

Tự

tư

ơn

g q

ua

n c

hu

ẩn

ho

á

Độ trễ của bít ‘1’

/ pT

Xung

Gauss

bậc

tối ưu

2 0.292683

3 0.243902

4 0.219512

5 0.195122

Các phương pháp điều chế

tr trw ( )w ( )t t d

So sánh các phương pháp điều chế

. . . (1 ( )).1 1

2 2 2 4

s sBPSK BPPM

SF N SNR SF N SNRBER erfc BER erfc

Phương pháp

điều chế

Ưu điểm Nhược điểm

PPM Đơn giản Cần xử lí thời gian chính xác

BPSK Đơn giản, hiệu quả Chỉ điều chế nhị phân

PSM Đa truy nhập trực giao Phức tạp

PAM Đơn giản Ảnh hưởng bởi tạp âm

OOK

Đơn giản

Chỉ điều chế nhị phân, ảnh

hưởng nhiều bởi tạp âm

Các phương pháp điều chế

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Nhảy tần (FH)

Nhảy thời gian (TH)

Trải phổ trực tiếp (DS)

Kĩ thuật đa truy nhập

Kĩ thuật đa truy nhập

Đa truy nhập nhảy thời gian (TH-CDMA)

Tf=Tp*MTp

Tb=Tf*N

1 2 3 4 1 2

Tf

Tmono

t

Truyền dẫn

Truyền dẫn thực hiện trong 1/SF thời gian

Hệ số trải phổ:SF=Tf/Tmono;

Độ lợi xử lí thu được: PG=N.SF

Kĩ thuật đa truy nhập

Đa truy nhập nhảy thời gian (TH-CDMA)

PAM 1

( ) (m) (m)

d f w j c k

0

( ) w(t-kT -jT -(c ) T )dN

m

k j

s t

PPM 1

( ) (m) (m)

d f w j c k

0

( ) w(t-kT -jT -(c ) T - d )N

m

k j

s t

(m)k

1( ) (m)

d f w j cd0

( ) w (t-kT -jT -(c ) T )N

m

k j

s t

PSM

Mẫu tín hiệu

Kĩ thuật đa truy nhập

Đa truy nhập trải chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Tf

+1 +1 +1 +1 +1

-1-1-1-1-1

Tc

Các xung được phát liên tục

Hệ số trải phổ: SF=Tf/Tmomo

Kĩ thuật đa truy nhập

Mẫu tín hiệu

1( ) (m) ( )

d c p j

0

( ) w(t-kT -jT )(c )N

m m

k

k j

s t d

PAM

PSM ( )dk

1( ) ( )

d0

w ( )( )m

Nm m

d c p j

k j

s t kT jT c

Đa truy nhập trải chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Cấu trúc đơn giản bộ thu phát UWB

Không có các khối biến đổi tần số

A/D

Gain

Digital

Correlator

Clock + Code Generation

S T

Control:

DeMod

Sync

Modulate

RX

Data

TX

Data

Pulse

Phần IV: Đánh giá hệ thống UWB

Nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB và các

hệ thống vô tuyến khác

So sánh với hệ thống băng rộng khác

Dung lượng của hệ thống UWB

Các mạng nội hạt không dây (WLAN)

Bluetooth

GPS

Các hệ thống thông tin di động tổ ong

Nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB

và các hệ thống không dây khác

10.6 GHz

0.96 GHz

-70

-40

-801 2 3 4 65 7 8 9 10

-50

-60

Tần số [GHz]

Các

mức

bức

xạ

EIRP

của

UW

B [d

Bm]

3.1 GHz

99 GHz

1.61 GHz

0.8

GHz

cellular

1.5 GHz

cellular/

PCS

1.5

GHz

GPS

1.92 GHz

GPS

/cellular

2.4-GHz

ISM(WLA

N)

Miền tần số chính phục vụ cho các ứng

dụng truyền thông UWB

5-GHz

WLAN

Nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB

và các hệ thống không dây khác

Mặt nạ phổ công suất

Nhiễu từ hệ thống UWB sang các hệ thống khác:

Nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB

và các hệ thống không dây khác

Về mặt lí thuyết có thể coi như tạp âm nền từ

khoảng cách 18 m và có thể bỏ qua

Thực tế cho thấy chỉ có ảnh hưởng đáng kể

trong phạm vi vài mét

Nhiễu từ các hệ thống khác lên hệ thống UWB: chỉ có

các hệ thống WLAN 802.11a/HIPERLAN có khả năng

gây nhiễu đáng kể do có phổ tần nằm ở trung tâm phổ

tần của tín hiệu UWB khi chúng được đặt gần nhau.

Phương pháp loại bỏ nhiễu giữa hệ thống WLAN lên hệ

thống UWB

Không sử dụng dải tần hoạt động của WLAN:

OFDM UWB.

Loại bỏ nhiễu ở phía thu: sử dụng bộ lọc

Nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB

và các hệ thống không dây khác

So sánh với một số hệ thống băng rộng khác

Cấp phát cho mỗi phương pháp một băng tần 3.2 MHz

Truyền dẫn ở tốc độ 3.125 Mb/s

So sánh công nghệ UWB với các các kĩ thuật

FHSS và DSSS

Dung lượng của hệ thống

Khi số người dùng nhỏ hơn 10 thì dung lượng kênh đảm

bảo do nhiễu đa truy nhập thấp

Du

ng

lượ

ng

[b

it/kí

hiệ

u]

Số lượng người dùng

Mô phỏng với

xung chữ nhật

1( ) 0 p

p

p t t TT

Kết luận

Tìm hiểu kĩ về công nghệ UWB

Phân tích các khía cạnh quan trọng của hệ thống

Xây dựng chương trình mô phỏng nguyên lí điều

chế trải phổ

Kết quả đạt được của đồ án

Chưa xem xét được các vấn đề thực sự quan trọng

của hệ thống như lấy mẫu và đồng bộ ở phía thu,

đặc điểm của anten

Hạn chế của đồ án

Lời cảm ơn

Em 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 Bưu 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

em hoàn thành đồ án này.

xin Ch©n thµnh c¶m ¬n!