Upload
do-van-tan
View
69
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
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!