Đề tài Công nghệ truyền thông ultra wideband

Thuật ngữ viết tắt i

Lời nói đầu 1

Chương 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 4

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 4

1.1.1 3G và WLAN 4

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 5

1.2 Lịch sử của UWB 6

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB 8

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 8

1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp 9

1.3.3 Khả năng chống đa đường 9

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. 9

1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp 10

1.4 Thách thức đối với UWB 12

1.5 Chuẩn hoá 14

1.6 Các ứng dụng của UWB 16

1.6.1 Truyền thông và cảm biến 17

1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp 17

1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC 19

1.6.1.1.2 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE 20

1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động 21

1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB 22

1.6.1.1.5 Mạng cảm biến 23

1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao 25

1.6.2 Định vị và bám 25

1.6.2.1 Định vị 25

1.6.2.2 Bám 26

1.6.3 Radar 27

Chương 2. Phân tích tín hiệu UWB 29

2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 29

2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 29

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 29

2.2.2 Xung Raised Cosin 30

2.2.3 Lựa chọn dạng xung 31

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm 32

2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB 34

2.4.1 Điều chế vị trí xung 35

2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 37

2.4.3 Các phương pháp điều chế khác 40

2.4.3.1 Điều chế xung trực giao 40

2.4.3.2 Điều chế biên độ xung 42

2.4.3.3 On-Off keying 42

2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế 43

2.4 Phân tích công suất 46

2.5 Phân tích môi trường truyền dẫn và các ảnh hưởng của nó lên tín hiệu UWB 46

2.5.1 ảnh hưởng của đa đường 46

2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx 47

2.5.3 Khoá lại đường khả dụng nhất 48

2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập 48

2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB 48

2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 48

2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 49

2.6.3.1 Time-Hopping 50

2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp 50

Chương 3. Bộ thu phát UWB 52

3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 52

3.2 Kiến trúc bộ thu UWB 53

3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) 53

3.2.2 Máy thu Rake 54

3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý 56

3.2.4 Thảo luận 57

3.2.4.1 Số lượng Rake finger 57

3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tương tự 57

Chương 4. So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác 60

4.1 CDMA 60

4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 61

4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 65

4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 65

4.3.2 Các trường hợp ứng dụng của OFDM 65

4.3.2.1 DSL 65

4.3.2.2 WLAN 66

4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số 66

4.3.2.4 UWB 66

Chương 5. Phân tích nhiễu 68

5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN 68

5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a 68

5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a 69

5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu 69

5.1.4 ảnh hưởng của UWB lên WLAN 70

5.2 Bluetooth 72

5.3 GPS 73

5.4 Các hệ thống tổ ong 73

Chương 6. Kết luận 76

Chương 7. phụ lục 78

7.1 Phụ lục A 78

7.2 Phụ lục B 79

7.3 Phục lục C 80

 

doc93 trang | Chia sẻ: huong.duong | Ngày: 05/09/2015 | Lượt xem: 1103 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Công nghệ truyền thông ultra wideband, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ều này chuyển đổi trung tâm giải trí gia đình thành cổng mạng và hub không dây. Chương 2 Phân tích tín hiệu UWB Sau khi nắm được những đặc điểm cơ bản nhất về UWB và những thuộc tính của nó trên miền thời gian và tần số, chúng ta tiếp tục với việc phân tích tín hiệu UWB, trong chương này dạng xung sử dụng và các kỹ thuật điều chế trong UWB sẽ được trình bầy. 2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB Định nghĩa một tín hiệu UWB về các mặt có liên quan là một điều gì đó không thực sự rõ ràng. Sau đây là một số khả năng: Một tín hiệu với một độ rộng băng lớn hơn 500 MHz. Một tín hiệu với độ rộng băng lớn hơn 20% tần số trung tâm. Những định nghĩa này cho phép một tín hiệu CDMA với một tốc độ 1 chip/ns hoặc một tín hiệu OFDM với độ rộng băng tần tổng cộng vượt ra khỏi chuẩn 802.11. Trong đồ án này, chúng ta coi rằng tín hiệu UWB được cấu thành từ rất nhiều xung hẹp (cỡ 1 ns hoặc thậm trí còn hẹp hơn). 2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ Có rất nhiều dạng xung được sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào đặc tính của phổ tần hoạt động của hệ thống mà dạng xung nào được lựa chọn. Đối với hệ thống UWB phổ tần hoạt động cho các ứng dụng trong nhà được FCC cấp phát từ 3.1-10.6 GHz. Do phổ tần cố định như vậy nên việc chọn lựa dạng xung cũng là một vấn đề quan trọng. Nhằm tuân theo đặc tả của FCC, hai loại dạng xung được nghiên cứu: xung Gaussian và xung Raised Cosin. 2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian Xung Gaussian đơn chu kỳ là một tín hiệu băng rộng, tần số trung tâm và độ rộng băng phụ thuộc vào độ rộng của chu kỳ đơn. Trong miền thời gian, xung đơn chu kỳ Gaussian có dạng: (2-1) Trong đó là hệ số thời gian xác định độ rộng của đơn chu kỳ. Trong miền tần số, biến đổi Fourier của xung đơn chu kỳ Gaussian là: (2-2) Tần số trung tâm fc phải thoả mãn: (2-3) Chúng ta có thể thấy rằng fc tỉ lệ với nghịch đảo của và độ rộng băng -3dB vào khoảng 116% fc (xem phụ lục A). Vì vậy, với = 0.033ns thì tần số trung tâm fc = 6.85 GHz và độ rộng băng -3dB xấp xỉ 7.5 GHz. Hình 2-1 thể hiện một dạng sóng điển hình của xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó. Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó 2.2.2 Xung Raised Cosin Trong đặc tả của FCC, mặt nạ PSD cho tín hiệu UWB có dạng hình chữ nhật. Dễ thấy rằng xung dạng Gaussian không hoàn toàn phù hợp với quy định này. Do vậy, xung Raised Cosin được giới thiệu để có thể thích hợp hơn với quy định về PSD của FCC. Hình 2-2 thể hiện xung Raised Cosin trên miền thời gian và tần số. Xung Raised Cosin có thể được mô tả trong miền tần số như sau: (2-4) Trong đó, B là băng tần tuyệt đối. f1 và được cho dưới đây: Với là tần số -6dB của xung Raised Cosin. Vì mục đích tận dụng toàn bộ băng tần được FCC chấp thuận 7.5 GHz nên giá trị của được thiết lập là 3.75 GHz. Dạng sóng tương ứng trên miền thời gian được tính như sau: (2-5) Do h(t) là tín hiệu băng tần thấp (-, +) nên cần được dịch đến tăng tần tín hiệu mong muốn. Trong trường hợp phổ tần của xung Raised Consin chiếm toàn bộ băng tần được FCC cấp phát thì xung băng gốc phải chuyển sang tần số trung tâm fc (6.85 GHz). Do đó, xung được phát đi sẽ là: (2-6) rc(t) và RC(f) được thể hiện trong hình 2-2. Hình 2-2: Xung Raised Cosin và phổ năng lượng của nó 2.2.3 Lựa chọn dạng xung Bằng cách so sánh hai dạng xung đã được đề xuất, chúng ta cần lựa chọn một dạng để sử dụng cho hệ thống UWB. Ta thấy rằng, mặc dù xung Raised Cosin có các thuộc tính phổ khá đẹp, khá khớp với mặt nạ phổ hình chữ nhật được FCC đưa ra nhưng loại xung này rất khó tạo ra bởi một mạch điện đơn giản. Trái lại, xung đơn chu kỳ Gaussian thì có thể được tạo ra một cách khá đơn giản, và do đó thường được lựa chọn để sử dụng cho các hệ thống UWB. 2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm Sau khi giới thiệu một số dạng xung UWB thì việc truyền dẫn các xung – chuỗi xung cần được xem xét. Trước tiên chúng ta tạo ra xung Gaussian đơn chu kỳ tại những thời điểm cách nhau bởi khoảng thời gian lặp (xem hình 2-3) và chuỗi xung này có thể được mô tả như sau: (2-7) Trong đó Tf là chu kỳ khung, bằng với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp, gm(t) là xung Gaussian đơn chu kỳ. Chuỗi xung trên có một tần số lặp xung xác định là 1/Tf. Dựa trên mật độ phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ GM (hình 2-1), mật độ phổ công suất (PSD) có thể được viết như sau: (2-8) Trong đó và lần lượt là trung bình và phương sai của biên độ xung, trong trường hợp chuỗi xung tuần hoàn, chúng lần lượt là 1 và 0. Do đó, ta có: (2-9) Chúng ta thấy rằng trong miền tần số, chuỗi xung đơn đều đặn sẽ tạo ra các nhánh công suất theo các khoảng 1/Tf. Điều này được kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-3. Do vậy, công suất tín hiệu UWB trải rộng theo đường phổ. Nhưng nếu PSD phẳng, công suất phát có thể tối đa theo quy định của FCC. Chúng ta kết luận rằng chuỗi xung tuần hoàn không tận dụng được tài nguyên tần số một cách có hiệu quả và cần được cải thiện. Để có thể làm mịn đường phổ, yếu tố then chốt để tối ưu việc sử dụng phổ tần, chúng ta cần loại bỏ sự tương quan của chuỗi xung tuần hoàn trong miền thời gian. Một phương pháp hữu dụng để giải quyết vấn đề này là làm cho các xung xuất hiện ngẫu nhiên trong miền thời gian, do vậy nhiều sự tương quan có thể tránh được trong chuỗi xung và đường phổ có thể được nén lại. Phương pháp này được thể hiện trong hình 2-4 và chuỗi xung với xung đơn chu kỳ Gaussian có thể được mô tả như sau: (2-10) Trong đó là số ngẫu nhiên thuộc (0, Tf). PSD của chuỗi xung này có thể thu được như sau: (2-11) Từ đó ta thấy rằng chỉ là một bản mở rộng của phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ và không có nhánh nào trong đó. Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần Sở dĩ như vậy là do tất cả các xung xuất hiện ngẫu nhiên hoàn toàn và tuyệt đối không có thông tin tương quan về vị trí xung. Thuộc tính trên được khẳng định lại bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-4. là độ dịch thời gian (nhiều nano giây) có thể được áp dụng cho từng xung. Tập hợp {} có thể được thiết kế giống như mã giả tập âm (PN). Trong hệ thống đa truy nhập, mỗi một người dùng có một chuỗi mã ngẫu nhiên duy nhất. Chỉ bộ thu hoạt động với cùng một mã ngẫu nhiên mới có thể giải mã truyền dẫn. Nếu không biết trước mã nhảy thời gian duy nhất này thì tín hiệu không thể được tách ra thậm trí ngay cả trong trường hợp mà bộ thu đặt rất gần bộ phát. Phương pháp để gán cho từng xung UWB một khoảng thời gian này còn được sử dụng như là một kỹ thuật đa truy nhập. Để hiểu thêm về một kỹ thuật đa truy nhập và khả năng ứng dụng của chúng trong UWB, ta xét thêm một số kỹ thuật đa truy nhập khác (xem phần kỹ thuật đa truy nhập). 2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB Như chúng ta đã biết, một xung đơn UWB không mang thông tin. Chúng ta phải thêm thông tin số vào xung tương tự, điều này được thực hiện bằng điều chế. Trong các hệ thống UWB, có một số phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ xét chi tiết ở phần sau. Thông thường, chúng ta định nghĩa hai dạng điều chế cơ bản cho truyền thông UWB. Chúng được thể hiện trong hình 2-5 (kỹ thuật điều chế dựa trên thời gian và kỹ thuật điều chế dựa trên dạng xung). Điều chế vị trí xung (PPM) Kỹ thuật dựa trên thời gian Kỹ thuật dựa trên dạng xung Điều chế xung đối cực (BPPM) OOK PAM Phương pháp điều chế dạng xung cơ bản (như điều chế xung trực giao) Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB Một phương pháp điều chế phổ biến nhất trong truyền thông UWB là điều chế vị trí xung (PPM), trong đó mỗi xung được trễ hoặc gửi trước thang thời gian bình thường. Do vậy, một hệ thống truyền thông cơ hai có thể được thiết lập với một độ dịch thời về phía trước hoặc sau. Bằng cách chỉ rõ thời gian trễ chính xác cho từng xung, một hệ thống M-ary có thể được tạo ra. Một phương pháp thông dụng khác sử dụng kỹ thuật đảo ngược xung: điều đó có nghĩa là tạo ra một xung với pha ngược lại. Đây được gọi là kỹ thuật điều pha cơ hai (BPM). Một kỹ thuật điều chế hấp dẫn khác là điều chế xung trực giao, trong đó yêu cầu các dạng xung đặc biệt mà khi được tạo ra chúng phải trực giao nhau. Ngoài ra còn có một số kỹ thuật điều chế nổi tiếng khác như OOK. Trong kỹ thuật điều chế OOK, sự có mặt hoặc vắng mặt của xung thể hiện thông tin số “1” hoặc “0” một cách tương ứng. Điều chế biên độ xung (PAM) là kỹ thuật sử dụng sự biến đổi biên độ xung để mang thông tin số. Hơn nữa, một vài kỹ thuật điều chế truyền thống khác không áp dụng được trong truyền thông UWB. Ví dụ: kỹ thuật điều tần được sử dụng rộng rãi lại rất khó áp dụng trong UWB, vì mỗi xung mang quá nhiều thành phần tần số. Chúng ta lần lượt kiểm tra từng kỹ thuật điều chế có thể áp dụng trong UWB này. Trước tiên, chúng ta xét hai kỹ thuật điều chế phổ biến nhất: PPM và BPM. Một sự so sánh đơn giản hai kỹ thuật điều chế này được thể hiện trong hình 2-6. Trong hình 2-6(a), một chuỗi xung không được điều chế dùng để so sánh. Xét một ví dụ cho trường hợp PPM, xung tượng trưng cho bít thông tin “1” bị trễ đi (xung bị dịch sang phải). Xung tượng trưng cho bít “0” được gửi đi trước xung không được điều chế (xung bị dịch sang trái) trong hình 2-6 (b). Đối với trường hợp BPM, xung bị đảo ngược tượng trưng cho bít “0” trong xung không bị đảo tượng trưng cho bít “1”. Xem hình 2-6 (c) để thấy rõ hơn vấn đề này. Sau đây chúng ta sẽ đi xét chi tiết lần lượt từng phương pháp một. 2.4.1 Điều chế vị trí xung Như đã đề cập trước, tham số quan trọng trong điều chế vị trí xung là độ trễ của xung. Bằng cách định nghĩa một xung cơ bản với dạng xung tuỳ ý p(t), chúng ta có thể điều chế dữ liệu bởi tham số trễ để tạo ra các xung si như thể hiện trong phương trình 2-12, trong đó t là thời gian. (2-12) Xét một ví dụ, chúng ta đặt , , , ta sẽ tạo ra một hệ thống PPM 4-ary. Và theo đó, ta có: (2-13) (a) Các xung không được điều chế (b) Điều chế vị trí xung (c) Điều pha hai mức Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung và điều pha hai mức trong UWB Bộ thu phân biệt “1”, “0” bằng thời gian đến của nó, hoặc độ trễ giữa các xung (xem thêm hình 2-7). Hình 2-7: Điều chế vị trí xung Lợi ích lớn nhất của PPM xuất phát từ tính đơn giản của nó và lỏng lẻo trong việc điều khiển độ trễ. Trái lại, hoạt động của hệ thống UWB lại yêu cầu một độ chính xác rất cao về thời gian. Do đó, có thể coi đây là một nhược điểm của phương pháp điều chế này. Ngoài ra điều chế vị trí xung có tác dụng làm phẳng phổ tín hiệu, do đó làm giảm nhiễu tới các hệ thống vô tuyến cũ. PPM cho phép sử dụng kỹ thuật thu sử dụng bộ lọc thích ứng tối ưu. Bộ thu sử dụng một bộ tương quan để tách tín hiệu dưới mức tạp âm. So với các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế khác, hệ thống sử dụng PPM cho phép đồng bộ hoá tốt hơn và yêu cầu độ chính xác định thời lớn hơn. Xác suất lỗi bít được tính theo công thức sau, với điều kiện sử dụng bộ lọc thích ứng ở bộ thu: (2-14) Trong đó: Q(): là hàm Q. Eb: là năng lượng trung bình trên một bít. N0: là mật độ phổ công suất tạp âm tại bộ thu. Q() là hàm được định nghĩa như sau: (2-15) Hình vẽ không gian tín hiệu và xác suất lỗi bít được thể hiện trong hình 2-10 và 2-11. 2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) Kỹ thuật điều chế đối cực thể hiện bít “1” bởi một xung dương và bít “0” bởi một xung âm. Tức là có sự chuyển pha 180 độ giữa bít “0” và “1”. Xem hình 2-8 để hiểu thêm về kỹ thuật điều chế này và PPM trong UWB. Theo hình 2-8 chúng ta thấy rằng Nc xung UWB dùng để truyền một bít dữ liệu, khoảng cách giữa hai xung liên tiếp là Tf, cả bít thông tin và chuỗi giả tạp âm đều tham gia điều chế xung UWB. Như vậy có nghĩa là để truyền bít dữ liệu “1” không có nghĩa là dùng toàn xung UWB duơng. Về mặt toán học, chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu BPM như sau. , =-1,1. Trong đó p(t) như đã đề cập trong 2.3.1, được coi như là tham số dạng xung. Theo đó chúng ta dễ dàng nhận thấy sự đảo ngược xung cơ bản p(t) sẽ tương ứng với bít “0” và bít “1” được phát đi. Ta có thể biễu diễn tín hiệu UWB sử dụng điều pha cơ hai khi có một chuỗi bít được đưa vào để điều chế xung UWB như sau: (2-16) Trong đó bj là giá trị {-1, +1} phụ thuộc vào bít dữ liệu. Xác suất lỗi bít được tính theo công thức sau, với điều kiện sử dụng bộ lọc thích ứng ở bộ thu: (2-17) Hình vẽ không gian tín hiệu và xác suất lỗi bít được thể hiện trong hình 2-10 và 2-11. Hình 2-8: Mã hoá “0”, “1” trong UWB Một trong số các lý do để sử dụng điều chế xung đối cực, đặc biệt trong sự so sánh với kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM), là độ lợi 3-dB trong hiệu suất sử dụng công suất. Điều đó có nghĩa là nếu muốn đạt được cùng một tỉ lệ lỗi bit thì các phương pháp điều chế như OOK, PPM phải dùng năng lượng bit (Eb) gấp đôi. Đây là một thuộc tính của phương pháp điều chế này. Trên đây đã giới thiệu hai phương pháp chính thường được sử dụng trong truyền thông UWB. Ngoài ra còn một số phương pháp điều chế khác cũng được đề xuất trong quá trình nghiên cứu nhằm tìm ra một phương pháp điều chế thích hợp nhất cho truyền thông UWB. Do đó việc đề cập các phương pháp điều chế khác là cần thiết để có được một cái nhìn toàn diện hơn về các kỹ thuật điều chế mà UWB đã trải qua trên cả phương diện lý thuyết cũng như trong thực tế. 2.4.3 Các phương pháp điều chế khác Hình vẽ 2-9 thể hiện các phương pháp điều chế này. Trong hình 2-9 (a) là một chuỗi xung chưa được điều chế dùng để so sánh. Hình 2-9 (b) là một ví dụ về điều chế biên độ xung trong đó xung với biên độ lớn tượng trưng cho bit “1” và xung có biên độ nhỏ hơn tượng trưng cho bít “0”. Hình 2-9 (c) là kỹ thuật điều chế on-off keying. Đây là phương pháp điều chế khá quen thuộc. Hình 2-9 (d) thể hiện một ví dụ về điều chế xung trực giao trong đó bít “1” được tượng trưng bởi một xung Hermitian cấp 3 được điều chỉnh và bít “0” được tượng trưng bởi một xung Hermitian cấp hai được điều chỉnh. Sau đây chúng ta sẽ xem xét thêm về từng kỹ thuật vừa nêu. 2.4.3.1 Điều chế xung trực giao Điều chế xung trực giao là một tập con của điều chế dạng xung với thuộc tính là các dạng xung phải trực giao với nhau. Ưu điểm chính của việc sử dụng các xung trực giao không liên quan trực tiếp đến phần điều chế, nhưng nó lại rất hữu ích khi sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập. Tuy nhiên, do việc điều chế dạng xung cơ sở thì không phải là một vấn đề hấp dẫn trong cả lý thuyết và thực tế. Điều này được lý giải là do nếu thực hiện nó thì độ phức tạp thêm vào các mạch điện, bộ nhớ và còn nhiều điều khác là không nhỏ mới có thể tạo được các dạng xung cơ sở. Và do đó nếu không bắt buộc thì chúng ta không nên thực hiện phương pháp này. Tuy vậy, để đánh giá rõ ảnh hưởng của độ phức tạp của hệ thống mà chỉ với những lời đánh giá này là không đủ. Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án chỉ có thể đánh giá một cách khái quát nhằm đưa được các kết luận cần thiết. Điều không may mắn là tham số dạng xung thì không còn phù hợp để mô tả tập hợp xung cơ sở và ở đây chúng ta đặt nhãn cho mỗi xung một cách đơn giản là p1, p2, …pi và giả thiết rằng các xung này được thiết kế sao cho trực giao với nhau. Hình 2-9: Các phương pháp điều chế khác Việc nghiên cứu các phương pháp tạo ra các xung trực giao này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đồ án. Cả ba kỹ thuật điều chế như đã trình bầy ở trên - điều chế vị trí xung, điều chế xung đối cực, điều chế xung trực giao -đã được đề xuất sử dụng trong truyền thông UWB. Ngay khi các tác nhà nghiên cứu quan tâm đến các dạng điều chế nhằm đề xuất sử dụng cho UWB thì chưa có một nỗ lực đáng kể nào tập chung vào phương pháp điều chế biên độ xung cũng như on-off keying. Tuy nhiên, như đã đề cập thì sự đầy đủ khi nghiên cứu về một vấn đề luôn luôn là cần thiết đặc biệt với trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết. Do vậy các khả năng sử dụng của chúng cũng được thảo luận dưới đây. 2.4.3.2 Điều chế biên độ xung Điều chế biên độ xung (PAM) cho UWB có thể được trình bầy theo phương trình (2-14). >0 (2-14) Trong đó tham số dạng xung nhận các giá trị dương. Xét một ví dụ, chúng ta đặt =1, 2 và ta có tập xung cơ hai s1=p(t), s2=2p(t). Nói chung, điều chế biên độ xung không phải là một phương pháp hấp dẫn cho truyền thông cự ly ngắn. Lý do chính bao hàm một thực tế rằng một tín hiệu được điều chế biên độ mà có biên độ nhỏ thì dễ bị ảnh hưởng của tạp âm hơn phần có biên độ lớn hơn. Hơn nữa, lượng công suất lớn hơn được yêu cầu để phát các xung có biên độ cao hơn. Đối với các hệ thống sin, các hệ thống sử dụng điều chế biên độ thường được phân biệt với các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế góc là yêu cầu độ rộng băng tần hẹp và không hiệu quả trong việc sử dụng công suất. Do vậy, ưu điểm lớn nhất (độ rộng băng tần hẹp) dường như không có ý nghĩa đối với UWB, và hầu hết các ứng dụng UWB lại coi yếu tố công suất như là một vấn đề cốt yếu. Đó cũng là lý do tại sao mà điều chế biên độ lại không được quan tâm đến trong UWB. 2.4.3.3 On-Off keying On-Off keying (OOK) trong UWB có thể được coi như là một dạng điều chế dạng xung trong đó tham số dạng xung có thể là 0 hoặc 1 như thể hiện trong phương trình (2-15). =0, 1 (2-15) Xung “on” được tạo ra khi =1 và xung “off” khi =0; do đó s1=p(t) và s2=0. Khó khăn cơ bản của OOK là sự có mặt của đa đường, trong đó các tiếng vọng của những xung ban đầu hoặc những xung khác khiến nó trở nên khó khăn trong việc xác minh sự vắng mặt của một xung. OOK cũng là phương pháp điều chế cơ hai, tương tự như BPM nhưng nó không thể được mở rộng thành một phương pháp điều chế M-ary như PPM, PAM, OPM. Xác suất lỗi giống như trường hợp PPM. Không gian tín hiệu và xác lỗi bít xem trong hình 2-10 và 2-11. 2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế Trong phần này chúng ta đưa ra sự tổng hợp đánh giá về các phương pháp điều chế cho truyền thông UWB trong bảng 2.1. Bảng này tổng hợp lại các ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp điều chế đã nêu. Hình 2-11 sẽ cho chúng ta thấy BER của một số phương pháp điều chế. Theo đó, xác suất lỗi của PPM cũng không khác gì so với OOK, cao hơn so với BPM. Sau khi đã đưa ra những ý kiến đánh giá về điểm mạnh và điểm yếu của từng phương pháp điều chế thì việc quyết định một phương pháp khả dụng nhất là rất quan trọng. Xét một cách toàn diện thì PPM là phương pháp điều chế được có nhiều ưu điểm hơn cả mặc dù đó không phải là phương pháp mà hiệu quả về công suất là tối ưu so với BPM. Phương pháp điều chế Ưu điểm Nhược điểm PPM Đơn giản Cần đồng bộ một cách chính xác BPM Đơn giản, tiết kiệm công suất phát (độ lợi 3 dB) Chỉ điều chế hai mức OPM Trực giao cho đa truy nhập Phức tạp PAM Đơn giản Khả năng chống tạp âm kém, công suất sử dụng lớn OOK Đơn giản Chỉ điều chế cơ hai, khả năng chống tạp âm kém Bảng 2-1: Tổng hợp ưu nhược điểm của các phương pháp điều chế Hình 2-10: Không gian tín hiệu của OOK, PPMvà BPM Có ba lý do chính dẫn đến kết luận trên. Thứ nhất, do đa đường là nguyên nhân chính gây ra tính mất ổn định về mặt thời gian nhưng PPM có thể tận dụng đặc tính này rất tốt để có thể thích ứng với kênh vô tuyến có phản xạ và cũng như có thuộc tính về phổ tín hiệu rất tốt. Trái lại, điều chế BPSK mã hoá dữ liệu cần phát bởi cực tính xung nên có thể bị méo khi truyền trong kênh vô tuyến có phản xạ một cách dễ dàng. Thứ hai, do Philips đang làm việc nhằm triển khai bộ định thời chính xác, đó là vấn đề then chốt để xây dựng một hệ thống thực tế, cho nên vấn đề định thời với độ chính xác cao có thể được giải quyết đơn giản hơn. Lý do thứ ba khiến cho PPM nhận được nhiều sự quan tâm là do Time Domain Inc, một trong những công ty đầu tiên triển khai các sản phẩm UWB mang tính thương mại, cũng đã sử dụng kỹ thuật điều chế này. Time Domain Inc đã chế tạo thành công một số chipset truyền thông UWB dựa trên kỹ thuật điều chế này, điều đó tự nó cũng nói lên một điều là PPM đã được chấp nhận như là một phương pháp điều chế đã trưởng thành. Hình 2-10: Xác xuất lỗi theo lý thuyết đối với OOK, PPM, và BPM Điều chế PPM cơ hai sử dụng các chuỗi dài momocycle (đơn chu kỳ) cho truyền thông, điều chế dữ liệu và nhận dạng kênh được thực hiện bởi biến đổi vị trí xung trong mỗi khung. Khi phát những chuỗi trên, điều quan trọng là để đảm bảo rằng tính toàn vẹn phổ truyền dẫn vẫn không bị ảnh hưởng. Chuỗi xung đơn chu kỳ Gaussian được điều chế bởi BPPM có thể được mô tả như sau: (2-16) trong đó Tf là chu kỳ khung. là vị trí ngẫu nhiên của xung trong một khung, nó có giá trị trong khoảng (TPPM_shift, Tf-TPPM_shift). d là dữ liệu cơ hai được phát nhận giá trị là “0” (có thể là “-1” cũng không ảnh hưởng) hoặc “1”. TPPM_shift là thời gian trễ hay hệ số dịch vị trí theo thời gian. Vị trí của xung tham khảo (referenced pulse) được cho bởi prandom(t). Các tham số này thể xem trong hình 2-10. Hình 2-10: Các xung vị trí ngẫu nhiên với điều chế BPPM Hơn nữa, giá trị của Tf lại xác định tốc độ ký hiệu. Nếu Tf là 100 ns thì tốc độ ký hiệu sẽ là 10 Mb/s. Bằng cách giảm Tf , tốc độ ký hiệu có thể tăng lên nhưng khi đó nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) cũng tăng. Kết quả là giá trị của Tf không thể lựa chọn quá nhỏ trừ khi khoảng cách giữa trạm phát Tx và trạm thu Rx cũng rất nhỏ. Thay vì thay đổi tốc độ ký hiệu để điều chỉnh tốc độ truyền dẫn, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu bằng cách sử dụng điều chế M-ary PPM. Do đó, nhiều bít thông tin hơn có thể được phát đi trong một ký hiệu. {} là một chuỗi mã giả tập âm PN. Đối với một tuyến truyền thông, một cặp bộ thu và bộ phát phải hoạt động tại cùng một mã giả tập âm PN. Do đó bộ thu sẽ biết được thời điểm để tách dữ liệu (xung) đúng dựa trên mã PN, và các bộ thu khác thì không biết được mã PN này nên không thể thu lấy được dữ liệu từ tuyến truyền thông này. Chúng ta nhận thấy rằng trước đó có một xung được tách chính xác bởi bộ thu thì các xung tiếp theo có thể được bám chặt bởi một bộ tương quan dựa trên mã PN đó một cách dễ dàng. Do vậy, chìa khoá để giải quyết vấn đề trong thiết kế bộ thu là làm sao chúng ta có thể tách đúng vị trí của xung về thời gian với độ chính xác cần thiết. 2.4 Phân tích công suất Theo đặc tả của FCC, giới hạn công suất cho vùng tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz là -41.25 dBm/MHz. Do toàn bộ băng tần làm việc là 7.5 GHz nên giới hạn trên của công suất truyền dẫn PTx trong hệ thống UWB có thể được tính toán như sau: (2-17) Dựa trên giá trị công suất phát, chúng ta có thể tính toán công suất thu được PRx tại bộ thu UWB bằng cách sử dụng mô hình kênh. Một mô hình kênh UWB thực tế đã được đề xuất bởi Philips Research Redhill dựa trên các đo đạc kênh. Theo đó, khi tăng khoảng cách giữa Tx và Rx thì công suất tín hiệu UWB thu được sẽ bị giảm tuỳ theo môi trường truyền. Đối với môi trường tầm nhìn thẳng (LOS): PRx e-1.9d PTx Đối với môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-LOS): PRx e-3.4d PTx trong đó d là khoảng cách giữa Tx và Rx tính theo mét. Quỹ công suất của hệ thống UWB được thể hiện trong bảng 2-2 và xem thêm phụ lục B. Băng tần tín hiệu UWB 7.5 GHz (3.1 GHz – 10.6 GHz) Giới hạn công suất tín hiệu theo FCC -41.25 dBm/MHz Công suất phát tối đa -2.5 dBm (0.56 mw) Khoảng cách giữa Tx và Rx 10 mét Công suất (sử dụng mô hình LOS) -115.0341 dB Công suất tạp âm -98.2900 dB Hệ số duty cycle 0.01 SNRinstantaneous 3.2559 dB Bảng 2-2: Quỹ công suất của hệ thống UWB 2.5 Phân tích môi trường truyền dẫn và các ảnh hưởng của nó lên tín hiệu UWB 2.5.1 ảnh hưởng của đa đường Như đã trình bầy trong phần ưu điểm của hệ thống UWB. Ta thấy đa đường là một vấn đề mà mà hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến đều gặp phải. Do anten thu thu cả tín hiệu đến trực tiếp và tín hiệu bị phản xạ từ bộ phát. Nếu một xung UWB đơn (monocycle Gaussian) được phát thi tín hiệu thu được sẽ bao gồm một tín hiệu đường thẳng và các tín hiệu bị phản xạ. Tín hiệu thu được r(t) với giả thiết không có tạp âm có thể được trình bầy: (2-18) trong đó <<<…<. Tham số và an lần lượt là độ trễ và biên độ của thành phần đa đường thứ n, trong đó và a1 tượng trưng cho đường đến trực tiếp. Dạng sóng s(t) xác định xung đơn UWB thu được. L là số lượng đường tín hiệu. Như chúng ta đã biết, độ rộng xung của s(t) thông thường nhỏ hơn 200ps. Do đó, các thành phần đa đường với những độ trễ khác nhau lớn hơn độ rộng xung có thể được tách ra một cách vô hại. Chúng ta có thể kết luận rằng hệ thống UWB có khả năng chống lại nhiễu đa đường rất tốt. Tuy nhiên, các thành phần đa đường trễ với thời gian dài ans(t-) có thể gây ra vấn đề ISI đặc biệt khi >Tf. Để ngăn chặn vấn đề ISI, Tf không thể được chọn với giá trị quá bé khi xây dựng chuỗi xung phát. 2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx Một phòng bình thường có thể được xem như là môi trường đa đường mật độ cao, và một vấn đề mà chúng ta sẽ phải đối mặt là ảnh hưởng lên kênh truyền dẫn do dịch chuyển các đối tượng. Tốc độ chuyển động cao nhất của một đối tượng chuyển động có thể coi như 2m/s, đây là một giá trị khá hợp lý trong điều kiện một căn phòng. Bằng một phép phân tích hình học đơn giản chúng ta có thể thấy sự thay đổi về chiều dài đường gây ra bởi một đối tượng chuyển động với tốc 2m/s nhỏ hơn 4.10-7m. Do tốc độ của sóng điện từ là 3.108 m/s

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docDA2075.doc
Tài liệu liên quan