Đang tải... (xem toàn văn)
Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Dơng Ngô Quý, D01VT Mục lục Thuật ngữ viết tắt i Lời nói đầu . 1 Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 3 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 3 1.1.1 3G và WLAN 3 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB . 4 1.2 Lịch sử của UWB . 5 1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB . 7 1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 7 1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp . 7 1.3.3 Khả năng chống đa đờng 8 1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. 8 1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp . 8 1.4 Thách thức đối với UWB . 11 1.5 Chuẩn hoá 12 1.6 Các ứng dụng của UWB 14 1.6.1 Truyền thông và cảm biến 15 1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp 15 1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC 17 1.6.1.1.2 Kết nối đa phơng tiện vô tuyến cho các thiết bị CE . 18 1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động 19 1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB 20 1.6.1.1.5 Mạng cảm biến . 20 1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao 22 1.6.2 Định vị và bám 23 1.6.2.1 Định vị . 23 1.6.2.2 Bám 24 1.6.3 Radar 24 Chơng 2. Phân tích tín hiệu UWB . 27 2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 27 2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 27 2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian . 27 2.2.2 Xung Raised Cosin . 28 2.2.3 Lựa chọn dạng xung . 29 2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm . 30 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Dơng Ngô Quý, D01VT 2.4 Các phơng pháp điều chế trong UWB 32 2.4.1 Điều chế vị trí xung 33 2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 35 2.4.3 Các phơng pháp điều chế khác . 37 2.4.3.1 Điều chế xung trực giao . 37 2.4.3.2 Điều chế biên độ xung . 39 2.4.3.3 On-Off keying . 39 2.4.4 Tổng kết về các phơng pháp điều chế . 40 2.4 Phân tích công suất 43 2.5 Phân tích môi trờng truyền dẫn và các ảnh hởng của nó lên tín hiệu UWB 43 2.5.1 ảnh hởng của đa đờng 43 2.5.2 Các ảnh hởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx . 44 2.5.3 Khoá lại đờng khả dụng nhất 44 2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập . 45 2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB . 45 2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 45 2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 45 2.6.3.1 Time-Hopping 46 2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp . 47 Chơng 3. Bộ thu phát UWB . 48 3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 48 3.2 Kiến trúc bộ thu UWB . 49 3.2.1 Bộ thu tơng quan (Bộ lọc thích ứng) . 49 3.2.2 Máy thu Rake . 50 3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý . 52 3.2.4 Thảo luận 53 3.2.4.1 Số lợng Rake finger . 53 3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự 53 Chơng 4. So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác 56 4.1 CDMA . 56 4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 57 4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 61 4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 61 4.3.2 Các trờng hợp ứng dụng của OFDM . 61 4.3.2.1 DSL 61 4.3.2.2 WLAN . 62 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Dơng Ngô Quý, D01VT 4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số . 62 4.3.2.4 UWB 62 Chơng 5. Phân tích nhiễu . 63 5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN 63 5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a . 63 5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a . 64 5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu 64 5.1.4 ảnh hởng của UWB lên WLAN . 65 5.2 Bluetooth 67 5.3 GPS 68 5.4 Các hệ thống tổ ong . 68 Chơng 6. Kết luận 70 Chơng 7. phụ lục 71 7.1 Phụ lục A . 71 7.2 Phụ lục B 72 7.3 Phục lục C 73 Tài liệu tham khảo . 74 Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt Dơng Ngô Quý, D01VT i Thuật ngữ viết tắt Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tơng tự sang số AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha cơ hai CATV Cable Television or Community Antenna Television Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng CE Consummer Equipment Thiết bị ngời dùng CMOS Complementary Metal-oxide- Semiconductor Bán dẫn ôxít kim loại bổ xung DS- CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã - chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cờng để phát triển GSM FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên bang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tần Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt Dơng Ngô Quý, D01VT ii GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phơng tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MB- OFDM Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về ảnh động OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OOK On-Off Keying Khoá On-Off PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân PN Pseudo Noise Giả tạp âm PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QoS Quality of Service Chất lợng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt Dơng Ngô Quý, D01VT iii SS Spread Spectrum Trải phổ STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video cấp cao TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH Time Hopping Nhảy thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ cá nhân không dây WUSB Wireless USB Bus nối tiếp toàn cầu vô tuyến XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở rộng Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Dơng Ngô Quý, D01VT 1 Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, nh là: các ứng dụng đa phơng tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn đợc phát triển (3G và WLAN) đợc thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phơng tiện này và truyền dẫn video chất lợng thấp. Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến nh Bluetooth, hồng ngoại,, cha đáp ứng đợc yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bớc đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã đợc đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tợng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: công nghệ truyền thông ultra wideband Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản đợc phân ra thành từng chơng với những nội dung chính nh sau: Chơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB. Chơng 2: Phân tích tín hiệu UWB Chơng 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB. Chơng 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác. Chơng 5: Phân tích nhiễu. Chơng 6: Kết luận. Chơng 7: Phụ lục. Đồ án đã làm rõ đợc các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông này. Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Dơng Ngô Quý, D01VT 2 Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần đợc chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục đợc phát triển hoàn thiện. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Phi Hùng đã tạo mọi điều kiện và tận tình hớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I, Trung tâm đào tạo Bu chính viễn thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và ngời thân - những ngời đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Tây, ngày .tháng năm 2005 Sinh viên Dơng Ngô Quý Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Dơng Ngô Quý, D01VT 3 Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hớng phát triển của các hệ thống cũ. Chúng đợc nâng cấp từng bớc để có thể tiến lên mạng băng rộng. Con đờng đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trớc đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để có thể đợc nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống nh GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA đợc sử dụng ngay từ đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã đợc ứng dụng trớc đó. 1.1.1 3G và WLAN Trong hệ thống 3G, nh UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của ngời dùng có thể đợc cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trờng tĩnh, trong khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lợng nh trên có thể Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Dơng Ngô Quý, D01VT 4 hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phơng tiện hoặc truyền video chất lợng thấp. Kích thớc của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống 2G hiện tại, nh GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2). Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lợng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trờng cung cấp cho ngời dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét. Trong tơng lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới đợc thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad- hoc, dịch vụ đợc đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video. 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng đợc đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại nh 3G hay WLAN không thể đáp ứng đợc yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện UWB. [...]... quan về công nghệ truyền thông UWB Định vị và theo dõi Radar Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp 1.6.1 Truyền thông và cảm biến Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trờng khách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể đợc cải thiện, tăng cờng,nâng cấp Các ứng dụng trong truyền... tợng đa đờng với ứng dụng trong nhà Hình 1-7: Đa đờng trong tín hiệu UWB Dơng Ngô Quý, D01VT 10 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.4 Thách thức đối với UWB Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp dẫn cho truyền thông trong tơng lai và nhiều ứng dụng khác thì... thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảng khá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires) Dơng Ngô Quý, D01VT 25 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp Điều này có thể làm tăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thay đổi hạ tầng đã tồn tại Công nghệ over-wire... Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 802.11 Thông lợng dữ liệu theo khoảng cách Hình 1-3: Thông lợng dữ liệu WLAN theo khoảng cách Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến 1.2 Lịch sử của UWB Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quát... số thông tin với STB, Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lợng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao Hiện tại, các loại thiết bị này sử dụng các giao diện và và khuôn dạng nội dung khác nhau Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh của công nghệ. .. gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi ngời dùng bấm nút Play Đặc điểm Lợi ích Thông lợng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lợng cao Tiêu thụ công suất... gian cao nhằm phục vụ nhiều ngời trong một không gian cho trớc và tiêu thụ công suất thấp UWB sẽ giúp vợt qua những khó khăn này và có thể tạo ra cho một ngời đợc cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực này trởng thành Hình 1-16: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí 1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB Giống nh công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồn phát và... truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9) Do đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới các thiết bị nh đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý Dơng Ngô Quý, D01VT 9 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB. .. loại thiết bị Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dới đây: Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phơng tiện, nh máy ảnh số, máy chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và các thiết bị lu trữ ngoài khác Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth... mình và xác minh lại tính khả dụng của nó Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM 1.6 Các ứng dụng của UWB UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp dẫn, nh thể hiện trong hình 1-13 Về cơ bản, các ứng dụng này có thể đợc chia thành 3 nhóm: Truyền thông và cảm biến Dơng Ngô
