Đang tải... (xem toàn văn)
Được thừa nhận vào năm 2002 bởi Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ (Federal Communications Commission: FCC), công nghệ băng thông siêu rộng (Ultra Wideband : UWB) đã và đang trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn cho truyền thông vô tuyến. Quá trình thu, phát trong công nghệ UWB sử dụng trực tiếp các xung cực ngắn (cỡ ns) mà không cần điều chế do đó băng thông mà nó đạt được rất lớn (cỡ GHz). Điều này cho phép công nghệ UWB đáp ứng được với các dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng của hệ thống vô tuyến như video hay đa phương tiện. Mặt khác, công suất phát cực nhỏ, cấu trúc bộ thu phát đơn giản làm cho công nghệ UWB đặc biệt thích hợp cho các mạng vô tuyến phạm vi hẹp và di động như mạng vô tuyến phạm vi cá nhân (Wireless Personal Area Network : WPAN), mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network : WSN), các ứng dụng định vị, radar trong nhà đòi hỏi độ chính xác cao và phạm vi hẹpVề cơ bản, UWB được phát triển để phục vụ cho truyền thông giữa các thiết bị trong gia đình của người sử dụng. Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, và tiếng nói...Ví dụ: bạn có thể xem video trên PC hoặc các thiết bị điện tử khác như máy quay video, máy phát DVD, HDTV (highdefinition television) qua kết nối không dây UWB
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu Học viên Trần Quang Tồn 1 Mục Lục DANH SÁCH HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3 ADC Analog to Digital Converter BPF Band-Pass Filter BPM-BPSK Burst Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying CM Channel Model CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSP Digital Signal Processor ETSI European Telecommunications Standards Institute FCC Federal Communications Commission FET Field-Effect T ransistor FPGA Field Programmable Gate Arra ys GPS Global Positioning System HDL Hardware Description Language IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LPF Low-Pass Filter PDP Power Delay Profile PHR Ph ysical-la y er HeadeR PSDU PHY Service Data Unit SFD Start of Frame Delimiter SHR Synchronization HeadeR SYNC SYN Chronization pream ble VLSI Very-Large-Scale In tegration WPAN Wireless Personal Area Net w ork UWB Ultra-WideBand 4 LỜI NÓI ĐẦU Được thừa nhận vào năm 2002 bởi Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ (Federal Communications Commission: FCC), công nghệ băng thông siêu rộng (Ultra Wideband : UWB) đã và đang trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn cho truyền thông vô tuyến. Quá trình thu, phát trong công nghệ UWB sử dụng trực tiếp các xung cực ngắn (cỡ ns) mà không cần điều chế do đó băng thông mà nó đạt được rất lớn (cỡ GHz). Điều này cho phép công nghệ UWB đáp ứng được với các dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng của hệ thống vô tuyến như video hay đa phương tiện. Mặt khác, công suất phát cực nhỏ, cấu trúc bộ thu phát đơn giản làm cho công nghệ UWB đặc biệt thích hợp cho các mạng vô tuyến phạm vi hẹp và di động như mạng vô tuyến phạm vi cá nhân (Wireless Personal Area Network : WPAN), mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network : WSN), các ứng dụng định vị, radar trong nhà đòi hỏi độ chính xác cao và phạm vi hẹp Về cơ bản, UWB được phát triển để phục vụ cho truyền thông giữa các thiết bị trong gia đình của người sử dụng. Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, và tiếng nói Ví dụ: bạn có thể xem video trên PC hoặc các thiết bị điện tử khác như máy quay video, máy phát DVD, HD-TV (high-definition television) qua kết nối không dây UWB UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (wireless personal area networks). Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn. Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong phạm vi là 10m. Khi UWB nhập cuộc, giống như các công nghệ chủ đạo khác. UWB nhắm mục tiêu vào những người sử dụng gia đình. Nhưng không giống như Bluetooth, UWB có thể kết nối các thiết bị giải trí trong gia đình lại với nhau một cách hoàn hảo và có tốc độ kết nối cao. Đằng sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào nào là dây nối 5 chuột, bàn phím, màn hình, kết nối USB Chúng thật phiền phức và vướng víu! Các nhà cung cấp tin rằng: Một ngày nào đó, UWB sẽ thay thế toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn. Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số.Hiện tại, UWB có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới 480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là hoàn toàn có khả năng. Tuy nhiên ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kỹ thuật UWB cũng gặp phải không ít khó khăn về mặt kỹ thuật nếu muốn đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế. Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns) để truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (GHz) mà còn khiến cho vấn đề đồng bộ tín hiệu trở nên khó khăn, đặc biệt là muốn triển khai một hệ thống cho đa người dùng. Trong luận văn, tôi xin được trình bày " Nghiên cứu về bộ xử lý băng gốc UWB theo chuẩn IEEE802.15.4a" với trọng tâm chính là thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a với mục tiêu xác định chính xác vị trí của phần dữ liệu trong khung tín hiệu phục vụ cho quá trình giải mã. Nội dung luận văn chia thành 4 phần: • Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB • Chương 2: Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.15.4a • Chương 3: Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a • Chương 4: Thuật toán trong máy thu IEEE 802.15.4a CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG UWB 6 Ngày nay công nghệ truyền thông đã đạt được những thành tựu lớn. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã đem lại cho con người sử dụng nhiều dịch vụ mới đa dạng và phong phú, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy 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. 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 như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB. Trong chương 1 của luận văn chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm liên quan đến UWB, ứng dụng của UWB 1.1 Định nghĩa UWB UWB viết tắt của từ Ultra Wide-Band để chỉ một kỹ thuật truyền thông sử dụng tín hiệu có bề rộng phổ tần rất lớn so với tín hiệu băng hẹp truyền thống. Hai thông số chính định nghĩa cho một tín hiệu được gọi là UWB là tỉ lệ băng thông ( B frac ) trên 0.2 hoặc là độ rộng băng thông tuy ệ t đối của tín hiệu lớn hơn 500 MHz. Độ rộng băng thông (B) là chênh lệch tần số cao nhất f H và tần số thấp nhất f L tức là H L B f f = − H L frac c f f B f − = (1.1) Trong đó f c là tần số trung tâm: ( ) 2 H L c f f f + = (1.2) Theo tổ chức FCC của Mỹ thì những tín hiệu có f c lớn hơn 2.5 GHz thì phải có độ rông băng thông tuyệt đối B lớn hơn 500 MHz, còn với tín hiệu có f c nhỏ hơn 7 2.5 GHz thì phải có B frac lớn hơn 0.2 mới được gọi là tín hiệu UWB. Hình 1.:Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB Do có độ rộng băng tần cực lớn nên tín hiệu UWB là các xung rất hẹp (theo biến đổi Fourier, tín hiệu càng hẹp trong miền thời gian thì có phổ càng rộng trong miền tần số). Thông thường phía phát thường phát đi các xung có chu kỳ làm việc rất ngắn (low duty cycle), nghĩa là độ rộng xung rất nhỏ so với chu kỳ xung, một hệ thống truyền thông UWB như vậy được gọi là hệ thống truyền xung vô tuyến (Impulse Radio UWB : IR-UWB). Do có công suất phát nhỏ, độ rộng băng tần lớn nên tín hiệu UWB được coi gần như nhiễu trắng hơn nữa theo biến đổi Fourier, tín hiệu càng thoải trong miền thời gian thì phổ càng đứng trong miền tần số. Do vậy xung Gaussian (hoặc đạo hàm của xung Gaussian) thường được chọn là xung phát trong các hệ thống UWB. Thực tế, các xung đạo hàm bậc 3 hoặc bậc 5 của xung Gaussian, độ rộng xung dưới 1ns thường được sử dụng trong các hệ thống UWB . Một dạng xung UWB và phổ của nó được cho như hình 1.2. 8 Hình 1.:Tín hiệu UWB và dạng phổ của nó Trong hệ thống IR-UWB một số xung hẹp dùng để truyền tải một symbol thông tin, thông tin được mã hóa dựa vào vị trí hoặc cực tính của xung . Mỗi xung chiếm một khoảng thời gian trong một khung (frame) và vị trí của xung dựa vào mã nhảy thời gian (time-hoping : TH). Hình 1.3 là một ví dụ về truyền thông xung IR- UWB, 3 symbol thông tin được truyền đi, mỗi symbol được truyền tải bởi 2 xung, vị trí của xung được xác định bởi TH, TH của symbol đầu tiên là {2,1}, nghĩa là xung đầu tiên trong khung thứ nhất dịch đi 2 chu kỳ chirp (chirp interval) 2T C (giây), xung thứ hai trong khung thứ hai dịch đi T C (giây), TH của symbol thứ hai là {2,3} và của symbol thứ ba là {1,0} Hình 1.:Ví dụ tín hiệu UWB, truyền đi 3 symbol dựa vào vị trí (TH) và cực tính của xung 1.2 So sánh UWB với một số công nghệ không dây hiện tại 9 Trong phần này, So sánh UWB với hai công nghệ: Bluetooth bởi vì nó cùng với UWB đều thuộc lớp mạng cái nhân PAN và Wifi bởi vì nó là công nghệ không dây phổ biến nhất ngay nay. Bluetooth là một công nghệ không dây cho mạng người dùng cái nhân (PAN). Nó được dựa trên chuẩn IEEE 802.15. Bluetoothhoạt động tại tần số 2.4GHz. Có ba lớptruyền trong Bluetooth: lớp ba là lớp truyền thấp nhấp 1mW (0dBm) với dải hoạt động 1m, trong khi lớp hai là lớp truyền thương mại 2.5mW (4dBm) với dải hoạt động 10m, cuối cùng lớp 1 là lớp truyền cao nhất 100mW (20dBm) với dải hoạt động 10m. Tốc dộ dữ liệu tối đa 1Mb/s cho bluetooth v1.2 và 3 Mb/s cho bluetooth v2.0 Wifi là công nghệ không dây cho mạng địa phương (LAN). Nó dựa trên chuẩn IEEE 802.11a/b/g. Wifi 802.11b/g hoạt động ở tần số 2.4GHz trong khi Wifi 802.11a hoạt động ở tần số 5GHz. Wifi 802.1b sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) trong khi Wifi 802.11a/g sử dụng công nghệ OFDM. Wifi truyền 100mW với khoảng hoạt động 100m. Tốc độ dữ liệu tối đa 11Mb/s cho chuẩn Wifi 802.11b và 54Mb/s cho Wifi 802.11a/g. Bảng 1.1 chỉ ra sự so sánh giữa UWB, Bluetooth và Wifi UWB Bluetooth Wifi Phổ 3.1-10.6 GHZ 2.4 GHz 2.4 hoặc 5 GHz Công nghệ OFDM hoặc DS-UWB FHSS OFDM hoặc DSSS Khoảng cách hoạt động 10m 1-100m 100m Dữ liệu tối đa 1 Gb/s 3 Mb/s 11 hoặc 54 Mb/s Bảng 1. Bảng so sánh đặc tính một số công nghệ Về mặt tiêu thụ năng lượng, Bluetooth là công nghệ được sử cho khoảng cách ngắn và giới hạn năng lượng pin. Do đó, nó tiêu thụ năng lượng thấp. UWB được sử dụng cho các ứng dụng khoảng cách ngắn và có tốc độ cao. Mặt khác, Wifi được thiết kế cho các kết nối xa hơn và hỗ trợ các thiết bị mà có cung cấp năng lượng lớn. Error: Reference source not foundchỉ ra so sánh mức độ tiêu thụ năng của 3 công nghệ. Dữ liệu ở đây được so sánh với một sản phẩm chip cụ thể như BlueCore2, XS110, CX5311. Hình 1.chỉ ra tiêu thụ năng lượng mW cho mỗi trường hợp công nghệ. Rõ ràng Bluetooth tiêu thụ năng lượng ít hơn so với UWB 10 [...]... hai chuẩn phổ biển của chuẩn UWB Trong khi chuẩn IEEE802.15.3a là chuẩn cho họ chuẩn tốc độ cao thì IEEE802.15.4 là họ các chuẩn đưa ra cấu trúc khung cho công nghệ UWB nhằm đáp ứng các yêu cầu cho dữ liệu truyền tốc độ thấp, công suất thấp trong phạm vi hẹp và có khả năng thương mại hóa các sản phẩm Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về chuẩn IEEE802.15.4a và cẩu trúc khung tín hiệu theo chuẩn IEEE802.15.4a. .. và mười một kênh cho băng tần cao Các kênh này cùng với tần số trung tâm của nó cũng như đặc điểm của mỗi kênh được cho trong bảng 2.1 Trong đó có kênh số 3 cho băng tần thấp và kênh số 9 cho băng tần cao là bắt buộc phải theo, các kênh còn lại là tùy chọn 30 Bảng 2.: Phân bố kênh cho UWB theo chuẩn IEEE 2.2 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE802.15.4a Theo I EEE–S A , tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a... đầu tiên đã dựa trên UWB Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp được quan tâm nhiều hơn UWB Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển... lượng kênh có thể tính theo C=2.log2(1+1)=2 Gbps Theo kết quả này, chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN Hình 1.: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp Vì công suất tín hiệu thấp và băng tần khả dụng lớn nên các hệ thống UWB hoạt động tương tự... tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất Do đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng... máy thu phát của hệ thống UWB và thông tin băng hẹp Theo như 1.20, kiến trúc hệ thống UWB đơn giản hơn nhiều so với hệ thống 25 băng hẹp Trong máy phát UWB, tín hiệu được truyền với năng lượng nhỏ do vậy giảm bớt được khối khếch đại công suất PA(Power Amplifier) Hơn nữa, do việc truyền tín hiệu trong UWB là không có sóng mang nên hệ thống không có các bộ trộn (Mixer) và các bộ dao động nội (local oscillators)... Quốc cũng xây dựng các quy định về UWB 13 Hình 1.:Quy định của Nhật Bản và Châu Âu về UWB 1.4 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 nhất Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt... chế BPSK và ASK cho tốc độ lên tới 250kb/s đối với cả hai trường hợp Cùng thời điểm nghiên cứu của phiên bản 2006 thì một nhóm tác giả khác (TG4a) cũng nghiên cứu chuẩn IEEE 802.15.4 này với mục tiêu tăng khả năng định vị, giám sát trong LR-PAN Nghiên cứu này cho ra đời chuẩn 802.15.4a được ban hành vào tháng 3 năm 2007 Chuẩn này được dùng cho cả hai loại máy thu noncoherent và máy thu coherent và hứa... video HD), UWB và Wifi là một giải pháp tốt bởi chúng có mức tiêu thụ năng lượng chuẩn hóa thấp 11 Hình 1 So sánh năng lượng tiêu thụ của chuẩn Hình 1 So sánh mức tiêu thụ năng lượng chuẩn hóa 1.3 Một số quy định về băng tần Vì UWB hoạt động trên dải tần số đồng thời với các hệ thống đã có sẵn (như TV, GSM, UMTS, WLAN, GPS,…) nên để tránh can nhiễu và ảnh hưởng đến các hệ thống đó UWB phải tuân theo các... tới 18 các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý Hình 1.: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà 19 Hình 1.: Đa đường trong tín hiệu UWB Hình 1.: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.6 Thách thức đối với UWB Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và 20 hấp dẫn cho truyền thông . được trình bày " Nghiên cứu về bộ xử lý băng gốc UWB theo chuẩn IEEE802. 15. 4a& quot; với trọng tâm chính là thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu UWB IEEE 802 .15. 4a với mục tiêu xác định. mã. Nội dung luận văn chia thành 4 phần: • Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB • Chương 2: Giới thiệu về chuẩn IEEE 802 .15. 4a • Chương 3: Mô hình kênh UWB IEEE 802 .15. 4a • Chương. mới đã xuất hiện – UWB. Trong chương 1 của luận văn chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm liên quan đến UWB, ứng dụng của UWB 1.1 Định nghĩa UWB UWB viết tắt của từ Ultra Wide-Band để chỉ một