đồ án tốt NGHIỆP đề tài ỨNG DỤNG xử lý tín HIỆU CHO TRUYỀN THÔNG ULTRA WIDEBAND

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA VIỄN THƠNG I

Đề tài

Ứng dụng xử lí tín hiệu cho
truyền thơng Ultra-Wideband
Giáo viên hướng dẫn: Ths.Nguyễn Phi Hùng
Ks. Bùi Văn Phú
Sinh viên thực hiện : Vũ Thanh Tùng


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:

fH − fL
 Tỉ số băng tần:2
≥ 0.2
fH + fL


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,carrierless, carrier-free, base-band, time-domain


Lịch sử phát triển công nghệ UWB
2002 Báo cáo và quy định đầu tiên của FCC cho các hệ thống UWB
1998 Thông tin quy định của FCC đối với các hệ thống UWB
1994 Các chương trình truyền thông UWB không phân loại đầu tiên
1990 Đánh giá công nghệ UWB
1986 Hệ thống truyền thông UWB dựa trên xung ngắn được đưa ra bởi Ross và
Fontana
1978 Ross và một số người khác lần đầu tiên trình bầy về hệ thống truyền
thông UWB

1965 Ross phát triển công nghệ UWB tại trung tâm nghiên cứu Sperry

Cuối 1950 xuất hiện nhu cầu phân tích đáp ứng xung của sóng vi ba ( tại
phòng thí nghiệm Lincoln, Sperry, … )
1893 Hert sư dơng bé ph¸t xung cho c¸c thÝ nghiƯm vËt lÝ.


Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Mặt nạ phổ cơng suất do FCC đưa ra

 Tín hiệu UWB có
phổ nằm trong phạm
vi từ 3,1- đến 10,6GHz.
 Ptx (max)= -41,3
dBm/MHz hay 0,5
mW nếu sử dụng
toàn bộ dải tần 7,5
GHz


Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Mẫu xung và mật độ phổ tương ứng



Xung Gaussian :

 −t 2 
1
p (t ) =

exp  2 ÷
2π σ
 2σ 

Mật độ phổ công suất:

∑

2x

px

d x p (t )
px (t ) =
dt x

( f ) = (2π f ) .exp(− (2πσ f ) 2 )


Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Chuỗi xung và mật độ phổ tương ứng

Thời gian [ns]

Thời gian [ns]

Tần số [GHz]

Tần số [GHz]

Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Các ưu điểm của UWB
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
 Tốc độ dữ liệu cao

S

● Biểu thức Shannon C = B log 1 + ÷
 N
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

 Mơi trường truyền


Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Đặc tính chống đa đường

Chồng lấn

Không chồng lấn

∆
d
t
≤Tp
Hiện tượng chồng lấn xảy ra khi: ∆ =
c


Các đặc tính của tín hiệu UWB
 Các nhược điểm và thách thức của UWB






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 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


Phần II: Truyền thông UWB





Các phương pháp điều chế
Kĩ thuật đa truy nhập
Bộ thu phát

Các phương pháp điều chế


Các phương pháp điều chế
 Điều chế vị trí xung (PPM)
Tp

Tp

τ ≥ Tp

τ < Tp

Vị trí thực
tế

Vị trí
danh
định

1

0

Thời gian

1

0

Thời gian


Các phương pháp điều chế
 Điều chế vị trí xung (PPM)

∞

ρ ( t ) = ∫ w tr (τ )w tr (t − τ )dτ
−∞

τ

Xung
Gauss
bậc

τ / Tp

tối ưu

2

0.292683

3

0.243902

4

0.219512

5

0.195122


Các phương pháp điều chế
 So sánh các phương pháp điều chế
BERBPSK

 SF .N s .SNR 
1
= erfc 
÷

÷
2
2



BERBPPM

 SF .N s (1 − ρ (δ )).SNR 
1
= erfc 
÷


÷
2
4



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

Đơn giản

Chỉ điều chế nhị phân, ảnh
hưởng nhiều bởi tạp âm

OOK


Kĩ thuật đa truy nhập





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
 Đa truy nhập nhảy thời gian (TH-CDMA)

 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)
 Mẫu tín hiệu
 PAM

s

(m)

(t ) =

∞

∑

N −1

w(t-kTd -jTf -(c w ) (m)Tc )d (m)
∑

j
k

k =−∞ j = 0
(m)

(t ) =

 PPM

s

 PSM

s (t ) =

∞

N −1

∑ ∑ w(t-kT -jT -(c
d

k =−∞ j = 0

(m)

∞

∑

N −1

f

w

) (m) Tc -δ d (m) )
j
k

w d(m) (t-kTd -jTf -(c w ) (m)Tc )
∑
j

k =−∞ j = 0

k


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
 Đa truy nhập trải chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)
 Mẫu tín hiệu

 PAM

s (t ) =
(m)

∞

N −1

∑ ∑ w(t-kT -jT )(c )
d

k =−∞ j = 0

 PSM

s(m) =

∞

∑

N −1

c

(m) ( m )
p j
k

d

w d( m ) (t − kTd − jTc )(c p )(jm )
∑

k = −∞ j = 0

dk