Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
Mục lục
Thuật ngữ viết tắt..................................................................................................i
Lời nói đầu..................................................................................................................1
Chơng 1..........................................................................................................................3
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...............................................................................7
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......................................................................................................23
Chơng 3........................................................................................................................47
Bộ thu phát UWB....................................................................................................47
3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB ........................................................47
3.2 Kiến trúc bộ thu UWB .......................................................................................48
3.2.1 Bộ thu tơng quan (Bộ lọc thích ứng)............................................................48
3.2.2 Máy thu Rake..............................................................................................48
3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý..................................................................................51
3.2.4 Thảo luận.....................................................................................................52
3.2.4.1 Số lợng Rake finger..............................................................................52
3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự......................52
Chơng 4........................................................................................................................54
So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác54
4.1 CDMA................................................................................................................54
4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS.......................................................................55
4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.........................................................59
4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM...........................................................59
4.3.2 Các trờng hợp ứng dụng của OFDM............................................................59
4.3.2.1 DSL......................................................................................................59
4.3.2.2 WLAN..................................................................................................60
4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số............................................................60
4.3.2.4 UWB....................................................................................................60
Chơng 5........................................................................................................................61
Phân tích nhiễu......................................................................................................61
5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN.....................................................................61
5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a................................................................61
5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a.........62
5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu........................................................................62
5.1.4 ảnh hởng của UWB lên WLAN...................................................................63
5.2 Bluetooth............................................................................................................65
5.3 GPS....................................................................................................................66
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
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
Dơng Ngô Quý, D01VT
i
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết
tắt
truyền thông di động
HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải 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
Dơng Ngô Quý, D01VT
ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết
tắt
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
Dơng Ngô Quý, D01VT
iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói
đầu
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
Dơng Ngô Quý, D01VT
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói
đầu
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
Dơng Ngô Quý, D01VT
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
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.
ứng đợc yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện UWB.
802.11 Thông lợng dữ liệu theo khoảng cách
Dơng Ngô Quý, D01VT
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
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 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 lợt tơng ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và
Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật
hoạt động. Thứ tự của chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng
của chúng. Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trởng thành, những mối quan tâm
chính và liên quan trực tiếp đợc nâng lên dần dần theo hớng về phía sau danh sách những
quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể
Dơng Ngô Quý, D01VT
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ đợc điều khiển. Nếu không có hiểu biết về
các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức
tạp sẽ không thể thành công. Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy
luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng.
Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA
Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280
Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024
Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720
cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời.
Dơng Ngô Quý, D01VT
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
Nh vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhng UWB xuất hiện
với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã đợc FCC cấp
phát.
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB
Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phơng pháp truyền tin cổ
điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không đợc coi nh là một phơng tiện truyền thông mãi
cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể đợc nhấn mạnh,
mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống nh các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại
(nh CDMA hoặc OFDM):
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao
Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lợng tối đa có thể đạt đợc trong một kênh với tạp
âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là:
( )
SNRWC
+=
1log
2
(1-1)
SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lợng tăng theo hàm logarit với
công suất (tơng ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng. Điều đó không có nghĩa là
một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với dung lợng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử
dụng một phần băng tần đó. Nhng do tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít
công suất hơn để truyền một tốc độ bit nh nhau với một xác suất lỗi không đổi.
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp
Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc của tín hiệu
tín hiệu đợc phép sử dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phơng pháp
đơn giản nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần,
hoặc là trong miền tơng tự hoặc trong miền số.
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp
Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ thống
truyền thông vô tuyến cũ, một dung lợng kênh cao hơn có thể đạt đợc thậm trí trong cả môi
trờng mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của Shannon:
( )
SNRWC
+=
1log
2
(1.2)
Trong trờng hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với SNR là 0dB, dung
lợng kênh có thể tính theo C=2.log
2
(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 tởng cho lớp vật lý của mạng PAN.
Dơng Ngô Quý, D01VT
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
Hình 1-5: Đa đờng trong một tín hiệu băng hẹp
Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các hệ
thống UWB hoạt động tơng tự nh các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản
nh các hệ thống chuỗi trực 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,
đặc biệt trong môi trờng tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các bộ chuyển đổi tơng
tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá. Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp
còn đó, nhng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công
suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên tơng tự nh các thiết bị vô tuyến hiện tại.
Dơng Ngô Quý, D01VT
11
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
Hình 1-9: Mặt nạ phổ đợc đa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà
1.5 Chuẩn hoá
Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế hệ kế
tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý. Mặc dù nhiều đề xuất đợc đa
ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng đang là những ứng cử viên đầy hứa
hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt đợc sự chấp thuận từ phía uỷ ban chuẩn hoá.
Đề xuất DS-CDMA, đợc đa ra bởi Freescale ( trớc kia là Xtreme Spectrum) và kết hợp
với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần đợc cấp phát thành hai băng. Mặc dù đề xuất ban
đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhng phiên bản sau đã vợt ra ngoài phổ tần đó. Dải
tần cho đề xuất này là từ 3.2 5.15 GHz và 5.825 10.6 GHz. Sơ đồ DS-CDMA sử dụng
M-ary Bi-Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh và phân kênh.
Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này.
Dơng Ngô Quý, D01VT
12
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA.
Đề xuất MB-OFDM đợc đa ra bởi một nhóm các công ty lớn nh Intel, TI . Theo đề
xuất này thì phổ tần đợc chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ rộng là 528 MHz) và các thiết
bị đợc phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn. Hơn nữa,
OFDM đợc sử dụng cho từng băng một. Dữ liệu đợc điều chế một cách thích hợp và sử dụng
băng tần của nó. Toàn bộ phổ tần đợc chia thành 4 nhóm riêng biệt. chỉ nhóm A đợc dự
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 thông có
thể đợc chia ra làm hai khu vực - tốc độ dữ liệu thấp và cao. Cả hai đều yêu cầu công suất
thấp và dung lợng cao, chúng là các biểu tợng cho chất lợng của UWB.
1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp
Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ - nhng chúng
thờng đợc nối bởi dây dẫn hoặc cáp. Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữ liệu
vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, và để cho
vô vàn mục đích khác. Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể
là không dây, nhng giải pháp trên thị trờng ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng
với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng
lắm trong việc đạt đợc một thoả hiệp hoàn hảo. UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng
đột ngột nh là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc
truyền xuyên qua các đối tợng mà không gặp trở ngại gì về kết nối. Nó cũng bị ảnh hởng bởi
các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhng ít hơn trờng hợp ánh sáng hồng ngoại.
Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phơng thức không liên tục, nhiễu cũng
không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một
không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác. Trớc hết chúng ta xét chi tiết hơn
Dơng Ngô Quý, D01VT
15
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực
đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trờng thiết bị.
Sự nổi lên của môi trờng nhà số đợc cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (nh bộ nghe
nhạc, xem video số), các thiết bị di động (nh điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bị máy
tính cá nhân (nh máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lợng lớn các ứng dụng. Các thiết bị này
có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):
thiết bị lu trữ ngoài khác.
Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, nh
điện thoại tổ ong 3G, cũng nh là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bị di
động PC/CE dựa trên IP kế tiếp.
Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị di
động.
1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC
Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đa hiệu năng
và độ tiện lợi nh đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo. Hiện tại, USB hữu
tuyến có một thị phần đáng kể nh là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15).
Nhng cáp cũng chỉ có thể đợc sử dụng theo phơng thức này. Công nghệ Bluetooth đã giải
quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt
động tơng tác. Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tợng sử dụng có quyền
hy vọng về USB không cần dùng cáp. Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã có đợc một
Dơng Ngô Quý, D01VT
17
Copyright: Tài liệu đại học ©