Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 1LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết.
- Hà Nội, tháng 5 năm 2012 Học viên Ngô Mạnh Hà Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 2MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.
- Giới thiệu về hệ thống UWB.
- Các thuộc tính của hệ thống UWB.
- Mặt nạ phổ công suất.
- Các hệ thống chụp ảnh.
- Các hệ thống rada giao thông.
- Các kỹ thuật điều chế trong OFDM.
- Điều chế BPSK.
- Điều chế QPSK.
- 50 3.5.3 Điều chế QAM.
- 54 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 33.7.
- Tại khối xử lý tín hiệu phát của hệ thống OFDM - CDMA.
- Đáp ứng tín hiệu trên kênh truyền của hệ thống OFDM - CDMA.
- Tại khối xử lý tín hiệu thu của hệ thống OFDM - CDMA.
- 89 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 4 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT A 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động AWGN Additive White Gaussian Noise B Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPM Bi-Phase Modulation C 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 người dùng CMOS Complementary Metal-oxide-Semiconductor D 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 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 5E EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution F Tốc độ số liệu tăng cường 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 G 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 H Hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động HDTV High-Definition Television I Tivi có độ phân giải cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 6L LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LOS Line-of-Sight M Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương 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 O 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 P 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 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 7Q QoS Quality of Service S Chất lượng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array T 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 U Trải phổ dùng nhảy thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USB Universal Serial Bus Thiết bị lưu trữ UWB Ultra WideBand V Băng tần siêu rộng VGA Video Graphics Array W Mảng đồ hoạ Video WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 8theo 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 USB không dây Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 9DANH MỤC BẢNG Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây.
- 55 Bảng 6: Các thông số được đề xuất cho hệ thống.
- 79 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 10DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB.
- 19 Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng.
- 22 Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet.
- 22 Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật.
- 23 Hình 1.5: Chuỗi xung UWB.
- 26 Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu.
- 27 Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn.
- 28 Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB.
- 2: Sơ đồ hệ thống OFDM.
- 38 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 11Hình 2.
- 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.
- 15: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM.
- 1: Lưới thời gian – tần số của hệ thống.
- 3: Cấu trúc cụm điều chế.
- 77 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 12Hình 4.
- 5: Mô hình hệ thống MC-CDMA.
- 6: Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động CDMA.
- 7: Sơ đồ khối của mô hình hệ thống OFDM - CDMA.
- 85 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 13LỜI NÓI ĐẦU Những năm trước đây, khi nói đến chiếc đầu video chúng ta sẽ nghĩ tới rất nhiều dây kết nối tivi với đầu video, với ampli và loa.
- Luận văn “Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng” trình bày những vấn đề căn bản nhất về công nghệ UWB, OFDM, CDMA và việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB, các ưu nhược điểm của từng hệ thống riêng rẽ và ưu nhược điểm của hệ thống kết hợp.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 14 Luận văn được chia làm 4 chương, với các nội dung chính như sau: Chương 1: Giới thiệu về mạng băng thông siêu rộng UWB.
- Chương 2: Giới thiệu về phương pháp điều chế sử dụng các sóng mang con trực giao OFDM.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 15CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.
- Giới thiệu về hệ thống UWB Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB, tôi trình bày định nghĩa về UWB.
- Định nghĩa: UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần lớn hơn 20%.
- (1.1) Trong đó B:=fH-fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống UWB với fc=(fH+fL)/2 với fH là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại, và fL là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại.
- Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất.
- Tuy nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng điện tử Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 16viễn thông.
- Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ.
- Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến.
- Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung.
- Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết quả chính xác với Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 17các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn.
- Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển.
- Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bị truyền thông UWB.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 18Biểu thức Shannon được biểu diễn: log 1SCBN.
- S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W].
- Qua biểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rất cao cho các hệ thống truyền thông không dây.
- Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các người dùng khác nhau.
- Do đó giải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 19Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại.
- Các thuộc tính của hệ thống UWB Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống UWB.
- Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số.
- Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng hiện tại.
- Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định nghĩa các mặt Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 20nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở mỗi dải tần số khác nhau.
- Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ thống UWB trong nhà.
- Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96 GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc phòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó.
- Công suất cho phép -41.3 dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn.
- (1.5) Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 21Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t).
- (1.7) Trong hình 1.2 các monocycle px(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung pw=0.9 ns được chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay đổi phổ của monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 22 Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu.
- Tạo xung Gaussian .dudtdudt Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 23Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2).
- Kiểu xung này thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễ dàng.
- Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật.
- Thông tin hay dữ liệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như hình 1.5 Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 24minh hoạ.
- Hình 1.5: Chuỗi xung UWB Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 253.4.
- Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 26Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường.
- Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồng lấn tương ứng.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 27Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng (duty cycle) của xung.
- Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước.
- Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin.
- Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 3.5.
- Hiện nay tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằm đạt tốc Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 28độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s, tương đương Ethernet có dây tới USB 2.0.
- Các lĩnh vực ứng dụng của UWB R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thống chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông.
- Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 304.1.
- Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gian thực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các hệ thống giải trí tại nhà.
- Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần.
- Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB Một điểm khác nữa là tất cả các thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến.
- Chẳng hạn như điều khiển từ xa từ thiết bị di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mở cửa cho bạn … Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn, với giá thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp.
- Các hệ thống truyền thông UWB tốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượng lớn thông tin cảm biến trong thời gian ngắn.
- Các hệ thống chụp ảnh Khác với các hệ thống rada thông thường nhiệm vụ chủ yếu là xác định các nguồn phát xạ, các xung rada UWB định vị ở khoảng cách nhỏ hơn.
- Đặc tính này đã được áp dụng cho các hệ thống rada.
- Mặt khác do các thành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 32với các ứng dụng khác như chụp ảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương.
- Các hệ thống rada giao thông Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn.
- Dựa vào khả năng định vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiển giao thông và tránh tai nạn thông minh.
- Các hệ thống này có thể cải thiện hoạt động của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiển giao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông.
- Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trong phương tiện giao thông bằng cách tải dữ liệu từ các bộ phát UWB hướng dẫn dọc theo hai bên đường.
- Tổng kết chương Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, và phân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xung UWB.
- Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra.
- Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/ MHz, trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến khác.
- Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng 33phòng có thể thực hiện truyền thông vô tuyến tốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau.
- Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thể giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệ thống UWB so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt