Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu IR-UWB tốc độ thấp

- B GIỄO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GII MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP LUN ỄN TIẾN SĨ K THUT VIN THÔNG Hà Ni ậ 2016 B GIỄO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GII MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP Chuyên ngành: K thut vin thông Mã số: 62520208 LUN ỄN TIẾN SĨ K THUT VIN THÔNG NGƯỜI HƯNG DẪN KHOA HỌC: 1.
- PGS.VŨ QUÝ ĐIỀM Hà Ni ậ 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.
- Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
- Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Thay mặt tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.
- Hoàng Phương Chi và các thành viên trong nhóm nghiên cứu Thiết kế vi mạch (BKIC), Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới cơ quan tôi đang công tác: Bộ môn Mạch và Xử lý tín hiệu, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội vì sự ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hoàng Mục lụcDanh mục từ viết tắt 4Danh sách kí hiệu toán học 6Danh sách hình vẽ 8Danh sách bảng 11Phần mở đầu 12Chương 1 Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng 211.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng.
- 211.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB.
- 241.2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB.
- 271.2.1 Máy thu RAKE.
- 291.2.2 Máy thu truyền tham chiếu.
- 311.2.3 Kết quả mô phỏng.
- 331.3 Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB.
- 351.3.1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng.
- 351.3.2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu.
- 351.4 Thuật toán SVD.
- 371.5 Mô hình kênh vô tuyến UWB.
- 381.5.1 Mô hình kênh đa đường tổng quát.
- 391.5.2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela.
- 401.5.3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a.
- 441 Chương 2 Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trênFPGA 472.1 Thuật toán đồng bộ.
- 472.2 Triển khai trên Simulink và HDL.
- 502.2.1 Thiết kế.
- 512.2.2 Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng.
- 562.3.2 Kết quả mô phỏng.
- 58Chương 3 Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB 593.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD.
- 593.1.1 Thuật toán máy thu cải tiến.
- 593.2 Thuật toán tính SVD.
- 693.2.3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation.
- 713.3 Thuật toán CORDIC.
- 753.4 Thuật toán CORDIC cải tiến.
- 753.5 Kết luận chương 3.
- 79Chương 4 Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a 814.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a.
- 824.1.1 Tiêu đề đồng bộ.
- 844.1.3 Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu.
- 844.2 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu.
- 854.3 Thuật toán đồng bộ tín hiệu.
- 874.3.1 Đồng bộ thô.
- 874.3.2 Đồng bộ tinh.
- 894.4 Mô phỏng và kết quả.
- 1004.4.1 Đồng bộ thô.
- 1002 4.4.2 Đồng bộ tinh.
- 1034.5 Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên FPGA1064.5.1 Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL.
- 1064.5.2 Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA.
- 1094.6 Kết luận chương 4.
- 110Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo 113Danh mục các công trình đã công bố của luận án 115Tài liệu tham khảo 116Phụ lục 1253 Danh mục từ viết tắtADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - sốBER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bitBPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dảiBPM Burst Position Modulation Điều chế vị trí cụm xungBPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phânCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCM Channel Model Mô hình kênhCORDIC COordinate Rotation DIgital Xoay tọa độ dùng máy tính sốComputerDSP Digital Signal Processor Bộ xử lý sốECC Electronics Communications Ủy ban truyền thông điện tử châu ÂuCommitteeED Energy Detection Tách sóng năng lượngFCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông Liên bang MỹFPGA Field Programmable Gate Arrays Mảng phần tử logic khả trìnhFSM Finite State Machine Máy trạng thái hữu hạnGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầuGSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầuCommunicationsHDL Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứngIEEE Institute of Electrical and Viện Kĩ thuật Điện - Điện tửElectronics EngineersIFI InterFrame Interference Giao thoa liên khungIPI InterPulse Interference Giao thoa liên xungIR Impulse-Radio Xung vô tuyếnISE Integrated Synthesis Environment Môi trường tổng hợp tích hợpLPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấpLOS Light-of-Sight Đường truyền thẳngMB Multi-Band Đa băngMBD Model-Based Design Thiết kế dựa trên mô hìnhMIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào - đa đầu raMRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đaNLOS Non Light-of-Sight Không có đường truyền thẳng4 OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh đa sóng mang trực giaoMultiplexingPAM Pulse-Amplitude Modulation Điều chế biên độ xungPAN Personal Area Network Mạng cá nhânPDA Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhânPDP Power Delay Profile Hàm trễ công suấtPPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xungPHR Physical-layer HeadeR Tiêu đề lớp vật líPSDU PHY Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ PHYSFD Start of Frame Delimiter Khối giới hạn khungSHR Synchronization HeadeR Tiêu đề đồng bộSNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âmSVD Singular Value Decomposition Phép phân tích trị riêngSYNC SYNChronization preamble Mào đầu đồng bộTR Transmit-Reference Truyền tham chiếuUWB Ultra-WideBand Băng siêu rộngVLSI Very-Large-Scale Integration Mạch tích hợp tỉ lệ rất lớnWLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ vô tuyếnWPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhânZF Z ero-Forcing Ép về không5 Danh sách kí hiệu toán họcfcTần số trung tâm của băngfHTần số cận trên (-10 dB)fLTần số cận dưới (-10 dB)B Băng thông của băngg0(t) Xung Gaussian đơn chu trìnhgk(t) Vi phân cấp k của xung Gaussian đơn chu trìnhg(t) Xung UWBTpĐộ rộng xung UWBb Số bit được truyền đi bởi một khungTfĐộ rộng của một khungD Độ trễ giữa xung mang tin với xung tham chiếu trong khung TR-UWBTsTần số lấy mẫuNfSố mẫu trong một khunghiTuyến trễ thứ i qua kênh đa đườngτiĐộ trễ của tuyến thứ i qua kênh đa đườngr(t) Tín hiệu đến máy thuh(t) Xung UWB nhận được tại máy thus Kí tự dữ liệu phát đix(t) Tín hiệu nhận được tại máy thu TR-UWB sau bộ tương quanδ.
- Hàm delta DiracβkHệ số khuếch đại của tia thứ kθkĐộ dịch pha của tia thứ kThChiều dài kênh truyềnτrmsTrải trễ hiệu dụn g của kênh truyềnω Tần số điều chế cao tầnλ Tốc độ đến của các tia trong cụmτk,lThời gian đến của tia thứ k trong cụm tia thứ lΛ Tốc độ đến của các cụm tiaTlThời gian đến của cụm tia thứ lX Ma trận kích thước m × nU Ma trận trực giao kích thước m × mV Ma trận trực giao kích thước n × nG Ma trận trực giao trong phép quay CORDIC6 θ Góc quay CORDICKiHằng số tại mỗi phép quay CORDICckChuỗi cân bằng hoàn hảoSiKí tự mào đầu⊗ Toán tử KroneckerTpsymChiều dài của kí tự mào đầu IEEE 802.15.4aTdsymChiều dài của kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4aTBP MChiều dài của một nửa kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4aTburs tChiều dài của một cụm xung trong kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4aNshrSố kí tự trong phần SHRNsyncSố kí tự trong phần SYNCNsfdSố kí tự trong phần SFDKpbsSố kí tự của chuỗi cân bằng hoàn hảoq(t) Dạng xung UWB nhận được tại máy thu UWB IEEE 802.15.4ay(t) Tín hiệu nhận được sau bộ LPF của máy thu UWB IEEE 802.15.4ascMẫu tương quanLsSố phần tử trong mẫu tương quanλ Ngưỡng được sử dụng trong [14]λ′Ngưỡng do luận án đề xuất7 Danh sách hình vẽ1.1 Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM.
- 241.3 Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất.
- 291.7 Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản.
- 301.8 Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu.
- 321.9 Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản.
- 331.10 Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE.
- 341.11 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela.
- a) Sự suy giảm công suất theo hàmmũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng xung của kênh truyền 422.1 Minh họa cho quá trình đồng bộ.
- 482.2 Lưu đồ triển khai thuật toán máy thu TR-UWB đơn giản trên phầncứng.
- 512.4 Hệ thống thu phát TR-UWB trên Simulink.
- 532.7 Mô hình khối sliding_window.
- 542.8 Mô hình khối accumulator.
- 542.9 Mô hình khối detect_max_model.
- 552.10 Thiết kế HDL trong mô hình Simulink.
- 573.1 Máy thu TR-UWB đơn giản.
- 608 3.2 Một khung tín hiệu x(t) tại phía thu.
- 603.3 Khung dữ liệu sau bộ tương quan được cắt nhỏ.
- 623.4 Khung tín hiệu thu được bị dịch đi một khoảng thời gian τ.
- 633.5 Đồ thị BER vs SNR cho các thuật toán máy thu khác nhau.
- 643.6 Khả năng chống sai lỗi thời gian của thuật toán máy thu đã hiệu chỉnh 653.7 Các bước tính toán SVD.
- 663.8 Thuật toán quay vector cột.
- 673.9 Thuật toán quay vector hàng.
- 683.10 Thuật toán Bidiagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation .
- 693.12 Thuật toán Diagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation.
- 713.14 Thuật toán SVD hoàn chỉnh sử dụng phép quay Givens Rotation.
- 723.15 Phép quay Givens Rotation sử dụng các khối CORDIC.
- 763.16 Sai số của phép quay CORDIC phụ thuộc vào định dạng dữ liệu và sốvòng lặp.
- 773.17 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC cải tiến.
- 834.2 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a.
- 844.3 Sơ đồ khối của máy thu UWB tách sóng năng lượng không đồng bộ .
- 864.5 Các bước thực hiện đồng bộ tín hiệu.
- 894.7 Với chuỗi {ck} được sử dụng trong luận án, lựa chọn Q = 3 luôn chomột giá trị cực đại duy nhất của mảng gi.
- 894.8 Quá trình thực hiện đồng bộ tinh.
- 974.15 So sánh giữa λ′với λ khi Ts= 2ns.
- 989 4.16 Chênh lệch công suất giữa các phần của khung tín hiệu UWB IEEE802.15.4a.
- 994.17 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi K thay đổi.
- 1014.18 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi Tsthay đổi.
- 1024.19 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô với số bit lượng tử hóa khácnhau.
- 1024.20 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts∈ {4, 2} ns.
- 1034.21 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts∈ {16, 8} ns.
- 1044.22 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhaucủa f.
- 1054.23 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhaucủa Ts.
- 1054.24 Mô hình FSM cho bộ điều khiển.
- 1074.25 Kiến trúc triển khai HDL.
- 11210 Danh sách bảng1.1 Các tham số của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a trong các môitrường khác nhau.
- Vì vậy, máy thu/phát UWB thường có độ phức tạp thấp, công suất tiêu thụnhỏ, tín hiệu có khả năng đâm xuyên tốt và có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao (vídụ như trong USB không dây) hay truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với độ chính xác cao(thích hợp cho các ứng dụng định vị, định danh và các mạng cảm biến không dây).Dù không phải là một kĩ thuật hoàn toàn mới (những thí nghiệm đầu tiên sử dụngcác xung hẹp với băng thông siêu rộng để truyền tin được tiến hành vào những năm1900), tuy nhiên do hạn chế về mặt kĩ thuật ở thời điểm đó, UWB đã không đượctiếp tục nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài.
- Phải đến những năm gầnđây, nhờ sở hữu những tính năng vượt trội nêu trên, UWB ngày càng thu hút đượcsự quan tâm của cả giới khoa học và công nghiệp với mục đích tạo ra một giải phápmới hứa hẹn giải quyết được những vấn đề mà chúng ta đang đối mặt: sự phát triểnbùng nổ của các thiết bị điện tử cá nhân cũng như yêu cầu ngày càng cao đối vớinhững thiết bị này (về chi phí sản xuất, tốc độ truyền dữ liệu và mức công suất tiêuthụ).1.2 Tình hình nghiên cứu UWB trên thế giới và ở Việt NamSau khi được phê duyệt bởi hai tổ chức FCC (Mỹ) và ECC (châu Âu) lần lượtvào các năm 2002 [18] và các hệ thống sử dụng kĩ thuật truyền dẫn UWBcó thể hoạt động mà không cần cấp phép ở dải tần GHz với điều kiện phảithỏa mãn mức giới hạn trên của công suất phát (-41.3 dBm/MHz).
- Chính điều nàyđã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai công nghệ UWB trên khắp thếgiới

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