Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu ir-uwb tốc độ thấp ...

Tài liệu Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu ir-uwb tốc độ thấp

.PDF
134
441
60

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mạnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Mạnh Hoàng THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH 2. PGS.VŨ QUÝ ĐIỀM Hà Nội – 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. TS. Phạm Văn Bình và PGS. Vũ Quý Điềm. 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. TS. Phạm Văn Bình Trần Mạnh Hoàng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai người hướng dẫn của tôi: PGS. TS. Phạm Văn Bình và PGS. Vũ Quý Điềm, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án với sự tận tụy, sáng suốt và khoa học cao. Tôi rất biết ơn và trân trọng sự giúp đỡ quý báu của TS. Đặng Quang Hiếu, TS. Nguyễn Đức Minh, TS. 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. Xin được gửi lời cảm ơn tới những nhà khoa học, bạn đồng nghiệp vì những góp ý thiết thực cho luận án này. Và xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới vợ, con trai và gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực giúp tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hoàng Mục lục Danh mục từ viết tắt 4 Danh sách kí hiệu toán học 6 Danh sách hình vẽ 8 Danh sách bảng 11 Phần mở đầu 12 Chương 1 Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng 1.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng 1.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB . . . . 1.1.2 Chuẩn hóa và ứng dụng . . . . . . . . . . . . . 1.2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Máy thu RAKE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Máy thu truyền tham chiếu . . . . . . . . . . . 1.2.3 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB 1.3.1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng . . . 1.3.2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu . . . 1.4 Thuật toán SVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Mô hình kênh vô tuyến UWB . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Mô hình kênh đa đường tổng quát . . . . . . . . 1.5.2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela . . . . . . . . . 1.5.3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . 1.6 Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 21 22 24 27 29 31 33 34 35 35 36 38 38 40 42 44 1 siêu rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên FPGA Thuật toán đồng bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triển khai trên Simulink và HDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng . . . . . . . . . . Tổng hợp và mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Tổng hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 3 Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB 3.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD . . . . . . . . . . 3.1.1 Thuật toán máy thu cải tiến . . . . . . . . . 3.2 Thuật toán tính SVD . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Bidiagonalization . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Diagonalization . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation . . 3.3 Thuật toán CORDIC . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Chế độ Rotation . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Chế độ Vectoring . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Thuật toán CORDIC cải tiến . . . . . . . . . . . . 3.5 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 4 Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 4.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . 4.1.1 Tiêu đề đồng bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Khối giới hạn khung . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu . . . . . . . 4.2 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu . . . . . . . . . . 4.3 Thuật toán đồng bộ tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 46 46 49 50 53 55 55 56 57 . . . . . . . . . . . 58 58 58 63 66 68 70 70 73 74 74 78 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 81 81 83 83 84 85 86 88 97 99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 4.6 4.4.2 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên 4.5.1 Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA . . . . . Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 FPGA104 . . . 104 . . . 107 . . . 110 Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo 112 Danh mục các công trình đã công bố của luận án 114 Tài liệu tham khảo 115 Phụ lục 123 3 Danh mục từ viết tắt ADC Analog to Digital Converter BER Bit Error Ratio BPF Band Pass Filter BPM Burst Position Modulation BPSK Binary Phase-Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CM Channel Model CORDIC COordinate Rotation DIgital Computer DSP Digital Signal Processor Bộ chuyển đổi tương tự - số Tỉ lệ lỗi bit Bộ lọc thông dải Điều chế vị trí cụm xung Khóa dịch pha nhị phân Đa truy nhập phân chia theo mã Mô hình kênh Xoay tọa độ dùng máy tính số ECC Ủy ban truyền thông điện tử châu Âu ED FCC FPGA FSM GPS GSM HDL IEEE IFI IPI IR LPF LOS MBD MIMO NLOS OFDM PAM Electronics Communications Committee Energy Detection Bộ xử lý số Tách sóng năng lượng Federal Communications Commission Field Programmable Gate Arrays Finite State Machine Global Positioning System Global System for Mobile Communications Hardware Description Language Institute of Electrical and Electronics Engineers InterFrame Interference InterPulse Interference Impulse-Radio Low Pass Filter Light-of-Sight Model-Based Design Multi-Input Multi-Output Non Light-of-Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Pulse-Amplitude Modulation 4 Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ Mảng phần tử logic khả trình Máy trạng thái hữu hạn Hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống thông tin di động toàn cầu Ngôn ngữ mô tả phần cứng Viện Kĩ thuật Điện - Điện tử Giao thoa liên khung Giao thoa liên xung Xung vô tuyến Bộ lọc thông thấp Đường truyền thẳng Thiết kế dựa trên mô hình Đa đầu vào - đa đầu ra Không có đường truyền thẳng Ghép kênh đa sóng mang trực giao Điều chế biên độ xung PAN PDP PPM PHR PSDU SFD SHR SNR SVD SYNC TR VLSI WPAN UWB Personal Area Network Power Delay Profile Pulse-Position Modulation Physical-layer HeadeR PHY Service Data Unit Start of Frame Delimiter Synchronization HeadeR Signal-to-Noise Ratio Singular Value Decomposition SYNChronization preamble Transmit-Reference Very-Large-Scale Integration Wireless Personal Area Network Ultra-WideBand 5 Mạng cá nhân Hàm trễ công suất Điều chế vị trí xung Tiêu đề lớp vật lí Đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY Khối giới hạn khung Tiêu đề đồng bộ Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm Phép phân tích trị riêng Mào đầu đồng bộ Truyền tham chiếu Mạch tích hợp tỉ lệ rất lớn Mạng vô tuyến cá nhân Băng siêu rộng Danh sách kí hiệu toán học fc fH fL B g0 (t) gk (t) g(t) Tp b Tf D Ts Nf hi τi r(t) h(t) s x(t) δ(·) βk θk Th τrms ω λ τk,l Λ Tl X U V G Tần số trung tâm của băng Tần số cận trên (-10 dB) Tần số cận dưới (-10 dB) Băng thông của băng Xung Gaussian đơn chu trình Vi phân cấp k của xung Gaussian đơn chu trình Xung UWB Độ rộng xung UWB Số bit được truyền đi bởi một khung Độ rộng của một khung Độ trễ giữa xung mang tin với xung tham chiếu trong khung TR-UWB Tần số lấy mẫu Số mẫu trong một khung Tuyến trễ thứ i qua kênh đa đường Độ trễ của tuyến thứ i qua kênh đa đường Tín hiệu đến máy thu Xung UWB nhận được tại máy thu Kí tự dữ liệu phát đi Tín hiệu nhận được tại máy thu TR-UWB sau bộ tương quan Hàm delta Dirac Hệ số khuếch đại của tia thứ k Độ dịch pha của tia thứ k Chiều dài kênh truyền Trải trễ hiệu dụng của kênh truyền Tần số điều chế cao tần Tốc độ đến của các tia trong cụm Thời gian đến của tia thứ k trong cụm tia thứ l Tốc độ đến của các cụm tia Thời gian đến của cụm tia thứ l Ma trận kích thước m × n Ma trận trực giao kích thước m × m Ma trận trực giao kích thước n × n Ma trận trực giao trong phép quay CORDIC 6 θ Ki ck Si ⊗ Tpsym Tdsym TBP M Tburst Nshr Nsync Nsf d Kpbs q(t) y(t) sc Ls λ λ0 Góc quay CORDIC Hằng số tại mỗi phép quay CORDIC Chuỗi cân bằng hoàn hảo Kí tự mào đầu Toán tử Kronecker Chiều dài của kí tự mào đầu IEEE 802.15.4a Chiều dài của kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a Chiều dài của một nửa kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a Chiều dài của một cụm xung trong kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a Số kí tự trong phần SHR Số kí tự trong phần SYNC Số kí tự trong phần SFD Số kí tự của chuỗi cân bằng hoàn hảo Dạng xung UWB nhận được tại máy thu UWB IEEE 802.15.4a Tín hiệu nhận được sau bộ LPF của máy thu UWB IEEE 802.15.4a Mẫu tương quan Số phần tử trong mẫu tương quan Ngưỡng được sử dụng trong [14] Ngưỡng do luận án đề xuất 7 Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 . . . . . . . . . Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất . . . . . . . Điều chế PAM hai mức (M = 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Điều chế PPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Xung UWB khi truyền qua kênh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu . . . . . . . . . . . Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE . . . . . . . . . Mô hình kênh Saleh-Valenzuela. a) Sự suy giảm công suất theo hàm mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng xung của kênh truyền 2.1 2.2 Minh họa cho quá trình đồng bộ . . . . . . . . . . . . Lưu đồ triển khai thuật toán máy thu TR-UWB đơn cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Quy trình thiết kế MBD . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Hệ thống thu phát TR-UWB trên Simulink . . . . . . 2.5 Kiến trúc của bộ xử lý băng gốc . . . . . . . . . . . . 2.6 Lưu đồ FSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Mô hình khối sliding_window . . . . . . . . . . . . . 2.8 Mô hình khối accumulator . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Mô hình khối detect_max_model . . . . . . . . . . . 2.10 Thiết kế HDL trong mô hình Simulink . . . . . . . . 2.11 BER vs. SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 41 . . . . . . trên phần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 50 51 51 52 53 53 54 54 56 Máy thu TR-UWB đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8 . . . giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 24 25 28 29 29 30 32 32 34 47 Một khung tín hiệu x(t) tại phía thu . . . . . . . . . . . . . . . . . . Khung dữ liệu sau bộ tương quan được cắt nhỏ . . . . . . . . . . . . Khung tín hiệu thu được bị dịch đi một khoảng thời gian τ . . . . . . Đồ thị BER vs SNR cho các thuật toán máy thu khác nhau . . . . . Khả năng chống sai lỗi thời gian của thuật toán máy thu đã hiệu chỉnh Các bước tính toán SVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thuật toán quay vector cột . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thuật toán quay vector hàng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thuật toán Bidiagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation . Ma trận thu được sau bước Bidiagonalization . . . . . . . . . . . . Thuật toán Diagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation . . Ma trận thu được sau bước Diagonalization . . . . . . . . . . . . . Thuật toán SVD hoàn chỉnh sử dụng phép quay Givens Rotation . . Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC . . . . . . . . . . . . . Sai số của phép quay CORDIC phụ thuộc vào định dạng dữ liệu và số vòng lặp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC cải tiến . . . . . . . . . 59 61 62 63 64 65 66 67 68 68 69 70 71 75 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 82 83 84 85 86 87 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 Cấu trúc phần SHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cấu trúc của một kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . Sơ đồ khối của máy thu UWB tách sóng năng lượng không đồng bộ . Dạng xung q(t) tại đầu ra của bộ lọc LPF . . . . . . . . . . . . . . . Các bước thực hiện đồng bộ tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mảng gi được tính toán với từng nhóm mẫu yi . . . . . . . . . . . . Với chuỗi {ck } được sử dụng trong luận án, lựa chọn Q = 3 luôn cho một giá trị cực đại duy nhất của mảng gi . Hai phần tử 0 được thêm vào cuối chuỗi để mỗi nhóm có đủ 3 phần tử. . . . . . . . . . . . . . Quá trình thực hiện đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cách thức ước lượng τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . . . . Giá trị của S[m̃, ñε ] đạt cực đại khi m̃ = m và ñε = nε . . . . . . . . Dạng sóng của S 0 [m, ñε ] (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . . . . . Dạng của S 0 [m, ñε ] với Ts = 2ns và Ts = 16ns . . . . . . . . . . . . . . So sánh giữa λ0 với λ khi Ts = 16ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh giữa λ0 với λ khi Ts = 2ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 76 78 88 89 90 91 92 93 94 96 97 4.16 Chênh lệch công suất giữa các phần của khung tín hiệu UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi K thay đổi . . . . . . . 4.18 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi Ts thay đổi . . . . . . . 4.19 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô với số bit lượng tử hóa khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.20 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2} ns . . . 4.21 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8} ns . . 4.22 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.24 Mô hình FSM cho bộ điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25 Kiến trúc triển khai HDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26 Quá trình đồng mô phỏng kết hợp Simulink/HDL . . . . . . . . . . . 4.27 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es /N0 = 20 dB . . . . . . . . . . . . . 4.28 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es /N0 = 0 dB . . . . . . . . . . . . . 4.29 Kết quả thử nghiệm thiết kế trên FPGA tại Es /N0 = 20 dB . . . . . 10 98 99 100 101 102 102 103 104 106 107 108 108 109 110 Danh sách bảng 1.1 Các tham số của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a trong các môi trường khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1 2.2 Các đầu vào/ra của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Báo cáo tổng hợp trên dòng Spartan 6 XC6SLX45 package CSG324 . 55 55 3.1 3.2 Hằng số arctan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Số phép toán SVD/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 77 4.1 Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 11 Phần mở đầu Phần này sẽ trình bày những vấn đề chung và giới thiệu về mục đích, kết quả cũng như cấu trúc luận án, bao gồm: 1. Giới thiệu chung về UWB 1.1 Khái niệm UWB Truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand) là một kĩ thuật truyền tín hiệu vô tuyến trên dải băng tần siêu rộng mà không cần sự cấp phép của các tổ chức quy hoạch tần số với mức công suất rất thấp trong sơ đồ thu/phát gần như hoàn toàn số. Vì vậy, máy thu/phát UWB thường có độ phức tạp thấp, công suất tiêu thụ nhỏ, tín hiệu có khả năng đâm xuyên tốt và có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao (ví dụ 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 dụng các xung hẹp với băng thông siêu rộng để truyền tin được tiến hành vào những năm 1900), tuy nhiên do hạn chế về mặt kĩ thuật ở thời điểm đó, UWB đã không được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài. Phải đến những năm gần đây, nhờ sở hữu những tính năng vượt trội nêu trên, UWB ngày càng thu hút được sự quan tâm của cả giới khoa học và công nghiệp với mục đích tạo ra một giải pháp mới hứa hẹn giải quyết được những vấn đề mà chúng ta đang đối mặt: sự phát triển bùng nổ của các thiết bị điện tử cá nhân cũng như yêu cầu ngày càng cao đối với những thiết bị này (về chi phí sản xuất, tốc độ truyền dữ liệu và mức công suất tiêu thụ). 1.2 Tình hình nghiên cứu UWB trên thế giới và ở Việt Nam Sau khi được phê duyệt bởi hai tổ chức FCC (Mỹ) và ECC (châu Âu) lần lượt vào các năm 2002 [18] và 2005 [17], các hệ thống sử dụng kĩ thuật truyền dẫn UWB có thể hoạt động mà không cần cấp phép ở dải tần 3.1 - 10.6 GHz với điều kiện phải thỏa mãn mức giới hạn trên của công suất phát (-41.3 dBm/MHz). Chính điều này đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai công nghệ UWB trên khắp thế giới. Hiện nay trên thế giới đang có hai hướng tiếp cận chính cho công nghệ UWB: 12 • Multiband (MB)-OFDM: chia toàn bộ dải tần hoạt động của UWB thành các băng nhỏ hơn và sử dụng kĩ thuật điều chế OFDM • Impulse Radio (IR)-UWB: tín hiệu truyền đi là các xung có độ rộng cực ngắn (cỡ ns hoặc nhỏ hơn) trong đó, hướng tiếp cận thứ hai nhận được nhiều sự chú ý của giới học thuật hơn vì đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng xây dựng các bộ thu/phát với chi phí thấp, tổn hao ít năng lượng [38, 62, 8, 68, 23]. Với các đặc điểm của mình, công nghệ UWB được sử dụng phổ biến nhất trong các mạng vô tuyến cá nhân (WPAN); trên thực tế, IEEE đã thành lập hai nhóm độc lập (IEEE 802.15.3a và IEEE 802.15.4a) để chuẩn hóa lần lượt cho các hệ thống WPAN tốc độ cao và tốc độ thấp, trong đó UWB đều được lựa chọn sử dụng ở lớp vật lý [31]. Tuy nhiên, do chưa đạt được sự thống nhất giữa các nhóm nghiên cứu và phát triển, các hoạt động của nhóm IEEE 802.15.3a cho ứng dụng tốc độ cao đang tạm thời bị dừng lại. Dù là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các mạng WPAN trong tương lai không xa, việc triển khai các hệ thống UWB trên thực tế hiện nay vẫn là một bài toán với nhiều thách thứ cần phải vượt qua như (i) chi phí triển khai lớn do cần sử dụng bộ biến đổi tương tự - số (ADC - Analog-to-Digital Converter) với tần số lấy mẫu rất cao (cỡ GHz), (ii) máy thu có độ phức tạp tính toán cao [49, 63] hay (iii) khó khăn trong việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ tín hiệu [36]. Một hướng phát triển thu hút được nhiều sự chú ý của giới khoa học với mục tiêu vượt qua được những trở ngại trên là sử dụng kĩ thuật truyền tham chiếu (TR - Transmit Reference) cho hệ thống WPAN tốc độ thấp [27, 75, 60, 49, 63]. Truyền tham chiếu là kịch bản thu/phát tín hiệu được xem như một giải pháp thay thế cho máy thu RAKE truyền thống để truyền tin tức trong điều kiện kênh truyền dẫn ngẫu nhiên hoặc không xác định [52, 10, 9], với giả thiết kênh truyền là dừng trong quá trình truyền xung tham chiếu và xung mang tin. Ngoài ưu điểm không cần thao tác ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu RAKE, kịch bản TR còn là một giải pháp hợp lý để triển khai các hệ thống UWB do các xung được sử dụng có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian và được truyền với tốc độ (mong muốn) rất cao, cho phép kênh truyền dẫn được coi như dừng trong khoảng thời gian một khung hay một kí tự dữ liệu. Kiến trúc của một máy thu TR-UWB cơ bản được đưa ra bởi Hoctor và Tomlinson vào năm 2002 [27] với giả thiết kênh truyền dẫn có chiều dài nhỏ hơn khoảng cách giữa xung tham chiếu và xung mang tin nhằm tránh xảy ra hiện tượng nhiễu liên xung. Kiến trúc máy thu TR-UWB này tương đối đơn giản và có độ chính 13 xác khá cao nhưng với điều kiện máy thu xác định được chính xác vị trí bắt đầu của mỗi kí tự dữ liệu, tức đã được đồng bộ hoàn chỉnh (1.2.2). Một số công trình nghiên cứu được công bố sau đó đã phát triển và mở rộng khái niệm TR-UWB để cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn, cải thiện độ chính xác, hỗ trợ nhiều tuyến trễ và đa người dùng, tuy nhiên vẫn dựa trên giả thuyết máy thu đã đồng bộ hoàn chỉnh và/hoặc công suất tạp âm đã biết [5, 41, 64, 47, 48]. Một kiến trúc máy thu TR-UWB khác giải quyết được bài toán đồng bộ nhưng với điều kiện môi trường truyền dẫn không có tạp âm [72]. Trong [16], một thuật toán đồng bộ được đề xuất cho hệ thống TR-UWB đa người dùng với giả thiết máy thu đã được đồng bộ hoàn hảo ở mức khung tín hiệu. Một máy thu tự tương quan được trình bày trong [73] dựa trên mô hình Voltera nhưng độ phức tạp tăng theo cấp số mũ với chiều dài của kênh truyền. Trong [63], nhóm tác giả đề xuất một phương pháp đồng bộ ở mức mẫu và kí tự cho một kiến trúc TR-UWB mới, trong đó các xung được đặt gần nhau hơn (so với kịch bản TR-UWB truyền thống). Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gia tăng đáng kể độ phức tạp tính toán của máy thu do phải thực hiện biến đổi Fourier cho các ma trận kích thước lớn. Có thể nhận thấy đến thời điểm hiện tại, việc phát triển một thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu TR-UWB có độ chính xác cao và khả thi khi triển khai trên phần cứng vẫn là một thách thức thực sự với các nhà nghiên cứu. Đây cũng là một trong hai trọng tâm nghiên cứu của luận án. Bên cạnh kịch bản truyền tham chiếu, một hướng phát triển khác cũng đang nhận được nhiều sự quan tâm của cả giới học thuật và công nghiệp là thiết kế tối ưu bộ xử lý băng gốc nhằm giảm độ phức tạp tính toán, chi phí triển khai và công suất tiêu thụ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trong các ứng dụng tốc độ thấp [25, 13, 35, 43]. Mặc dù được chính thức phê chuẩn từ năm 2007, tuy nhiên đến thời điểm hiện tại trên thị trường gần như vẫn chưa xuất hiện một sản phẩm thương mại thực sự thành công nào sử dụng chip UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a mà nguyên nhân chính là do giá thành còn quá cao. Một trong những yếu tố đẩy chi phí sản xuất chip UWB lên cao là việc sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số với tần số rất lớn (cỡ GHz) để thỏa mãn tốc độ lấy mẫu Nyquist cho tín hiệu băng siêu rộng UWB. Một số giải pháp đã được đề xuất nhằm tránh việc phải triển khai bộ ADC tốc độ cao đắt đỏ cho máy thu UWB như các kiến trúc máy thu non-coherent dựa trên các phép đo năng lượng tín hiệu [25, 26, 71, 13, 65] hay các phương pháp tự tương quan [22, 68, 69] được thiết kế cho các ứng dụng tốc độ thấp không đòi hỏi phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu ở tần số Nyquist và ước lượng kênh truyền (một tác vụ xử lý tín hiệu tiêu tốn nhiều năng lượng do kênh vô tuyến đa đường UWB quá dày đặc). Kiến trúc máy thu không đồng 14 bộ được sử dụng phổ biến nhất là máy thu dò năng lượng (ED - Energy Detection), trong đó máy thu thực hiện tính toán năng lượng của tín hiệu và phát hiện kí tự dữ liệu dựa trên sự xuất hiện năng lượng của xung tại những vị trí nhất định của một khoảng kí tự. Mặc dù hiệu suất hoạt động thấp hơn so với máy thu TR (do tạp âm bị bình phương), tuy nhiên đây vẫn là kiến trúc máy thu khả thi nhất để triển khai theo như đề xuất của chuẩn IEEE 802.15.4a [31]. Vì vậy, máy thu dò năng lượng cũng sẽ được tác giả nghiên cứu chi tiết trong luận án này. Với kiến trúc máy thu ED, việc phát hiện dữ liệu là khá dễ dàng. Ngược lại, thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu này là rất phức tạp do mật độ dày đặc của các tuyến đa đường trong kênh vô tuyến UWB (với tín hiệu UWB, tuyến LOS đầu tiên không phải lúc nào cũng là tuyến mạnh nhất [19, 39]). Một thuật toán đồng bộ sử dụng ngưỡng được đề xuất trong [25] sử dụng phương pháp tìm kiếm năng lượng cực đại và tìm kiếm ngược, tuy nhiên, mức ngưỡng được lựa chọn phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR - Signal-to-Noise Ratio), một tham số không dễ đo đạc được tức thì tại máy thu. Trong [68, 69], các tác giả trình bày phương pháp để xác định vị trí bắt đầu của xung đầu tiên trong phần PHR, tuy nhiên độ chính xác của các phương pháp này là khá thấp khi vùng tạp âm giữa hai kí tự dữ liệu liên tiếp tăng lên. Một vấn đề liên quan đến bài toán xác định phần PHR và được đặt tên là tìm kiếm ngược được xem xét trong các bài báo [25, 26, 54]. Theo chuẩn IEEE 802.15.4a, tín hiệu đến máy thu là một chuỗi xung tuần hoàn, mỗi xung là đáp ứng của kênh truyền với xung đơn chu trình UWB được phát đi. Giả thiết đỉnh cao nhất trong từng xung đã được tìm thấy, quá trình tìm kiếm ngược có nhiệm vụ đo khoảng cách giữa đỉnh cao nhất vừa tìm được với vị trí bắt đầu của xung. Tuy nhiên, bài toán đo khoảng cách này vẫn chưa được giải quyết trong các bài báo trên. Trong [14], một thuật toán đồng bộ được đề xuất, trong đó máy thu phát hiện vị trí bắt đầu của kí tự đầu tiên thuộc phần PHR bằng cách thực hiện một thao tác tìm kiếm hai chiều đỉnh tín hiệu lớn nhất và tiếp đó thực hiện tìm kiếm ngược để phát hiện vị trí bắt đầu xung. Một giả thiết quan trọng của thuật toán này là đã biết trước công suất tạp âm. Trên thực tế, điều này thường ít khi xảy ra và việc đo đạc công suất tạp âm làm gia tăng đáng kể độ phức tạp tính toán cũng như công suất tiêu thụ của máy thu. Thuật toán này cũng đặt ra một giả thuyết khác nữa là đoạn tín hiệu máy thu nhận được luôn nằm trong phần tiêu đề đồng bộ (SYNC) của tín hiệu. Tuy nhiên, vị trí máy thu bắt được tín hiệu trên thực tế hoàn toàn có thể nằm ở bất kì vị trí nào trong khung tín hiệu (ví dụ, nằm trong phần dữ liệu của khung). Như vậy, yêu cầu đặt ra là cần nghiên cứu và phát triển một thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh cho máy 15 thu UWB không đồng bộ theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành cho các ứng dụng tốc độ thấp với kiến trúc đơn giản, có khả năng triển khai được trên phần cứng, thỏa mãn các yêu cầu về độ chính xác cho phép. Đây cũng là trọng tâm nghiên cứu còn lại của luận án này. Ở Việt Nam, công nghệ UWB vẫn đang thu hút sự quan tâm nghien cứu của các nhà khoa học. Hiện đang có một số nhóm nghiên cứu về UWB, tuy nhiên phần nhiều hướng sự tập trung vào việc thiết kế antenna UWB [3, 61, 15, 59] hoặc thiết kế mạch cho bộ tạo xung và bộ điều chế/giải điều chế theo kĩ thuật chaotic UWB [42, 2] mà chưa có nhóm nghiên cứu nào chuyên sâu về các thuật toán xử lý tín hiệu và thiết kế bộ xử lý băng gốc cho máy thu IR-UWB. Ngoài ra, theo khảo sát của cá nhân tác giả, hiện tại trong nước cũng chưa có đề tài nghiên cứu nào kết hợp giữa xử lý tín hiệu và thiết kế vi mạch với mục tiêu thiết kế và hướng tới chế tạo mẫu sản phẩm cho bộ xử lý băng gốc UWB. Có thể nói, đây là một hướng nghiên cứu khá mới mẻ và nhiều thách thức nên số lượng các công trình nghiên cứu khoa học trong nước vẫn còn hạn chế. 2. Tính cần thiết của đề tài và những vấn đề sẽ giải quyết Những đột phá trong công nghệ số thời gian gần đây đã kéo theo sự xuất hiện rộng khắp của các thiết bị điện tử cá nhân (PDA) trong cuộc sống hằng ngày nhằm đáp ứng nhu cầu trong thông tin liên lạc, giải trí, công việc và sức khỏe. Dễ dàng nhận thấy sự hiện diện ngày càng phổ biến của điện thoại di động, máy tính xách tay, các thiết bị theo dõi sức khỏe cầm tay (đồng hồ thông minh, máy đo huyết áp) hay các loại thẻ thông minh hỗ trợ cho giao dịch ngân hàng, mua sắm,... xung quanh mỗi chúng ta. Với những thiết bị cá nhân này, yêu cầu cơ bản được đặt ra là kích thước nhỏ gọn (dễ mang theo người), tiết kiệm năng lượng (do phải sử dụng pin), trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến (đảm bảo tính linh hoạt, tiện lợi cũng như giảm kích thước thiết bị) và truyền dữ liệu có độ tin cậy cao với tốc độ thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng. Mặt khác, sự xuất hiện của tính năng trao đổi thông tin sử dụng liên kết không dây cũng làm phát sinh một vấn đề mới: khả năng hoạt động song song với các hệ thống thông tin vô tuyến đang tồn tại. Như chúng ta đã biết, tài nguyên phổ tần vô tuyến ngày càng khan hiếm với sự hiện diện của hàng loạt hệ thống thông tin như GSM, WLAN, Bluetooth hay GPS. Để giải quyết bài toán đồng tồn tại với các 16
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan