Tài liệu Xử lý tín hiệu trong truyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân

Lời cam đoan Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu. Học viên Dương Tấn Nghĩa 1 Mục lục Lời cam đoan 1 Danh mục từ viết tắt 5 Danh sách hình vẽ 6 Danh sách bảng 9 Lời mở đầu 10 1 Giới thiệu chung 13 1.1 Khái niệm UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.1 Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Phân loại máy thu UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 Chuẩn IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2 Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU) . . . . . 24 Đặt vấn đề và phạm vi luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4 2 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 2.1 27 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.1 Nguyên lý chung về kênh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.2 Mô hình kênh đa đường do Saleh và Valenzuela đề xuất . . . . 31 2 MỤC LỤC 2.2 2.1.3 Các tham số cơ bản của mô hình S-V . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.4 Quy trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1 Những đặc điểm và tham số chính của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.2 Môi trường hoạt động của thiết bị UWB IEEE 802.15.4a . . . 40 2.2.3 Tham số hóa mô hình kênh UWB cho dải tần 2 − 10GHz . . . 41 2.2.4 Một số lưu ý về quy trình đo kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . 42 2.2.5 Cách thức xác định các thông số của môi trường . . . . . . . . 44 3 Thuật toán trong máy thu UWB IEEE 802.15.4a 49 3.1 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3.1 Ước lượng giá trị của τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2 Xác định phần PHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4.1 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.2 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4 3.5 4 Đa người dùng trong IEEE 802.15.4a 76 4.1 Vấn đề đa người dùng trong UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2 Đa người dùng cho tuyến xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2 Thuật toán giải mã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3 3 MỤC LỤC 5 Triển khai bộ xử lý băng gốc UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink 84 5.1 Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink . . . . . . . . 85 5.2 Khối đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3 Khối đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4 Khối giải mã tín hiệu đa người dùng tuyến xuống . . . . . . . . . . . 90 5.5 Kết quả triển khai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Kết luận và hướng phát triển 97 Tài liệu tham khảo 99 4 Danh mục từ viết tắt ADC BPF BPM-BPSK CM CMOS DARPA DSP ETSI FCC FET FPGA GPS HDL IEEE LPF PDP PHR PSDU SFD SHR SYNC VLSI WPAN UWB Analog to Digital Converter Band-Pass Filter Burst Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying Channel Model Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Defense Advanced Research Projects Agency Digital Signal Processor European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission Field-Effect Transistor Field Programmable Gate Arrays Global Positioning System Hardware Description Language Institute of Electrical and Electronics Engineers Low-Pass Filter Power Delay Profile Physical-layer HeadeR PHY Service Data Unit Start of Frame Delimiter Synchronization HeadeR SYNChronization preamble Very-Large-Scale Integration Wireless Personal Area Network Ultra-WideBand 5 Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng dụng trong nhà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Hình 1.2 Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Hình 1.3 Cấu trúc phần SHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Hình 1.4 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a . . 24 Hình 2.1 Sơ đồ tầng 1 Phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt máy thu-phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Hình 2.2 Mô hình tiến hành thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 2.3 Mô hình đơn giản 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 2.4 33 Hàm phân phối xác suất tích lũy của hệ số khuếch đại đường truyền chuẩn hóa (nét liền) và phân phối luật mũ thích hợp nhất (nét gạch) [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối của một máy thu dò năng lượng non-coherent . . . 51 Hình 3.2 Quy trình đồng bộ tín hiệu ở máy thu . . . . . . . . . . . . . 52 Hình 3.3 Quá trình xác định mảng gi ứng với từng nhóm mẫu yi . . . 54 Hình 3.4 Sơ đồ các bước thực hiện thuật toán đồng bộ tinh . . . . . . . 56 Hình 3.5 Cách thức ước lượng τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 3.6 Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . 58 Hình 3.7 Dạng sóng của S(m̃, ε̃) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . 59 Hình 3.8 Giá trị của S[m̃, ñε ] đạt cực đại khi m̃ = m và ñε = nε . . . . 60 Hình 3.9 Dạng sóng của S 0 [m, ñε ] (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . 61 Hình 3.10 Dạng của S 0 [m, ñε ] với Ts = 2ns và Ts = 16ns . . . . . . . . . 63 Hình 3.11 So sánh giữa ngưỡng mới λ0 với λ trong [1] khi Ts = 16ns . . . 64 Hình 3.12 So sánh giữa ngưỡng mới λ0 với λ trong [1] khi Ts = 2ns . . . 65 Hình 3.13 So sánh công suất giữa các phần của một khung tín hiệu UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 3.14 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị khác nhau của K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 3.15 69 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị khác nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 3.16 66 69 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị khác nhau của số bit lượng tử hóa . . . . . . . . . . . . . . . 70 Hình 3.17 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2}ns 71 Hình 3.18 Xác suất lỗi của bước ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8}ns . Hình 3.19 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 3.20 73 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 4.1 72 74 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu PHR/PSDU trong trường hợp 8 người dùng tuyến xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 4.2 Giải mã dữ liệu đa người dùng khi sai lệch đồng bộ bằng Tburst /2 79 Hình 4.3 Giải mã dữ liệu đa người dùng (giả thiết đồng bộ chính xác) . 7 81 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 4.4 Xác suất lỗi của thuật toán giải mã dữ liệu cho trường hợp 8 người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 5.1 82 Sơ đồ hệ thống UWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng trên Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Hình 5.2 Sơ đồ khối đồng bộ thô trên Simulink . . . . . . . . . . . . . 88 Hình 5.3 Sơ đồ khối đồng bộ tinh trên Simulink . . . . . . . . . . . . . 88 Hình 5.4 Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . 91 Hình 5.5 Khối giải mã UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . . 92 Hình 5.6 Khối phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . . . 93 Hình 5.7 Đồng mô phỏng hệ thống UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink và HDL/FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Hình 5.8 Kết quả của quá trình đồng mô phỏng . . . . . . . . . . . . . 95 Hình 5.9 Mức độ tiêu thụ tài nguyên phần cứng của bộ xử lý số băng gốc trên kit FPGA của Atlys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 96 Danh sách bảng Bảng 1.1 Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a . . . . . Bảng 2.1 Các tham số của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a trong các Bảng 3.1 18 môi trường khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 9 Lời mở đầu Trong những năm cuối thế kỉ 20, đầu thế kỉ 21, thế giới chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của các kĩ thuật truyền thông vô tuyến cũng như sự phổ biến rộng rãi của các ứng dụng không dây trong mọi mặt của đời sống. Có thể liệt kê ra hàng loạt những công nghệ vô tuyến đã trở nên rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như hệ thống thông tin di động (GSM/3G/4G-LTE), hệ thống định vị toàn cầu (GPS/Galileo/Glonass) hay công nghệ wifi (802.11a/b/g/n/ac). . . Tuy nhiên, những yêu cầu của cuộc sống hiện đại đối với các hệ thống thông tin vô tuyến luôn gia tăng không ngừng. Ngày nay, chúng ta luôn mong muốn sở hữu những hệ thống không dây với độ linh hoạt cao, có khả năng truyền tải dữ liệu ở tốc độ lớn hay có thể định vị chính xác tới mức cm nhưng đồng thời phải có công suất tiêu thụ thấp (kéo dài thời gian sử dụng pin của thiết bị hay góp phần làm “xanh” môi trường) và giá thành triển khai rẻ để dễ dàng đưa ứng dụng vào cuộc sống. Không những vậy, với nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm và chật chội, việc phát triển một công nghệ không dây mới thỏa mãn các tiêu chí trên mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến hiện hành luôn nhận được sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu không chỉ của giới khoa học mà còn của các tổ chức, tập đoàn công nghiệp trên khắp thế giới. Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand ) là một công nghệ mới có khả năng giải quyết đồng thời các yêu cầu trên nhờ vào những đặc tính riêng có của nó. Tuy nhiên, ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kĩ thuật UWB cũng gặp phải không ít rào cản kĩ thuật cần phải vượt qua nếu muốn đưa vào ứng dụng rộng 10 DANH SÁCH BẢNG rãi trong thực tế. Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns) để truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (cỡ GHz) mà còn khiến cho vấn đề đồng bộ tín hiệu trở nên rất khó khăn, đặc biệt khi mong muốn triển khai một hệ thống UWB cho đa người dùng. Trong luận văn này, tôi xin phép được lựa chọn đề tài “Xử lý tín hiệu trong truyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân” với trọng tâm chính là phát triển một thuật toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a với mục tiêu xác định chính xác vị trí của phần dữ liệu trong khung tín hiệu để phục vụ cho quá trình giải mã. Khả năng hoạt động của các thuật toán sẽ lần lượt được kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng MATLAB và công cụ mô hình hóa Simulink kết hợp với FPGA. Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương: • Chương 1 trình bày khái quát về kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng nói chung và chuẩn IEEE 802.15.4a nói riêng dành cho các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ thấp và tiết kiệm năng lượng . • Chương 2 giới thiệu vê mô hình kênh Saleh-Valenzuela, từ đó đưa ra mô hình kênh đa đường dành riêng cho chuẩn IEEE 802.15.4a. • Chương 3 đề xuất một thuật toán đồng bộ gồm hai bước dành cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng và mô phỏng trên MATLAB để xem xét hiệu suất hoạt động của thuật toán. • Chương 4 phát triển một thuật toán giải mã tín hiệu ở máy thu UWB IEEE 802.15.4a trong trường hợp đa người dùng tuyến xuống. • Chương 5 thể hiện quá trình triển khai một hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a hoàn chỉnh trên Simulink và đồng mô phỏng kết hợp HDL/FPGA để 11 DANH SÁCH BẢNG kiểm chứng lại một lần nữa khả năng hoạt động của các thuật toán được đề xuất. 12 Chương 1 Giới thiệu chung Chương đầu của luận văn được dành để trình bày những khái niệm cơ bản về truyền thông băng siêu rộng (UWB) và các kiểu máy thu UWB thường được triển khai trên thực tế. Ngoài ra, cấu trúc khung tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành cho mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network ) cũng sẽ được mô tả một cách chi tiết. Phần cuối cùng của chương sẽ đề cập đến bài toán mà luận văn này mong muốn giải quyết cũng như phạm vi triển khai của luận văn. 1.1 1.1.1 Khái niệm UWB Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn Định nghĩa đầu tiên về một tín hiệu băng siêu rộng (UWB -Ultra-WideBand ) được đưa ra vào năm 1990 bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) [6]. Theo định nghĩa này, một tín hiệu được xem là băng siêu rộng khi có băng thông tương đối Wf rac lớn hơn 0.25, với Wf rac = 2 fH − fL fH + fL 13 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG trong đó, fH và fL lần lượt là tần số cao nhất và thấp nhất của tín hiệu đo tại phổ tần −3dB. Sau thời điểm này, một số công ty và tập đoàn công nghiệp trên thế giới như AetherWire, Time Domain Co., Multi-Spectral Solution Inc., X-treme Spectrum hay Pulse-Link Inc. đã tiên phong trong việc nghiên cứu và phát triển những sản phẩm thương mại có tốc độ truyền tải dữ liệu cao, không sử dụng sóng mang trên nền tảng công nghệ UWB. Tuy nhiên, thời điểm đó vẫn chưa có một quy định ràng buộc nào đối với phổ tần và công suất phát của tín hiệu UWB dù đã có những lo ngại về sự can nhiễu của UWB gây ra cho những hệ thống hiện đang tồn tại như GPS [10], [5]. Do đó, cần phải đưa ra một giới hạn chính thức đối với tín hiệu UWB để có thể phát triển và xây dựng một hệ thống thông tin băng siêu rộng có khả năng tồn tại đồng thời với những hệ thống băng hẹp hiện có. Sau một thời gian dài thảo luận và nghiên cứu, một quy chuẩn cho tín hiệu UWB đã được đưa ra vào năm 2002 bởi FCC (Federal Communications Commission). Theo quy định của FCC, hệ thống UWB có thể hoạt động trên một dải tần không cấp phép trong khoảng 3.1-10.6GHz với mặt nạ phổ công suất phát được thể hiện trên Hình 1.1 [7]. Ngoài giới hạn về phổ tần và công suất phát, báo cáo cuối cùng của FCC còn đưa ra một thay đổi nhỏ với định nghĩa tín hiệu UWB của DARPA. Cụ thể, băng thông tương đối yêu cầu với tín hiệu UWB được giảm xuống còn 0.2 và tần số cao nhất và thấp nhất của tín hiệu được tính tại phổ tần −10dB. Ngoài ra, một tín hiệu cũng có thể được xem là UWB nếu băng thông tuyệt đối của nó lớn hơn hoặc bằng 500MHz. Kí hiệu fc = (fH − fL )/2 là tần số trung tâm và W = fH − fL là băng thông tuyệt đối của tín hiệu. Có thể tóm tắt lại định nghĩa mới về UWB của FCC như sau: Một tín hiệu được xem là băng siêu rộng UWB khi có • Băng thông tương đối Wf rac > 0.2 nếu fc > 2.5GHz, hoặc • Băng thông tuyệt đối W ≥ 500MHz nếu fc < 2.5GHz. 14 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG Hình 1.1: Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng dụng trong nhà Kĩ thuật UWB dựa trên việc phát đi các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns hoặc nhỏ hơn nữa) với mật độ phổ công suất rất thấp. Do những đặc tính riêng có này, UWB có một số ưu điểm so với các hệ thống băng hẹp truyền thống. Có thể liệt kê ra một vài tính năng quan trọng của kĩ thuật UWB như: • Truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi trung bình và ngắn: điều này đạt được bằng cách phát đi các xung cực hẹp trong miền thời gian sử dụng các mạch đóng-ngắt tốc độ rất cao và đồng bộ chính xác ở máy thu. • Triển khai các thiết bị có độ phức tạp thấp với chi phí rẻ: dựa trên việc phát các xung trực tiếp từ antenna, bỏ qua bước trộn tần RF [18], nhờ đó 15 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG hệ thống có thể triển khai trên nền tảng CMOS với những ưu thế vượt trội về công suất tiêu thụ và chi phí so với nền tảng SiGe khi phải sử dụng các thành phần cao tần RF [17]. Như vậy, các hệ thống UWB không sóng mang cho phép chế tạo các bộ thu-phát đơn giản và giá thành rẻ cho các ứng dụng như mạng cảm biến, định vị - dò đường,... [12], [15]. • Loại bỏ nhiễu đa đường: xuất phát từ bản chất của UWB là sử dụng các xung cực hẹp trong miền thời gian với băng thông siêu rộng, nhờ đó có khả năng chống lại hiệu ứng đa đường hay giao thoa từ các hệ thống khác. Bên cạnh FCC của Mỹ, tại châu Âu cũng có một số tổ chức độc lập đưa ra những ràng buộc đối với hệ thống UWB để có thể đưa vào sản xuất thương mại như CEPT (The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) hay ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Những yêu cầu kĩ thuật mới được đặt ra tại châu Âu có sự khác biệt nhất định với quy định của FCC ở Mỹ, khiến cho trong suốt một thời gian dài việc thống nhất quy chuẩn đối với tín hiệu UWB gặp nhiều khó khăn. Ngay cả khi IEEE-SA (Institute of Electrical and Electronics Engineers) chính thức công bố chuẩn chính thức IEEE 802.15.4a vào năm 2007 [8], những tranh cãi xung quanh vấn đề thống nhất tiêu chuẩn kĩ thuật cho UWB vẫn không thể chấm dứt do xung đột giữa các tổ chức công nghiệp đã đầu tư nghiên cứu và phát triển những hệ thống UWB theo tiêu chuẩn của riêng họ. Chính điều này đã hạn chế việc nghiên cứu, phát triển và đưa các hệ thống UWB vào sản xuất thương mại. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, việc phát triển hệ thống UWB dựa theo chuẩn IEEE 802.15.4a ngày càng nhận được sự quan tâm của đông đảo giới khoa học. Do đó, trong phần còn lại của luận văn, những tham số kĩ thuật đối với tín hiệu UWB và các thuật toán được phát triển cho hệ thống UWB sẽ dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a này. Chuẩn IEEE 802.15.4a ra đời vào năm 2007 đề xuất cấu trúc lớp vật lý UWB cho 16 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG các ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân (WPAN) tốc độ thấp. Trên thực tế, có hai loại ứng dụng WPAN tốc độ thấp sử dụng lớp vật lý UWB IEEE 802.15.4a: 1. Định vị/đo đạc/theo dõi: với các ứng dụng này, hệ thống UWB cần sử dụng các bộ ADC tốc độ rất cao (cỡ GHz) để thỏa mãn yêu cầu chính xác cao của ứng dụng. Hiển nhiên, việc sử dụng bộ ADC với tần số lấy mẫu đến GHz sẽ gia tăng độ phức tạp của phần cứng và chi phí triển khai thiết bị. 2. Truyền dữ liệu tốc độ thấp: một ví dụ điển hình cho kiểu ứng dụng này là các mạng cảm biến, một dạng hệ thống luôn đặt các tiêu chí giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng lên hàng đầu. Với yêu cầu đặt ra, các giải thuật xử lý tín hiệu ở máy thu dạng này thường không cần sử dụng các bộ ADC tốc độ cao, rất thích hợp để triển khai cho các sensor (các node) trong mạng. Dù được định nghĩa như thế nào, xuất phát từ tên gọi "băng siêu rộng", có thể nhận thấy tín hiệu UWB là các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns). Theo chuẩn IEEE 802.15.4a, dạng xung của tín hiệu UWB được truyền đi p(t) chịu sự ràng buộc bởi dạng hàm tương quan chéo của nó với một xung tham chiếu r(t). Cụ thể, hàm tương quan chéo chuẩn hóa giữa hai dạng xung này được định nghĩa là 1 φ(τ ) = p Re Er Ep Z ∞ r(t)p∗ (t + τ )dt −∞ trong đó, Er và Ep lần lượt là năng lượng của xung r(t) và p(t). Xung tham chiếu r(t) được sử dụng trong công thức trên có dạng sin[(1−β)πt/Tp ] 4β cos[(1 + β)πt/Tp + 4β(t/Tp ) r(t) = p 2 (4βt/Tp ) − 1 π Tp ] với β = 0.6 và Tp là độ rộng của xung. Bảng 1.1 quy định những yêu cầu đối với một xung p(t) để thỏa mãn chuẩn IEEE 802.15.4a cho từng kênh được cấp phép [8]: 17 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG Kênh UWB Độ rộng xung Độ rộng búp sóng chính Tp (ns) Tw (ns) {0:3, 5:6, 8:10, 12:14} 2.00 0.5 7 0.92 0.2 {4, 11 } 0.75 0.2 15 0.74 0.2 Bảng 1.1: Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a Để một máy phát UWB tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4a, xung p(t) phải thỏa mãn búp sóng chính của |φ(τ )| ≥ 0.8 trong một đoạn có độ rộng tối thiểu Tw được chỉ ra trong Bảng 1.1 và không có búp sóng phụ nào vượt quá 0.3. Về mặt lý thuyết, có khá nhiều dạng xung thỏa mãn quy định của IEEE 802.15.4a. Tuy nhiên, trên thực tế được sử dụng phổ biến nhất trong UWB là hai dạng: xung Butterworth bậc 8 và xung Gauss (cùng các dạng vi phân của nó) có băng thông 3dB là 500MHz. Trong luận văn này, dạng xung p(t) được lựa chọn là vi phân bậc 2 của xung Gauss do tính đơn giản và tiện lợi trong quá trình tạo xung [2]. Phương trình (1.1) mô tả một xung Gauss với hệ số tỉ lệ thời gian σ. g(t) = √ 1 2πσ 2 t2 e− 2σ2 (1.1) Hình 1.2 minh họa một xung p(t) là vi phân bậc 2 của xung Gauss và có độ rộng 2ns (thỏa mãn băng thông 500MHz) sẽ được sử dụng trong luận văn này. 1.2 Phân loại máy thu UWB Khác với các hệ thống thông tin băng hẹp truyền thống, tín hiệu UWB phải chịu sự suy hao đáng kể trong quá trình truyền tải từ máy phát đến máy thu. Nguyên nhân chính là do đáp ứng kênh truyền tổng thể giữa các thiết bị thu phát biến dạng mạnh 18 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 0.06 0.05 0.04 Amplitude 0.03 0.02 0.01 0 −0.01 −0.02 −0.03 0 0.5 1 Time (ns) 1.5 2 Hình 1.2: Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns bởi các hiệu ứng đa đường và lựa chọn tần số xuất phát từ những đặc tính vật lý riêng biệt của tín hiệu UWB [11], [9]. Ngoài ra, những hiệu ứng từ antenna cũng gây ra hiện tượng tán xạ xung khiến cho cao độ và góc phương vị thay đổi [3], [2]. Do những yếu tố trên, phương pháp tương quan truyền thống sử dụng bộ lọc phối hợp trên các máy thu băng hẹp gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai cho UWB, trừ phi trên máy thu có sử dụng các khối tính toán phức tạp được thiết kế riêng cho mục đích đo đạc và ước lượng kênh truyền, từ đó xác định được dạng sóng của tín hiệu UWB đến máy thu để phục vụ cho quá trình tách sóng. Dựa vào việc có sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền trong quá trình tách sóng hay không, người ta chia máy thu UWB ra thành hai loại: 1. Máy thu coherent là loại máy thu tối ưu xét trên khía cạnh độ chính xác của quá trình tách sóng do có sử dụng những thông tin đầy đủ về trạng thái kênh 19 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG truyền để thực hiện tương quan tín hiệu. Với những hiểu biết chính xác về kênh truyền, máy thu coherent có kiến trúc như một máy thu tương quan truyền thống, trong đó sử dụng bản sao của xung được truyền đi để triển khai một máy thu lọc phối hợp hay máy thu RAKE [16], [19]. 2. Máy thu non-coherent là loại máy thu không sử dụng các thông tin về trạng thái kênh truyền cho quá trình tách sóng, do đó không cần sử dụng các kĩ thuật ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu coherent. Kiến trúc máy thu non-coherent thích hợp cho mục đích phát triển các hệ thống thu phát chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng và có hàm lượng tính toán cũng như độ phức tạp phần cứng thấp [4]. Khả năng tiết kiệm tài nguyên phần cứng của máy thu non-coherent có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong nhiều trường hợp vì các thao tác tính toán và ước lượng kênh truyền thường tiêu tốn đến 60% tổng số cổng logic khi triển khai trên phần cứng FPGA với máy thu coherent [17]. Việc lựa chọn kiến trúc coherent hay non-coherent cho máy thu UWB phụ thuộc nhiều vào nhu cầu và ứng dụng mà nhà thiết kế hướng tới. Với tiêu chí độ chính xác đặt lên hàng đầu, máy thu coherent hiển nhiên là sự lựa chọn tối ưu như đã trình bày ở trên. Ngược lại, khi mong muốn xây dựng một hệ thống đơn giản, dễ dàng triển khai trên phần cứng, giá thành rẻ và công suất tiêu thụ thấp, máy thu non-coherent sẽ là sự lựa chọn thích hợp. Phần cuối của chương sẽ trình bày kiến trúc máy thu được lựa chọn để triển khai trong luận văn và giải thích lí do cho quyết định này. 1.3 Chuẩn IEEE 802.15.4a Các chuẩn cho truyền thông băng siêu rộng UWB được xây dựng bởi tổ chức IEEESA, trong đó, phổ biến nhất là hai chuẩn IEEE 802.15.3a (dành cho các ứng dụng tốc độ cao) và IEEE 802.15.4a (dành cho các ứng dụng tốc độ thấp). Đến thời điểm 20