Luận án thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu tr UWB tốc độ thấp - 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. 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 21 1.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng .1 Các phương án triển khai hệ thống UWB .2 Chuẩn hóa và ứng dụng .2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB .2 Máy thu truyền tham chiếu .3 Kết quả mô phỏng .3 Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB .1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng .2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu .4 Thuật toán SVD .5 Mô hình kênh vô tuyến UWB .1 Mô hình kênh đa đường tổng quát .2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela .3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.6 Kết luận chương 1. 44 1 Chương 2 Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên FPGA 46 2.1 Thuật toán đồng bộ .2 Triển khai trên Simulink và HDL .2 Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng .3 Tổng hợp và mô phỏng .2 Kết quả mô phỏng .4 Kết luận chương 2.

57 Chương 3 Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB 58 3.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD .1 Thuật toán máy thu cải tiến .2 Thuật toán tính SVD .3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation .3 Thuật toán CORDIC .4 Thuật toán CORDIC cải tiến .5 Kết luận chương 3. 78 Chương 4 Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.1 Tiêu đề đồng bộ .2 Khối giới hạn khung .3 Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu .2 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu .3 Thuật toán đồng bộ tín hiệu .1 Đồng bộ thô .2 Đồng bộ tinh .4 Mô phỏng và kết quả .1 Đồng bộ thô .2 Đồng bộ tinh .5 Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.1 Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL .2 Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA .6 Kết luận chương 4. 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 Bộ chuyển đổi tương tự - số BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPM Burst Position Modulation Điều chế vị trí cụm xung BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CM Channel Model Mô hình kênh CORDIC COordinate Rotation DIgital Xoay tọa độ dùng máy tính số Computer DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý số ECC Electronics Communications Ủy ban truyền thông điện tử châu Âu Committee ED Energy Detection Tách sóng năng lượng FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ FPGA Field Programmable Gate Arrays Mảng phần tử logic khả trình FSM Finite State Machine Máy trạng thái hữu hạn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu Communications HDL Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng IEEE Institute of Electrical and Viện Kĩ thuật Điện - Điện tử Electronics Engineers IFI InterFrame Interference Giao thoa liên khung IPI InterPulse Interference Giao thoa liên xung IR Impulse-Radio Xung vô tuyến LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp LOS Light-of-Sight Đường truyền thẳng MBD Model-Based Design Thiết kế dựa trên mô hình MIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào - đa đầu ra NLOS Non Light-of-Sight Không có đường truyền thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh đa sóng mang trực giao Multiplexing PAM Pulse-Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung 4 PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PDP Power Delay Profile Hàm trễ công suất PPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xung PHR Physical-layer HeadeR Tiêu đề lớp vật lí PSDU PHY Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY SFD Start of Frame Delimiter Khối giới hạn khung SHR Synchronization HeadeR Tiêu đề đồng bộ SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm SVD Singular Value Decomposition Phép phân tích trị riêng SYNC SYNChronization preamble Mào đầu đồng bộ TR Transmit-Reference Truyền tham chiếu VLSI Very-Large-Scale Integration Mạch tích hợp tỉ lệ rất lớn WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân UWB Ultra-WideBand Băng siêu rộng 5 Danh sách kí hiệu toán học fc Tần số trung tâm của băng fH Tần số cận trên (-10 dB) fL Tần số cận dưới (-10 dB) B Băng thông của băng g0 (t) Xung Gaussian đơn chu trình gk (t) Vi phân cấp k của xung Gaussian đơn chu trình g(t) Xung UWB Tp Độ rộng xung UWB b Số bit được truyền đi bởi một khung Tf Độ rộng của một khung D Độ trễ giữa xung mang tin với xung tham chiếu trong khung TR-UWB Ts Tần số lấy mẫu Nf Số mẫu trong một khung hi Tuyến trễ thứ i qua kênh đa đường τi Độ trễ của tuyến thứ i qua kênh đa đường r(t) Tín hiệu đến máy thu h(t) Xung UWB nhận được tại máy thu s Kí tự dữ liệu phát đi x(t) Tín hiệu nhận được tại máy thu TR-UWB sau bộ tương quan δ(·) Hàm delta Dirac βk Hệ số khuếch đại của tia thứ k θk Độ dịch pha của tia thứ k Th Chiều dài kênh truyền τrms Trải trễ hiệu dụng của kênh truyền ω Tần số điều chế cao tần λ Tốc độ đến của các tia trong cụm τk,l Thời gian đến của tia thứ k trong cụm tia thứ l Λ Tốc độ đến của các cụm tia Tl Thời gian đến của cụm tia thứ l X Ma trận kích thước m × n U Ma trận trực giao kích thước m × m V Ma trận trực giao kích thước n × n G Ma trận trực giao trong phép quay CORDIC 6 θ Góc quay CORDIC Ki Hằng số tại mỗi phép quay CORDIC ck Chuỗi cân bằng hoàn hảo Si Kí tự mào đầu ⊗ Toán tử Kronecker Tpsym Chiều dài của kí tự mào đầu IEEE 802.4a Tdsym Chiều dài của kí tự dữ liệu IEEE 802.4a TBP M Chiều dài của một nửa kí tự dữ liệu IEEE 802.4a Tburst Chiều dài của một cụm xung trong kí tự dữ liệu IEEE 802.4a Nshr Số kí tự trong phần SHR Nsync Số kí tự trong phần SYNC Nsf d Số kí tự trong phần SFD Kpbs Số kí tự của chuỗi cân bằng hoàn hảo q(t) Dạng xung UWB nhận được tại máy thu UWB IEEE 802.4a y(t) Tín hiệu nhận được sau bộ LPF của máy thu UWB IEEE 802.4a sc Mẫu tương quan Ls Số phần tử trong mẫu tương quan λ Ngưỡng được sử dụng trong [14] λ0 Ngưỡng do luận án đề xuất 7 Danh sách hình vẽ 1.1 Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM .2 Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 .3 Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất .4 Điều chế PAM hai mức (M = 2) .5 Điều chế PPM .6 Xung UWB khi truyền qua kênh đa đường .7 Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản .8 Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu .9 Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản .10 Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE .11 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 41 2.1 Minh họa cho quá trình đồng bộ .2 Lưu đồ triển khai thuật toán máy thu TR-UWB đơn giản trên phần cứng .3 Quy trình thiết kế MBD .4 Hệ thống thu phát TR-UWB trên Simulink .5 Kiến trúc của bộ xử lý băng gốc .7 Mô hình khối sliding_window .8 Mô hình khối accumulator .9 Mô hình khối detect_max_model .10 Thiết kế HDL trong mô hình Simulink .1 Máy thu TR-UWB đơn giản .2 Một khung tín hiệu x(t) tại phía thu .3 Khung dữ liệu sau bộ tương quan được cắt nhỏ .4 Khung tín hiệu thu được bị dịch đi một khoảng thời gian τ .5 Đồ thị BER vs SNR cho các thuật toán máy thu khác nhau .6 Khả năng chống sai lỗi thời gian của thuật toán máy thu đã hiệu chỉnh 64 3.7 Các bước tính toán SVD .8 Thuật toán quay vector cột .9 Thuật toán quay vector hàng .10 Thuật toán Bidiagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation .11 Ma trận thu được sau bước Bidiagonalization .12 Thuật toán Diagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation .13 Ma trận thu được sau bước Diagonalization .14 Thuật toán SVD hoàn chỉnh sử dụng phép quay Givens Rotation .15 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC .16 Sai số của phép quay CORDIC phụ thuộc vào định dạng dữ liệu và số vòng lặp .17 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC cải tiến .1 Cấu trúc phần SHR .2 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu IEEE 802.3 Sơ đồ khối của máy thu UWB tách sóng năng lượng không đồng bộ .4 Dạng xung q(t) tại đầu ra của bộ lọc LPF .5 Các bước thực hiện đồng bộ tín hiệu .6 Mảng gi được tính toán với từng nhóm mẫu yi .7 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.8 Quá trình thực hiện đồng bộ tinh .9 Cách thức ước lượng τ .10 Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) .11 Giá trị của S[m̃, ñε ] đạt cực đại khi m̃ = m và ñε = nε .