شهریور 1390

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

 

بررسی روش­های آشکارسازی ناهمدوس سیگنال­های فرا­پهن­باند

 

 

به کوشش

زکیه اتباعی

 

 

با ظهور و گسترش سیستم­های مخابراتی با عرض پالس بسیار باریک، پهنای باند بسیار وسیع، محدودیت پهنای باند و سرعت قطعات الکترونیکی موجود، استفاده از بسیاری از ساختار­های آشکار سازی ناهمدوس شناخته شده پیشین با دشواری روبرو است و طراحی گیرنده مناسب در اینگونه سیستم­ها از اهمیت ویژه­ای برخودار است. در حوزه رادیویی، طراحی گیرنده­های ساده و کم مصرف در مخابرات فراپهن باند (UWB[1]) بدون استفاده از مکانیزم­های پیچیده تخمین کانال که عملکرد قابل قبولی داشته باشند بسیار مورد توجه است.

در این پایان نامه ، به بررسی انواع مختلف آشکارسازی ناهمدوس سیگنال­های UWB پرداخته شده است. به منظور بررسی این مسایل، ابتدا به معرفی مدل سیستم UWB پرداخته شده است و سپس مدل کانال­های مورد استفاده در سیستم UWB که براساس دو نوع استاندارد IEEE می­باشد مورد مطالعه قرار گرفته است و نتایج آنها با بهره گرفتن از شبیه سازی بررسی شده است. در ادامه، انواع روش­های آشکارسازی ناهمدوس سیگنال­های UWB مورد بررسی قرار گرفته است و به مقایسه و بررسی کارایی آنها با بهره گرفتن از شبیه­سازی پرداخته شده است. در بخش بعدی پایان نامه ، ما دو نوع آشکارسازی ناهمدوس چندسمبولی را برای مدولاسیون موقعیت پالس سیگنال­های UWB پیشنهاد دادیم. در این روش، ما از روش GLR[2] برای استخراج آشکارساز ناهمدوس یک بلوک مشاهده شامل سمبول متوالی استفاده کردیم. در این روش ما به هیچ نوع اطلاعاتی از کانال نیاز نداریم. در ادامه، پس از استخراج آشکارساز GLR، به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی آشکارساز، از تکنیک [3]SDR برای پیاده­سازی آن استفاده کردیم. در ادامه با فرض خاصیت تنک بودن کانال، به بهبود تخمین سیگنال دریافتی پرداختیم و با در نظر گرفتن تخمین جدید سیگنال دریافتی، آشکارساز GLR بهبود یافته را استخراج کردیم. سپس به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی آن، از تکنیک SDR برای پیاده­سازی آن استفاده کردیم. نتایج شبیه­سازی، کارایی و عملکرد آشکارسازهای پیشنهادی را نشان می­دهد. همانطور که خواهیم دید، زمانیکه تعداد سمبول­های ارسالی در یک بلوک مشاهده زیاد می­شود کارایی هر دو آشکارساز پیشنهادی به گیرنده Rake ایده ال نزدیک خواهد شد.

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه 1

1-1- تعریف 3

1-2- مزایای سیستم هایUWB 3

1-3- چالش ها 6

1-4- کاربردها 7

1-5- مطالب ارائه شده در این پایان نامه 9

فصل دوم: مدل سیستم UWB 11

2-1- شبکه های ارسال UWB 12

2-2- شبکه چند بانده 13

2-3- مدولاسیون و پالس های IR 13

2-3-1- PPM 15

2-3-2- PAM و OOK 16

2-3-3- OPM 16

2-3-4- روش TRM 17

2-4- تفاوت بین سیستم های UWB و پخش شدگی طیفی(SS) 18

2-4-1- SS دنباله مستقیم (DS) 18

2-4-2- تفاوت مهم بین تکنولوژی های SS و UWB 19

2-5- روش های SS در سیستم های UWB 19

2-5-1- DS-UWB 21

2-5-2- TH-UWB 22

فصل سوم: مدل کانال UWB 25

3-1- مدل کانال بر طبق استاندارد IEEE 802.15.3a 27

3-2- مدل کانال بر طبق استاندارد IEEE 802.15.4a 30

3-3- نتایج شبیه سازی (IEEE 802.15.3a) 36

3-4- نتایج شبیه سازی (IEEE 802.15.4a) 55

فصل چهارم: روش های آشکارسازی متداول سیگنال های UWB 64

4-1- روش آشکارسازی همدوس 65

4-2- گیرنده فیلتر منطبق کلاسیک 65

4-3- گیرنده های Rake 66

4-3-1- گیرنده های Rake ایده ال(I-Rake) 67

4-3-2- گیرنده های Rake انتخابی (S-Rake) 67

4-3-3- گیرنده های Rake نسبی (P-Rake) 67

4-3-4- تکنیک های ترکیب دایورسیتی برای گیرنده های Rake 68

4-4- روش های آشکارسازی ناهمدوس 69

4-5- آشکارسازی سیگنالینگPPM بر اساس آماره های مرتبه چهارم[18] 71

4-6- آشکارسازی سیگنالیگ PPM بر اساس وزن دهی فاصله های انرژی [19] 73

4-7- آشکارسازی انرژی سیگنالینگ PPM با چندین اندازه گیری[20] 74

4-8- آشکارسازی سیگنالینگ PAM بر اساس سیستم های مرجع انتقالی (TR)[21] 78

4-9- آشکارسازی بر اساس توابع ویژه[23،29] 79

4-10- آشکارسازی سیگنالینگ PPM براساس تخمین کوواریانس شکل موج دریافتی[25] 82

4-10-1- گیرندة بهینه برای کانال با پخش کننده های ناهمبسته 85

4-10-2- گیرندة بهینه برای کانال با پخش کننده های همبسته 86

4-10-3- روش مرتبه-1 ماکزیمم واگرایی 86

4-11- نتایج شبیه سازی 88

فصل پنجم: آشکارساز چندسمبولی پیشنهادی براساس روش GLR 97

5-1- مدل سیگنال 100

5-2- فرمولاسیون مسأله واستخراج آشکارساز GLR 101

5-2-1- آشکارسازی GLR براساس تکنیک SDR 103

5-3- آشکارسازی GLR-SDR بهبود یافته 106

5-4- نتایج شبیه سازی 110

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات 120

6-1- نتیجه گیری 121

6-2- پیشنهادات 123

 

 

فهرست جداول

جدول (2-1) بیت های ارسالی و دنباله های شبه تصادفی 3 کاربر 24

جدول (3-1) پارامترهای مربوط به مدل (IEEE 802.15.3a) 29

جدول (3-2) پارامترهای مربوط به یک محیط مسکونی در 2 حالت LOS و NLOS 33

جدول (3-3) پارامترهای مربوط به محیط اداری داخلی در 2 حالت LOS و NLOS 34

جدول (3-4) پارامترهای مربوط به محیط بیرونی در 2 حالت LOS و NLOS 35

جدول (3-5) پارامترهای مربوط به یک محیط بیرونی باز 36

 

فهرست شکل ها

شكل (1-1) باند طیفی اختصاص یافته FCC 5

شكل (1-2) همزیستی سیستمهای UWB با سیستم های باند باریک موجود 6

شكل (2-1) مقایسه سیگنال های مدوله شده با تکنیک های مختلف مدولاسیون به همراه سیگنال غیر مدوله شده 17

شكل (2-2) مثالی از سیگنال ارسالی با تکنیک DSSS 19

شكل (2-3) مقایسه طیف دنباله پالس UWB با و بدون تکنیک تصادفی 21

 

شكل (2-4) پریودهای زمانی مختلف در سیستمهای TH-UWB 23

شكل (2-5) مستطیلهای قرمز، سبز و آبی نشاندهنده پالسهای ارسالی برای 3 کاربر1، 2 و 3 برای حمل 3 بیت ارسالی 24

شكل (3-1) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 37

شكل (3-2) متوسط 100 پاسخ ضربه کانال (CM1) 38

شكل (3-3) Exsees delay    برای 100 کانال مختلف CM1 38

شكل (3-4) RMS delay spread   برای 100 کانال مختلف CM1 39

شكل (3-5) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 39

شكل (3-6) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 40

شكل (3-7) پروفایل نزولی توان (CM1) 40

شكل (3-8) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن (CM1) 41

شكل (3-9) 100 پاسخ ضربه کانال (CM2) 42

شكل (3-10) متوسط 100 پاسخ ضربه کانال (CM2) 42

شكل (3-11) Exsess delay   برای 100 کانال مختلف CM2 43

شكل (3-12) RMS delay spread    برای 100 کانال مختلف CM2 43

شكل (3-13) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM2) 44

شكل (3-14) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM2) 44

شكل (3-15) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM2) 45

شكل (3-16) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن(CM2) 45

شكل (3-17) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 46

شكل (3-18) متوسط 100پاسخ ضربه کانال (CM1) 47

شكل (3-19) Exess delay   برای 100 کانال مختلف CM1 47

شكل (3-20) RMS delay spared   برای 100 کانال مختلف CM1 48

شكل (3-21) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 48

شكل (3-22) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 49

شكل (3-23) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM1) 49

شكل (3-24) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن(CM1) 50

شكل (3-25) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 51

شكل (3-26) متوسط100 پاسخ ضربه کانال (CM1) 51

شكل (3-27) Exess delay برای 100 کانال مختلف CM1 52

شكل (3-28) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM1 52

شكل (3-29) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 53

شكل (3-30) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 53

شكل (3-31) پروفایل تاخیر نزولی کانال (CM1) 54

شكل (3-32) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن (CM1) 54

شكل (3-33) قدر مطلق پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 56

شكل (3-34) متوسط پاسخ ضربه 100 کانال (CM1) 56

شكل (3-35) Exsess delay برای 100 کانال مختلف CM1 57

شكل (3-36) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM1 57

شكل (3-37) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 58

شكل (3-38) تعداد مسیرهای بیش از % 85 انرژی کل (CM1) 58

شكل (3-39) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM1) 59

شكل (3-40) قدر مطلق پاسخ ضربه 100 کانال (CM2) 60

شكل (3-41) متوسط پاسخ ضربه حقیقی 100 کانال (CM2) 60

شكل (3-42) Exsess delay برای 100 کانال مختلف CM2 61

شكل (3-43) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM2 61

شكل (3-44) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM2) 62

شكل (3-45) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM2) 62

شكل (3-46) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM2) 63

شكل (4-1) ساختار گیرنده فیلتر منطبق 66

شكل (4-2) پالس ارسالی با فرض بیت 0 در مدولاسیون PPM و یک نمونه سیگنال دریافتی پس از عبور از کانال UWB 69

شكل (4-3) پالس ارسالی با فرض بیت 1 در مدولاسیون PPM و یک نمونه سیگنال دریافتی پس از عبور از کانال UWB 70

شكل (4-4) مقایسه آشکارساز کورتسیس با آشکارساز انرژی براساس کانال CM1 88

شكل (4-5) مقایسه آشکارساز کورتسیس با آشکارساز انرژی براساس کانال AWGN 89

شكل (4-6) مقایسه آشکارساز انرژی وزن بهینه، زیر بهینه و آشکار انرژی معمولی براساس کانال CM1 90

شكل (4-7) مقایسه آشکارساز انرژی با چندین اندازهگیری بهینه و زیر بهینه و آشکارساز انرژی معمولی براساس کانال CM1 91

شكل (4-8) مقایسه آشکارساز TR کلاسیک و TR متوسط گیری شده براساس کانال CM1 92

شكل (4-9) کارایی گیرنده eigen برای تعداد مختلف 93

شكل (4-10) عملکرد BER برای مدل کانالIEEE 802.15.3a CM1 94

شكل (4-11) عملکرد BER برای مدل کانال IEEE 802.15.3a CM8 95

شكل (4-12) بهترین فیلتر گیرنده معین برای کانال CM1 مطابق بهینه سازی تکراری معیار J-div rank-1 96

شكل (5-1) عملکرد BER آشکارساز GLR و GLR-SDR با تعداد مراحل تصادفی مختلف در حالت …. 111

شكل (5-2) مقایسه عملکرد آشکارساز GLR-SDR و ED و گیرنده ideal Rake با اندازه بلوک های مختلف در حالت کانال CM1 112

شكل (5-3) مقایسه عملکرد آشکارساز GLR-SDR و ED و گیرنده ideal Rake با اندازه بلوک های مختلف در حالت کانال CM2 113

شكل (5-4) عملکرد BER آشکارساز IGLR-SDR با مختلف برای و ….. 114

شكل (5-5) عملکرد BER آشکارساز IGLR-SDR با مختلف برای و …… 115

شكل (5-6) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR، ED و KD برای ، و در حالت کانال CM1 116

شكل (5-7) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR، ED و KD برای ، و در حالت کانال CM2 117

شكل (5-8) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR و ED برای ، و در حالت کانال CM1 118

شكل (5-9) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR و ED برای ، و در حالت کانال CM2 119

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

 

ظهور سیستم­های مخابراتی با عرض پالس بسیار باریک و پهنای باند بسیار وسیع و پیداش کاربرد­های متنوع برای آنها، در سالیان اخیر زمینه ساز تحقیقات گسترده­ای در جنبه­ های گوناگون نظری و پیاده­سازی عملی چنین سیستم­هایی گشته است. سیستم­های فراپهن باند (UWB) از حدود 20 سال قبل در مخابرات نظامی، موقعیت یابی و رادار مورد استفاده قرار گرفته است و اخیرا بر روی الکترونیک­های مصرفی و مخابراتی توجه شده است. لیکن با افزایش تقاضا برای کاربرد تجاری این تکنیک و با تلاش­هایی که از اواخر دهه 1990 آغاز شد، در نهایت مجوز استفاده از گستره فرکانسی حدود GHz 10-3، به شرط رعایت محدودیت­های شدید بر سقف توان ارسالی، صادر شد.. در واقع، بسیاری از سیستم­های مخابراتی بی سیم از فرکانس­های باند باریک مجزا به منظور جلوگیری از تداخل با یکدیگر استفاده می­ کنند. به هر حال، برای سیستم­های UWB به منظور جلوگیری از تداخل با دیگر سیستم­ها، به شرط رعایت محدودیت­های شدید بر سقف توان ارسالی و طیف تعریف بر طبق FCC می­توانند به کار روند.

سیستم­های UWB ویژگی­های منحصر به فردی نسبت به سیستم­های مخابراتی دیگر دارند. دو ویژگی منحصر به فرد سیستم­های UWB، پهنای باند بسیار وسیع و Duty Cycle پایین آن می­باشد. پهنای باند بسیار وسیع منجر به انتقال پالس­های بسیار باریک که بیت­های اطلاعاتی را حمل می­ کنند، می­شود. در واقع سیستم­های UWB، به جای استفاده از توان بسیار بالا در رنج فرکانس­های مجزا، از سیگنال­های با توان پایین و در رنج فرکانسی بسیار زیاد استفاده می­ کنند. بنابراین ارسال سیگنال­های UWBبه عنوان یک سیگنال نویزی برای سیستم­های مخابراتی دیگر ظاهر شد. سیستم­های UWB برای کاربرد­های داخلی که نیاز به نرخ دیتای بالا دارند و در رنج فاصله کوتاه 1 تا 10 متر، می­توانند مورد استفاده قرار ­گیرند. Duty Cycle به عنوان نسبتی از زمانی که یک پالس در یک دوره تناوب قرار می­گیرد، تعریف می­شود که در سیستم­های UWB مقدار آن بسیار کم و در حدود 0.005 می­باشد.

تعریف
لفظ UWB علیرغم معنای نسبتا عامی که تا پیش از دهه 1990 داشت به سیگنال­هایی اطلاق شد که دارای پهنای باند حداقل MHz 500 باشند، یا پهنای باند نسبی آنها (نسبت پهنای باند به فرکانس مرکزی) بیش از %20 باشد[3]. پهنای باند نسبی به صورت زیر بیان می­شود:

(1-1)
 
فرکانس­های قطع بالا و پایین می­باشد. در گزارش FCC [3]، کاربرد UWB در سه گروه طبقه ­بندی می­شود: 1. سیستم­های اندازه ­گیری و مخابراتی 2. سیستم­های راداری انتقالی 3. سیستم­های تصویری. در اینجا باند طیفی مربوط به گروه اول در ‏شكل (1-1) آمده است. همانطوری که می­بینید طیف فرکانسی اختصاص یافته برای ارسال UWB 1/3 تا     GHz 6/10 است و ماکزیمم سطح توان مجاز برای ارسال UWB، dBm/MHz 3/41- می­باشد، این سطح توان کمتر از سطح توان نویز برای سیستم­های مخابراتی UWB می­باشد.

مزایای سیستم ­هایUWB
سیستم­های UWB به دلیل استفاده از پهنای باند بسیار زیاد دارای ویژگی­های منحصر به فردی می­باشند که سیستم­های UWB را از دیگر سیستم­های باند باریک کلاسیک متمایز می­سازد[1،2،5،6،14]. این ویژگی­ها عبارتند از:

1- توانایی به کارگیری سیستم­های UWB به همراه وجود سیستم­های بی­سیم دیگر می­باشند. محدودیت توان FCC، نیاز به سیستم­های UWB ی دارد که قادر به ارسال سیگنال­های شبه نویزی باشند که منجر به احتمال کم برای آشکارسازی و تداخل برای سیستم­های دیگر خواهد شد‏شكل (1-2) .

2- قادر به مصالحه بین فاصله و نرخ دیتا هستند. فرض کنید برای حمل یک بیت دیتا پالس ارسال شود، برای فاصله­های زیاد، به منظور ارسال قابل قبول، می ­تواند زیاد باشد و زیاد منجر به نرخ دیتای پایین خواهد شد، به عبارت دیگر، می ­تواند برای فاصله کم کاهش پیدا کند و منجر به نرخ دیتای بالا شود. بنابراین تعداد پالس­های بیشتر بر بیت برای ارسال در فاصله­های زیاد به کار می­رود.

3- توانایی داشتن ظرفیت زیاد را دارند. معادله معروف شانون برای ظرفیت، بینش مربوط به مزیت سیستم­های بی­سیم UWB را به ما می­دهد. مطابق قانون شانون، توانایی