Χαρακτηρισμός ασύρματης ζεύξης υπέρ-ευρείας ζώνης με χρήση επαναπροσδιοριζόμενων ραδιοσυστημάτων (software radio)

Abstract

The object of this doctoral dissertation is the study of wireless transmission and reception of Ultra-Wideband (UWB) signal. This term means that the signal’s absolute spectrum exceeds 500MHz, or the fractional bandwidth is greater than 20%. Moreover, this thesis focuses on software radio techniques. This means that both the receiver and the transmitter uses almost exclusively programmable devices such as DSPs, FPGAs, while analog parts such as mixers, filters and conventional up-converters or down-converters are eliminated as much as possible. There are several ways to create an UWB radio signal. In this study we selected the technique that is based on very short pulses, which is known in the literature as UWB Impulse Radio. Impulse Radio technology doesn’t use a carrier. The desired spectrum is achieved by producing appropriate pulses with width on the order of 1nsec. The low power and high data rate (~100Mbps) make this new technology viable and competitive in the telecommunications field. This technology is intended to be used at the indoor environment in applications of Wireless Personal Area Networks (WPAN). The range doesn’t exceed 10m, as determined by the standard IEEE 802.15.3a. For outdoor applications the equivalent standard IEEE 802.15.4a has been created. In this dissertation, only the first case is taken into account, therefore all experimental procedures were performed in indoor environment. A theoretical study of the reception system is derived with the criterion of the probability of error as a function of channel estimation, noise, analog to digital restrictions and the characteristics of the digital matched filtering for signal detection. An UWB transmitter has been implemented and used in several experimental procedures. The transmitter is fully reprogrammable and is able to transmit pulses with modulations such as amplitude modulation (On-Off Keying) and Pulse Position Modulation (PPM). The latter is the most interesting and this is the one that used. Our system uses the binary and the quarternary modulation (BPPM, QPPM). Within this thesis, wireless transmission and reception has been done, using the transmitter constructed and a digital oscilloscope. The stages of reception and signal processing are performed by software on a personal computer (PC). Furthermore, an appropriate experimental procedure has been accomplished in order to characterize the indoor wireless channel. One of the most effective methods to find the channel impulse response is the subtractive deconvolution in time domain, using the CLEAN algorithm. In this way the effects of antennas and transmission system are recanted, revealing the response of the channel. Finally, one can not ignore the importance of antennas in any wireless link. UWB antennas have special features that have to do with the use of ultra-wideband spectrum. A known type of UWB antenna is altered with suitable notches and studied experimentally and via simulation.

Η διατριβή αυτή έχει σαν αντικείμενο τη μελέτη ασύρματης εκπομπής και λήψης σήματος υπέρ-ευρείας ζώνης (Ultra-Wideband, UWB). Με τον όρο αυτό εννοούμε πως το φάσμα του σήματος ξεπερνά τα 500MHz σε απόλυτη τιμή ή το σχετικό εύρος ζώνης να είναι μεγαλύτερο από 20%. Επιπλέον η διατριβή επικεντρώνεται σε τεχνικές επαναπροσδιοριζόμενων συστημάτων (software radio). Αυτό σημαίνει πως τόσο στο δέκτη όσο και στον πομπό είναι σχεδόν αποκλειστική η χρήση προγραμματιζόμενων συσκευών, όπως DSPs, FPGAs, ενώ εξαλείφονται όσο το δυνατόν περισσότερο αναλογικά μέρη όπως, μείκτες, φίλτρα και συμβατικές βαθμίδες αναβιβασμού-υποβιβασμού συχνότητας. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι δημιουργίας ραδιοσήματος UWB. Στην εργασία αυτή επιλέχθηκε η τεχνολογία εκπομπής πολύ στενών παλμών βασικής ζώνης που είναι γνωστή στη διεθνή βιβλιογραφία ως UWB Impulse Radio. Στις επικοινωνίες Impulse Radio δεν γίνεται χρήση φέροντος. Το επιθυμητό φάσμα επιτυγχάνεται με τη δημιουργία κατάλληλων παλμών με εύρος, στο χρόνο, της τάξης του 1nsec. Η χαμηλή ισχύς εκπομπής και ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (~100Mbps) καθιστούν τη νέα αυτή τεχνολογία ανταγωνιστική και βιώσιμη στο χώρο των τηλεπικοινωνιών. Η χρήση της προορίζεται σε περιβάλλον εσωτερικού χώρου σε εφαρμογές ατομικών δικτύων WPAN. Η εμβέλεια δεν ξεπερνά τα 10m, όπως καθορίζεται από το πρότυπο IEEE 802.15.3a. Για εφαρμογές εξωτερικού χώρου έχει δημιουργηθεί το αντίστοιχο πρότυπο IEEE 802.15.4a. Στην προκείμενη διατριβή μελετήθηκε αποκλειστικά η πρώτη περίπτωση, ως εκ τούτου όλες οι πειραματικές διαδικασίες έγιναν σε περιβάλλον εσωτερικού χώρου. Πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη του συστήματος λήψης με γνώμονα την πιθανότητα σφάλματος σαν συνάρτηση της εκτίμησης καναλιού, του θορύβου, των περιορισμών της αναλογικο-ψηφιακής μετατροπής και των χαρακτηριστικών ανίχνευσης σήματος με χρήση ψηφιακών φίλτρων προσαρμογής. Υλοποιήθηκε ο πομπός υπέρ-ευρείας ζώνης και χρησιμοποιήθηκε σε διάφορες πειραματικές διαδικασίες. Ο πομπός είναι πλήρως επαναπρογραμματιζόμενος και είναι σε θέση να εκπέμψει παλμούς με διαμορφώσεις, όπως διαμόρφωση πλάτους (On-Off Keying) και διαμόρφωση θέσης παλμού (Pulse Position Modulation, PPM). Η τελευταία έχει το περισσότερο ενδιαφέρον και είναι εκείνη που χρησιμοποιήθηκε. Το σύστημα που υλοποιήθηκε κάνει χρήση τόσο της δυαδικής όσο και της τετραδικής διαμόρφωσης θέσης (Binary PPM, Quarternary PPM). Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκε ασύρματη εκπομπή και λήψη σήματος υπέρ-ευρείας ζώνης με χρήση του πομπού που κατασκευάστηκε, καθώς και ψηφιακού παλμογράφου. Τα στάδια λήψης και επεξεργασίας του σήματος έγιναν με κατάλληλο πρόγραμμα σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Επιπλέον πραγματοποιήθηκε κατάλληλη πειραματική διαδικασία με σκοπό το χαρακτηρισμό του ασύρματου καναλιού εσωτερικού χώρου. Μία από τις πλέον ικανές μεθόδους για την εύρεση της απόκρισης του καναλιού είναι η αφαιρετική αποσυνέλιξη στο πεδίο του χρόνου με χρήση κατάλληλου ακολουθιακού αλγορίθμου (CLEAN algorithm). Με τον τρόπο αυτό οι επιδράσεις των κεραιών και του συστήματος εκπομπής-λήψης αναιρούνται, αποκαλύπτοντας την απόκριση του καναλιού. Τέλος δεν μπορεί κανείς να αγνοήσει τη σημαντικότητα των κεραιών σε οποιαδήποτε ασύρματη ζεύξη. Οι κεραίες UWB έχουν ειδικά γνωρίσματα που έχουν να κάνουν με τη χρήση υπέρ-ευρέος φάσματος. Γνωστός τύπος κεραίας UWB, τροποποιήθηκε με χρήση κατάλληλων εγκοπών και μελετήθηκε πειραματικά και με προσομοίωση.