Χαρακτηρισμός ασύρματης ζεύξης υπέρ-ευρείας ζώνης με χρήση επαναπροσδιοριζόμενων ραδιοσυστημάτων (software radio)
Authors: Τάτσης Γεώργιος 
Published: January 2014

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.