điều chế tín hiệu [tuyền dẫn vô tuyến]

61 4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác...62 Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2

1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB 2

1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB 5

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 6

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng 8

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet 8

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet 9

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB 10

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) 11

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 13

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 14

Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây14 Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác 15

1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB 15

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 16

1.4 Tổng kết 17

Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau 18

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB 19

2.1 Mở đầu 19

Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà 19

Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu .20

Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB 23

2.2 Mô hình kênh 23

Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 26

2.3 Tổng kết 26

CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG UWB 27

3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 27

Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 27

Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB 28

Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ 29

Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu với BPPM trong kênh AWGN.30 Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian 31

.Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB 33

Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian 35

Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp 37

Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN40 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau41 3.2 Bộ phát 41

Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung 41

3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB 42

Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 43

Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng 47

Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 48

3.4 Bộ thu 48

Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB 49

Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 51

3.5 Tổng kết 53

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB 54

4.1 Dung lượng của các hệ thống UWB 54

Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người

sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 56

4.2 So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng 57

Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách 57

Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 58

Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau 58

Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng 60

Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn 61

Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS 61 4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác 62

Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 62

Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN 64

4.4 Các trường hợp ứng dụng UWB 66

Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn 67

Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN68 Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn 69

Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn 70

4.5 Tổng kết 71

Kết luận 69

Tài liệu tham khảo 71

Phụ lục 72

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 6

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật

độ công suất của chúng 8

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet 8

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet 9

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB 10

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) 11

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 13

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 14

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 16

Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà 19

Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu .20

Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB 23

Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 26

Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 27

Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB 28

Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ 29

Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian 31

.Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB 33

Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian 35

Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp 37

Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN40 Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung 41

Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 43

Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng 47

Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 48 Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB 49 Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 51 Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người

sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 56 Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách 57 Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 58 Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau 58 Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng 60 Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn 61 Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS 61 Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của

hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 62 Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN 64 Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây14 Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác 15 Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau 18 Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu với BPPM trong kênh AWGN.30 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau41 Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn 67 Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn 69

Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn 70THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

BPSK Bi-phase Shift Keying Khóa chuyển pha

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãDSSS Direct Sequent Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

EIRP Equivalent Isotropically Radiated

Power Công suất phát xạ đẳng hướng tương đươngFCC Federal Communications

Commission

Ủy ban truyền thông liên bang Mi

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số

FHSS Frequency Hopping Spread

FSP Free Space Propagation Truyền sóng trong không gian tự

doGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

E Linner Minimum Square Error Lỗi trung bình bình phương tuyếntính cực tiểu

LSI Large Scale Integration Mạch tích hợp cỡ lớn

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MPU Multi Processor Unit Thành phần đa xử lí

MUI Multiuser Interference Nhiễu đa người dùng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplex Ghép kênh theo tần số trực giao

PCS Personal Communication Service Các dịch vụ thông tin cá nhânPDA Personal digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân số

PR Pseudo Random Giả ngẫu nhiên

PRF Pulse Repetiton Frequency Tần số lặp xung

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QPPAM Quadrature Position and Amplitude

Modulation

Điều chế vị trí và biên độ cầu phương

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

THSS Time hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy thời gian

USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp vạn năng

WLAN Wireless Location Area Network Mạng nội hạt không dây

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

ISM Industry Scientific Medicine

LỜI NÓI ĐẦU

So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởngnhanh chóng Xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị di động để truy cập cácdịch vụ Internet tốc độ cao Một trong những hướng đi của vấn đề này là sử dụngcông nghệ UWB Công nghệ này cho phép các kết nối vô tuyến có tốc độ cao hơnhẳn so với các kết nối vô tuyến khác Đây là một công nghệ mới không chỉ mới ởViệt Nam mà còn là một công nghệ mới mẻ trên thế giới và là một công nghệ cónhiều tiềm năng ứng dụng cao

Vấn đề xử lí tín hiệu có một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống vôtuyến nào Cũng như bất kì một hệ thống truyền thông nào khác, vấn đề xử lí tínhiệu trong truyền thông UWB là một trong những vấn đề quyết định đến sự thànhcông của hệ thống, qua đó có thể xem xét đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giớihạn có thể Được sử hướng dẫn của ThS.Nguyễn Phi Hùng và Ks.Bùi Văn Phú emmạnh dạn đi vào tìm hiểu công nghệ này Trong nội dung đồ án này em sẽ nghiêncứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB và đánh giá hệ thống dưới quanđiểm xử lí tín hiệu

Về nội dung đồ án được chia thành 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền thông UWB: giới thiệu tổng quan về hệ

thống UWB, các đặc tính cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB từ đó cho thấy tiềmnăng ứng dụng của UWB là rất lớn Các đặc điểm đặc biệt quan tâm của hệ thốngUWB là các quy định về phổ tần của FCC đưa ra Lợi thế về băng thông, khả năngchống đa đường của tín hiệu UWB làm tín hiệu UWB trở lên rất hấp dẫn đối với lĩnhvực viễn thông Ngoài ra các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâmxuyên, định vị làm lĩnh vực ứng dụng của nó trở nên rất rộng và linh hoạt

Chương 2 Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến

trong nhà áp dụng cho truyền thông UWB

Chương 3 Truyền thông UWB: trình bày các thành phần quan trọng hệ thống

truyền thông, nhấn mạnh vào cách khía cạnh quan trọng của hệ thống như điềuchế, đa truy nhập và sử dụng máy thu Rake để thu tín hiệu

Chương 4 Đánh giá một số khía cạnh của hệ thống truyền thông UWB: xem

xét các vấn đề quan trọng có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của hệ thốngtruyền thông UWB như dung lượng; ảnh hưởng nhiễu qua lại với các hệ thống

truyền thông vô tuyến khác; so sánh hiệu năng với một số hệ thống truyền thôngbăng rộng hiện tại; và các trường hợp ứng dụng cụ thể của nó.

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS Nguyễn Phi Hùng

và Ks Bùi Văn Phú và các thầy cô trong bộ môn Vô tuyến-Học viện công nghệBưư chính viễn thông và phòng Nghiên cứu Kĩ thuật Thông tin Vô tuyến-ViệnKhoa học Kĩ thuật Bưu điện đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này

Hà Nội 10/2005

Sinh viên Vũ Thanh Tùng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB

1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB

Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không

sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và cótính đột phá Trước hết tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằngUWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩthuật xử lí tín hiệu được sử dụng Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụthấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trongtương lai với các ứng dụng không dây Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWBtrước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB

η = − ≥ (1.1)

Trong đó B:=f H -fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ

thống UWB với f c =(f H +f L )/2 với f H là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so

với tần số có công suất cực đại, và f L là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB

so với tần số có công suất cực đại

Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụmục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất Tuynhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứngdụng điện tử viễn thông Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là côngsuất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gâynhiễu cực nhỏ

Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mớithực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến Kĩ thuật UWB có khác biệt

so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằng truyềndẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số.Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi cácchuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây Với băng tần rộng và côngsuất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền

1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB

Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là côngnghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có Đó là tốc độ cao, kích

cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới Tuynhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của

nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng

Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện naydựa vào các sóng dạng sin Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nênphổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệthống truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung Năm 1893 HeirichHertz sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông Cácsóng đó hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu Trong khoảng 20 năm sau nhữngthí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữacác điện cực cacbon

Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thôngchủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lạimột cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyềnthông Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kếtquả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn Các thànhphần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát

triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như rada lòng đất Năm 1973 có

bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyểntheo hướng mới Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định

vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển Phần lớn các ứng dụng và pháttriển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩdưới các chương trình bí mật Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứngdụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chươngtrình nghiên cứu và phát triển Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB được gọi

là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung Bộ Quốc phòng Mĩ được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband.

Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bịtruyền thông UWB Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrumđược thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB

1.1.2 Các ưu điểm của UWB

Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:

1 Tốc độ cao

2 Giá thành thiết bị thấp

3 Chống đa đường

4 Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm

Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo,nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB

đó là tốc độ cao Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới màhiện tại chưa có Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt quatốc độ trên ở khoảng cách ngắn

Biểu thức Shannon được biểu diễn:

Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh

Có thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm Có thể thấy rằng

dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công suất tín hiệu S Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể hy sinh (tăng) độ

rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác Quabiểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rấtcao cho các hệ thống truyền thông không dây Vấn đề này sẽ được xem xét tỉ mỉhơn ở chương 4

1.1.3 Những thách thức của UWB

UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng nhưnhiều ứng dụng khác trong tương tai, nó cũng có một số thách thức phải vượt qua

để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến

Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa cácngười dùng khác nhau Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sửdụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắnrằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ Đặc biệt là trong

trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ Do đógiải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.

Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêuchuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện nay chưa có sự nhấttrí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũngnhư các thiết bị là rất rõ ràng

Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏnhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tươngđương với các thiết bị vô tuyến hiện tại

1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu

Sử dụng các kĩ thuật xử lí tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong tất cảcác hệ thống truyền thông hiện nay Tương lai của các hệ thống truyền thông pháttriển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giớihạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lượng kênh Tăng hiệu năng hệthống là cần thiết để thoả mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự cạnh tranh

về công nghệ cũng như trên thị trường Do đó, xử lí tín hiệu tốt là một trong nhữngyếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông

Trong trường hợp các hệ thống UWB điều này vẫn đúng Xử lí tín hiệu cho

hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp dẫn.Một trong những yếu tố thú vị của hệ thống UWB là không sử dụng sóng mang, vàtín hiệu hoàn toàn là băng gốc Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộtrộn sử dụng để hạ tần tín hiệu trước khi lấy mẫu

Nội dung của đồ án này là nghiên cứu về công nghệ truyền thông UWB qua

đó phân tích hệ thống truyền thông UWB dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với mục

đích sử dụng công nghệ này cho truyền thông cự li ngắn tốc độ cao

1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB

Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống và tín hiệu UWB Chitiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo Trước hết tanghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB

1.2.1 Mặt nạ phổ công suất

Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữangành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB Thực tế, tên

của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của côngnghệ UWB Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ vàquy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễutới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số.

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWBCác hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùnghiện tại Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác địnhnghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ởmỗi dải tần số khác nhau Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệthống UWB trong nhà Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz

Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, nhưthông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốcphòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó Công suất cho phép -41.3dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra

và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn

1.2.1 Mẫu xung

Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle(đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêucầu về mặt nạ phổ Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian,Rayleigh và Hermittian ,v,v thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian

Lí do để sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian

là tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ Trong nộidung đồ án này tôi chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xungGaussian (bao gồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó).

Monocycle p x (t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):

2 2

1

22

t

p t

σπσ

và cần phải giới hạn độ rộng xung thực tế Một phương pháp hợp lí để xác định độrộng xung là chọn độ rộng xung phù hợp với phần trăm năng lượng trong khoảngthời gian độ rộng xung chiếm Trong nội dung đồ án này độ rộng xung pw đượcđịnh nghĩa là:

w w

2 2 2 2

Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thểđược xác định Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong sử

lí tín hiệu số và mô phỏng Đối với p 2 (t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng,

có thể biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữacực đại PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả

Hình 1.2: Các monoycle p x (t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công

suất của chúngMột đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu

Lí do là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp Có thểthấy từ các phương trình Maxwell các anten tương tác với tín hiệu UWB sẽ cókhác biệt [7p.33-34] Thành phần điện bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát

và xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai của xung được đưa đến anten.Những ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện giải điều chế hiệu quả

Tạo xung Gaussian

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet

Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2) Kiểu xung này

thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễdàng Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xungchữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung

Gaussian doubletHình 1.3 và 1.4 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trình tạoxung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu Chúng ta bắtđầu với xung chữ nhật ở hình 1.4(a) Các xung UWB có độ rộng cỡ ns hay ps.Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo các xung không có dạng chữ nhật mà có dạng xấp

xỉ dạng xung Gaussian Đó là lí do của tên xung Gaussian, monocycle hay doublet.Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.3 Phát xungtrực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặc tính củaanten Quá trình lọc này có thể mô hình như là quá trình đạo hàm [8] Ảnh hưởngtương tự cũng xảy ra ở anten thu Ở đây tôi chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiếtxung được khuyếch đại ở phía thu

1.2.2 Chuỗi xung

Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin Thông tin hay dữliệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung nhưhình 1.5 minh hoạ Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thườngđược gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm cácđỉnh phổ ở các tần số ứng với độ lặp đó Những tần số này là bội số của nghịch đảo

của tốc độ lặp xung Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi

vì nó trông giống một chiếc lược Xem hình 1.6 (a)

Hình 1.5: Chuỗi xung UWBCác đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể Một phương pháp tạo dạngphổ giống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫunhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ sovới thời điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định) Dạng phổ thu được

từ sử dụng dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình1.6 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt Chúng ta sẽthấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mãgiả ngẫu nhiên đã biết (PN)

1.2.3 Đa đường

Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh

vô tuyến trong nhà Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miềnthời gian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, như giao thoa kí hiệu (ISI),

có thể giảm nhẹ Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khácnhau của một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầuthu Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng Nguyênnhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện

từ bởi các vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn

bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)

Nếu không có vật thể nào hấp thụ hay phản xạ năng lượng thì hiện tượng này

có thể không xảy ra và năng lượng bức xạ bức xạ từ bộ phát chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của anten phát Tuy nhiên, trong thực tế các vật nằm giữa bộ phát và thu tạo

ra các hiệu ứng vật lí như phản xạ, hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ và chúng gây nên hiện tượng đa đường Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ở các khoảng thời gian trễ khác nhau với tỉ lệ với độ dài đường đi

Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường Kiểm tra các xung

đã mô tả ở phần trước, chúng ta có thể thấy rằng nếu các xung đến trong khoảng

một độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng mộtxung chúng sẽ không gây nhiễu Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thểđược lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua Giả thiết rằngmột kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùngmột kí hiệu Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lạitrong một bộ thu Rake Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồnglấn tương ứng.

Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vậtthể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau

Từ biểu thức: ∆ = ∆d c t. Trong đó ∆d, ∆t là chênh lệch quãng đường, thờigian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng Để hai thành phần đađường không chồng lấn nhau thì ∆ ≥t pw Do đó khoảng thời gian tách biệt cần

thiết giữa các đường để tránh hiện tượng chồng lấn giảm khi độ rộng xung giảm đi.Đây là lí do độ rộng xung càng nhỏ càng tốt đặc biệt trong môi trường trong nhà.Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng(duty cycle) của xung Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớn hơn

độ trễ đa đường lớn nhất, những phản xạ không mong muốn có thể bị loại bỏ dễdàng ở đầu thu Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độtruyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước

Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương

tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng

lấn và sẽ không gây nhiễu

1.2.4 Các đặc điểm khác

Tốc độ phát dữ liệu

Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ caocủa nó Hiện này tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằmđạt tốc độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s [9], tương đương Ethernet có dâytới USB 2.0 Tốc độ đó tương đương với 100 đến 500 lần tốc độ của Bluetooth,khoảng 50 lần tốc độ của 802.11b hay 10 lần tốc độ của WLAN

Như thấy ở bảng 1.1 tốc độ dữ liệu hướng tới cho truyền dẫn UWB trong nhà

là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dây hiệnnay Thực tế tốc độ truyền dẫn hiện tại được chuẩn hoá vào ba tốc độ: 110 Mb/svới khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/s vớikhoảng cách nhỏ hơn 4m

Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khác nhau

Ví dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng Khoảng cách nhỏ hơn 4m phùhợp với các thiết bị như home server và ti vi Khoảng cách nhỏ hơn 1m phụ vụ chocác thiết bị trong máy tính cá nhân

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấnMột trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít và giáthành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thành thấp.

Bộ phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời, vàmột anten

Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây

Ethernet 10

Công suất tiêu thụ thấp

Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp Công suất tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW Bảng 1.2 đưa ra số liệu của về công suất tiêu thụ của các chip truyền thông di động khác

Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác

Chip ứng dụng Công suất tiêu thụ (mW)

Bảng hiển thị màu TFT trong thiết bị di động 75

LSI mã hoá trong thiết bị di động 19

1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB

R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thốngchụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông.Phổ tần áp dụng cho các ứng dụng trên được liệt kê ra ở bảng 1.3

♦ Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Đây là lĩnh vực ứng

dụng chủ yếu của UWB Được hiểu là các mạng vô tuyến trong nhà WPAN kếtnối trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động,các thiết bị truyền thông Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gianthực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các

hệ thống giải trí tại nhà Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng

hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần Một điểm khác nữa là tất cảcác thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến Nó kếtnối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máytính và tất cả các bộ cảm biến đồng thời các thiết bị này có thể biết được vị trí củacác thiết bị khác do khả năng định vị của tín hiệu UWB Điều này mở ra một loạtcác khả năng áp dụng các dịch vụ mới Chẳng hạn như điều khiển từ xa từ thiết bị

di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mởcửa cho bạn v.v Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa

hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn, với giáthấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp.

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB

♦ Mạng cảm biến (sensor network): Mạng cảm biến bao gồm một số lượng

lớn các trạm trải trên một vùng nào đó Các trạm có thể cố định, ví dụ triển khai đểtheo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, lính cứuhoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩn cấp.Yêu cầuquan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khó khăn trên là giáthành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng, và đa chức năng Các hệ thống truyền thông UWBtốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượng lớn thông tin cảmbiến trong thời gian ngắn Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chế trong mạng cảm biến

so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lại acqui cho các thiết bị cảmbiến Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWB cho mạng cảm biến đáp ứngnhững yêu cầu về năng lượng và giá thành Hơn nữa, có thể khai thác khả năngđịnh vị chính xác của UWB đặc biệt tại những nơi GPS chưa được sử dụng

♦ Các hệ thống chụp ảnh: Khác với các hệ thống rada thông thường nhiệm

vụ chủ yếu là xác định các nguồn phát xạ, các xung rada UWB định vị ở khoảng

cách nhỏ hơn Tín hiệu phản xạ từ vật thể cần định vị không chỉ thay đổi về biên

độ, thời gian mà còn thay đổi cả về dạng xung Kết quả là tín hiệu UWB có độnhạy cao hơn nhiều so với các tín hiệu rada thông thường Đặc tính này đã được ápdụng cho các hệ thống rada Mặt khác do các thành phần tần số thấp của tín hiệuUWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng với các ứng dụng khác như chụpảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương; hay các thiết bị chẩn đoán y tế, giám sátđường biên giới

♦ Các hệ thống rada giao thông: Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải

thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn Dựa vào khả năngđịnh vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiểngiao thông và tránh tai nạn thông minh Các hệ thống này có thể cải thiện hoạtđộng của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiểngiao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông

Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trongphương tiện giao thông bằng cách download dữ liệu từ các bộ phát UWB hướngdẫn dọc theo hai bên đường

1.4 Tổng kết

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, vàphân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xungUWB Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật

độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCCđưa ra Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/ MHz,trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệ thốngtruyền thông vô tuyến khác Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thể phân biệtvới các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khả năng phângiải thời gian cao Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tín hiệu UWB.Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tính khác của tínhiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị cao làm cho côngnghệ UWB có phạm vi ứng dụng rất rộng như truyền thông, rada, chụp ảnh v.vcũng như tích hợp hiệu quả đồng thời nhiều ứng dụng trên nền tảng công nghệ này.Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong phòng có thể thực hiện truyền thông vô tuyếntốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau

Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt

đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thể

giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệthống UWB so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác

Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau

Chụp ảnhtần thấp[GHz]

Chụp ảnhtần cao[GHz]

Chụp ảnhtần trungbình[GHz]

Radagiaothông[GHz]

[3.1,10.6] [3.1,10.6] <0.960 [3.1,10.6] [1.99,10.6] [22,29]

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB

2.1 Mở đầu

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của truyền thông dựa trên UWB

là mô hình hoá kênh ngoài trời và trong nhà và các hiệu ứng truyền dẫn cần phảiđược nghiên cứu tỉ mỉ trước khi thực hiện mỗi cải tiến hay ứng dụng trên các hệthống UWB Bỏ qua những điều này không thể đánh giá chính xác được hiệu năngcủa hệ thống và ảnh hưởng nhiễu giữa hệ thống UWB và các hệ thống truyềnthông vô tuyến khác

Truyền dẫn các tín hiệu UWB trong các môi trường trong nhà hay trong ngoài nhà là một trong những vấn đề quan trọng nhất, nói chung có tác động rõràng đến định hướng, mục tiêu tương lai và sự phát triển của công nghệ UWB Nếukênh được mô tả tốt, các ảnh hưởng nhiễu giữa các hệ thống UWB và các hệ thống

nhà-vô tuyến khác có thể được giảm thiểu bằng các bộ thu phát thích hợp Do đó, mô tảkênh truyền dẫn vô tuyến UWB là yêu cầu chủ yếu cho thiết kế các hệ thốngtruyền thông UWB

Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà

Một khía cạnh quan trọng của bất kì hoạt động mô hình hoá kênh vô tuyếnnào là nghiên cứu các hàm phân bố của các tham số kênh Điển hình, các phân bố

đó thu được từ các phép đo kiểm hoặc các mô phỏng dựa trên các đặc điểm chínhxác hoặc đã đơn giản hoá của môi trường Tuy nhiên các phương pháp thường chỉhiểu rõ hoạt động thống kê của kênh và không thể đưa ra giải thích vật lí của cácđặc điểm của kênh được quan sát Do các đặc tính thống kê này thường tạo ra cáchàm phức tạp, cả các đặc tính truyền dẫn và dạng địa hình đặc thù cũng được môhình kênh mô phỏng lại, các mô hình chính xác tổng quát là rất hiếm

Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu.Trong mô hình môi trường kênh vô tuyến một số khía cạnh phải được đưavào để tính toán sự thay đổi toàn bộ hoạt động của kênh truyền Sự khác biệt giữaUWB và các kĩ thuật mô hình hoá truyền thống là do thực tế trong môi trườngUWB, các hiệu ứng phụ thuộc tần số không thể bỏ qua Các tham số liên quan đếnđâm xuyên, phản xạ, suy hao đường truyền, và nhiều hiệu ứng khác có thể coi làtham số phụ thuộc tần số cần được nghiên cứu tỉ mỉ Hình 2.2 minh hoạ dạng sóngphát và thu trong môi trường kênh vô tuyến đa đường

Một cách phổ biến mô hình hoá kênh vô tuyến là biểu diễn kênh như là một

bộ lọc có các độ trễ cách đều nhau và có trọng số khác nhau như trong hình 2.3 Độ

trễ giữa các nhánh (N) của bộ lọc là cố định với một mô hình và các hệ số bộ lọc là

các giá trị ngẫu nhiên lấy ra từ một phân bố thích hợp của mô hình kênh Đáp ứngxung trở thành:

Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên

Trong đó k chỉ mô hình kênh phụ thuộc vào người dùng thứ k đang hoạt

động Hệ số của bộ lọc có thể được giả thiết là ít biến đổi khi di chuyển các vậttrong môi trường vật lí Các hệ số của bộ lọc do đó được giả thiết là không đổitrong thời gian quan trắc và được biểu diễn là ( )k ( ) ( )k

a t =a Sự tham gia của mỗi

người dùng vào tín hiệu thu r(t) có thể tính được như sau:

bao gồm tất cả các bit đã phát, chỉ có một lượng xác định bít, N 1 trước và N 2 sau bit

thông tin sẽ đóng góp năng lượng vào r(n) Một bit đơn không điều chế đóng góp

vào tín hiệu thu:

Bây giờ có thể biểu diễn r(n)

i

a Phân bố biên độ của một mô hình kênh vô tuyến được mô tả tốt nhất bởi đặctính cường độ trễ (PDP: Power Delay Profile) thể hiện liên hệ giữa công suất thuđược của thành phần đa đường thu được với độ trễ của các thành phần đa đường.PDP được chia thành các các bin với độ rộng nhất định và công suất thu được tậphợp trong khoảng thời gian này Công suất thu trung bình suy giảm dạng hàm mũtheo biến là số thứ tự bin và công suất thu được thực sự là phân bố Gamma với kìvọng là giá trị công suất thu trung bình Lí do là phân bố Gamma phù hợp với cáckết quả đo kiểm thực tế có thể hiểu là do đặc tính chu kì xung rất nhỏ làm số thànhphần đa đường được kết hợp nhỏ Nếu số lượng thành phần đa đường lớn nên sửdụng phân bố Rayleigh hay phân bố Rican

Hình 2.4 là một ví dụ của mô hình PDP được mô tả với các cột chỉ giá trịtrung bình của công suất thu được suy giảm theo hàm mũ và đường liền nét chỉcông suất thu được thực tế là phân bố Gamma với công suất thu được trung bìnhlàm kì vọng Để sử dụng PDP để tìm các hệ số bộ lọc, các thuộc tính về dấu củacác hệ số phải biết Rõ ràng là sự phản xạ làm đảo cực của xung và nó phải đượctính vào mô hình Trong các hệ thống vô tuyến băng hẹp thông thường hiện tượngnày thường được tính bằng cách để pha của tín hiệu băng gốc phức phân bố đềutrong khoảng [0, 2π ], nhưng với tín hiệu UWB để dấu của các thành phần đa

đường đến là +1 hoặc -1 với xác suất bằng nhau sẽ hợp lí hơn

Một điều không được tính vào mô hình PDP là thực tế các bin có thể tươngquan với nhau theo một cách nào đó Điều này xảy ra khi các sóng nhiễu xạ quanh

một vật cản nào đó và tạo ra các sóng tương quan với nhau với độ trễ thay đổi rất ítvới nhau.

Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB

2.2 Mô hình kênh

Mô hình kênh được lựa chọn trong đồ án này được mô tả bởi [12] Mô hìnhnày dựa trên những đo kiểm trong các toà nhà Nó có thể không chính xác lắmnhưng có thể dùng để mô tả bản chất vật lí của kênh UWB Để hiểu rõ mô hình đềnghị đọc thêm [12], ở đây tôi chỉ đưa ra kết quả

Mô hình được chia thành hai phần:

• Mô hình phạm vi lớn

• Mô hình phạm vi nhỏ

Mô hình đầu tính cho sự thay đổi của kênh khi di chuyển máy thu mộtkhoảng cách đáng kể so với khoảng cách giữa máy thu và phát, ví dụ di chuyển từphòng này sang phòng khác Mô hình thứ hai ngược lại xác định thay đổi của kênhkhi di chuyển máy thu một khoảng cách nhỏ mà không làm thay đổi môi trườngkênh tổng thể

2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn

Mô hình phạm vi lớn được mô tả bởi PDP sử dụng các bin có công suất thusuy giảm theo hàm mũ Độ rộng của bin sử dụng là ∆ =τ 2ns và mô hình bao gồm

N bin =100 bin Độ trễ với bin thứ k do đó là τk = − ∆(k 1) τ với k∈{1,2, ,N }bin dẫn

đến thời gian đáp ứng xung lên tới 198 ns Độ lợi trung bình của bin thứ k là G k

được định nghĩa là tỉ số giữa năng lượng thu được trung bình trong bin thứ k và

tổng số năng lượng thu được ở khoảng cách 1m Độ lợi năng lượng trung bình tổng

số thu được là G totdo đó được định nghĩa là [12]:

của bin thứ k là có phân bố hàm mũ với hằng số suy giảm ε.

Đặt 2

1

G r

k

εε

τεε

Mô hình kênh được đặc tả bởi năng lượng tổng trung bình G totcó phân bố

loga quanh suy hao đường PL ở khoảng cách đã cho Năng lượng tổng trung bình

phân bố theo [12]

G tot : L N(−PL, 4.3) (2.13)Trong đó L N(µ σLN, LN)chỉ biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn tính theo dB với kì

vọng µLN và phương sai σLN cả hai tính theo dB Suy hao đường có thể tìm thấy từ

mô hình hai hệ số góc [12]

Như đã đề cập ở phần trước năng lượng thu được thực tế trong bin thứ k là

G k phân bố Gamma với giá trị giá trị trung bình làε và hệ số dạng m k:

G k : Γ(G m k, k) (2.18)

Trong mô hình các kênh được đo đạc để tìm phân bố phù hợp của m k và phân

bố Gaussian cắt được lựa chọn [6], do đó phân bố của m k là:

( ) ( )

2 2

2

m m

Trong đó b là giá trị ngẫu nhiên Bernoulli với xác xuất +1 và -1 là như nhau

để tính toán sự đảo xung do phản xạ Chú ý rằng các hệ số của bộ lọc tính toán từ(2.22) mô hình kênh sẽ cho công suất tín hiệu ra liên quan đến khoảng cách 1m từ

bộ phát Ví dụ đáp ứng xung tại khoảng cách 10 m được đưa ra ở hình 2.5 Khi sửdụng mô hình kênh để mô phỏng mỗi người nhân tín hiệu của nó với đáp ứngxung

Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m

2.3 Tổng kết

Trong chương này khái niệm mô hình kênh vô tuyến đa đường được giớithiệu và đưa ra hai mô hình để sử dụng cho mô phỏng Tuỳ từng trường hợp mà ápdụng mô hình phạm vi nhỏ hay lớn Từ đó tính ra được các hệ số của kênh là cơ sở

để thiết kế bộ thu với các tham số thích hợp

CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG UWB

Truyền thông nói chung được định nghĩa là sự truyền dẫn thông tin từ nguồntới đích Trong nội dung đồ án này có thể định nghĩa theo nghĩa hẹp hơn, giới hạncác luồng thông tin dữ liệu số được truyền dẫn bởi các chuỗi xung có độ rộng cựcngắn Chương này sẽ xem xét các vấn đề của truyền thông UWB Bao gồm cácphương pháp điều chế như điều chế vị trí xung, điều chế pha hai trạng thái, điềuchế xung trực giao, và sự kết hợp của chúng Cấu trúc và hoạt động của bộ thu và

bộ phát Và đề cập tới các kĩ thuật đa truy nhập cho truyền thông UWB

3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB

Như chương 1 đã trình bày, một xung UWB đơn bản thân nó không chứathông tin Chúng ta cần đưa thông tin số vào các xung, bằng các phương pháp điềuchế Trong các hệ thống UWB có một vài phương pháp điều chế cơ bản Tôi phânloại phương pháp điều chế thành hai loại cơ bản Chúng được chỉ ra trong hình 3.1

là các kĩ thuật dựa trên thời gian và dựa trên dạng xung

Phương pháp điều chế phổ biến nhất trong lí thuyết về UWB là điều chế vị tríxung (PPM) trong đó mỗi xung có độ trễ được điều chỉnh lệch so với vị trị truyềndẫn danh định một khoảng thời gian chính xác Do đó, có thể thiết lập hệ thốngtruyền thông nhị phân bằng cách dịch các xung chính xác lên phía trước hoặc vềphía sau Mặt khác, bằng việc xác định các độ trễ xác định cho mỗi xung, có thểtạo hệ thống điều chế M trạng thái

Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB

Một phương pháp điều chế phổ biến khác là đảo xung: đó là, tạo một xungvới pha ngược lại Đây là phương pháp Điều chế pha hai trạng thái (BPSK) Một kĩthuật điều chế thú vị là điều chế xung trực giao, nó yêu cầu các dạng xung đặc biệtđược tạo ra trực giao với nhau Đã có các phương pháp nổi tiếng khác Ví dụ, khoábật tắt (OOK) là kĩ thuật trong đó sự có mặt hay vắng mặt biểu thị thông tin số là

“1” hay “0” tương ứng Điều chế biên độ xung (PAM) là một kĩ thuật trong đó biên

độ của xung khác nhau mang thông tin Một vài kĩ thuật điều chế truyền thốngkhông thích hợp với truyền thông UWB Ví dụ, phương pháp điều tần (FM) khó ápdụng cho UWB bởi vì mỗi xung mang rất nhiều thành phần tần số làm nó rất khóđiều chế Chú ý rằng không nên nhầm với ghép kênh phân chia theo thời gian(FDM-frequency division multiplexing) là kĩ thuật hoàn toàn khác để phân biệt cáckênh truyền thông dựa vào các khoảng tần số lớn

Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB Chúng ta hãy kiểm tra các kĩ thuật điều chế lần lượt có thể: Thứ nhất, chúng

ta kiểm tra hai kĩ thuật phổ biến nhất: PPM và BPSK Một so sánh đơn giản củahai phương pháp được chỉ ra trên hình 3.2 Trong hình 3.2(a) đưa ra một chuỗixung không điều chế để so sánh Một ví dụ cho PPM, xung biểu diễn thông tin “1”được phát ở các khoảng thời gian được xác định bằng chu kì lặp xung Xung biểudiễn thông tin “0” được phát trễ so với vị trí thông thường này một khoảng nhỏnhư trong hình 3.2(b) Với BPSK xung đảo biểu diễn bit “0” trong khi xung khôngđảo biểu diễn bit “1” Điều này được minh hoạ trong hình 3.2(c)

Trước đây UWB là hệ thống băng gốc không sử dụng sóng mang Tuy nhiênviệc sử dụng sóng mang để dịch các monocycle, với băng tần khoảng 500 MHz ,đến tần số trung tâm cao đã được đề nghị áp dụng với các hệ thống UWB gần đây,

đó là cơ sở của phương pháp OFDM đối với UWB Phương pháp OFDM thực hiệnđối với hệ thống UWB rất hiệu quả do phổ tần của hệ thống UWB rất lớn Nó chiabăng tần rất lớn của UWB ra thành các băng có độ rộng cỡ 500 MHz, và thực hiệntruyền dẫn dữ liệu song song trên các băng tần này Tuy nhiên, phương pháp nàykhông được đề cập nhiều trong nội dung đồ án này

3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM)

Xét trường hợp điều chế nhị phân, trong khi bit ‘0’ được biểu diễn bởi mộtxung ở thời điểm quy định, bit ‘1’ được trễ một khoảng thời gian tương đối δ sovới thời điểm quy định (bit ‘0’)

Về mặt toán học có thể biểu diễn tín hiệu là :

Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’

Chẳng hạn khi chúng ta muốn cải thiện PPM chuẩn với các tín hiệu trực giao,giá trị tối ưu của giá trịδ (chúng ta gọi là δopt) là giá trị thoả mãn

ρ δ( opt) ∞ w ( )w (tr τ tr δopt τ τ)d 0

−∞

= ∫ − = (3.4)Hình 3.3 chỉ ra trường hợp đặc biệt trong đó bit dữ liệu ‘1’ được phát ở thờiđiểm trễ so với thời điểm danh định một lượngτ <T p, trong đó quy định bit ‘0’ được

phát ở thời điểm danh định Hệ số điều chế tối ưu thay đổi khi sử dụng các dạngxung khác nhau Hiệu năng lí thuyết trong kênh AWGN có thể đạt được với cácxung không chồng lấn, trực giao với hệ số điều chế δ ≥ 1 Tuy nhiên hiệu năng BER

và tốc độ dữ liệu cao đạt được nếu hệ số điều chế δ < 1 với τ δ= T p tại những giá trị

của độ trễ làm cho hàm tự tương quan cực tiểu Hệ số điều chế tối ưuδopt không phụ

thuộc vào độ rộng xung bởi vì định nghĩa của tỉ lệ tương đối của độ rộng xung Khibậc đạo hàm tăng lên, giá trị BER cực tiểu đạt được với giá trịδ nhỏ hơn, và do đó

đạt được hiệu năng BER tốt hơn Hình 3.4 đưa ra hàm tự tương quan chuẩn hoá củamột số loại xung khác nhau, và xem xét cả với các độ rộng xung khác nhau

Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu τ với BPPM trong kênh AWGN

Hai đặc điểm đặc biệt của PPM:

• Các hệ số tự tương quan của các dạng sóng Gaussian có cả các giá trịdương và âm Điều này giải thích tại sao nó có thể đạt được hiệu năng BER tốt hơnvới giá trịτ nhỏ hơn T p so với trường hợp điều chế các xung trực giao về thời gian

có τlớn hơn T p (δ ≥ 1 ngụ ý các tín hiệu trực giao thời gian do giá trị của hàm tựtương quan coi như bằng 0, hình 3.4)

• Các hệ số tự tương quan cực tiểu tại một số giá trị τ , tương ứng với các

trường hợp hiệu năng BER cực đại

Dạng của hàm tự tương quan cung cấp phương pháp lựa chọn giá trị tối ưucủa δ trong trường hợp kênh AWGN Giá trị của δ có thể cố định một giá trị ưutiên với một dạng xung UWB được chọn Giá trị tốt nhất để sử dụngδ có thể xácđịnh khi tính toán hệ số tự tương quan của xung đã chọn Giá trị tối ưu của δ chomỗi dạng sóng được chỉ ra trên Bảng 3.1

Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ

rộng xung khác nhau trong đó t p1 =0.7521 ns, n=2,5,14; t p2 =0.5 ns, n=2,5; với n là bậc

của xung Gaussian

3.1.2 Điều chế pha hai trạng thái (BPSK)

Điều chế pha hai trạng thái có thể định nghĩa như là một phương pháp điềuchế dạng xung Do pha trong hệ thống truyền thông sóng sin kết hợp với độ trễ củasóng sin, sử dụng thường xuyên thuật ngữ pha trong UWB có thể gây lầm lẫn Tuynhiên, sử dụng thuật ngữ BPSK đã trở nên phổ biến trong lí thuyết UWB, do đó nóvẫn được tiếp tục sử dụng ở đây Điều chế pha hai trạng thái dễ hiểu bởi nó đượcđiều chế bằng cách đảo dạng xung của một xung nào đó; do đó có công thức sau:

s i =σi p t( ) σ = −i 1, 1 (3.5)

Để tạo hệ thống nhị phân dựa vào phương pháp đảo xung cơ bản p(t) Tham

số σ thường được biết là trọng số xung, nhưng ở đây nó được gọi là tham số dạng.

Với một hệ thống nhị phân hai dạng xung s 1 , s 2 được định nghĩa đơn giản là

s 1 =p(t) và s 2 =-p(t).

Bởi vì PPM luôn luôn phải trễ các xung, trong giới hạn khi các xung đượcphát liên tục PPM sẽ luôn “lãng phí” thời gian khi xung không được phát NếuPPM trễ một xung thì BPSK có thể phát lượng xung gấp đôi, và do đó gấp đôilượng thông tin, qua đó với một hệ thống với mọi yếu tố khác tương đương hệthống điều chế BPSK có tốc độ gấp đôi

Một lợi ích khác của BPSK là giá trị trung bình của σ bằng không Điều này

có lợi lớn trong việc loại bỏ các đường răng lược hay đỉnh phổ trong phổ mà chúng

ta đã giới thiệu trong chương 1, mà không cần “ngẫu nhiên hóa”

Điều chế pha hai trạng thái trong hệ thống UWB có một số ưu điểm sau: ● Thứ nhất, nó cho thấy tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình nhỏ hơn 8 dB

Do đó, điều pha hai trạng thái không cần bất cứ điod tunnel hay mạch khuyếch đạicông suất nào Thay vào đó nó có thể hoạt động trực tiếp từ IC CMOS tốc độ caocông suất thấp

● Cuối cùng, lí do của đồng bộ, điều chế pha hai trạng thái giảm các yêu cầu

về rung pha Trong PPM, quá trình đồng bộ phải bao gồm các phần tử điều khiểnnhanh và chính xác để phù hợp với các thời điểm xung đến tuỳ ý Nhưng hệ thốngđiều pha hai trạng thái cần chỉ một đồng hồ ổn định, nhiễu pha thấp bởi vì cácxung xuất hiện ở các thời điểm cách nhau cố định Kết quả là công suất thấp hơn

và mạch đơn giản hơn

Mặc dù PPM và BPSK đã đề cập ở trên tạo thành các phương pháp chủ yếu

để thực hiện điều chế trong các hệ thống truyền thông UWB, các phương phápkhác cũng đã được đề nghị như PAM, OOK và PSM Trong hình 3.5(a) một chuỗixung chưa điều chế để so sánh Trong hình 3.5(b) là một ví dụ của điều chế biên độxung trong đó xung với biên độ lớn biểu diễn “1” và biên độ nhỏ hơn biểu diễn

“0” Hình 3.5(c) chỉ ra một ví dụ của điều chế xung trực giao trong đó bit “1” đượcbiểu diễn bởi xung Hermitian cải tiến bậc 3 và bit “0” được biểu diễn bởi xungHermitian bậc 2

3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM)

Trong truyền thông sóng dạng sin băng hẹp, các hàm sin và cos trực giao tạonền tảng cho truyền sóng Trong UWB chúng ta tạo các dạng xung có đặc tính trựcgiao với nhau Điều chế dạng xung (PSM) sử dụng các dạng sóng khác nhau trựcgiao để biểu diễn bit ‘0’ và ‘1’ Giả sử sử dụng hai dạng sóng trực giao để điều chếtín hiệu Xung phát đi có thể biểu diễn là: