Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng uwb thiết kế hế tạo anten vi dải uwb

Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông thế hệ thứ ba và thứ tư, sự chuyển đổi từ truyền thông tế bào tương tự sang số, và sự thay thế của các kết nối WiFi, Bluetooth cho các mạng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG

CHUYÊN NGHÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ:

NGUYỄN XUÂN QUYỀN

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ VĂN YÊM

- 2008

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự ra đời, phát triển chóng mặt của truyền thông và công nghệ thông tin đã từng bước làm thay đổi cuộc sống và sinh hoạt của con người về mọi măt Các kĩ thuật và công nghệ mới dần dần thay thế cho các công nghệ cũ kĩ và lạc hậu

đã và đang đáp ứng được những nhu cầu cấp thiết của con người không chỉ trong lĩnh vực liên lạc trao đổi thông tin mà còn cả nhu cầu giải trí Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông thế hệ thứ ba và thứ tư, sự chuyển đổi từ truyền thông tế bào tương tự sang số, và sự thay thế của các kết nối WiFi, Bluetooth cho các mạng

có dây đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn rộng lớn của thông tin ở mọi lúc, mọi nơi không những thu hẹp thời gian liên lạc giữa người với người làm mọi người đến gần nhau hơn mà còn phục vụ rất nhiều trong các lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội Do nhu cầu dung lượng cao, dịch vụ nhanh, và tăng cường bảo mật cho các kết nối không dây vì vậy các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần số có hạn Trong truyền thông mỗi dịch vụ sẽ được cấp phát một dải thông cố định chẳng hạn như các dịch vụ TV, radio, cell phones sẽ truyền dữ liệu theo các tần số khác nhau

để tránh nhiễu lẫn nhau Do đó với việc ra đời các dịch vụ mới làm cho giới hạn về phổ ngày càng trở thành một vấn đề lớn đối với các hệ thống truyền thông

Khi càng có nhiều dịch vụ mới ra đời thì làm cho nhu cầu về phổ lại trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết lúc đó sự ra đời của công nghệ thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra nhiễu hoặc gây ra nhiễu nhỏ không đáng kể đồng thời với những ưu điểm mà nó mang lại so với mạng băng hẹp đã làm cho giá thành của các hệ thống này giảm xuống Sự tồn tại này với các hệ thống truyền thông khác đã mang lại lợi ích kinh tế lớn do không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số Nhìn lại lịch sử của nghành viễn thông các hệ thống radar UWB được sử dụng phổ biến như là các công cụ quân

sự vì nó có khả năng đâm xuyên lớn Trong những năm gần đây công nghệ UWB

đang được nghiên cứu và ứng dụng trong viễn thông dân dụng do những ưu điểm vượt trội của nó so với các hệ thống khác đó là tiêu thụ ít công suất, giá thành thấp, tốc độ dữ liệu lớn, khả năng định vị chính xác, và tạp âm rất thấp.

Ngày càng có nhiều các sản phẩm sử dụng công nghệ UWB được đưa vào phục vụ cuộc sống Nếu như trong kĩ thuật truyền dẫn không dây ở mạng băng hẹp truyền thống tín hiệu sẽ được phát đi ở một số tần số nhất định thì trong mạng viễn thông

sử dụng kĩ thuật UWB tín hiệu sẽ được trải ra ở một dải tần rất rộng Chính vì vậy thay vì việc phát đi các sóng có dạng hình sin thì ở đây sẽ phát đi các chuỗi xung với tần số lên tới hàng GHz Với kĩ thuật băng rộng cùng với việc công suất thấp làm cho việc truyền dẫn UWB giống như nhiễu nền

Chính những tiềm năng to lớn mà UWB mang lại so với các công nghệ khác đã thôi thúc tôi cần phải nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về công nghệ mới này để có thể mang những tiến bộ đó ứng dụng vào trong cuộc sống Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp được sự đồng ý, hưỡng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS

Vũ Văn Yêm, cùng với sự giúp đỡ của bạn bè và đồng nghiệp tôi đã có thêm nhiều

tài liệu để tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng và nghiên cứu lí thuyết, kĩ thuật mô phỏng và chế tạo thực nghiệm, đo đạc antenna vi dải UWB, đây cũng là nội dung chính mà tôi sẽ trình bày trong đồ án này Do đây là một đề tài khá mới mẻ và đề cập đến một mảng kiến thức khá rộng cộng với trình độ bản thân còn hạn chế nên trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo cùng với sự giúp đỡ của các bạn để tôi có một sự hiểu biết sâu hơn về đề tài mà tôi đã nghiên cứu tìm hiểu.Tôi xin chân thành cảm ơn!

, tháng 11

Hà Nội năm 2008 Học viên thực hiện

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Toàn bộ đồ án gồm có các chương sau:

Chương 1: Cung cấp cho chúng ta một kiến thức tổng quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng thông qua lịch sử phát triển và nền tảng của nó, các khái niệm trong truyền thông UWB cũng như là ưu và nhược điểm, sự khác nhau cơ bản giữa UWB và truyền thông trải phổ, điểm mạnh và điểm yếu của UWB so với mạng băng hẹp, và truyền thông băng rộng trải phổ Chương này phân tích các kĩ thuật đơn băng và đa băng đồng thời qui định hiện tại của FCC trong phổ phát, cuối cùng

là mô tả ngắn gọn những ứng dụng của UWB

Chương 2: Các kĩ thuật thu phát xung trong UWB Nêu và phân tích các kĩ thuật điều chế khác nhau trong UWB như: On Off Keying (OOK), PAM, PPM, Bi Phase Modulation, TR Modulation Đồng thời trình bày về các kĩ thuật nhận biết xung (tách xung) ở phía thu như:bộ lọc phối hợp cổ điển và bộ tách năng lượng

Chương 3 : Mô hình hóa kênh trong UWB bao gồm: mô hình kênh kích thước lớn

và mô hình kênh kích thước nhỏ Trong đó mô hình kênh kích thước lớn tập trung giải quyết vấn đề tính suy hao pathloss do khoảng cách (suy hao này có thể phụ thuộc vào tần số), tính mức năng lượng ở máy thu để dự đoán ngân sách công suất đường Mô hình hóa kênh kích thước nhỏ dùng để tính toán, dự báo các tham số của kênh như: đáp ứng xung của kênh có dạng gì, độ trễ, biên độ, phân cực (pha) của thành phần đa đường Các thông số này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng tới tín hiệu

và ảnh hưởng tới quá trình thu.Từ các thông số này, người thiết kế có thể hoàn thiện

cơ chế hệ thống thu, nâng cao hiệu năng của toàn bộ hệ thống

Chương 4 : Tìm hiểu tổng quan về antenna vi dải, đưa ra hai mô hình phân tích

antenna vi dải là mô hình đường truyền dẫn và mô hình hốc cộng hưởng, từ đó có cái nhìn vật lý vào sâu bên trong cơ chế bức xạ của loại antenna này Đặc biệt đi sâu tìm hiểu antenna vi dải băng siêu rộng, xem những đặc tính của nó biến đổi như thế nào khi làm việc ở băng thông siêu rộng Và cuối cùng những nguyên lý thiết kế

antenna băng thông siêu rộng được đưa ra làm cơ sở nền tảng cho chương 5 khi ta thực sự đi sâu thiết kế, mô phỏng, chế tạo một số antenna vi dải băng thông siêu rộng

Chương 5: Quá trình thiết kế chế tạo antenna vi dải UWB Dựa trên hiểu biết về hệ

thống UWB và antenna vi dải đã tìm hiểu ở 4 chương trước đó để đề xuất 2 mẫu antenna vi dải đơn cực phẳng tiếp điện bằng đường dây feedline (planar monopole antenna) có mặt phẳng nối đất bị cắt một phần Tiến hành mô phỏng và hiệu chỉnh bằng phần mềm CST STUDIO 2008 Sau khi đạt được các thông số mô phỏng theo yêu cầu, tiến hành chế tạo thử nghiệm và đo đạc bằng máy phân tích mạng Cuối cùng ra rút ra những kết luận quan trọng giữa kết quả thực tế đo được với kết quả tính toán và mô phỏng

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB .1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 BỐI CẢNH LỊCH SỬ 2

1.3 CÁC KHÁI NIỆM UWB 3

1.4 C ÁC TÍN HIỆU UWB 5

1.5 CÁC ƯU ĐIỂM 7

1.5.1 Khả năng chia sẻ phổ tần 7

1.5.2 Dung lượng kênh lớn 8

1.5.3 Khả năng để làm việc với một tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp 8

1.5.4 Tính bảo mật cao 9

1.5.5 Khả năng chống nhiễu 9

1.5.6 Hiệu quả cao trong các kênh đa đường 10

1.5.7 Khả năng đâm xuyên lớn 11

1.5.8 Kiến trúc máy thu đơn giản 11

1.6 THÁCH THỨC 13

1.6.1 Sự méo dạng xung 13

1.6.2 Ước lượng kênh 14

1.6.3 Đồng bộ 15

1.6.4 Nhiễu đa truy nhập 15

1.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ 16

1.7.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 17 1.7.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 17

1.7.3 Sự khác nhau chủ yếu 18

1.8 ĐƠN BĂNG VÀ ĐA BĂNG 20

1.8.1 Direct Sequece UWB(DS UWB) 20

1.8.2 Multiband OFDM 21

1.9 CÁC QUY ĐỊNH ĐỐI VỚI UWB 22

1.9.1 Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB 22

1.9.2 Các qui định sẽ thống nhất trên toàn thế giới 23

1.10 GIỚI HẠN PHÁT CỦA FCC 26

1.10.1 Các thiết bị truyền thông 26

1.10.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh 27

1.10.3 Hệ thống radar chuyển động 28

1.11 CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB 29

1.12 TỔNG KẾT 33

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 34

2.1 GIỚI THIỆU 34

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG 35

2.2.1 Máy phát 35

2.2.2 Máy thu 37

2.2.3 Kênh 38

2.2.4 Một sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống 38

2.3 KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU 39

2.3.1 Tách năng lượng (Energy Detector) 39

2.3.2 Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters) 40

2.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT 43

2.4.1 On Off Keying (OOK) 43

2.4.2 Điều chế biên độ xung(PAM: Pulse Amplitude Modulation) 44

2.4.3 Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) 45

2.4.4 Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation) 47

2.4.5 Điều chế sử dụng xung tham chiếu (TR: Transmitted Reference Modulation) 48

2.5 TỔNG KẾT 55

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA KÊNH THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 56

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 56

3.1.1 Khái niệm mô hình hóa kênh 56

3.1.3.Phân loại 58

3.2 MÔ HÌNH HÓA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN 59

3.2.1 Suy hao đường dẫn trong không gian tự do theo công thức Friis 59

3.2.2.Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.15 61

3.3 MÔ HÌNH HÓA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING) 63

3.3.1.Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ 63

3.3.2.Mô hình hóa kênh 65

3.3.3.Các mô hình kênh kích thước nhỏ 70

3.4 KẾT LUẬN 75

CHƯƠNG 4 ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN UWB VI DẢI 76

4.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 76

4.1.1.Khái niệm 76

4.1.2.Ưu và nhược điểm 76

4.1.3.Đặc điểm cấu tạo 77

4.2 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT ĐƠN GIẢN CỦA ANTEN VI DẢI 83

4.2.1 Giới thiệu 83

4.2.1.Mô hình đường truyền dẫn (Transmission line model) 84

4.2.2.Mô hình hốc cộng hưởng 89

4.3 ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG (UWB) 101

4.3.1.Đặc trưng của anten trong hoàn cảnh băng thông siêu rộng 102

4.3.2.Các nguyên lý mở rộng băng thông anten 106

4.4 KẾT LUẬN 107

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG 108

5.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ANTEN UWB VI DẢI 108

5.1.1 Mục đích 108

5.1.2 Yêu cầu 108

5.2 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 109

5.3 MẪU ANTEN ĐỀ SUẤT SỬ DỤNG 110

5.4 ANTEN ĐƠN CỰC PHẲNG TIẾP ĐIỆN BẰNG Đ ỜNG VI DẢI VỚI Ư

PATCH HÌNH TRÒN 111

5.4.1.Cấu tạo và kích thước 111

5.4.2.Mô phỏng và hiệu chỉnh anten bằng phần mềm CST 111

5.4.3.Kết quả chạy mô phỏng 112

5.4.4.Chế tạo trên tấm mạch in 117

5.4.5.Kết quả đo đạc 118

5.5 ANTEN ĐƠN CỰC PHẲNG TIẾP ĐIỆN BẰNG Đ ỜNG VI DẢI VỚI Ư PATCH HÌNH CHỮ NHẬT 118

5.5.1.Cấu tạo và kích thước 118

5.5.2.Mô phỏng anten bằng phần mềm CST 119

5.5.3.Kết quả chạy mô phỏng 119

5.5.4.Chế tạo trên tấm mạch in 124

5.5.5.Kết quả đo đạc 125

5.6 K ẾT LUẬN 125

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lịch sử ơ ược của sự s l phát tri n h ng UWB 3ể ệthố

Hình 1.2 Tín hiệu băng hẹp (a) trong mi n th i gian (b) trong mi n tề ờ ề ần số 3

Hình 1.3 Xung có thời gian tồ ạn t i nh Ton là th i gian t n t i xung, Toff là th i gian ỏ ờ ồ ạ ờ xung không xu t hi n 4ấ ệ Hình 1.4 M t xung UWB (a) trong mi n th i gian (b) trong mi n tộ ề ờ ề ần số 4

Hình 1.5 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) trong mi n th i gian (b) trong mi n t n ề ờ ề ầ s 6ố Hình 1.6 S t n tự ồ ại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác trong ph 7ổRF Hình 1.7 (a) Hi n tệ ượng đa đường trong truyền thông không dây (b) nh h ng cả ưở ủa đa đường lên các tín hiệu băng hẹp (c) nh h ng cả ưở ủa đa đường lên các xung băng siêu r ng 10ộ Hình 1.8 (a) Ki n trúc máy thu phát cế ủa mạng băng hẹp (b) Ki n trúc kh i thu phát ế ố của hệ thống UWB 12

Hình 1.9 Kênh đa truy nh p UWB 16 ậ Hình 1.10 Chuỗi dữ liệu và trải mã của nó dùng DSSS 17

Hình 1.11 Phân ch ng t n s ặ ầ ố trong kĩ thuật FHSS 18

Hình 1.12 S chuy n t ự ể ừ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng trong mi n thề ời gian và trong mi n tề ần số 18

Hình 1.13 DS UWB truyền một xung đơn trên một dải lớ ủa phổ để ển c bi u di n d uễ ữliệ 21

Hình 1.14 Phương pháp đa băng chia dải ph cổ ủa UWB ra làm nhiều băng con không chồng l n lên nhau 21 ấ Hình 1.15 Giới hạn phát cho các thiết bị truy n thông indoor 25ề Hình 1.16 Giới hạn phát cho các thiết bị truyền thông outdoor 26

Hình 1.17 Giới hạn phát cho các hệ thố ng hình nh xuyên tả ường 27

Hình 1.18 Giới hạn phát cho các hệ thố ng radar chuyển động 28

Hình 2.1 Mô hình khối của hệ thố ng 35

Hình 2.2 S ơ đồmáy phát 36

Hình 2.3 S ơ đồmáy thu 37

Hình 2.4 Một sơ đồ ạch đơ m n gi n cả ủa hệ thống UWB 38

Hình 2.5 S mơ đồ ạch đơn gi n cả ủa hệ thống băng hẹp dùng sóng mang 39

Hình 2.6 Máy thu dựa trên kĩ thuật tách năng lượng 40

Hình 2.7 S khơ đồ ối của một bộ ọ l c thích nghi c n 40ổ điể

Hình 2.8 Điều ch ếOOK 43

Hình 2.9 Điều ch ế biên độ xung 44

Hình 2.10 Các đường phổ ờ ạ ủ r i r c c a các xung có chu kì 44

Hình 2.11 Điều ch v trí xung 45 ế ị Hình 2.12 Ph lý tổ ưởng của các xung không có chu kì 46

Hình 2.13 Điều ch l ng pha 48 ế ưỡ Hình 2.14 Điều ch s d ng xung tham chi u (a) kí hi u c a bit d li u 1 (b) kí hi u ế ử ụ ế ệ ủ ữ ệ ệ của bit dữ liệu 0 49

Hình 2.15 (a) S khơ đồ ối của một máy thu TR (b) ví d cụ ủa giải điều chế TR Đường nét đứt là các xung tham chiếu, đường nét li n là các xung d li u 50 ề ữ ệ Hình 2.16 Giải điều chế ở máy thu TR trong s ựcó mặt của kênh đa đường 52

Hình 2.17 Kho ng th i gian l y tích phân (a) máy thu TR (b) tín hiả ờ ấ ệu thu được trong kênh LOS có nhi u 53ễ Hình 2.18 Tín hiệu UWB và sự ến đổi của chiề bi u dài của khoảng th i gian lờ ấy tích phân trong máy thu TR 54

Hình 2.19 Tín hiệu UWB và các vị trí khác nhau của cửa sổ tích phân trong máy thu TR 55

Hình 3.1 Hàm truyền hệ thố ng phân tách kênh-anten 56

Hình 3.2 Minh họa đáp ứng xung của kênh 67

Hình 3.3 Minh họa mô hình Saleh Valenzuela- 71

Hình 4.1 C u tấ ạo một anten vi dải chữ ật đơ nh n gi n 78ả Hình 4.2 Một số hình d ng c a phi n kim loạ ủ ế ại patch 79

Hình 4.3 Tiếp điện đồng tr c 80ụ Hình 4.4 Tiếp điện dùng đường tiếp điện vi d i 81ả Hình 4.5 Ghép nối điện từ 82

Hình 4.6 Ghép n i qua khe 82ố Hình 4.7 Tiếp điện đồng ph ng 83ẳ Hình 4.8 Hi u ng Fringing 85ệ ứ Hình 4.9 Hằng số điệ n môi hiệu dụng 86

Hình 4.10 Các khe bức xạ ủa anten c 87

Hình 4.12 Phân b ố điện tích của anten 89

Hình 4.15 Phân b dòng Jố s, Ms 94

Hình 4.16 Phân b Jố s=0, Ms 95

Hình 4.17 Phân b mố ậ ột đ dòng t ừ tính đến hiệu ứng của màn chắn kim loại 95

Hình 4.18 Phân b trong mode sóng TMố x010 96

Hình 4.19 Mô hình dipole t từ ương đương 96

Hình 4.20 Đồ ị th phương h ng trên m t ph ng E và H 97 ướ ặ ẳ Hình 4.21 Mô hình dòng t từ ương đương c a khe không bủ ức xạ 97

Hình 4.22 Đồ ị th phương h ng trong m t phướ ặ ẳng E đối chi u v i k t qu ế ớ ế ả đo và ph ng pháp moment 100ươ Hình 4.23 Đồ ị th phương h ng trong m t phướ ặ ẳng H, đối chi u v i k t qu ế ớ ế ả đo và ph ng pháp moment 101ươ Hình 5.1 C u t o và kích thấ ạ ước của anten vi dải patch tròn 111

Hình 5.2 Mặt trước và mặt sau anten patch tròn 112

Hình 5.3 Thông s ốtán xạ S11 theo t n s t ầ ố ừ0GHz 15GHz- 112

Hình 5.4 Thông s ốtán xạ S11 theo t n s t ầ ố ừ2GHz 11GHz- 113

Hình 5.5 Đồ ị th Smith tr kháng vào t ở ừ0GHz 15GHz- 113

Hình 5.6 Đồ ị th Smith tr kháng vào t ở ừ2GHz 11GHz- 114

Hình 5.7 H s ệ ố sóng đứng theo t n s 114ầ ố Hình 5.8 H s ệ ố tăng ích từ 3GHz đến 11GHz 115

Hình 5.9 M t ph ng E và H ặ ẳ ởcác tầ ốn s 3,6.5,9,11GHz 117

Hình 5.10 nh anten sau khi ch t o trên mẢ ế ạ ạch in 118

Hình 5.11 (a) C u tấ ạo và kích mặt trước (b) Cấ ạu t o và kích m t sau 118 ặ Hình 5.12 Mặt trước và mặt sau anten patch chữ ậ nh t 119

Hình 5.13 Thông s ốtán xạ S11 theo t n s t ầ ố ừ0GHz 15GHz- 119

Hình 5.14 Thông s ốtán xạ S11 theo t n s t ầ ố ừ2.5GHz-11.5GHz 120

Hình 5.15 Đồ ị th Smith tr kháng vào t ở ừ0GHz 15GHz- 120

Hình 5.16 Đồ ị th Smith tr kháng vào t ở ừ0GHz 15GHz- 121

Hình 5.17 H s ệ ố sóng đứng theo tần số 121

Hình 5.18 H s ệ ố tăng ích 121

Hình 5.19 M t ph ng E và H ặ ẳ ởcác tầ ốn s 3,6.5,9,11GHz 123

Hình 5.20 nh anten sau khi ch tẢ ế ạo trên ạch in m 124

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ng 1.1 ả Ưu điểm và lợi ích c a truy n thông UWB 13ủ ề

B ng 1.2 M t s ả ộ ốthách thức đố ới mại v ng UWB 16

B ng 1.3 Gi i h n phát cho các ng d ng UWB khác nhau trong mả ớ ạ ứ ụ ỗi mộ ảt d i ph 29ổ

B ng 1.4 So sánh UWB vả ới các chuẩn khác 31

B ng 1.5 Các ng d ng c a UWB trong quân s và trong thả ứ ụ ủ ự ương mại 32

B ng 3.1 Giá tr ả ị suy hao đường truyền 63 Hình 4.11 H trệ ục tọ ộa đ s d ng 88ử ụ

Demodulation Driver Amplifier

Delay Locked Loop

Direct Squence Spread Spectrum

Effective Isotropic Radiated Power

Federal Communications Comission

Frequencey Hopping Spread Spectrum

Inter Symbol Interference

Low Noise Amplifier

Multiple Access Interferen ce

Multi Band OFDM

Mạch vòng khóa trễTrải phổ trực tiếpCông suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Tổ chức viễn thông Quốc tếTrải phổ nhảy tần số

Nhiễu giao thoaKhối khuếch đại âm nhiễu thấpNhiễu đa truy nhập

Đa băng OFDMNhiễu sànTuyến không thẳng (phản xạ)Tuyến nhìn thẳng

Bộ lọc thông thấpĐiều chế On – Off Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Pulse Position Modulation

Signal to Noise Ratio

Radio Frequency

Receiver

Time – Frequency Interleaved OFDM

Transmitted Reference modulation

Transmitter

Transceiver

Ultra – wideband

Variable Gain Amplifier

Wireless Personal Area Network

Điều chế vị trí xung

Tỷ số tín hiệu trên nhiễuTần số vô tuyến

Bên thu Ứng dụng thời gian – tần số đan xen OFDM

Điều chế Truyền Tham chiếu– Bên phát

Máy thu – phát Băng siêu rộngKhối khuếch đại có hệ số thay đổi

Mạng không dây cá nhân

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB

1.1 GIỚI THIỆU

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và của các sản phẩm truyền thông không dây trong thương mại đã và đang ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống của chúng ta ngày nay Sự chuyển đổi từ truyền thông tế bào tương tự sang số, sự gia tăng của các hệ thống truyền thông thế hệ thứ ba và thứ tư, và sự thay thế của các kết nối WiFi, Bluetooth cho các mạng có dây đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn rộng lớn của thông tin ở mọi lúc, mọi nơi Do nhu cầu dung lượng cao, dịch vụ nhanh, và tăng cường bảo mật cho các kết nối không dây vì vậy các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần số có hạn Trong truyền thông mỗi dịch vụ sẽ được cấp phát một dải thông cố định chẳng hạn như các dịch vụ TV, radio, cell phones sẽ truyền dữ liệu theo các tần số khác nhau để tránh nhiễu lẫn nhau Do đó với việc ra đời các dịch vụ mới làm cho giới hạn về phổ ngày càng trở thành một vấn đề lớn đối với các hệ thống truyền thông

Trong bối cảnh tài nguyên phổ càng ngày càng trở nên khan hiếm thì sự ra đời của công nghệ UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra nhiễu hoặc gây ra nhiễu nhỏ không đáng kể Sự tồn tại này với các hệ thống truyền thông khác đã mang lại lợi ích kinh tế lớn do không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số

Chương này sẽ cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng, bắt đầu cùng với bối cảnh lịch sử Sau đó là các khái niệm trong công nghệ UWB và các cơ hội, thách thức đối với truyền thông không dây, phân tích sự khác nhau giữa UWB và trải phổ, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp Cuối cùng là hai công nghệ chính của UWB đó là đơn băng

1.2 BỐI CẢNH LỊCH SỬ

Truyền thông trong mạng băng siêu rộng khác với tất cả các kĩ thuật truyền thông khác do nó sử dụng các xung RF rất hẹp để truyền thông tin giữa máy phát và máy thu Do việc sử dụng các xung có chu kì hẹp đã tạo cho UWB rất nhiều ưu điểm chẳng hạn như lưu lượng thông tin lớn, tính bảo mật cao, chống lại nhiễu, tồn tại cùng các hệ thống truyền thông hiện tại

Trong thực tế truyền thông băng siêu rộng không phải là một công nghệ mới, nó đã được sử dụng bởi Guglielmo Marconi vào năm 1901 để truyền các mã Mode qua Đại Tây Dương, bằng việc dùng các máy phát khe đánh lửa Tuy nhiên thời điểm

đó người ta chưa thấy hết được các ưu điểm mà UWB mang lại như dải thông lớn

và khả năng triển khai các hệ thống đa truy nhập

Gần 50 năm sau Marconi, việc truyền đi các xung mới được sử dụng trở lại trong các radar xung Một trong những người đi tiên phong trong công nghệ UWB ở Mĩ trong những năm 1960 là Henning Harmuth của đại học Catholic, và Gerald Ross cùng cộng sự là K.W Robin của công ty Sperry Rand Từ 1960 cho tới những năm

1990 công nghệ UWB chỉ được sử dụng phổ biến trong quân sự dưới các chương trình ví dụ như truyền thông bảo mật cao Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong các bộ vi xử lý và các chuyển mạch điện tử có tốc độ cao trong công nghệ bán dẫn

đã mang lại cho UWB khả năng ứng dụng trong thương mại Chính vì vậy UWB chỉ là một cái tên mới trong một công nghệ mà đã tồn tại từ lâu

Khi UWB được sử dụng trong thương mại trong suốt nhiều năm trở lại đây, các nhà phát triển hệ thống UWB bắt đầu gây sức ép cho FCC phê chuẩn các ứng dụng thương mại Tháng 2 năm 2003, FCC đã phê chuẩn một bản báo cáo đầu tiên có tên

là “the First Report and Oder” cho các ứng dụng thương mại của công nghệ UWB với việc hạn chế mức công suất phát cho các thiết bị khác nhau Phần 1.9 và 1.10 sẽ trình bày chi tiết hơn về các chuẩn và các qui định của FCC đối với công nghệ UWB Hình 1.1 tổng kết chu kỳ phát triển của hệ thống UWB

Hình 1.1 Lịch sử sơ lược của sự phát triển hệ thống UWB

1.3 CÁC KHÁI NIỆM UWB

Các hệ thống truyền thông truyền thống điều chế tín hiệu RF liên tục trong dạng sóng (CW: continuous waveform) bằng một tần số sóng mang xác định để truyền

và nhận thông tin Các tín hiệu liên tục trong miền thời gian có tần số thấp dễ dàng

bị phát hiện và lấy cắp thông tin bởi các tổ chức bất hợp pháp Hình 1.2 biểu diễn một tín hiệu băng hẹp trong miền thời gian và trong miền tần số

Hình 1.2 Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Trong phần trước chúng ta đã biết rằng hệ thống UWB không dùng sóng mang, các xung có thời gian tồn tại ngắn (từ picosecond cho tới nanosecond) và chu kì nhỏ để truyền và nhận thông tin Trong đó thời gian tồn tại xung là tỉ lệ thời gian xung xuất hiện trên chu kì xung Hình 1.3 và phương trình 1.1 trình bày định nghĩa của thời gian tồn tại xung

off on

onTT

TCycle

Duty = + 1) (1.

Hình 1.3 Xung có thời gian tồn tại nhỏ Ton là thời gian tồn tại xung, Toff là thời gian

xung không xuất hiện

Chu kỳ tồn tại xung nhỏ cho ta một công suất phát trung bình thấp trong các hệ thống truyền thông UWB Công suất phát trung bình của các hệ thống UWB chỉ nhỏ vào cỡ microwatt, chỉ bằng một phần nghìn công suất của các điện thoại tế bào Tuy nhiên công suất đỉnh hoặc công suất phát tức thời của hệ thống truyền thông UWB tương đối lớn (trong một số trường hợp lên tới 1 watt cho 1 Mbps ở 1 MHz) nhưng do chúng chỉ được phát đi trong một khoảng thời gian rất ngắn (Ton chỉ vào

cỡ 1ns) nên công suất phát trung bình của nó thấp hơn Do đó, công suất phát trung bình của UWB trở nên rất thấp trong các thiết bị cầm tay Chúng ta biết rằng tần số

và thời gian là tỉ lệ nghịch với nhau nên xung có chu kì tồn tại nhỏ sẽ làm cho tần số trải ra trên một dải tần rộng vì vậy năng lượng sẽ được phân bố từ các thành phần một chiều cho tới tần số lớn cỡ GHz với mật độ phổ công suất (PSD: Power Spectral Density) rất thấp Hình 1.4 biểu diễn các xung UWB trong miền thời gian

và trong miền tần số

Hình 1.4 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Độ rộng băng thông trong mạng UWB lớn là do hệ số tỉ lệ trong miền thời gian của biến đổi Fourier như sau:

2) (1.

Vế trái của phương trình 1.2 biểu diễn tín hiệu x(t) với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian là a Vế phải là biểu diễn trong miền tần số, X(f) tỉ lệ nghịch với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian a Ví dụ như một xung có chu kì là T=500ps có thể phát ra một tần số trung tâm là 2GHz

GHz T

số để phân biệt mạng băng hẹp, băng rộng và băng siêu rộng được định nghĩa bởi tỷ

số ở các điểm mà dải thông suy giảm 10dB với tần số trung tâm Phương trình 1.4 biểu diễn mối quan hệ này

( ) ( ) 2 100% 2( ( ) ) 100%

l h

l h

l h

c f

ff

fff

f

fff

P

5) (1.

Hình 1.5 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần

1.5 CÁC ƯU ĐIỂM

Các loại xung có chu kì ngắn được sử dụng trong công nghệ UWB cho ta rất nhiều

ưu điểm so với truyền thông trong mạng băng hẹp Trong phần này ta sẽ trình bày các lợi ích chính mà mạng UWB mang lại trong truyền thông không dây

1.5.1 Kh ả năng chia sẻ phổ ầ t n

Trong qui định của FCC về yêu cầu công suất trong mạng UWB là 41.3 dBm/MHz tương ứng với 71.3 nw/MHz, công suất này được xếp vào loại mức công suất của các bộ phát xạ không gây ra một tác hại nào, như tivi hoặc màn hình máy vi tính Với giới hạn như vậy của công suất phát làm cho UWB nằm dưới mức nhiễu nền của một máy thu băng hẹp điển hình và cho phép nó tồn tại cùng với các dịch vụ băng vô tuyến đã có trước đó với mức nhiễu nhỏ hoặc không gây ra nhiễu Tuy nhiên để có được các ưu điểm đó còn phụ thuộc vào loại sơ đồ điều chế được sử dụng trong quá trình truyền đạt dữ liệu của hệ thống UWB

Hình 1.6 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác

trong phổ RF

Như chúng ta sẽ phân tích trong chương 2, việc lựa chọn sơ đồ điều chế sẽ tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ công suất PSD của

tồn tại và làm cho hệ thống UWB dễ dàng bị gây nhiễu bởi các hệ thống khác Hình 1.6 biểu diễn sự tồn tại của hệ thống UWB với các hệ thống băng hẹp và băng rộng khác

1.5.2 Dung lượng kênh lớn

Một trong những ưu điểm lớn nhất của hệ thống UWB do băng tần rộng đó là nó mang lại một dung lượng kênh lớn Dung lượng kênh hoặc tốc độ dữ liệu được định nghĩa là khối lượng lớn nhất của dữ liệu được truyền qua kênh truyền thông trong một giây Từ công thức Hartley Shannon chúng ta có thể thấy rõ dung lượng kênh lớn trong hệ thống UWB

dữ liệu như thế làm cho UWB rất lý tưởng cho các ứng dụng trong quân sự, dân sự

và trong các sản phẩm dân dụng

1.5.3 Khả năng để làm việc với một tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp

Công thức Hartley Shannon cho dung lượng kênh lớn nhất cũng nói lên rằng dung lượng kênh chỉ phụ thuộc theo hàm loga của tỉ số tín hiệu trên nhiễu Chính vì vậy

hệ thống truyền thông UWB có thể làm việc được trong các kênh truyền thông có nhiều nhiễu và tạp âm với một tỉ số SNR thấp nhưng nó vẫn có một dung lượng kênh lớn do độ rộng dải tần lớn của chúng

1.5.4 Tính bảo mật cao

Trong phần trước chúng ta đã biết rằng công suất phát trung bình của hệ thống UWB là tương đối thấp làm cho hệ thống UWB trở nên rất khó bị phát hiện đối với các tổ chức bất hợp pháp muốn nghe lén hoặc lấy cắp thông tin Với một công suất phát thấp như vậy những kẻ nghe trộm phải đứng gần máy phát khoảng 1m để có thể phát hiện được thông tin truyền đi Thêm vào đó các xung UWB được điều chế cùng với một mã duy nhất cho một cặp thu phát, và các xung rất hẹp được điều chế cộng với việc phát hiện các xung cỡ ps mà không cần biết thời điểm chính xác chúng đến làm cho các thông tin được truyền đi với tính bảo mật cao Tính bảo mật cao cộng với việc xác suất thông tin bị lấy cắp là rất nhỏ làm cho UWB là một trong những hệ thống được ưu tiên trong việc sử dụng trong quân sự

1.5.5 Khả năng chống nhiễu

Khác với các hệ thống băng hẹp phổ của hệ thống UWB sẽ trải ra trên một dải tần rộng từ DC cho tới vài GHz và cung cấp một hệ số khuyếch đại của quá trình xử lý (PG: Processing Gain) cao Trong đó PG là một tỉ số nói lên khả năng chống nhiễu của hệ thống thông tin vô tuyến được định nghĩa là tỉ số của độ rộng băng thông RF trên độ rộng băng thông của thông tin như sau:

bandwidthInfomation

bandwidthRF

PG =

(1.8)

Sự đa dạng về tần số gây ra do PG cao làm cho các tín hiệu UWB có một khả năng chống nhiễu tương đối cao Do không có một máy gây nhiễu nào có thể gây ra nhiễu cho toàn bộ dải tần của hệ thống UWB tại một thời điểm Vì vậy cho dù có một số tần số bị nhiễu vẫn còn có một giới hạn lớn các tần số khác không bị nhiễu Tuy nhiên khả năng chống lại nhiễu này chỉ là so với các hệ thống băng hẹp và băng rộng Chính vì vậy hiệu quả của hệ thống truyền thông vẫn có thể bị suy giảm phụ thuộc vào sơ đồ điều chế của nó do tác động của các nhiễu đến từ các mạng băng hẹp là khá lớn khi chúng tồn tại trong cùng một băng tần với hệ thống UWB

1.5.6 Hiệu quả cao trong các kênh đa đường

Trong truyền thông không dây thì đa đường là một hiện tượng không thể tránh khỏi

Nó gây ra do sự phản xạ tín hiệu truyền đi trên nhiều bề mặt khác nhau chẳng hạn như các tòa nhà, các cây cối và con người Đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu gọi là LOS (Line Of Sight), các tín hiệu phản xạ từ các bề mặt gọi là NLOS (Non Line Of Sight) Hình 1.7 biểu diễn hiện tượng đa đường trong mạng băng hẹp

Hình 1.7 (a) Hiện tượng đa đường trong truyền thông không dây (b) ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp (c) ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu

rộng

Trong hình 1.7 chúng ta thấy rằng ảnh hưởng của đa đường lên tín hiệu trong mạng băng hẹp là rất lớn, nó có thể làm cho tín hiệu suy giảm tới 40dB do sự lệch pha của các tín hiệu LOS và NLOS của dạng sóng liên tục Nói cách khác, chu kì cực ngắn của các xung UWB làm cho nó ít nhạy cảm hơn đối với hiện tượng đa đường Do các xung được truyền trong khoảng thời gian nhỏ hơn ns trong hầu hết các trường hợp nên các xung phản xạ NLOS rất ít có khả năng va chạm với các tín hiệu LOS Mặc dù các xung UWB có chu kì ngắn làm chúng khó bị ảnh hưởng bởi đa đường

so với các tín hiệu trong mạng băng hẹp song điều đó không có nghĩa là hệ thống truyền thông UWB tránh hoàn toàn khỏi méo do đa đường Trong quá trình nghiên cứu mô hình kênh UWB người ta đã thấy rằng sự phụ thuộc của sơ đồ điều chế, các xung UWB có công suất thấp sẽ có thể bị méo rất trầm trọng trong môi trường truyền sóng trong nhà do ở đó có một số lượng lớn các vật thể đặt rất gần nhau

Để hiểu rõ hơn về các kĩ thuật điều chế UWB khác nhau và hiệu quả của chúng trong các kênh đa đường chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết trong chương 2

1.5.7 Khả năng đâm xuyên lớn

Không giống như trong mạng băng hẹp, các hệ thống UWB có khả năng đâm xuyên một cách hiệu quả qua các loại vật liệu khác nhau Các thành phần tần số thấp trong dải tần rộng của phổ tần số UWB có bước sóng lớn, làm cho các tín hiệu UWB có khả năng đâm xuyên qua nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó có cả tường Tính chất này làm cho UWB được sử dụng một cách có hiệu quả trong việc truyền thông xuyên tường (through the wall communications) và radar đâm xuyên mặt đất (ground penetrating radars) Tuy nhiên, khả năng đâm xuyên qua các lớp vật liệu nói trên của UWB chỉ thích hợp khi nó được phép sử dụng các thành phần tần số thấp của phổ tần số

1.5.8 Kiến trúc máy thu đơn giản

Như chúng ta đã đề cập đến từ các phần trước, việc truyền các tín hiệu UWB là không có sóng mang điều đó có nghĩa là dữ liệu không được điều chế trên các sóng

và băng rộng Do không sử dụng đến sóng mang nên yêu cầu ít các thành phần RF hơn trong việc truyền dẫn có sóng mang Điều này làm cho kiến trúc khối thu phát UWB trở nên đơn giản hơn rất nhiều và dễ dàng triển khai hơn Hình 1.8 so sánh sơ

đồ khối của một mạng băng hẹp và sơ đồ khối thu phát của một mạng UWB điển hình

Hình 1.8 (a) Kiến trúc máy thu phát của mạng băng hẹp (b) Kiến trúc khối thu phát

sẽ giảm xuống

1.6 THÁCH THỨC

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống mạng băng rộng đã tồn tại từ trước, thì việc sử dụng các xung có chu kì và thời gian tồn tại xung cực ngắn

Tồn tại cùng với các mạng băng hẹp

và băng rộng hiện tại Tránh được việc phải đăng kí

Dung lượng kênh lớn Băng thông lớn sẽ hỗ trợ luồng video

thời gian thực tốc độ dữ liệu caoKhả năng làm việc với mức SNR

đường

Cường độ tín hiệu cao hơn trong điều

kiện không thuận lợi

Kiến trúc máy thu đơn giản Làm cho công suất cực thấp, kiến trúc

nhỏ, làm giảm giá

Bảng 1 Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB 1

cũng có rất nhiều thách thức, dưới đây là những khó khăn chủ yếu mà ta gặp phải khi sử dụng hệ thống truyền thông UWB

1.6.1 Sự méo dạng xung

Đặc điểm truyền dẫn của các xung UWB phức tạp hơn rất nhiều so với các xung

nhiên điều này lại không đúng đối với các tín hiệu UWB do các xung UWB có mức công suất thấp vì vậy nó sẽ bị méo một cách nghiêm trọng trên đường truyền dẫn Chúng ta có thể thấy sự méo này thông qua công thức Friss như sau:

Pr t t r

Trong đó Pt và Pr lần lượt là công suất phát và công suất thu, Gt và Gr lần lượt là

hệ số khuyếch đại của anten phát và anten thu, c là vận tốc ánh sáng, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu và f là tần số của tín hiệu

Trong công thức trên chúng ta thấy rằng công suất tín hiệu thu được sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương tần số Đối với các hệ thống băng hẹp do tần số của tín hiệu rất nhỏ nên sự thay đổi về tần số sẽ chỉ dẫn đến sự thay đổi rất nhỏ của tín hiệu thu được vì vậy mà có thể bỏ qua sự thay đổi này Tuy nhiên, đối với mạng băng siêu rộng do tần số rất lớn nên sự thay đổi này của tần số sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất tín hiệu thu được do đó làm méo dạng xung Điều này đã làm hạn chế hiệu quả của máy thu UWB khi nó phục hồi lại thông tin bằng việc tính tương quan của xung thu được với một mẫu (template) đã được định nghĩa trước ở phía máy thu Chúng ta sẽ biết đến máy thu UWB này khi thảo luận trong chương 2

1.6.2 Ước lượng kênh

Ước lượng kênh là cốt lõi của vấn đề trong việc thiết kế máy thu của hệ thống truyền thông không dây Do chúng ta không thể đo tất cả các kênh truyền thông không dây của trường, nên việc dùng các thông số của kênh truyền chẳng hạn như

sự suy giảm và trễ truyền dẫn để ước lượng các thông số của kênh là rất cần thiết Chúng ta đã biết rằng máy thu UWB sẽ tương quan tín hiệu thu được với một tín hiệu mẫu được dự báo trước, chính vì vậy việc biết trước được các thông số của kênh để dự báo trước dạng của tín hiệu mẫu là rất cần thiết Tuy nhiên do dải thông của tín hiệu UWB là rất lớn và năng lượng của tín hiệu bị suy giảm trong môi trường truyền dẫn làm cho các xung UWB bị méo rất lớn vì vậy việc ước lượng

kênh trong hệ thống truyền thông UWB một cách chính xác là một vấn đề rất khó khăn.

1.6.3 Đồng bộ

Đồng bộ theo thời gian là một thách thức lớn và là một hướng nghiên cứu của hệ thống truyền thông UWB Giống như với tất cả các hệ thống truyền thông khác, ta cần phải thực hiện quá trình đồng bộ về thời gian giữa một cặp máy phát và máy thu Tuy nhiên quá trình đồng bộ và quá trình lấy mẫu các xung cỡ ns đã tạo ra một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống truyền thông UWB Để lấy mẫu được các xung rất hẹp chúng ta sẽ phải sử dụng đến các bộ ADC rất nhanh Do sự giới hạn trong công suất và chu kì xung ngắn làm cho hiệu quả của hệ thống UWB rất nhạy cảm với các lỗi về thời gian chẳng hạn như jitter, hiện tượng trôi (drift) Đây là một trong những khó khăn chủ yếu đối với các máy thu của hệ thống UWB

mà sử dụng sơ đồ điều chế kiểu PPM, dựa trên việc tách chính xác vị trí của tín hiệu thu được

1.6.4 Nhiễu đa truy nhập

Trong hệ thống truyền thông đa truy nhập có rất nhiều người sử dụng khác nhau hoặc các thiết bị gửi thông tin một cách đồng thời và độc lâp trên một kênh truyền thông Ở đầu cuối máy thu, một hoặc nhiều máy thu có thể tách thông tin của người

sử dụng mà nó quan tâm Nhiễu từ các thiết bị khác hoặc của người sử dụng khác lên người sử dụng mà chúng ta muốn lấy thông tin gọi là nhiễu đa truy nhập (MAI: multi access interference) Do sự ảnh hưởng của MAI cộng với tạp âm của kênh và nhiễu trong các mạng băng hẹp như đã được mô tả trước đó sẽ làm giảm một cách đáng kể các xung UWB có công suất thấp và làm cho quá trình tách tín hiệu trở nên khó khăn Hình 1.9 biểu diễn kênh đa truy nhập UWB

Như trong hình 1.9 chúng ta thấy rằng việc tách mỗi người sử dụng riêng biệt từ các tín hiệu UWB công suất thấp, méo lớn là một công việc rất khó khăn

Hình 1.9 Kênh đa truy nhập UWB

Bảng 1.2 là các thách thức và vấn đề mà các xung có độ rộng hẹp có thể mang lại đối với hệ thống truyền thông UWB

Thách thức Khó khăn

Méo dạng xung Hiệu quả thấp khi dùng các máy thu có sử dụng bộ lọc

thích nghi cổ điểnƯớc lượng kênh Khó dự báo các tín hiệu mẫu

Đồng bộ Yêu cầu các bộ ADC rất nhanh

Nhiễu đa truy nhập Quá trình tách thông tin của người sử dụng mong muốn

khó khăn hơn nhiều so với các mạng băng hẹp

Công suất phát thấp Thông tin chỉ có thể truyền được trên một khoảng cách

ngắn

Bảng 1.2 Một số thách thức đối với mạng UWB

1.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ

Mặc dù UWB là một công nghệ đang phát triển và đã có nhiều thông tin về khái niệm cũng như năng lực của nó song vẫn còn rất nhiều sự nhầm lẫn mà cần phải được làm rõ Một trong số những sự nhầm lẫn đó là truyền thông UWB với kĩ thuật

trải phổ Ta đã biết cả UWB và kĩ thuật trải phổ đều có nguồn gốc từ truyền thông trong quân sự, song chúng ta cần phân biệt rõ hai khái niệm này, để làm rõ chúng ta cần phải giới thiệu sơ lược hai kĩ thuật trải phổ được sử dụng là DSSS và FHSS

1.7.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Hình 1.10 Chuỗi dữ liệu và trải mã của nó dùng DSSS

Trong DSSS một mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để trải mỗi bit dữ liệu cùng một

số lượng lớn các chip, trong đó khoảng thời gian của chip nhỏ hơn khoảng thời gian của bit như được biểu diễn trong hình 1.10 Các từ mã sẽ trải dữ liệu ra một dải thông lớn hơn được yêu cầu để truyền thông tin Trong hình 1.10 chúng ta thấy rằng bit 1 được biểu diễn bởi một mã bốn bit là 1010, và bit 0 được biểu diễn bởi một mã bốn bit là 1100 Quá trình trải dữ liệu ra các chip có chu kì nhỏ hơn làm cho năng lượng của tín hiệu được trải ra trong miền tần số lớn hơn mức nhiễu nền của máy thu băng hẹp một chút Để truyền dữ liệu đi, mỗi một chip sẽ được điều chế cùng với một kĩ thuật băng hẹp truyền thống

1.7.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Kĩ thuật FHSS được phát minh bởi Hedy Lamarr năm 1942 với dự án “Secret communication System” Giống như với DSSS, FHSS sẽ trải năng lượng của tín hiệu trong miền tần số và tạo ra các ưu điểm trong truyền thông băng rộng Tuy nhiên, độ rộng của băng thông rộng hơn so với khi không sử dụng kĩ thuật trải phổ không phải do trải dữ liệu giống như trong DSSS mà FHSS sẽ dùng các chặng tần

số đó khi kết hợp lại sẽ tạo nên một dải tần rộng Sự thay đổi trong tần số để truyền

dữ liệu diễn ra rất nhanh làm cho các tổ chức bất hợp pháp muốn đánh cắp thông tin truyền đi là một việc rất khó Như được biểu diễn trong hình 1.11 là các tín hiệu sẽ nhảy từ một tần số này tới một tần số khác theo thời gian

Hình 1.11 Phân chặng tần số trong kĩ thuật FHSS

1.7.3 Sự khác nhau chủ yếu

Hình 1.12 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng trong miền thời gian

và trong miền tần số

Hai kĩ thuật DSSS và FHSS đều cho phép trải tín hiệu trong miền tần số và mang lại nhiều tiến bộ cho mạng băng hẹp chẳng hạn như mật độ phổ công suất thấp, tínhbảo mật cao, phân tập tần số, cho hiệu quả tốt hơn đối với hiện tượng đa đường và khả năng chống các nhiễu do các hệ thống khác gây ra Tất cả ưu điểm mà DSSS và FHSS mang lại đối với mạng băng hẹp cũng tương tự như đối với UWB đối với các tín hiệu băng siêu rộng Như vậy đâu là sự khác nhau chủ yếu giữa chúng.

Chúng ta sẽ phân biệt các kĩ thuật trải phổ và UWB dựa trên phương pháp để thu được dải tần rộng của chúng

Trong các kĩ thuật trải phổ truyền thống , tín hiệu là hình sin liên tục được điều chế cùng với một sóng mang cố định Trong mạng băng siêu rộng như chúng ta biết rằng chúng không dùng sóng mang, dải tần rộng của băng thông có được là do các xung có độ rộng rất hẹp

Một điểm khác trong băng thông của mạng băng hẹp dùng kĩ thuật trải phổ và mạng băng siêu rộng ở chỗ kĩ thuật trải phổ chỉ cung cấp cho chúng ta độ rộng băng thông

cỡ MHz, trong khi đó UWB có độ rộng băng thông lên tới GHz Hình 1.12 biểu diễn sự khác nhau giữa băng hẹp, băng rộng, và UWB

Trong hình 1.12 chúng ta thấy rằng, đối với mạng băng hẹp, các tín hiệu liên tục

CW (Continuous Waveform) chiếm một dải tần số hẹp, tuy nhiên trong các kĩ thuật băng rộng giới hạn tần số của các tín hiệu CW được trải ra lớn hơn một chút so với mức nhiễu nền do việc dùng các chuỗi để trải phổ Trong UWB, độ lớn của phổ lên tới vài GHz là do các xung có chu kì và thời gian tồn tại ngắn mà không dùng đến bất kì một mã ngẫu nhiên nào để trải phổ

Trong các tín hiệu băng hẹp tín hiệu hình sin luôn luôn xuất hiện trong toàn bộ khoảng thời gian vì vậy mà thời gian tồn tại xung (duty cycle) là 100%, trong khi đó các xung UWB chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn của chu kỳ xung do đó thời gian tồn tại xung (duty cycle) nhỏ hơn 0.5% Như chúng ta đã giải thích trong

một khuyết điểm đối với hệ thống UWB do thông tin chỉ có thể truyền được trong một khoảng thời gian ngắn, đối với các ứng dụng có khoảng cách lớn kĩ thuật trải phổ băng hẹp vẫn là một giải pháp tốt

1.8 ĐƠN BĂNG VÀ ĐA BĂNG

Như chúng ta biết rằng UWB là một công nghệ mang lại tốc độ dữ liệu cao, trong khoảng cách ngắn vì vậy nó thích hợp với lớp vật lý trong chuẩn IEEE802.15.3.a đối với các mạng cá nhân không dây (WPAN) Tuy nhiên trong thực tế có hai nhóm vẫn còn đang tranh luận trong chuẩn của IEEE đó là kĩ thuật đơn băng và kĩ thuật đa băng Kĩ thuật đơn băng được sử dụng trong một số tổ chức như Motorola, Xtreme Spectrum Trong phương pháp này các xung hẹp sẽ chiếm một phần lớn của dải phổ Đối với kĩ thuật đa băng thì dải phổ của UWB sẽ được chia ra làm các dải phổ nhỏ hơn và không chồng lấn lên nhau với dải thông của mỗi phần lớn hơn 500MHz Phương pháp đa băng được sử dụng bởi một số tổ chức như Staccato Communications, Intel, Texas Instruments, General Atomics, and Time Domain Corporation

Ngày nay cả hai công nghệ vẫn tồn tại và đều có những ưu điểm cũng như khuyết điểm riêng của chúng Trong phần dưới đây chúng ta sẽ thảo luận về các chuẩn 802.15.3a bao gồm direct_sequence UWB (DS_UWB) và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao đa băng (OFDM_orthogonal frequency division multiplexing)

1.8.1 Direct Sequece UWB(DS UWB)

DS UWB là một phương pháp đơn băng dùng các xung băng hẹp và quá trình xử lý tín hiệu trong miền thời gian được kết hợp với kĩ thuật DSSS để truyền và nhận thông tin Hình 1.13 biểu diễn phương pháp này

Dữ liệu được truyền đi trong phương pháp này dựa trên kĩ thuật điều chế BPSK (Bi_phase shift keying) và các máy thu Rake sẽ được sử dụng để thu được năng lượng tín hiệu từ các đường khác nhau do hiện tượng đa đường gây ra Căn cứ vào các đề xuất lên tổ chức IEEE 802.15.3a cho thấy rằng DS UWB có thể đạt được tốc

độ lên tới 1Gbps Khác với mạng băng hẹp bị suy giảm nhiều do fading gây ra, DS

UWB không bị ảnh hưởng bởi fading Rayleigh này Do đó nó là một nguyên nhân khiến cho DS UWB được sử dụng trong kĩ thuật.

Trong phương pháp multiband UWB người ta sử dụng phổ tần lên tới 7500 MHz của dải phổ để truyền và nhận thông tin khác với các kĩ thuật băng hẹp truyền thống Băng tần số trong kĩ thuật UWB được phân chia làm các băng nhỏ hơn có độ rộng lớn hơn 500 MHz Hình 1.14 biểu diễn phương pháp này

Hình 1.13 DS UWB truyền một xung đơn trên một dải lớn của phổ để biểu diễn dữ liệu

1.8.2 Multiband OFDM

Hình 1.14 Phương pháp đa băng chia dải phổ của UWB ra làm nhiều băng con không

chồng lấn lên nhau

Phương pháp này tương tự với kĩ thuật nhảy tần số trong mạng băng hẹp Việc phân chia dải phổ UWB ra làm nhiều băng tần số con là một cải tiến của UWB trong việc tránh truyền tín hiệu trên một băng tần cố định chẳng hạn như tại tần số 5GHz trong chuẩn 802.11a đã tăng cường khả năng chống nhiễu cho hệ thống Đối với phương pháp này việc chia băng tần 7.5GHz ra làm các băng nhỏ hơn đã làm cho các xung

có độ rộng lớn hơn so với các phương pháp UWB truyền thống từ đó làm cho yêu cầu đồng bộ trở nên dễ dàng hơn Rất nhiều các kĩ thuật điều chế đã được đề xuất cho UWB multiband nhưng OFDM được khuyến nghị bởi Texas Instruments cung cấp một hiệu quả cao đối với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao

Như ta đã trình bày ở trên cả hai kĩ thuật DS UWB và Multi OFDM đều đang được

sử dụng Những người sử dụng kĩ thuật DS UWB thì cho rằng hệ thống Multi OFDM phức tạp do nó sử dụng phương pháp chuyển đổi Fourier nhanh (FFT_Fast Fourier Transform) Trong khi đó những người sử dụng hệ thống sử dụng kĩ thuật OFDM thì cho rằng hệ thống của họ cung cấp khả năng tồn tại cùng với các hệ thống khác tốt hơn, và họ phủ nhận hệ thống DS UWB vì cho rằng nhiễu sẽ xuất hiện Những bàn cãi về vấn đề này sẽ vẫn còn được tranh luận cho tới tận khi nhận được quyết định cuối cùng của ủy ban các chuẩn IEEE802.15.3a để đi đến phán quyết cuối cùng

1.9 CÁC QUY ĐỊNH ĐỐI VỚI UWB

1.9.1 Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB

Ngày 14 tháng 2 năm 2002, FCC đã mở một hội nghị không thường niên đối với dải thông cho các ứng dụng thương mại của công nghệ UWB hiện tại Sau rất nhiều cuộc họp cuối cùng FCC đã đưa các yêu cầu đối với dải thông UWB Một năm sau, tháng 2 năm 2003 FCC đã đưa ra bản “Memorandom Opinion and Order” tới các nhà phát triển Các văn bản hướng dẫn này sau đó đã nhanh chóng được đưa tới các lãnh đạo công ty đối với các mạng trong nhà, các công ty điện tử dân dụng như Philips Electronics và Samsung Electronics, và các tập đoàn máy tính cá nhân như Intel, Texas Instruments, Microsoft, các trung tâm phát triển UWB chẳng hạn như Multispectral Solutions, Pulse LINK, Staccato Communications, Time Domain

Corportion, và Xtreme Spectrum cùng các tổ chức ở Hoa Kỳ như GroundPenetrating Radar Industry Coalition

Mặt nạ phổ được qui định bởi FCC là 7.5 GHz từ 3.1 GHz cho tới 10.6 GHz đối với các thiết bị viễn thông FCC cũng đã qui định về việc tránh gây nhiễu do hệ thống UWB gây ra cho các dịch vụ sử dụng trong dải tần này bằng cách hạn chế công suất phát của máy phát UWB Mật độ phổ công suất của các thiết bị UWB được giới hạn

là 41.3 dBm/MHz Sự khác nhau chủ yếu của vùng làm việc indoor và outdoor đó là mức độ suy giảm công suất cao hơn vùng ngoài băng của các thiết bị làm việc trong vùng outdoor Hơn nữa chúng ta cần bảo vệ các máy thu GPS có tần số trung tâm là 1.6 GHz Trước đó tại cuộc họp vào tháng 6 năm 2003 các tổ chức Multiband OFDM Alliance (MBOA) và Motorola/XtremeSpectrum đã tranh cãi nhau về việc MBOA có sử dụng kĩ thuật chặng tần số hay không và các yêu cầu về giới hạn dữ liệu của 802.15.3a trong khi vẫn duy trì khuyến cáo của FCC về các hệ thống sử dụng kĩ thuật chặng tần số sẽ được kiểm tra như thế nào FCC đã tiến hành rất nhiều cuộc họp để thay đổi các qui định sao cho phù hợp với các chuẩn của IEEE hiện tại

1.9.2 Các qui định sẽ thống nhất trên toàn thế giới

Hiện tại UWB chỉ được qui định trên đất nước Mĩ Tuy nhiên người ta đang nỗ lực

để các qui định đối với hệ thống UWB trở thành một hệ thống phổ biến trên toàn thế giới Intel đang tích cực vận động các tổ chức khác trên thế giới như Nhật Bản, Châu Âu, Trung Quốc để thu được các qui định đối với các hệ thống UWB giống như đối với chuẩn của FCC Các qui định được thống nhất trên toàn thế giới mang lại lợi ích rất lớn đối với hệ thống UWB làm cho nó được sử dụng thông suốt trên toàn cầu

Mặc dù có rất nhiều hoài nghi do tác dụng mà UWB mang lại song mọi nỗ lực vẫn đang được cố gắng để thay đổi điều này Các qui định của FCC đang là khuôn mẫu trên toàn thế giới cho các tổ chức khác như Canada, Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc tuân theo và chúng sẽ sớm được phê chuẩn ở Châu Âu, và Châu Á do những hoạt

động của Intel, Philips, Sony, Sharp, Panasonic, STMicroelectronics, Texas Instruments, Motorola/XtremeSpectrum và Wisar

 Châu Âu

Ở Châu Âu đã có rất nhiều các dự án đối với UWB chẳng hạn như khái niệm băng siêu rộng cho các mạng Ad hoc (UCAN Ultra wideband Concepts for Ad hoc Networks), hệ thống giải trí âm thanh và hình ảnh với công nghệ UWB (ULTRAWAVES Ultra wideband Audio Video Entertaiment System), hệ thống vô tuyến với năng lượng phổ thấp (PULSERS pervasive Ultra wideband Low Spectral Energy Radio System), mọi cố gắng được thực hiện bởi các công ty như STMicroelectronics, Philips, Wisair, và XtremeSpectrum UCAN đã báo cáo về suy hao truyền dẫn trên kênh, điều khiển truy nhập đường truyền, các giao thức định tuyến và chiến lược cho lựa chọn đường Philips và Wisar là một trong những công

ty đi tiên phong trong các dự án PULSERS và ULTRAWAVES Dự án ULTRAWAVES nhằm cung cấp các giải pháp kết nối không dây trong nhà với hiệu quả cao và giá thành thấp, hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu video chất lượng cao đa luồng và multimedia băng rộng Các mục đích chính của dự án là các phương thức của ULTRAWAVES, các vấn đề cùng tồn tại với các hệ thống khác, vấn đề triển khai trong các lớp khác nhau Các đối tác bao gồm Wisair, Philips, ENSTA Armines, RadioLabs, Chalmers University of Technology, và trung tâm truyền thông không dây tại đại học Oulu, Finland

 Nh t B n ậ ả

Tháng 9 năm 2002, sau khi được tác động từ các công ty như XtremeSpectrum, Texas Instruments, Intel, Sony, Sharp, Panasonic bộ bưu chính và viễn thông Nhật Bản (MPHPT) khi đó đã đưa yêu cầu đến hội đồng truyền thông về các điều kiện truyền thông cho các hệ thống truyền thông radio UWB Khi đó, hội đồng truyền thông sẽ báo cáo sau một năm Tuy nhiên tình trạng này vẫn không được chú ý đến Tháng 4 năm 2003, các nhà khoa học của Intel đã làm việc với MPHPT để cho phép việc phát UWB ra công chúng lần đầu tiên được tổ chức tại diễn đàn Intel

 Singapore

Từ tháng 2 năm 2003, Singapore đã bắt đầu với các dự án UWB Mục đích của các

dự án hai năm này là để khuyến khích việc triển khai giới thiệu các qui định thử nghiệm UWB nhằm tập hợp dữ liệu để phục vụ cho việc xác định các qui định cho việc phát triển các sản phẩm thương mại của UWB sau này IDA (Infocomm Development Authority) đã đưa ra các qui định để cho phép phát tín hiệu UWB trong một diện tích cho trước và việc nghiên cứu các sản phẩm tương thích với UWB Các chương trình UWB được triển khai với giới hạn phát và chế độ làm việc

Hình 1.15 Giới hạn phát cho các thiết bị truyền thông indoor

lỏng lẻo hơn trong các qui định của FCC chẳng hạn như các giấy phép đăng kí thử nghiệm sẽ miễn phí với các thiết bị indoor và outdoor, đồng thời không hạn chế thiết bị dùng pin hay điện áp xoay chiều

Hình 1.16 Giới hạn phát cho các thiết bị truyền thông outdoor

Tháng 4 năm 2003, các nhà khoa học Singapore tại viện nghiên cứu công nghệ thông tin và viễn thông đã thực hiện một kết nối không dây UWB tuân theo qui định của FCC cho UWB đối với một cặp máy phát và máy thu dữ liệu đạt được tốc độ lên tới 500 Mbps gấp hai lần so với tốc độ đã đạt được trước đó ở một số thí nghiệm

là 220 Mbps

1.10 GIỚI HẠN PHÁT CỦA FCC

Như trong phần 1.9 chúng ta đã biết rằng để bảo vệ các hệ thống đang tồn tại do nhiễu đến từ hệ thống UWB, FCC đã qui định một mặt nạ phát cố định giữa 3.1 và 10.6 GHz đối với các sản phẩm thương mại UWB Mật độ phổ công suất phát cho phép lớn nhất đối với các thiết bị này là 41.3 dBm/MHz hoặc 75 nW/MHz có công suất bằng với mức công suất của các hệ thống không đáng quan tâm về năng lượng phát xạ của các thiết bị điện tử dân dụng như tivi hay màn hình máy vi tính Căn cứ vào các qui định của FCC ta chia các thiết bị UWB vào 3 loại chính là truyền thông, hình ảnh, radar

1.10.1 Các thiết bị truyền thông

Đối với các thiết bị truyền thông, FCC đã qui định giới hạn phát khác nhau đối với các sản phẩm indoor và outdoor Mặt nạ phổ cho các thiết bị outdoor thấp hơn mặt