Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng uwb khử nhiễu trong uwb

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI=====o0o===== LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCNGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬTỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUY N ẾBĂNG SIÊU RỘNG UWB – KH

KHÁI NIỆM VỀ UWB

Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, tín hiệu RF được điều chế liên tục bằng tần số sóng mang xác định để truyền và nhận thông tin Dạng sóng này có năng lượng tập trung trong một băng tần hẹp Tuy nhiên, tín hiệu liên tục có tần số thấp dễ bị phát hiện và đánh cắp thông tin bởi các tổ chức bất hợp pháp.

Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Trong hệ thống UWB, sóng mang không được sử dụng, mà thay vào đó là các xung có thời gian tồn tại rất ngắn, từ picosecond đến nanosecond, với chu kỳ nhỏ để truyền và nhận thông tin Thời gian tồn tại của xung được tính theo tỷ lệ thời gian xung xuất hiện trên chu kỳ xung.

Hình 1.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ Ton là thời gian tồn tại xung, T off là thời gian xung không xuất hiện

Chu kỳ tồn tại xung nhỏ trong các hệ thống truyền thông UWB dẫn đến công suất phát trung bình thấp, chỉ khoảng microwatt, tương đương một phần nghìn công suất của điện thoại di động Mặc dù công suất đỉnh có thể đạt tới 1 watt cho 1 Mbps ở 1 MHz, nhưng do thời gian phát rất ngắn (khoảng 1ns), công suất phát trung bình vẫn thấp Tần số và thời gian có mối quan hệ tỉ lệ nghịch, do đó, xung có chu kỳ tồn tại nhỏ sẽ trải rộng trên một dải tần số lớn, phân bố năng lượng từ các thành phần một chiều đến tần số lớn cỡ GHz với mật độ phổ công suất (PSD) rất thấp.

Hình 1.3 minh họa một xung UWB (a) trong miền thời gian và (b) trong miền tần số Độ rộng băng thông lớn trong mạng UWB được giải thích bởi hệ số tỉ lệ trong miền thời gian của biến đổi Fourier.

Tín hiệu x(at) được tạo ra từ tín hiệu x(t) thông qua hệ số tỷ lệ a, trong đó x(t) là tín hiệu trong miền thời gian Tín hiệu X(f) tương ứng trong miền tần số của x(t) cho thấy rằng X(f) tỉ lệ nghịch với hệ số tỷ lệ a trong miền thời gian.

CÁC TÍN HIỆU UWB

Dạng xung cơ bản trong công nghệ UWB thường được biết đến là xung đơn (monocycle), đặc trưng bởi chỉ một chu kỳ và có thể là bất kỳ hàm nào đáp ứng yêu cầu về mặt nạ phổ.

Khi các xung phát ra có độ rộng rất hẹp (khoảng 1ns), năng lượng của chúng sẽ trải ra trên một băng tần rộng Theo quy định, các xung UWB cần có độ rộng băng thông lớn hơn 500MHz hoặc phân bố dải thông lớn hơn 20% trong toàn bộ thời gian phát xung.

Tín hiệu UWB có thể được tạo ra từ nhiều dạng tín hiệu băng rộng, bao gồm Gaussian, chirp, wavelet, hoặc các xung ngắn dựa trên đa thức Hermit Kỹ thuật chế tạo xung Gaussian tương đối đơn giản và cho phổ tần phù hợp với mặt nạ phổ.

Hình 1.4 minh họa xung đơn chu kỳ Gaussian, đại diện cho xung UWB trong miền thời gian và miền tần số Xung Gaussian đơn là vi phân cấp một của xung Gaussian gốc, được mô tả bằng công thức sau:

Thời gian (Ns) Tần số (GHz)

Biên độ phổ công suất (dB)

Hình 1 Xung Gaus4 sian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số

Trong đó t: là thời gian τ: là một hằng số thời gian trễ

FFC định nghĩa một tín hiệu UWB phải có tỷ lệ băng thông lớn hơn 0,02 hoặc chiếm phổ tần lớn hơn 500MHZ

Tỷ lệ băng thông này được định nghĩa như sau:

CÁC Ư U ĐIỂM VÀ NH ỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB Ư

Ưu điểm

Công nghệ UWB (Ultra Wideband) sử dụng xung ngắn với nhiều ưu điểm vượt trội, mang lại lợi ích đáng kể so với các phương thức truyền thông trong mạng băng hẹp.

1.4.1.1 Khả năng chia sẻ phổ tần

Theo yêu cầu về công suất của FCC trong mạng UWB, mức công suất là 41.3 dBm/MHz, tương đương với 71.3 nw/MHz Mức công suất này tương tự như bức xạ từ tivi hoặc màn hình máy vi tính và được phân loại là an toàn, không gây hại Giới hạn công suất phát này đảm bảo rằng các thiết bị hoạt động trong mạng UWB không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.

UWB hoạt động dưới mức nhiễu nền của máy thu băng hẹp, cho phép đồng thời tồn tại với các dịch vụ băng vô tuyến hiện có mà không gây ra nhiễu hoặc chỉ tạo ra mức nhiễu rất nhỏ.

Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác

Để tận dụng các ưu điểm của hệ thống UWB, việc lựa chọn loại sơ đồ điều chế là rất quan trọng Cách điều chế không phù hợp có thể tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ công suất (PSD), dẫn đến tăng cường nhiễu cho hệ thống UWB Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất của hệ thống mà còn khiến nó dễ bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác đang hoạt động trong cùng tần số.

Hình 1.6 : So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi

Dung lượng kênh, hay tốc độ dữ liệu, được xác định là lượng dữ liệu tối đa có thể truyền qua kênh truyền thông trong một giây Theo công thức Hartley Shannon, dung lượng kênh trong hệ thống UWB cho thấy khả năng truyền tải dữ liệu lớn.

Trong đó: C - dung lượng kênh lớn nhất (bits/sec)

B - Độ rộng băng thông (Hz)

UWB có dung lượng kênh lớn nhờ băng tần rộng, với dung lượng kênh tăng tuyến tính theo độ rộng băng thông Tín hiệu UWB, với dải thông lên tới vài GHz, có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến Gbps Tuy nhiên, theo quy định của FCC, tốc độ cao này chỉ được phép truyền trong khoảng cách ngắn khoảng 10m Vì vậy, UWB thường được ưa chuộng trong các mạng cá nhân không dây (WPAN) cũng như trong các ứng dụng quân sự, dân sự và sản phẩm tiêu dùng.

1.4 1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp

Theo công thức Hartley Shannon, dung lượng kênh truyền thông chỉ phụ thuộc vào hàm logarit của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Hệ thống truyền thông UWB có khả năng hoạt động hiệu quả trong các kênh có nhiều nhiễu và tạp âm, ngay cả khi tỉ số SNR thấp Điều này cho thấy UWB vẫn duy trì dung lượng kênh lớn nhờ vào băng thông rộng của nó.

Khác với các hệ thống băng hẹp, hệ thống UWB trải rộng trên một dải tần từ DC đến vài GHz, mang lại hệ số khuyếch đại cao trong quá trình xử lý tín hiệu.

PG (Processing Gain) là một chỉ số quan trọng phản ánh khả năng chống nhiễu của hệ thống thông tin vô tuyến, được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng thông RF và độ rộng băng thông của thông tin.

Máy gây nhiễu không thể tác động đến toàn bộ dải tần của hệ thống UWB cùng một lúc, dẫn đến việc vẫn còn nhiều tần số không bị ảnh hưởng Tuy nhiên, khả năng chống nhiễu của hệ thống UWB chỉ vượt trội hơn so với các hệ thống băng hẹp và băng rộng Do đó, hiệu quả truyền thông có thể bị suy giảm tùy thuộc vào sơ đồ điều chế, đặc biệt khi các nhiễu từ mạng băng hẹp tồn tại trong cùng một băng tần với hệ thống UWB.

Công suất phát trung bình của hệ thống UWB rất thấp, khiến nó khó bị phát hiện bởi các tổ chức bất hợp pháp có ý định nghe lén hoặc đánh cắp thông tin Mỗi cặp thu phát sử dụng các xung UWB được điều chế với mã duy nhất, cùng với các xung rất hẹp Việc phát hiện các xung có kích thước picosecond mà không cần biết thời điểm chính xác giúp tăng cường tính bảo mật cho thông tin được truyền đi.

1.4 1.6 Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường

Trong truyền thông không dây, hiện tượng đa đường là điều không thể tránh khỏi, xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhiều bề mặt như tòa nhà, cây cối và con người Hiện tượng này có thể dẫn đến suy giảm đáng kể chất lượng tín hiệu, đặc biệt là đối với các tín hiệu băng hẹp.

Hình1.7 : Hiện tượng đa đường trong truyền thông không dây

Trong đó 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)

Thời gian (s) Hình1.8: ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp

Hình 1.9 : ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu rộng

Chu kỳ cực ngắn của các xung UWB giúp giảm nhạy cảm với hiện tượng đa đường, vì các xung thường được truyền trong khoảng thời gian nhỏ hơn nan giây, làm cho xung phản xạ NLOS ít khả năng va chạm với tín hiệu LOS Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là hệ thống truyền thông UWB hoàn toàn miễn nhiễm với méo do đa đường Tùy thuộc vào phương pháp điều chế, các xung UWB có công suất thấp có thể gặp phải méo nghiêm trọng trong môi trường truyền sóng trong nhà, nơi có nhiều vật thể gần nhau.

1.4 1.7 Khả năng đâm xuyên lớn

Các thành phần tần số thấp trong phổ tần số UWB có bước sóng lớn, cho phép tín hiệu UWB xuyên thấu hiệu quả qua nhiều loại vật liệu, bao gồm cả tường Đặc điểm này giúp UWB trở thành giải pháp lý tưởng cho truyền thông xuyên tường và radar đâm xuyên mặt đất.

1.4 1.8 Kiến trúc máy thu đơn giản

Truyền tín hiệu UWB không sử dụng sóng mang, nghĩa là dữ liệu không được điều chế trên sóng liên tục với tần số cố định như trong công nghệ băng hẹp và băng rộng Việc không cần sóng mang giúp giảm số lượng thành phần RF cần thiết trong quá trình truyền dẫn, làm cho kiến trúc khối thu phát UWB trở nên đơn giản hơn và dễ dàng triển khai hơn.

Hình1.10: Kiến trúc máy thu phát của mạng băng hẹp

Nhược điểm

Mặc dù hệ thống truyền thông UWB có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng việc sử dụng các xung có chu kỳ và thời gian tồn tại cực ngắn cũng mang lại một số nhược điểm.

1.4.2.1Sự méo dạng xung Đặc điểm truyền dẫn của các xung UWB phức tạp hơn rất nhiều so với các xung hình sin Các tín hiệu băng hẹp sẽ duy trì dạng hình sin xuyên suốt kênh truyền Tuy 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:

Công suất phát (Pt) và công suất thu (Pr) là hai yếu tố quan trọng trong truyền tín hiệu, với Gt và Gr lần lượt là hệ số khuyếch đại của anten phát và anten thu Vận tốc ánh sáng (c) và khoảng cách giữa máy phát và máy thu (d) cũng đóng vai trò quan trọng, cùng với tần số của tín hiệu (f) để xác định hiệu quả của quá trình truyền dẫn.

Công suất tín hiệu thu được tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, điều này có nghĩa là trong các hệ thống băng hẹp, sự thay đổi tần số nhỏ không ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu thu Ngược lại, trong mạng băng siêu rộng, tần số lớn khiến sự thay đổi này ảnh hưởng mạnh mẽ đến công suất tín hiệu, dẫn đến méo dạng xung Hệ quả là hiệu quả của máy thu UWB bị hạn chế khi phục hồi thông tin thông qua việc tính tương quan giữa xung thu được và mẫu đã định nghĩa trước Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về máy thu UWB trong chương 2.

1.4.2.2 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 được tất cả các thông số của 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

1.4.2.3 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

Trong hệ thống truyền thông đa truy nhập, nhiều người dùng và thiết bị có thể gửi thông tin đồng thời trên một kênh truyền thông Tại đầu cuối máy thu, các thiết bị thu có khả năng tách thông tin từ người dùng mà chúng quan tâm Tuy nhiên, nhiễu từ các thiết bị và người dùng khác, được gọi là nhiễu đa truy nhập (MAI: Multi Access Interference), có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Sự kết hợp giữa MAI, tạp âm kênh và nhiễu trong các mạng băng hẹp dẫn đến việc giảm đáng kể các xung UWB có công suất thấp, làm cho quá trình tách tín hiệu trở nên khó khăn hơn Hình 1.12 minh họa kênh đa truy nhập UWB.

Bộ thu đa truy nhập UWB

Hình1.12: Kênh đa truy nhập UWB

1.5 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ

Mặc dù UWB là công nghệ đang phát triển với nhiều thông tin về khái niệm và năng lực, vẫn còn nhiều nhầm lẫn cần được làm rõ Một trong những nhầm lẫn phổ biến là sự nhầm lẫn giữa UWB và kỹ thuật trải phổ Cả UWB và kỹ thuật trải phổ đều có nguồn gốc từ truyền thông quân sự, nhưng cần phân biệt rõ hai khái niệm này Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần giới thiệu hai kỹ thuật trải phổ chính là DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) và FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

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

Hình1.13 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 với nhiều chip, với khoảng thời gian của chip nhỏ hơn khoảng thời gian của bit Các từ mã giúp trải dữ liệu ra một dải thông lớn hơn cần thiết để truyền thông tin Ví dụ, bit 1 được biểu diễn bằng mã 1010 và bit 0 bằng mã 1100 Quá trình trải dữ liệu này làm tăng năng lượng tín hiệu trong miền tần số, vượt qua mức nhiễu nền của máy thu băng hẹp Để truyền dữ liệu, mỗi chip sẽ được điều chế bằng một kỹ thuật băng hẹp truyền thống.

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

Kỹ thuật FHSS, được phát minh bởi Hedy Lamarr vào năm 1942 trong dự án “Hệ thống truyền thông bí mật”, sử dụng phương pháp trải năng lượng tín hiệu trong miền tần số, mang lại nhiều lợi ích cho truyền thông băng rộng Khác với DSSS, FHSS sử dụng các chặng tần số để truyền và nhận dữ liệu dựa trên mã giả ngẫu nhiên, tạo ra một dải tần rộng hơn Sự thay đổi tần số diễn ra nhanh chóng, giúp ngăn chặn các tổ chức bất hợp pháp trong việc đánh cắp thông tin Hình 1.14 minh họa rằng các tín hiệu sẽ nhảy từ tần số này sang tần số khác theo thời gian.

Hình 1.14 Phân chặng tần số trong kĩ thuật FHSS

Sự khác nhau chủ yếu giữa UWB và trải phổ

Hình 1.15 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng trong miền thời gian và trong miền tần số

Cả hai kỹ thuật DSSS và FHSS đều cho phép trải tín hiệu trong miền tần số, mang lại nhiều lợi ích cho mạng băng hẹp như mật độ phổ công suất thấp, tính bảo mật cao, và khả năng chống nhiễu hiệu quả Những ưu điểm này tương tự như những gì mà UWB cung cấp cho các tín hiệu băng siêu rộng Tuy nhiên, sự khác biệt chính giữa DSSS, FHSS và UWB cần được làm rõ để hiểu rõ hơn về ứng dụng của từng công nghệ trong môi trường truyền thông.

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 kỹ thuật trải phổ truyền thống, tín hiệu được điều chế dưới dạng sóng sin liên tục kết hợp với sóng mang cố định Tuy nhiên, trong mạng băng siêu rộng, không sử dụng sóng mang; thay vào đó, băng thông rộng được tạo ra nhờ các xung có độ rộng rất hẹp.

Một sự khác biệt quan trọng giữa mạng băng hẹp sử dụng kỹ thuật trải phổ và mạng băng siêu rộng (UWB) là độ rộng băng thông Kỹ thuật trải phổ chỉ cung cấp băng thông khoảng MHz, trong khi UWB có thể đạt băng thông lên tới GHz Hình 1.15 minh họa sự khác nhau giữa băng hẹp, băng rộng và UWB.

Trong mạng băng hẹp, tín hiệu liên tục CW (Continuous Waveform) chỉ chiếm một dải tần số hẹp Ngược lại, trong các kỹ thuật băng rộng, tần số của tín hiệu CW được mở rộng hơn một chút so với mức nhiễu nền nhờ vào việc sử dụng các chuỗi để trải phổ Đặc biệt, trong công nghệ UWB, phổ có thể đạt tới vài GHz nhờ vào các xung có chu kỳ và thời gian tồn tại ngắn, mà không cần sử dụng mã ngẫu nhiên để trải phổ.

Trong các tín hiệu băng hẹp, tín hiệu hình sin luôn hiện diện trong toàn bộ khoảng thời gian, dẫn đến thời gian tồn tại xung (duty cycle) đạt 100% Ngược lại, các xung UWB chỉ tồn tại trong thời gian ngắn của chu kỳ xung, khiến cho thời gian tồn tại xung (duty cycle) nhỏ hơn 0.5% Chu kỳ tồn tại xung ngắn này không chỉ giúp giảm công suất phát mà còn nâng cao khả năng bảo mật so với các kỹ thuật trải phổ Tuy nhiên, công suất phát thấp có thể trở thành một nhược điểm đối với hệ thống UWB.

PHÂN LOẠI UWB

UWB đa băng

Phương pháp đa băng tần UWB tương tự như kỹ thuật nhảy tần số trong mạng băng hẹp, giúp tránh truyền tín hiệu trên một băng tần cố định Theo quy định của FCC, tín hiệu UWB có độ rộng băng tần tối đa 500MHz trong tổng dải 7,5GHz Do đó, đa băng UWB chia khoảng tần số từ 3,1GHz đến 10,6GHz thành các băng tần nhỏ hơn, mỗi băng tần không dưới 500MHz.

Tần số (GHz) Đa băng

Phương pháp đa băng trong chia dải phổ của UWB tạo ra nhiều băng con không chồng lấn, cho phép chia băng tần 7.5GHz thành các băng nhỏ hơn Điều này giúp tăng độ rộng xung so với các phương pháp UWB truyền thống, từ đó làm cho yêu cầu đồng bộ trở nên dễ dàng hơn.

Tùy theo phương thức điều chế trên mỗi băng tần, đa băng có thể chia làm hai hệ thống, đa băng xung và đa băng OFDM

Hệ thống đa băng xung sử dụng một sóng mang cho mỗi băng tần để truyền thông tin đồng thời trên các băng khác nhau Khoảng lặp lại xung, được định nghĩa là thời gian bắt đầu của hai xung lân cận trên cùng một băng, có thể điều chỉnh để thay đổi tốc độ dữ liệu của hệ thống Tăng khoảng lặp lại xung sẽ làm giảm tốc độ dữ liệu, nhưng đồng thời cũng giảm nhiễu xung tại máy thu, từ đó cải thiện chất lượng hệ thống trong các kênh có fading đa đường.

Theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.TG3a, phương pháp phân chia đa trực giao theo tần số OFDM đã được công nhận rộng rãi, và hiện nay được biết đến với tên gọi hệ thống đa băng OFDM.

Hình 1.18 : Đa băng MB -OFDM

Cả hai kỹ thuật DS UWB và OFDM đa băng đều đang được áp dụng trong lĩnh vực công nghệ không dây Người sử dụng kỹ thuật DS UWB cho rằng hệ thống OFDM phức tạp do sử dụng phương pháp chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) Ngược lại, những người ủng hộ OFDM cho rằng hệ thống của họ có khả năng tương thích tốt hơn với các hệ thống khác và bác bỏ DS UWB vì lo ngại về nhiễu Cuộc tranh luận giữa hai bên vẫn tiếp tục cho đến khi ủy ban chuẩn IEEE802.15.3a đưa ra quyết định cuối cùng.

CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB

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

Tháng 2 năm 2003 FCC đã đưa ra bản “Memorandom Opinion and Order” về các quy định với mạng băng siêu rộng theo đó mặt nạ phổ được qui định bởi FCC đối với UWB 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 biệt chính giữa môi trường làm việc trong nhà và ngoài trời là mức độ suy giảm công suất cao hơn ở các thiết bị hoạt động ngoài trời Cần thiết phải bảo vệ các máy thu GPS có tần số trung tâm 1.6 GHz Tại cuộc họp tháng 6 năm 2003, các tổ chức Multiband OFDM Alliance (MBOA) và Motorola/XtremeSpectrum đã tranh luận về việc MBOA có áp dụng kỹ thuật chặng tần số hay không, cũng như các yêu cầu về giới hạn dữ liệu của 802.15.3a, trong khi vẫn tuân thủ khuyến cáo của FCC về việc kiểm tra các hệ thống sử dụng kỹ thuật chặng tần số FCC đã tổ chức nhiều cuộc họp để điều chỉnh các quy định cho phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành của IEEE.

Các quy định toàn cầu về hệ thống UWB mang lại nhiều lợi ích, giúp nó hoạt động hiệu quả trên toàn thế giới Hiện nay, UWB chỉ được quy định tại Mỹ, nhưng có những nỗ lực nhằm mở rộng các quy định này để UWB trở thành một tiêu chuẩn phổ biến toàn cầu.

Giới hạn phát của FCC

Để bảo vệ các hệ thống hiện có khỏi nhiễu từ hệ thống UWB, FCC đã quy định mặt nạ phát cố định trong khoảng 3.1 đến 10.6 GHz cho các sản phẩm UWB thương mại Mật độ phổ công suất phát tối đa cho phép là 41.3 dBm/MHz hoặc 75 nW/MHz, tương đương với mức công suất của các thiết bị điện tử dân dụng như tivi và màn hình máy tính Dựa trên các quy định của FCC, các thiết bị UWB được phân loại thành ba nhóm chính: truyền thông, hình ảnh và radar.

FCC đã quy định các giới hạn phát cho thiết bị truyền thông, phân chia rõ ràng giữa sản phẩm indoor và outdoor Cụ thể, mặt nạ phổ cho thiết bị outdoor thấp hơn 10 dB so với mặt nạ phổ cho thiết bị indoor trong dải tần số từ 1.61 đến 3.1 GHz.

Theo quy định của FCC, các thiết bị indoor cần phải là thiết bị cầm tay và hoạt động trong phạm vi các tòa nhà, đồng thời kết nối theo kiểu peer to peer.

Các quy định của FCC chỉ ra rằng truyền thông UWB trong môi trường ngoài trời không cần cơ sở hạ tầng cố định Do đó, truyền thông ngoài trời sẽ chỉ được thực hiện qua các thiết bị cầm tay, và thông tin sẽ được truyền đến các máy thu tương ứng.

1.7.2 2Các thiết bị liên quan đến hình ảnh

Hình 1.19 biểu diễn giới hạn phát của một thiết bị hình ảnh hoạt động xuyên tường (through_wall imaging) dựa trên công nghệ UWB

M ức E IR P ch o ph ép ( dB /M H z)

Hình 1.19 Giới hạn phát cho các hệ thống hình ảnh xuyên tường

1.7.2.3 Hệ thống radar chuyển động

Các hệ thống radar chuyển động được phép phát với công suất tối đa 41.3 dBm/MHz trong dải tần từ 22 đến 29 GHz, với tần số trung tâm là 24.075 GHz Radar này được sử dụng cho các phương tiện di chuyển trên mặt đất và có khả năng hoạt động cả khi đang di chuyển và đứng yên Hình 1.20 minh họa giới hạn phát cho các radar chuyển động dựa trên công nghệ UWB.

Mứ c EI R P ch o ph ép ( dB /MHz )

Hình 1.20 Giới hạn phát cho các hệ thống radar chuyển động

Các quy định của Mỹ sử dụng giới hạn Part 15 làm cơ sở cho việc hoạt động của các thiết bị Part 15 của FCC cho phép các thiết bị công suất thấp hoạt động mà không cần giấy phép Dưới giới hạn này, hàng triệu thiết bị đã được phát triển Các ứng dụng của Part 15 trong việc phân chia thiết bị được thể hiện trong bảng 1.1, với giới hạn là 41.3 dBm cho các hoạt động trong nhà và ngoài trời.

Bảng 1 Giới hạn phát cho các ứng dụng UWB khác nhau trong mỗi một dải 1 phổ

CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB

Hệ thống UWB với tốc độ dữ liệu lớn và giới hạn ngắn đang mở ra nhiều triển vọng trong các lĩnh vực quân sự, dân sự và thương mại Trong phần này, chúng ta sẽ điểm qua những ứng dụng nổi bật của UWB.

Trong phần 1.8 chúng ta đã được biết rằng FCC phân các ứng dụng UWB làm

Radar, hình ảnh và thiết bị truyền thông là ba loại công nghệ chính trong hệ thống UWB Radar nổi bật với khả năng định vị chính xác nhờ vào các xung hẹp, cho phép tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao trong khoảng cách chỉ vài cm, phục vụ cho cả mục đích quân sự và dân sự Băng tần rộng của tín hiệu UWB giúp chúng dễ dàng xuyên qua nhiều vật thể khác nhau, làm cho UWB trở thành công cụ lý tưởng cho radar xuyên lòng đất Điều này đặc biệt quan trọng trong các hoạt động cứu hộ, giúp đội ngũ khắc phục thảm họa phát hiện những người sống sót trong đống đổ nát sau các thảm họa.

Trong lĩnh vực thương mại, hệ thống radar có thể được lắp đặt trong các vị trí kiến trúc như ống dây, bulong và đường dây điện Công nghệ tương tự cũng được ứng dụng trong các hệ thống giám sát hình ảnh, chẳng hạn như giám sát tim từ xa Bên cạnh đó, radar còn được sử dụng trong ngành công nghiệp tự động để phòng ngừa va chạm có thể xảy ra.

Các xung UWB phát ra với mức công suất thấp, giúp chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng truyền thông quân sự ngụy trang, vì rất khó để phát hiện và ngăn chặn thông tin quân sự bị đánh cắp bởi các tổ chức bất hợp pháp Hơn nữa, thiết bị UWB có cấu trúc máy thu phát đơn giản hơn so với các hệ thống băng hẹp, cho phép sản xuất thiết bị nhỏ gọn và giảm chi phí đáng kể.

Hệ thống thu phát UWB nhỏ gọn và giá thành thấp đang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng cảm biến không dây, phục vụ cho cả mục đích quân sự và dân sự

Hệ thống UWB với khả năng dò tìm và định vị chính xác rất phù hợp cho ứng dụng quản lý tài sản và kho hàng, đặc biệt trong các hệ thống nhận dạng và dán nhãn tự động Các thiết bị UWB cho hiệu quả cao trong các kênh đa đường, cho phép khảo sát địa chất chính xác trong môi trường trong nhà và các khu vực kín, nơi mà hệ thống GPS không hoạt động được.

Khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao trong khoảng cách ngắn của công nghệ UWB đã làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các thiết bị mạng trong nhà và truyền thông đa phương tiện, đặc biệt trong mạng WPAN Hệ thống UWB có thể thay thế các kết nối cáp cho camcorders, VCR và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác như laptop, DVD, camera số và màn hình HDTV di động Không có công nghệ không dây nào như Bluetooth hay 802.11a có thể truyền tải kết nối hình ảnh không dây hiệu quả như UWB Bảng 1.2 cung cấp sự so sánh giữa công nghệ UWB và các tiêu chuẩn truyền dữ liệu hiện tại.

WLAN Blue tooth WPAN UWB ZigBee

Tần số hoạt động 5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 3.1 _10.6

Tốc độ dữ liệu lớn nhất

Bảng 1 2 So sánh UWB với các chuẩn khác

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

GIỚI THIỆU

Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá cấu trúc tổng quan của hệ thống thông tin băng siêu rộng (UWB) và cách điều chế dữ liệu cho các kênh đa truy nhập Chúng ta sẽ xem xét các phương pháp điều chế UWB điển hình, những tiến bộ và thách thức mà mỗi phương pháp gặp phải Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và khoảng cách ngắn, việc sử dụng nhiều máy phát trong cùng một khu vực là cần thiết, do đó, việc lựa chọn các kỹ thuật đa truy nhập phù hợp để chia sẻ băng thông cho nhiều người dùng UWB là rất quan trọng Các kỹ thuật điều chế sẽ được thảo luận bao gồm on-off keying (OOK), điều chế biên độ xung (PAM), điều chế vị trí xung (PPM), điều chế lưỡng pha (BP) và điều chế UWB dựa trên OFDM.

Cuối chương, ta sẽ giới thiệu phương pháp tách xung tại phía thu của hệ thống thông tin băng siêu rộng UWB.

CẤU TRÚC HỆ THỐNG

Here is a rewritten paragraph that complies with SEO rules:"Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng bao gồm 3 thành phần cơ bản giống như các hệ thống thông tin cơ bản khác, đó là máy phát, kênh và máy thu Tuy nhiên, các thành phần này trong hệ thống UWB lại sở hữu những đặc trưng riêng biệt, thể hiện sự khác biệt về công nghệ so với các hệ thống thông tin khác."

Máy phát Kênh, phân tập đa đường nhiễu , Máy thu

Hình 2.1 Mô hình khối của hệ thống

Máy phát có nhiệm vụ chính là chuyển đổi dòng dữ liệu số thành các ký hiệu (symbol) Sau đó, máy phát điều chỉnh các ký hiệu này thành tín hiệu phù hợp để truyền dẫn Cuối cùng, tín hiệu được phát lên kênh thông qua một anten phát.

Kênh là không gian mà tín hiệu sóng vô tuyến di chuyển từ máy phát đến máy thu Trong hệ thống UWB, không gian này có đặc điểm riêng biệt và thường chịu ảnh hưởng của các hiện tượng như phản xạ, tán xạ và khúc xạ Hiện tượng phân tập đa đường (multipath) là một yếu tố không thể tránh khỏi trong kênh UWB, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu truyền nhận.

Máy thu UWB nhận tín hiệu rối từ anten thu với công suất phát rất nhỏ, sau đó tái tạo lại dạng xung giống như tín hiệu gốc Quá trình này cho phép máy thu rút ra dòng ký hiệu và tạo ra dòng bit từ tín hiệu đã được phục hồi.

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết cấu trúc hệ thống UWB

Máy phát của hệ thông thông tin băng siêu rộng UWB có sơ đồ khối cơ bản như sau: Ứng dụng Vật lí

Dữ liệu có nghĩa phát ra từ các ứng dụng

Dòng dữ liệu nhị phân

-Symbol tới bản đồ xung

Hình 2.3 Sơ đồ máy phát

Ta chia máy phát thành hai phần:

Ứng dụng là những ứng dụng (ví dụ như phần mềm) mà dữ liệu không được lưu trữ cục bộ, mà đã được chuyển sang môi trường trực tuyến, cho phép người dùng truy cập dễ dàng từ xa Dữ liệu này có thể bao gồm hình ảnh, âm thanh và văn bản.

Vật lý là phần mạch vật lý chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu số (chuỗi bit) thành dòng ký hiệu, sau đó biến đổi dòng ký hiệu này thành chuỗi xung Qua quá trình điều biến, chuỗi xung được chuyển đổi thành tín hiệu thích hợp để truyền dẫn và phát ra từ anten Cuối cùng, anten thực hiện nhiệm vụ bức xạ sóng điện từ ra kênh truyền dẫn.

Sơ đồ trên không phải là sơ đồ thực tế mà là sơ đồ nguyên lý mang tính chất minh họa Nguyên lý hoạt động đơn giản của phần front end, nhờ vào kỹ thuật sử dụng xung thay cho kỹ thuật điều chế sử dụng sóng mang truyền thống, hứa hẹn sẽ khiến mạch thực đơn giản đi rất nhiều so với máy phát của hệ thống băng hẹp.

Sơ đồ khối của máy thu của hệ thông thông tin băng siêu rộng UWB có sơ đồ khối cơ bản như sau:

Dòng dữ liệu nhị phân

-Bám tần số -Xung tới Symbol -đồng bộ….

Dữ liệu có nghĩa phát ra từ các ứng dụng

Hình 2.4 Sơ đồ máy thu

Ta cũng chia máy thu thành hai phần:

• Ứng d ng: là t ng ng d ng s d ng d li u có tính tr u tư ng cao, c ụ ầ ứ ụ ử ụ ữ ệ ừ ợ ụ thể là dòng d ệu số ữli

Vật lý là phần quan trọng trong hệ thống, thực hiện tất cả các bước từ việc nhận tín hiệu từ anten thu, khuếch đại tín hiệu, đến việc sử dụng kỹ thuật nhận biết xung để biến đổi tín hiệu thành chuỗi xung đã phát Sau đó, quá trình này tiếp tục giải mã chuỗi xung thành dòng ký hiệu, chuyển đổi thành dòng bit và cung cấp cho tầng cao hơn.

Máy phát và máy thu có chức năng đối xứng, nhưng kênh truyền ảnh hưởng mạnh mẽ đến tín hiệu, dẫn đến sự khác biệt quan trọng giữa chúng.

Máy thu bắt buộc phải có bộ khuếch đại tín hiệu để khôi phục tín hiệu sau khi nó được phát ra từ anten Khi tín hiệu đi qua kênh, năng lượng của nó bị giảm mạnh, dẫn đến tín hiệu trở nên yếu Do đó, việc sử dụng bộ khuếch đại là cần thiết để cải thiện chất lượng tín hiệu.

Máy thu cần có cơ chế nhận biết sóng, đảm bảo khả năng nhận chính xác tín hiệu trong điều kiện có nhiều tạp âm khác Sóng được thu qua anten sẽ truyền vào máy phát để xử lý.

Để đảm bảo đồ ng b hóa chính xác, máy thu buộc phải có cơ chế tracking hiệu quả nhằm theo dõi các xung mà máy phát đã phát Sự đồng bộ giữa máy thu và máy phát là rất quan trọng, vì ngay cả một sai lệch nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

Kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến được định nghĩa là môi trường không khí có sự hiện diện của các vật cản Đây là một môi trường tự nhiên, chịu ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên theo thời gian và không gian.

Nghiên cứu kênh tập trung vào mô hình hóa và ước lượng kênh, nhằm hiểu rõ ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu và hệ thống tổng thể Chi tiết về mô hình hóa và ước lượng kênh sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

2.2.4 So sánh cấu trúc thệ thống thông tin băng siêu rộng UWB và hệ thống thông tin băng hẹp

Hệ thống thông tin băng siêu rộng hoạt động dựa trên các thành phần chính, giúp phân biệt rõ ràng với nguyên lý của hệ thống vô tuyến sử dụng sóng mang truyền thống Để làm rõ hơn về nguyên lý hoạt động của nó, dưới đây là sơ đồ minh họa cho hệ thống thông tin băng siêu rộng.

Hình 2.5 Một sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống UWB

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT

Việc điều chế dữ liệu không có sóng mang trong các hệ thống UWB sử dụng các kỹ thuật điều chế thời gian sẽ ảnh hưởng đến các thông số thiết kế như tốc độ dữ liệu, khả năng chống nhiễu, và đặc điểm phổ của tín hiệu Sự lựa chọn phương thức điều chế cũng tác động trực tiếp đến kiến trúc thu phát, từ đó ảnh hưởng đến kích thước và chi phí của hệ thống UWB.

2.3 1.Điều chếOn Off Keying (OOK)

OOK (On-Off Keying) là phương pháp điều chế xung đơn giản nhất, trong đó tín hiệu truyền đi biểu thị giá trị 1 khi có xung và giá trị 0 khi không có xung Hình 2.7 minh họa ví dụ về kỹ thuật điều chế OOK trong các hệ thống truyền thông.

Mô hình tín hiệu tổng quát s(t) cho một tín hiệu được điều chế OOK có thể được biểu diễn như sau:

M là số lớn nhất trong các bit được truyền, P(t) đại diện cho các xung UWB, bmЄ[0,1] biểu thị bit dữ liệu thứ m, và T là chu kỳ lặp lại của xung.

OOK là một phương pháp điều chế biên độ xung đơn giản và tiết kiệm chi phí, với cấu trúc máy phát OOK bao gồm một chuyển mạch RF để biểu diễn dữ liệu Phương pháp này giúp máy phát tiết kiệm năng lượng bằng cách giữ trạng thái rỗi khi truyền bit 0 Quá trình tách các xung OOK được thực hiện bằng máy thu sử dụng kỹ thuật tách năng lượng, nhưng cũng có thể áp dụng máy thu CMF.

Mặc dù sơ đồ điều chế OOK đơn giản, nhưng nó có nhiều khuyết điểm trong hệ thống UWB, như độ nhạy cao với nhiễu và tạp âm, dẫn đến việc tín hiệu không mong muốn có thể bị nhầm lẫn với bit dữ liệu 1 Do đó, OOK không phổ biến trong các kênh truyền thông đa truy nhập Thêm vào đó, việc đồng bộ trong hệ thống UWB vốn đã khó khăn càng trở nên thách thức hơn khi truyền chuỗi bit 0.

2.3.2 Điều chế biên độ xung(PAM: Pulse Amplitude Modulation) Điều chế biên độ xung PAM mã hóa các bit dữ liệu dựa trên các mức khác nhau của công suất của các xung có chu kì ngắn Trong kĩ thuật điều chế này, xung có biên độ cao hơn sẽ biểu diễn bit dữ liệu 1, trong khi đó xung có biên độ thấp hơn biểu diễn giá trị 0 Hình 2.8 là ví dụ của điều chế biên độ xung đối với truyền thông UWB

Hình 2.8 Điều chế biên độ xung

Mô hình toán học tổng quát cho việc điều chế biên độ xung như sau:

Trong đó Ab, m là mức công suất xác định cho các bit của mỗi người sử dụng,

M là số bit lớn nhất được truyền, bm thuộc [0,1] biểu thị bit dữ liệu thứ m, T là chu kỳ lặp lại xung, và P(t) là xung UWB Trong phương trình 2.2, chế độ tín hiệu PAM và OOK có nhiều điểm tương đồng, ngoại trừ sự xuất hiện của thông số biên độ xung Ab Trong mô hình PAM, m đại diện cho các biên độ khác nhau trong việc truyền dẫn dữ liệu xung UWB.

Dữ liệu được biểu diễn qua các xung đơn cực cho phép phát ra xung PAM một cách đơn giản Các xung PAM có thể được tách ra thông qua máy thu tách năng lượng hoặc máy thu CMF Tuy nhiên, xung PAM ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu hơn so với các phương pháp điều chế khác.

Khi các xung được truyền qua kênh, nhiễu và tạp âm sẽ làm suy giảm các xung PAM, dẫn đến hiện tượng OOK Do các xung có tính chu kỳ, mật độ phổ công suất sẽ xuất hiện các đường phổ rời rạc, gây ra nhiễu nghiêm trọng cho các hệ thống băng hẹp và băng rộng khác cùng chia sẻ phổ tần với hệ thống UWB Hình 2.9 minh họa các đường phổ rời rạc trên mật độ phổ công suất của các xung chu kỳ.

Mật độ phổ công suất

Hình 2.9 Các đường phổ rời rạc của các xung có chu kì

Here is the rewritten paragraph:Các đường phổ rời rạc không chỉ gây ra nhiễu tới các hệ thống băng hẹp và băng rộng khác sử dụng chung phổ tần với các hệ thống UWB, mà còn có khả năng can thiệp vào tín hiệu băng hẹp, gây ra nhiễu đối với chính hệ thống UWB Do đó, việc lựa chọn một sơ đồ điều chế phù hợp là hết sức quan trọng để tránh được các đường phổ rời rạc và đảm bảo sự ổn định của hệ thống UWB.

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

Hình 2.10 minh họa phương pháp điều chế vị trí xung, trong đó bit dữ liệu 0 được biểu diễn bằng cách không dịch xung so với điểm tham chiếu về thời gian, còn bit dữ liệu 1 được thể hiện bằng việc dịch xung một khoảng thời gian nhất định so với xung tham chiếu.

Hình 2.10 Điều chế vị trí xung

Trong sơ đồ điều chế vị trí xung PPM, tín hiệu được mã hóa ngẫu nhiên dựa trên vị trí của các xung, thông qua việc dịch chúng theo một khoảng thời gian xác định So với OOK và PPM, dữ liệu điều chế bằng phương pháp PPM có khả năng tách các xung sai thấp hơn, chủ yếu do tạp âm của kênh Điều này xảy ra vì các xung trong PPM biểu diễn các bit dữ liệu với biên độ đồng nhất, giảm thiểu khả năng tách sai xung.

Công thức tổng quát được biểu diễn đối với các tín hiệu PPM được cho như sau:

Chỉ số điều chế δ tạo ra độ dịch về thời gian để biểu diễn các bit dữ liệu M là số bit lớn nhất có thể truyền đi, trong khi P(t) đại diện cho các xung UWB Biến bmЄ[0,1] thể hiện bit dữ liệu thứ m, và T là chu kỳ lặp lại của xung.

Xung được điều chế trong PPM ít bị ảnh hưởng bởi tạp âm kênh so với tín hiệu PAM, nhưng khi áp dụng trong các kênh đa truy nhập, chất lượng dễ bị suy giảm Dù vậy, việc sử dụng sơ đồ điều chế PPM giúp tránh được hiện tượng các đường phổ rời rạc trong mật độ phổ công suất.

Hình 2.11 biểu diễn mật độ phổ công suất lý tưởng khi không có các đường phổ rời rạc do các tín hiệu có chu kì gây nên

M ật độ p hổ c ôn g su ất

Hình 2.11 Phổ lý tưởng của các xung không có chu kì

Các tín hiệu UWB sau khi truyền đi sẽ được giải điều chế bởi máy thu sử dụng kỹ thuật CMF Tuy nhiên, máy thu CMF gặp phải vấn đề tương quan thấp với tín hiệu mẫu, đặc biệt trong sơ đồ điều PPM Các máy thu CMF tách tín hiệu dựa trên việc tính tương quan giữa xung UWB thu được và xung mẫu đã định nghĩa trước Do xung UWB có công suất thấp, chúng dễ bị méo khi truyền qua kênh, dẫn đến tương quan với tín hiệu mẫu ở phía máy thu rất nhỏ hoặc bằng 0 Để khắc phục vấn đề này, cần ước lượng các thông số của kênh như trễ, suy giảm và fading nhằm tạo ra bản mẫu chính xác với tín hiệu thu được.

KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU

The fundamental techniques for pulse separation include energy detectors and classical matched filters (CMF) Most receivers utilize these two methods for data demodulation.

2.4.1 Tách năng lượng (Energy Detector)

Máy thu sẽ tách năng lượng tín hiệu và so sánh với mức ngưỡng để giải điều chế các bit dữ liệu Hình 2.14 minh họa sơ đồ khối của một máy thu cơ bản sử dụng kỹ thuật tách năng lượng.

Hình 2.14 Máy thu dựa trên kĩ thuật tách năng lượng

Máy thu được mô tả trong hình 2.14 bao gồm ba khâu chính: khâu bình phương, khâu tích phân hữu hạn và khâu quyết định mức ngưỡng Khi tín hiệu xuất hiện, năng lượng sẽ được tính bằng bình phương của tín hiệu Nếu năng lượng này vượt qua mức ngưỡng xác định, dữ liệu sẽ được giải điều chế là mức 1 Ngược lại, nếu tín hiệu không xuất hiện, năng lượng sẽ không đạt mức ngưỡng và dữ liệu thu được sẽ được giải điều chế là mức 0.

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

Hình 2.15 biểu diễn sơ đồ khối của một bộ lọc phối phợp cổ điển

Hình 2.15 Sơ đồ khối của một bộ lọc thích nghi cổ điển

Bộ lọc CMF sử dụng phương pháp tối ưu và đơn giản để tách tín hiệu khỏi tạp âm ngẫu nhiên thông qua quá trình tương quan Trước khi tìm hiểu sâu về bộ lọc CMF, cần giải thích về quá trình tương quan.

Tương quan là một toán tử toán học dùng để đo độ tương tự giữa hai tín hiệu, thường được áp dụng trong xử lý tín hiệu và nhận dạng mẫu Phương pháp này thực hiện phép nhân hai dạng sóng tại các thời điểm khác nhau trong miền thời gian, nhằm tìm diện tích dưới đường cong của biểu thức trong dấu tích phân Hàm tương quan được biểu diễn qua một phương trình toán học cụ thể.

Trong quá trình so sánh hai tín hiệu x(t) và y(t), τ đại diện cho thời gian dịch, cho phép phân tích sự trượt của tín hiệu y(t) trên x(t) Hàm tương quan Rxy(τ) cho thấy mức độ giống nhau giữa hai tín hiệu, với giá trị lớn (có thể âm hoặc dương) thể hiện sự tương đồng cao, trong khi giá trị nhỏ gần 0 chỉ ra mức độ tương quan thấp Đối với bộ lọc phối hợp, tín hiệu thu được sẽ được nhân tương quan với một tín hiệu mẫu phù hợp Nếu tín hiệu thu được tương đồng với tín hiệu mẫu, giá trị tương quan sẽ cao, cho phép giải điều chế tín hiệu hiệu quả.

Bộ lọc phối hợp cổ điển thực hiện tính tương quan giữa tín hiệu thu được r(t), tín hiệu phát đi s(t) và nhiễu kênh w(t) Giá trị tương quan được tính bằng cách nhân tín hiệu thu được với một mẫu tín hiệu đã được định nghĩa trước và tích phân trong một chu kỳ hữu hạn Quá trình này tối đa hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu thu được, giúp tách biệt tín hiệu mong muốn khỏi tạp âm Các phương trình sau đây mô tả các bước toán học của bộ lọc thích nghi.

Phương trình 2.11 được phân tách thành hai thành phần trong phương trình 2.12 Thành phần đầu tiên thể hiện năng lượng của tín hiệu Ep, biểu diễn mối tương quan giữa tín hiệu truyền đi và tín hiệu mẫu Thành phần thứ hai là tương quan của tín hiệu với tạp âm, tuy nhiên, chúng ta có thể bỏ qua thành phần này vì độ tương quan giữa tín hiệu và tạp âm rất thấp.

Khi các bộ lọc phối hợp hoạt động hiệu quả với dạng tín hiệu, chúng có thể cung cấp dữ liệu thống kê cần thiết để tách tín hiệu khỏi tạp âm Tuy nhiên, bộ lọc phối hợp chỉ là giải pháp hiệu quả trong môi trường có nhiễu trắng Gaussian (AWGN) Trong trường hợp tín hiệu bị méo do nhiễu từ các hệ thống khác, như nhiễu đa truy nhập (MAI) hoặc nhiễu từ mạng băng hẹp (NBI), hiệu suất của bộ lọc sẽ không tối ưu Điều này được thể hiện qua các phương trình mô tả tín hiệu thu được từ hai người sử dụng, trong đó tín hiệu r(t) bao gồm tín hiệu của người đầu tiên s1(t), tín hiệu của người thứ hai s2(t) và tạp âm ngẫu nhiên w(t).

Giả sử tín hiệu từ người sử dụng thứ nhất là tín hiệu mà chúng ta muốn thu thập, khi đó tín hiệu s1(t) sẽ được nhân với tín hiệu thu được r(t) Sau đó, chúng ta sẽ tiến hành tính tích phân trong một khoảng thời gian hữu hạn.

2 1 ˆ1 s tdt s ts t dt wts t dt s

Trong phương trình 2.15, mặc dù có thể bỏ qua tương quan giữa tín hiệu thu và tạp âm ngẫu nhiên, nhưng tương quan giữa s1(t) và s2(t) (gọi là MAI) không thể bị xem nhẹ, làm giảm hiệu quả của CMFs trong các hệ thống đa truy nhập Do đó, việc lựa chọn sơ đồ điều chế cho các kênh đa truy nhập cần được thực hiện nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của tín hiệu không mong muốn lên tín hiệu cần thu Điều chế xung và các kỹ thuật tách tín hiệu là những giải pháp quan trọng trong vấn đề này.

KẾT LUẬN

Việc chọn sơ đồ điều chế phù hợp là yếu tố thiết kế quan trọng trong hệ thống truyền thông UWB, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của máy thu trong các điều kiện kênh khác nhau như đa đường và nhiễu Một sơ đồ điều chế lý tưởng giúp bảo vệ thiết bị UWB khỏi nhiễu từ các thiết bị khác trong cùng dải phổ, thông qua việc giảm ảnh hưởng của đường phổ rời rạc trong mật độ phổ công suất, hay còn gọi là làm phẳng phổ Ngoài ra, tốc độ dữ liệu cũng bị ảnh hưởng bởi sơ đồ điều chế sử dụng, do đó việc lựa chọn sơ đồ điều chế phù hợp là cần thiết cho từng ứng dụng cụ thể.

Chương này trình bày các sơ đồ điều chế khác nhau cho kênh UWB với một người sử dụng, bao gồm OOK, PAM, PPM, biphase và TR Chúng tôi đã giải thích quy trình tách xung trong từng kỹ thuật và nêu rõ ưu điểm cũng như thách thức của mỗi phương pháp.

Trong truyền thông UWB, các kỹ thuật đa truy nhập đóng vai trò quan trọng, bao gồm việc sử dụng PPM, Biphase và phương thức điều chế TR để tối ưu hóa hiệu suất cho các kênh đa truy nhập.

MÔ HÌNH HÓA KÊNH THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB

GIỚI THIỆU

Công nghệ UWB (Ultra Wideband) đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng radar và thông tin, nhờ vào khả năng sử dụng tín hiệu từ các xung ngắn lặp lại Với mật độ phổ công suất cực thấp và băng tần rộng lên tới vài GHz, hệ thống UWB hoạt động hiệu quả mà không gây nhiễu cho các hệ thống vô tuyến khác Việc mô hình hóa kênh truyền một cách chính xác để phân tích và thống kê các phép đo là rất quan trọng, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế các hệ thống viễn thông.

Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kênh truyền dẫn, được đặc trưng bởi hàm truyền HChannel Chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích sự thay đổi của tín hiệu, bao gồm suy hao và méo dạng, trong phạm vi kênh truyền dẫn, từ lúc tín hiệu rời anten phát cho đến khi tín hiệu đến anten thu.

Với cách tiếp cận như trên, hệ thống truyền thông UWB sẽ có dạng như hình 3.1:

Hình 3.1 Hàm truyền hệ thống phân tách kênh -anten 3.1.1 Khái niệm

Tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu thường bị thay đổi do suy giảm công suất và méo dạng, dẫn đến hiện tượng fading Sự biến đổi này trong quá trình truyền tín hiệu là điều không thể tránh khỏi.

• Suy hao truyền dẫn (path loss) trong không gian t do theo công thự ức Friis

• Suy hao công suất gây ra b i các hi n tưở ệ ợng: ph n xả ạ, nhiễu xạ và tán xạ xảy ra trên đư ng truyền.ờ

Do hiện tượng multipath, tín hiệu có nhiều phiên bản dẫn đến việc không thể phân giải được các thành phần của hai hay nhiều tín hiệu không phân biệt Khi có sự khác biệt giữa các tín hiệu đến máy thu, nếu độ trễ này nhỏ hơn một mốc nào đó, máy thu sẽ không phân biệt và tách biệt được hai thành phần, dẫn đến việc chúng bị chồng lên nhau Điều này có nghĩa là khi tín hiệu ngược pha xảy ra, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau.

3.1.2 Mục đích của mô hình hóa kênh

Mô hình hóa kênh trong hệ thống truyền thông UWB là cần thiết để tính toán và dự đoán ảnh hưởng của kênh lên tín hiệu, vì tín hiệu sẽ bị biến đổi khi đi qua kênh Cụ thể, mô hình hóa kênh phục vụ hai mục đích chính: đảm bảo chất lượng tín hiệu và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

Dự đoán tổn hao công suất khi tín hiệu đi qua kênh là rất quan trọng, vì mỗi máy thu đều có một mức công suất tín hiệu tối thiểu để nhận biết tín hiệu Khi tín hiệu di chuyển qua kênh đến máy thu, công suất chắc chắn sẽ bị suy giảm, do đó cần tính toán tổn hao công suất trong quá trình truyền dẫn Từ đó, có thể dự đoán công suất tín hiệu khi tới máy thu và xác định xem liệu hệ thống có hoạt động hiệu quả hay không.

Việc tính toán các thông số của kênh truyền dẫn như thành phần multipath, độ trễ, và các yếu tố khác là rất quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của kênh đến tín hiệu truyền nhận Mục tiêu của việc xác định các tham số này là dự đoán các đặc tính của tín hiệu nhận được, bao gồm hình dạng, mức công suất và độ trễ Từ đó, có thể tối ưu hóa quá trình thu nhận tín hiệu, giúp nâng cao hiệu suất thu và cải thiện tốc độ truyền tải.

Fading là hiện tượng ngẫu nhiên do các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ gây ra, luôn thay đổi theo thời gian và không gian Để tính toán fading, cần áp dụng phương pháp thống kê thông qua việc thực hiện nhiều phép đo tại các thời điểm và vị trí khác nhau Các thông số thống kê như giá trị trung bình và độ lệch quân phương của fading sẽ được xác định từ những phép đo này Tùy thuộc vào quy mô của không gian đo, fading được chia thành ba loại khác nhau.

Fading kích thước lớn (Large scale fading) là hiện tượng suy hao tín hiệu trung bình theo thời gian, diễn ra trên một không gian rộng lớn Hiện tượng này thường liên quan đến những kích thước lớn hơn hàng nghìn lần so với bước sóng của tín hiệu.

Fading kích thước trung bình (Medium scale fading) là hiện tượng suy hao tín hiệu trung bình theo thời gian, được đo trên không gian với kích thước khoảng 40 lần bước sóng lớn nhất của tín hiệu Hiện tượng này còn được gọi là shadowing, và nó ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống viễn thông.

• Fading kích thước nh (Small scale fading): là suy hao trung bình theo ỏ thời gian tính trong cự ly khá nhỏ, cỡ bư c song lớớ n nhất của tín hi u ệ

Phân loại fading theo kích thước có thể quá chi tiết; thực tế, fading kích thước lớn và trung bình thường được gộp lại, đối lập với fading kích thước nhỏ.

Việc phân chia hiệu ứng pha đinh thành hai loại kích thước lớn và nhỏ đã tạo ra hai loại mô hình hóa kênh khác nhau Hai loại mô hình này không chỉ khác biệt về hình thức mà còn có mục đích sử dụng riêng biệt.

Mô hình hóa kênh kích thước lưới là việc xem xét ảnh hưởng của suy giảm tín hiệu đối với công suất trong không gian, nhằm xác định công suất còn lại tại máy thu Từ đó, có thể thiết lập ngân sách đường truyền (link budget) cho hệ thống, đảm bảo rằng tín hiệu thu được đủ lớn để hoạt động hiệu quả Cần lưu ý rằng hệ thống chỉ hoạt động hiệu quả khi công suất tín hiệu tại máy thu lớn hơn ngưỡng cần thiết.

Mô hình hóa kênh kích thước nh nhằm mục đích xây dựng mô hình toán học cho các thông số của kênh, từ đó nâng cao chất lượng hiệu năng của hệ thống, cụ thể là tốc độ truyền dữ liệu Các thông số quan trọng của kênh bao gồm đáp ứng xung, độ trễ, biên độ và pha của các thành phần đa đường.

MÔ HÌNH HÓA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN

Mô hình hóa kênh kích thước lớn chủ yếu nhằm tính toán suy hao đường truyền (path loss) Trong hệ thống vô tuyến băng hẹp, công thức Friis là công cụ phổ biến để tính suy hao này Bài viết sẽ phân tích ứng dụng của công thức Friis trong bối cảnh UWB với dải tần rộng lên đến hàng GHz Đồng thời, mô hình suy hao đường truyền cũng sẽ được trình bày theo hai chuẩn của IEEE 802.15.3a Cần lưu ý rằng, IEEE là tổ chức chuẩn hóa hàng đầu thế giới, vì vậy mô hình path loss trong IEEE 802.15.3a, dù chỉ mang tính chất tham chiếu, sẽ có tầm ảnh hưởng lớn trong tương lai, buộc các mô hình khác phải tuân theo chuẩn này.

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

Công thức Friis mô tả quan hệ giữa công suất tín hiệu ở máy thu theo công suất máy phát như sau:

• PRx, PTx lần lư t là công suất của máy thu và máy phát.ợ

• GTx, GRx lần lư t là hệ ố tăng ích của anten phát và anten thu.ợ s

• là chiều dài bư c sóng.ớ

• là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.

= (3.2) Tại đầu thu, anten thu có độ mở hiệu dụng (diện tích hiệu dụng) là Ae, do đó công suất thu được là:

Mà độ mở hiệu dụng Aelại quan hệ với hệ số tăng ích (gain) của anten theo công thức:

= (3.4) Thay vào phương trình 3.3 ta được:

Năng lượng bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) được tính bằng cách nhân công suất anten phát (PTx) với hệ số tăng ích (GTx), công thức là EIRP = PTx.GTx.

Công thức Friis mô tả mối quan hệ giữa công suất thu và công suất phát, trong đó hệ số λ²/4πr² được gọi là suy hao đường dẫn Bước sóng λ cho thấy công suất thu được phụ thuộc vào tần số, nhưng thực tế sự phụ thuộc này chủ yếu là do ảnh hưởng của anten, vì độ mở hiệu dụng của anten cũng phụ thuộc vào tần số.

Công thức Friis cho phép tính toán công suất thu dựa trên công suất phát, tuy nhiên nó đã gộp cả yếu tố anten, bao gồm hệ số tăng ích GTx của anten phát và GRx của anten thu Công thức này hiệu quả trong hệ thống vô tuyến băng hẹp, khi mà GTx, GRx và λ biến đổi ít và có thể coi là hằng số Ngược lại, trong hệ thống UWB với dải tần từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz, cả ba yếu tố này thay đổi mạnh mẽ, do đó công thức Friis không phù hợp để tính suy hao đường truyền.

Trong phần 3.1 của chương này, chúng tôi đã trình bày cách tiếp cận tách bạch ảnh hưởng của kênh và anten lên tín hiệu Công thức Friis không đáp ứng được

3.2.2 Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.15

Chuẩn IEEE 802.15 là tiêu chuẩn dành cho mạng cá nhân không dây (WPAN), sử dụng công nghệ UWB để truyền thông IEEE đã phân chia chuẩn này thành hai chuẩn nhỏ hơn với các đặc điểm khá khác biệt.

Chuẩn 802.15.3a được thiết kế nhằm xây dựng mạng không dây có độ chính xác cao trong khoảng cách ngắn dưới 10m, với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với mạng LAN không dây 802.11a Các thông số kỹ thuật nổi bật của 802.15.3a bao gồm tốc độ truyền dữ liệu cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy và tốc độ nhanh.

110 Mbps ở khoảng cách 10m, công suất 100 mW và 480 Mbps ở khoảng cách 2m, công suất 250 mW

• 802.15.4a: mục đích c a chuủ ẩn là xây dựng một chuẩn truy n thông ề không dây có mức năng lư ng tiêu c th p (nh hơn 50 l n so với ợ ự ấ ỏ ầ

Bluetooth) tốc đ th p phạm vi cỡ 100m IEEE 802.15.4a có tốộ ấ c đ giới ộ hạn 20Kbps ở khoảng cách 75m, cho phép tối đa 65000 thi t b ế ị

Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào chuẩn 802.15.3a, được thiết kế cho mạng cá nhân không dây với tốc độ cao và khoảng cách hoạt động lên đến 10 mét Tiếp theo, chúng tôi sẽ phân tích mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn này.

Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn này có hai đặc điểm quan trọng:

• Tính chất ch n l c t n s c a kênh (tính ph thu c t n s ) đư c b ọ ọ ầ ố ủ ụ ộ ầ ố ợ ỏqua

• Tính chất ph thu c kho ng cách đư c mô hình hóa theo công thức tính ụ ộ ả ợ suy hao trong không gian tự do c a h băng h p ủ ệ ẹ

• B ỏ qua shadowing (loại fading có kích thước trung bình, xem ph n 3.1.3)ầ

Mô hình tính suy hao đường dẫn mà IEEE 802.15.3a khuyến nghị thể hiện qua công thức sau:

• L(d) là suy hao đường d n (pathloss) t i kho ng cách d tính theo dB ẫ ạ ả

• L(d0) là suy hao đường dẫ ạn t i m t khoảộ ng cách tham chi u dế 0 tính theo dB

• và lần lư t là giá trị trung bình và đợ ộ ệ l ch quân phương của h s ệ ố suy hao đường d n (pathloss coefficient hay pathloss exponent n), chú ý ẫ rằng n có phân bố Gauss: n = N( , )

Các tham số trên được khuyến nghị theo bảng 3.1 sau (được tính toán từ quá trình đo đạc của nhóm phát triển 802.15.3a):

Giá trị trung bình trường hợp LOS Độ lệch quân phương trường hợp LOS

Giá trị trung bình trường hợp NLOS Độ lệch quân phương trường hợp NLOS

Bảng 3.1 Giá trị suy hao đường truyền

• Như đã nói n có phân bố chu n nên giá tr trung bình là ẩ ị lđộ ệch quân phương là

Kí hiệu LOS (Line of Sight) chỉ đường truyền tín hiệu trực tiếp từ máy phát đến máy thu mà không bị cản trở bởi vật chắn Điều này đảm bảo tín hiệu có thể truyền đi một cách rõ ràng và hiệu quả.

• NLOS kí hiệu cho trư ng h p không có tầm nhìn thẳng ờ ợ

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

Mô hình hóa pha đinh kích thước lớn tập trung vào việc tính toán suy giảm công suất tín hiệu khi đi qua kênh, trong khi mô hình hóa pha đinh kích thước nhỏ chủ yếu nghiên cứu sự méo dạng tín hiệu và các vấn đề liên quan như trễ và hiện tượng phân tập đa đường Những ảnh hưởng của kênh lên tín hiệu được thể hiện qua đáp ứng xung của kênh, do đó, việc xây dựng đáp ứng xung là cốt lõi của mô hình hóa pha đinh kích thước nhỏ Việc dự đoán méo dạng tín hiệu là yếu tố quan trọng trong quá trình nhận dạng tín hiệu thông qua kỹ thuật tương quan, như đã trình bày trong chương 2.

3.3.1 Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ

3.3.1.1 Khái niệm pha đinh kích thước nhỏ

Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ đề cập đến sự biến động của tín hiệu thu được sau khi qua kênh truyền dẫn trong khoảng cách rất ngắn, thường là khi máy phát và máy thu cách nhau một bước sóng lớn nhất Biến động này có thể liên quan đến biên độ, tần số và pha trong thời gian hoặc khoảng cách ngắn Bài viết không đề cập đến hiệu ứng pha đinh kích thước lớn, chủ yếu do suy hao tín hiệu trong không gian tự do, mà thường ảnh hưởng đến truyền dẫn trong khoảng cách lớn do suy giảm pathloss.

Có 3 ảnh hưởng chính gây ra thể hiện hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ:

Sự thay đổi nhanh chóng của biên độ trong khoảng cách và thời gian nhỏ có thể gây ra hiện tượng phân tán đa đường Hiện tượng này không chỉ do suy hao trong không gian tự do mà còn bị ảnh hưởng bởi pathloss do khoảng cách.

• Tần số ủa từng thành phần đa đườ c ng multipath component b d ch ị ị chuyển bởi hiệu ứng Doppler khác nhau

Sự phân tán thời gian xảy ra khi tín hiệu nhận được nhiều phiên bản khác nhau tại các thời điểm khác nhau, thay vì chỉ nhận một tín hiệu duy nhất Hiện tượng này là do sự tương tác của các thành phần đa đường (multipath) với độ trễ khác nhau.

Có nhiều nguyên nhân gây ra hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ, trong đó phân tập đa đường được xem là nguyên nhân chính, đặc biệt đối với hệ thống UWB.

• S ựchuyển đ ng tương độ ối giữa máy thu và máy phát: gây ra hiệu ứng Doppler d ch tị ần khác nhau cho từng thành phần đa đường multipath component

Sự chuyển động của các vật xung quanh trong kênh truyền radio ảnh hưởng đến hiệu ứng Doppler của từng tín hiệu Nếu tốc độ của các vật này lớn hơn nhiều so với sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, thì hiệu ứng Doppler sẽ chiếm ưu thế hơn so với hiệu ứng gây ra bởi sự chuyển động tương đối giữa hai thiết bị.

Dải tần truyền dẫn của tín hiệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu khi truyền qua kênh; nếu dải tần này lớn hơn băng thông của kênh, tín hiệu sẽ bị méo Băng thông của kênh quyết định độ suy giảm của tín hiệu, phụ thuộc vào đặc tính vật lý của kênh, đặc biệt trong môi trường không khí với các vật cản Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi xây dựng mô hình cho kênh phân tập đa đường, nhằm dự đoán các thông số như độ trễ và biến đổi biên độ tín hiệu Mô hình hóa kênh kích thước nhỏ thường theo hướng tiếp cận thống kê, khác với mô hình kênh kích thước lớn chỉ xem xét các ảnh hưởng “vĩ mô” Trong kênh kích thước nhỏ, tính chất ngẫu nhiên chiếm ưu thế, ảnh hưởng đến toàn bộ tính chất của kênh Bài viết sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về mô hình hóa kênh, bao gồm đáp ứng xung, độ trễ và mối quan hệ giữa công suất với độ trễ, trước khi giới thiệu các mô hình kênh áp dụng cho kênh UWB.

Trong kênh kích thước lớn, mô hình hóa kênh chủ yếu tập trung vào suy giảm đường truyền để tính toán ngân sách công suất, trong khi đó, mô hình hóa kênh kích thước nhỏ lại nhằm dự đoán chính xác các thông số như độ trễ, biên độ, số thành phần đa đường và pha Mục tiêu của việc này là nâng cao hiệu quả thiết kế máy thu và cải thiện hiệu năng toàn hệ thống Việc mô hình hóa kênh kích thước nhỏ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống truyền thông.

• Hiểu bi t v pha đinh kích thư c nh s giúp hoàn thiế ề ớ ỏ ẽ ện cơ ch ếthu tín hiệu tại máy thu

• Hiểu bi t v s méo d ng c a tín hi u s là y u t ch ch t giúp nghiên ế ề ự ạ ủ ệ ẽ ế ố ủ ố cứu các phương th c đi u chế, bộ phát hiện tín hiệu và bộ giảứ ề i đi u chếề

Một mô hình phổ biến trong lý thuyết truyền thông là xem kênh như một bộ lọc tuyến tính phụ thuộc vào thời gian Đặc tính của kênh được xác định bởi đáp ứng xung h(t, τ), trong đó t là biến thời gian quan sát và τ là thời gian trễ Trong mô hình này, x(t) đại diện cho tín hiệu đầu vào của kênh, trong khi y(t) là tín hiệu đầu ra nhận được sau khi tín hiệu đi qua kênh.

Hoặc viết gọn lại (sử dụng khái niệm tích chập):

Mô hình kênh truyền dẫn có đặc trưng là đáp ứng xung h(t,τ), có dạng bất kỳ và phụ thuộc vào tính chất vật lý của kênh Thông thường, đáp ứng xung này được mô hình hóa theo những quy tắc nhất định.

Hình 3.2 Minh họa đáp ứng xung của kênh

Hình ở trên diễn giải đáp ứng xung của kênh phụ thuộc vào thời gian t và biến

Cơ sở để đưa ra đáp ứng xung là tính chất phân tập với độ trễ và góc pha khác nhau của xung thu từ anten Mô hình này biểu diễn một dãy xung với biên độ, góc pha và độ trễ đa dạng.

N(t) là số thành phần đa đường (multipath component) biến đổi theo thời gian và không gian Thực tế, các thành phần đa đường có ảnh hưởng rất nhỏ đến tín hiệu thu, chẳng hạn như nhiễu nền, do đó, bài toán trở nên đơn giản hơn Người ta giới hạn N(t) theo một ngưỡng công suất nhất định (tính theo dB), tức là chỉ tính những thành phần đa đường có công suất lớn hơn công suất của thành phần mạnh nhất một khoảng dB nhất định Những thành phần đa đường này sẽ được tính vào tổng hợp, trong khi các thành phần yếu hơn sẽ bị loại bỏ.

Biểu diễn ai(t,τ) là sự biến đổi của biên độ các thành phần đa đường, trong đó biên độ này liên quan chặt chẽ đến độ trễ τi của từng thành phần Mối quan hệ giữa công suất và thời gian trễ của các thành phần đa đường là một đặc tính quan trọng, và công thức Power Delay Profile đã được xây dựng để nghiên cứu mối quan hệ này.

• Đại lư ng 2πfợ Cτi(t) + φi(t,τ) biễu di n góc pha củễ a thành ph n đa đường ầ th i.ứ

• Đại lư ng τợ i(t) biễu diễn đ trễ ủộ c a thành phần đa đư ng thứ i ờ

• δ là kí hiệu c a hàm Dirac ủ

Đáp ứng xung của kênh mô tả hầu hết các tham số quan trọng, cho phép suy ra các thông số còn lại Vì lý do này, việc mô hình hóa kênh dựa trên đáp ứng xung trở nên cần thiết Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các tham số quan trọng của kênh có thể được suy ra từ đáp ứng xung, bao gồm các thành phần đa đường (multipath component).

KẾT LUẬN

Trong chương này, chúng ta đã khám phá mô hình hóa kênh vốn chia thành hai loại theo kích thước: mô hình kênh kích thước lớn và mô hình kênh kích thước nhỏ Mô hình kênh kích thước lớn tập trung vào việc giải quyết vấn đề suy hao pathloss do khoảng cách, nhằm tính toán mức năng lượng ở máy thu để xác định ngân sách công suất đường truyền và khả năng hoạt động của hệ thống Ngược lại, mô hình kênh kích thước nhỏ được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, đặc biệt là tốc độ truyền, thông qua việc tính toán và dự báo các tham số kênh như đáp ứng xung, độ trễ, biên độ và phân cực của thành phần đa đường Những thông số này rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu và quá trình thu, giúp người thiết kế hoàn thiện cơ chế hệ thống thu và nâng cao hiệu suất toàn bộ hệ thống.

NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU BĂNG HẸP LÊN HỆ THỐNG UWB

Những vấn đề về nhiễu băng hẹp trong các hệ thống UWB

Hiện nay, UWB đang trở thành giải pháp hấp dẫn cho truyền thông không dây với ứng dụng trong phạm vi hẹp và tốc độ dữ liệu cao UWB hoạt động trên băng thông rất rộng (trên 500MHz), gây ra sự tương tác giữa các hệ thống băng hẹp và UWB Mặc dù công suất truyền của UWB thấp, tác động của tín hiệu UWB lên hệ thống băng hẹp là không đáng kể, cho phép chúng đồng tồn tại Tuy nhiên, tín hiệu băng hẹp có thể gây nhiễu đáng kể cho hệ thống UWB, ảnh hưởng đến hoạt động và dung lượng của nó Nghiên cứu gần đây cho thấy chất lượng BER của thiết bị thu UWB bị ảnh hưởng bởi nhiễu băng hẹp, và trong nhiều trường hợp, ngay cả khi có độ lợi lớn, nhiễu vẫn không thể bị khử hoàn toàn Do đó, thiết kế hệ thống UWB cần xem xét để tránh truyền tín hiệu trên các tần số có nhiễu băng hẹp mạnh, hoặc thiết bị thu UWB cần giải pháp khử NBI để cải thiện chất lượng, dung lượng và phạm vi truyền thông.

Hình 4.1 : Sự tồn tại của các phổ nhiễu NBI trong các hệ thống UWB

Vấn đề NBI (nhiễu từ bên ngoài) đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong các hệ thống băng rộng như DSSS-CDMA và OFDM, nơi mà NBI được xử lý cùng với các kỹ thuật loại bỏ nhiễu như bộ tách sóng MMSE Tuy nhiên, việc khử NBI trong UWB (Ultra Wideband) phức tạp hơn do băng thông rộng và giới hạn công suất truyền dẫn Trong các hệ thống điều chế sóng mang, tín hiệu băng rộng mong muốn và nhiễu đều được biến đổi xuống băng gốc và lấy mẫu ở tần số Nyquist, nhưng UWB yêu cầu tần số lấy mẫu rất cao, điều này gây khó khăn cho công nghệ ADC hiện tại Các giải pháp như lọc khe trước tương quan xung có thể tăng độ phức tạp và chi phí của bộ thu UWB Hơn nữa, nhiều giải pháp khử nhiễu NBI hiện tại không hiệu quả hoặc quá phức tạp cho các yêu cầu của UWB Để cải thiện tình hình, cần phát triển các kỹ thuật hiệu quả hơn và một trong những giải pháp là tránh truyền tín hiệu UWB trên các tần số có NBI mạnh, chẳng hạn như sử dụng UWB đa băng tần Các bộ thu loại bỏ nhiễu cũng được thiết kế, nhưng có nhiều giới hạn so với các hệ thống băng rộng khác Gần đây, bộ lọc băng thông tương tự đã được áp dụng, nhưng chỉ hiệu quả khi nhiễu cố định Giải pháp sử dụng máy thu Rake kết hợp với MMSE đang được ưa chuộng nhờ khả năng xử lý tốt trong điều kiện nhiễu không trắng, mặc dù độ phức tạp của nó tăng lên theo số lượng Rake fingers.

Những giải pháp tránh nhiễu NBI

NBI có thể được giảm thiểu ở phía thu thông qua thiết kế hợp lý dạng sóng của UWB Nếu có thông tin về NBI trước, bộ phát có thể điều chỉnh các thông số truyền dẫn một cách phù hợp, và việc tránh NBI có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào kỹ thuật truy nhập Bài viết này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp giảm nhiễu cho hệ thống UWB, đặc biệt là sử dụng giải pháp đa sóng mang và đa băng tần Giải pháp đa sóng mang, đặc biệt là OFDM, là lựa chọn tối ưu cho truyền thông UWB nhờ khả năng chống NBI và khả năng chuyển đổi trạng thái truyền dẫn giữa “mở” và “đóng” dựa trên mức độ nhiễu Mô hình NBI trong OFDM bao gồm nhiều tần số nhiễu và được coi là quá trình ngẫu nhiên Gaussian trung bình bằng 0, kết hợp với tạp âm trắng.

Với k là chỉ số sóng mang, K là tổng số sóng mang, Ni/2 và Nw/2 lần lượt là mật độ công suất của NBI và tạp âm trắng

4.2.1 Giải pháp đa sóng mang

Giải pháp đa sóng mang là phương pháp hiệu quả để tránh nhiễu NBI trong hệ thống UWB dựa trên OFDM Bằng cách thiết kế hệ thống OFDM thích nghi, NBI có thể được kiểm soát dễ dàng Trong trường hợp nhiễu, chỉ một số sóng mang con trong phổ OFDM bị ảnh hưởng, cho phép truyền thông tin trên các tần số khác không bị nhiễu Nếu các sóng mang bị nhiễu được xác định, việc truyền dẫn trên chúng có thể được tránh Hơn nữa, với mã hóa FEC hiệu quả và cài đặt xen tần số, khả năng chống lại NBI sẽ được cải thiện Việc thích nghi trong quá trình truyền dẫn trên các sóng mang bị nhiễu mạnh không chỉ tăng cường khả năng chống lại NBI mà còn giúp tối ưu hóa hiệu quả công suất và phổ tần, giảm yêu cầu công suất cho mã hóa FEC.

Hình 4.2 : Nhiễu NBI trong hệ thông UWB đa sóng mang

Tại bộ thu OFDM, tín hiệu nhận được chứa tạp âm và nhiễu Sau khi đồng bộ và loại bỏ khoảng bảo vệ, biến đổi FFT được sử dụng để chuyển đổi các mẫu thu được từ miền thời gian sang miền tần số Tín hiệu thu lại sóng mang con thứ k của “ký hiệu” OFDM thứ n sẽ được xác định.

Trong hệ thống truyền thông, Sn,k đại diện cho tín hiệu được truyền qua một tập giới hạn như QPSK hoặc QAM, trong khi Hn,k là đáp ứng tần số của kênh, In,k là NBI và Wn,k biểu thị các mẫu tạp âm Gaussian không tương quan Các vấn đề như đồng bộ không hoàn hảo và phi tuyến của bộ thu phát ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống và được đưa vào thành phần tạp âm Wn,k Trong OFDM, bộ thu cần phản hồi từ bộ phát để xác định sóng mang bị nhiễu, và khi ước lượng thành công, thông tin sẽ được gửi lại để điều chỉnh quá trình truyền dẫn Thống kê nhiễu cần ổn định trong một khoảng thời gian nhất định; nếu thay đổi nhanh, bộ phát có thể gặp khó khăn trong việc điều chỉnh Thông tin phản hồi có thể bao gồm chỉ số sóng mang bị nhiễu, số lượng nhiễu và tần số trung tâm của NBI Việc nhận dạng sóng mang bị nhiễu có thể thực hiện qua việc giám sát mức công suất tín hiệu trung bình và so sánh với mức ngưỡng, từ đó đưa ra ước lượng mềm về công suất NBI thay vì quyết định cứng.

4 2.2 Các cơ chế đa băng tần.

Giải pháp đa băng tần được xem xét để tránh nhiễu NBI, cho phép chia phổ tần 7.5GHz thành các băng con nhỏ hơn thay vì sử dụng một sóng vô tuyến UWB duy nhất Theo khuyến nghị của FCC về băng thông tối thiểu 500MHz, thông tin có thể được truyền qua các băng tần con bằng kỹ thuật sóng mang đơn hoặc đa sóng mang (OFDM) Hệ thống đa băng tần được mô tả với băng tần thấp từ 3.1GHz-4.85GHz và băng tần cao từ 6.2GHz-9.7GHz, trong khi khoảng giữa không được sử dụng do ảnh hưởng nhiễu từ IEEE802.11a Giải pháp OFDM sử dụng các kênh 528MHz cho mỗi băng tần, với 3 kênh thấp là bắt buộc cho triển khai ban đầu, trong khi các băng tần cao hơn là tùy chọn cho tương lai.

Hình 4.3 : Các giải pháp đa băng tần.(a)Giải pháp 2 băng (b)Đa băng tần OFDM

Bên cạnh hai giải pháp đa băng tần và đa sóng mang, việc tránh nhiễu còn có thể thực hiện qua các giải pháp khác Một trong những giải pháp là tạo dạng xung, giúp loại bỏ các tần số nhiễu NBI trong quá trình truyền dẫn Đối với hệ thống UWB nhảy thời gian (TH), việc thay đổi mã nhảy thời gian có thể tạo ra các khe trong phổ, từ đó tránh được nhiễu Chẳng hạn, trong tín hiệu UWB PAM, mỗi ký hiệu có độ dài Ts và được chia thành các chip, mã TH xác định vị trí của xung trong khung Thay đổi mã TH giúp điều chỉnh dạng phổ tín hiệu và tạo ra các rãnh phổ tại tần số có NBI mạnh Ngoài ra, thiết kế anten cũng là một giải pháp vật lý để tránh nhiễu NBI, bằng cách tạo ra các rãnh tần số thông qua cấu trúc băng hẹp của anten, giúp giảm độ nhạy với một số tần số cụ thể.

Những giải pháp khử nhiễu NBI

Mặc dù các giải pháp tránh nhiễu đều khả thi, nhưng việc triển khai chúng thường gặp khó khăn do phụ thuộc vào hiểu biết chính xác về nhiễu băng hẹp Thiếu thông tin về tần số trung tâm của nhiễu khiến việc khử nhiễu trở nên bất khả thi Ngay cả khi đã có hiểu biết đầy đủ, sự hiện diện của nhiều nhiễu có thể làm giảm hiệu quả của các phương pháp như bộ lọc notch hoặc điều chỉnh thông số xung truyền dẫn Nếu không thể tránh nhiễu ở phía phát, việc tách và loại trừ NBI ở phía thu trở nên cần thiết Do đó, các hệ thống UWB chỉ dựa vào kỹ thuật tránh nhiễu sẽ không thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu NBI Phần này sẽ tập trung vào nghiên cứu một số giải pháp khử nhiễu tổng quát.

4.3.1 Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số

Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số có thể được áp dụng thông qua giải pháp lọc khe tai phía thu, cho phép loại bỏ các tần số NBI lớn Giải pháp này có thể sử dụng cho hầu hết các bộ thu, giúp hệ thống UWB không cần bộ thu tương quan Tuy nhiên, nó chỉ hiệu quả khi tín hiệu thu được là sự chồng lấn giữa tín hiệu UWB và NBI từ nhiều nguồn nhiễu khác nhau với đặc tính dừng Nếu tín hiệu thu phụ thuộc vào thời gian, cần áp dụng giải pháp trong miền tần số-thời gian.

Giải pháp miền tần số thời gian phổ biến nhất hiện nay là biến đổi Wavelet, tương tự như biến đổi Fourier Biến đổi Wavelet sử dụng các hàm cơ bản để biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian, nhưng khác với hàm mũ phức trong biến đổi Fourier, các hàm cơ bản trong biến đổi Wavelet được gọi là Wavelets và có giới hạn thời gian Nhờ vào đặc điểm này, biến đổi Wavelet có khả năng biểu diễn các đặc tính cục bộ về thời gian của tín hiệu, vượt qua giới hạn chỉ áp dụng cho tín hiệu dừng như biến đổi Fourier.

Một giải pháp khử NBI sử dụng biến đổi Wavelet là áp dụng bộ phát UWB để đánh giá phổ điện từ và thiết lập ngưỡng phù hợp cho việc phát hiện nhiễu Mức nhiễu tại mỗi tần số được xác định thông qua biến đổi Wavelet và so sánh với ngưỡng để phân biệt giữa các thành phần nhiễu và không nhiễu Dựa trên kết quả này, bộ phát sẽ ngừng truyền trên các tần số có NBI xuất hiện Giải pháp này tương tự như kỹ thuật đa sóng mang trong các phương pháp tránh nhiễu.

Wavelet không chỉ được ứng dụng ở phía phát mà còn có thể áp dụng ở phía thu Trong các giải pháp này, biến đổi Wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu thu được, tập trung vào các thành phần tần số có năng lượng cao, nhằm xác định xem chúng có bị nhiễu NBI hay không Nếu phát hiện có nhiễu, các thành phần này sẽ được loại bỏ thông qua các phương pháp truyền thống như lọc khe.

Biến đổi Wavelet rời rạc là công cụ hữu ích trong việc loại bỏ NBI, nhưng các bộ biến đổi ADC hiện tại không thể lấy mẫu tín hiệu UWB ở tần số Nyquist, dẫn đến những hạn chế về tính khả thi Do đó, hiệu quả của DWT tại tần số lấy mẫu khung và tốc độ "ký hiệu" đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá tính hữu ích của giải pháp này với công nghệ hiện tại.

Các bộ lọc dự đoán thích nghi là công cụ hữu ích trong việc khử NBI Khi nhiễu được phát hiện, thuật toán sẽ tạo ra một rãnh để khử nhiễu Tuy nhiên, nếu nhiễu đột ngột biến mất, bộ thu vẫn tiếp tục khử tín hiệu mong muốn xung quanh khe, do thiếu cơ chế phản ứng ngay lập tức Điều này dẫn đến việc chất lượng hệ thống thích nghi giảm khi NBI vào và ra ngẫu nhiên.

4.3.3 Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền thời gian

Nhóm giải pháp thứ 3 bao gồm các phương pháp dự đoán trong miền thời gian, với đặc điểm tín hiệu băng hẹp có khả năng dự đoán cao hơn so với tín hiệu băng rộng do dạng phổ phẳng của nó Trong hệ thống UWB, việc dự đoán tín hiệu thu được nhằm loại bỏ nhiễu NBI thay vì tín hiệu UWB Kết quả là, NBI có thể được loại bỏ bằng cách tách tín hiệu dự đoán ra khỏi tín hiệu thu.

Các phương pháp dự đoán được phân chia thành hai loại chính: tuyến tính và không tuyến tính Kỹ thuật tuyến tính sử dụng bộ lọc đáp ứng phẳng để đánh giá tín hiệu thu dựa trên các mẫu trước đó và giả định mô hình Một số phương pháp tuyến tính tiêu biểu bao gồm dự đoán Kalman Bucy với bộ lọc IIR Kalman-Bucy và thuật toán trung bình bình phương nhỏ nhất (LMS) dựa trên cấu trúc FIR.

Các phương pháp phi tuyến được đề xuất để cung cấp giải pháp tốt hơn cho các hệ thống DS do khả năng tận dụng cấu trúc phi Gaussian của tín hiệu DS Tuy nhiên, đối với UWB, tín hiệu lại không sở hữu cấu trúc phi Gaussian, dẫn đến phương pháp này không thể áp dụng hiệu quả.

Hệ thống IS OFDM cho kêh vô tuyến UWB -

4.4.1 Hệ thống OFDM đa băng tần

Ghép kênh OFDM là công nghệ điều chế đa sóng hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông hiện đại như mạng nội bộ không dây IEEE 802.11a/g OFDM mang lại nhiều lợi ích cho truyền dẫn tốc độ cao, bao gồm khả năng chống nhiễu ISI, dễ dàng cân bằng kênh nhờ chuyển đổi kênh fading tần số thành nhiều kênh fading phẳng, và đơn giản hóa định thời, đồng bộ tần số thông qua việc chuyển đổi từ truyền dẫn nối tiếp sang truyền dẫn song song Hệ thống này cũng cho phép thu phát tín hiệu băng gốc hoàn toàn dưới dạng số, sử dụng các thuật toán để tránh nhiễu NBI trong các hệ thống UWB Phần này sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống UWB dựa trên OFDM, hay còn gọi là OFDM đa băng tần (MB-OFDM).

Trong hệ thống MB OFDM, toàn bộ phổ tần UWB được chia thành nhiều băng tần con nhỏ hơn, giúp đơn giản hóa thiết kế các khối đầu cuối RF và bộ biến đổi ADC, DAC, đồng thời giảm tiêu thụ công suất Theo khuyến nghị của FCC, băng thông của các băng tần con lớn hơn 500MHz, với mỗi băng con có băng thông 528MHz Các băng con được phân bổ thành 5 nhóm khác nhau, trong đó nhóm 1-4 mỗi nhóm có 3 băng con, và nhóm 5 có 2 băng con Nhóm băng 1, dành cho các thiết bị mode 1, là bắt buộc cho tất cả thiết bị hỗ trợ mode 1, trong khi hỗ trợ cho các nhóm băng khác là tùy chọn và sẽ được bổ sung trong tương lai.

Bảng 4.1 Phân bổ băng con trong UWB đa băng tần

Tần số trung tâm (MHz)

Hình 4.4 Các băng tần con cho hoạt động của thiết bị mode 1

Trong phần này, chúng tôi chỉ tập trung vào các tham số cần thiết để thực hiện điều chế OFDM cho hệ thống MB-OFDM, với số lượng sóng mang sử dụng là N=8 Trong đó, 100 sóng mang được dùng để truyền dữ liệu, 12 sóng mang hoa tiêu, và 10 sóng mang ở biên phổ tần được dành cho khoảng bảo vệ và tạo dạng phổ tín hiệu truyền Còn lại 6 sóng mang không được sử dụng sẽ là tín hiệu null Điều chế OFDM được thực hiện thông qua biến đổi FFT ở băng gốc, với khoảng cách giữa các sóng mang con là 4.125 MHz (tương đương 2.42 ns) Đề xuất ban đầu cho chiều dài của cyclic prefix là 37, nhưng trong cơ chế hiện tại, thay vì thêm 37 zero vào đầu ra của IFFT, chúng tôi sử dụng 165 "ký hiệu" để tạo ra "ký hiệu" OFDM với độ dài 312.5 ns, nhằm tăng cường tính chất phổ tín hiệu hơn so với việc chèn mào đuôi.

Giải pháp lặp miền tần số chỉ áp dụng cho các trường hợp tốc độ thấp (53.3Mbps và 80Mbps) Với tốc độ bit thấp, chỉ có 50 “ký hiệu” được điều chế thành 50 sóng mang, và các “ký hiệu” này kết hợp để điều chế 50 “ký hiệu” khác, tạo ra đầu vào cho IFFT Do đó, tất cả “ký hiệu” QPSK được truyền trên 2 sóng mang khác nhau, tạo ra hệ số truyền là 2 Hơn nữa, điều này giúp đầu ra của IFFT trở thành tín hiệu giá trị thực, do đó không cần nhánh Q trong phần RF của bộ phát Tuy nhiên, với tốc độ bit cao (từ 110Mbps trở lên), sẽ không sử dụng giải pháp lặp miền tần số.

4.4.1.4 Tr i lả ặp lại th i gian ờ

Giải pháp lặp mi n thời gian áp dụng cho một vài tốc độ bit thấp (từ 53.3Mbps đến 200Mbps) giúp cải thiện hoạt động trong môi trường fading đa dạng và giảm thiểu nhiễu từ các piconet hoạt động liên tục Việc truyền thông tin được thực hiện bằng cách sử dụng hai "ký hiệu" OFDM, nhằm tăng cường khả năng phân tập và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

“Ký hiệu” OFDM là sự đả o tín hiệu I và Q c a tín hiủ ệu nguyên gốc và được mã hóa để đả m b o m t đ ph công su t ph ng cho tín hiệả ậ ộ ổ ấ ẳ u truy n ề

Với z(n) là tín hiệu băng g c phức của “ký hiệu” OFDM thứ k của các mẫu dạng sốố rời rạc.

Hệ thống MB OFDM áp dụng mã xoắn sửa lỗi với tốc độ 1/2, 1/3 và 5/8 để giảm méo tín hiệu từ kênh Tất cả các mã này được phát sinh từ bộ mã xoắn có tốc độ 1/3, và các tốc độ mã hóa khác được tạo ra thông qua quy trình "puncturing", là việc loại bỏ một số bit mã hóa ở bộ thu, dẫn đến thay đổi số lượng bit truyền và tốc độ mã hóa Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi tại phía thu, với các số 0 giả được chèn vào các bit đã bị loại bỏ trước khi giải mã Đối với UWB với tốc độ 200Mbps, bộ mã hóa sẽ có tốc độ R= 5/8, với các đa thức sinh có thể là: g 3 ; g 5 ; g 1.

Cấu trúc hệ thống MB OFDM bao gồm bên phát và bên thu, với quá trình phát tín hiệu bắt đầu bằng việc mã hóa kênh và cài xen các bit mã hóa lên chòm sao tín hiệu QPSK Điều chế OFDM được thực hiện thông qua bộ biến đổi IFFT, sau đó tín hiệu được chuyển đổi sang dạng analog và điều chế trên sóng mang, với tần số sóng mang nhảy giữa các khối OFDM dựa trên mã TFC Tại bên thu, tín hiệu băng gốc được lọc và lấy mẫu tại tần số Nyquist, sau đó giải điều chế OFDM thông qua biến đổi FFT Ảnh hưởng của kênh fading được bù đắp cho mỗi sóng mang, và quá trình tách ký hiệu QPSK diễn ra trước khi tín hiệu được giải mã.

Từ khi giải pháp MB-OFDM ra đời, nhiều ý tưởng đã được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng hệ thống này, tập trung chủ yếu vào việc cải thiện các kỹ thuật điều chế sử dụng trong MB-OFDM Hệ thống MB-OFDM, với băng thông truyền dẫn lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu, cho phép áp dụng các giải pháp trải tần khác nhau để phủ toàn bộ phổ tần Điều này giúp giảm thiểu fading đa đường và các nhiễu khác Khi tốc độ dữ liệu thấp, hệ thống MB-OFDM thường sử dụng hệ số trải tần bằng 2, gửi thành phần kết hợp của “ký hiệu” trên các sóng mang khác nhau Hệ thống cũng áp dụng băng lặp thời gian cho “ký hiệu” OFDM với một số đặc điểm nhất định và sử dụng hệ số trải thời gian là 2 Hơn nữa, hệ thống này dựa trên độ trễ giữa các băng tần con và sóng mang con để chống lại fading và sử dụng phân tán tần số Trong khi các cơ chế truyền thống khác được xem xét, sự khác biệt chính giữa chúng là độ phức tạp trong quá trình triển khai Do đó, MB-OFDM là lựa chọn giải pháp lặp tần và thời gian đơn giản, mặc dù các kỹ thuật khác có thể đạt được kết quả tốt hơn Không giống như các cơ chế UWB khác, MB-OFDM không yêu cầu sử dụng máy thu Rake để phân tán đa đường, giúp đơn giản hóa việc triển khai Việc triển khai máy thu Rake trong các hệ thống UWB rất phức tạp do yêu cầu đồng bộ thời gian nghiêm ngặt, do UWB chủ yếu sử dụng các xung rất ngắn và số lượng tương đối lớn các đường truyền cần thiết để hệ thống hoạt động hiệu quả.

Hình 4.5 C ấ u trúc h ệ ố th ng MB-OFDM: (a) Bên phát; (b) Bên thu

4.4.2 Mô phỏng hệ thống MB-OFDM

4.4.2.1 Các tham số mô t h th ng ả ệ ố

Hệ thống MB OFDM đã chứng minh là một giải pháp hiệu quả trong việc giảm thiểu nhiễu NBI Bài viết này sẽ trình bày các kết quả mô phỏng của hệ thống MB-OFDM Kênh UWB được sử dụng có băng thông 8 MHz, thuộc về băng tần con thứ hai trong dải tần dành cho UWB, với tần số thấp nhất.

Bài viết đề cập đến các tần số trong băng tần 3696MHz với tần số trung tâm 3960MHz và tần số cao nhất là 4224MHz, được sử dụng trong các hệ thống di động Trong quá trình mô phỏng, tín hiệu sẽ nhảy giữa băng tần thứ nhất (Fả L168MHz, FH696MHz, FC432MHz) và băng tần thứ ba (FL= 4224MHz, FHG52MHz, FCD88MHz) Sau mỗi khung OFDM, tín hiệu sẽ chuyển sang băng con liền kề, với số lượng sóng mang con được lựa chọn phù hợp.

128 Trong số đó, trong một “ký hiệu” OFDM có 122 sóng mang được dùng v i ớ

Hệ thống truyền dẫn bao gồm 100 sóng mang cho dữ liệu và 12 sóng mang dành cho hoa tiêu (pilots) Ngoài ra, có 10 sóng mang được sử dụng cho không bảo vệ, và 6 sóng mang còn lại sẽ là sóng mang null (zero) Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống được sử dụng cho mô phỏng.

B ả ng 4.2: Các tham s ố ủ a h ệ c th ống UWB đa băng đượ c mô ph ng ỏ

Thông số ệ ố h th ng Giá trị

Tần số trung tâm (băng con thứ 2) 960MHz

S ố lượng sóng mang con 128 sóng mang

Sóng mang con/”ký hiệu” OFDM 122

Sóng mang con chứa d liữ ệ/”ký hiệu” OFDM 100

Sóng mang con dành cho pilot/”ký hiệu”

Kiểu mã hóa Xoắn, tốc đ 5/8ộ

S ố lượng “ký hiệu” OFDM dữ liệu/ khung 30 “ký hiệu”

Mào đầu dước lượng kênh/khung 6 “ký hiệu”

Chuỗ ồi đ ng bộgói/khung 3 “ký hi u” ệ

Chuỗ ồi đ ng bộ khung/khung 6 “ký hiệ u”

Tổng số “ký hiệu”/khung 75

Mô hình bên phát sóng bao gồm bộ mã hóa dữ liệu ngẫu nhiên, trong đó mã hóa sử dụng mã hóa xoắn với tốc độ R=1/3 Để đạt được tốc độ mã hóa R=5/8, bộ mã hóa này được "puncturing" Sau bộ mã hóa, hệ thống được cài xen với chiều dài tương đương với mã hóa.

Sau khi thực hiện điều chế QPSK, tín hiệu OFDM sẽ được phát với các đặc điểm như trải phổ tín hiệu và tạo khung OFDM Quá trình này bao gồm việc chèn các mào đầu để ước lượng kênh, ký hiệu, hoa tiêu và không băng bảo vệ Biến đổi IFFT sẽ được sử dụng để tạo ra các ký hiệu truyền dẫn Khối nhảy tần sẽ thực hiện việc nhảy tần giữa ba băng con sau mỗi khung OFDM được truyền, với hệ số suy tín hiệu L=6 để đảm bảo chất lượng truyền dẫn.

Tại phía thu, sau khi thực hiện khôi phục nhảy tần và lọc phân tích tín hiệu với hệ ố phân tích M=6, tín hiệu sẽ được đưa lên khối thu OFDM Tại đây, các chức năng như loại bỏ không bù vả, các mào đầu đồng bộ, tạo khung OFDM và biến đổi FFT sẽ được tiến hành Chức năng quan trọng nhất trong khối này là ước lượng và bù kênh theo phương pháp sử dụng chuỗi thời gian Tín hiệu sau ước lượng kênh sẽ được thực hiện để loại bỏ “ký hiệu” hoa tiêu, tách nhóm “ký hiệu”, giữ trị phệ ổn và đưa đến bộ giải điều chế QPSK Các bit dữ liệu sau bộ giải điều chế sẽ được đưa đến bộ giải mã Viterbi để khôi phục lại thông tin đã được truyền.

Mô hình kênh UWB được nghiên cứu bao gồm AWGN và nhiều NBI Nhiễu băng hẹp được mô hình hóa là quá trình Gaussian với mật độ phổ công suất 2 biên là N0/2 Trong mô hình mô phỏng, quá trình này được tạo ra từ bộ lọc FIR băng thông tuyến tính, với đặc trưng suy hao chân dài là -30dB.

Đề xuất giải pháp hệ thống OFDM khử nhiễu cho kênh UWB

Giải pháp cải tiến OFDM được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông qua việc sử dụng phân tập thời gian và tần số Trong phương pháp này, công suất của mỗi "ký hiệu" sẽ được phân bố trên 2 hoặc tất cả các kênh sóng mang con, cho phép mỗi sóng mang con chứa ít nhất 2 "ký hiệu" trong một khung Các "ký hiệu" khác nhau trên cùng một sóng mang con sẽ được phân biệt bằng chuỗi trực giao (chuỗi Hadamard), tương đương với việc kết hợp song song nhiều hệ thống OFDM mà không gây nhiễu lẫn nhau Hệ thống này, được gọi là OFDM khử nhiễu (IS-OFDM), giữ lại tất cả ưu điểm của OFDM truyền thống và cho phép thực hiện cơ chế phân giải đa đường Giải pháp IS-OFDM cũng có thể coi là hệ thống ghép kênh phân chia theo mã trực giao (OCDM), trong đó các "ký hiệu" được trải song song nhờ các chuỗi trực giao Để đáp ứng yêu cầu chất lượng truyền dẫn UWB, giải pháp bao gồm hai thành phần: thành phần cơ bản, nơi công suất của mỗi "ký hiệu" được phân bố trên tất cả các sóng mang con, và thành phần kết hợp.

“ký hiệu” sẽ được phân biệt nhờ chuỗi Hadamard trực giao Thành phần kết hợp là giải pháp ghép các kênh cơ bản vào trong 1 kênh UWB

4.5.1 Hệ thống IS-OFDM cơ bản

= + , khi đó tín hiệu tr i ph s là: ả ổ ẽ

Hình 4.7 Sơ đồ kh i phát IS- ố OFDM cơ bả n

– Quá trình ở trên được goi là ghếp kênh phân chia theo mã trực giao (OFDM

Orthogonal Code Division Multiplex) và cung cấp 1 tập hợp luồng dữ liệu song song được chia tách nhau b i các mã tr c giao Hadamard ở ự

Trong bước tiếp theo, mỗi luồng dữ liệu trực giao song song được xử lý như một hệ thống OFDM truyền thống Tín hiệu sẽ trải phổ và đi vào bộ đệm S/P thứ hai, sau đó được mã hóa để cung cấp N luồng dữ liệu con song song Bộ mã hóa tạo ra N=2 điểm dữ liệu phức, được định nghĩa rõ ràng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét biến đổi Fourier rời rạc và các điều kiện liên quan đến đầu vào và đầu ra của nó Cụ thể, ta sẽ phân tích phần chuyển vị phức và các giá trị thực của biến đổi này Khi áp dụng điều kiện đối xứng cho đầu vào x và đầu ra của biến đổi Fourier rời rạc, chúng ta sẽ thu được giá trị thực cho các mảng đầu ra của biến đổi ngược IFFT.

Đầu ra của IFFT sẽ được đưa vào bộ biến đổi P/S, bộ biến đổi này có nhiệm vụ thêm vào khoảng bảo vệ hoặc mào đầu cho mạch Tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi dữ liệu song song thứ hai sẽ được tạo ra.

, (/ ) với m=0,1,…,N-1 trong đó NS= N+ Ng, với Nglà số lượng mẫu bảo vệ được thêm vào khung

Quá trình IS OFDM thực hiện song song với nhiều giá trị của q (q=1,2,…, 1) và luồng dữ liệu OFDM được đồng bộ hóa cả về tần số và thời gian IS OFDM song song đảm bảo các bins tần số và khung thời gian trong cơ chế đồng bộ là chính xác Các tín hiệu song song sq(m) sau đó được cộng lại để cung cấp tín hiệu IS-OFDM.

, = 0 1 d ữ liệu này sẽ đi vào bộ biến đ i D/A để cung cấp tín hiổ ệu truyền dẫn s(t) s r

Quá trình xử lý song song IFFT và bộ biến đổi P/S được thực hiện để tạo ra các tín hiệu tương đương với các bộ phát IS OFDM Bằng cách lấy đầu ra của bộ

Sau đó N điểm bk đi vào một bộ IFFT đơn, theo sau bởi 1 bộ biến đ i P/S (sẽổ thực hiện thêm khoảng bảo vệ vào mỗi khung) và có đ u ra cho b i: ầ ở

( ) d Chúng ta có thể ễ dàng xác định s(m)= đây sở q(m) là giống với pt (3.11)

Dựa trên các mô tả đã nêu, “ký hiệu” dữ liệu đ n [xế 0, x1,… , ] có thể được sắp xếp trong khoảng thời gian một khung (T = ) cho đầu vào của bộ phát

Trong hệ thống OFDM, mỗi băng tần số hay sóng mang con fi, với i = 0, 1, , 1, chứa toàn bộ các bit dữ liệu x0, x1, Các bit này được phân phối theo chuỗi trộn Hadamard, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.

Công suất của mỗi bit dữ liệu được phân bổ và truyền tải trên toàn bộ các sóng mang con, điều này trái ngược với OFDM truyền thống, nơi mỗi ký hiệu chỉ thuộc về một sóng mang con duy nhất.

Bây giờ chúng ta hãy cùng xem xét trường hợp đ c biệt của chỗi trực giao ặ không phải là Hadamard nhưng có (0,1) như sau:

Do vậy, chúng ta dễ dàng xác định IS OFDM trở thành OFDM truyền thống

Do đó, OFDM truyền th ng là m t trư ng h p đ c bi t c a IS-OFDM, tương ng ố ộ ờ ợ ặ ệ ủ ứ với ma trận dưới đây

Máy thu của IS-OFDM cơ bản được mô tả ở hình 4.8

Hình 4.8 : sơ đồ khối thu IS OFDM cơ bản -

Sau khi thực hiện giải điều chế và chuyển đổi A/D, tín hiệu thu được r(m) sẽ được đưa vào bộ biến đổi S/P, tạo ra N điểm dữ liệu song song zm với m = 0, 1, …, N-1 Các dữ liệu song song zm này sau đó sẽ được xử lý qua bộ biến đổi Fourier nhanh FFT (hoặc DFT) để tạo ra N điểm dữ liệu phức.

Dữ liệu song song ở trên sau đó đi vào bộ giải mã/ánh xạ ngược để tạo nên

Quá trình truyền dữ liệu này tương tự như OFDM trong truyền thông ống Dữ liệu Zk sẽ được đưa vào bộ biến đổi P/S, sau đó được giải trải bằng chuỗi Hadamard wq=[wq,0,wq,1,…,wq,N-1] một cách song song với q=0,1,…,-1, như mô tả trong hình 3, nhằm khôi phục dữ liệu.

Để xác nhận chức năng của hệ thống IS OFDM cơ bản, giả sử rằng tín hiệu nhận được ở đầu ra của bộ biến đổi A/D là giống với tín hiệu truyền r(m)=s(m) Ảnh hưởng của sự suy yếu kênh sẽ được nghiên cứu ở phần tiếp theo Tín hiệu đầu ra của bộ FFT trong trường hợp này sẽ được phân tích.

Điểm tín hiệu ở đầu ra của bộ biến đổi S/P, sau khi loại bỏ phần đầu ổ sửa lỗi, được ký hiệu là \( v_i \) với \( i = 0, 1, \ldots, N-1 \) Các điểm tín

Sau khi biến đ i P/S tín hiệu ổ ở đầ u ra c a b ảủ ộgi i tr i th 1 cho b i: ả ứ ở

Phương trình ở trên ch ra r ng công suấỉ ằ t tín hi u ở đầệ u ra c a b tích lũy 1 là lần ủ ộ tổng công suất của tín hiệu x1trong tất cả sóng mang con c -

Việc đồng bộ hóa hệ thống IS-OFDM bao gồm đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số Hệ thống này thực hiện việc tách các thông tin cần thiết từ tín hiệu analog nhận được hoặc từ cấu trúc của tín hiệu IS-OFDM Khối đồng bộ tần số kết hợp với khối đồng bộ mã, khi đồng bộ mã sẽ liên kết với các bậc tổ mã để cung cấp đầu vào cho các giải mã Các bậc tổ mã tạo ra các chuỗi mã Hadamard tại phía thu, và những chuỗi mã này sẽ được sử dụng để thực hiện đồng bộ với tín hiệu analog thu được Các kỹ thuật này đã được phát triển cho các hệ thống OFDM truyền thống và sẽ tiếp tục được áp dụng cho các hệ thống IS-OFDM Sau khi đạt được tần số, các chuỗi mã sẽ được sử dụng để thực hiện đồng bộ thời gian, giúp quá trình này đạt được độ chính xác cao trong việc đồng bộ hóa “ký hiệu”.

KẾT LUẬN

Trong chương này, chúng ta đã khám phá mô hình hóa kênh vốn được chia thành hai loại theo kích thước: mô hình kênh kích thước lớn và mô hình kênh kích thước nhỏ Mô hình kênh kích thước lớn chủ yếu tập trung vào việc tính toán suy hao pathloss do khoảng cách, nhằm xác định mức năng lượng tại máy thu và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống ở các khoảng cách khác nhau Sau khi đảm bảo hệ thống hoạt động, mô hình kênh kích thước nhỏ sẽ được áp dụng để nâng cao hiệu suất hệ thống, đặc biệt là tốc độ truyền Mô hình này giúp tính toán và dự báo các tham số quan trọng như đáp ứng xung, độ trễ, biên độ và phân cực của thành phần đa đường, từ đó hỗ trợ thiết kế tối ưu hóa cơ chế thu và cải thiện hiệu suất toàn bộ hệ thống.