Nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vựctruyền thông

Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB.

Mục lục

Thuật ngữ viết tắt i

Lời nói đầu 1

Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 3

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 3

1.1.1 3G và WLAN 3

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 4

1.2 Lịch sử của UWB 5

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB 7

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 7

1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp 7

1.3.3 Khả năng chống đa đường 8

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu 8

1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp 8

1.4 Thách thức đối với UWB 11

1.5 Chuẩn hoá 12

1.6 Các ứng dụng của UWB 14

1.6.1 Truyền thông và cảm biến 15

1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp 15

1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC 17

1.6.1.1.2 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE 18

1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động 19

1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB 20

1.6.1.1.5 Mạng cảm biến 20

1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao 22

1.6.2 Định vị và bám 23

1.6.2.1 Định vị 23

1.6.2.2 Bám 24

1.6.3 Radar 24

Chương 2.Phân tích tín hiệu UWB 27

2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 27

2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 27

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 27

2.2.2 Xung Raised Cosin 28

2.2.3 Lựa chọn dạng xung 29

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm 30

2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB 32

2.4.1 Điều chế vị trí xung 33

2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 35

2.4.3 Các phương pháp điều chế khác 37

2.4.3.1 Điều chế xung trực giao 37

2.4.3.2 Điều chế biên độ xung 39

2.4.3.3 On-Off keying 39

2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế 40

2.4 Phân tích công suất 43

2.5 Phân tích môi trường truyền dẫn và các ảnh hưởng của nó lên tín hiệu UWB 43

2.5.1 ảnh hưởng của đa đường 43

2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx 44

2.5.3 Khoá lại đường khả dụng nhất 44

2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập 45

2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB 45

2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 45

2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 45

2.6.3.1 Time-Hopping 46

2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp 47

Chương 3 Bộ thu phát UWB 48

3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 48

3.2 Kiến trúc bộ thu UWB 49

3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) 49

3.2.2 Máy thu Rake 50

3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý 52

3.2.4 Thảo luận 53

3.2.4.1 Số lượng Rake finger 53

3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tương tự 53

Chương 4 So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác 56

4.1 CDMA 56

4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 57

4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 61

4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 61

4.3.2 Các trường hợp ứng dụng của OFDM 61

4.3.2.1 DSL 61

4.3.2.2 WLAN 62

4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số 62

4.3.2.4 UWB 62

Chương 5 Phân tích nhiễu 63

5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN 63

5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a 63

5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a 64

5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu 64

5.1.4 ảnh hưởng của UWB lên WLAN 65

5.2 Bluetooth 67

5.3 GPS 68

5.4 Các hệ thống tổ ong 68

Chương 6 Kết luận 70

Chương 7 phụ lục 71

7.1 Phụ lục A 71

7.2 Phụ lục B 72

7.3 Phục lục C 73

Tài liệu tham khảo 74

cộng

CATV Cable Television or Community Antenna

Television

Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng

đồng

Metal-oxide-Semiconductor

Bán dẫn ôxít kim loại bổ xung

DS-CDMA

theo mã - chuỗi trực tiếp

DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

chung

Communications

Hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động

SS Spread Spectrum Trải phổ

dung đến Tivi

cao

theo thời gian

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mã băng rộng

Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn

được phát triển (3G và WLAN) được thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này

và truyền dẫn video chất lượng thấp Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu

về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã được đề xuất Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt

động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình Nhưng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là:

Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng chương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần được chỉnh sửa Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Phi Hùng đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I, Trung tâm đào tạo Bưu chính viễn thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn giúp đỡ,

cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Tây, ngày tháng năm 2005

Sinh viên

Dương Ngô Quý

Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến

Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến

Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát triển của các hệ thống cũ Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên mạng băng rộng Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau Xét về khía cạnh thay đổi để có thể được nâng cấp lên thế

hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn

do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ đầu Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó

hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phương tiện hoặc truyền video chất lượng thấp Kích thước của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống 2G hiện tại, như GSM, khoảng

300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2)

Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF

So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3)

Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB

Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng

Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới

có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia

đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN) Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB

802.11 Thông lượng dữ liệu theo khoảng cách

Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách

Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến

1.2 Lịch sử của UWB

Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quát nhất Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật hoạt động Thứ tự của chuỗi những quy luật theo

đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng của chúng Khi mà lĩnh vực truyền thông

vô tuyến đã trưởng thành, những mối quan tâm chính và liên quan trực tiếp được nâng lên dần dần theo hướng về phía sau danh sách những quy luật cơ bản Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ được điều khiển Nếu không có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành công Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy luật

đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng

Mbps tại chuyển động tối

thiểu 30 khung (mầu 16 bít)

Mbps tại chuyển động tối

thiểu 30 khung (mầu 24 bít)

Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ Nền tảng lớp vật lý cho truyền dẫn xung UWB đã được thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ trước (1901) khi

ông muốn ngăn chặn sự tán xạ của xung trong miền thời gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo Trong thực tế, có người đã cho rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và Hertz vào cuối những năm 1890 Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp được quan tâm nhiều hơn UWB Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội

Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998 Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời

Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã

được FCC cấp phát

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB

Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp truyền tin

cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM):

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao

Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là:

1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp

Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM Cấu trúc của tín hiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng như là mã PN (cung cấp khả năng truy nhập đường truyền) Một quy tắc xác định đơn giản cho thấy cả độ phức tạp cũng như là thời gian cần thiết để nghe lén một tín hiệu tỉ lệ với bình phương công suất của cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu như cấu trúc của nó không được biết trước

1.3.3 Khả năng chống đa đường

Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái niệm có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường Đa đường xuất hiện khi một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau (xem hình 1-6) Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đường vọng của một tín hiệu hình sin và cách thức chúng kết hợp

Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thể được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng Nếu như các xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ lệch

về khoảng cách dưới 30 cm Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đường này chỉ cách nhau 6 cm Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp Hình 1-7 minh hoạ cho điều này trong trường hợp các xung là đơn chu kỳ Lưu ý rằng đa đường được tách và phân biệt một cách dễ dàng, một máy thu RAKE được triển khai đơn giản để tận dụng ưu điểm đó Xem thêm phần 2.5.1

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu

Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như là các

hệ thống băng gốc Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp âm thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền tín hiệu số Không cần vòng khoá pha hay tần số Sau khi FCC đưa ra một số quy định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz Có thể nói rằng phương pháp đơn giản nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần, hoặc là trong miền tương tự hoặc trong miền số 1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp

Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt được thậm trí trong cả môi trường mà SNR thấp Cũng theo lý thuyết của Shannon:

duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN

Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các

hệ thống UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng

So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9) Do đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới các thiết

bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý

H×nh 1-6: Mét tr−êng hîp cña hiÖn t−îng ®a ®−êng víi øng dông trong nhµ

H×nh 1-7: §a ®−êng trong tÝn hiÖu UWB

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ

1.4 Thách thức đối với UWB

Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi

Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển Truyền thông vô tuyến luôn luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau trên cùng một phổ tần Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tượng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây nhiễu

đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại Trong nhiều trường hợp, các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được quyền sử dụng riêng phổ tần

Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa các thiết bị UWB Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và khả năng của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được mong đợi (xem thêm 1.5)

Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai Một số vấn đề về mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông

cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường, nhiễu giao thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các

bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề

nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên tương tự như các thiết

bị vô tuyến hiện tại

Hình 1-9: Mặt nạ phổ được đưa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà

1.5 Chuẩn hoá

Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế

hệ kế tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý Mặc dù nhiều đề xuất được đưa ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng đang là những ứng cử viên đầy hứa hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt được sự chấp thuận từ phía

uỷ ban chuẩn hoá

Đề xuất DS-CDMA, được đưa ra bởi Freescale ( trước kia là Xtreme Spectrum)

và kết hợp với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần được cấp phát thành hai băng Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhưng phiên bản sau đã vượt ra ngoài phổ tần đó Dải tần cho đề xuất này là từ 3.2 – 5.15 GHz và 5.825 – 10.6 GHz Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ary Bi-Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh và phân kênh Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này

Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA

Đề xuất MB-OFDM được đưa ra bởi một nhóm các công ty lớn như Intel, TI … Theo đề xuất này thì phổ tần được chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ rộng là 528 MHz) và các thiết bị được phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn Hơn nữa, OFDM được sử dụng cho từng băng một Dữ liệu được điều chế một cách thích hợp và sử dụng băng tần của nó Toàn bộ phổ tần được chia thành 4 nhóm riêng biệt chỉ nhóm A được dự định cho các thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiện tại Các nhóm còn lại được dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tương lai Hình 1-11, hình 1-12 sẽ giải thích thêm về vấn đề này

Sơ đồ mà DS-CDMA đưa ra nhằm đạt được tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp và kích thước nhỏ Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ cao cỡ 100Mbps và trong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ thống Đồng

bộ thời gian, sự lựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và mức độ ISI (inter symbol interference) là các vấn đề quan trọng trong đề xuất này Trái lại, MB-OFDM

được xem như một giải pháp thực tế hơn như: giảm được độ nhạy trong việc đồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụng CMOS Tuy nhiên, một câu hỏi lớn đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch điện, MAI và sự đồng ý của FCC Trước khi sự bế

tắc này có thể đ−ợc giải quyết bởi uỷ ban chuẩn hoá, cả hai nhóm đã quyết định triển khai các đề xuất của mình và xác minh lại tính khả dụng của nó

Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM

Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM

1.6 Các ứng dụng của UWB

UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp dẫn, nh− thể hiện trong hình 1-13

Về cơ bản, các ứng dụng này có thể đ−ợc chia thành 3 nhóm:

• Truyền thông và cảm biến

1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp

Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ - nhưng chúng thường được nối bởi dây dẫn hoặc cáp Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữ liệu vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, và để cho vô vàn mục đích khác Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể là không dây, nhưng giải pháp trên thị trường ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn

đề khác thì không quan trọng lắm trong việc đạt được một thoả hiệp hoàn hảo UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng đột ngột như là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài

sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tượng mà không gặp trở ngại gì về kết nối Nó cũng bị ảnh hưởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhưng ít hơn trường hợp ánh sáng hồng ngoại Vì UWB hoạt

động ở mức công suất rất thấp và theo phương thức không liên tục, nhiễu cũng không

đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác Trước hết chúng ta xét chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trường thiết bị

Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (như

bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lượng lớn các ứng dụng Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):

và khuôn dạng nội dung khác nhau

Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng được giá thành

và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking

Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lượng cao

đồng thời Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như đã được yêu cầu bởi thế hệ

kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp,

và công suất tiêu thụ thấp

Hình 1-14: Sự hội tụ của các loại thiết bị Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt

kê một số ứng dụng chính ở dưới đây:

Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến

Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và các thiết bị lưu trữ ngoài khác

Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, như

điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết

bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp

Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị

di động

1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC

Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15) Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo phương thức này Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp

cho đối tượng sử dụng có quyền hy vọng về USB không cần dùng cáp Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc

độ lên đến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m

Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP (Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách tay, hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn thành, video có thể

được chuyển vào PMP để xem sau

Hình 1-15: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB 1.6.1.1.2 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE

Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE) Lợi ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ dàng trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao Một lớp rộng lớn thiết bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị CE khác dễ thấy ở khắp gia đình UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tới đa thiết bị đồng thời Điều này tạo ra nhiều điều vô

cùng hấp dẫn ví như khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà

UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để xem Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play

dài

Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá, dựa

trên Silicon

Giá rẻ

Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí

Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB thời kỳ

đầu

1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động

Đối với những người sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có thể là một sự bất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau Nhiều thiết bị, như là thiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB, nhưng các thiết bị khác, như điện thoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cáp USB Công nghệ UWB cho phép các thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngay khi chúng đặt gần nhau UWB cũng có thể được sử dụng để tạo ra truy nhập mạng công suất thấp, tốc độ cao trong các khu vực hotspot

Vùng phủ Internet Hotspot đang tạo ra một điểm hấp dẫn về một thị trường rộng

mở cho truy nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy tính di động tại một vùng xa xôi Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những Hotspot là: WLAN

802.11a/b/g và WPAN dựa trên công nghệ Bluetooth Cả hai đều có những giới hạn về

đánh địa chỉ cho các nhu cầu hỗn hợp về kết nối băng thông rộng: dung lượng không gian cao nhằm phục vụ nhiều người trong một không gian cho trước và tiêu thụ công suất thấp UWB sẽ giúp vượt qua những khó khăn này và có thể tạo ra cho một người

được cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực này trưởng thành

Hình 1-16: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí 1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB

Giống như công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồn phát và thu nội dung Các thiết bị có thể được kết nối trực tiếp với nhau thông qua WUSB Lúc đó, độ tiện lợi sẽ được nâng lên một cấp độ khác (hình 1-17)

Hình 1-18 thể hiện một sự kết hợp công nghệ tạo ra một sự tiện lợi chưa từng

có Trong đó WLAN và LAN hữu tuyến, WUSB (có thể sử dụng UWB khi công nghệ này đã trưởng thành, khi đó tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến hàng Gbps) và USB hữu tuyến

1.6.1.1.5 Mạng cảm biến

Tất cả các loại bộ cảm biến đề xuất một cơ hội khác cho UWB phát triển tốt

đẹp Hiện tại các bộ cảm biến đang được sử dụng mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng Nhiều loại bộ cảm biến được dùng để bảo vệ nhà cửa, ô tô, và các tài sản khác Việc cài đặt các hệ thống an ninh hiện đại tiêu tốn thời gian và đắt đỏ

Hình 1-17: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB

Tại sao vậy? Bởi vì chi phí cho dây dẫn là khá nhiều và tiêu tốn nhiều thời gian

để cài đặt Thông thường, các gia đình cắt bớt các góc, chỉ đặt các bộ cảm biến có dây này tại các lối vào có thể nhìn thấy Với một giải pháp không dây, chi phí cho việc cài

đặt và bảo dưỡng có thể giảm xuống một cách bất ngờ, phạm vi bao phủ có thể được

mở rộng và độ tin cậy được tăng lên UWB có thể được dùng như là liên kết truyền thông trong mạng cảm biến, và tín hiệu UWB tự nó có thể thực hiện chức năng như là

bộ cảm biến Nó còn có thể được làm một cách đặc biệt để xây dựng các bong bóng an ninh xung quanh một khu vực cho trước cần được bảo vệ, bao gồm các vùng cảnh báo biến đổi Hãy tưởng tượng xem còn có gì khác có thể được thực hiện với ý tưởng này

để tạo ra sự an toàn, an ninh, và một cái đầu thanh thản Robert Frost đã viết trong Mending Walls, “ Hàng rào tốt làm nên hàng xóm tốt” Một hàng rào tốt nhất phải khó

bị nhận thấy hoặc tàng hình: lĩnh vực của UWB

Các bộ cảm biến cũng đang được dùng trong các trạm y tế để kiểm tra tốc độ xung, nhiệt độ, và các dấu hiệu sống quan trọng khác Ngày nay, một bệnh nhân bị trói buộc bởi dây và cáp khi việc theo dõi y học mở rộng được yêu cầu Một lần nữa, UWB

có thể được dùng để truyền tải thông tin cảm biến không cần dây, nhưng cũng có thể thực hiện chức năng như là một bộ cảm biến hơi thở, nhịp tim, và trong một số trường hợp, cho xử lý ảnh y học

Hình 1-18: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn Một mạng cảm biến UWB giải phóng bệnh nhân khỏi mớ lộn xộn của các bộ cảm biến có dây Giải pháp UWB tạo ra một “ thái độ rối rít” dễ chịu cho bệnh nhân khi cần thiết phải theo dõi cố định

1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao

Vì băng tần khả dụng đối với người dùng được mở rộng, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và lấp đầy băng tần khả dụng trong khi nhu cầu gia tăng Thêm vào sự gia tăng tập chung vào băng tần, vấn đề gia tăng điện thoại di động và du lịch đã thúc

đẩy nhu cầu về khả năng dịch chuyển băng tần, ám chỉ đến công nghệ không dây Các

ứng dụng sớm nhất của UWB sẽ lấy các nhu cầu thị trường cho truyền dẫn dữ liệu tốc

độ cao hơn đang tồn tại làm trọng tâm Tuy nhiên, nhu cầu không dây có khả năng đa phương tiện đã đang ép buộc những hành động mới của tổ chức chuẩn hoá không dây Giải pháp UWB sẽ nổi lên với các tính năng hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng này bởi vì băng tần khả dụng cao Đặc biệt, các ứng dụng đa phương tiện mật độ cao, như

là dùng trực tuyến đa phương tiện tại các “ điểm nóng” như sân bay hoặc trung tâm hàng hoá thậm trí cả các đơn vị cộng đồng, sẽ yêu cầu băng tần không như công nghệ

“băng hẹp” sóng liên tục hiện tại Khả năng đóng gói chặt “ các tế bào” UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển các giải pháp UWB UWB cho phép download phim ảnh với tốc độ cao Các màn hình video có

độ phân giải cao cỡ lớn trở nên phổ biến với mức giá chấp nhân được Các thiết bị này

có thể đạt được lợi ích to lớn từ khả năng dung lượng cao của UWB để truyền nội dung video qua đường vô tuyến từ các nguồn video đến một màn hình treo trên tường

1.6.2 Định vị và bám

Định vị và bám trên một phạm vi lớn, ví dụ như GPS, đã thay đổi phương pháp chúng ta đi lại Định vị và theo dõi trong một phạm vị nhỏ hơn có thể thay đổi cách tổ chức và theo dõi các đối tượng của chúng ta Các ứng dụng có thể cải thiện sự an toàn của tài sản, giúp chúng ta tìm thìa khoá xe và thậm trí giúp ta giữ liên lạc tốt với những

đứa trẻ của mình khi chúng ở xa

1.6.2.1 Định vị

Ngày nay, có nhiều công nghệ cho phép chúng ta định vị trên phạm vi toàn cầu với độ chính xác, điều mà trước kia không thể thực hiện được Chúng ta đã chuyển từ việc dùng la bàn sang dùng GPS Giờ đây, hãy tưởng tượng các khả năng đó đang dẫn

đến một bước tiến mới - vào bên trong nhà Mặc dù UWB không phải là một giải pháp hiệu quả cho định vị ngoài trời (do khoảng cách quá ngắn), nhưng nó vẫn là một giải pháp tuyệt vời đối với các vấn đề khoảng cách ngắn Một vài biến thể của UWB có thể

được sử dụng để xác định khoảng cách giữa hai trạm thu phát UWB bên trong nhà Bộ

định vị UWB có thể được đặt một cách chiến lược trong một mạng báo hiệu chỉ đường bằng biển không dây dọc theo một con đường chạy qua đồng quê để đánh dấu tuyến Chúng có thể được dùng để tìm người trong nhiều tình huống, như là nhân viên cứu hoả trong các toà nhà đang cháy, sĩ quan cảnh sát trong tình trang nguy hiểm, người trượt tuyến bị thương trên một sườn tuyết, người đi bộ đường dài bị thương ở một vùng

xa xôi, hoặc những đứa trẻ bị lạc trong công viên

1.6.2.2 Bám

Với kỹ thuật bám tiên tiến, chúng ta không chỉ biết vị trí của các đối tượng mà còn bám theo sự chuyển động của nhiều vật đặc biệt khác Ví dụ, các đối tượng được lưu giữ trong kho có thể được theo dõi từ lúc nhập kho cho đến lúc xuất kho và thậm trí

đến tận đích cuối cùng của chúng Bất kỳ một chuyển động nào trong một cơ quan tổ chức cũng có thể được theo dõi Nhờ có theo dõi tài sản, hàng hoá, nên đã cải thiện

đáng kể khả năng làm đơn giản hoá việc lưu trữ và phân phối tài sản, hàng hoá và các dịch vụ trong khi làm tăng khả năng điều khiển kiểm kê

Vì tính chất di động của con người và các đối tượng tăng lên, những thông tin mới nhất và chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trường thích đáng Trong khi GPS và một số công nghệ E911 hứa hẹn tạo ra một mức độ chính xác nào đó bên ngoài nhà, thì các công nghệ theo dõi bên trong nhà hiện tại vẫn còn không ít khó khăn và có

độ chính xác khoảng từ 3 đến 10 mét Triển khai UWB là một sự bù đắp cho GPS và E911 nó cho phép sự định vị chính xác và theo dõi các đối tượng chuyển động trong nhà với độ chính xác vài centimét Điều này lần lượt làm cho có thể cung cấp nội dung

định vị rõ ràng và thông tin tơí từng cá thể về chuyển động, và theo dõi các tài sản có giá trị cao về mặt an ninh và sử dụng có hiệu quả Trong khi đây là một thị trường mới

mẻ, độ chính xác được cung cấp bởi UWB sẽ thúc đẩy sự trưởng thành thị trường và sự phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực này Các hệ thống UWB có thể làm việc trong môi trường phức tạp trong đó có nhiều người, tài sản, và các tác động qua lại Các vị trí như là bệnh viện, khu an ninh, trung tâm đào tạo, và các nơi làm việc phân tán khác có thể đạt được ích lợi to lớn bằng việc truyền thông có hiệu quả hơn và nhanh hơn Việc lưu trữ tự động các hoạt động phức tạp không có cấu trúc giải phóng con người khỏi nhiệm vụ quản lý Lý lịch thiết bị có thể được cá nhân hoá, tự động chia sẻ thiết bị, để con người có thể đạt được sự thoải mái hơn với các tài sản sẵn có Sự

đo lường thời gian thực và sự kiểm toán nơi làm việc cung cấp cho người quản lý thông tin cần thiết để có được một quyết định thực tế chính xác Các mức độ an ninh chưa từng có có thể đạt được bằng sự theo dõi vị trí con người và các tài sản quan trọng

1.6.3 Radar

Tín hiệu UWB làm xuất hiện radar độ rõ nét cao với giá rẻ Với các khả năng của radar mới này được tạo ra bởi sử bổ xung của UWB, thị trường radar sẽ phát triển mạnh mẽ và radar sẽ được dùng trong nhiều khu vực mà không cần phải để tâm Một

số ứng dụng radar mới mang tính then chốt trong đó UWB dường như có vai trò cốt yếu bao gồm các bộ cảm biến tự động, bộ cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh,

bộ cảm biến an ninh cá nhân, điều tra chính xác, và các ứng dụng an toàn công cộng xuyên tường Những vòm an ninh được trang bị radar dựa trên radar chính xác đã thể

hiện khả năng phát hiện chuyển động gần các khu vực được bảo vệ, như là các khu vực

có tài sản giá trị cao, khu vực công chức, hoặc các khu vực bị hạn chế Vòm này có thể

được cấu hình bằng phần mềm để phát hiện chuyển động ngang qua cạnh của vòm, nhưng có thể bỏ qua các chuyển động bên trong hoặc đằng sau cạnh vòm

Ngày nay, khả năng phát hiện chuyển động xuyên tường là một thực tế Các thiết bị này gửi hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu như thế, trong hầu hết các hoàn cảnh, có thể xuyên qua hầu hết vật liệu nhà cửa, như bê tông rắn chắc, khối bê tông, lớp đá, gạch, gỗ, nhựa, ngói, và sợi thuỷ tinh Kết quả này là một phương tiện nhận biết những mối nguy hiểm hoàn toàn mới với nhiều công dụng Thiết

bị radar này nhằm phục vụ cho quân đội và đội ngũ chiến lược thi hành luật pháp Hoạt

động của radar dành cho phương tiện trong băng từ 22 đến 29 GHz được cho phép dưới các điều lệ của UWB bằng cách dùng anten định hướng trên các ô tô Các thiết bị này

có thể phát hiện vị trí và chuyển động của các đối tượng gần một phương tiện đi lại, tích cực khả năng tránh xung đột, sự hoạt hoá túi khí được cải thiện, và hệ thống giảm sóc thích ứng với điều kiện đường xá tốt hơn Hình 1-19 là hình ảnh thể hiện về các thiết bị cụ thể

Hình 1-19: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác

Cuối cùng, để kết thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảng khá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires)

Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp Điều này có thể làm tăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thay đổi hạ tầng đã tồn tại Công nghệ over-wire cho cáp đồng trục có thể cung cấp tới 1.2 Gbps cho đường xuống và 480 Mbps cho đường lên trong băng tần bổ xung, với giá thành thấp, trên nhiều kiến trúc mạng khác nhau Tín hiệu UWB có thể được đặt tại

đầu cuối cáp và được trích ra tại cơ ngơi người dùng Công nghệ UWB wire - line không gây nhiễu hay làm giảm chất lượng truyền hình, Internet tốc độ cao, thoại hoặc các dịch vụ khác đã được cung cấp bởi hạ tầng CATV Công nghệ này sẽ tạo cho người vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồn tại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng tổng thu nhập Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến và UWB hữu tuyến

Sự kết hợp công nghệ này tạo ra độ rộng băng tần mạng vô tuyến khổng lồ cho việc mở rộng nội dung được đảm bảo an toàn theo tất cả các đường từ văn phòng đầu cuối của nhà cung cấp cáp đến một loạt các thiết bị mạng không dây Điều này chuyển

đổi trung tâm giải trí gia đình thành cổng mạng và hub không dây

Chương 2 Phân tích tín hiệu UWB Sau khi nắm được những đặc điểm cơ bản nhất về UWB và những thuộc tính của

nó trên miền thời gian và tần số, chúng ta tiếp tục với việc phân tích tín hiệu UWB, trong chương này dạng xung sử dụng và các kỹ thuật điều chế trong UWB sẽ được trình bầy

2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB

Định nghĩa một tín hiệu UWB về các mặt có liên quan là một điều gì đó không thực sự rõ ràng

Sau đây là một số khả năng:

• Một tín hiệu với một độ rộng băng lớn hơn 500 MHz

• Một tín hiệu với độ rộng băng lớn hơn 20% tần số trung tâm

Những định nghĩa này cho phép một tín hiệu CDMA với một tốc độ 1 chip/ns hoặc một tín hiệu OFDM với độ rộng băng tần tổng cộng vượt ra khỏi chuẩn 802.11 Trong

đồ án này, chúng ta coi rằng tín hiệu UWB được cấu thành từ rất nhiều xung hẹp (cỡ 1

ns hoặc thậm trí còn hẹp hơn)

2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ

Có rất nhiều dạng xung được sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào đặc tính của phổ tần hoạt động của hệ thống mà dạng xung nào được lựa chọn Đối với hệ thống UWB phổ tần hoạt động cho các ứng dụng trong nhà được FCC cấp phát từ 3.1-10.6 GHz Do phổ tần cố định như vậy nên việc chọn lựa dạng xung cũng là một vấn đề quan trọng Nhằm tuân theo đặc tả của FCC, hai loại dạng xung được nghiên cứu: xung Gaussian và xung Raised Cosin

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian

Xung Gaussian đơn chu kỳ là một tín hiệu băng rộng, tần số trung tâm và độ rộng băng phụ thuộc vào độ rộng của chu kỳ đơn Trong miền thời gian, xung đơn chu

Trong đó τ là hệ số thời gian xác định độ rộng của đơn chu kỳ Trong miền tần

số, biến đổi Fourier của xung đơn chu kỳ Gaussian là:

( ) 2 2 2

.π π τ2 π fτ

e f j

Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó 2.2.2 Xung Raised Cosin

Trong đặc tả của FCC, mặt nạ PSD cho tín hiệu UWB có dạng hình chữ nhật Dễ thấy rằng xung dạng Gaussian không hoàn toàn phù hợp với quy định này Do vậy, xung Raised Cosin đ−ợc giới thiệu để có thể thích hợp hơn với quy định về PSD của FCC Hình 2-2 thể hiện xung Raised Cosin trên miền thời gian và tần số Xung Raised Cosin có thể đ−ợc mô tả trong miền tần số nh− sau:

, ,

0 2 cos 1 2 1

, 1

B f

B f f

f f

Với f6dB là tần số -6dB của xung Raised Cosin Vì mục đích tận dụng toàn bộ băng tần

được FCC chấp thuận 7.5 GHz nên giá trị của f6dB được thiết lập là 3.75 GHz

Dạng sóng tương ứng trên miền thời gian được tính như sau:

6 6

1

4 1

2 cos 2

2 sin 2

t f

t f t

f

t f f

f H F t h

dB

dB dB

ππ

π

Do h(t) là tín hiệu băng tần thấp (- f6dB, + f6dB) nên cần được dịch đến tăng tần tín hiệu mong muốn Trong trường hợp phổ tần của xung Raised Consin chiếm toàn bộ băng tần được FCC cấp phát thì xung băng gốc phải chuyển sang tần số trung tâm fc (6.85 GHz) Do đó, xung được phát đi sẽ là:

kỳ Gaussian thì có thể được tạo ra một cách khá đơn giản, và do đó thường được lựa chọn để sử dụng cho các hệ thống UWB

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm

Sau khi giới thiệu một số dạng xung UWB thì việc truyền dẫn các xung – chuỗi xung cần được xem xét Trước tiên chúng ta tạo ra xung Gaussian đơn chu kỳ tại những thời điểm cách nhau bởi khoảng thời gian lặp (xem hình 2-3) và chuỗi xung này

1

Trong đó Tf là chu kỳ khung, bằng với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp, gm(t)

là xung Gaussian đơn chu kỳ Chuỗi xung trên có một tần số lặp xung xác định là 1/Tf Dựa trên mật độ phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ GM (hình 2-1), mật độ phổ công suất (PSD) có thể được viết như sau:

periodic

T

k f T

k GM T

f GM T f

2

2

2 2 2

T

k f T

k GM T

có hiệu quả và cần được cải thiện Để có thể làm mịn đường phổ, yếu tố then chốt để tối ưu việc sử dụng phổ tần, chúng ta cần loại bỏ sự tương quan của chuỗi xung tuần hoàn trong miền thời gian Một phương pháp hữu dụng để giải quyết vấn đề này là làm cho các xung xuất hiện ngẫu nhiên trong miền thời gian, do vậy nhiều sự tương quan

có thể tránh được trong chuỗi xung và đường phổ có thể được nén lại Phương pháp này

được thể hiện trong hình 2-4 và chuỗi xung với xung đơn chu kỳ Gaussian có thể được mô tả như sau:

0

(2-10)

Trong đó ∆T j là số ngẫu nhiên thuộc (0, Tf) PSD của chuỗi xung này có thể thu được như sau:

( ) 1 ( )2

f GM T f p

f

Từ đó ta thấy rằng p random( )f chỉ là một bản mở rộng của phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ và không có nhánh nào trong đó

Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó

Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần

Sở dĩ như vậy là do tất cả các xung xuất hiện ngẫu nhiên hoàn toàn và tuyệt đối không

có thông tin tương quan về vị trí xung Thuộc tính trên được khẳng định lại bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-4

j

T

∆ là độ dịch thời gian (nhiều nano giây) có thể được áp dụng cho từng xung Tập hợp {∆T j} có thể được thiết kế giống như mã giả tập âm (PN) Trong hệ thống đa truy nhập, mỗi một người dùng có một chuỗi mã ngẫu nhiên duy nhất Chỉ bộ thu hoạt động với cùng một mã ngẫu nhiên mới có thể giải mã truyền dẫn Nếu không biết trước mã nhảy thời gian duy nhất này thì tín hiệu không thể được tách ra thậm trí ngay cả trong trường hợp mà bộ thu đặt rất gần bộ phát Phương pháp để gán cho từng xung UWB một khoảng thời gian ∆T j này còn được sử dụng như là một kỹ thuật đa truy nhập

Để hiểu thêm về một kỹ thuật đa truy nhập và khả năng ứng dụng của chúng trong UWB, ta xét thêm một số kỹ thuật đa truy nhập khác (xem phần kỹ thuật đa truy nhập)

2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB

Như chúng ta đã biết, một xung đơn UWB không mang thông tin Chúng ta phải thêm thông tin số vào xung tương tự, điều này được thực hiện bằng điều chế Trong các

hệ thống UWB, có một số phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ xét chi tiết ở phần sau

Thông thường, chúng ta định nghĩa hai dạng điều chế cơ bản cho truyền thông UWB Chúng được thể hiện trong hình 2-5 (kỹ thuật điều chế dựa trên thời gian và kỹ thuật điều chế dựa trên dạng xung)

Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB Một phương pháp điều chế phổ biến nhất trong truyền thông UWB là điều chế

vị trí xung (PPM), trong đó mỗi xung được trễ hoặc gửi trước thang thời gian bình thường Do vậy, một hệ thống truyền thông cơ hai có thể được thiết lập với một độ dịch thời về phía trước hoặc sau Bằng cách chỉ rõ thời gian trễ chính xác cho từng xung, một hệ thống M-ary có thể được tạo ra

Một phương pháp thông dụng khác sử dụng kỹ thuật đảo ngược xung: điều đó

có nghĩa là tạo ra một xung với pha ngược lại Đây được gọi là kỹ thuật điều pha cơ hai (BPM)

Một kỹ thuật điều chế hấp dẫn khác là điều chế xung trực giao, trong đó yêu cầu các dạng xung đặc biệt mà khi được tạo ra chúng phải trực giao nhau

Điều chế vị trí

xung (PPM)

Kỹ thuật dựa trên thời gian Kỹ thuật dựa trên dạng xung

Điều chế xung đối cực (BPPM)

OOK PAM Phương pháp điều chế dạng xung cơ bản (như điều chế xung trực giao)

Ngoài ra còn có một số kỹ thuật điều chế nổi tiếng khác như OOK Trong kỹ thuật điều chế OOK, sự có mặt hoặc vắng mặt của xung thể hiện thông tin số “1” hoặc

“0” một cách tương ứng Điều chế biên độ xung (PAM) là kỹ thuật sử dụng sự biến đổi biên độ xung để mang thông tin số

Hơn nữa, một vài kỹ thuật điều chế truyền thống khác không áp dụng được trong truyền thông UWB Ví dụ: kỹ thuật điều tần được sử dụng rộng rãi lại rất khó áp dụng trong UWB, vì mỗi xung mang quá nhiều thành phần tần số

Chúng ta lần lượt kiểm tra từng kỹ thuật điều chế có thể áp dụng trong UWB này Trước tiên, chúng ta xét hai kỹ thuật điều chế phổ biến nhất: PPM và BPM Một

sự so sánh đơn giản hai kỹ thuật điều chế này được thể hiện trong hình 2-6 Trong hình 2-6(a), một chuỗi xung không được điều chế dùng để so sánh Xét một ví dụ cho trường hợp PPM, xung tượng trưng cho bít thông tin “1” bị trễ đi (xung bị dịch sang phải) Xung tượng trưng cho bít “0” được gửi đi trước xung không được điều chế (xung

bị dịch sang trái) trong hình 2-6 (b) Đối với trường hợp BPM, xung bị đảo ngược tượng trưng cho bít “0” trong xung không bị đảo tượng trưng cho bít “1” Xem hình 2-

6 (c) để thấy rõ hơn vấn đề này Sau đây chúng ta sẽ đi xét chi tiết lần lượt từng phương pháp một

(a) Các xung không được điều chế

(b) Điều chế vị trí xung

(c) Điều pha hai mức

Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung và điều pha hai mức trong UWB

Bộ thu phân biệt “1”, “0” bằng thời gian đến của nó, hoặc độ trễ giữa các xung (xem thêm hình 2-7)

Hình 2-7: Điều chế vị trí xung Lợi ích lớn nhất của PPM xuất phát từ tính đơn giản của nó và lỏng lẻo trong việc điều khiển độ trễ Trái lại, hoạt động của hệ thống UWB lại yêu cầu một độ chính xác rất cao về thời gian Do đó, có thể coi đây là một nhược điểm của phương pháp

điều chế này Ngoài ra điều chế vị trí xung có tác dụng làm phẳng phổ tín hiệu, do đó làm giảm nhiễu tới các hệ thống vô tuyến cũ PPM cho phép sử dụng kỹ thuật thu sử dụng bộ lọc thích ứng tối ưu Bộ thu sử dụng một bộ tương quan để tách tín hiệu dưới