Chuỗi trực tiếp cũng đợc dùng cho đa truy nhập trong hệ thống OOK và BPM. Trong hệ thống này, mỗi ký hiệu đợc tợng trng bởi một số lợng xung, chúng đợc đợc điều chế biên độ xung bởi một chuỗi chip. Các ký hiệu đầu vào đợc điều chế hoặc là biên độ hoặc là vị trí tơng ứng của mỗi chuỗi xung.
Đối với tín hiệu cơ hai, trong trờng hợp DSPAM hoặc DSPPM, tín hiệu của đối tợng sử dụng thứ k (k=1,…,K) có thể đợc viết dới dạng sau:
( ) ∑∞ ∑ ( ) −∞ = − = − − − − = n N i n k c b i k n k k c b iT nT t p a b A t s 1 0 1 , , 0 , 1 2 τ (2-20) trong đó, n là chỉ số thời gian, p(t) là xung UWB cơ bản, Tb là chu kỳ bít, Tc là chu kỳ chip, ak,i ∈ {-1, 1} là chip thứ i của đối tợng sử dụng thứ k, Nc là số lợng chip đợc dùng để thể hiện một ký hiệu, , 1 { }1,1
, 0
,n kn∈ −
k b
b là các bit thông tin của đối tợng sử dụng thứ k. Nc – chuỗi chip
PN, { ,0,..., ,( −1)}
c
N k
k a
a , đợc sử dụng để nhận dạng đối tợng sử dụng thứ k. Phải đảm bảo rằng
Đối với hệ thống DS-PPM, bit thông tin “1” đợc tợng trng bởi một khung các xung không trễ và bit “0” đợc thể hiện đợc thể hiện bởi cùng một khung các xung nhng với độ trễ τ tơng ứng với thời gian tham khảo. Đặt K là số lợng ngời sử dụng trong hệ thống. Do đó bk0,n đợc
thiết lập là 1 và bít thông tin của ngời dùng thứ k đợc mang bởi bk1,n trong hệ thống này. Đối
với tín hiệu DS-PAM, b1k,n đợc thiết lập là 1 và bit thông tin của đối tợng sử dụng thứ k đợc
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 3. Phân tích tín hiệu UWB
Chơng 3
Bộ thu phát UWB 3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB
Để tìm hiểu về các thành phần của một hệ thống truyền thông UWB, một sơ đồ khối đợc thể hiện trong hình 3-1 trong trờng hợp K ngời dùng có thể dùng chung tài nguyên phổ tần UWB.
Hình 3-1: Kiến trúc tổng quan của hệ thống UWB
Các khối điển hình của bộ thu phát UWB bao gồm đợc thể hiện ở phần dới của hình vẽ và về phía bên trái là phần anten. Mục đích của anten là dùng để chuyển các xung thành sóng điện từ và ngợc lại. Bên cạnh anten là phần RF trớc – sau đợc thể hiện. Phần này chịu trách nhiệm đảm bảo khối băng gốc có thể giao tiếp đợc với anten. Phần này bao gồm LNA và bộ điều khiển độ lợi tự động AGC trong khối thu.
Tiếp theo là khối băng gốc tơng tự đợc dùng trong bộ phát để tạo ra các xung và thực hiện chuyển đổi tơng tự sang số cần thiết trong bộ thu. Lý do có một hộp với nét vẽ đứt giữa phần tơng tự và số là do không có sự rõ ràng về cách thức tơng tác và cách thức xử lý tín hiệu trong hai miền cũng không đợc phân định rõ ràng. Một câu hỏi dễ dàng đợc đặt ra là bộ t- ơng quan thờng đợc dùng cho giải điều chế nên triển khai trên miền tơng tự hay số. Phần kiến trúc bộ thu sẽ trình bầy thêm để giải quyết câu hỏi này.
Cuối cùng, mã hoá và giải mã đợc thực hiện trong miền số và đợc thực hiện trớc khi lên đến các lớp cao hơn.
Qua một số phân tích sơ lợc về bộ thu phát UWB, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra một điều là độ phức tạp chủ yếu trong hệ thống UWB nằm ở bộ thu. Do vậy phần tiếp theo sẽ trình bầy chi tiết hơn về bộ thu UWB.
3.2 Kiến trúc bộ thu UWB
Xây dựng bộ thu UWB là một nhiệm vụ rất phức tạp, nó liên quan đến việc thiết kết thuật toán thu UWB cũng nh là triển khai mạch điện. Chơng này chủ yếu tập trung vào kiến trúc bộ thu UWB.
3.2.1 Bộ thu tơng quan (Bộ lọc thích ứng)
Trớc tiên, kiến trúc tổng quan của bộ thu UWB đợc giới thiệu. Bộ lọc thích ứng là mô hình bộ thu tối u. Bộ lọc thích ứng có thể đợc thực hiện bằng cách tơng quan tín hiệu đầu vào với tín hiệu mong đợi.
( ) =∫0− ( ) ( ) 0 . 0 0 t T t r t Stemplate t dt t r (3-1)
trong đó Stemplate(t) là xung mẫu đã đợc biết trớc và r(t) là tín hiệu vào tại bộ thu.
Hình 3-2: Bộ thu tơng quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB Bộ lọc thích ứng cho tín hiệu UWB đợc minh hoạ trong hình 3-2.
Đối với trờng hợp tín hiệu UWB đợc điều chế bằng phơng pháp BPPM, xung mẫu Stemplate(t) đợc điều chỉnh nh trong hình 3-2. Xung mẫu này có thể đợc nghiên cứu cùng với phơng pháp điều chế BPPM đã trình bầy trong chơng 3. Nửa đầu tiên của xung mẫu sẽ tạo ra một kết quả tơng quan âm với xung thu đợc là “0”, và nửa thứ sau của mẫu xung sẽ tạo ra kết quả tơng quan dơng với xung thu đợc là “1”. Do đó, tín hiệu UWB có thể đợc giải điều chế bằng xung mẫu BPPM này. Sau khi lấy mẫu tại cuối mỗi khung, chuỗi dữ liệu cơ hai
( )t
m~ đợc tạo ra, nó tợng trng cho dữ liệu đợc phát đã đợc giải điều chế tại bộ thu. m~( )t có thể đợc so sánh với dữ liệu nối tiếp đầu vào m(t) để đánh giá chất lợng (BER và SNR) của bộ thu.
3.2.2 Máy thu Rake
Tách tín hiệu trong một môi trờng đa đờng là lý do để chúng ta sử dụng máy thu Rake. Một máy thu Rake điển hình bao gồm một tập bộ tơng quan, mỗi bộ tơng quan tơng ứng với một độ trễ khác nhau, để cho tín hiệu đa đờng có thể đợc giải điều chế. Vì lý do đó, máy thu Rake đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống trải phổ, nó cho phép chống lại ISI (gây
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 3. Phân tích tín hiệu UWB
ra bởi truyền dẫn đa đờng). Ví dụ, một hệ thống CDMA truyền thống sử dụng máy thu Rake để tăng cờng chất lợng tách.
Trong các hệ thống UWB, ý tởng kết hợp máy thu Rake cũng có thể đợc sử dụng để tách tín hiệu trong môi trờng đa đờng. Vì chúng ta đang tập trung vào môi trờng một ngời dùng, nên chỉ một bộ tơng quan đợc tích hợp với máy thu Rake trong quá trình mô phỏng. Việc triển khai kiến trúc máy thu Rake ở đây chủ yếu vì mục đích thu năng lợng từ tín hiệu đa đờng. Kiến trúc của máy thu Rake đợc thể hiện trong hình 3-3 bên dới.
Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với một bộ tơng quan
So với bộ thu tơng quan, bộ thu sử dụng máy thu Rake thu đợc tín hiệu từ nhiều đờng và bổ xung năng lợng từ các đờng thu đợc đó nên đạt đợc một tín hiệu có tính tơng quan trớc (pre-correlation) tốt hơn. Các đờng (các xung đợc thu từ đó) đợc lựa chọn bởi máy thu Rake phải tối u, điều đó có nghĩa là chúng phải là những đờng khả dụng nhất. (Làm sao để xác định đợc các đờng khả dụng nhất thuộc quá trình tách xung, trong đồ án không đề cập). Khoảng cách về thời gian tối thiểu giữa các finger của Rake đợc thiết lập là 250ps nh là giới hạn vật lý phù hợp cho phần cứng của bộ thu.
Nh thể hiện trong hình 3-3, các finger đợc triển khai theo những đờng trễ. Nếu các đờng trễ đợc thiết lập chính xác, 5 xung khả dụng nhất có thể đợc lựa chọn tại đầu ra của đờng trễ tại cùng một thời điểm. Năm tín hiệu bị trễ đợc thể hiện trong hình 3-4.
Hình 3-4: Thông tin vắn tắt của các tín hiệu trong điều kiện không có tạp âm trong máy thu Rake. Tín hiệu 1 là tín hiệu bị trễ đầu tiên của tín hiệu UWB đầu vào gốc; tín hiệu 2 là một phiên bản trễ của tín hiệu 1, và tơng tự với tín hiệu 3,4,5; tín hiệu 6 là tổng hợp của 5 tín hiệu trễ đó (1,2,3,4,5). (Không tạp âm)
Các mũi tên của “a, b, c, d và e” trong hình 3-4 tợng trng cho 5 đờng khả dụng nhất. Sau khi cho qua các đờng trễ trong máy thu Rake, 5 đờng này đợc lấy tổng tại thời điểm τ. Năng lợng của chúng có thể đợc tích luỹ để tạo ra một xung UWB tốt hơn, đó là mũi tên “s” trong tín hiệu 6.
Hiệu năng đợc cải thiện rõ ràng hơn bởi kiến trúc máy thu Rake đợc thể hiện rõ ràng hơn trong trờng hợp có tạp âm (hình 3-5). Bởi vì thêm một vài đờng tín hiệu cùng nhau nên có thể lấy trung bình ảnh hởng của tạp âm. Do đó, SNR đầu ra trong cấu trúc máy thu Rake đ- ợc tăng lên và hiệu năn của máy thu Rake cũng tốt hơn bộ thu tơng quan UWB đơn thuần.
Có thể thấy rằng máy thu Rake có một hiệu năng tốt trong môi trờng đa đờng, và có thể giảm vấn đề ISI một cách đáng kể. Nhng rõ ràng là máy thu Rake yêu cầu độ chính xác trong định thời cao hơn, đó là thời gian chính xác của các xung đến theo đờng khả dụng. Do xung UWB rất hẹp nên yêu cầu định thời là một gánh nặng thêm. Bởi vậy, nghiên cứu về ảnh hởng đến hiệu năng do lỗi định thời là rất cần thiết trong khi thiết kế hệ thống UWB.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 3. Phân tích tín hiệu UWB
Hình 3-5: Thông tin vắn tắt về tín hiệu trong điều kiện có tạp âm bị giới hạn băng trong máy thu Rake. Tín hiệu 1 là tín hiệu bị trễ đầu tiên của tín hiệu UWB đầu vào ban đầu; tín hiệu 2 là trễ của tín hiệu 1, và theo quy tắc tơng tự đối với tín hiệu 3,4,5; tín hiệu 6 là tổng hợp của 5 tín hiệu trễ đó (1, 2, 3, 4, 5).
3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý
Có hai hệ số độ lợi SNR về cấu trúc máy thu Rake. Một là độ lợi xử lý do nhiều Rake finger và hệ số còn lại là do bộ lọc thích ứng.
Đối với bộ thu sử dụng máy thu Rake nh trong hình 3-3, sự kết hợp của 5 xung khả dụng có thể đợc sử dụng nh là đầu vào của bộ lọc thích ứng. Nếu 5 xung khả dụng này là giống nhau về biên độ và chúng tuyệt đối không trồng lấn lên bất kỳ xung thu đợc nào, năng lợng của xung mô phỏng sẽ là 25 lần xung đơn và năng lợng tạp âm sẽ là là 5 lần xung đơn. Trong trờng hợp này, độ lợi xử lý lên SNR có thể đạt đợc nh sau:
= ni si Rake P P
Gain 10log = 10log(25/5)=7dB (3-2) Rõ ràng là độ lợi xử lý này sẽ là 0dB nếu không có Rake finger nào đợc dùng.
Bộ lọc thích ứng cũng có độ lợi xử lý lên SNR, và ở đây chỉ đa ra kết quả cho mục đích đánh giá: in out N S BW T N S = 2. . (3-3)
trong đó T là chu kỳ tín hiệu tơng quan và BW là băng tần tạp âm đợc đo. Hơn nữa, chúng ta có thể viết tiếp độ lợi xử lý của bộ lọc thích ứng nh sau:
( T BW)
GainMatched_filter =10log 2. . (3-4)
Cuối cùng, sự kết hợp của hai hệ số độ lợi này sẽ làm tăng SNR tại đầu ra của bộ lọc thích ứng so với SNR đầu vào.
3.2.4 Thảo luận
Trong trơng này, bộ thu tơng quan và bộ thu sử dụng máy thu Rake cho các hệ thống UWB đã đợc xem xét. Tuy nhiên, có một số vấn đề cần đợc nhấn mạnh lại.
3.2.4.1 Số lợng Rake finger
Về lý thuyết, càng nhiều Rake finger thì hiệu năng càng đợc cải thiện do có nhiều hơn số đờng tín hiệu UWB đợc bám. Nhng trong thực tế, nhiều đờng trễ, phần chính của Rake finger, thì gây tốn kém và cũng có thể làm cho vấn đề lỗi định thời trở nên khó xử lý hơn. Do đó, chúng ta không đề nghị triển khai quá nhiều Rake finger trong bộ thu. Số lợng phù hợp có thể đạt đợc dựa trên sự đo đạc kênh đầy đủ.
3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự
Mặc dù triển khai mạch điện không phải là trọng tâm của đồ án, nhng một số vấn đề liên quan đến mạch điện cũng vẫn đợc quan tâm. Trớc tiên, bộ trộn có một vai trò quan trọng để tơng quan tín hiệu UWB đến đợc khuyếch đại với tín hiệu mẫu. Do đó, nó phải có đặc điểm đầu vào băng rộng và tính tuyến tính tốt.
Hình 3-6: Triển khai analog của bộ thu UWB
Việc thiết kế một bộ trộn nh vậy với một yêu cầu cao sẽ là một thử thách không nhỏ cho các nhà thiết kế. Một vấn đề khác là làm sao để chia miền tơng tự và miền số trong bộ thu UWB. Ngày nay, tốc độ của ADC không đủ cao để tạo ra dữ liệu UWB đợc lấy mẫu tại tốc độ lấy mẫu yêu cầu tối thiểu, nên chúng ta không thể tạo ra một hệ thống toàn số. Do đó, nhiều phần xử lý phải thực hiện trong miền tơng tự, nh bộ trộn và bộ tích phân, nh đợc thể hiện trong hình 3-6.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 3. Phân tích tín hiệu UWB
Chơng 4
So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác
Trong chơng này chúng ta sẽ thảo luận về một số điểm tơng đồng và sự khác biệt quan trọng của các hệ thống truyền thông UWB, trải phổ (SS), và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Mặc dù đây chỉ là sự thảo luận xét chỉ ở mức độ khái quát.
Trớc hết chúng ta có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của UWB so với trải phổ trực tiếp và OFDM là khác nhau. Sự khác nhau chủ yếu là khoảng cách, rất nhiều các ứng dụng mà trong đó OFDM và trải phổ trực tiếp thờng đợc sử dụng nhng nó lại không nằm trong phạm vi quan tâm của UWB. Chúng ta có thể lấy một số ví dụ, trải phổ trực tiếp đợc dùng trong điện thoại di động thế hệ thứ ba và các dịch vụ dữ liệu. Trái lại, OFDM lại đang đợc quan tâm trong các hệ thống di động thế hệ thứ t. Hơn nữa, OFDM cũng đợc sử dụng cho quảng bá truyền hình số, nh ISDB-T tại Nhật bản. Kỹ thuật truyền thông UWB hiện tại không đợc sử dụng cho các ứng dụng khoảng cách lớn và ứng dụng ngoài trời. Tuy nhiên, LAN không dây cho các ứng dụng trong nhà đang thuộc phạm vi quan tâm của UWB và do đó ta có đợc một cơ hội tốt để thấy đợc sự khác biệt của UWB so với các công nghệ khác mà có cùng một phạm vi ứng dụng. Chúng ta sẽ lần lợt khảo sát chi tiết hơn.
4.1 CDMA
Một trong những chuẩn truyền thông vô tuyến cho các ứng dụng ngoài trời phổ biến nhất là IEEE 802.11b dùng cho mạng nội bộ không dây. Nó hoạt động tại băng tần không có đăng ký 2.4 GHz. Trong 802.11b, các kỹ thuật trải phổ đợc sử dụng để thu tín hiệu băng hẹp và trải rộng phổ của tín hiệu ra toàn bộ băng tần khả dụng, mục đích của chính là để triệt nhiễu từ các ngời dùng khác hoặc các nguồn tạp âm. Băng 2.4 GHz đợc biết đến nh là băng ISM, nó là từ viết tắt của Industrial, Scientific, và Medical.
Nh đã trình bầy trong phần đa truy nhập, có hai kỹ thuật chính để trải phổ: trải phổ dùng nhẩy tần (FHSS) và trải phổ dùng chuỗi trực tiếp (DSSS). Một cái nhìn tổng quan về quan hệ trên miền tần số- thời gian đợc thể hiện đối với hai phơng pháp này trong hình 4-1 và 4-2.
Trong hình 4-1 chúng ta có thể thấy rằng hai ngời dùng chiếm dữ một băng tần hẹp trong một thời gian ngắn. Có 79 kênh nhảy tần trong chuẩn IEEE 802.11 và mỗi kênh có độ