2.5.1 ảnh hởng của đa đờng
Nh đã trình bầy trong phần u điểm của hệ thống UWB. Ta thấy đa đờng là một vấn đề mà mà hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến đều gặp phải. Do anten thu thu cả tín hiệu đến trực tiếp và tín hiệu bị phản xạ từ bộ phát. Nếu một xung UWB đơn (monocycle Gaussian) đợc phát thi tín hiệu thu đợc sẽ bao gồm một tín hiệu đờng thẳng và các tín hiệu bị phản xạ. Tín hiệu thu đợc r(t) với giả thiết không có tạp âm có thể đợc trình bầy: ( ) ∑ ( ) = − = L n n n t s a t r 1 τ (2-18)
trong đó τ1<τ2<τ3<…<τn. Tham số τn và an lần lợt là độ trễ và biên độ của thành phần đa đờng thứ n, trong đó τ1 và a1 tợng trng cho đờng đến trực tiếp. Dạng sóng s(t) xác định xung đơn UWB thu đợc. L là số lợng đờng tín hiệu.
Nh chúng ta đã biết, độ rộng xung của s(t) thông thờng nhỏ hơn 200ps. Do đó, các thành phần đa đờng với những độ trễ khác nhau lớn hơn độ rộng xung có thể đợc tách ra một cách vô hại. Chúng ta có thể kết luận rằng hệ thống UWB có khả năng chống lại nhiễu đa đờng rất tốt. Tuy nhiên, các thành phần đa đờng trễ với thời gian dài ans(t-τn) có thể gây ra vấn đề ISI đặc biệt khi τn>Tf. Để ngăn chặn vấn đề ISI, Tf không thể đợc chọn với giá trị quá bé khi xây dựng chuỗi xung phát.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 2. Phân tích tín hiệu UWB
2.5.2 Các ảnh hởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx
Một phòng bình thờng có thể đợc xem nh là môi trờng đa đờng mật độ cao, và một vấn đề mà chúng ta sẽ phải đối mặt là ảnh hởng lên kênh truyền dẫn do dịch chuyển các đối tợng.
Tốc độ chuyển động cao nhất của một đối tợng chuyển động có thể coi nh 2m/s, đây là một giá trị khá hợp lý trong điều kiện một căn phòng. Bằng một phép phân tích hình học đơn giản chúng ta có thể thấy sự thay đổi về chiều dài đờng gây ra bởi một đối tợng chuyển động với tốc 2m/s nhỏ hơn 4.10-7m. Do tốc độ của sóng điện từ là 3.108 m/s nên độ dịch thời gian sẽ là 4.10-7/3.108, tức là vào khoảng 10-15 giây, hay 10-6ns. So với độ rộng xung 0.1ns thì độ dịch thời gian gây ra do đối tợng chuyển động có thể lờ đi trong một khoảng thời gian ngắn.
Nếu chúng ta quan sát hệ thống trong một khoảng thời gian dài thì đối tợng chuyển động có thể gây ra vấn đề khóa trên một vài đờng khả dụng bị mất tại phía thu. Do đó, một kỹ thuật dùng để bám đờng sẽ đợc giới thiệu trong phần tiếp theo.
2.5.3 Khoá lại đờng khả dụng nhất
Nếu kênh truyền dẫn vô tuyến tạo ra một thay đổi đáng thì điều đó có nghĩa là đ- ờng dẫn khả dụng đã bị mất bám. Quá trình tách xung cho khoá đờng dẫn đúng cần phải đợc thực hiện lại. Vấn đề ở đây là làm sao để tách đợc đờng mạnh nhất nhng đã mất khoá.
Một giải pháp hấp dẫn đã đợc đề xuất, theo đề xuất này thì việc thực hiện tách xung và quá trình giải điều chế phải đợc thực hiện đồng thời với quá trình tách xung. Khi quá trình tách xung nhận thấy đờng mạnh nhất đã bị dịch quá nhiều, ví nh vợt quá ngỡng cho phép, nó sẽ bắt đầu hiệu chỉnh thông tin định thời của các xung UWB đầu vào để đảm bảo rằng xung làm mẫu tại bộ thu luôn luôn trùng khớp với các xung đầu vào mạnh nhất (đờng dẫn khả dụng nhất). Sau đó, quá trình giải điều chế sẽ làm việc với các tín hiệu mẫu mới, quan trọng là vẫn dới sự theo dõi của quá trình tách xung.
2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập
Trong phần này, các phơng pháp đa truy nhập truyền thống cũng đợc xem xét khả năng ứng dụng trong UWB.
2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB
Một kỹ thuật đa truy nhập phổ biến trong truyền thông băng hẹp là phân chia ngời dùng dựa trên băng tần sử dụng. Kỹ thuật này đợc gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Mỗi ngời dùng sử dụng một tần số sóng mang khác nhau để truyền và nhận tín hiệu.
Trong UWB, kỹ thuật FDM này đợc thực hiện bằng cách sử dụng các xung có độ rộng băng tần hẹp hơn băng tần tổng cộng; tuy nhiên, chúng vẫn là băng tần rất rộng. Có thể phân biệt kênh bằng cách nhân tín hiệu (xung) với một sóng mang.
2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian(TDMA), mỗi ngời dùng sử dụng cùng mã và cùng băng tần; tuy nhiên, cần phải có một độ dịch thời gian để tránh nhiễu. Nói chung, kỹ thuật này yêu cầu tất cả ngời dùng phải đợc đồng bộ, đó không phải là một việc dễ thực hiện khi mà số ngời dùng tăng lên. Xét một cách toàn diện, kỹ thuật này chỉ đợc áp dụng cho đờng xuống (Từ một trạm gốc trung tâm) đến ngời dùng di động.
2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã
Một kỹ thuật đa truy nhập khả dụng trong UWB là gán cho mỗi ngời dùng một mã trải phổ. Kỹ thuật này đợc biết đến với cái tên đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Về cơ bản có thể phân chia thành ba phơng pháp thực hiện CDMA:
Nhảy tần (FH: Frequency-Hopping): Làm việc giống nh FDMA nhng điểm khác nhau duy nhất là băng tần sử dụng đợc phân định bằng mã cho mỗi sự truyền dẫn.
Nhảy thời gian (TH: Time-Hopping): Kênh đợc chia thành các khe thời gian nh trong TDMA, nhng dùng mã để xác định khe thời gian nào đợc dùng cho mỗi sự truyền dẫn.
Chuỗi trực tiếp (DS: Direct-Sequence): Trớc khi truyền dẫn thì luồng dữ liệu đợc nhân với chuỗi giả tạp âm. Tại phía thu thì việc tách ngời dùng ra tại phía thu cũng đợc thực hiện bằng cách nhân luồng tín hiệu thu đợc với cùng một mã giả tập âm mà phía phát đã nhân. Thao tác này đợc gọi là thao tác giải trải phổ. Và nh vậy cho phép ngời dùng mong đợi thực hiện giải điều chế.
Điều khiển tập chung của hệ thống, nhằm quản lý quá trình đa truy nhập, thờng không đợc mong đợi đối với các ứng dụng của UWB. Nên việc thiết kế hệ thống phải nhằm vào yêu cầu loại bỏ yếu tố điều khiển tập chung, vì nó là điều kiện thuận lợi để có các đơn vị tự điều khiển có thể hoạt động mà không cần phải hợp đồng về lu lợng. Phơng pháp truyền thông này thờng đợc biết đến với tên gọi là ad-hoc Networking. Do các node không trực tiếp thông tin với nhau nên cũng không cần phải đồng bộ mạng do các node có thể trực tiếp liên lạc với nhau. Nên cấu hình truyền thông qua mạng ad-hoc của UWB đợc xem nh không đồng bộ. Tuy vậy, các node kết nối trực tiếp với nhau hay với một node chung nào đó thì vẫn phải đợc đồng bộ và có thể chia sẻ tốc độ bit đợc cung cấp bởi node chung đó. Loại cấu hình này đợc gọi là một piconet. Node chung điều khiển lu lợng trong một piconet theo phơng pháp TDMA, vì khi đó truyền thông đã đợc đồng bộ. Bên cạnh đó một số piconet có thể hoạt động dị bộ trong cùng một khu vực. Tiếp theo, để cung cấp dữ liệu đến và từ một node cho trớc đến node trung tâm, TDD thờng đợc dùng vì lý do đơn giản và do đồng bộ đã đợc thiết lập trong mạng.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 2. Phân tích tín hiệu UWB
Các hệ thống FH-CDMA không đợc nghiên cứu trong đồ án này do hiệu năng của nó không khác so với TH, nhng lại yêu cầu hệ thống phức tạp hơn để có thể nhảy giữa các tần số. Phần tiếp theo sẽ xét chi tiết thêm về các phơng pháp điều chế.
2.6.3.1 Time-Hopping
Mỗi một khung có khoảng thời gian là Tf (xem thêm hình 2-10) đợc chia nhỏ thành Nh
chip có độ rộng Tc. Mỗi đối tợng sử dụng (đợc ký hiệu là k) đợc gán một mẫu dịch thời giả tập âm { }hk,n , 0≤hk,n h Nh, đợc gọi là chuỗi nhảy thời gian, nó cung cấp một độ dịch thời bổ
xung cho mỗi xung trong chuỗi xung. Xung thứ n nhận thêm một độ dịch thời là hk,nTc giây.
Thời gian bổ xung cho mỗi xung phải không đợc vợt quá thời gian khung Tf. Với kỹ thuật điều chế sử dụng là PPM, dữ liệu thông tin đợc mang đi bởi độ dịch thời τ . Biểu thức tín hiệu của ngời dùng thứ k có thể đợc viết nh sau:
( ) ∑∞ ( ) −∞ = − − − = n b c n k f k t A p t nT h T n s , τ (2-19)
trong đó p(t) là hàm xung cơ sở nh đã trình bầy trong phần điều chế, giá trị của τbnphụ
thuộc vào bn (đó là độ dịch thời mà điều chế PPM thêm vào, nó dùng để mã hoá thông tin),
n k
h , xác định độ dịch thời bổ xung cho xung thứ n bởi mã giả tập âm đợc cấp phát cho ngời
dùng k.
2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp
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