Chuỗi trực tiếp cũng đ−ợc dùng cho đa truy nhập trong hệ thống OOK và BPM. Trong hệ thống này, mỗi ký hiệu đ−ợc t−ợng tr−ng bởi một số l−ợng xung, chúng đ−ợc đ−ợc điều chế biên độ xung bởi một chuỗi chip. Các ký hiệu đầu vào đ−ợc điều chế hoặc là biên độ hoặc là vị trí t−ơng ứng của mỗi chuỗi xung.
Đối với tín hiệu cơ hai, trong tr−ờng hợp DSPAM hoặc DSPPM, tín hiệu của đối t−ợng sử dụng thứ k (k=1,…,K) có thể đ−ợc viết d−ới 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 t−ợng sử dụng thứ k, Nc là số l−ợng chip đ−ợc dùng để thể hiện một ký hiệu, bk0,n,b1k,n∈{
−1,1}
là các bit thông tin của đối t−ợng sử dụng thứ k. Nc – chuỗi chip PN,{
,0,..., ,( −1)}
c N k k a a , đ−ợc sử dụng để nhận dạng đối t−ợng sử dụng thứ k. Phải đảm bảo rằng Tp nhỏ hơn chu kỳ chip Tc và NcTc phải nhỏ hơn khoảng lặp thu ký hiệu tần số.Đối với hệ thống DS-PPM, bit thông tin “1” đ−ợc t−ợng tr−ng bởi một khung các xung không trễ và bit “0” đ−ợc thể hiện đ−ợc thể hiện bởi cùng một khung các xung nh−ng với độ trễ τ t−ơng ứng với thời gian tham khảo. Đặt K là số l−ợng ng−ời sử dụng trong hệ thống. Do đó 0
,n k
b đ−ợc thiết lập là 1 và bít thông tin của ng−ời dùng thứ k đ−ợc mang bởi 1
,n k
b trong hệ thống này. Đối với tín hiệu DS-PAM, 1 ,n k
b đ−ợc thiết lập là 1 và bit thông tin của đối t−ợng sử dụng thứ k đ−ợc mang bởi 0
,n k
Ch−ơng 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 đ−ợc thể hiện trong hình 3-1 trong tr−ờng hợp K ng−ời 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 đ−ợc thể hiện ở phần d−ới 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 ng−ợc lại. Bên cạnh anten là phần RF tr−ớc – sau đ−ợc thể hiện. Phần này chịu trách nhiệm đảm bảo khối băng gốc có thể giao tiếp đ−ợc 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 t−ơng tự đ−ợc dùng trong bộ phát để tạo ra các xung và thực hiện chuyển đổi t−ơng tự sang số cần thiết trong bộ thu. Lý do có một hộp với nét vẽ đứt giữa phần t−ơng tự và số là do không có sự rõ ràng về cách thức t−ơng tác và cách thức xử lý tín hiệu trong hai miền cũng không đ−ợc phân định rõ ràng. Một câu hỏi dễ dàng đ−ợc đặt ra là bộ t−ơng quan th−ờng đ−ợc dùng cho giải điều chế nên triển khai trên miền t−ơng 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 đ−ợc thực hiện trong miền số và đ−ợc thực hiện tr−ớc khi lên đến các lớp cao hơn.
Qua một số phân tích sơ l−ợc 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. Ch−ơng này chủ yếu tập trung vào kiến trúc bộ thu UWB.
3.2.1 Bộ thu t−ơng quan (Bộ lọc thích ứng)
Tr−ớc tiên, kiến trúc tổng quan của bộ thu UWB đ−ợc giới thiệu. Bộ lọc thích ứng là mô hình bộ thu tối −u. Bộ lọc thích ứng có thể đ−ợc thực hiện bằng cách t−ơng 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 đ−ợc biết tr−ớc và r(t) là tín hiệu vào tại bộ thu.
Hình 3-2: Bộ thu t−ơng quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB Bộ lọc thích ứng cho tín hiệu UWB đ−ợc minh hoạ trong hình 3-2.
Đối với tr−ờng hợp tín hiệu UWB đ−ợc điều chế bằng ph−ơng pháp BPPM, xung mẫu Stemplate(t) đ−ợc điều chỉnh nh− trong hình 3-2. Xung mẫu này có thể đ−ợc nghiên cứu cùng với ph−ơng pháp điều chế BPPM đã trình bầy trong ch−ơng 3. Nửa đầu tiên của xung mẫu sẽ tạo ra một kết quả t−ơng quan âm với xung thu đ−ợc là “0”, và nửa thứ sau của mẫu xung sẽ tạo ra kết quả t−ơng quan d−ơng với xung thu đ−ợc là “1”. Do đó, tín hiệu UWB có thể đ−ợc giải điều chế bằng xung mẫu BPPM này. Sau khi lấy mẫu tại cuối mỗi khung, chuỗi dữ liệu cơ hai m~
( )
t đ−ợc tạo ra, nó t−ợng tr−ng cho dữ liệu đ−ợc phát đã đ−ợc giải điều chế tại bộ thu. m~( )
t có thể đ−ợc so sánh với dữ liệu nối tiếp đầu vào m(t) để đánh giá chất l−ợng (BER và SNR) của bộ thu.3.2.2 Máy thu Rake
Tách tín hiệu trong một môi tr−ờng đa đ−ờng là lý do để chúng ta sử dụng máy thu Rake. Một máy thu Rake điển hình bao gồm một tập bộ t−ơng quan, mỗi bộ t−ơng quan t−ơng ứng với một độ trễ khác nhau, để cho tín hiệu đa đ−ờng có thể đ−ợc giải điều chế. Vì lý do đó, máy thu Rake đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống trải phổ, nó cho phép chống lại ISI (gây ra bởi truyền dẫn đa đ−ờng). Ví dụ, một hệ thống CDMA truyền thống sử dụng máy thu Rake để tăng c−ờng chất l−ợng tách.
Trong các hệ thống UWB, ý t−ởng kết hợp máy thu Rake cũng có thể đ−ợc sử dụng để tách tín hiệu trong môi tr−ờng đa đ−ờng. Vì chúng ta đang tập trung vào môi tr−ờng một ng−ời dùng, nên chỉ một bộ t−ơng quan đ−ợc 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 l−ợng từ tín hiệu đa đ−ờng. Kiến trúc của máy thu Rake đ−ợc thể hiện trong hình 3-3 bên d−ới.
Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với một bộ t−ơng quan
So với bộ thu t−ơng quan, bộ thu sử dụng máy thu Rake thu đ−ợc tín hiệu từ nhiều đ−ờng và bổ xung năng l−ợng từ các đ−ờng thu đ−ợc đó nên đạt đ−ợc một tín hiệu có tính t−ơng quan tr−ớc (pre-correlation) tốt hơn. Các đ−ờng (các xung đ−ợc thu từ đó) đ−ợc lựa chọn bởi máy thu Rake phải tối −u, điều đó có nghĩa là chúng phải là những đ−ờng khả dụng nhất. (Làm sao để xác định đ−ợc các đ−ờng 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 đ−ợc 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 đ−ợc triển khai theo những đ−ờng trễ.
Nếu các đ−ờng trễ đ−ợc thiết lập chính xác, 5 xung khả dụng nhất có thể đ−ợc lựa chọn
tại đầu ra của đ−ờng trễ tại cùng một thời điểm. Năm tín hiệu bị trễ đ−ợc 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 t−ơng 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 t−ợng tr−ng cho 5 đ−ờng khả dụng nhất. Sau khi cho qua các đ−ờng trễ trong máy thu Rake, 5 đ−ờng này đ−ợc lấy tổng tại thời điểm τ. Năng l−ợng của chúng có thể đ−ợc tích luỹ để tạo ra một xung UWB tốt hơn, đó là mũi tên “s” trong tín hiệu 6.
Hiệu năng đ−ợc cải thiện rõ ràng hơn bởi kiến trúc máy thu Rake đ−ợc thể hiện rõ ràng hơn trong tr−ờng hợp có tạp âm (hình 3-5). Bởi vì thêm một vài đ−ờng tín hiệu cùng nhau nên có thể lấy trung bình ảnh h−ởng 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 t−ơng quan UWB đơn thuần.
Có thể thấy rằng máy thu Rake có một hiệu năng tốt trong môi tr−ờng đa đ−ờng, và có thể giảm vấn đề ISI một cách đáng kể. Nh−ng 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 đ−ờng khả dụng. Do xung UWB rất hẹp nên yêu cầu định thời là một gánh nặng thêm.
Bởi vậy, nghiên cứu về ảnh h−ởng đến hiệu năng do lỗi định thời là rất cần thiết trong khi thiết kế hệ thống 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 t−ơng 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 đ−ợc 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 đ−ợc nào, năng l−ợng của xung mô phỏng sẽ là 25 lần xung đơn và năng l−ợng tạp âm sẽ là là 5 lần xung đơn. Trong tr−ờng hợp này, độ lợi xử lý lên SNR có thể đạt đ−ợc 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 đ−ợc dùng.
Bộ lọc thích ứng cũng có độ lợi xử lý lên SNR, và ở đây chỉ đ−a 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 t−ơng quan và BW là băng tần tạp âm đ−ợc 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 tr−ơng này, bộ thu t−ơng quan và bộ thu sử dụng máy thu Rake cho các hệ thống UWB đã đ−ợc xem xét. Tuy nhiên, có một số vấn đề cần đ−ợc nhấn mạnh lại.
3.2.4.1 Số l−ợng Rake finger
Về lý thuyết, càng nhiều Rake finger thì hiệu năng càng đ−ợc cải thiện do có nhiều hơn số đ−ờng tín hiệu UWB đ−ợc bám. Nh−ng trong thực tế, nhiều đ−ờng 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 l−ợng phù hợp có thể đạt đ−ợc dựa trên sự đo đạc kênh đầy đủ.
3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và t−ơng tự
Mặc dù triển khai mạch điện không phải là trọng tâm của đồ án, nh−ng một số vấn đề liên quan đến mạch điện cũng vẫn đ−ợc quan tâm. Tr−ớc tiên, bộ trộn có một vai trò quan trọng để t−ơng quan tín hiệu UWB đến đ−ợc khuyếch đại với tín hiệu mẫu. Do đó, nó phải có đặc điểm đầu vào băng rộng và tính tuyến tính tốt.
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 t−ơng tự và miền số trong bộ thu UWB. Ngày nay, tốc độ của ADC không đủ cao để tạo ra dữ liệu UWB đ−ợc 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 t−ơng tự, nh− bộ trộn và bộ tích phân, nh− đ−ợc thể hiện trong hình 3-6.
Ch−ơng 4
So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác
Trong ch−ơng này chúng ta sẽ thảo luận về một số điểm t−ơng 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.
Tr−ớc 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 th−ờng đ−ợc sử dụng nh−ng nó lại không nằm trong phạm vi quan tâm của UWB. Chúng ta có thể lấy một số ví dụ, trải phổ trực tiếp đ−ợc dùng trong điện thoại di động thế hệ thứ ba và các dịch vụ dữ liệu. Trái lại, OFDM lại đang đ−ợc quan tâm trong các hệ thống di động thế hệ thứ t−. Hơn nữa, OFDM cũng đ−ợc sử dụng cho quảng bá truyền hình số, nh− ISDB-T tại Nhật bản. Kỹ thuật truyền thông UWB hiện tại không đ−ợc 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 đ−ợc một cơ hội tốt để thấy đ−ợc sự khác biệt của UWB so với các công nghệ khác mà có cùng một phạm vi ứng dụng. Chúng ta sẽ lần l−ợt 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 đ−ợc 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 ng−ời dùng khác hoặc các nguồn tạp âm. Băng 2.4 GHz đ−ợc 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 đ−ợc thể hiện đối với hai ph−ơng pháp này
trong hình 4-1 và 4-2.
Trong hình 4-1 chúng ta có thể thấy rằng hai ng−ời 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 rộng băng là 1 MHz.
Trái lại, hình 4-2 lại cho thấy rằng mỗi đối t−ợng sử dụng luôn luôn chiếm dụng toàn bộ băng tần khả dụng và các đối t−ợng sử dụng khác nhau thì đ−ợc tách ra bởi các mã
