L ỜI NÓI ĐẦU
3.1.5 Khoá bật tắt
Khoá bật tắt (OOK) với UWB có thể coi thuộc loại điều chế dạng xung trong đó tham số dạng xung là 0 hoặc 1, được chỉ ra trên biểu thức (3.9)
si =σip t( ) σi =0,1 (3.9) Ví dụ, xung “bật” được tạo ra khi σi =1 và xung “tắt” được tạo ra khi σi =0; qua đó, s1=p(t) và s2=0. Khó khăn chủ yếu của OOK là sự xuất hiện của hiện tượng đa đường, các thành phần đa đường đến bộ thu gây khó khăn cho việc xác định sự vắng mặt của một xung tương ứng với bit ‘0’. Khóa bật tắt thường là phương pháp điều chế nhị phân, tương tự như BPSK, nhưng không thể mở rộng thành điều chế M trạng thái như PPM, PAM, và PSM.
3.1.6 Mẫu tín hiệu
Trải phổ
Như đã nói ở chương 1 phổ của chuỗi xung liên tục tạo thành các vạch phổ tương ứng là bội của tần số lặp xung. Điều này hạn chế công suất phát của tín hiệu UWB vì các đỉnh phổ có thể vi phạm mặt nạ phổ công suất. Có hai kĩ thuật sử dụng để ngẫu nhiên hoá xung tín hiệu là trải phổ nhảy thời gian (TH) và trải phổ chuỗi trực tiếp (DS).
Một kí hiệu được phát được trải trên N monocycle để đạt được độ lợi xử lí có thể lấn át được tạp âm và nhiễu. Điều này tương tự như phương pháp được sử dụng trong các hệ thống trải phổ. Độ lợi xử lí theo dB thu được là
PG1=10log ( )10 N (3.10) Không giống như các hệ thống trải phổ, xung (chip) không cần thiết phải chiếm toàn bộ thời gian chip. Điều này có nghĩa là tỉ lệ thời gian chiếm (duty cycle) có thể rất nhỏ. Bộ thu chỉ cần “nghe” kênh trong khoảng tỉ lệ nhỏ về thời gian giữa các xung. Ảnh hưởng của các nguồn nhiễu liên tục do đó giảm đi và chỉ bị ảnh hưởng rõ ràng trong khoảng thời gian bộ thu cố gắng thu xung. Điều này làm tăng độ lợi của hệ thống do làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Độ lợi xử lí do tỉ lệ thời gian chiếm thấp là: 2 10 log10 f p T PG T = (3.11)
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3: Truyền thông UWB Tổng độ lợi xử lí thu được là:
PG=PG1+PG2 (3.12)
3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian
Khái niệm của TH-UWB được biểu diễn trên hình 3.6. Các monocycle TH- PPM trải năng lượng tín hiệu trên dải tần vô tuyến, giảm các xung nhọn trên phổ của chuỗi xung. Khi xử dụng mã PR để xác định thời điểm truyền dẫn trong một khung thời gian lớn, phổ của các xung phát sẽ rất giống nhiễu trắng.
Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian
Trong các hệ thống TH các người dùng phân biệt nhau bằng các mã PR khác nhau có chiều dài N. Trong một khung có N vị trí truyền dẫn có thể, nên trong trường hợp lí tưởng có tối đa M=N người dùng có thể hoạt động đồng thời mà không gây nhiễu.
Trong chếđộ TH, tín hiệu điều chế cho người dùng thứm là:
• Với điều chế PAM: ( ) 1 (m) (m) d f w j c k 0 ( ) N w(t-kT -jT -(c ) T )d m k j s t ∞ − =−∞ = = ∑ ∑ (3.13) • Với điều chế PPM: ( ) 1 (m) (m) d f w j c k 0 ( ) N w(t-kT -jT -(c ) T - d ) m k j s t δ ∞ − =−∞ = = ∑ ∑ (3.14) • Với PSM là: (m) k 1 ( ) (m) d f w j c d 0 ( ) N w (t-kT -jT -(c ) T ) m k j s t ∞ − =−∞ = = ∑ ∑ (3.15) Trong đó w(t) là dạng xung, dk là bit dữ liệu thứk. Khung thời gian Tf là chu kì phát giữa các xung. Mã nhảy thời gian (cp)j là chip thứj của mã PR nó là các số nguyên được sử dụng để nhảy giả ngẫu nhiên cho người dùng thứ k tại xung thứj,
và Tc là thời gian trễ tối thiểu có thể tạo được từ việc nhảy thời gian giả ngẫu nhiên đó. TH cực tiểu khả năng xung đột giữa các người dùng sử dụng các mã nhảy thời gian khác nhau và do đó nó cung cấp khả năng đa truy nhập giữa các người dùng khác nhau. Trong TH-UWB Tf Tplàm tỉ lệ thời gian chiếm thấp. Mỗi xung trong một chuỗi xung có thời điểm truyền dẫn danh định, nó được xác định bởi tần số lặp xung (RPF). Đối với các phương pháp điều chế không phải là PPM vị trí danh định xác định bởi các thời điểm lặp xung trong chuỗi tín hiệu f
0
w(t-jT )
N
j=
∑ . Đối với điều chế vị trí xung (PPM) vị trí danh định này thay đổi so với vị trí trên một khoảng nữa để mang thông tin cần điều chế (điều chế vị trí mang thông tin chẳng hạn với xung truyền sớm biểu diễn bit ‘0’ còn xung truyền đúng hoặc trễ so với vị trí danh định biểu diễn bit ‘1’). Khoảng thời gian truyền dẫn thực tế khi trải phổ TH được thay đổi so với vị trí truyền dẫn danh định cho mỗi người dùng bằng một mã PR duy nhất.
Trước khi trải phổ và điều chế tín hiệu lặp với tần sốTf, PSD của tín hiệu xuất hiện những đỉnh phổ là bội của tần số 1/Tf. Khi mã TH có độ dài N được đưa vào trải phổ thì các đỉnh phổ cách nhau một khoảng 1/(NTf). Điều này làm công suất tín hiệu phát trải đều hơn, dễ thoả mãn mặt nạ phổ của FCC hơn.
Khoảng lặp xung (xác định độ dài của mỗi khung nhảy thời gian) được xác định bởi số lượng người dùng nhân với độ rộng của một khe thời gian trong một khung nhảy thời gian:
Tf =N TU sl (3.16) Trong đó Tsl là độ rộng của mỗi khe thời gian và NU là số người dùng. Số lượng người dùng không chồng lấn tối đa được xác định bởi độ dài của mã PR
2n 1
U
N ≤N = − (3.17) Trong đó n là số lượng bit trong chuỗi PR. Độ dài của mỗi khe thời gian nên lớn hơn hai lần độ rộng xung, bởi vì như thế sẽ đủ thời gian trong một khe thời gian truyền bit ‘1’ hoặc ‘0’. Đó là ở đây giả thiết hệ số điều chế δ ≥1 . Giả thiết này nhằm giảm thiểu khả năng chồng lấn giữa các xung. Nói chung, độ rộng của một khe thời gian được xác định như sau:
Tsl >2Tp+τ (3.18) Trong đó τ là độ trễ (hệ số điều chế) sử dụng trong PPM. Ví dụ, nếu số lượng người dùng là 31 và độ rộng xung là 800 ps, độ rộng của khe thời gian trong
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3: Truyền thông UWB hơn 21 MHz. Bằng cách lựa chọn số lượng xung trên một kí hiệu là 200, độ lợi xử lí đạt được là hơn 41 dB.
Mặt khác nếu coi Tf là cốđịnh thì độ dài của mã bị giới hạn bởi
0≤NTc <Tf . (3.19) Không thể có dấu đẳng thức ở vế trái của đẳng thức vì luôn phải có một khoảng trễ nhất định trước các thời điểm lặp xung (xác định bởi Tf) để bộ tương quan hoàn tất việc tập hợp năng lượng từ một xung trước khi thực hiện tập hợp năng lượng từ xung tiếp theo. Trong TH
1 f mono T SF T ε = = (3.20) Trong đó Tmono là độ rộng xung. Độ chiếm chu trình (tỉ lệ thời gian chiếm )εđược xác định trực tiếp từ phần trăm thời gian bộ phát hoạt động và còn chỉ ra tỉ số tín hiệu trên tạp âm sau trải phổSNR’:
SNR'=SF SNR. (3.21) Trong đó SNR là tỉ số tín hiệu trên tạp âm trên kênh vật lí được đặt theo thuật ngữ kênh là SNR. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm sau giải trải phổđược đặt tên theo thuật ngữ tách sóng là SNR’. Và đây là tỉ số tín hiệu trên tạp âm thực tế trên thiết bị quyết định tại thời điểm quyết định.
3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp
Khi sử dụng kĩ thuật DS một mã PR được sử dụng để tải bít dữ liệu lên nhiều chip, rất giống với các hệ thống trải phổ thông thường. Trong trường hợp các hệ thống UWB, xung đóng vai trò là các chip trong DS. Nó được áp dụng chủ yếu cho PAM, PSM, OOK. PPM sử dụng TH sẽ thuận tiện hơn nhiều do đặc điểm nhảy thời gian trong điều chế tín hiệu. Hình 3.7 chỉ ra cấu trúc bit cho tín hiệu DS. Dạng sóng hình chữ nhật chỉ các chip.
• Tín hiệu s(t) PAM hay OOK cho người dùng thứm có thể biểu diễn là: ( ) 1 (m) ( ) d c p j 0 ( ) N w(t-kT -jT )(c ) m m k k j s t d ∞ − =−∞ = = ∑ ∑ (3.22) • Với PSM là ( ) dk 1 ( ) ( ) d 0 w m ( )( ) N m m d c p j k j s t kT jT c ∞ − =−∞ = = ∑ ∑ − − (3.23) Trong đó dk là bit dữ liệu thứ k, (cp)j là chip thứ j của mã PR, w(t) là dạng xung, N biểu diễn số lượng xung sử dụng trên mỗi bit dữ liệu, Tc là độ rộng chip, mã PR có các giá trị lưỡng cực giảđịnh là {-1,+1}, độ rộng bit là Td=NTc=NTp.
Khi sử dụng hệ thống DS, các xung truyền dẫn liên tục và do đó Nf xung được phát mỗi Tf và mỗi xung được coi là một chip. Điều này có nghĩa là hệ số trải phổ thu được là: f f mono T SF N T = = (3.24)
Và giống như trường hợp TH tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở mạch quyết định là : SNR'=SF SNR. (3.25)