Một trong những lợi ớch của mật độ phổ năng lượng thấp là khả năng tỏch súng thấp, điều này đặc biệt quan tõm trong cỏc ứng dụng quõn sự như truyền thụng bảo mật và radar. Đõy cũng là một sự quan tõm của cỏc ứng dụng dõn dụng vụ tuyến, nơi mà an toàn dữ liệu cho cỏc tổ chức, cỏ nhõn sử dụng hệ thống vụ tuyến hiện nay đang thiếu [7].
2.3 Dạng xung
Dạng xung UWB đặc trưng là xung Gaussian kộp được miờu tả ở hỡnh 2.2. Xung này thường được sử dụng trong cỏc hệ thống UWB bởi vỡ dễ tạo. Nú đơn giản chỉ là một xung vuụng biến dạng bởi thời gian sườn lờn và xuống và hiệu quả lọc của cỏc anten thu, phỏt. Một xung vuụng cú thể tạo dễ dàng bởi một transistor đúng mở nhanh.
Hỡnh 2.2: Xung UWB lý tưởng
a. Dạng xung UWB lý tưởng và b. Phổ của một xung đơn UWB lý tưởng
Mụ hỡnh bộ tạo xung đơn giản được chỉ ra ở hỡnh 2.3 và 2.4, hỡnh này mụ tả
việc tạo ra xung Gaussian kộp ở mỏy phỏt, tỏc động của anten và phớa thu. Chỳng ta bắt đầu với một xung chữ nhật ở hỡnh 2.4a. Cỏc xung cực rộng là thường ở cỡ nano hay pico giõy. Chuyển mạch đúng mở nhanh tạo ra một dạng xung khụng hoàn toàn là chữ nhật mà cú cỏc vai thuụn. Dạng xung giống nhưđường cong hàm Gaussian. Hàm Gaussian G(x) được biểu diễn bởi phương trỡnh sau:
2 2/ 2 2 2 1 ) ( σ πσ x e x G = − (2.2)
2.3. Việc truyền trực tiếp cỏc xung này tới anten dẫn đến cỏc xung này bị lọc bỏ vỡ
đặc tớnh của cỏc anten. Việc lọc này cú thểđược giải thớch như là phộp toỏn vi phõn.
Điều tương tựđối với phớa anten thu. Ở đõy, chỳng ta nghiờn cứu kờnh truyền như
là bộ trễ và cho rằng xung được khuyếch đại ở phớa thu.
Trong chương này chỳng ta chỉ giới hạn đến hỡnh dạng xung thu được đặc trưng, được giả thiết đối với phần lớn cỏc nghiờn cứu UWB và gần với cỏc cỏc xung nhận được. Chi tiết việc tạo xung và thảo luận cụ thểở chương sau. Dạng xung thu
được lý tưởng prx cú thểđược viết như sau:
2 ) / ( 2 2 4 1 t m m rx t e p π τ τ π − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = (2.3)
Đõy là phương trỡnh để tạo xung ở hỡnh 2.2 (a). Ởđõy τm được cho là 0,15. Để
ý rằng là tham sốτm đơn giản của phương trỡnh (2.3) và xỏc định đặc tớnh thời gian và tần số của một xung Gaussian kộp.
Phổ của một xung Gaussian kộp được chỉ ra trờn hỡnh 2.2(b). Tần số trung tõm cú thể được nhỡn thấy xấp xỉ 5 GHz, với mức 3dB trải trờn một vài GHz. Khi so sỏnh với hệ thống thụng tin băng hẹp hay thậm chớ băng rộng, với băng cực rộng cú thể dễ dàng hiểu được.
Hỡnh 2.4: Chi tiết cỏc xung được tạo ra trong hệ thống UWB điển hỡnh (a) Chuỗi xung vuụng (b) Xung dạng Gaussian (a) Chuỗi xung vuụng (b) Xung dạng Gaussian
(c) Xung vi phõn lẩn 1 (d) Xung Gaussian kộp
2.4 Dóy xung
Một xung bản thõn nú khụng thể truyền nhiều thụng tin. Thụng tin hay dữ liệu cần được điều chế vào một chuỗi cỏc xung được gọi là một chuỗi xung như Hỡnh 2.5 (a) minh hoạ. Khi cỏc xung được phỏt ở cỏc khoảng thời gian lặp lại, thường
được gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm cỏc đỉnh phổ ở cỏc tần số ứng với độ lặp đú. Những tần số này là bội số nghịch đảo của tốc
độ lặp xung. Cỏc đường cụng suất đỉnh này gọi là cỏc đường răng lược bởi vỡ nú trụng giống một chiếc lược. Hỡnh 2.5 (b).
Cỏc đỉnh xung giới hạn cụng suất phỏt đỏng kể. Một phương phỏp tạo dạng phổ
giống tạp õm là làm “nhoố phổ” tớn hiệu bằng việc thờm vào một độ dịch ngẫu nhiờn vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phỏt xung trước một khoảng nhỏ so với thời
rằng cỏc đường răng lược đó được làm giảm đi rất rừ rệt. Chỳng ta sẽ thấy ở chương sau, việc tạo trễ này khụng hoàn toàn ngẫu nhiờn nhưng lặp theo mó giả ngẫu nhiờn
đó biết (PN), thụng tin cú thể được điều chế vào dạng súng xung. Điều này được biết như là điều chế vị trớ xung (PPM) và đó được kiểm tra trong cỏc hệ thống thụng tin khỏc nhau như thụng tin quang vụ tuyến.
Hỡnh 2.6: Phổ của dóy xung đó bị dịch về phớa trước và sau so với danh định
2.5 Mặt nạ phổ
Phổ của tớn hiệu UWB là một trong cỏc vấn đề chớnh cản trở việc thương mại hoỏ UWB. Thực tế, tờn băng cực rộng hàm ý rằng vấn đề phổ là trỏi tim của cụng nghệ
băng cực rộng. Tất cả thụng tin vụ tuyến theo những luật và quy định khỏc nhau về
cụng suất phỏt trong cỏc băng tần nhất định. Điều này để trỏnh can nhiễu tới người dựng khỏc ở gần hoặc cựng băng tần. Hệ thống băng cực rộng bao phủ một phổ tần rộng và can nhiễu với hệ thống hiện cú. Để trỏnh can nhiễu tới mức tối thiểu FCC và cỏc nhúm quy định khỏc xỏc định mặt nạ phổ cho cỏc ứng dụng khỏc nhau và chỉ
ra cỏc cụng suất phỏt được phộp đối với cỏc tần số nhất định.
Hỡnh 2.7 là một vớ dụ mặt nạ phổ của FCC đối với hệ thống UWB trong nhà. Một băng rộng liờn tục 7,5 GHz từ 3,1-10,6 GHz cụng suất phỏt tối đa là - 41,3dBm/MHz.
Hỡnh 2.7: Mặt nạ phổ qui định bởi FCC cho hệ thống UWB trong nhà
Lý do chớnh cụng suất phỏt cho phộp cực thấp đối với băng tần 0,96GHz-1,61 GHz là vỡ ỏp lực từ cỏc nhúm dịch vụ hiện tại, như điện thoại di động, GPS và sử
dụng trong quõn sự. Mức cho phộp -41,3dBm/MHz được xem là hợp lý và nhiều.
2.6 Khả năng chống đa đường
Mục này sẽ xem xột ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kờnh vụ tuyến trong nhà. Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu cỏc xung được xử lớ trong miền thời gian thỡ cỏc ảnh hưởng của hiện tượng đa đường tạo ra giao thoa kớ hiệu (ISI), cú thể giảm nhẹ. Đa đường là hiện tượng phớa thu thu được nhiều phiờn bản khỏc nhau của một tớn hiệu điện từ được truyền đến bằng cỏc đường khỏc nhau tới đầu thu. Xem Hỡnh 2.8 cho vớ dụ về truyền dẫn đa đường trong một phũng. Nguyờn nhõn của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tỏn xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ bởi cỏc vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phỏt. Nếu như khụng cú vật hấp thụ
hay phản xạ năng lượng, ảnh hưởng này sẽ khụng xảy ra và năng lượng sẽ truyền nhanh hơn từ phớa mỏy phỏt, chỉ phụ thuộc vào đặc tớnh anten. Tuy nhiờn, trong thế
giới thực tế luụn tồn tại cỏc vật giữa mỏy thu và phỏt gõy ra cỏc hiện tượng phản xạ, hấp thụ, tỏn xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ gõy ra nhiễu đa đường. Do chiều dài khỏc nhau của cỏc đường đi, cỏc xung sẽđến phớa thu ở những thời điểm khỏc nhau với trễ truyền phụ thuộc vào chiều dài quóng đường.
Hệ thống UWB thường được biết như là chống đa đường. Xem xột cỏc xung
được mụ tả ở phần trước, chỳng ta thấy rằng nếu cỏc xung đến trong phạm vi độ
rộng một xung chỳng sẽ can nhiễu, cũn nếu tỏch biệt bởi ớt nhất độ rộng một xung sẽ khụng can nhiễu. Nếu cỏc xung khụng chồng lấp thỡ chỳng cú thể được lọc ra trong miền thời gian. Giả sử một ký hiệu là một xung, chỳng sẽ khụng sinh ra nhiễu trong cựng một ký hiệu. Năng lượng cú thể được cộng lại nhờ bộ thu Rake. Hỡnh 2.9 và 2.10 mụ tả cỏc xung khụng chồng lấp và chồng lấp tương ứng.
Hỡnh 2.8: Xung được truyền bị phản xạ tạo ra cỏc xung đến phớa thu với cỏc thời gian trễ khỏc nhau
Hỡnh 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng súng thu được gồm cỏc xung bị
chồng lấp
Khoảng phõn tỏch giữa cỏc xung đũi hỏi giữa việc giảm đa đường với việc giảm
độ rộng xung. Đõy là lý do cho độ rộng xung nhỏ, đặc biệt trong mụi trường trong nhà.
Một cỏch khỏc để trỏnh nhiễu đa đường là giảm chu kỳ chiếm dụng của hệ thống. Cỏc xung được truyền với thời gian trễ lớn hơn trễ đa đường tối đa, cỏc phản xạ
khụng mong muốn sẽ trỏnh được ở phớa thu. Điều này vốn đó khụng hiệu quả và giới hạn tốc độ truyền dữ liệu đối với hệ thống điều chế trờn. Trong giới hạn, nếu cỏc xung được truyền liờn tiếp, thỡ hệ thống cú thể giống với hệ thống dạng sin. Vấn
2.7 Khả năng truyền qua vật chất
Một trong cỏc lợi ớch quan trọng của hệ thống truyền thụng UWB là khả năng dễ
dàng truyền qua tường, cửa và cỏc vật chất khỏc trong nhà hay văn phũng. Trong mục này chỳng ta sẽ xem xột cỏc kết quả chứng minh cho sự xuyờn của cỏc xung UWB và thảo luận ảnh hưởng của nú đến truyền thụng trong nhà và văn phũng như
thế nào. Tần số f và bước súng λ liờn quan với tốc độ ỏnh sỏng c như trong cụng thức sau: ) ( ) / ( ) ( Hz f s m c m = λ (2.4)
Khi tần số tăng , bước súng giảm nghĩa là tần số càng thấp thỡ bước súng càng dài. Trong thụng tin súng sin, cỏc súng tần số thấp cú khả năng truyền qua tường, cửa và cửa sổ bởi vỡ chiều dài của bước súng lớn hơn nhiều so với vật liệu nú truyền qua. Núi cỏch khỏc, súng tần số cao sẽ phản xạ năng lượng từ tường và cửa vỡ bước súng của chỳng ngắn hơn.
Cỏc xung băng cực rộng trong một dải tần lớn, như trong Hỡnh 2.2 (b). Một trong cỏc đặc trưng cơ bản của hệ thống thụng tin UWB là khả năng xuyờn tường, đặc biệt khi so sỏnh với LAN khụng dõy IEEE 802.11. Khả năng xuyờn của UWB chỉ
cú ở thành phần tần số thấp trong cỏc hệ thống trước đõy, tần số trung tõm là 1 GHz. Từ năm 2002, theo quy định của FCC như Hỡnh 2.7, tần số trung tõm cho phần lớn cỏc hệ thống UWB đó tăng. Nghĩa là khả năng xuyờn thấu của tớn hiệu giảm, đặc biệt khi so sỏnh với hệ thống IEEE 802.11b cú tần số trung tõm là 2.4GHz.
2.8 Dung lượng khụng gian và phổ
Một đặc trưng cơ bản khỏc của hệ thống UWB là dung lượng khụng gian cao,
được đỏnh giỏ bằng bit/giõy/m2. Dung lượng khụng gian là thuật ngữ mới, nú quan tõm đến cựng tốc độ dữ liệu cao trờn những khoảng cỏch cực ngắn.
Dung lượng khụng gian cú thểđược tớnh bằng tốc độ dữ liệu tối đa của hệ thống chia cho diện tớch bao phủ mà hệ thống cú thể phỏt tới. Diện tớch truyền dẫn được tớnh từ miền hỡnh trũn với giả thiết mỏy phỏt được đặt ở tõm; tuy nhiờn, trong thực tế thường sử dụng diện tớch của khoảng cỏch truyền lớn nhất.
Dung lượng khụng gian (bps/m2) = ) ( ) ( 2 m dan truyen tich Dien bps dai cuc lieu du do Toc − − − − − − − − (2.5) Diện tớch truyền dẫn (m2) = π(Khoang−cach−truyen−dan)2 (2.6)
Đối với hệ thống băng hẹp thụng số phổ biến nhất của dung lượng là dung lượng phổ, được đo bằng bit/giõy/Hz, bởi vỡ phổ là nguồn tài nguyờn cú giới hạn. Cụng suất núi chung chỉ bị giới hạn bởi lý do an toàn và thương mại, như là thời gian của pin trong thiết bị di động.
Dung lượng phổ (bps/Hz) = ) tan( ) ( Hz Bang bps dai cuc lieu du do Toc − − − − − − (2.7)
Đối với hệ thống UWB, hoạt động trong phổ cấp phộp khỏc, cụng suất được giữ ở mức rất thấp. Điều này bự lại bởi việc sử dụng băng cực rộng. UWB cú dung lượng phổ rất thấp so với cỏc hệ thống hiện tại. Bảng 1.2 chỉ ra sự so sỏnh dung lượng khụng gian và phổ trong số cỏc hệ thống vụ tuyến trong nhà.
Tờn hệ thống Tốc độ dữ liệu tối đa (Mbps) Khoảng cỏch truyền dẫn (m) Dung lượng khụng gian (kbps/m2) Cụng suất phổ (bps/Hz) UWB 100 10 318,3 0,013 IEEE 802.11a 54 50 6,9 2,7 Bluetooth 1 10 3,2 0,012 IEEE 802.11b 11 100 0,350 0,1317
Bảng 2.2: So sỏnh dung lượngkhụng gian của cỏc hệ thống vụ tuyến trong nhà
2.9 Tốc độ truyền dữ liệu
Một trong những lợi thế của UWB là tốc độ dữ liệu cao. Trong khi đú cỏc chip hiện nay đang tiếp tục được cải thiện, phần lớn cỏc ứng dụng truyền thụng UWB nhằm vào băng 100-500Mbps, tương đương của Ethernet cú dõy với USB 2.0. Chỳ ý rằng tốc độ dữ liệu này 100-5000 lần tốc độ Bluetooth, khoảng 50 lần tốc độ
Tốc độ (Mbits/second) Chuẩn
480 UWB, USB 2.0
200 UWB (tối thiểu 4 m ), 1394a (4.5m)
110 UWB (10 m minimum) 90 Fast Ethernet 54 802.11a 20 802.11g 11 802.11b 10 Ethernet 1 Bluetooth
Bảng 2.3: So sỏnh tốc độ bit của UWB với cỏc chuẩn vụ tuyến khỏc
Như chỉ ra trong bảng 2.3 tốc độ dữ liệu mục tiờu hiện nay đối với truyền dẫn UWB vụ tuyến trong nhà là từ 110-480Mbps. Điều này là rất nhanh so với chuẩn khụng dõy và cú dõn hiện nay. Thực tế, tốc độ truyền dẫn hiện nay được tiờu chuẩn hoỏ vào 3 loại tốc độ khỏc nhau: 110Mbps với khoảng cỏch 10m, 200Mbps với khoảng truyền dẫn 4m và 480Mbps với khoảng cỏch tối thiểu khụng cốđịnh.
Lý do của cỏc loại khoảng cỏch trờn vỡ cỏc ứng dụng khỏc nhau. Một vớ dụ, 10m sẽ bao phủ một căn phũng trung bỡnh và cú thể phự hợp với kết nối khụng dõy trong nhà hỏt. Khoảng cỏch dưới 4m sẽ bao phủ khoảng giữa cỏc ứng dụng, như mỏy chủ
của gia đỡnh và TV. Khoảng cỏch dưới 1m sẽ dựng cho cỏc ứng dụng quanh PC.
2.10 Tiờu thụ năng lượng
Với thiết kế thớch hợp năng lượng tiờu thụ của UWB cú thể giảm khỏ thấp. Cũng như bất cứ cụng nghệ nào, cụng suất tiờu thụ mong muốn để giảm cỏc mạch điện và xử lý tớn hiệu trờn chip nhỏ hơn hoạt động ở mức điện ỏp thấp. Mục tiờu hiện tại cho cụng suất tiờu thụ của chipset UWB nhỏ hơn 10mW. Bảng 2.4 chỉ ra vài nột về
Ứng dụng chipset Cụng suất tiờu thụ (mW)
802.11a 1500-2000
400 Mbps 1394 LSI 700
Mobile telephone RISC 32-bit MPU 200 Bộ chuyển đổi A/D mỏy quay số12-bit 150
UWB (mục tiờu) 100
Màn hiển thị màu TFT điện thoại di động 75
MPEG-4 decoder LSI 50
Mó hoỏ thoại điện thoại di động LSI 19
Bảng 2.4: Tiờu thụ năng lượng của UWB và cỏc chipset mobile khỏc
2.11 Tổng kết
Chương này đó túm tắt cỏc đặc tớnh cơ bản của tớn hiệu UWB, bắt đầu từ hỡnh dạng cơ bản và phổ của một xung băng cực rộng. Chỳng ta thấy rằng cụng suất ra và phổ của một xung UWB bị giới hạn bởi quy định FCC. Chỳng ta cũng thấy rằng vỡ cỏc xung UWB là cực ngắn, thờm vào đú là sự tỏc động của phading, chỳng cú thể bị lọc. Chỳng cú thể được phõn biệt từ cỏc phản xạ đa đường khụng mong muốn. Đú là đặc tớnh chống nhiễu đa đường của UWB. Thành phần tần số thấp của cỏc xung UWB làm cho tớn hiệu cú khả năng truyền qua cỏc chất liệu, như gạch và ximăng. Băng thụng rộng của hệ thống UWB nghĩa là tốc độ dữ liệu cực cao cú thể được đỏp ứng, và chỳng ta thấy rằng hệ thống UWB cú dung lượng phổ cao.