Hỡnh 3.43: Mụ phỏng tiếng vọng đa đường sau khi mặt súng truyền qua
Hỡnh 3.44: Mụ phỏng xung UWB chạm tới một vật chắn
Hỡnh 3.45: Mụ phỏng phản xạđa đường sau khi mặt súng truyền gốc qua
bờn phải của hỡnh này. Trong Hỡnh 3.45, mặt súng hiện tại đang ở điểm “X”, đó
được truyền lan, được phản xạ, và tỏn xạ từ vật chắn “V” và đó tạo ra tia “W”. Cả
tia súng truyền lan gốc và súng truyền lan phản xạ tương tỏc với nhau tại “X”. Thụng tin biờn độ tớn hiệu trước khi cú sự phản xạ tại “V” như trong Hỡnh 3.44, và tại “X” như trong Hỡnh 3.45, được minh hoạở bờn phải của hỡnh này. Cú rất nhiều mặt súng phản xạ khỏc lần theo sau mặt súng chớnh, như được minh hoạ từ Hỡnh 3.40 đến Hỡnh 3.43, nhưng về nguyờn tắc thỡ giống với trường hợp được mụ tả ở đõy.
3.6.4 Mụ hỡnh truyền súng và cỏc tham số
Đó cú một số mụ hỡnh truyền súng nổi tiếng được nghiờn cứu phỏt triển cho hệ
thống UWB. Cỏc mụ hỡnh này được túm tắt trong Bảng 3-3 bao gồm cỏc tham số và cỏc cụng thức liờn quan. Điều mặc định trong cỏc mụ hỡnh này là sử dụng loại anten bộ thu cú “tăng ớch hằng số”, do đú cú sự phụ thuộc vào tần số khi súng truyền trong khụng gian tự do. Cỏc tham số của cỏc mụ hỡnh truyền súng được tổng kết trong Bảng 3-4 cựng với cỏc đơn vị đo thường được sử dụng nhất của chỳng.
Loại Kiểu Tham số Khả năng ứng dụng
Khụng gian tự do Tiền định fm Khụng gian tự do Hai đường Tiền định Fm, H1, H2 Gần mặt đất, khụng xỏo
trộn, tớn hiệu xỏc định Hai đường xấp xỉ bởi SBY Thống kờ fm,d1 N=4 Gần mặt đất, khụng xỏo trộn, sử dụng khi khụng biết dạng tớn hiệu Mụ hỡnh SBY với CIR và che khuất
Thống kờ fm, d1, n, σ ,
RMS
τ
Đa đường cú che khuất
Tham số Mụ tả Đơn vị
Fm Tần số trung tõm trong truyền súng tớn hiệu GHz
H1, H2 Độ cao anten phỏt và thu trờn mặt đất m
Dt Khoảng cỏch giữa quy tắc truyền súng và khụng gian tự do m N Định luật năng lượng truyền súng m
δ Lognormal shadowing standard deviation dB
RMS τ Trung bỡnh bỡnh phương trải trễ ns To Giải phỏp đa đường, tương hỗ hoặc băng thụng tớn hiệu Ps Bảng 3.4: Cỏc tham số mụ hỡnh truyền súng 3.7 Bộ thu UWB 3.7.1 Nguyờn tắc
Tớn hiệu, khi được tạo, phỏt đi, cần phải được thu lại để xử lớ. Thiết bị thu, vớ như
thiết bị giải trớ radio tại nhà, thu tớn hiệu trờn và chuyển chỳng thành õm thanh. Cỏc bộ thu cũn chứa một vài chức năng khỏc. Chỳng thu năng lượng tớn hiệu từ anten, tỏch thụng tin ra từ tớn hiệu thu, và biểu diễn tớn hiệu đú. Chỳng tụi đó giới thiệu kĩ
thuật radio gần đõy sử dụng băng tần rộng với cụng suất tương đương nhiễu nền và một số thiết bị thu và tỏch tớn hiệu ban đầu chưa được hiệu quả cho lắm. Khụi phục tớn hiệu và tỏch thụng tin hiệu quả là chỡa khoỏ thành cụng của một liờn kết vụ tuyến.
Quỏ trỡnh phỏt kớ tự “S” của Marconi qua biển Atlantic khụng chứa một lượng lớn thụng tin. Quỏ trỡnh truyền dẫn được chuẩn bị trước. Tớn hiệu truyền dẫn được dựđoỏn trước cho phộp sử dụng “bộ thu thớch hợp” đơn giản ở phớa đầu thu. Chớnh xỏc hơn, đú là một kĩ thuật thu thớch hợp: mà người vận hành phớa thu biết sẽ nghe kớ tự “S” trong bảng mó Morse và chờ nghe tớn hiệu này. Điều này cải thiện đỏng kể
khả năng thu tớn hiệu yếu thường bị lấn ỏt bởi nhiễu. Biết khi nào để thu tớn hiệu nào đú và cỏi gỡ tớn hiệu thực sự mang theo biến nú thành một sự kiện được mong
nhiờn. Đú là một kĩ thuật mà cỏc điện bỏo viờn Morse thường sử dụng khi sử dụng một tập hợp lớn cỏc kớ hiệu viết tắt đó thoả thuận trờn toàn thế giới cú sẵn trong bảng mó Morse. Cỏc dịch vụ vụ tuyến hiện nay, như hàng khụng v,v, đang phỏt triển cỏc cụm từ chuẩn để biểu diễn dạng thụng tin xỏc định ở dạng dựđoỏn để nõng cao độ chớnh xỏc của mỏy thu. Lĩnh vực vụ tuyến phỏt triển thuật ngữ riờng của nú
để nõng cao khả năng diễn đạt. Thuật ngữ sử dụng ở phớa thu UWB là tớn hiệu “mẫu” (“template”) mà chỳng ta cố gắng tạo ra để thớch hợp với tớn hiệu thu được. Chỳng ta sẽ xem xột hiệu quả tỏch thụng tin từ tớn hiệu thu được phụ thuộc vào chất lượng của tớn hiệu mẫu, cả định thời và dạng của tớn hiệu. Độ tin cậy là thỏch thức kĩ thuật chủ yếu đối với thiết kế bộ thu
a. Thu tớn hiệu UWB
Thu tớn hiệu UWB là vấn đề “xột tớnh thớch hợp” (“matching”) của tớn hiệu thu
được với mẫu tớn hiệu định trước. Khi chỳng ta biết được dạng của tớn hiệu và chỳng ta biết một số thứ về tớn hiệu như dạng và định thời phự hợp; chỳng ta cải thiện khả năng thu tớn hiệu và tỏch thụng tin mà nú mang. Cửa sổ thời gian, khoảng thời gian cho phộp của bộ thu và tỏch súng đối với tớn hiệu thu là một phần của kĩ
thuật “matching” và chỳng ta sẽ xem xột hiệu quả của phương phỏp này. Nếu cổng mở quỏ rộng sẽ gom thờm nhiễu làm yếu tớn hiệu và ảnh hưỏng đến tỉ số SNR.
Trờn quan điểm toỏn học, tớn hiệu mẫu được nhõn với tớn hiệu thu được và kết quả thu được hay hệ số “tương quan” được đưa qua bộ “tớch phõn” hay bộ tớch luỹ
năng lượng. Bất cứ sự khụng khụng phự hợp giữa dạng tớn hiệu và mẫu, hay sự mất
đồng chỉnh giữa 2 thành phần trờn thỡ kết quả sau “bộ tớch phõn” cũng cú giỏ trị
thấp. Tớn hiệu khụng thể rừ ràng bởi vỡ cú sự tồn tại của tạp õm.
b. Tạp õm và nhiễu
Tạp õm nhiệt, đụi khi lớ tưởng hoỏ cú dạng tạp õm Gaussian trắng cộng (AWGN), và nhiễu do con người tạo ra từ cỏc hệ thống sử dụng chung phổ tần, chỳng giới hạn phạm vi cũng như dung lượng của hệ thống vụ tuyến. Tạp õm bao gồm nhiễu nhiệt tạo ra bởi sự thăng giỏng của điện tử trong điện trở, xuyờn õm, và nhiễu do khớ hậu
gõy ra. Trong cỏc ứng dụng mạng khụng dõy cỏ nhõn, xử lớ tạp õm nền và nhiễu
đúng vai trũ quan trọng. Cỏc nguồn tạp õm tự nhiờn và nhõn tạo cú tần số khỏc nhau trong phổ tần vụ tuyến nhưở Hỡnh 3.46.
Hỡnh 3.46 : Tạp õm biến đổi theo tần số
Xem xột vấn đề từ gúc độ cơ học lượng tử, mật độ phổ cụng suất tạp õm (W/Hz)
được tạo ra trong bất cứ một phần tử tổn hao nào cú dạng :
⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + − = 1 1 1 /kT hf b e hf No (3.42) Trong đú: • h =6.6260693 x 10-34 J.s là hằng số Plank, • kb =1.3806505 x 10-23 J/K là hằng số Boltzmann • f là tần số (Hz) và • T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
Khi tần số f đủ nhỏ, bao gồm tất cả cỏc trường hợp chỳng ta đang đề cập ở đõy, mật độ phổ cụng suất rỳt gọn cũn:
T k
N0 = b (3.43)
Cụng suất nhiễu N thu được khi nhõn mật độ phổ cụng suất với băng tần B:
TB k
Băng tần càng rộng, nhiễu thu được càng nhiều. Khi chỳng ta đề cập đến cỏc thớ nghiệm của Heztzian và Marconi, chỳng ta nhớ rằng cả những dải tần tớn hiệu rộng khụng cần thiết cũng được phỏt đi, và để tỏch được tớn hiệu cần băng tần mỏy thu rộng. Do đú tạp õm cũng được thu thờm vào tỉ lệ với băng tần tớn hiệu, nếu băng tần tớn hiệu mở rộng quỏ lớn vấn đề sẽ trở nờn khú khăn. Cuối cựng là cụng suất tạp õm tỉ lệ với băng tần của mỏy thu, và đú là lớ do cần phải giới hạn băng tần tớn hiệu - một số hệ thống khụng dõy gần đõy đó giải quyết một số vấn đề bằng cỏc mạch hoạt
động bằng cỏch thay đổi cỏc băng tần nhỏ.
3.7.2 Sơđồ khối bộ thu
Sơđồ khối bộ thu UWB tổng quỏt được chỉ ra trong Hỡnh 3.47. Bộ thu thực hiện hoạt động ngược lại với bộ phỏt để khụi phục dữ liệu và đưa dữ liệu đến bất cứứng dụng “back end” nào cần nú. Ở đầu thu thực hiện tỏch súng cú thể sử dụng cỏc bộ
thu cải tiến như bộ thu tối ưu (optimal receiver), bộ thu Rake, bộ thu giải tương quan (decorrelator receiver), bộ thu tuyến tớnh cực tiểu lỗi trung bỡnh bỡnh phương (LMMSE receiver) và bộ thu LMMSE thớch ứng (adaptive LMMSE receiver).
Cú hai khỏc biệt chủ yếu giữa bộ thu và bộ phỏt. Điều thứ nhất là chắc chắn phần lớn bộ thu sẽ cần một bộ khuyếch đại để nõng cụng suất của cỏc tớn hiệu rất yếu thu
được. Thứ nữa là bộ thu phải thực hiện chức năng dũ và bắt tớn hiệu để xỏc định cỏc xung cần thiết trong số cỏc xung thu được và sau đú tiếp tục bỏm những xung này
đểđiều chỉnh sự mất cõn đối xung đồng hồ của bộ thu và bộ phỏt.
Trong truyền thụng yờu cầu cả sự truyền và thu tớn hiệu. Bõy giờ sẽ giới thiệu qua về kĩ thuật tỏch tớn hiệu; bắt và bỏm chuỗi xung.
a. Tỏch tớn hiệu
Tạo được tớn hiệu với cỏc đặc tớnh phổ mong muốn, cũn cần phải cú hệ thống thu tối ưu. Kĩ thuật thu tối ưu, kĩ thuật thường được sử dụng trong UWB, là bộ thu tương quan, thường được gọi là bộ tương quan. Một bộ tương quan nhõn tớn hiệu RF thu được với tớn hiệu mẫu và sau đú tớch phõn kết quả của tiến trỡnh đú để tạo ra một thành phần một chiều. Tiến trỡnh nhõn và tớch phõn xảy ra trong một chu kỡ của xung và nú được thực hiện trong khoảng nhỏ hơn nano giõy. Với tớn hiệu mẫu chớnh xỏc kết quả đầu ra của bộ tương quan đo đạc cỏc vị trớ thời gian tương đối của tớn hiệu thu và tớn hiệu mẫu.
Nếu chỳng ta giả thiết PPM là phương phỏp điều chế bộ tương quan là một bộ
tương quan tối ưu sớm/muộn. Lấy một vớ dụ đơn giản nhất, khi xung thu sớm hơn cỡ là ẳ một xung kết quả bộ tương quan là +1, khi nú thu muộn hơn cỡ là ẳ một xung kết quả bộ tương quan là -1, và khi cỏc xung đến trung trung tõm của cửa sổ
tương quan kết quả đầu ra là 0. Qua đú, tớn hiệu tạp õm trong băng thu được bởi tuyến UWB đầu ra của bộ tương quan cú giỏ trị trung bỡnh 0. Hơn nữa, chuẩn hoỏ hay trung bỡnh bỡnh phương (rms) của đầu ra bộ tương quan liờn quan với cụng suất của cỏc tớn hiệu trong băng.
b. Tớch phõn xung
Khi một monocyle bị lấn ỏt bởi tạp õm của cỏc tớn hiệu khỏc, sẽ vụ cựng khú khăn để tỏch một xung UWB đơn và độ tin cậy thụng tin thu được là thấp. Tuy nhiờn, bằng việc cộng cỏc mẫu bộ tương quan (vớ dụ xung nhõn), từ đú cú thể thu
được tớn hiệu đó phỏt với độ tin cậy cao hơn. Tiến trỡnh này được gọi là tớch phõn xung. Thụng qua tớch phõn xung, cỏc bộ thu cú thể thu, bỏm và giải điều chế tớn hiệu UWB cú cụng suất thực sự thấp hơn nhiễu nền. Tớnh toỏn hiệu năng của bộ thu UWB ở khớa cạnh cỏc tớn hiệu nhiễu trong băng được gọi là độ lợi xử lớ.
Bỏm là tiến trỡnh trong bộ thu cú thể liờn tục kiểm tra liệu cỏc xung cú đến tại cỏc thời điểm mong muốn và nếu khụng điều chỉnh thời gian. Một vớ dụđơn giản là để
xem xột tiến trỡnh. Giả thiết rằng bộ thu và phỏt khởi đầu với cỏc xung đồng hồ đó
đồng bộ. Khi thời gian vượt qua cỏc ảnh hưởng của nhiệt và sự khỏc biệt trong sản xuất tạo ta một trong cỏc xung đồng hồ hoặc cỏc bộ dao động để trở nờn thực sự
nhanh hơn. Nếu sự khỏc biệt này khụng đỳng, thậm chớ bộ thu sẽ khụng thể giải
điều chế chớnh xỏc cỏc xung. Sự dịch chuyển thời gian ở dưới nano giõy cần phải xem xột cẩn thận.
3.7.3 Hiệu suất bộ thu và tỏch tớn hiệu
Luận văn đó giới thiệu một hệ thống thu phỏt UWB mang tớnh lớ thuyết, chỳng chỉ ra nguyờn lớ cơ bản trong kĩ thuật tạo xung. Bõy giờ chỳng ta xem xột hệ thống
đú để nghiờn cứu tỉ mỉ tại sao nú hoạt động kộm. Cỏc bộ phỏt xung gần đõy tạo ra tớn hiệu cú băng tần rất rộng, rộng hơn rất nhiều so với băng tần thụng tin
mà nú mang. Vớ dụ, điện bỏo Morse được sử dụng trong cỏc hệ thống này ở tốc độ 5 từ/phỳt mang thụng tin ở tốc độ xấp xỉ 20 b/s. Cỏc “xung UWB”, được giới thiệu lại trong Hỡnh 3.48, được điều chế đơn giản để chiếm băng tần 500 MHz. Bộ thu tỏch súng biờn độ đơn giản cũng cú băng tần tương tự 500MHz, nhưng thụng tin
được mang bởi tớn hiệu mó hoỏ Morse chỉ cú băng tần 20 Hz. Do đú, sự mất phự hợp giữa tớn hiệu phỏt và cỏch mà thụng tin được thu và tỏch ra chỉ là 20/500.000.000. Theo decibel, hệ sốđú cú giỏ trị là -74 dB!
Hỡnh 3.48 : Hệ thống bỏo hiệu UWB kộm hiệu quả dựa trờn cụng nghệ vụ tuyến truyền thống
Để thu tớn hiệu một cỏch tin cậy, năng lượng tớn hiệu phải mạnh hơn tổng tạp õm thu được ở băng tần 500 MHz khoảng 6 dB hoặc hơn. Hệ thống vụ tuyến gần đõy chuyển băng hẹp để phự hợp băng tần tớn hiệu với băng tần thụng tin. Cỏc bộ phỏt trở nờn “sạch hơn” và phỏt cỏc “xung sạch”, trong khi cỏc bộ thu được điều chỉnh sao cho băng tần hẹp hơn để loại trừ tạp õm tối đa cú thể nhưng vẫn cho băng tần thụng tin đi qua. Tỉ số tớn hiệu trờn tạp õm SNR được cải thiện rất nhiều hiệu quả bộ
thu-tỏch súng cú thể thể hiện qua tỉ số giữa SNR đầu vào với SNR đầu ra của bộ
thu- tỏch súng. Trong cỏc hệ thống số thay bằng SNR, chỳng ta sử dụng tỉ số năng lượng bit trờn mật độ phổ tạp õm, Eb/N0. SNR được sử dụng phổ biến nhất trong cỏc hệ thống tương tự, nú là tỉ số của cụng suất, trong khi Eb/N0 được sử dụng phổ
biến nhất trong cỏc hệ thống nhị phõn và là tỉ số năng lượng. SNR và Eb/N0 quan hệ với nhau trong AWGN bởi tham số thời gian bit Tb và băng tần tớn hiệu B,
NoB No Eb N S SNR= = ( / ) (3.45)
SNR và Eb/N0 bằng nhau khi băng tần tớn hiệu bằng nghịch đảo của chu kỡ bit. Trong cỏc hệ thống tương tự, B thường được lấy giỏ trị sao cho thoả món băng tần thực của của tất cả cỏc bộ lọc thu, và nú thường lớn hơn băng tần tớn hiệu. Cấu trỳc bộ thu đơn giản mà với nú hệ số tỏch súng cú thể tớnh được được chỉ ra trờn Hỡnh 3.49.
Tớn hiệu đó qua lọc này được trộn với tớn hiệu mẫu p(t). Đối với cỏc tớn hiệu số, chỳng tụi định nghĩa hệ số tỏch súng ec là: in out c No Eb No Eb e ) / ( ) / ( log 10 = (3.46) Hiệu quả tỏch súng sẽ cực đại khi tớn hiệu s(t) đến bộ trộn phự hợp với tớn hiệu mẫu p(t) được tạo ra từ bộ thu. Trong trường hợp này, bộ lọc là bộ lọc thụng “toàn băng”, do đú, đỏp ứng xung của nú là: ) ( ) (t t h =δ với p(t)=s(t) (3.47) ) (t
δ là hàm xung Dirac. Điều này được hiểu như là bộ thu “mẫu phự hợp”. Núi cỏch