Ở hệ thống này, thụng tin được truyền trờn mỗi băng sử dụng cụng nghệ ghộp
kờnh phõn chia tần số trực giao. Cú nghĩa là mỗi băng UWB được chia nhỏ thành cỏc súng mang OFDM trực giao với nhau. OFDM cú một số ưu điểm, như hiệu quả phổ cao và cú khả năng lợi dụng cụng suất đa đường. Nhược điểm của hệ thống là
bộ thu phỏt phức tạp, do nú yờu cầu một IFFT và cụng suất lớn hơn so với hệ thống
đa băng xung.
Hỡnh 3.6: Ảnh hưởng của chu kỳ lặp xung đối với nhiễu xung tại bộ thu (Nband là số băng sử dụng) (Nband là số băng sử dụng)
Truyền thụng cú thể được định nghĩa là sự truyền dẫn thụng tin từ nguồn phỏt tới người nhận. Ở đõy chỳng ta định nghĩa phạm vi hẹp hơn nhiều, bởi vỡ hạn chế của chỳng ta trong truyền thụng vụ tuyến dũng dữ liệu số sử dụng cỏc xung cực ngắn. Bỏ qua loại thụng tin trong dũng dữ liệu số và khụng sử dụng giao thức MAC, mó hoỏ, hoặc phản hồi để giảm lỗi. Chỳng ta tập trung vào lớp vật lý trong mụ hỡnh 7
lớp ISO. Mụ hỡnh chung của hệ thống thụng tin như hỡnh 3.7. Sau đõy là những thành phần cơ bản:
Hỡnh 3.7: Mụ hỡnh tổng quỏt hệ thống truyền thụng
Bộ phỏt, nhiệm vụ cơ bản là để nhúm dũng dữ liệu số vào cỏc ký hiệu, định vị
cỏc ký hiệu vào cỏc dạng súng analog và truyền chỳng tới anten. Kờnh truyền, trỡnh bày ảnh hưởng của khụng gian, gồm phản xạ và nhiễu xạ khi cỏc xung điện từ gặp cỏc vật khỏc.
Bộ thu, thu thập năng lượng điện từ từ anten, nhận tớn hiệu cực yếu, tỏi tạo dạng
xung và ỏnh xạ thành cỏc ký hiệu tương ứng và thành cỏc dũng bit. Trong chương này chỳng ta sẽ xem xột cấu trỳc bộ thu và phỏt chi tiết, tập trung vào cỏc khớa cạnh truyền dẫn, như là điều chế.
3.2 Tạo tớn hiệu UWB
3.2.1 Đặc điểm của tớn hiệu UWB a. Định nghĩa a. Định nghĩa
Tớn hiệu UWB sẽ trụng như thế nào trong trường hợp khụng cú cỏc yờu cầu bắt buộc về mặt phổ tần? UWB cú thể thực hiện theo đặc tớnh của “vụ tuyến dạng xung ”với năng lượng tớn hiệu trải trờn một dải rộng phổ tần. Cỏc tớn hiệu UWB sẽ đơn giản là cỏc xung hẹp. Nhưng trờn thực tế, do cú rất nhiều hệ thống vụ tuyến từ trước, phổ tần số đó được cấp phỏt đầy đủ. Sẽ khụng cũn chỗ mới trong đú UWB cú thể được triển khai riờng biệt. Thay vào đú, cỏc nhà đề xuất cụng nghệ này ngay từ đầu đó chứng tỏ rằng UWB cú thể sẽ đố lờn phổ tần đó bị chiếm dụng. í tưởng
này chỉ cú thể thành cụng nếu cỏc mức tớn hiệu UWB được thiết lập với cỏc mức phỏt xạ nằm dưới mức phỏt xạ của cỏc hệ thống chiếm dụng phổ tần hiện cú, do đú cỏc hệ thống khỏc hiện cú xem mức phỏt xạ của UWB như tớn hiệu “khụng chủ
định” cú thể chấp nhận được.
Nhiều thiết bị điện và điện tử phỏt xạ tạp õm khi ở chế độ hoạt động. Cỏc tổ
chức tiờu chuẩn tiến tới hạn chế cỏc mức phỏt xạ này tới cỏc mức rất bộ, chỳng
được xem như là khụng ảnh hưởng tới cỏc dịch vụ vụ tuyến được cấp phộp hiện cú.
Cỏc mức phỏt xạ này cũng chớnh là đớch hướng tới của cỏc nhà đề xuất cụng nghệ UWB đối với phỏt xạ cú chủ định của UWB. Cỏc cuộc thử nghiệm ban đầu đó được thực hiện với phổ tần số khoảng 4GHz. Tớn hiệu băng rộng được tạo ra bởi cỏc bộ tạo xung đơn giản, tiếp đú được đưa tới anten băng rộng phỏt xạ ra khụng gian. Cú nhiều yếu tố quyết định dạng tớn hiệu UWB, gồm:
- Cỏc quy định bắt buộc đối với tớn hiệu UWB
- Cỏc yờu cầu ràng buộc về mặt cụng nghệ xuất phỏt từ quan điểm khả thi, chi phớ, và nhiều khả năng tiờu thụ được sản phẩm trờn thị trường.
Cỏc quy tắc và quy định của FCC khụng chỉ rừ tớnh chất cụng nghệ UWB. Quy
định của FCC xỏc định cỏc nguyờn tắc và cỏc điều kiện đối với hệ thống thụng tin
UWB trong việc truy nhập và chia sẻ băng tần cú độ rộng 7,5 GHz từ 3,1-10,6 GHz.
Để cú thể được sự chấp nhận về mặt thương mại, vụ tuyến UWB phải cú khả năng
cựng tồn tại, chia sẻ và cú thể hoạt động tương tỏc với cỏc dịch vụ vụ tuyến khỏc. Cuối cựng, cụng nghệ UWB sẽ cần phải được thực hiện về mặt vật lý bằng cỏc mạch điện tớch hợp cú hiệu quả cao. Tuy nhiờn, chớnh cỏc mạch điện tử này sẽ gặp
phải một số hạn chế về chất lượng khi hoạt động trong dải tần siờu rộng. Người ta giải quyết vấn đề này bằng cỏch tiến tới tạo ra cỏc tớn hiệu UWB khả thi nhất thoả món cỏc quy định hiện cú.
Hỡnh 3.8 mụ tả một số giới hạn thiết kế đối với hệ thống UWB. Dải tần 5,15-
5,825 GHz ở Âu, Mỹ và 4,9-50,91 GHz ở Nhật là băng tần khụng cần cấp phộp
đang được phỏt triển cho cỏc dịch vụ IEEE 802.11a. Cỏc quy định của FCC đưa ra
mức “giới hạn cứng” tại tần số 3,1 GHz, mức tớn hiệu phải thấp hơn 20dB so với mức tớn hiệu đỉnh cho phộp (-41,3dBm/MHz). FCC khuyến nghị: một tớn hiệu UWB phải lớn hơn 500MHz và nhỏ hơn 2 GHz nếu sử dụng dải tần từ 3.1-5GHz.
Cỏc quy định của FCC sẽ định dạng cỏc đặc tớnh chung của tớn hiệu và hệ thống bỏo hiệu UWB. Mối quan tõm cơ bản nhất của chỳng ta với “Hệ thống truyền thụng UWB” là cỏc thiết bị kết nối mạng tốc độ cao tại nhà hoặc trong văn phũng. Những thiết bị này phải hoạt động ở dải tần số 3,1-10,6 GHz và được thiết kế đảm bảo rằng chỳng cú thể chỉ trong nhà hoặc phải gồm cỏc thiết bị cầm tay cú thể được sử dụng với cỏc hoạt động như thụng tin theo kiểu “peer to peer”. Cỏc bộ phỏt xạ UWB phải
được thiết kế đảm bảo tuõn thủ băng tần phỏt xạ 20dB trong băng tần UWB. Băng
tần tối thiểu được tớnh tại cỏc tần số cắt cú mức phỏt xạ thấp hơn 10dB so với mức phỏt xạ đỉnh. Mức phỏt xạ đỉnh cho phộp đối với tớnh hiệu UWB được quy định là - 41,3dBm/MHz.
Do đú, việc thiết kế tớn hiệu UWB, chỳng ta đề cập tới băng 10dB nhằm đảm bảo tớnh phự hợp với cỏc yờu cầu băng tần tối thiểu và băng 20dB nhằm đảm bảo chắc chắn rằng tớn hiệu UWB vẫn thấp hơn 20dB so với mức phỏt xạ cao nhất tại cỏc
điểm biờn của mặt nạ mật độ phổ cụng suất (PSD) của tớn hiệu thụng tin UWB.
Hỡnh 3.9 mụ tả cỏc giỏ trị giới hạn này.
Hỡnh 3.9: Cỏc điểm thiết kế tớn hiệu UWB
b. Mẫu xung đơn
mặt nạ phổ. Cỏc dạng xung phổ biến là cỏc xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh và Hermittian… thường sử dụng cỏc dạng đạo hàm của xung Gaussian. Lớ do để sử
dụng xung Gaussian là cỏc kĩ thuật sử dụng để tạo cỏc sung Gaussian là tương đối đơn giản và chỳng cú phổ tần khỏ phự hợp với mặt nạ phổ. Trong nội dung luận văn
này ta chỉ nghiờn cứu hệ thống và phõn tớch hệ thống sử dụng xung Gaussian (gồm xung Gaussian và cỏc đạo hàm của nú).
Monocycle px(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t): p(t) = δ Π 2 1 exp( 22 2δ t − ) (3.1) px(t)= x x dt t p d ( ) (3.2) Trong đú δ2 là phương sai của xung Gaussian.
Mật độ phổ cụng suất PSD của xung Gaussian là:
) ) 2 ( exp( ) 2 exp( ) ( ) ( ) ( 2 2 2 f p f = P f = p t −j Πft = − Πδ ∑ ∫∞ ∞ − (3.3) Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle px(t) nhận được là:
∑
∑ = Π x p
p f f f
x( ) (2 )2 ( ) (3.4)
Kết quả đưa ra trong cụng thức 3.1 chỉ ra đạo hàm xung cơ bản cú thể là một
cỏch điều chỉnh PSD của monocycle trong trường hợp này được giả thiết là xung Gaussian.
Một vấn đề khỏc là phải xỏc định độ rộng xung, bởi vỡ xung Gaussian lớ tưởng
cú độ dài khụng xỏc định. Rừ ràng đõy là một điều khụng thực tế và cần phải giới
hạn độ rộng xung thực tế. Một phương phỏp hợp lý để xỏc định độ rộng xung là
chọn độ rộng xung phự hợp với phần trăm năng lượng trong khoảng thời gian độ rộng xung chiếm. Trong luận văn này độ rộng xung pwđược định nghĩa như sau:
% 9 . 99 ) ( ) ( 2 2 2 2 ≥ ∫ ∫ ∞ ∞ − − dt t dt t p p x p p x w w (3.5)
Một dạng xung UWB điển hỡnh là Gaussian kộp (x=2). Kiểu xung này thường
được sử dụng trong cỏc hệ thống UWB bởi vỡ dạng xung của nú tạo ra dễ dàng.
Dưới đõy là một mụ hỡnh tạo xung Gaussian kộp đơn giản, nú mụ tả quỏ trỡnh tạo xung, cỏc ảnh hưởng của anten phỏt và thu tớn hiệu. Phỏt xung trực tiếp đến an ten cỏc thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào cỏc đặc tớnh của anten. Quỏ trỡnh lọc này cú thể mụ hỡnh như là quỏ trỡnh đạo hàm. Ảnh hưởng cũng tương tự xay ra ở anten thu.
Chỳng ta bắt đầu với xung chữ nhật. Cỏc xung UWB cú độ rộng cỡ ns hay ps.
Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo cỏc xung khụng cú dạng chữ nhật mà cú dạng xấp xỉ dạng xung Gaussian. Đú là lớ do của tờn xung Gaussian, monocycle hay kộp.
Hỡnh 3.10: Mụ hỡnh đơn giản tạo tớn hiệu Gaussian double
Hỡnh 3.11: Chi tiết trong hệ thống truyền thụng UWB (a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian (a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian
a. Nguyờn tắc
Cỏc tớn hiệu được thiết kế bằng cỏch định dạng cỏc thuộc tớnh của chỳng như là một hàm của thời gian. Sẽ cú một ỏnh xạ 1-1 giữa một tớn hiệu trong miền thời gian và phổ tần của chỳng. Mối quan hệ này được biểu diễn toỏn học thụng qua biến đổi Fourier. Chỳng ta đó biết, khi tớn hiệu được mụ tả đầy đủ trong một miền (thời gian hoặc tần số), cỏc thuộc tớnh của nú trong miền khỏc sẽ được cho bởi biến đổi
Fourier. Chỳng ta sử dụng tớnh chất này để xỏc định tớn hiệu trong một miền và rỳt ra được cỏc đặc tớnh mong muốn trong miền khỏc. Một phương phỏp tạo tớn hiệu
UWB là sử dụng cỏc quỏ độ tớn hiệu rất hẹp theo thời gian, như một hàm nhảy bậc hoặc một xung vuụng rất hẹp được theo sau bởi một bộ lọc định dạng băng. Hàm
đơn vị là phần đầu hoặc phần cuối của cỏc xung số băng gốc. Cỏc quỏ độ tớn hiệu và
cỏc xung cực hẹp (chỉ ra trong hỡnh 3.12) hoạt động như cỏc nguồn năng lượng
băng cực rộng, sau đú tớn hiệu này được định dạng bởi bộ lọc thụng dải mong
muốn.
Lưu ý rằng, tớn hiệu đầu ra của bộ lọc khụng cũn là xung nhảy bậc hoặc xung hẹp nữa mà là một tớn hiệu được kộo dài phức theo thời gian, nú biểu diễn đỏp ứng xung của bộ lọc.
Hỡnh 3.13: Đầu ra của một mạch logic tạo tớn hiệu UWB, sử dụng một bộ lọc thụng dải nhằm thu được băng mong muốn
Việc tạo ra một xung hẹp làm đầu vào cho một bộ lọc thụng dải là một phương phỏp tạo tớn hiệu UWB đơn giản và hiệu quả, xem hỡnh 3.13. Tuy phự hợp với một số loại hệ thống UWB nhất định, nhưng phương phỏp này thiếu tớnh mềm dẻo đối
với việc tạo dạng và phõn bố năng lượng tớn hiệu UWB một cỏch chớnh xỏc đối với cỏc băng con trong phổ tần số.
b. Thiết kế tớn hiệu
Chỳng ta cú thể tổng hợp tớn hiệu UWB với độ chớnh xỏc về cả dạng tớn hiệu lẫn vị trớ của nú trong phổ tần số. Để đạt được mục tiờu đú, tớn hiệu được định dạng ở
“băng gốc” và sau đú được dịch theo tần số tới vị trớ mong muốn trong phổ tần sử dụng kỹ thuật tạo phỏch Armstrong. Định dạng băng thực hiện ở băng gốc dễ hơn nhiều so với ở cỏc tần số cao hơn. Đầu tiờn, chỳng ta chọn một dạng tớn hiệu đỏp ứng cỏc chỉ tiờu kỹ thuật về băng tần. Chỳng ta sẽ xem xột về dạng xung băng gốc
bắt đầu với một xung chữ nhật đơn giản được biểu diễn bởi r(t) cú vị trớ trung tõm t=0 và độ rộng xung là T picosecond.
r(t)=1, {-T/2<t<T/2} r(t)=0, else
R(f)=T.(sinπTf)/(πTf)
Chỳng ta biết rằng, tớn hiệu càng hẹp trong miền thời gian thỡ phổ càng rộng trong miền tần số. Tớnh chất này được thể hiện thụng qua tham số tỉ lệ T trong miền thời gian và miền tần số. Như vậy, chỳng ta sẽ cú một cỏch lựa chọn độ rộng phổ tần của tớn hiệu thụng qua độ rộng xung.
Hỡnh 3.14: Cỏc biểu diễn theo miền thời gian và tần số của một xung dựa trờn cặp biến đổi Fourier
Phổ tần của xung chữ nhật cú một bỳp chớnh nằm giữa f= -1/T và f=1/T và cỏc bỳp phụ cú năng lượng đỏng kể bờn cạnh bỳp chớnh. Vấn đề là ở chỗ cỏc bỳp phụ cú thể mang năng lượng vượt quỏ cỏc mức quy định. Chỳng ta cần cú một phương phỏp hiệu quả nhằm giảm mức năng lượng cỏc bỳp phụ này.
Một đặc tớnh quan trọng của tớn hiệu là sự tăng hoặc giảm của một tớn hiệu tron miền thời gian càng trơn, năng lượng chưa trong cỏc bỳp phụ của phổ tớn hiệu đú trong miền tần số sẽ càng bộ. Do đú, bằng cỏch định dạng trơn tru cỏc biờn của tớn hiệu trong miền thời gian, chỳng ta cú thể giỏm sỏt được cụng suất chứa trong cỏc bỳp bờn của phổ tần số. Chỳng ta xem xột chi tiết 3 dạng xung:
- Xung chữ nhật r(t): nờu trờn - Xung hỡnh cosin c(t)
Hỡnh 3.15: Cỏc tớn hiệu miền thời gian càng trơn cụng suất nằm ngoài băng tần mong muốn càng bộ
Biểu diễn trong miền thời gian là: c(t)=cos (πTfa), a f t 2 1 < (3.6) c(t)=0, t khỏc
Đường cong bao quanh phần đỉnh của xung chữ nhật, nhưng vẫn cú cỏc điểm chặn
tại hai điểm tại đú c=0. Biểu diễn trong miền tần số là:
2 2 1 ) cos( ) ( ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = a a f f f f f C π (3.7)
- Xung Gaussian hỡnh chuụng g(t)
Được biểu diễn bằng hàm mũ với giỏ trị đỉnh được thiết lập là 1, biểu diễn trong
miền thời gian:
g(t)=exp( 0.25 2
u t
−
) (3.8)
G(f)=exp−2(πfu)2 (3.9)
Xung thời gian Gaussian cú cỏc điểm quỏ độ trơn tru, và được biểu diễn một cỏch tương tự bởi một đồ thị dạng chuụng trong miền tần số. Tham số độ rộng u=uB được chọn để G(f) =0,1 tại giỏ trị fB GHz thoả món băng cỏc yờu cầu về băng thụng như
được mụ tả. Vậy: 2 uB= 1/2 )) (log( 2 1 e f π (3.10)
và fB=500MHz, e=2,81828 là cơ số của hàm logarit. Cỏc tham số thiết kế của ba dạng xung thời gian: chữ nhật, cosin và Gaussian được chọn thớch hợp để phổ tần số của chỳng hoàn toàn giống nhau trong băng 10dB.
Hỡnh 3.16: Cỏc tớn hiệu miền thời gian khỏc nhau cú cựng băng thụng, nhưng cụng suất nằm ngoài băng thụng đú thỡ khỏc nhau
Cỏc bỳp chớnh nằm giữa cỏc điểm 10dB gần như giống hệt nhau, tuy nhiờn cấu trỳc cỏc bỳp bờn khỏc nhau đỏng kể. Rừ ràng, biờn của xung chữ nhật cú độ dốc lớn nhất dẫn đến mức năng lượng nằm ở cỏc bỳp bờn cao nhất, kế tiếp là xung cosin cú
độ dốc trơn hơn. Xung Gaussian cú mức năng lượng bỳp bờn bộ nhất. Chỉ cú một số
dạng xung cơ bản được trỡnh bày ở đõy, trờn thực tế chỳng ta cú thể sử dụng nhiều kiểu thiết kế xung khỏc nhau trong cỏc hệ thống UWB. Nhưng chỳng đều dựa trờn