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.
Cuối cựng, ta thấy rằng mỏy thu và phỏt UWB khụng đũi hỏi cỏc thành phần cồng kềnh và đắt, như bộ điều chế/ giải điều chế và khõu trung tần IF. Điều này cú thể làm giảm giỏ, kớch thước, trọng lượng và cụng suất tiờu thụ của hệ thống UWB so với cỏc hệ thống truyền thụng băng hẹp trước đõy.
CHƯƠNG 3
NGHIấN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU BĂNG CỰC RỘNG TRấN KấNH Vễ TUYẾN
Mở đầu
Trong chương này [8] luận văn sẽ xem xột khả năng truyền thụng vụ tuyến băng cực rộng. Đặc biệt chỳ ý đến phương thức điều chế bao gồm điều chế vị trớ xung, điều chế đảo pha, điều chế xung trực giao và điều chế kết hợp. Trỡnh bày chuỗi cỏc
xung riờng rẽ trong cỏc luồng xung. Nghiờn cứu về thiết kế bộ thu và giải điều chế xung. Luận văn cũng tỡm hiểu mụi trường đơn truy nhập sang đa truy nhập trong
truyền thụng UWB, dung lượng kờnh UWB. Ảnh hưởng của UWB với cỏc phương thức truyền thụng vụ tuyến hiện cú, như là chuẩn WLAN IEEE 802.11 và Bluetooth. Một số phương thức để chống nhiễu từ cỏc hệ thống băng hẹp với UWB.
3.1 Giới thiệu chung
Cụng nghệ UWB đó được dựng từ thập niờn 60, khi việc nghiờn cứu cụng nghệ
đo lường xung phỏt hiện ra tiềm năng của xung vụ tuyến đối với cỏc ứng dụng như
Radar, cảm biến trong thụng tin quõn sự. Xuất phỏt từ nguyờn tắc truyền thụng UWB, cụng nghệ này cũn được gọi là cụng nghệ khụng súng mang, súng vụ tuyến dạng xung, và vụ tuyến băng gốc. Vụ tuyến băng siờu rộng được Bộ quốc phũng Mỹ giới thiệu vào năm 1989.
Ngày 14 thỏng 2 năm 2002, FCC Mỹ phỏt hành bản bỏo cỏo đầu tiờn và đơn đặt hàng, theo đú cho phộp triển khai cụng nghệ UWB. Kể từ đú tới nay, hệ thống
UWB đó được nghiờn cứu và phỏt triển rất mạnh mẽ. Đó cú nhiều sản phẩm và thiết bị UWB thương mại sử dụng trong lĩnh vực thụng tin vụ tuyến cỏ nhõn. FCC định nghĩa UWB là tớn hiệu vụ tuyến cú phổ chiếm -10 dB dải thụng của ớt nhất 500 MHz trong dải tần số từ 3,1 đến 10,6 GHz, và cú mặt nạ phổ như trờn Hỡnh 3.1 đối với hệ thống UWB sử dụng trong nhà. Năng lượng truyền FCC cho phộp là -41,3 dBm/MHz hay 0,5 mW nếu toàn bộ dải tần 7,5 GHz được dựng.
Hỡnh 3.1: Mặt nạ phổ hệ thống UWB trong nhà theo quy định của FCC
Do mức năng lượng phỏt xạ rất thấp, hệ thống khụng gõy nhiễu cho cỏc hệ thống hiện cú trờn cựng dải tần, xem Hỡnh 3.2, tuy nhiờn UWB chỉ được sử dụng trong
khoảng cỏch truyền thụng nhỏ ( dưới 100 m).
Hỡnh 3.2 : Phổ của hệ thống UWB so với cỏc hệ thống hiện cú
Cụng thức giới hạn dung lượng kờnh của Shannon chỉ ra rằng dung lượng một kờnh tỉ lệ tuyến tớnh với băng thụng, trong khi nú tỉ lệ theo hàm loga với cụng suất truyền. Vỡ vậy, hệ thống UWB dựng băng rất rộng cho phộp đạt tốc độ cao trong khi hệ thống khụng cần phải phỏt cụng suất lớn.
Kờnh vụ tuyến UWB trong nhà chịu ảnh hưởng nghiờm trọng của phading đa đường do hiện tượng phản xạ súng điện từ. Tuy nhiờn, hệ thống UWB nhờ cú băng
thụng rộng cho phộp đưa ra được nhiều phương ỏn giải quyết đối với hiệu ứng đa đường. Hơn nữa, với việc sử dụng bộ thu Rake, chỳng ta hoàn toàn cú thể lợi dụng
cỏc tớn hiệu đa đường nhằm tăng cụng suất thu tớn hiệu. Bộ thu Rake bao gồm một số bộ tương quan hay cỏc “ngún” (finger) xử lý thành phần đa đường một cỏch độc lập. Pha, biờn độ, và trễ đưa vào bởi kờnh truyền được yờu cầu bởi bộ thu Rake và
điều này cú thể được giải quyết bằng cỏch dựng thuật toỏn ước lượng kờnh để đỏnh
giỏ cỏc tham số kờnh truyền.
Băng thụng UWB cho phộp là 7,5 GHz và băng thụng tớn hiệu UWB nhỏ nhất là 500 MHz, hệ thống UWB cú thể được chia thành hai nhúm, đơn băng và đa băng, xem Hỡnh 3.3. Cả hai đều cú những ưu điểm và nhược điểm, nhưng nguyờn tắc hoạt
3.1.1 Hệ thống đơn băng
Hệ thống đơn băng là kiểu UWB truyền thống vốn đó được sử dụng từ rất lõu
trong cỏc hệ thống thụng tin quõn sự. Về nguyờn tắc, nú dựng xung hẹp (nhỏ hơn 1ns), với băng thụng rộng, để điều chế thụng tin. Ưu điểm của hệ thống này là thiết kế bộ thu phỏt khỏ đơn giản, vỡ khụng cần cú súng mang. Hệ thống này cú rất nhiều
ứng dụng, như radar và hệ thống định vị.
3.1.2 Hệ thống đa băng
Hệ thống đa băng chia toàn bộ dải phổ cho phộp thành một số băng nhỏ hơn và truyền thụng tin trờn mỗi băng. Theo cỏch này, hiệu quả sử dụng phổ tăng lờn nhờ khả năng chia nhỏ và lựa chọn băng tần được sử dụng, và vỡ vậy độ tin cậy của hệ thống này tốt hơn so với hệ thống đơn băng, vớ dụ mạng LAN khụng dõy (IEEE
802.11a) hoạt động ở tần số 5 GHz, xem Hỡnh 3.4. Hơn nữa, nú cú thể dễ dàng thớch
ứng với cỏc quy định phổ tần vụ tuyến trờn thế giới.
Hỡnh 3.4: Sử dụng băng tần để trỏnh nhiễu khụng mong muốn
Tuỳ theo phương thức điều chế trờn mỗi băng tần, đa băng cú thể được chia
thành hai hệ thống, đa băng xung và đa băng OFDM.
a. Đa băng xung
Hệ thống đa băng xung sử dụng một súng mang trờn mỗi băng để truyền thụng
tin. Theo Hỡnh 3.5, thụng tin được truyền đồng thời trờn mỗi băng khỏc nhau 1, 2 và 3. Chu kỳ lặp lại xung (PRI) TPRI được định nghĩa là khoảng thời gian bắt đầu của hai xung lõn cận trờn cựng một băng. Thay đổi TPRI cú thể thay đổi tốc độ dữ liệu
xung tại bộ thu, xem Hỡnh 3.6. Cụng nghệ này cải thiện chất lượng cho hệ thống trờn kờnh cú fading đa đường.
b. Đa băng dựa trờn OFDM
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