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 sẽ đến 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 thể được 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 cố định.
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 cụng suất tiờu thụ của cỏc chipset hiện nay [4].
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.
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.