2.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT
2.4.5. Điều chế sử dụng xung tham chiếu (TR: Transmitted Reference Modulation)
Điều chế sử dụng xung tham chiếu được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1920 cho quá trình đồng bộ trong trải phổ trực tiếp. Kĩ thuật này được giới thiệu lại trong lĩnh vực UWB trong một vài năm trở lại đây do tính đơn giản của nó, hiệu quả cao trong các kênh đa đường, và tránh được các yêu cầu đồng bộ phức tạp như đối với các hệ thống truyền thông đã được giới thiệu trước đây.
Do ưu điểm của điều chế TR vượt trội so với các sơ đồ điều chế trước đây vì vậy mà nó giữ một vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền thông UWB. Trong phần này chúng ta sẽ giành sự tập trung đặc biệt đối với điều chế TR và giải thích chi tiết hơn về sơ đồ điều chế này.
Điều chế TR được định nghĩa là sự truyền một cặp xung cách nhau về thời gian.
Trong đó xung đầu tiên là xung tham chiếu, xung này không được điều chế và không mang bất kì thông tin nào. Sau một khoảng thời gian nhất định D, sau xung tham chiếu là một xung được điều chế dữ liệu được biết đến như là xung dữ liệu hay là xung truyền.
Cũng như các sơ đồ điều chế đã được giới thiệu trước đó, các xung riêng biệt có thể là xung Gaussian, chirp, hoặc các xung hẹp dựa trên đa thức Hermite. Dữ liệu được điều chế dựa trên sự phân cực tương đối của các xung dữ liệu với tín hiệu tham chiếu. Chẳng hạn như, một xung dữ liệu và một xung tham chiếu có cùng cực tính sẽ biểu diễn bit 1, ngược lại xung dữ liệu ngược cực tính với xung tham chiếu sẽ biểu diễn mức 0 và được biểu diễn trên hình 2.14.
Hình 2.14 Điều chế sử dụng xung tham chiếu (a) kí hiệu của bit dữ liệu 1 (b) kí hiệu của bit dữ liệu 0
Công thức tín hiệu tổng quát của các xung được điều chế TR là
( ) ∑ ( ( ) ) ( ) ( ( ) )
=
− − + − − − −
= M
m data pulse m
pulse reference
D T m t P b T m t P t
s
1 1 2 1 1
3) (2.
Trong đó M là số lớn nhất các bit được truyền, P(t) là các xung UWB, bmЄ[0,1]
biểu diễn bit dữ liệu thứ m, T là chu kì lặp lại xung, và D là trễ giữa các xung trong
Giống như một máy thu CMF, máy thu TR cũng sử dụng một sơ đồ tương quan nhưng có một khác biệt chủ yếu. Thay vì lấy tương quan của tín hiệu thu được với một bản mẫu đã định nghĩa trước không bị ảnh hưởng của méo trên đường truyền, thì trong máy thu TR tương quan được tính là tín hiệu thu được cùng với phiên bản trễ của chính nó. Với cách này các xung tham chiếu hoạt động giống như một bản mẫu của các xung dữ liệu đến sau. Chính vì vậy mà khoảng cách giữa xung tham chiếu và xung dữ liệu giữ một vai trò hết sức quan trọng trong việc phục hồi dữ liệu ở phía máy thu. Hình 2.15 là sơ đồ khối của một máy thu TR và một ví dụ đơn giản của việc giải điều chế ở máy thu TR.
Hình 2.15 (a) Sơ đồ khối của một máy thu TR (b) ví dụ của giải điều chế TR. Đường nét đứt là các xung tham chiếu, đường nét liền là các xung dữ liệu
Trong hình 2.15 ta thấy rằng máy thu TR sẽ thực hiện một tích của tín hiệu thu được với phiên bản trễ của nó. Sự trễ tín hiệu thu được D đơn vị thời gian làm cho xung tham chiếu sẽ được căn chỉnh đúng vị trí của dữ liệu trong mỗi một kí tự được
truyền đi. Tích này sau đó sẽ phát ra một giá trị dương và một giá trị âm và cuối cùng được chuyển thành giá trị 1 và giá trị 0 bởi một thiết bị phần cứng.
Một ưu điểm quan trọng của kĩ thuật điều chế TR là nó gửi các xung giống nhau hai lần thông qua một kênh. Cả hai xung tham chiếu và xung dữ liệu đều trải qua cùng một méo kênh như nhau, vì vậy sự tách xung ở phía máy thu với một máy thu tương quan trở nên dễ dàng hơn. Thay vì việc phải tính tương quan của một xung thu được bị méo với một xung mẫu không bị méo như trong PPM, máy thu TR tính tương quan của hai xung tham chiếu và xung dữ liệu có méo tương tự nhau với một mức độ tương quan cao. Chính vì vậy máy thu TR không phải sử dụng đến thuật toán ước lượng kênh.
Một ưu điểm khác của máy thu TR đó là khả năng tự nó đồng bộ, vì vậy có thể bỏ qua sự đồng bộ xung riêng biệt với một mẫu được phát ra ở phía máy thu, như trong trường hợp của PPM. Mỗi xung tham chiếu hoạt động giống như một xung mào đầu cho xung dữ liệu đi sau nó vì vậy mà làm cho sự đồng bộ trở nên nhanh chóng. Mặt khác, quá trình lấy mẫu của máy thu TR xuất hiên sau khi đã tính tương quan giữa xung dữ liệu và xung tham chiếu, vì vậy mà quá trình lấy mẫu sẽ là các tín hiệu băng cơ bản. Do đó với máy thu TR chúng ta có thể bỏ qua được quá trình đồng bộ của các xung RF hẹp và các khối ADC có tốc độ rất nhanh.
Một ưu điểm khác của điều chế TR so với các sơ đồ điều chế khác là hiệu quả cao trong các kênh đa đường. Các máy thu TR đã khai thác hiện tượng đa đường để làm tăng hiệu quả của nó trong môi trường kênh trong nhà và có nhiều đường. Điều này là do các xung dữ liệu và tham chiếu được tương quan với nhau, và các kênh đa đường làm cho chu kì xung trong thành phần tín hiệu của tín hiệu thu được dài hơn làm tăng năng lượng tín hiệu tổng cộng ở đầu ra của bộ tích phân như được biểu diễn trong hình 2.16.
Trong hình 2.16 có thể thấy rằng kênh đa đường đã kéo dài cả xung tham khảo và xung dữ liệu ra một khoảng như nhau. Chính vì vậy làm cho hai xung đó có độ
với năng lượng tổng cộng được tăng lên. Trong trường hợp này ta sẽ điều chỉnh chu kì lấy tích phân để thu được hầu hết năng lượng đa đường là những thành phần phản xạ mạnh nhất trong trải trễ0F1 của tín hiệu. Nói cách khác, các thành phần đa đường mạnh trong tín hiệu thu được sẽ chứa năng lượng lớn nhất, và khả năng để thu được năng lượng bằng việc tính tương quan của tín hiệu thu được với phiên bản trễ của nó là một thông số quan trọng trong các hệ thống truyền thông UWB có công suất thấp.
Đối với các máy thu sử dụng kĩ thuật điều chế PPM hoặc là PAM để thu được hiệu quả giống với máy thu TR trong các kênh đa đường chúng ta sẽ phải dùng đến máy thu Rake1F2 với việc sử dụng một số lượng lớn các bộ lọc và điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của cả hệ thống.
Hình 2.16 Giải điều chế ở máy thu TR trong sự có mặt của kênh đa đường
Bên cạnh những ưu điểm mà ta đã nói ở trên, điều chế TR cũng có nhiều khuyết điểm trong sự tương quan của các thành phần nhiễu gây ra do sự chồng lấn của tín hiệu với xung tham chiếu. Chính vì vậy hiệu quả của máy thu sẽ bị hạn chế bởi rất
1Trải trễ là khoảng thời gian giữa sự phản xạ sớm nhất và muộn nhất ở phía máy thu.
2Máy thu Rake bao gồm rất nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan sẽ xử lý một thành phần đa đường.
nhiều các thành phần nhiễu khác nhau như AWGN, NBI. Máy thu TR sẽ hoạt động rất kém trong các môi trường có SNR thấp hoặc nhiễu từ các mạng băng hẹp lớn.
Một nhược điểm khác của điều chế TR đó là để truyền đi mỗi một bit dữ liệu chúng ta phải dùng đến hai xung. Quá trình truyền một xung tham chiếu cùng với một bít dữ liệu làm tiêu tốn công suất phát đồng thời làm giảm tốc độ của dữ liệu. Mặt khác, tính chu kì của máy thu TR sẽ gây ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ công suất của nó.
Mặc dù, các máy thu UWB có thể dễ dàng thỏa mãn các yêu cầu đồng bộ trong các hệ thống truyền thông UWB, song hiệu quả của chúng lại phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn khoảng thời gian lấy tích phân (integration window) một cách hợp lý trong sự có mặt của tạp âm kênh. Trong đó khoảng thời gian lấy tích phân là giới hạn của tích phân hữu hạn trước khi nó được đưa tới khối quyết định mức 0 hay mức 1. Hình 2.17 biểu diễn một khoảng thời gian lấy tích phân của một máy thu TR.
Hình 2.17 Khoảng thời gian lấy tích phân (a) máy thu TR (b) tín hiệu thu được trong kênh LOS có nhiễu
Đối với khoảng thời gian lấy tích phân có hai thông số quan trọng là chiều dài của khoảng thời gian lấy tích phân, và vị trí của khoảng thời gian lấy tích phân. Chiều dài của khoảng thời gian lấy tích phân đóng một vai trò quan trọng đối với hiệu quả của máy thu TR trong cả hai kênh LOS và NLOS. Đối với kênh LOS, nếu chiều dài của cửa sổ lấy tích phân này nhỏ hơn độ rộng của xung thì chỉ có một phần năng lượng của xung thu được, điều này làm giảm đầu ra của tỉ số tín hiệu trên tạp âm.
Tương tự nếu thời gian lấy tích phân lớn hơn độ rộng xung thì một lượng lớn của tạp âm sẽ được đưa vào bộ tích phân. Chính vì vậy làm cho năng lượng của tạp âm lớn dần lên, mà không có năng lượng tín hiệu được thêm vào làm cho SNR bị giảm.
Hiệu quả của việc thu tín hiệu chỉ tối ưu khi khoảng thời gian lấy tích phân bằng độ rộng xung trong các kênh LOS, khi đó sẽ thu được hầu hết năng lượng được truyền đi. Hình 2.18 biểu diễn tầm quan trọng của chiều dài của khoảng thời gian lấy tích phân trong các máy thu TR.
Hình 2.18 Tín hiệu UWB và sự biến đổi của chiều dài của khoảng thời gian lấy tích phân trong máy thu TR
Trong hình 2.18 ta thấy rằng, cửa sổ đầu tiên bên phía trái quá hẹp để thu được toàn bộ năng lượng. Cửa sổ ở giữa quá rộng, và làm cho nhiều tạp âm vào hệ thống.
Cuối cùng cửa sổ ở phía bên phải có chiều dài tối ưu để thu được toàn bộ năng lượng của tín hiệu mà không đưa tạp âm vào hệ thống.
Việc đặt một cách chính xác vị trí của khoảng thời gian lấy tích phân trong quá trình tách và dò xung là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của máy thu UWB. Nếu ta đặt sai lệch vị trí của cửa sổ lấy tích phân thì sẽ làm suy giảm SNR của tín hiệu thu được dẫn tới việc tách sai các bit tín hiệu và làm suy giảm đáng kể hiệu quả của máy thu. Hình 2.19 biểu diễn tầm quan trọng của việc xác định chính xác vị trí của cửa sổ lấy tích phân trong máy thu TR.
Hình 2.19 Tín hiệu UWB và các vị trí khác nhau của cửa sổ tích phân trong máy thu TR Như trong hình 2.19 có thể thấy rằng mặc dù khoảng thời gian lấy tích phân có chiều dài lý tưởng, hiệu quả của máy thu vẫn có thể suy giảm một cách đáng kể do việc đặt sai vị trí của cửa sổ lấy tích phân. Cửa sổ thứ nhất và thứ hai từ trái sang chỉ thu được một phần năng lượng của tín hiệu thu được, cửa sổ thứ ba chỉ thu được nhiễu, và không thu được tín hiệu, cửa sổ cuối cùng bên phải do đặt đúng vị trí nên sẽ thu được phần lớn năng lượng của tín hiệu truyền tới.