Môi trường truyền dẫn từ antenna phát tới anten thu có tác động lớn lên dạng xung UWB truyền qua. So với các tín hiệu băng hẹp truyền thống, ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu UWB còn mạnh mẽ hơn, khiến cho các kĩ thuật tương quan tín hiệu vốn quen thuộc trở nên rất khó khăn khi triển khai trên các máy thu UWB ngay cả khi các thao tác đo đạc và ước lượng kênh truyền được tiến hành trước khi thực hiện tách sóng tín hiệu. Dù máy thu có kiến trúc coherent hay non-coherent như được sử dụng trong luận văn này, việc có được những hiểu biết nhất định về kênh truyền dẫn UWB luôn rất hữu ích, đặc biệt trong việc cung cấp cho nhà thiết kế những ý tưởng và kiến thức cần thiết để phát triển những thuật toán chính xác cho máy thu. Chương 3 sẽ trình bày những khái niệm và tham số cơ bản của mô hình kênh Saleh – Valenzuela, trên cơ sở đó xây dựng mô hình kênh dành riêng cho tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a. Những đặc tính thống kê của kênh UWB sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo của luận văn.
3.1 Mô hình kênh Saleh – Valenzuela3.2.1 Nguyên lí chung về kênh đa đường 3.2.1 Nguyên lí chung về kênh đa đường
Mô hình kênh Saleh – Valenzuela (S-V) ra đời vào năm 1987 và được đặt tên theo tên của hai nhà khoa học đã xây dựng nên nó. Đây là một mô hình thống kê của kênh vô tuyến trong nhà, được phát triển dựa trên kết quả các phép đo lường độ suy hao và trải trễ đa đường bên trong một toàn nhà văn phòng hai tầng có kích thước trung bình ( Phòng thí nghiệm AT&T Bell, Crawford Hill, Holmdel, NJ). Đặc điểm của tòa nhà này là có tường bao quanh làm từ các xà thép và kính, còn tường bên trong phần lớn làm từ các cột bằng gỗ phủ tấm vữa. Bên trong các phòng của tòa nhà chứa những đồ văn phòng bằng kim loại thông thường và/hoặc các thiết bị thí nghiệm. Các phép đo được thực heienj sử dụng các xung tương tự như xung radar có công suất thấp, tần số 1,5GHz để có được cái nhìn tổng quát về đáp ứng kênh truyền với độ phân giải cỡ 5ns. Mô hình S-V đóng một vai trò quan trọng trong kĩ thuật truyền thông vô tuyến do nó đủ đơn giản để sử dụng trong việc mô phỏng và phân tích những kênh vô tuyến trong nhà khác nhau và khả năng mở rộng ( bằng
cách thay đổi các thông số) để mô tả kênh truyền cho nhiều tòa nhà khác.
Thí nghiệm của Saleh và Valenzuela sử dụng một dao động kế quét cao tần để tạo ra một tín hiệu liên tục ở tần số 1,5GHz; tín hiệu này sau đó được điều chế bởi một chuỗi xung có độ rộng 10ns với chu kì lặp xung 600ns, lâu hơn bất cứ một tuyến trễ nào quan sát được trong tòa nhà tiến hành thí nghiệm. Tín hiệu tương tự xung radar này tiếp tục được khuếch đại rồi truyền đi thông qua một antenna hình nón ngược phân cực dọc có mẫu phát xạ đẳng hướng trong mặt phẳng nằm ngang. Công suất truyền đi trung bình được điều chỉnh nhờ một bộ suy hao bậc thang trên một khoảng từ nanowatts tới milliwatts. Ở phía thu, một antenna hình nón ngược phân cực dọc thứ hai được sử dụng, theo sau là một chuỗi bộ khuếch đại FET tạp âm thấp (hệ số tạp âm 3dB). Tín hiệu sau khi nhận được đi qua một bộ tách đường bao bình phương có đầu ra được hiển thị trên dao động kế bộ nhớ số điều khiển bằng máy tính. Dải động của thí nghiệm khoảng hơn 90dB, đạt được bằng cách điều chỉnh thủ công bộ suy hao bậc thang ở máy thu cùng với hệ số khuếch đại theo chiều dọc của dao động kế. Máy phát được đặt cố định tại tiền sảnh của tòa nhà ở vị trí trung tâm của tầng 1. Máy thu lần lượt được đặt tại các vị trí khác nhau trong tòa nhà (vẫn ở tầng 1) để thu thập dữ liệu. Trong thí nghiệm này, cả máy phát và máy thu đều tĩnh trong quá trình đo đạc đáp ứng xung. Ngoài ra, mọi sự di chuyển (của con người) trong phạm vi lân cận của máy phát và máy thu cũng được hạn chế. Sơ đồ tòa nhà tiến hành thí nghiệm và thiết lập phép đo lần lượt được minh họa ở hình 3.1 và 3.2:
Hình 3.: Sơ đồ tầng 1 phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt máy thu- phát
Hình 3.: Mô hình tiến hành thí nghiệm
Về cơ bản, kênh vô tuyến đa đường được biểu diễn bởi nhiều đường hoặc tia có
hệ số khuếch đại { }βk , trễ truyền tải { }τk và độ dịch pha tương ứng { }θk với k là
chỉ số của tuyến đa đường (k nhận giá trị từ 0 đến ∞
). Đáp ứng xung kênh truyền được biểu diễn dưới dạng:
( ) j k ( ) k k k h t = ∑β e θ δ − τt (3.1) trong đó δ là hàm delta Dirac.
Do có sự chuyển động của người và thiết bị trong/xung quanh tòa nhà, các
thông số k β , k τ và k θ
là các hàm biến thiên ngẫu nhiên theo thời gian. Tuy nhiên, trong thực tế, tốc độ biến thiên này là rất chậm khi so với tốc độ truyền tải tín hiệu (thường cao hơn hàng chục kbps). Do vậy, các thông số này có thể được xem như các biến ngẫu nhiên bất biến theo thời gian.
Tín hiệu cao tần truyền đi có dạng: ( )