Với phương pháp ghép theo tần số trực giao (OFDM), nhiều sóng mang trực giao được truyền đồng thời. Bằng rất nhiều dấu tương tự đang truyền, khoảng thời gian của dấu được tăng cân đối, nó làm giảm các ảnh hưởng của nhiễu xuyên dấu (ISI) bởi một môi trường kênh phađinh Rayleigh phân tán.
Các chuỗi vào quyết định của các sóng mang được truyền trong suốt khoảng báo hiệu là
s t( )= Ae2πf ti . (∏ t T) (2.37) với fi fc i , i 0,1,...,N 1 T = + = − (2.38) và 1, 2 2 ( ) 0, otherwise / T T t t T − = ≤ ≤ ∏ (2.39) Tổng số các sóng mang con là N, và T là khoảng thời gian dấu của chuỗi thông tin. Để các sóng mang không gây nhiễu lẫn nhau, thì đỉnh phổ của mỗi sóng mang con phải trùng với nhau với điểm giao không của tất cả các sóng mang khác (các sóng mang con trực giao nhau). Hình 2.14 thể hiện điều này. Sự khác nhau giữa búp trung tâm và giao cắt không đầu tiên tương ứng với khoảng trống đã yêu cầu nhỏ nhất và bằng 1T. Một tín hiệu OFDM ( )s n
Hình 2.14:Đồ thị biểu diễn 4 sóng mang con trực giao để tạo một dấu OFDM
Sơ đồ khối của một máy phát OFDM 802.11a điển hình được chỉ ra ở Hình 2.15. Các dấu điều chế được sắp xếp tới sóng mang con của 64 điểm (inverse discrete Fourier transform) (IDFT) để tạo một dấu OFDM. Tuy nhiên, chỉ 48 sóng mang con được dùng cho điều chế dữ liệu , 4 sóng mang con được dùng cho pilot tones (được dùng để đánh giá kênh), và 12 sóng mang con không được dùng. Đầu ra của IFFT biến đổi thành một chuỗi nối tiếp, và thêm vào một khoảng bảo vệ tiếp nối tuần hoàn.
Sơ đồ khối của một máy thu OFDM 802.11a điển hình được thể hiện ở Hình 2.16. Máy thu thực hiện nghịch đảo các hoạt động của máy phát. Bảng 2.2 tóm tắt các tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt không dây OFDM.
Time Fr eq ue nc y re sp on se Subcarrier 1 Subcarrier 2 Subcarrier 3 Subcarrier 4
Hình 2.15: Sơ đồ khối của một máy phát OFDM tiêu biểu (IEEE802.11a)
Hình 2.16: Sơ đồ khối của một máy thu OFDM tiêu biểu (IEEE 802.11a)
Bảng 2.2: Các tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt không dây OFDM Nguồn nhị phân Xáo trộn Mã xoắn Punturer, interleaver Điều chế Pilot addition Nối tiếp thành song song IFFT Song song thành nối tiếp Cyclic prefix addition Remove cyclic prefix Frequency correction Nối tiếp thành song song IFFT Song song thành nối tiếp Remove pilots Phase tracker Channel correction Frequency offset estimator Channel estimator Demodulator Deinterleaver depuncturer Viterbi decoder
Hình 2.17: Băng tần sử dụng cùng với sự ảnh hưởng lẫn nhau của UWB và các hệ thống Tham số Giá trị
Tốc độ dữ liệu 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps
Điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Sóng mang 52
Pilot tones 4
Khoảng dấu 4 μs
Khoảng cách sóng mang con 312.5 KHz
Độ rộng băng tín hiệu 16.66 MHz Khoảng cách kênh 20 MHz -40 -50 -60 -70 -80 0.96 GHz 1.61 GHz 1.99 GHz 3.1 GHz Vùng mục tiêu chính dành cho các ứng dụng UWB trong nhà Tế bào 0.8 GHz Tế bào/PCS 1.5GHz GPS 1.5 GHz Tế bào/PCS 1.9/2 GHz ISM (WLAN) 2.4 GHz WLAN 5 GHz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M ức p há t U W B E IR P [d B m ] Tần số [GHz]
2.10Nhiễu
Vì các tín hiệu UWB có độ rộng băng lớn như vậy, nên chúng hoạt động như một hệ thống chồng với các phương pháp liên lạc không dây khác. Hình 2.18 chỉ ra một vài hệ thống không dây mà UWB phải tranh giành với chúng. Có hai vấn đề xảy ra. Đầu tiên, UWB phải giảm nhẹ hoạt động khi có mặt của nhiễu. Thứ hai, UWB phải không sinh ra các nhiễu thực tế tới các người dùng của các dịch vụ khác. Khái niệm về nhiễu thực tế là gì được thay đổi, nhưng nói chung được dùng đến ít hơn mức tối đa cho phép hoặc ít hơn nhiễu từ các vật bức xạ không cố ý của năng lượng điện từ.
Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng một trong các lí do tránh xa các băng tần yếu hơn là các dịch vụ không dây thừa thãi mà UWB phải tranh giành. Giữa 3 GHz và 10 GHz nguồn chính của nhiễu cho các hệ thống không dây trong nhà được thừa nhận là các mạng vùng nội hạt không dây 5 GHz được dựa vào OFDM.
2.10.1 Các mạng vùng nội hạt không dây
Chúng ta đã khám phá nhiễu từ các mạng LAN theo IEEE 802.11a trên các hệ thống UWB. Nó đã quyết định rằng, với hệ thống gây trở ngại thì tần số trung tâm là 5.2 GHz và tần số trung tâm của hệ thống UWB là 4.2 GHz, kết quả của đặc tính BER là rất nhỏ khi công suất tín hiệu của tín hiệu 802.11a là ít hơn 10 dB của tín hiệu UWB. Hệ thống UWB được mô phỏng đang dùng dạng sóng xung s t0( ) mà được điều chế bằng một sóng sin sin(2π f t0 ) tại tần số f0 Hz và được đưa bởi công thức
s t0( )=e−at2 τ2sin(2π f t0 ) (2.40) với a=log 10e và τ =0.5ns. Các xung được gửi đi mỗi 5 ns sử dụng điều chế pha nhị phân. Công suất của hệ thống UWB cho Eb/No (năng lượng mỗi bit đã chia bởi mật độ công suất tạp âm) và tỉ số mong muốn trên không mong
muốn (DU) được định nghĩa bởi công suất của 1 xung đơn để di chuyển tác động của khoảng xung.
Khi tín hiệu 802.11a mạnh hơn, như là khi máy phát mạng LAN không dây gần máy thu UWB, thì xuất hiện nhiễu đáng kể. Để giảm nhiễu này, có hai kĩ thuật được đưa ra. Một là sử dụng một bộ lọc để loại bỏ nhiễu không mong muốn. Ví dụ, bộ lọc Chebyshep bậc 6 với tần số cắt tại 4 GHz, và suy giảm -20 dB tại tần số 5.18 GHz. Bộ lọc này tạo ra tổn hao 1 dB khi không có nhiễu. Tuy nhiên, sự cải thiện đặc tính đáng chú ý đạt được khi có tín hiệu nhiễu.
Hai là sử dụng hệ thống UWB nhiều băng tần. Tần số cao nhất các sóng mang con bị loại bỏ bởi vì chúng xếp chồng với phổ 802.11a. Việc sử dụng một hệ thống với 11 xung sóng mang con tại các khoảng của 200 MHz từ 3.2 đến 5.2 GHz đem lại s t0( )=e−at2 τ2sin(2π f t0 ) (2.41) 2 2 11 0 1 sin(2 ) at n n X e− τ′ π f t = ≈∑ (2.42) với τ′ =0.5ns.
Nó được kết luận là, tại một tỉ lệ DU bằng 0 dB, việc dời đi hai sóng mang con cao nhất đưa đến đường BER tốt nhất, trong khi tại tỉ lệ DU bằng
10
− dB, việc dời đi ba sóng mang con đưa đến đường biểu diễn tốt nhất.
Một thí nghiệm để đo đường biểu diễn của các mạng LAN không dây 802.11b dưới ảnh hưởng của các tín hiệu UWB công suất cao, và các kết quả được đưa ra truyền dẫn công suất cao và pham vi gần nhau giữa máy phát UWB và máy thu mạng LAN không dây.
Trong thí nghiệm này, các xung có độ rộng 500 ps được phát từ nhiều máy phát UWB. Tần số lặp lại xung của truyền dẫn là khoảng 1.8 GHz. Điện
mV. Các anten (omni-directional) được dùng và có EIRP từ −2 dBm tới 3 dBm phụ thuộc vào tần số lặp lại xung. Các mẫu đầu tiên không thích hợp với các quy định FCC, việc vượt quá mặt nạ cho truyền dẫn trong nhà bằng 30 dB trong băng tần 2.4 GHz.
Các phép đo phổ trên kênh 1 ( fc =2.412 GHz) đã chỉ ra đỉnh nhiễu UWB xấp xỉ bằng 20 dBmV kém hơn đỉnh tín hiệu 802.11b với 20 máy phát UWB ở 100 cm. Ở khoảng cách 15 cm từ anten đo, đỉnh UWB là xấp xỉ 5 dBmV kém hơn đỉnh tín hiệu WLAN.
Các phép đo tín hiệu trên tạp âm cũng được tìm hiểu, kết luận đưa ra rằng, với các máy phát UWB đã dùng, nếu khoảng cách từ máy thu WLAN lớn hơn 50 cm, thì không có sự giảm đáng kể trong SNR xuất hiện. Với khoảng cách ít hơn 50 cm, sự giảm SNR là từ 10 15− dB.
Các phép đo băng thông đã chỉ ra một xu hướng tương tự: với khoảng cách ít hơn 30 cm, băng thông WLAN rớt rất lớn khi 15 hay nhiều hơn các máy phát UWB công suất cao được sử dụng.
2.10.2 Bluetooth
Đặc tính của các mạng LAN không dây Bluethooth được xem xét dưới ảnh hưởng của các tín hiệu UWB công suất cao.
Nó được kết luận rằng, việc kết nối Bluetooth đã chịu thiệt hại ít hơn kênh 802.11b tương ứng. Lí do là tần số lặp lại xung cố định được dùng cho các máy phát UWB, đưa đến một phổ vạch riêng biệt.
Vì các thiết bị Bluetooth có thể giám sát các trạng thái kênh cá nhân nhiều kênh xấu có thể được loại bỏ. Chỉ một sự suy giảm trong băng thông từ 530 kbps xuống xấp xỉ 490 knps được ghi lại cho các máy thu UWB đã chia ra bằng 10 m, và không có giảm sút trong băng thông được ghi lại cho các thiết bị Bluetooth đã chia ra bằng 3m. Trong các phép đo, các thiết bị UWB
2.10.3 GPS
Các máy phát UWB có thể gây ảnh hưởng tới các máy thu hệ thống định vị toàn cầu GPS và cần phải rất cẩn thận để truyền dẫn tại các tần số GPS.
Năm 1999, Cục giao thông Mỹ (the U.S. Department of Transportation (DOT)) đã thăm dò ý kiến trường đại học Stanford để nghiên cứu tính tương hợp của UWB và GPS , và để kiểm tra xác định các vấn đề về nhiễu. GPS có vai trò lớn trong thương nghiệp, quân sự và các hệ thống công cộng. Ví dụ, máy bay dựa vào thông tin từ GPS, trong khi đa số các phương tiện hiện đại trang bị các hệ thống dẫn đường. Các máy điện thoại di động trang bị các máy thu GPS đã được thương nghiệp hóa. Hoàn toàn có thể tin tưởng rằng sự tín nhiệm vào GPS và các hệ thống vệ tinh tương tự sẽ tăng trong tương lai.
Các thử nghiệm đã đo tác động UWB đối với sự chính xác và suy hao phẩm chất của một máy thu hàng không GPS cấp cao. Một thử nghiệm nhỏ hơn để đo tác động UWB về suy hao phẩm chất cho hai máy thu khác nhau: một máy thu hàng không và máy thu thương mại giá rẻ. Máy thu thứ ba này đã sử dụng một phần cứng tương tự với máy thu hàng không, nhưng phần mềm được thay đổi để máy thu không sử dụng chiến lược thu nhận đã thỏa mãn cho các chức năng máy bay.
Các vạch phổ có mặt trong bất kì tín hiệu UWB đều làm giảm ý nghĩa tín hiệu GPS. Một sự suy giảm 17-dB đã được đo mà không có bất cứ kết quả để đặt các tín hiệu UWB trên các vạch phổ GPS nhạy hơn. Trong thực tế, các đường UWB sẽ thường tìm các đường nhạy hơn trong các thí nghiệm bởi vì (a) nhiều vệ tinh GPS sẽ trong tầm quan sát và (b) tần số Doppler cho mỗi vệ tinh sẽ thay đổi vì vệ tinh di chuyển từ bên này sang bên kia trên trời, kết quả là tần số của các đường nhạy hơn thay đổi. Cuối cùng, các đường nhạy hơn từ một vệ tinh hoặc vệ tinh khác sẽ đổ trên các vạch phổ từ bất kì máy phát
Ở các trường hợp tốt nhất, các tín hiệu UWB với các PRF cao xuất hiện như tạp âm băng rộng. Hệ số tương đương là xấp xỉ 0 dB nhưng chỉ khi thiếu các vạch phổ trong băng. Nếu UWB không quyết định các mã hay điều chế thì các chỉ số không được chọn cẩn thận và vài vạch phổ tranh chấp với vạch còn lại, khi đó dạng sóng UWB có hại hơn tạp âm trắng.
Các xu hướng được chú ý giữ trong tất cả ba máy thu: máy thu hàng không, máy thu mục đích chung và máy thu thương mại.
Tất cả các thử nghiệm đã chỉ ra độ nhạy của kiểu tín hiệu UWB. Ví dụ, các trường hợp nhiễu xấu nhất cho cả ba máy thu đã xuất hiện khi một vạch phổ UWB riêng rẽ đổ trong băng GPS. Tuy nhiên, các thử nghiệm OEM phải cẩn thận hơn bởi vì độ rộng băng OEM đầu cuối là hẹp hơn độ rộng băng dành cho máy thu hàng không và bộ lọc chuẩn sử dụng đo công suất tạp âm.
2.10.4 Các hệ thống tế bào
Khi so sánh GPS với các kĩ thuật liên lạc trong nhà khác thì các ảnh hưởng của các hệ thống UWB tới các dịch vụ điện thoại di động tế bào đã không được xem xét đầy đủ trong tài liệu. Điều đó cũng không có gì ngạc nhiên khi xem lại hình 2.17. Phần lớn dòng các hệ thống điện thoại di động dưới 1 GHz và vì vậy không ở trong băng tần được xem xét mà phần lớn các hệ thống UWB sẽ sử dụng. Băng tế bào 1.5 GHz được bảo vệ nhiều bởi dòng các qui định FCC. Có thể lường trước rằng các dịch vụ 2 GHz sẽ bị ảnh hưởng một vài cái gì đó. Tuy nhiên, tại lề của độ rộng băng UWB chính và không phổ biến như các dịch vị tế bào khác trong thời điểm hiện tại.
Một vài kinh nghiệm đã được trình bày. Ví dụ, hiệu quả của một hệ thống liên lạc UWB đầu tiên đang gặp các yêu cầu trên một điện thoại di động băng PCS 1.9 GHz được xem xét. Mặc dù các thử nghiệm chỉ là chất lương tiếng nói chủ quan, không có sự khác nhau rõ ràng được tìm thấy đối với
những người đang gọi điện thoại. Trong các thử nghiệm này, điện thoại di động được xác định xấp xỉ xa 1.5 m từ anten phát UWB.
2.11Kết luận
Trong chương này chúng ta đã xem xét việc liên lạc không dây bằng UWB, các phương pháp điều chế gồm phương pháp điều chế vị trí xung PPM, phương pháp điều chế pha nhị phân, điều chế xung trực giao và sự phối hợp của các phương pháp đó. Các dãy của các xung riêng rẽ trên các luồng xung được giới thiệu. Việc thiết kế máy thu và việc tách xung cũng đã được tìm hiểu.
Chúng ta cũng đã xem xét kỹ thuật đa truy nhập của liên lạc bằng UWB và sẽ xem xét dung lượng của kênh UWB không dây. Hiệu quả của UWB trên các phương pháp liên lạc không dây đang có như là các chuẩn mạng vùng nội hạt không dây IEEE 802.11 và Bluetooth được chỉ ra. Hàng loạt các phương pháp ngăn ngừa nhiễu từ các hệ thống băng hẹp tới UWB cũng được nghiên cứu.
Cuối cùng, khám phá quan trọng dựa trên các giá trị và các khuyết điểm liên quan của UWB như là phương pháp liên lạc với các kỹ thuật liên lạc băng rộng khác như là CDMA, OFDM cũng được tìm hiểu.
CHƯƠNG III
KĨ THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB
3.1 Giới thiệu
UWB đã thực sự thu hút được nhiều sự chú ý như là một phương pháp liên lạc không dây tốc độ cao được sử dụng ở phạm vi ngắn, trong nhà. Trong chuẩn IEEE 802.15 nhóm 3a, các kĩ thuật xung vô tuyến băng thông cực rộng (UWB-IR), băng thông cực rộng chuỗi trực tiếp (DS-UWB), ghép theo tần số trực giao nhiều băng con (multiband-OFDM) đã được đề xuất. Trong tất cả các hệ thống UWB, UWB-IR là kĩ thuật phát lặp đi lặp lại các xung cực ngắn trong khoảng thời gian nano giây mỗi bit. Trong khi đó, DS-UWB là một kĩ thuật sử dụng phương pháp nhân một bit đầu vào với mã trải và phát đi bằng cách điều chế phần tử của dấu với một xung ngắn. UWB-IR và DS-UWB sử dụng các xung cực ngắn và có độ phân giải đường dẫn thật sự cao hơn các thông tin vô tuyến truyền thống. Máy thu RAKE được biết đến như là một kĩ thuật có thể kết hợp các đường dẫn hiệu quả với các trễ khác nhau, thu được độ lợi của các đường dẫn khác nhau và cải thiện các đặc trưng truyền dẫn. Tuy nhiên đa đường được trải qua nhiều dấu trong trường hợp các thông tin tốc độ cực cao vào cỡ hàng trăm Mbps tạo ra kênh có chọn lọc tần số mạnh. Kết quả là làm giảm chất lượng truyền dẫn. Có nhiều báo cáo đã chỉ ra rằng để tránh sự suy giảm việc thực hiện truyền dẫn, sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE)- máy thu RAKE kết hợp nhiều đường dẫn với trọng số để giảm đến mức tối thiểu sai số trung bình bình phương (MSE) giữa đầu ra