Chúng ta có thể kết hợp các kĩ thuật đã giới thiệu để làm nên một máy phát UWB đơn giản. Chúng ta sẽ sử dụng mã nhảy thời gian và phương pháp điều chế xung nhị phân với một dạng xung đơn có liên quan ( )p t . Hệ thống này thường được thấy trong tài liệu. Hệ thống này chỉ yêu cầu một xung mẫu đơn cho việc thu nhận và phần lớn sự phức tạp của hệ thống nằm ở sự điều chỉnh chính xác được dự phòng của chuỗi đã phát và việc thu nhận tiếp sau. Trong Hình 2.5 chúng ta thấy đầu ra của một máy phát UWB đơn giản. Và mô tả nó trong trường hợp một người sử dụng nhưng chúng ta mở rộng dễ dàng và đơn giản cho trường hợp nhiều người dùng bằng cách sử dụng các mã nhảy thời gian khác nhau mà thường sẽ là các mã giả nhiễu.
Đầu tiên, chúng ta chú ý rằng có một xung đã phát trong mỗi khung của thời gian Tf . Tần số lặp lại xung (PRF) là
1
f
PRF T
= (2.11)
Khung thời gian phải tối thiểu đủ dài để khắc phục được trải trễ của kênh, mà thường là hàng trăm nano giây cho môi trường trong nhà, để tránh nhiễu từ các xung phản xạ. Vì vậy, khung thời gian sẽ là khoảng 1000 lần độ rộng xung thục tế. Dãy xung chưa điều chế được miêu tả là
( ) ( )( f)
n
s t ∞ p t t nT
=−∞
= ∑ − (2.12) Để điều chế dữ liệu chúng ta thêm vào một sự thay đổi nhỏ trong vị trí xung Tpn, hoặc Tp0 trước hoặc
1
p
T sau để tương ứng với dãy dữ liệu nhị phân,
thông thường Tp0 = −Tp1.
Dãy dữ liệu đã điều chế trở thành
∞
Hình 2.5: Đầu ra hệ thống điều chế xung nhị phân
Để tránh các vạch phổ và để cung cấp cách phân biệt người sử dụng chúng ta thêm một thay đổi thời gian đặt dựa vào mã nhảy thời gian Tcn, mã lặp lại
trong một khoảng chắc chắn. Cuối cùng ở đầu ra, tín hiệu đã điều chế vị trí xung là ( ) ( )( f pn cn) n T T s t ∞ p t t nT =−∞ − − = ∑ − (2.14) 2.5 Máy phát UWB
Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB được thể hiện trong Hình 2.6. Đầu tiên, dữ liệu được phát bằng các ứng dụng mà hầu hết là lấy ra từ máy phát ở lớp vật lí. Các ứng dụng có thể là email hoặc là trang web trong máy
t t p T Tc1 Tf +Tc3 +Tp 1 c T Tp f T f T Tf Tf Tf Tf
tính cá nhân, ứng dụng lịch trong thiết bị hỗ trợ số cá nhân (PDA) hay là dãy số của dữ liệu từ máy DVD. Từ triển vọng của lớp vật lí thì dữ liệu có thể là bất cứ thứ gì trong tất cả các ứng dụng. Phần này trong thiết bị không dây thường được gọi là “ phần cuối”. Thuật ngữ này không thấy rõ ngay lập tức, nhưng nó là phổ biến để xem xét tới quan điểm của máy thu.
Dãy thông tin nhị phân này sau đó được truyền tới “phần trước”, đó là phần của máy phát mà chúng ta quan tâm tới. Nếu các giản đồ điều chế cao hơn được sử dụng thì thông tin nhị phân phải chuyển đổi từ các bit thành các dấu, với mỗi dấu tương ứng cho nhiều bit. Các dấu này sau đó được chuyển đổi thành một dạng xung tương tự. Các dạng xung được phát đi bởi phần phát xung. Mạch điện điều chỉnh chính xác được yêu cầu để gửi các xung ra ngoài tại các khoảng thời gian có nghĩa. Nếu PPM được dùng thì việc điều chỉnh phải chính xác hơn, thường ít hơn độ rộng một xung. Các xung sau đó được khuếch đại trước khi được phát đi. Tuy vậy không cần hệ số khuếch đại công suất lớn.
Mặc dù đã bỏ qua sơ đồ sửa lỗi phía trước nhưng mẫu máy phát này đã đáp ứng được mục đích để chỉ ra rằng máy phát UWB có thể là hoàn toàn đơn giản.
Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB
2.6 Máy thu
Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB được thể hiện trong hình 2.7. Máy thu thực hiện hoạt động ngược với máy phát để thu lại dữ liệu và chuyển dữ liệu tới “phần cuối”, nơi mà các ứng dụng cần đến.
Có hai khác biệt chính giữa máy phát và máy thu. Một là máy thu sẽ hầu như chắc chắn có một khối khuếch đại để tăng công suất tín hiệu của các tín hiệu yếu đã nhận được. Hai là máy thu phải thực hiện các chức năng của sự tách sóng hay là việc thu nhận nhằm xác định các xung đã yêu cầu giữa các tín hiệu khác nhau, và sau đó tiếp tục theo dấu các xung để bù cho bất kì việc ghép nối sai nào giữa các đồng hồ của máy phát và của máy thu.
Dữ liệu có ý nghĩa được phát bởi các ứng dụng Phần cuối Logic -Giản đồ dấu thành xung -Mạch điện điều chỉnh Các bit thành các dấu Dãy dấu Dãy dữ liệu nhị phân Phát xung Phần trước 001010
Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB
2.6.1 Tách sóng
Có tín hiệu đã phát cùng với các đặc trưng phổ mong muốn là cần thiết để có một hệ thống thu tốt nhất. Kĩ thuật thu tốt nhất thường được sử dụng trong UWB là thu tương quan, thường được biết đến là một máy thu tương quan. Máy thu tương quan làm tăng lên nhiều lần tín hiệu RF thu được bằng một dạng sóng mẫu và sau đó tích hợp đầu ra của quá trình đó để mang lại điện áp một chiều duy nhất. Quá trình làm tăng và tích hợp xảy ra trên khoảng thời gian của xung và được thực hiện trong thời gian ít hơn một nano giây.
Nếu chúng ta cho rằng PPM như là phương pháp điều chế thì máy thu tương quan là một máy tách sóng sớm/muộn tốt nhất. Ví dụ, khi xung đã thu là 1
4 của một xung sớm thì đầu ra của máy thu tương qua là 1+ , khi nó là 1
4
của xung muộn thì đầu ra là 1− , và khi xung đã thu được đi đến tập trung trong cửa sổ tương quan thì đầu ra là 0.
Logic -Thu nhận -Theo dấu -Chuyển dạng xung về dấu Phát xung Các dấu thành các bit Dãy dấu Dữ liệu có ý nghĩa được phát bởi các ứng dụng
Khối trước Khối cuối
Khuếch đại Dãy dữ liệu nhị phân 001010
Trong trường hợp các tín hiệu nhiễu trong băng thu được bằng UWB thì đầu ra của máy thu tương quan có giá trị trung bình bằng 0. Hơn nữa, sự sai lệch chuẩn hay rms của đầu ra máy thu tương quan được quan hệ với công suất của các tín hiệu nhiễu trong băng.
2.6.2 Tích hợp xung
Khi một chu kì đơn (monocycle) bị che trong nhiễu của các tín hiệu khác nhau, thì thật sự khó khăn để tách một xung UWB đơn và chắc chắn rằng chúng ta có thể thu được thông tin đã phát là yếu. Tuy nhiên, bằng việc thêm đồng thời nhiều mẫu máy thu tương quan thì việc thu các tín hiệu đã phát đạt được độ tin tưởng cao hơn. Quá trình này được gọi là tích hợp xung. Nhờ tích hợp xung, các máy thu UWB có thể thu được, theo dấu, và giải điều chế các tín hiệu truyền dẫn UWB dưới nền nhiễu. Phép đo hiệu suất của máy thu UWB mặc dù có các tín hiệu nhiễu trong băng được gọi là quá trình tăng ích.
2.6.3 Theo dấu
Theo dấu là quá trình mà máy thu phải kiểm tra liên tục để xem các xung có tới trong thời gian được mong chờ, nếu không phải điều chỉnh lại thời gian. Ví dụ, giả sử là máy phát và máy thu khởi động với các đồng hồ đã đồng bộ. Khi thời gian chuyển qua hiệu ứng nhiệt và các tiêu chuẩn của các nhà sản xuất khác nhau thì một trong số các đồng hồ hoặc các máy dao động trở nên hơi nhanh hơn. Nếu sự khác nhau đó không đúng thì rốt cuộc máy thu sẽ không thể giải điều chế các xung chính xác. Độ lệch thời gian trong một phần nano giây phải được quan sát cẩn thận.
2.6.4 Máy thu Rake
Do hiện tượng phản xạ và các hiệu ứng khác của kênh truyền gây ra rất nhiều bản sao của xung đã phát xuất hiện tại máy thu. Nếu máy thu rake được sử
dụng thì các xung thêm có thể được dùng để cải thiện sự thu nhận làm tăng sự phức tạp máy thu. Việc làm tăng sự phức tạp đến từ mạch điện đã yêu cầu thêm để theo dấu nhiều xung và giải điều chế chúng.
2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB
Từ trước đến giờ chúng ta đã ngầm cho rằng chỉ có một người dùng sử dụng hệ thống UWB ở bất kì thời gian nào. Mặc dù các hệ thống UWB tiêu dùng đang ở thời kì đầu, chúng ta phải xem xét làm thế nào là tốt nhất để thiết kế một hệ thống UWB cho nhiều người sử dụng. Tất nhiên là tất cả các phương pháp đa truy nhập truyền thống phải được xem xét đến. Tuy nhiên ở đây chúng ta xem xét đa truy nhập phân chia theo tần số, thời gian và mã. Và chúng ta cũng xem xét một trường hợp đặc biệt của UWB là hệ thống đa truy nhập xung trực giao.
2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số
Một kĩ thuật đa truy nhập thông thường trong liên lạc băng thông hẹp là chia người sử dụng dựa vào độ rộng băng tần, đó là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Mỗi người dùng sử dụng một băng tần con khác nhau để phát và thu. Trong UWB, FDM bị giành bởi các xung đang dùng có độ rộng băng hẹp hơn tổng độ rộng băng có thể dùng được; tuy nhiên, chúng vẫn là băng tần rất rộng.
2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), mỗi người dùng sử dụng các mã như nhau và băng tần như nhau; tuy nhiên, một khoảng thời gian khác nhau là cần thiết để tránh nhiễu. Thông thường, yêu cầu tất cả người
người dùng luôn tăng lên. Kĩ thuật này chỉ được áp dụng cho đường xuống (từ một trạm gốc trung tâm) tới những người dùng di động.
2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã
Một kĩ thuật đa truy nhập có thể được áp dụng trong UWB là phân một mã trải phổ khác nhau với mỗi người dùng, đó là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Ví dụ, chúng ta lấy công thức (2.14) và sửa nó đi, vì thế chúng ta có thể chia k người dùng bởi mã khác nhau. Chúng ta xem đầu ra của người dùng k từ máy phát là ( )k ( ) ( )( f ( )nk ( )nk ) p c n T T s t ∞ p t t nT =−∞ − − = ∑ − (2.15) Trong công thức (2.15) người dùng k có một chuỗi dữ liệu nhị phân khác nhau, vì thế chúng ta có thể gán là Tp( )nk . Tuy nhiên để phân biệt người
dùng chúng ta phải có một mã nhảy thời gian rõ ràng, mà chúng ta gán là Tc( )nk
.
2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao
Một hệ thống liên lạc M-ary có thể được tạo ra từ bất kì tập hợp các dạng xung trực giao nào, như là ( )h tn hay p tn( ). Để đơn giản chúng ta hãy chỉ quan tâm các dạng sóng xung Hermitian (MHP) đã thay đổi.
Chúng ta tùy ý giả sử rằng các mã nhị phân 2 bit 00, 01, 10 và 11 được tượng trưng bằng các xung MHP của các thứ tự n=1,2,3,4. Bằng việc ấn định các kiểu đa bit tới các dạng xung đơn, dữ liệu tốc độ cao hơn có thể đạt được đơn giản hơn bằng cách gửi đi các dạng xung khác nhau. Hơn nữa, nếu muốn thì nó có thể được mở rộng theo một sơ đồ đã mã.
Từ các xung MHP trực giao thì một hệ thống nhiều người dùng có thể được tạo bằng việc sử dụng bốn dạng xung tương tự nhau. Ví dụ, bằng việc
ấn định các xung MHP của các thứ tự n=1,2cho người dùng thứ nhất và 3,4
n= cho người dùng thứ hai.
Với một hệ thống liên lạc nhị phân sử dụng phương pháp điều chế xung trực giao, chúng ta muốn biết có phải một xung tương ứng cho 0 hoặc 1 được thu không. Để đạt được điều này, chúng ta cần phát bản sao của của mỗi dạng xung và tích hợp nó với xung đã thu. Thông thường, hai tập hợp đầy đủ của phần cứng được cần để tạo ra hai xung của các dạng khác nhau. Tuy nhiên, bởi vì các dạng xung Hermitian đã sửa thứ tự thấp hơn có thể được phát bằng cách tích hợp một xung thứ tự cao hơn, nên một máy phát đa xung có độ phức tạp thấp có thể được tạo ra. Chúng ta sử dụng một xung trực giao Hermitian đã sửa có thứ tự riêng biệt từ máy phát xung đầu tiên để phát một xung trực giao Hermitian đã sửa thứ tự khác nhau tại máy phát xung thứ hai. Cấu tạo của máy phát thứ hai là phức tạp hơn một chút nếu các xung trực giao Hermitian đã sửa có thứ tự khác nhau được tạo ra từ một tín hiệu nguồn. Vì vậy, chỉ một tín hiệu nguồn đơn là cần thiết để tạo ra hai xung thứ tự khác nhau.
Bằng việc sử dụng một trong các đặc tính của các xung để phân biệt hay tích hợp chúng thì xung khác có thể được tạo ra, với thứ tự các xung là một nhiều hay một ít hơn xung trực giao tương ứng. Trong Hình 2.8, n=2là đầu vào của hệ thống, cùng với một xung có độ rộng đã ghi rõ. Độ rộng của xung vào được xác định bởi độ rộng mong muốn của xung ra và được làm gần đúng bằng hai lần độ dài xung ra. Trong khi xung vào đã bật thì xung sẽ được tạo ra, nhưng một khi xung vào là 0 thì đầu ra bất kì sẽ bị chặn. Trong một mạch thực tế, công suất sẽ được chuyển lại từ đầu vào, vì thế không đầu ra nào có kết quả trong bất cứ trường hợp nào. Xung thêm được tạo bằng cách tích hợp đầu ra từ một xung thứ tự n. Vì thế, xung có thứ tự n−1được tạo ra.
Xung đầu ra của bậc n=2 Xung đầu ra của bậc n=1
Hình 2.8: Mẫu các xung đầu ra khi đầu vào là n=2
2.8 Dung lượng của các hệ thống UWB
Dung lượng của một hệ thống đa truy nhập UWB phụ thuộc vào một dạng xung đặc trưng, đó là dạng xung mà chỉ có thể ứng dụng được cho hệ thống điều chế vị trí xung, đáp ứng cho vài điểm minh họa về dung lượng UWB.
Một vài giả định được thiết lập như sau. Để đơn giản và không làm mất tính tổng quát, mỗi xung UWB giả sử tương ứng với một dấu. Vì vậy, số lượng của các xung cho mỗi dấu Np =1. Điều đó có nghĩa là khoảng thời gian
của dấu Ts và khoảng thời gian khung Tf là như nhau (Tf =Ts), và năng
lượng mỗi xung Ep giống với năng lượng mỗi dấu Ep. Tiếp theo, chúng ta
chú thích là công thức dung lượng Shannon C=Wlog (12 +SNR) áp dụng cho một kênh có đánh giá các đầu vào và các đầu ra liên tục, đây không là trường hợp cho PPM UWB có các giá trị rời rạc.
Để đơn giản, dạng xung là một sóng hình chữ nhật ( )p t
( ) 1 ; 0 p p t T p t T ≤ ≤ = (2.16)
và Tp là thời gian xung.
, 0 ( ) , 0 p p p p p p T T T h T T T τ τ τ τ τ + − ≤ ≤ = − ≤ ≤ (2.17)
Xuất xứ này từ đây, chúng ta lấy mẫu thời gian thay đổi khác nhau giữa những người sử dụng, với dấu ∆ như một phân phối đều qua khoảng
, f f T T − . Nó dẫn đến một điều có thể xảy ra là ( 0) (0 ) 2 1 2 p p p f P T P T T T β − ≤ ∆ ≤ = ≤ ∆ ≤ = = (2.18)
với β =T Tf p là tỉ số trải, mà nó được định nghĩa là khung chia cho thời gian
của xung.
Giá trị có nghĩa của ( )h ∆ có thể được tính là
[ ( )] ( ) 0 ( 0) ( ) 0 (0 ) p p p p E h E h T P T