Đề tài Công nghệ truyền thông Ultra Wideband

Mục lục Thuật ngữ viết tắt Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha cơ hai CATV Cable Television or Community Antenna Television Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng CE Consummer Equipment Thiết bị người dùng CMOS Complementary Metal-oxide-Semiconductor Bán dẫn ôxít kim loại bổ xung DS-CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã - chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên bang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MB-OFDM Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về ảnh động OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OOK On-Off Keying Khoá On-Off PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân PN Pseudo Noise Giả tạp âm PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video cấp cao TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH Time Hopping Nhảy thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ cá nhân không dây WUSB Wireless USB Bus nối tiếp toàn cầu vô tuyến XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở rộng Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn được phát triển (3G và WLAN) được thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này và truyền dẫn video chất lượng thấp. Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã được đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhưng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: “công nghệ truyền thông ultra wideband” Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng chương với những nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB. Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB Chương 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB. Chương 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác. Chương 5: Phân tích nhiễu. Chương 6: Kết luận. Chương 7: Phụ lục. Đồ án đã làm rõ được các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông này. Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần được chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Phi Hùng đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I, Trung tâm đào tạo Bưu chính viễn thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Tây, ngày.........tháng........năm 2005 Sinh viên Dương Ngô Quý Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát triển của các hệ thống cũ. Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên mạng băng rộng. Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để có thể được nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó. 1.1.1 3G và WLAN Trong hệ thống 3G, như UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của người dùng có thể được cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trường tĩnh, trong khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lượng như trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phương tiện hoặc truyền video chất lượng thấp. Kích thước của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống 2G hiện tại, như GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2). Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét. Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video. 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB. 802.11 Thông lượng dữ liệu theo khoảng cách Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến 1.2 Lịch sử của UWB Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quát nhất. Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật hoạt động. Thứ tự của chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng của chúng. Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trưởng thành, những mối quan tâm chính và liên quan trực tiếp được nâng lên dần dần theo hướng về phía sau danh sách những quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ được điều khiển. Nếu không có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành công. Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng. Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280 Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024 Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720 Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520 Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280 Mbps tại chuyển động tối thiểu 30 khung (mầu 16 bít) 147 230 377 629 Mbps tại chuyển động tối thiểu 30 khung (mầu 24 bít) 221 345 566 943 Mbps sau khi nén 6-32 15-50 20-70 30-100 Các ứng dụng MPEG-2 DVD Máy chiếu Máy chiếu xách tay Màn hình máy tính Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ. Nền tảng lớp vật lý cho truyền dẫn xung UWB đã được thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ trước (1901) khi ông muốn ngăn chặn sự tán xạ của xung trong miền thời gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo. Trong thực tế, có người đã cho rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và Hertz vào cuối những năm 1890. Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB. Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp được quan tâm nhiều hơn UWB. Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội. Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998. Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời. Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã được FCC cấp phát. 1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp truyền tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM): 1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là: (1-1) SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lượng tăng theo hàm logarit với công suất (tương ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng. Điều đó không có nghĩa là một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với dung lượng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử dụng một phần băng tần đó. Nhưng do tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít công suất hơn để truyền một tốc độ bit như nhau với một xác suất lỗi không đổi. 1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc của tín hiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng như là mã PN (cung cấp khả năng truy nhập đường truyền). Một quy tắc xác định đơn giản cho thấy cả độ phức tạp cũng như là thời gian cần thiết để nghe lén một tín hiệu tỉ lệ với bình phương công suất của cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu như cấu trúc của nó không được biết trước. 1.3.3 Khả năng chống đa đường Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái niệm có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường. Đa đường xuất hiện khi một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau (xem hình 1-6). Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách. Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đường vọng của một tín hiệu hình sin và cách thức chúng kết hợp. Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thể được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng. Nếu như các xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ lệch về khoảng cách dưới 30 cm. Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đường này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp. Hình 1-7 minh hoạ cho điều này trong trường hợp các xung là đơn chu kỳ. Lưu ý rằng đa đường được tách và phân biệt một cách dễ dàng, một máy thu RAKE được triển khai đơn giản để tận dụng ưu điểm đó. Xem thêm phần 2.5.1. 1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như là các hệ thống băng gốc. Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp âm thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền tín hiệu số. Không cần vòng khoá pha hay tần số. Sau khi FCC đưa ra một số quy định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phương pháp đơn giản nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần, hoặc là trong miền tương tự hoặc trong miền số. 1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt được thậm trí trong cả môi trường mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của Shannon: (1.2) Trong trường hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với SNR là 0dB, dung lượng kênh có thể tính theo C=2.log2(1+1)=2 Gbps. Theo kết quả này, chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN. Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các hệ thống UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng. Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng. So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9). Do đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý. Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.4 Thách thức đối với UWB Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi. Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển. Truyền thông vô tuyến luôn luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau trên cùng một phổ tần. Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tượng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại. Trong nhiều trường hợp, các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được quyền sử dụng riêng phổ tần. Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa các thiết bị UWB. Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và khả năng của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được mong đợi (xem thêm 1.5). Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai. Một số vấn đề về mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường, nhiễu giao thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá. Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên tương tự như các thiết bị vô tuyến hiện tại. Hình 1-9: Mặt nạ phổ được đưa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà 1.5 Chuẩn hoá Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế hệ kế tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý. Mặc dù nhiều đề xuất được đưa ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng đang là những ứng cử viên đầy hứa hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt được sự chấp thuận từ phía uỷ ban chuẩn hoá. Đề xuất DS-CDMA, được đưa ra bởi Freescale ( trước kia là Xtreme Spectrum) và kết hợp với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần được cấp phát thành hai băng. Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhưng phiên bản sau đã vượt ra ngoài phổ tần đó. Dải tần cho đề xuất này là từ 3.2 – 5.15 GHz và 5.825 – 10.6 GHz. Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ary Bi-Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh và phân kênh. Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này. Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA. Đề xuất MB-OFDM được đưa ra bởi một nhóm các công ty lớn như Intel, TI …. Theo đề xuất này thì phổ tần được chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ rộng là 528 MHz) và các thiết bị được phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn. Hơn nữa, OFDM được sử dụng cho từng băng một. Dữ liệu được điều chế một cách thích hợp và sử dụng băng tần của nó. Toàn bộ phổ tần được chia thành 4 nhóm riêng biệt. chỉ nhóm A được dự định cho các thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiện tại. Các nhóm còn lại được dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tương lai. Hình 1-11, hình 1-12 sẽ giải thích thêm về vấn đề này. Sơ đồ mà DS-CDMA đưa ra nhằm đạt được tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp và kích thước nhỏ. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ cao cỡ 100Mbps và trong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ thống. Đồng bộ thời gian, sự lựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và mức độ ISI (inter symbol interference) là các vấn đề quan trọng trong đề xuất này. Trái lại, MB-OFDM được xem như một giải pháp thực tế hơn như: giảm được độ nhạy trong việc đồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụng CMOS. Tuy nhiên, một câu hỏi lớn đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch điện, MAI và sự đồng ý của FCC. Trước khi sự bế tắc này có thể được giải quyết bởi uỷ ban chuẩn hoá, cả hai nhóm đã quyết định triển khai các đề xuất của mình và xác minh lại tính khả dụng của nó. Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM. 1.6 Các ứng dụng của UWB UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp dẫn, như thể hiện trong hình 1-13. Về cơ bản, các ứng dụng này có thể được chia thành 3 nhóm: Truyền thông và cảm biến Định vị và theo dõi Radar Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp. 1.6.1 Truyền thông và cảm biến Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trường khách hàng. Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng cấp. Các ứng dụng trong truyền thông có thể được chia ra làm hai khu vực - tốc độ dữ liệu thấp và cao. Cả hai đều yêu cầu công suất thấp và dung lượng cao, chúng là các biểu tượng cho chất lượng của UWB. 1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ - nhưng chúng thường được nối bởi dây dẫn hoặc cáp. Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữ liệu vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, và để cho vô vàn mục đích khác. Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể là không dây, nhưng giải pháp trên thị trường ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng lắm trong việc đạt được một thoả hiệp hoàn hảo. UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng đột ngột như là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tượng mà không gặp trở ngại gì về kết nối. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhưng ít hơn trường hợp ánh sáng hồng ngoại. Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phương thức không liên tục, nhiễu cũng không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác. Trước hết chúng ta xét chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trường thiết bị. Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (như bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lượng lớn các ứng dụng. Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14): PC và Internet Các thiết bị điện tử cho người tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá Các thiết bị cầm tay và di động Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được dùng cho nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ ghi hình số thông tin với STB,…. Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao. Hiện tại, các loại thiết bị này sử dụng các giao diện và và khuôn dạng nội dung khác nhau. Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay. Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng được giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking. Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lượng cao đồng thời. Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ. Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ thấp. Hình 1-14: Sự hội tụ của các loại thiết bị Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dưới đây: Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến. Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và các thiết bị lưu trữ ngoài khác. Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, như điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp. Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị di động. 1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo. Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15). Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo phương thức này. Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác. Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tượng sử dụng có quyền hy vọng về USB không cần dùng cáp. Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC. WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m. Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP (Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách tay, hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn thành, video có thể được chuyển vào PMP để xem sau. Hình 1-15: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB 1.6.1.1.2 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE). Lợi ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ dàng trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao. Một lớp rộng lớn thiết bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị CE khác dễ thấy ở khắp gia đình. UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp. UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tới đa thiết bị đồng thời. Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví như khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà. UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để xem. Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng. UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2). Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play. Đặc điểm Lợi ích Thông lượng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lượng cao Tiêu thụ công suất thấp Tuổi thọ bin của các thiết bị cầm tay dài Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá, dựa trên Silicon Giá rẻ Tuỳ chọn kết nối hữu tuyến Tiện lợi và linh động Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB thời kỳ đầu. 1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động Đối với những người sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có thể là một sự bất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau. Nhiều thiết bị, như là thiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB, nhưng các thiết bị khác, như điện thoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cáp USB. Công nghệ UWB cho phép các thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngay khi chúng đặt gần nhau. UWB cũng có thể được sử dụng để tạo ra truy nhập mạng công suất thấp, tốc độ cao trong các khu vực hotspot. Vùng phủ Internet Hotspot đang tạo ra một điểm hấp dẫn về một thị trường rộng mở cho truy nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy tính di động tại một vùng xa xôi. Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những Hotspot là: WLAN 802.11a/b/g và WPAN dựa trên công nghệ Bluetooth. Cả hai đều có những giới hạn về đánh địa chỉ cho các nhu cầu hỗn hợp về kết nối băng thông rộng: dung lượng không gian cao nhằm phục vụ nhiều người trong một không gian cho trước và tiêu thụ công suất thấp. UWB sẽ giúp vượt qua những khó khăn này và có thể tạo ra cho một người được cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực này trưởng thành. Hình 1-16: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí 1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB Giống như công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồn phát và thu nội dung. Các thiết bị có thể được kết nối trực tiếp với nhau thông qua WUSB. Lúc đó, độ tiện lợi sẽ được nâng lên một cấp độ khác (hình 1-17). Hình 1-18 thể hiện một sự kết hợp công nghệ tạo ra một sự tiện lợi chưa từng có. Trong đó WLAN và LAN hữu tuyến, WUSB (có thể sử dụng UWB khi công nghệ này đã trưởng thành, khi đó tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến hàng Gbps) và USB hữu tuyến. 1.6.1.1.5 Mạng cảm biến Tất cả các loại bộ cảm biến đề xuất một cơ hội khác cho UWB phát triển tốt đẹp. Hiện tại các bộ cảm biến đang được sử dụng mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng. Nhiều loại bộ cảm biến được dùng để bảo vệ nhà cửa, ô tô, và các tài sản khác. Việc cài đặt các hệ thống an ninh hiện đại tiêu tốn thời gian và đắt đỏ. Hình 1-17: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB Tại sao vậy? Bởi vì chi phí cho dây dẫn là khá nhiều và tiêu tốn nhiều thời gian để cài đặt. Thông thường, các gia đình cắt bớt các góc, chỉ đặt các bộ cảm biến có dây này tại các lối vào có thể nhìn thấy. Với một giải pháp không dây, chi phí cho việc cài đặt và bảo dưỡng có thể giảm xuống một cách bất ngờ, phạm vi bao phủ có thể được mở rộng và độ tin cậy được tăng lên. UWB có thể được dùng như là liên kết truyền thông trong mạng cảm biến, và tín hiệu UWB tự nó có thể thực hiện chức năng như là bộ cảm biến. Nó còn có thể được làm một cách đặc biệt để xây dựng các bong bóng an ninh xung quanh một khu vực cho trước cần được bảo vệ, bao gồm các vùng cảnh báo biến đổi. Hãy tưởng tượng xem còn có gì khác có thể được thực hiện với ý tưởng này để tạo ra sự an toàn, an ninh, và một cái đầu thanh thản. Robert Frost đã viết trong Mending Walls, “ Hàng rào tốt làm nên hàng xóm tốt”. Một hàng rào tốt nhất phải khó bị nhận thấy hoặc tàng hình: lĩnh vực của UWB. Các bộ cảm biến cũng đang được dùng trong các trạm y tế để kiểm tra tốc độ xung, nhiệt độ, và các dấu hiệu sống quan trọng khác. Ngày nay, một bệnh nhân bị trói buộc bởi dây và cáp khi việc theo dõi y học mở rộng được yêu cầu. Một lần nữa, UWB có thể được dùng để truyền tải thông tin cảm biến không cần dây, nhưng cũng có thể thực hiện chức năng như là một bộ cảm biến hơi thở, nhịp tim, và trong một số trường hợp, cho xử lý ảnh y học. Hình 1-18: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn Một mạng cảm biến UWB giải phóng bệnh nhân khỏi mớ lộn xộn của các bộ cảm biến có dây. Giải pháp UWB tạo ra một “ thái độ rối rít” dễ chịu cho bệnh nhân khi cần thiết phải theo dõi cố định. 1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao Vì băng tần khả dụng đối với người dùng được mở rộng, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và lấp đầy băng tần khả dụng trong khi nhu cầu gia tăng. Thêm vào sự gia tăng tập chung vào băng tần, vấn đề gia tăng điện thoại di động và du lịch đã thúc đẩy nhu cầu về khả năng dịch chuyển băng tần, ám chỉ đến công nghệ không dây. Các ứng dụng sớm nhất của UWB sẽ lấy các nhu cầu thị trường cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao hơn đang tồn tại làm trọng tâm. Tuy nhiên, nhu cầu không dây có khả năng đa phương tiện đã đang ép buộc những hành động mới của tổ chức chuẩn hoá không dây. Giải pháp UWB sẽ nổi lên với các tính năng hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng này bởi vì băng tần khả dụng cao. Đặc biệt, các ứng dụng đa phương tiện mật độ cao, như là dùng trực tuyến đa phương tiện tại các “ điểm nóng” như sân bay hoặc trung tâm hàng hoá thậm trí cả các đơn vị cộng đồng, sẽ yêu cầu băng tần không như công nghệ “băng hẹp” sóng liên tục hiện tại. Khả năng đóng gói chặt “ các tế bào” UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển các giải pháp UWB. UWB cho phép download phim ảnh với tốc độ cao. Các màn hình video có độ phân giải cao cỡ lớn trở nên phổ biến với mức giá chấp nhân được. Các thiết bị này có thể đạt được lợi ích to lớn từ khả năng dung lượng cao của UWB để truyền nội dung video qua đường vô tuyến từ các nguồn video đến một màn hình treo trên tường. 1.6.2 Định vị và bám Định vị và bám trên một phạm vi lớn, ví dụ như GPS, đã thay đổi phương pháp chúng ta đi lại. Định vị và theo dõi trong một phạm vị nhỏ hơn có thể thay đổi cách tổ chức và theo dõi các đối tượng của chúng ta. Các ứng dụng có thể cải thiện sự an toàn của tài sản, giúp chúng ta tìm thìa khoá xe và thậm trí giúp ta giữ liên lạc tốt với những đứa trẻ của mình khi chúng ở xa. 1.6.2.1 Định vị Ngày nay, có nhiều công nghệ cho phép chúng ta định vị trên phạm vi toàn cầu với độ chính xác, điều mà trước kia không thể thực hiện được. Chúng ta đã chuyển từ việc dùng la bàn sang dùng GPS. Giờ đây, hãy tưởng tượng các khả năng đó đang dẫn đến một bước tiến mới - vào bên trong nhà. Mặc dù UWB không phải là một giải pháp hiệu quả cho định vị ngoài trời (do khoảng cách quá ngắn), nhưng nó vẫn là một giải pháp tuyệt vời đối với các vấn đề khoảng cách ngắn. Một vài biến thể của UWB có thể được sử dụng để xác định khoảng cách giữa hai trạm thu phát UWB bên trong nhà. Bộ định vị UWB có thể được đặt một cách chiến lược trong một mạng báo hiệu chỉ đường bằng biển không dây dọc theo một con đường chạy qua đồng quê để đánh dấu tuyến. Chúng có thể được dùng để tìm người trong nhiều tình huống, như là nhân viên cứu hoả trong các toà nhà đang cháy, sĩ quan cảnh sát trong tình trang nguy hiểm, người trượt tuyến bị thương trên một sườn tuyết, người đi bộ đường dài bị thương ở một vùng xa xôi, hoặc những đứa trẻ bị lạc trong công viên. 1.6.2.2 Bám Với kỹ thuật bám tiên tiến, chúng ta không chỉ biết vị trí của các đối tượng mà còn bám theo sự chuyển động của nhiều vật đặc biệt khác. Ví dụ, các đối tượng được lưu giữ trong kho có thể được theo dõi từ lúc nhập kho cho đến lúc xuất kho và thậm trí đến tận đích cuối cùng của chúng. Bất kỳ một chuyển động nào trong một cơ quan tổ chức cũng có thể được theo dõi. Nhờ có theo dõi tài sản, hàng hoá, nên đã cải thiện đáng kể khả năng làm đơn giản hoá việc lưu trữ và phân phối tài sản, hàng hoá và các dịch vụ trong khi làm tăng khả năng điều khiển kiểm kê. Vì tính chất di động của con người và các đối tượng tăng lên, những thông tin mới nhất và chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trường thích đáng. Trong khi GPS và một số công nghệ E911 hứa hẹn tạo ra một mức độ chính xác nào đó bên ngoài nhà, thì các công nghệ theo dõi bên trong nhà hiện tại vẫn còn không ít khó khăn và có độ chính xác khoảng từ 3 đến 10 mét. Triển khai UWB là một sự bù đắp cho GPS và E911 nó cho phép sự định vị chính xác và theo dõi các đối tượng chuyển động trong nhà với độ chính xác vài centimét. Điều này lần lượt làm cho có thể cung cấp nội dung định vị rõ ràng và thông tin tơí từng cá thể về chuyển động, và theo dõi các tài sản có giá trị cao về mặt an ninh và sử dụng có hiệu quả. Trong khi đây là một thị trường mới mẻ, độ chính xác được cung cấp bởi UWB sẽ thúc đẩy sự trưởng thành thị trường và sự phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực này. Các hệ thống UWB có thể làm việc trong môi trường phức tạp trong đó có nhiều người, tài sản, và các tác động qua lại. Các vị trí như là bệnh viện, khu an ninh, trung tâm đào tạo, và các nơi làm việc phân tán khác có thể đạt được ích lợi to lớn bằng việc truyền thông có hiệu quả hơn và nhanh hơn. Việc lưu trữ tự động các hoạt động phức tạp không có cấu trúc giải phóng con người khỏi nhiệm vụ quản lý. Lý lịch thiết bị có thể được cá nhân hoá, tự động chia sẻ thiết bị, để con người có thể đạt được sự thoải mái hơn với các tài sản sẵn có. Sự đo lường thời gian thực và sự kiểm toán nơi làm việc cung cấp cho người quản lý thông tin cần thiết để có được một quyết định thực tế chính xác. Các mức độ an ninh chưa từng có có thể đạt được bằng sự theo dõi vị trí con người và các tài sản quan trọng. 1.6.3 Radar Tín hiệu UWB làm xuất hiện radar độ rõ nét cao với giá rẻ. Với các khả năng của radar mới này được tạo ra bởi sử bổ xung của UWB, thị trường radar sẽ phát triển mạnh mẽ và radar sẽ được dùng trong nhiều khu vực mà không cần phải để tâm. Một số ứng dụng radar mới mang tính then chốt trong đó UWB dường như có vai trò cốt yếu bao gồm các bộ cảm biến tự động, bộ cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh, bộ cảm biến an ninh cá nhân, điều tra chính xác, và các ứng dụng an toàn công cộng xuyên tường. Những vòm an ninh được trang bị radar dựa trên radar chính xác đã thể hiện khả năng phát hiện chuyển động gần các khu vực được bảo vệ, như là các khu vực có tài sản giá trị cao, khu vực công chức, hoặc các khu vực bị hạn chế. Vòm này có thể được cấu hình bằng phần mềm để phát hiện chuyển động ngang qua cạnh của vòm, nhưng có thể bỏ qua các chuyển động bên trong hoặc đằng sau cạnh vòm. Ngày nay, khả năng phát hiện chuyển động xuyên tường là một thực tế. Các thiết bị này gửi hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu như thế, trong hầu hết các hoàn cảnh, có thể xuyên qua hầu hết vật liệu nhà cửa, như bê tông rắn chắc, khối bê tông, lớp đá, gạch, gỗ, nhựa, ngói, và sợi thuỷ tinh. Kết quả này là một phương tiện nhận biết những mối nguy hiểm hoàn toàn mới với nhiều công dụng. Thiết bị radar này nhằm phục vụ cho quân đội và đội ngũ chiến lược thi hành luật pháp. Hoạt động của radar dành cho phương tiện trong băng từ 22 đến 29 GHz được cho phép dưới các điều lệ của UWB bằng cách dùng anten định hướng trên các ô tô. Các thiết bị này có thể phát hiện vị trí và chuyển động của các đối tượng gần một phương tiện đi lại, tích cực khả năng tránh xung đột, sự hoạt hoá túi khí được cải thiện, và hệ thống giảm sóc thích ứng với điều kiện đường xá tốt hơn. Hình 1-19 là hình ảnh thể hiện về các thiết bị cụ thể. Hình 1-19: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác Cuối cùng, để kết thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảng khá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires) Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp. Điều này có thể làm tăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thay đổi hạ tầng đã tồn tại. Công nghệ over-wire cho cáp đồng trục có thể cung cấp tới 1.2 Gbps cho đường xuống và 480 Mbps cho đường lên trong băng tần bổ xung, với giá thành thấp, trên nhiều kiến trúc mạng khác nhau. Tín hiệu UWB có thể được đặt tại đầu cuối cáp và được trích ra tại cơ ngơi người dùng. Công nghệ UWB wire - line không gây nhiễu hay làm giảm chất lượng truyền hình, Internet tốc độ cao, thoại hoặc các dịch vụ khác đã được cung cấp bởi hạ tầng CATV. Công nghệ này sẽ tạo cho người vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồn tại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng tổng thu nhập. Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến và UWB hữu tuyến. Sự kết hợp công nghệ này tạo ra độ rộng băng tần mạng vô tuyến khổng lồ cho việc mở rộng nội dung được đảm bảo an toàn theo tất cả các đường từ văn phòng đầu cuối của nhà cung cấp cáp đến một loạt các thiết bị mạng không dây. Điều này chuyển đổi trung tâm giải trí gia đình thành cổng mạng và hub không dây. Chương 2 Phân tích tín hiệu UWB Sau khi nắm được những đặc điểm cơ bản nhất về UWB và những thuộc tính của nó trên miền thời gian và tần số, chúng ta tiếp tục với việc phân tích tín hiệu UWB, trong chương này dạng xung sử dụng và các kỹ thuật điều chế trong UWB sẽ được trình bầy. 2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB Định nghĩa một tín hiệu UWB về các mặt có liên quan là một điều gì đó không thực sự rõ ràng. Sau đây là một số khả năng: Một tín hiệu với một độ rộng băng lớn hơn 500 MHz. Một tín hiệu với độ rộng băng lớn hơn 20% tần số trung tâm. Những định nghĩa này cho phép một tín hiệu CDMA với một tốc độ 1 chip/ns hoặc một tín hiệu OFDM với độ rộng băng tần tổng cộng vượt ra khỏi chuẩn 802.11. Trong đồ án này, chúng ta coi rằng tín hiệu UWB được cấu thành từ rất nhiều xung hẹp (cỡ 1 ns hoặc thậm trí còn hẹp hơn). 2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ Có rất nhiều dạng xung được sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào đặc tính của phổ tần hoạt động của hệ thống mà dạng xung nào được lựa chọn. Đối với hệ thống UWB phổ tần hoạt động cho các ứng dụng trong nhà được FCC cấp phát từ 3.1-10.6 GHz. Do phổ tần cố định như vậy nên việc chọn lựa dạng xung cũng là một vấn đề quan trọng. Nhằm tuân theo đặc tả của FCC, hai loại dạng xung được nghiên cứu: xung Gaussian và xung Raised Cosin. 2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian Xung Gaussian đơn chu kỳ là một tín hiệu băng rộng, tần số trung tâm và độ rộng băng phụ thuộc vào độ rộng của chu kỳ đơn. Trong miền thời gian, xung đơn chu kỳ Gaussian có dạng: (2-1) Trong đó là hệ số thời gian xác định độ rộng của đơn chu kỳ. Trong miền tần số, biến đổi Fourier của xung đơn chu kỳ Gaussian là: (2-2) Tần số trung tâm fc phải thoả mãn: (2-3) Chúng ta có thể thấy rằng fc tỉ lệ với nghịch đảo của và độ rộng băng -3dB vào khoảng 116% fc (xem phụ lục A). Vì vậy, với = 0.033ns thì tần số trung tâm fc = 6.85 GHz và độ rộng băng -3dB xấp xỉ 7.5 GHz. Hình 2-1 thể hiện một dạng sóng điển hình của xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó. Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó 2.2.2 Xung Raised Cosin Trong đặc tả của FCC, mặt nạ PSD cho tín hiệu UWB có dạng hình chữ nhật. Dễ thấy rằng xung dạng Gaussian không hoàn toàn phù hợp với quy định này. Do vậy, xung Raised Cosin được giới thiệu để có thể thích hợp hơn với quy định về PSD của FCC. Hình 2-2 thể hiện xung Raised Cosin trên miền thời gian và tần số. Xung Raised Cosin có thể được mô tả trong miền tần số như sau: (2-4) Trong đó, B là băng tần tuyệt đối. f1 và được cho dưới đây: Với là tần số -6dB của xung Raised Cosin. Vì mục đích tận dụng toàn bộ băng tần được FCC chấp thuận 7.5 GHz nên giá trị của được thiết lập là 3.75 GHz. Dạng sóng tương ứng trên miền thời gian được tính như sau: (2-5) Do h(t) là tín hiệu băng tần thấp (-, +) nên cần được dịch đến tăng tần tín hiệu mong muốn. Trong trường hợp phổ tần của xung Raised Consin chiếm toàn bộ băng tần được FCC cấp phát thì xung băng gốc phải chuyển sang tần số trung tâm fc (6.85 GHz). Do đó, xung được phát đi sẽ là: (2-6) rc(t) và RC(f) được thể hiện trong hình 2-2. Hình 2-2: Xung Raised Cosin và phổ năng lượng của nó 2.2.3 Lựa chọn dạng xung Bằng cách so sánh hai dạng xung đã được đề xuất, chúng ta cần lựa chọn một dạng để sử dụng cho hệ thống UWB. Ta thấy rằng, mặc dù xung Raised Cosin có các thuộc tính phổ khá đẹp, khá khớp với mặt nạ phổ hình chữ nhật được FCC đưa ra nhưng loại xung này rất khó tạo ra bởi một mạch điện đơn giản. Trái lại, xung đơn chu kỳ Gaussian thì có thể được tạo ra một cách khá đơn giản, và do đó thường được lựa chọn để sử dụng cho các hệ thống UWB. 2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm Sau khi giới thiệu một số dạng xung UWB thì việc truyền dẫn các xung – chuỗi xung cần được xem xét. Trước tiên chúng ta tạo ra xung Gaussian đơn chu kỳ tại những thời điểm cách nhau bởi khoảng thời gian lặp (xem hình 2-3) và chuỗi xung này có thể được mô tả như sau: (2-7) Trong đó Tf là chu kỳ khung, bằng với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp, gm(t) là xung Gaussian đơn chu kỳ. Chuỗi xung trên có một tần số lặp xung xác định là 1/Tf. Dựa trên mật độ phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ GM (hình 2-1), mật độ phổ công suất (PSD) có thể được viết như sau: (2-8) Trong đó và lần lượt là trung bình và phương sai của biên độ xung, trong trường hợp chuỗi xung tuần hoàn, chúng lần lượt là 1 và 0. Do đó, ta có: (2-9) Chúng ta thấy rằng trong miền tần số, chuỗi xung đơn đều đặn sẽ tạo ra các nhánh công suất theo các khoảng 1/Tf. Điều này được kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-3. Do vậy, công suất tín hiệu UWB trải rộng theo đường phổ. Nhưng nếu PSD phẳng, công suất phát có thể tối đa theo quy định của FCC. Chúng ta kết luận rằng chuỗi xung tuần hoàn không tận dụng được tài nguyên tần số một cách có hiệu quả và cần được cải thiện. Để có thể làm mịn đường phổ, yếu tố then chốt để tối ưu việc sử dụng phổ tần, chúng ta cần loại bỏ sự tương quan của chuỗi xung tuần hoàn trong miền thời gian. Một phương pháp hữu dụng để giải quyết vấn đề này là làm cho các xung xuất hiện ngẫu nhiên trong miền thời gian, do vậy nhiều sự tương quan có thể tránh được trong chuỗi xung và đường phổ có thể được nén lại. Phương pháp này được thể hiện trong hình 2-4 và chuỗi xung với xung đơn chu kỳ Gaussian có thể được mô tả như sau: (2-10) Trong đó là số ngẫu nhiên thuộc (0, Tf). PSD của chuỗi xung này có thể thu được như sau: (2-11) Từ đó ta thấy rằng chỉ là một bản mở rộng của phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ và không có nhánh nào trong đó. Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần Sở dĩ như vậy là do tất cả các xung xuất hiện ngẫu nhiên hoàn toàn và tuyệt đối không có thông tin tương quan về vị trí xung. Thuộc tính trên được khẳng định lại bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-4. là độ dịch thời gian (nhiều nano giây) có thể được áp dụng cho từng xung. Tập hợp {} có thể được thiết kế giống như mã giả tập âm (PN). Trong hệ thống đa truy nhập, mỗi một người dùng có một chuỗi mã ngẫu nhiên duy nhất. Chỉ bộ thu hoạt động với cùng một mã ngẫu nhiên mới có thể giải mã truyền dẫn. Nếu không biết trước mã nhảy thời gian duy nhất này thì tín hiệu không thể được tách ra thậm trí ngay cả trong trường hợp mà bộ thu đặt rất gần bộ phát. Phương pháp để gán cho từng xung UWB một khoảng thời gian này còn được sử dụng như là một kỹ thuật đa truy nhập. Để hiểu thêm về một kỹ thuật đa truy nhập và khả năng ứng dụng của chúng trong UWB, ta xét thêm một số kỹ thuật đa truy nhập khác (xem phần kỹ thuật đa truy nhập). 2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB Như chúng ta đã biết, một xung đơn UWB không mang thông tin. Chúng ta phải thêm thông tin số vào xung tương tự, điều này được thực hiện bằng điều chế. Trong các hệ thống UWB, có một số phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ xét chi tiết ở phần sau. Thông thường, chúng ta định nghĩa hai dạng điều chế cơ bản cho truyền thông UWB. Chúng được thể hiện trong hình 2-5 (kỹ thuật điều chế dựa trên thời gian và kỹ thuật điều chế dựa trên dạng xung). Điều chế vị trí xung (PPM) Kỹ thuật dựa trên thời gian Kỹ thuật dựa trên dạng xung Điều chế xung đối cực (BPPM) OOK PAM Phương pháp điều chế dạng xung cơ bản (như điều chế xung trực giao) Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB Một phương pháp điều chế phổ biến nhất trong truyền thông UWB là điều chế vị trí xung (PPM), trong đó mỗi xung được trễ hoặc gửi trước thang thời gian bình thường. Do vậy, một hệ thống truyền thông cơ hai có thể được thiết lập với một độ dịch thời về phía trước hoặc sau. Bằng cách chỉ rõ thời gian trễ chính xác cho từng xung, một hệ thống M-ary có thể được tạo ra. Một phương pháp thông dụng khác sử dụng kỹ thuật đảo ngược xung: điều đó có nghĩa là tạo ra một xung với pha ngược lại. Đây được gọi là kỹ thuật điều pha cơ hai (BPM). Một kỹ thuật điều chế hấp dẫn khác là điều chế xung trực giao, trong đó yêu cầu các dạng xung đặc biệt mà khi được tạo ra chúng phải trực giao nhau. Ngoài ra còn có một số kỹ thuật điều chế nổi tiếng khác như OOK. Trong kỹ thuật điều chế OOK, sự có mặt hoặc vắng mặt của xung thể hiện thông tin số “1” hoặc “0” một cách tương ứng. Điều chế biên độ xung (PAM) là kỹ thuật sử dụng sự biến đổi biên độ xung để mang thông tin số. Hơn nữa, một vài kỹ thuật điều chế truyền thống khác không áp dụng được trong truyền thông UWB. Ví dụ: kỹ thuật điều tần được sử dụng rộng rãi lại rất khó áp dụng trong UWB, vì mỗi xung mang quá nhiều thành phần tần số. Chúng ta lần lượt kiểm tra từng kỹ thuật điều chế có thể áp dụng trong UWB này. Trước tiên, chúng ta xét hai kỹ thuật điều chế phổ biến nhất: PPM và BPM. Một sự so sánh đơn giản hai kỹ thuật điều chế này được thể hiện trong hình 2-6. Trong hình 2-6(a), một chuỗi xung không được điều chế dùng để so sánh. Xét một ví dụ cho trường hợp PPM, xung tượng trưng cho bít thông tin “1” bị trễ đi (xung bị dịch sang phải). Xung tượng trưng cho bít “0” được gửi đi trước xung không được điều chế (xung bị dịch sang trái) trong hình 2-6 (b). Đối với trường hợp BPM, xung bị đảo ngược tượng trưng cho bít “0” trong xung không bị đảo tượng trưng cho bít “1”. Xem hình 2-6 (c) để thấy rõ hơn vấn đề này. Sau đây chúng ta sẽ đi xét chi tiết lần lượt từng phương pháp một. 2.4.1 Điều chế vị trí xung Như đã đề cập trước, tham số quan trọng trong điều chế vị trí xung là độ trễ của xung. Bằng cách định nghĩa một xung cơ bản với dạng xung tuỳ ý p(t), chúng ta có thể điều chế dữ liệu bởi tham số trễ để tạo ra các xung si như thể hiện trong phương trình 2-12, trong đó t là thời gian. (2-12) Xét một ví dụ, chúng ta đặt , , , ta sẽ tạo ra một hệ thống PPM 4-ary. Và theo đó, ta có: (2-13) (a) Các xung không được điều chế (b) Điều chế vị trí xung (c) Điều pha hai mức Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung và điều pha hai mức trong UWB Bộ thu phân biệt “1”, “0” bằng thời gian đến của nó, hoặc độ trễ giữa các xung (xem thêm hình 2-7). Hình 2-7: Điều chế vị trí xung Lợi ích lớn nhất của PPM xuất phát từ tính đơn giản của nó và lỏng lẻo trong việc điều khiển độ trễ. Trái lại, hoạt động của hệ thống UWB lại yêu cầu một độ chính xác rất cao về thời gian. Do đó, có thể coi đây là một nhược điểm của phương pháp điều chế này. Ngoài ra điều chế vị trí xung có tác dụng làm phẳng phổ tín hiệu, do đó làm giảm nhiễu tới các hệ thống vô tuyến cũ. PPM cho phép sử dụng kỹ thuật thu sử dụng bộ lọc thích ứng tối ưu. Bộ thu sử dụng một bộ tương quan để tách tín hiệu dưới mức tạp âm. So với các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế khác, hệ thống sử dụng PPM cho phép đồng bộ hoá tốt hơn và yêu cầu độ chính xác định thời lớn hơn. Xác suất lỗi bít được tính theo công thức sau, với điều kiện sử dụng bộ lọc thích ứng ở bộ thu: (2-14) Trong đó: Q(): là hàm Q. Eb: là năng lượng trung bình trên một bít. N0: là mật độ phổ công suất tạp âm tại bộ thu. Q() là hàm được định nghĩa như sau: (2-15) Hình vẽ không gian tín hiệu và xác suất lỗi bít được thể hiện trong hình 2-10 và 2-11. 2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) Kỹ thuật điều chế đối cực thể hiện bít “1” bởi một xung dương và bít “0” bởi một xung âm. Tức là có sự chuyển pha 180 độ giữa bít “0” và “1”. Xem hình 2-8 để hiểu thêm về kỹ thuật điều chế này và PPM trong UWB. Theo hình 2-8 chúng ta thấy rằng Nc xung UWB dùng để truyền một bít dữ liệu, khoảng cách giữa hai xung liên tiếp là Tf, cả bít thông tin và chuỗi giả tạp âm đều tham gia điều chế xung UWB. Như vậy có nghĩa là để truyền bít dữ liệu “1” không có nghĩa là dùng toàn xung UWB duơng. Về mặt toán học, chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu BPM như sau. , =-1,1. Trong đó p(t) như đã đề cập trong 2.3.1, được coi như là tham số dạng xung. Theo đó chúng ta dễ dàng nhận thấy sự đảo ngược xung cơ bản p(t) sẽ tương ứng với bít “0” và bít “1” được phát đi. Ta có thể biễu diễn tín hiệu UWB sử dụng điều pha cơ hai khi có một chuỗi bít được đưa vào để điều chế xung UWB như sau: (2-16) Trong đó bj là giá trị {-1, +1} phụ thuộc vào bít dữ liệu. Xác suất lỗi bít được tính theo công thức sau, với điều kiện sử dụng bộ lọc thích ứng ở bộ thu: (2-17) Hình vẽ không gian tín hiệu và xác suất lỗi bít được thể hiện trong hình 2-10 và 2-11. Hình 2-8: Mã hoá “0”, “1” trong UWB Một trong số các lý do để sử dụng điều chế xung đối cực, đặc biệt trong sự so sánh với kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM), là độ lợi 3-dB trong hiệu suất sử dụng công suất. Điều đó có nghĩa là nếu muốn đạt được cùng một tỉ lệ lỗi bit thì các phương pháp điều chế như OOK, PPM phải dùng năng lượng bit (Eb) gấp đôi. Đây là một thuộc tính của phương pháp điều chế này. Trên đây đã giới thiệu hai phương pháp chính thường được sử dụng trong truyền thông UWB. Ngoài ra còn một số phương pháp điều chế khác cũng được đề xuất trong quá trình nghiên cứu nhằm tìm ra một phương pháp điều chế thích hợp nhất cho truyền thông UWB. Do đó việc đề cập các phương pháp điều chế khác là cần thiết để có được một cái nhìn toàn diện hơn về các kỹ thuật điều chế mà UWB đã trải qua trên cả phương diện lý thuyết cũng như trong thực tế. 2.4.3 Các phương pháp điều chế khác Hình vẽ 2-9 thể hiện các phương pháp điều chế này. Trong hình 2-9 (a) là một chuỗi xung chưa được điều chế dùng để so sánh. Hình 2-9 (b) là một ví dụ về điều chế biên độ xung trong đó xung với biên độ lớn tượng trưng cho bit “1” và xung có biên độ nhỏ hơn tượng trưng cho bít “0”. Hình 2-9 (c) là kỹ thuật điều chế on-off keying. Đây là phương pháp điều chế khá quen thuộc. Hình 2-9 (d) thể hiện một ví dụ về điều chế xung trực giao trong đó bít “1” được tượng trưng bởi một xung Hermitian cấp 3 được điều chỉnh và bít “0” được tượng trưng bởi một xung Hermitian cấp hai được điều chỉnh. Sau đây chúng ta sẽ xem xét thêm về từng kỹ thuật vừa nêu. 2.4.3.1 Điều chế xung trực giao Điều chế xung trực giao là một tập con của điều chế dạng xung với thuộc tính là các dạng xung phải trực giao với nhau. Ưu điểm chính của việc sử dụng các xung trực giao không liên quan trực tiếp đến phần điều chế, nhưng nó lại rất hữu ích khi sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập. Tuy nhiên, do việc điều chế dạng xung cơ sở thì không phải là một vấn đề hấp dẫn trong cả lý thuyết và thực tế. Điều này được lý giải là do nếu thực hiện nó thì độ phức tạp thêm vào các mạch điện, bộ nhớ và còn nhiều điều khác là không nhỏ mới có thể tạo được các dạng xung cơ sở. Và do đó nếu không bắt buộc thì chúng ta không nên thực hiện phương pháp này. Tuy vậy, để đánh giá rõ ảnh hưởng của độ phức tạp của hệ thống mà chỉ với những lời đánh giá này là không đủ. Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án chỉ có thể đánh giá một cách khái quát nhằm đưa được các kết luận cần thiết. Điều không may mắn là tham số dạng xung thì không còn phù hợp để mô tả tập hợp xung cơ sở và ở đây chúng ta đặt nhãn cho mỗi xung một cách đơn giản là p1, p2, …pi và giả thiết rằng các xung này được thiết kế sao cho trực giao với nhau. Hình 2-9: Các phương pháp điều chế khác Việc nghiên cứu các phương pháp tạo ra các xung trực giao này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đồ án. Cả ba kỹ thuật điều chế như đã trình bầy ở trên - điều chế vị trí xung, điều chế xung đối cực, điều chế xung trực giao -đã được đề xuất sử dụng trong truyền thông UWB. Ngay khi các tác nhà nghiên cứu quan tâm đến các dạng điều chế nhằm đề xuất sử dụng cho UWB thì chưa có một nỗ lực đáng kể nào tập chung vào phương pháp điều chế biên độ xung cũng như on-off keying. Tuy nhiên, như đã đề cập thì sự đầy đủ khi nghiên cứu về một vấn đề luôn luôn là cần thiết đặc biệt với trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết. Do vậy các khả năng sử dụng của chúng cũng được thảo luận dưới đây. 2.4.3.2 Điều chế biên độ xung Điều chế biên độ xung (PAM) cho UWB có thể được trình bầy theo phương trình (2-14). >0 (2-14) Trong đó tham số dạng xung nhận các giá trị dương. Xét một ví dụ, chúng ta đặt =1, 2 và ta có tập xung cơ hai s1=p(t), s2=2p(t). Nói chung, điều chế biên độ xung không phải là một phương pháp hấp dẫn cho truyền thông cự ly ngắn. Lý do chính bao hàm một thực tế rằng một tín hiệu được điều chế biên độ mà có biên độ nhỏ thì dễ bị ảnh hưởng của tạp âm hơn phần có biên độ lớn hơn. Hơn nữa, lượng công suất lớn hơn được yêu cầu để phát các xung có biên độ cao hơn. Đối với các hệ thống sin, các hệ thống sử dụng điều chế biên độ thường được phân biệt với các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế góc là yêu cầu độ rộng băng tần hẹp và không hiệu quả trong việc sử dụng công suất. Do vậy, ưu điểm lớn nhất (độ rộng băng tần hẹp) dường như không có ý nghĩa đối với UWB, và hầu hết các ứng dụng UWB lại coi yếu tố công suất như là một vấn đề cốt yếu. Đó cũng là lý do tại sao mà điều chế biên độ lại không được quan tâm đến trong UWB. 2.4.3.3 On-Off keying On-Off keying (OOK) trong UWB có thể được coi như là một dạng điều chế dạng xung trong đó tham số dạng xung có thể là 0 hoặc 1 như thể hiện trong phương trình (2-15). =0, 1 (2-15) Xung “on” được tạo ra khi =1 và xung “off” khi =0; do đó s1=p(t) và s2=0. Khó khăn cơ bản của OOK là sự có mặt của đa đường, trong đó các tiếng vọng của những xung ban đầu hoặc những xung khác khiến nó trở nên khó khăn trong việc xác minh sự vắng mặt của một xung. OOK cũng là phương pháp điều chế cơ hai, tương tự như BPM nhưng nó không thể được mở rộng thành một phương pháp điều chế M-ary như PPM, PAM, OPM. Xác suất lỗi giống như trường hợp PPM. Không gian tín hiệu và xác lỗi bít xem trong hình 2-10 và 2-11. 2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế Trong phần này chúng ta đưa ra sự tổng hợp đánh giá về các phương pháp điều chế cho truyền thông UWB trong bảng 2.1. Bảng này tổng hợp lại các ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp điều chế đã nêu. Hình 2-11 sẽ cho chúng ta thấy BER của một số phương pháp điều chế. Theo đó, xác suất lỗi của PPM cũng không khác gì so với OOK, cao hơn so với BPM. Sau khi đã đưa ra những ý kiến đánh giá về điểm mạnh và điểm yếu của từng phương pháp điều chế thì việc quyết định một phương pháp khả dụng nhất là rất quan trọng. Xét một cách toàn diện thì PPM là phương pháp điều chế được có nhiều ưu điểm hơn cả mặc dù đó không phải là phương pháp mà hiệu quả về công suất là tối ưu so với BPM. Phương pháp điều chế Ưu điểm Nhược điểm PPM Đơn giản Cần đồng bộ một cách chính xác BPM Đơn giản, tiết kiệm công suất phát (độ lợi 3 dB) Chỉ điều chế hai mức OPM Trực giao cho đa truy nhập Phức tạp PAM Đơn giản Khả năng chống tạp âm kém, công suất sử dụng lớn OOK Đơn giản Chỉ điều chế cơ hai, khả năng chống tạp âm kém Bảng 2-1: Tổng hợp ưu nhược điểm của các phương pháp điều chế Hình 2-10: Không gian tín hiệu của OOK, PPMvà BPM Có ba lý do chính dẫn đến kết luận trên. Thứ nhất, do đa đường là nguyên nhân chính gây ra tính mất ổn định về mặt thời gian nhưng PPM có thể tận dụng đặc tính này rất tốt để có thể thích ứng với kênh vô tuyến có phản xạ và cũng như có thuộc tính về phổ tín hiệu rất tốt. Trái lại, điều chế BPSK mã hoá dữ liệu cần phát bởi cực tính xung nên có thể bị méo khi truyền trong kênh vô tuyến có phản xạ một cách dễ dàng. Thứ hai, do Philips đang làm việc nhằm triển khai bộ định thời chính xác, đó là vấn đề then chốt để xây dựng một hệ thống thực tế, cho nên vấn đề định thời với độ chính xác cao có thể được giải quyết đơn giản hơn. Lý do thứ ba khiến cho PPM nhận được nhiều sự quan tâm là do Time Domain Inc, một trong những công ty đầu tiên triển khai các sản phẩm UWB mang tính thương mại, cũng đã sử dụng kỹ thuật điều chế này. Time Domain Inc đã chế tạo thành công một số chipset truyền thông UWB dựa trên kỹ thuật điều chế này, điều đó tự nó cũng nói lên một điều là PPM đã được chấp nhận như là một phương pháp điều chế đã trưởng thành. Hình 2-10: Xác xuất lỗi theo lý thuyết đối với OOK, PPM, và BPM Điều chế PPM cơ hai sử dụng các chuỗi dài momocycle (đơn chu kỳ) cho truyền thông, điều chế dữ liệu và nhận dạng kênh được thực hiện bởi biến đổi vị trí xung trong mỗi khung. Khi phát những chuỗi trên, điều quan trọng là để đảm bảo rằng tính toàn vẹn phổ truyền dẫn vẫn không bị ảnh hưởng. Chuỗi xung đơn chu kỳ Gaussian được điều chế bởi BPPM có thể được mô tả như sau: (2-16) trong đó Tf là chu kỳ khung. là vị trí ngẫu nhiên của xung trong một khung, nó có giá trị trong khoảng (TPPM_shift, Tf-TPPM_shift). d là dữ liệu cơ hai được phát nhận giá trị là “0” (có thể là “-1” cũng không ảnh hưởng) hoặc “1”. TPPM_shift là thời gian trễ hay hệ số dịch vị trí theo thời gian. Vị trí của xung tham khảo (referenced pulse) được cho bởi prandom(t). Các tham số này thể xem trong hình 2-10. Hình 2-10: Các xung vị trí ngẫu nhiên với điều chế BPPM Hơn nữa, giá trị của Tf lại xác định tốc độ ký hiệu. Nếu Tf là 100 ns thì tốc độ ký hiệu sẽ là 10 Mb/s. Bằng cách giảm Tf , tốc độ ký hiệu có thể tăng lên nhưng khi đó nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) cũng tăng. Kết quả là giá trị của Tf không thể lựa chọn quá nhỏ trừ khi khoảng cách giữa trạm phát Tx và trạm thu Rx cũng rất nhỏ. Thay vì thay đổi tốc độ ký hiệu để điều chỉnh tốc độ truyền dẫn, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu bằng cách sử dụng điều chế M-ary PPM. Do đó, nhiều bít thông tin hơn có thể được phát đi trong một ký hiệu. {} là một chuỗi mã giả tập âm PN. Đối với một tuyến truyền thông, một cặp bộ thu và bộ phát phải hoạt động tại cùng một mã giả tập âm PN. Do đó bộ thu sẽ biết được thời điểm để tách dữ liệu (xung) đúng dựa trên mã PN, và các bộ thu khác thì không biết được mã PN này nên không thể thu lấy được dữ liệu từ tuyến truyền thông này. Chúng ta nhận thấy rằng trước đó có một xung được tách chính xác bởi bộ thu thì các xung tiếp theo có thể được bám chặt bởi một bộ tương quan dựa trên mã PN đó một cách dễ dàng. Do vậy, chìa khoá để giải quyết vấn đề trong thiết kế bộ thu là làm sao chúng ta có thể tách đúng vị trí của xung về thời gian với độ chính xác cần thiết. 2.4 Phân tích công suất Theo đặc tả của FCC, giới hạn công suất cho vùng tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz là -41.25 dBm/MHz. Do toàn bộ băng tần làm việc là 7.5 GHz nên giới hạn trên của công suất truyền dẫn PTx trong hệ thống UWB có thể được tính toán như sau: (2-17) Dựa trên giá trị công suất phát, chúng ta có thể tính toán công suất thu được PRx tại bộ thu UWB bằng cách sử dụng mô hình kênh. Một mô hình kênh UWB thực tế đã được đề xuất bởi Philips Research Redhill dựa trên các đo đạc kênh. Theo đó, khi tăng khoảng cách giữa Tx và Rx thì công suất tín hiệu UWB thu được sẽ bị giảm tuỳ theo môi trường truyền. Đối với môi trường tầm nhìn thẳng (LOS): PRx e-1.9d PTx Đối với môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-LOS): PRx e-3.4d PTx trong đó d là khoảng cách giữa Tx và Rx tính theo mét. Quỹ công suất của hệ thống UWB được thể hiện trong bảng 2-2 và xem thêm phụ lục B. Băng tần tín hiệu UWB 7.5 GHz (3.1 GHz – 10.6 GHz) Giới hạn công suất tín hiệu theo FCC -41.25 dBm/MHz Công suất phát tối đa -2.5 dBm (0.56 mw) Khoảng cách giữa Tx và Rx 10 mét Công suất (sử dụng mô hình LOS) -115.0341 dB Công suất tạp âm -98.2900 dB Hệ số duty cycle 0.01 SNRinstantaneous 3.2559 dB Bảng 2-2: Quỹ công suất của hệ thống UWB 2.5 Phân tích môi trường truyền dẫn và các ảnh hưởng của nó lên tín hiệu UWB 2.5.1 ảnh hưởng của đa đường Như đã trình bầy trong phần ưu điểm của hệ thống UWB. Ta thấy đa đường là một vấn đề mà mà hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến đều gặp phải. Do anten thu thu cả tín hiệu đến trực tiếp và tín hiệu bị phản xạ từ bộ phát. Nếu một xung UWB đơn (monocycle Gaussian) được phát thi tín hiệu thu được sẽ bao gồm một tín hiệu đường thẳng và các tín hiệu bị phản xạ. Tín hiệu thu được r(t) với giả thiết không có tạp âm có thể được trình bầy: (2-18) trong đó <<<…<. Tham số và an lần lượt là độ trễ và biên độ của thành phần đa đường thứ n, trong đó và a1 tượng trưng cho đường đến trực tiếp. Dạng sóng s(t) xác định xung đơn UWB thu được. L là số lượng đường tín hiệu. Như chúng ta đã biết, độ rộng xung của s(t) thông thường nhỏ hơn 200ps. Do đó, các thành phần đa đường với những độ trễ khác nhau lớn hơn độ rộng xung có thể được tách ra một cách vô hại. Chúng ta có thể kết luận rằng hệ thống UWB có khả năng chống lại nhiễu đa đường rất tốt. Tuy nhiên, các thành phần đa đường trễ với thời gian dài ans(t-) có thể gây ra vấn đề ISI đặc biệt khi >Tf. Để ngăn chặn vấn đề ISI, Tf không thể được chọn với giá trị quá bé khi xây dựng chuỗi xung phát. 2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx Một phòng bình thường có thể được xem như là môi trường đa đường mật độ cao, và một vấn đề mà chúng ta sẽ phải đối mặt là ảnh hưởng lên kênh truyền dẫn do dịch chuyển các đối tượng. Tốc độ chuyển động cao nhất của một đối tượng chuyển động có thể coi như 2m/s, đây là một giá trị khá hợp lý trong điều kiện một căn phòng. Bằng một phép phân tích hình học đơn giản chúng ta có thể thấy sự thay đổi về chiều dài đường gây ra bởi một đối tượng chuyển động với tốc 2m/s nhỏ hơn 4.10-7m. Do tốc độ của sóng điện từ là 3.108 m/s nên độ dịch thời gian sẽ là 4.10-7/3.108, tức là vào khoảng 10-15 giây, hay 10-6ns. So với độ rộng xung 0.1ns thì độ dịch thời gian gây ra do đối tượng chuyển động có thể lờ đi trong một khoảng thời gian ngắn. Nếu chúng ta quan sát hệ thống trong một khoảng thời gian dài thì đối tượng chuyển động có thể gây ra vấn đề khóa trên một vài đường khả dụng bị mất tại phía thu. Do đó, một kỹ thuật dùng để bám đường sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo. 2.5.3 Khoá lại đường khả dụng nhất Nếu kênh truyền dẫn vô tuyến tạo ra một thay đổi đáng thì điều đó có nghĩa là đường dẫn khả dụng đã bị mất bám. Quá trình tách xung cho khoá đường dẫn đúng cần phải được thực hiện lại. Vấn đề ở đây là làm sao để tách được đường mạnh nhất nhưng đã mất khoá. Một giải pháp hấp dẫn đã được đề xuất, theo đề xuất này thì việc thực hiện tách xung và quá trình giải điều chế phải được thực hiện đồng thời với quá trình tách xung. Khi quá trình tách xung nhận thấy đường mạnh nhất đã bị dịch quá nhiều, ví như vượt quá ngưỡng cho phép, nó sẽ bắt đầu hiệu chỉnh thông tin định thời của các xung UWB đầu vào để đảm bảo rằng xung làm mẫu tại bộ thu luôn luôn trùng khớp với các xung đầu vào mạnh nhất (đường dẫn khả dụng nhất). Sau đó, quá trình giải điều chế sẽ làm việc với các tín hiệu mẫu mới, quan trọng là vẫn dưới sự theo dõi của quá trình tách xung. 2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập Trong phần này, các phương pháp đa truy nhập truyền thống cũng được xem xét khả năng ứng dụng trong UWB. 2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB Một kỹ thuật đa truy nhập phổ biến trong truyền thông băng hẹp là phân chia người dùng dựa trên băng tần sử dụng. Kỹ thuật này được gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Mỗi người dùng sử dụng một tần số sóng mang khác nhau để truyền và nhận tín hiệu. Trong UWB, kỹ thuật FDM này được thực hiện bằng cách sử dụng các xung có độ rộng băng tần hẹp hơn băng tần tổng cộng; tuy nhiên, chúng vẫn là băng tần rất rộng. Có thể phân biệt kênh bằng cách nhân tín hiệu (xung) với một sóng mang. 2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian(TDMA), mỗi người dùng sử dụng cùng mã và cùng băng tần; tuy nhiên, cần phải có một độ dịch thời gian để tránh nhiễu. Nói chung, kỹ thuật này yêu cầu tất cả người dùng phải được đồng bộ, đó không phải là một việc dễ thực hiện khi mà số người dùng tăng lên. Xét một cách toàn diện, kỹ thuật này chỉ được áp dụng cho đường xuống (Từ một trạm gốc trung tâm) đến người dùng di động. 2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Một kỹ thuật đa truy nhập khả dụng trong UWB là gán cho mỗi người dùng một mã trải phổ. Kỹ thuật này được biết đến với cái tên đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Về cơ bản có thể phân chia thành ba phương pháp thực hiện CDMA: Nhảy tần (FH: Frequency-Hopping): Làm việc giống như FDMA nhưng điểm khác nhau duy nhất là băng tần sử dụng được phân định bằng mã cho mỗi sự truyền dẫn. Nhảy thời gian (TH: Time-Hopping): Kênh được chia thành các khe thời gian như trong TDMA, nhưng dùng mã để xác định khe thời gian nào được dùng cho mỗi sự truyền dẫn. Chuỗi trực tiếp (DS: Direct-Sequence): Trước khi truyền dẫn thì luồng dữ liệu được nhân với chuỗi giả tạp âm. Tại phía thu thì việc tách người dùng ra tại phía thu cũng được thực hiện bằng cách nhân luồng tín hiệu thu được với cùng một mã giả tập âm mà phía phát đã nhân. Thao tác này được gọi là thao tác giải trải phổ. Và như vậy cho phép người dùng mong đợi thực hiện giải điều chế. Điều khiển tập chung của hệ thống, nhằm quản lý quá trình đa truy nhập, thường không được mong đợi đối với các ứng dụng của UWB. Nên việc thiết kế hệ thống phải nhằm vào yêu cầu loại bỏ yếu tố điều khiển tập chung, vì nó là điều kiện thuận lợi để có các đơn vị tự điều khiển có thể hoạt động mà không cần phải hợp đồng về lưu lượng. Phương pháp truyền thông này thường được biết đến với tên gọi là ad-hoc Networking. Do các node không trực tiếp thông tin với nhau nên cũng không cần phải đồng bộ mạng do các node có thể trực tiếp liên lạc với nhau. Nên cấu hình truyền thông qua mạng ad-hoc của UWB được xem như không đồng bộ. Tuy vậy, các node kết nối trực tiếp với nhau hay với một node chung nào đó thì vẫn phải được đồng bộ và có thể chia sẻ tốc độ bit được cung cấp bởi node chung đó. Loại cấu hình này được gọi là một piconet. Node chung điều khiển lưu lượng trong một piconet theo phương pháp TDMA, vì khi đó truyền thông đã được đồng bộ. Bên cạnh đó một số piconet có thể hoạt động dị bộ trong cùng một khu vực. Tiếp theo, để cung cấp dữ liệu đến và từ một node cho trước đến node trung tâm, TDD thường được dùng vì lý do đơn giản và do đồng bộ đã được thiết lập trong mạng. Các hệ thống FH-CDMA không được nghiên cứu trong đồ án này do hiệu năng của nó không khác so với TH, nhưng lại yêu cầu hệ thống phức tạp hơn để có thể nhảy giữa các tần số. Phần tiếp theo sẽ xét chi tiết thêm về các phương pháp điều chế. 2.6.3.1 Time-Hopping Mỗi một khung có khoảng thời gian là Tf (xem thêm hình 2-10) được chia nhỏ thành Nh chip có độ rộng Tc. Mỗi đối tượng sử dụng (được ký hiệu là k) được gán một mẫu dịch thời giả tập âm , , được gọi là chuỗi nhảy thời gian, nó cung cấp một độ dịch thời bổ xung cho mỗi xung trong chuỗi xung. Xung thứ n nhận thêm một độ dịch thời là giây. Thời gian bổ xung cho mỗi xung phải không được vượt quá thời gian khung Tf. Với kỹ thuật điều chế sử dụng là PPM, dữ liệu thông tin được mang đi bởi độ dịch thời . Biểu thức tín hiệu của người dùng thứ k có thể được viết như sau: (2-19) trong đó p(t) là hàm xung cơ sở như đã trình bầy trong phần điều chế, giá trị của phụ thuộc vào bn (đó là độ dịch thời mà điều chế PPM thêm vào, nó dùng để mã hoá thông tin), xác định độ dịch thời bổ xung cho xung thứ n bởi mã giả tập âm được cấp phát cho người dùng k. 2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp Chuỗi trực tiếp cũng được dùng cho đa truy nhập trong hệ thống OOK và BPM. Trong hệ thống này, mỗi ký hiệu được tượng trưng bởi một số lượng xung, chúng được được điều chế biên độ xung bởi một chuỗi chip. Các ký hiệu đầu vào được điều chế hoặc là biên độ hoặc là vị trí tương ứng của mỗi chuỗi xung. Đối với tín hiệu cơ hai, trong trường hợp DSPAM hoặc DSPPM, tín hiệu của đối tượng sử dụng thứ k (k=1,…,K) có thể được viết dưới dạng sau: (2-20) trong đó, n là chỉ số thời gian, p(t) là xung UWB cơ bản, Tb là chu kỳ bít, Tc là chu kỳ chip, ak,i ẻ {-1, 1} là chip thứ i của đối tượng sử dụng thứ k, Nc là số lượng chip được dùng để thể hiện một ký hiệu, là các bit thông tin của đối tượng sử dụng thứ k. Nc – chuỗi chip PN, , được sử dụng để nhận dạng đối tượng sử dụng thứ k. Phải đảm bảo rằng Tp nhỏ hơn chu kỳ chip Tc và NcTc phải nhỏ hơn khoảng lặp thu ký hiệu tần số. Đối với hệ thống DS-PPM, bit thông tin “1” được tượng trưng bởi một khung các xung không trễ và bit “0” được thể hiện được thể hiện bởi cùng một khung các xung nhưng với độ trễ t tương ứng với thời gian tham khảo. Đặt K là số lượng người sử dụng trong hệ thống. Do đó được thiết lập là 1 và bít thông tin của người dùng thứ k được mang bởi trong hệ thống này. Đối với tín hiệu DS-PAM, được thiết lập là 1 và bit thông tin của đối tượng sử dụng thứ k được mang bởi . Chương 3 Bộ thu phát UWB 3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB Để tìm hiểu về các thành phần của một hệ thống truyền thông UWB, một sơ đồ khối được thể hiện trong hình 3-1 trong trường hợp K người dùng có thể dùng chung tài nguyên phổ tần UWB. Hình 3-1: Kiến trúc tổng quan của hệ thống UWB Các khối điển hình của bộ thu phát UWB bao gồm được thể hiện ở phần dưới của hình vẽ và về phía bên trái là phần anten. Mục đích của anten là dùng để chuyển các xung thành sóng điện từ và ngược lại. Bên cạnh anten là phần RF trước – sau được thể hiện. Phần này chịu trách nhiệm đảm bảo khối băng gốc có thể giao tiếp được với anten. Phần này bao gồm LNA và bộ điều khiển độ lợi tự động AGC trong khối thu. Tiếp theo là khối băng gốc tương tự được dùng trong bộ phát để tạo ra các xung và thực hiện chuyển đổi tương tự sang số cần thiết trong bộ thu. Lý do có một hộp với nét vẽ đứt giữa phần tương tự và số là do không có sự rõ ràng về cách thức tương tác và cách thức xử lý tín hiệu trong hai miền cũng không được phân định rõ ràng. Một câu hỏi dễ dàng được đặt ra là bộ tương quan thường được dùng cho giải điều chế nên triển khai trên miền tương tự hay số. Phần kiến trúc bộ thu sẽ trình bầy thêm để giải quyết câu hỏi này. Cuối cùng, mã hoá và giải mã được thực hiện trong miền số và được thực hiện trước khi lên đến các lớp cao hơn. Qua một số phân tích sơ lược về bộ thu phát UWB, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra một điều là độ phức tạp chủ yếu trong hệ thống UWB nằm ở bộ thu. Do vậy phần tiếp theo sẽ trình bầy chi tiết hơn về bộ thu UWB. 3.2 Kiến trúc bộ thu UWB Xây dựng bộ thu UWB là một nhiệm vụ rất phức tạp, nó liên quan đến việc thiết kết thuật toán thu UWB cũng như là triển khai mạch điện. Chương này chủ yếu tập trung vào kiến trúc bộ thu UWB. 3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) Trước tiên, kiến trúc tổng quan của bộ thu UWB được giới thiệu. Bộ lọc thích ứng là mô hình bộ thu tối ưu. Bộ lọc thích ứng có thể được thực hiện bằng cách tương quan tín hiệu đầu vào với tín hiệu mong đợi. (3-1) trong đó Stemplate(t) là xung mẫu đã được biết trước và r(t) là tín hiệu vào tại bộ thu. Hình 3-2: Bộ thu tương quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB Bộ lọc thích ứng cho tín hiệu UWB được minh hoạ trong hình 3-2. Đối với trường hợp tín hiệu UWB được điều chế bằng phương pháp BPPM, xung mẫu Stemplate(t) được điều chỉnh như trong hình 3-2. Xung mẫu này có thể được nghiên cứu cùng với phương pháp điều chế BPPM đã trình bầy trong chương 3. Nửa đầu tiên của xung mẫu sẽ tạo ra một kết quả tương quan âm với xung thu được là “0”, và nửa thứ sau của mẫu xung sẽ tạo ra kết quả tương quan dương với xung thu được là “1”. Do đó, tín hiệu UWB có thể được giải điều chế bằng xung mẫu BPPM này. Sau khi lấy mẫu tại cuối mỗi khung, chuỗi dữ liệu cơ hai được tạo ra, nó tượng trưng cho dữ liệu được phát đã được giải điều chế tại bộ thu. có thể được so sánh với dữ liệu nối tiếp đầu vào m(t) để đánh giá chất lượng (BER và SNR) của bộ thu. 3.2.2 Máy thu Rake Tách tín hiệu trong một môi trường đa đường là lý do để chúng ta sử dụng máy thu Rake. Một máy thu Rake điển hình bao gồm một tập bộ tương quan, mỗi bộ tương quan tương ứng với một độ trễ khác nhau, để cho tín hiệu đa đường có thể được giải điều chế. Vì lý do đó, máy thu Rake được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống trải phổ, nó cho phép chống lại ISI (gây ra bởi truyền dẫn đa đường). Ví dụ, một hệ thống CDMA truyền thống sử dụng máy thu Rake để tăng cường chất lượng tách. Trong các hệ thống UWB, ý tưởng kết hợp máy thu Rake cũng có thể được sử dụng để tách tín hiệu trong môi trường đa đường. Vì chúng ta đang tập trung vào môi trường một người dùng, nên chỉ một bộ tương quan được tích hợp với máy thu Rake trong quá trình mô phỏng. Việc triển khai kiến trúc máy thu Rake ở đây chủ yếu vì mục đích thu năng lượng từ tín hiệu đa đường. Kiến trúc của máy thu Rake được thể hiện trong hình 3-3 bên dưới. Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với một bộ tương quan So với bộ thu tương quan, bộ thu sử dụng máy thu Rake thu được tín hiệu từ nhiều đường và bổ xung năng lượng từ các đường thu được đó nên đạt được một tín hiệu có tính tương quan trước (pre-correlation) tốt hơn. Các đường (các xung được thu từ đó) được lựa chọn bởi máy thu Rake phải tối ưu, điều đó có nghĩa là chúng phải là những đường khả dụng nhất. (Làm sao để xác định được các đường khả dụng nhất thuộc quá trình tách xung, trong đồ án không đề cập). Khoảng cách về thời gian tối thiểu giữa các finger của Rake được thiết lập là 250ps như là giới hạn vật lý phù hợp cho phần cứng của bộ thu. Như thể hiện trong hình 3-3, các finger được triển khai theo những đường trễ. Nếu các đường trễ được thiết lập chính xác, 5 xung khả dụng nhất có thể được lựa chọn tại đầu ra của đường trễ tại cùng một thời điểm. Năm tín hiệu bị trễ được thể hiện trong hình 3-4. Hình 3-4: Thông tin vắn tắt của các tín hiệu trong điều kiện không có tạp âm trong máy thu Rake. Tín hiệu 1 là tín hiệu bị trễ đầu tiên của tín hiệu UWB đầu vào gốc; tín hiệu 2 là một phiên bản trễ của tín hiệu 1, và tương tự với tín hiệu 3,4,5; tín hiệu 6 là tổng hợp của 5 tín hiệu trễ đó (1,2,3,4,5). (Không tạp âm) Các mũi tên của “a, b, c, d và e” trong hình 3-4 tượng trưng cho 5 đường khả dụng nhất. Sau khi cho qua các đường trễ trong máy thu Rake, 5 đường này được lấy tổng tại thời điểm t. Năng lượng của chúng có thể được tích luỹ để tạo ra một xung UWB tốt hơn, đó là mũi tên “s” trong tín hiệu 6. Hiệu năng được cải thiện rõ ràng hơn bởi kiến trúc máy thu Rake được thể hiện rõ ràng hơn trong trường hợp có tạp âm (hình 3-5). Bởi vì thêm một vài đường tín hiệu cùng nhau nên có thể lấy trung bình ảnh hưởng của tạp âm. Do đó, SNR đầu ra trong cấu trúc máy thu Rake được tăng lên và hiệu năn của máy thu Rake cũng tốt hơn bộ thu tương quan UWB đơn thuần. Có thể thấy rằng máy thu Rake có một hiệu năng tốt trong môi trường đa đường, và có thể giảm vấn đề ISI một cách đáng kể. Nhưng rõ ràng là máy thu Rake yêu cầu độ chính xác trong định thời cao hơn, đó là thời gian chính xác của các xung đến theo đường khả dụng. Do xung UWB rất hẹp nên yêu cầu định thời là một gánh nặng thêm. Bởi vậy, nghiên cứu về ảnh hưởng đến hiệu năng do lỗi định thời là rất cần thiết trong khi thiết kế hệ thống UWB. Hình 3-5: Thông tin vắn tắt về tín hiệu trong điều kiện có tạp âm bị giới hạn băng trong máy thu Rake. Tín hiệu 1 là tín hiệu bị trễ đầu tiên của tín hiệu UWB đầu vào ban đầu; tín hiệu 2 là trễ của tín hiệu 1, và theo quy tắc tương tự đối với tín hiệu 3,4,5; tín hiệu 6 là tổng hợp của 5 tín hiệu trễ đó (1, 2, 3, 4, 5). 3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý Có hai hệ số độ lợi SNR về cấu trúc máy thu Rake. Một là độ lợi xử lý do nhiều Rake finger và hệ số còn lại là do bộ lọc thích ứng. Đối với bộ thu sử dụng máy thu Rake như trong hình 3-3, sự kết hợp của 5 xung khả dụng có thể được sử dụng như là đầu vào của bộ lọc thích ứng. Nếu 5 xung khả dụng này là giống nhau về biên độ và chúng tuyệt đối không trồng lấn lên bất kỳ xung thu được nào, năng lượng của xung mô phỏng sẽ là 25 lần xung đơn và năng lượng tạp âm sẽ là là 5 lần xung đơn. Trong trường hợp này, độ lợi xử lý lên SNR có thể đạt được như sau: = 10log(25/5)=7dB (3-2) Rõ ràng là độ lợi xử lý này sẽ là 0dB nếu không có Rake finger nào được dùng. Bộ lọc thích ứng cũng có độ lợi xử lý lên SNR, và ở đây chỉ đưa ra kết quả cho mục đích đánh giá: (3-3) trong đó T là chu kỳ tín hiệu tương quan và BW là băng tần tạp âm được đo. Hơn nữa, chúng ta có thể viết tiếp độ lợi xử lý của bộ lọc thích ứng như sau: (3-4) Cuối cùng, sự kết hợp của hai hệ số độ lợi này sẽ làm tăng SNR tại đầu ra của bộ lọc thích ứng so với SNR đầu vào. 3.2.4 Thảo luận Trong trương này, bộ thu tương quan và bộ thu sử dụng máy thu Rake cho các hệ thống UWB đã được xem xét. Tuy nhiên, có một số vấn đề cần được nhấn mạnh lại. 3.2.4.1 Số lượng Rake finger Về lý thuyết, càng nhiều Rake finger thì hiệu năng càng được cải thiện do có nhiều hơn số đường tín hiệu UWB được bám. Nhưng trong thực tế, nhiều đường trễ, phần chính của Rake finger, thì gây tốn kém và cũng có thể làm cho vấn đề lỗi định thời trở nên khó xử lý hơn. Do đó, chúng ta không đề nghị triển khai quá nhiều Rake finger trong bộ thu. Số lượng phù hợp có thể đạt được dựa trên sự đo đạc kênh đầy đủ. 3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tương tự Mặc dù triển khai mạch điện không phải là trọng tâm của đồ án, nhưng một số vấn đề liên quan đến mạch điện cũng vẫn được quan tâm. Trước tiên, bộ trộn có một vai trò quan trọng để tương quan tín hiệu UWB đến được khuyếch đại với tín hiệu mẫu. Do đó, nó phải có đặc điểm đầu vào băng rộng và tính tuyến tính tốt. Hình 3-6: Triển khai analog của bộ thu UWB Việc thiết kế một bộ trộn như vậy với một yêu cầu cao sẽ là một thử thách không nhỏ cho các nhà thiết kế. Một vấn đề khác là làm sao để chia miền tương tự và miền số trong bộ thu UWB. Ngày nay, tốc độ của ADC không đủ cao để tạo ra dữ liệu UWB được lấy mẫu tại tốc độ lấy mẫu yêu cầu tối thiểu, nên chúng ta không thể tạo ra một hệ thống toàn số. Do đó, nhiều phần xử lý phải thực hiện trong miền tương tự, như bộ trộn và bộ tích phân, như được thể hiện trong hình 3-6. Chương 4 So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác Trong chương này chúng ta sẽ thảo luận về một số điểm tương đồng và sự khác biệt quan trọng của các hệ thống truyền thông UWB, trải phổ (SS), và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Mặc dù đây chỉ là sự thảo luận xét chỉ ở mức độ khái quát. Trước hết chúng ta có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của UWB so với trải phổ trực tiếp và OFDM là khác nhau. Sự khác nhau chủ yếu là khoảng cách, rất nhiều các ứng dụng mà trong đó OFDM và trải phổ trực tiếp thường được sử dụng nhưng nó lại không nằm trong phạm vi quan tâm của UWB. Chúng ta có thể lấy một số ví dụ, trải phổ trực tiếp được dùng trong điện thoại di động thế hệ thứ ba và các dịch vụ dữ liệu. Trái lại, OFDM lại đang được quan tâm trong các hệ thống di động thế hệ thứ tư. Hơn nữa, OFDM cũng được sử dụng cho quảng bá truyền hình số, như ISDB-T tại Nhật bản. Kỹ thuật truyền thông UWB hiện tại không được sử dụng cho các ứng dụng khoảng cách lớn và ứng dụng ngoài trời. Tuy nhiên, LAN không dây cho các ứng dụng trong nhà đang thuộc phạm vi quan tâm của UWB và do đó ta có được một cơ hội tốt để thấy được sự khác biệt của UWB so với các công nghệ khác mà có cùng một phạm vi ứng dụng. Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát chi tiết hơn. 4.1 CDMA Một trong những chuẩn truyền thông vô tuyến cho các ứng dụng ngoài trời phổ biến nhất là IEEE 802.11b dùng cho mạng nội bộ không dây. Nó hoạt động tại băng tần không có đăng ký 2.4 GHz. Trong 802.11b, các kỹ thuật trải phổ được sử dụng để thu tín hiệu băng hẹp và trải rộng phổ của tín hiệu ra toàn bộ băng tần khả dụng, mục đích của chính là để triệt nhiễu từ các người dùng khác hoặc các nguồn tạp âm. Băng 2.4 GHz được biết đến như là băng ISM, nó là từ viết tắt của Industrial, Scientific, và Medical. Như đã trình bầy trong phần đa truy nhập, có hai kỹ thuật chính để trải phổ: trải phổ dùng nhẩy tần (FHSS) và trải phổ dùng chuỗi trực tiếp (DSSS). Một cái nhìn tổng quan về quan hệ trên miền tần số- thời gian được thể hiện đối với hai phương pháp này trong hình 4-1 và 4-2. Trong hình 4-1 chúng ta có thể thấy rằng hai người dùng chiếm dữ một băng tần hẹp trong một thời gian ngắn. Có 79 kênh nhảy tần trong chuẩn IEEE 802.11 và mỗi kênh có độ rộng băng là 1 MHz. Trái lại, hình 4-2 lại cho thấy rằng mỗi đối tượng sử dụng luôn luôn chiếm dụng toàn bộ băng tần khả dụng và các đối tượng sử dụng khác nhau thì được tách ra bởi các mã giả tập âm (PN). Do đó, DSSS cũng được gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Mặc dù cả DSSS và FHSS được đặc tả như là các chuẩn trong WLAN 802.11, gần đây là IEEE 820.11b, nhưng chỉ có DSSS là lớp vật lý được định nghĩa. Chuẩn 802.11a định nghĩa một lớp vật lý OFDM (được thảo luận sau.) Hình 4-1: Quan hệ trên miền tần số – thời gian đối với hai đối tượng dùng sử dụng trải phổ nhảy tần. 4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS Trong phần này chúng ta sẽ nêu ra một số kết quả so sánh của ba kỹ thuật điều chế sau: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS), trải phổ dùng nhảy tần (FHSS) và UWB. Thiết lập ban đầu cho mỗi phương pháp nhằm chiếm 3.2 MHz, phát tại tốc độ 3.125 Mbps, và hỗ trợ 30 đối tượng sử dụng đồng thời. Đối với một hệ thống DSSS tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) có thể được viết như sau: (4-1) trong đó K là số lượng đối tượng sử dụng và N là số lượng chip trên một bit. Tỉ số lỗi bit (BER) có thể được tính toán từ: (4-2) trong đó “erfc” là hàm lỗi bù, nó được định nghĩa như sau: (4-3) Hình 4-2: Quan hệ trên miền tần số – thời gian đối với hai đối tượng dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp. Trái lại BER đối với FHSS có thể được tính toán như sau: (4-4) trong đó k là số lượng khe nhảy tần, M là số lượng đối tượng sử dụng, S là công suất tín hiệu, và N là công suất tạp âm. Do đó, Si tượng trưng cho công suất tín hiệu từ các đối tượng sử dụng gây nhiễu. Đối với kết quả UWB, SNR đầu ra trung bình có thể được tính toán bằng cách giả thiết một chuỗi nhảy thời gian ngẫu nhiên. Đặt số lượng đối tượng sử dụng tích cực (active) là Nu. Và ta có SNR là: (4-5) trong đó là phương sai của thành phần tạp âm bộ thu tại chuỗi xung đầu ra bộ tích phân. Tham số phụ thuộc dạng sóng đơn chu kỳ mp và là được cho bởi (4-6) và (4-7) trong đó A1 là biên độ của đơn chu kỳ, Tf là thời gian khung được giả sử là 10 ns, và Ns là số lượng xung UWB trên một ký hiệu. Kết quả đầu tiên này được thể hiện trong hình 4-3 cho trường hợp một người dùng theo đó chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng tất cả ba phương pháp đều có cùng một đường công tỉ số lỗi bít theo SNR. Khi 30 đối tượng sử dụng phát đồng thời thì sự khác biệt đã được thể hiện rõ. Điều này được minh hoạ trong hình 4-4. Một phần đường cong lỗi của nhảy tần có dạng thẳng mặc dù khi đó thì SNR vẫn tăng, đó là do số lượng đối tượng sử dụng quá lớn so với số lượng khe tần số khả dụng. Do vậy, hiện tượng xung đột luôn luôn xảy ra, gây ra nhiễu ngay cả khi SNR cao. Hình 4-3: So sánh BER của ba hệ thống DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng. Một cách nhìn nhận mở rộng của hình 4-4 được thể hiện trong hình 4-5, trong đó thể hiện rõ rằng, về mặt lý thuyết với các điều kiện đã được giả thiết, DSSS có chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên, độ rộng băng chip được giả sử cho DSSS là 0.37 ns, điều đó có nghĩa là công việc xử lý tín hiệu sẽ khó hơn rất nhiều (và do đó chi phí trở nên đăt đỏ hơn) so với hệ thống UWB. Hình 4-4: So sánh BER trong trường hợp 30 đối tượng sử dụng phát đồng thời. Số lượng đối tượng sử dụng Hình 4-5: So sánh BER theo số lượng sử dụng cho các hệ thống UWB và DSSS Vì vậy, chúng ta có thể tổng kết bằng cách phát biểu rằng với một hiệu năng tương tự nhau đều có thể đạt được bởi cả hai hệ thống băng rộng DSSS và UWB, với giới hạn băng tần giống nhau cho trước. Tuy nhiên, xuất phát từ thực tế, UWB khả dụng hơn do nó có thể triển khai dễ dàng hơn bởi chi phí thấp hơn (lý do chi phí thấp như đã trình bầy trong phần những ưu điểm của UWB). Khi độ rộng băng tăng lên thì gánh nặng xử lý tín hiệu trong các hệ thống DSSS và FHSS cũng tăng theo, khiến cho UWB càng trở nên hấp dẫn hơn. 4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), đôi khi còn được gọi là điều chế đa tone rời rạc (DMT), là một kỹ thuật truyền dẫn dựa trên ý tưởng của ghép kênh phân chia theo tần số (FDM). Hầu hết chúng ta đều đã quen thuộc với FDM như trong các ứng dụng của phát thanh và truyền hình: thông thường, mỗi trạm gốc được thiết kế để phát quảng bá tại một tần số đặc biệt hay còn gọi là kênh. Trong OFDM, một bộ phát đơn phát trên nhiều tần số trực giao nhau (có thể lên đến hàng nghìn). Do các tần số quá gần nhau nên mỗi một băng tần cho phát tín hiệu OFDM cũng chỉ là băng tần tín hiệu hẹp. Kết hợp với các kỹ thuật điều chế cao cấp lên mỗi thành phần có thể tạo ra khả năng chống nhiễu tốt. OFDM gần như luôn luôn được sử dụng với mã hoá kênh-một kỹ thuật sửa lỗi-để tạo ra FDM trực giao được mã hoá (COFDM). Đó là một kỹ thuật mà khi triển khai sẽ là rất khó khăn, nhưng ngày nay nó cũng đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông số khiến cho công việc mã hoá và giải mã tín hiệu trên trở nên đơn giản hơn. Hệ thống này cũng được sử dụng rộng rãi trong phát quảng bá cũng như là các dạng công nghệ mạng máy tính. Nguyên do chủ yếu cho khả năng ứng dụng của COFDM trong các hệ thống đã kể trên là khả năng chống đa đường, thường được biết đến như là “bóng ma” của quảng bá truyền hình tương tự. Với các đặc điểm này, mô hình hệ thống UWB sử dụng OFDM sẽ rất tốt trong việc trống lại hiện tượng đa đường, nhưng khi triển khai sẽ gặp nhiều khó khăn (xem thêm phần chuẩn hoá, OFDM). 4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM Không có băng bảo vệ giữa các sóng mang Hiệu suất sử dụng phổ tối đa Trồng lấn giữa các băng được điều khiển Đồng bộ hoá về thời gian và tần số có độ chính xác cao 4.3.2 Các trường hợp ứng dụng của OFDM OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống truyền thông như: ADSL, Wireless LAN, truyền hình và truyền thanh số, UWB. 4.3.2.1 DSL OFDM được sử dụng trong các kết nối ADSL theo chuẩn G.DMT (ITU G.922.1). Thực tế COFDM không dễ dàng gây nhiễu với các tín hiệu khác là lý do chính mà nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như modem ADSL trong đó các dây đồng được sử dụng để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn. 4.3.2.2 WLAN OFDM ngày nay đang được sử dụng trong các ứng dụng của WLAN, bao gồm WiMAX và IEEE 802.11a/g. 4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số COFDM ngày nay cũng được sử dụng rộng rãi tại châu âu và một số nơi khác trong đó chuẩn Eureka 147 DAB được chấp nhận cho phát thanh quảng bá số, và cũng cho cả TV số trên mặt đất trong chuẩn DVB-T. Một trong những lợi ích chính được cung cấp bởi COFDM là khả năng chống đa đường, và suy hao tín hiệu trong điều kiện khí quyển, hoặc chuyển động của vật thể bay. 4.3.2.4 UWB Trong hệ thống UWB đa băng (MB) được ủng hộ bởi WiMedia Alliance sử dụng ghép kênh OFDM và nó là một trong những giao diện vô tuyến cho UWB có sức cạnh tranh. Đối thủ trực tiếp của UWB theo MB-OFDM chính là DSSS (xem thêm phần chuẩn hóa). Sơ đồ chi tiết của bộ thu phát OFDM được thể hiện trong phần phụ lục C. Chương 5 Phân tích nhiễu Vì tín hiệu UWB có một băng tần rất rộng nên nó hoạt động như là một hệ thống phủ (overlay system) lên các hệ thống truyền thông vô tuyến khác. Hình 5-1 thể hiện một số hệ thống vô tuyến mà UWB nhất thiết phải cùng tồn tại và do đó phải chấp nhận những trở ngại nhất định. Những vấn đề này có thể được chia làm hai mảng. Thứ nhất, UWB phải có cơ chế giảm nhiễu hoặc phải có khả năng hoạt động được dưới sự có mặt của nhiễu. Thứ hai, UWB không được tạo ra nhiễu lớn đối với các người sử dụng dịch vụ khác. Định nghĩa về nhiễu lớn còn chưa rõ ràng, nhưng thông thường giá trị nhiễu này thường phải nhỏ hơn một ngưỡng tối ta cho phép hoặc nhỏ hơn nhiễu từ các bộ phát năng lượng điện từ vô hướng. Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng một trong những lý do tránh sử dụng các băng tần thấp là có rất nhiều các dịch vụ vô tuyến sử dụng tại các băng này mà UWB phải đối mặt. Nguồn nhiễu chính cho các hệ thống vô tuyến ngoài trời hoạt động trong khoảng 3 GHz và 10 GHz là các mạng nội bộ vô tuyến 5-GHz dựa trên OFDM. 5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN Trong thời kỳ đầu, quan tâm lớn nhất về UWB là liệu nó có gây nhiễu lên các hệ thống RF đang tồn tại để cung cấp các dịch vụ thiết yếu cho quân đội, hàng không, cứu hoả, cảnh sát, và giải cứu hay không. Vì lý do này, FCC dành khoảng 2 năm để đánh giá các đặc tả đề xuất cho UWB và cuối cùng đã đi đến một kết luận rằng, không có nhiễu đáng kể từ các hệ thống UWB. Kết luận này được thực hiện bởi một nguyên do chính là giới hạn công suất phát cực thấp được áp dụng cho hệ thống UWB. Trái lại, các thiết bị UWB có công suất thấp lại đang phải đối mặt với vấn đề nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác. Trong số các hệ thống đó, hệ thống WLAN 802.11a là mối quan tâm chính. Bởi vì nó có một công suất phát cao và băng tần hoạt động của nó (5.150-5.825 GHz) nằm trong băng tần hoạt động được FCC chấp thuận cho các hệ thống UWB. Do đó, một kết quả mô phỏng được trình bầy trong phần này để nghiên cứu vấn đề nhhiễu từ 802.11a đến hệ thống UWB. 5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a Chuẩn 8023.11a chỉ rõ một lớp vật lý OFDM, thông tin được tách ra thành nhiều phần được điều chế bởi nhiều sóng mang. Theo chuẩn này, một tín hiệu 802.11a 20 MHz được xây dựng bởi 64QAM cho việc mô phỏng nhiễu từ hệ thống WLAN đến UWB (hình 5-1). Tỉ số giữa hiệu điện thế đỉnh và hiệu điện thế RMS được quan sát là 3.2227, đó là điều quan trọng để tạo ra tín hiệu WLAN 5GHz với một mức công suất rõ ràng. Hình 5-1: Một tín hiệu WLAN 802.11a và phổ của nó (5.3 GHz, 64QAM) 5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a Trong hình 5-2, kết quả mô phỏng hiệu năng của bộ thu UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a được thể hiện. So với mô phỏng trong trường hợp tạp âm bị giới hạn băng tần (xem hình 4-5), đối với hệ thống UWB, khả năng chống lại nhiễu từ WLAN của nó thực tế còn tốt hơn khả năng chống lại tạp âm nhiệt. Điều này là do tín hiệu WLAN là một tín hiệu nhiễu băng hẹp đối với hệ thống UWB, và nó chỉ bóp méo một lượng nhỏ tần số của tín hiệu UWB. Nhưng do thông thường thì tín hiệu nhiễu WLAN mạnh hơn nhiều so với tín hiệu tạp âm nhiệt về khía cạnh năng lượng, vấn đề nhiễu này nghiêm trọng hơn ảnh hưởng của tạp âm nhiệt lên hệ thống UWB. 5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu Như đã được thể hiện trong kết quả mô phỏng và được trình bầy ở trên, tín hiệu nhiễu WLAN thực sự là một điều nguy hiểm đối với hệ thống UWB, và cần phải có giải pháp để cho phép hệ thống UWB hoạt động cùng với nguồn nhiễu WLAN 5 GHz. Một giải pháp khả thi là sử dụng bộ lọc chắn dải với băng chắn từ 5.1-5.9 GHz lên tín hiệu UWB thu được. Vì vậy, nếu có tín hiệu nhiễu WLAN 5 GHz trong tín hiệu thu UWB thì nó có thể khử bởi bộ lọc chắn dải. Nhưng có hai vấn đề chính tồn tại trong giải pháp này: thứ nhất là triển khai một bộ lọc chắn dải tốt khó có thể đáp ứng được yêu cầu tần số cao; thứ hai là bộ lọc chắn dải cũng có thể gây méo tín hiệu UWB và làm giảm hiệu năng toàn hệ thống. Tuy vậy, trong trường hợp có mặt của nhiễu WLAN 802.11a 5GHz thì bộ lọc này cũng có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống. Giải pháp đa băng là một phương pháp khác để giải quyết vấn đề nhiễu này. Theo đễ xuất này, phổ tần UWB không đăng ký 7.5 GHz được chia ra thành các băng tần không trồng lấn , và mỗi băng có độ rộng khoảng 500 đến 700 MHz. Dữ liệu có thể được phát thông qua tất cả các băng con hoặc chỉ một số trong đó. Trong trường hợp cùng tồn tại với IEEE 802.11a thì một hoặc hai băng UWB con tương ứng (băng bị nhiễu) có thể được loại bỏ khỏi quá trình truyền dẫn để đảm bảo không có nhiễu của hệ thống 802.11a trong tín hiệu UWB. 5.1.4 ảnh hưởng của UWB lên WLAN Theo [2], với hệ thống WLAN có tần số trung tâm tại 5.2 GHz và hệ thống UWB có tần số trung tâm tại 4.2 GHz (xem hình 5-1) thì ảnh hưởng lên hiệu năng nhiễu là nhỏ nhất khi công suất tín hiệu của WLAN 802.11a nhỏ hơn công suất tín hiệu UWB 10 dB. Hình 5-2: Mô phỏng quan hệ SNR và BER với nhiễu từ WLAN (tạp âm tự do) Ngoài ra, sử dụng hệ thống UWB đa băng còn có thể giúp hạn chế ảnh hưởng của UWB lên WLAN. Các sóng mang có tần số trồng lấn lên phổ 802.11a. Một thí nghiệm được thực hiện nhằm xác định hiệu năng của mạng WLAN 802.11b dưới ảnh hưởng của các tín hiệu UWB công suất lớn, và kết quả chi tiết không được nêu ra ở đây. Qua thí nghiệm ta có thể kết luận, hệ thống 802.11b có thể chịu ảnh hưởng của nhiễu UWB tạo ra bởi truyền dẫn với công suất lớn và khoảng cách ngắn giữa bộ phát UWB và bộ thu WLAN. Thiết lập thí nghiệm được thể hiện trong hình 5.2. Hình 5-1: Các hệ thống vô tuyến khác hoạt động ở cùng băng tần với UWB sẽ vừa gây nhiễu cho và thu nhiễu từ nhau. Trong thí nghiệm này, các xung với độ rộng 500 ps được tạo ra từ một vài bộ phát UWB. Tần số thu xung trong những mô hình này được cố đinh tại 87 MHz. Tần số trung tâm của quá trinh truyền dẫn là khoảng 1.8 GHz. Điện áp của các xung đo được tại đầu ra của bảng mạch xấp xỉ 300mV. Các anten đẳng hướng được sử dụng và có EIRP là -2dBm đến 3 dBm phụ thuộc vào tần số lặp thu xung. Các thiết lập ban đầu này không tương thích với quy định của FCC, vượt quá mặt nạ phổ cho truyền dẫn trong nhà tới 30 dB trong băng 2.4 GHz. Hình 5-2: Thiết lập thí nghiệm tìm nhiễu tới card WLAN từ các bộ phát UWB với công suất cao (theo IEEE 2003) Các đo đạc về thông lượng đã thể hiện một điều không mới lạ: với các khoảng cách nhỏ hơn 30 cm, thông lượng của WLAN rớt đột ngột khi 15 hoặc nhiều hơn bộ phát UWB với công suất lớn được sử dụng và nếu khoảng cách lớn hơn 40 cm thì sự ảnh hưởng có thể bỏ qua. 5.2 Bluetooth Bài viết “ảnh hưởng của tín hiệu UWB lên hiệu năng 802.11a và bluetooth” của tác giả M. Hăamăalăainen, J. Saloranta, J. P. Makela, I. Opperman, and T. Pantana trong IEEE vào tháng 11 năm 2003 đã kết luận rằng kết nối Bluetooth chịu ảnh hưởng ít hơn so với kênh 802.11b tương ứng. Lý do là tần số thu xung được sử dụng cho các bộ phát UWB đã được cố định, nó tạo ra phổ đường riêng biệt. Vì các thiết bị Bluetooth có khả năng theo dõi các trạng thái kênh cá thể nên các kênh “xấu” có thể được tránh. Chỉ có một sự sụt giảm thông lượng từ 530 kbps xuống còn xấp xỉ 490 kbps được ghi nhận cho các bộ thu phát đặt cách nhau 10m, và không có sự suy giảm thông lượng nào đối với các thiết bị Bluetooth cách nhau 3 m. Những kết quả đo này được thực hiện trong khi các thiết bị UWB được đặt cách xa bộ thu Bluetooth 15 cm. 5.3 GPS Các bộ phát UWB có thể gây ảnh hưởng đến các bộ thu GPS đáng kể và phải có những biện pháp về truyền dẫn tại tần các số GPS. Do đó, FCC đã gán một giới hạn chặt lên mức phát trong băng tần GPS. Năm 1999, U.S.DOT (bộ giao thông vận tải Hoa Kỳ) kết hợp với đại học Standford nghiên cứu khả năng tương thích của UWB với GPS và thực thi một số kiểm tra nhằm xác đ