Đề tài Tổng quan về hệ thống truyền thông UWB

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 7 Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng 9 Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet 9 Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet 10 Hình 1.5: Chuỗi xung UWB 11 Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) 12 Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 14 Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 15 Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 17 Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà 20 Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu. 21 Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 22 Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB 24 Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 27 Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 28 Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB 29 Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ 30 Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian. 32 .Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB 34 Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian 36 Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp 38 Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN 41 Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung 42 Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 44 Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng 48 Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 49 Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB 50 Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 52 Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 57 Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách 58 Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 59 Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp. Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau 59 Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng 61 Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn 61 Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS 62 Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 63 Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN 64 Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN 69 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây 15 Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác 16 Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau 19 Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu với BPPM trong kênh AWGN 31 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau 42 Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn 68 Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn 70 Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn 71 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Rrror Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Bi-phase Shift Keying Khóa chuyển pha CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DSSS Direct Sequent Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông liên bang Mi FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần FSP Free Space Propagation Truyền sóng trong không gian tự do GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineering Viện công nghệ điện và điện tử Mĩ IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh LMMSE Linner Minimum Square Error Lỗi trung bình bình phương tuyến tính cực tiểu LOS Light of Sight Nhìn thẳng LSI Large Scale Integration Mạch tích hợp cỡ lớn MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MF Matched Filter Bộ lọc thích ứng MPU Multi Processor Unit Thành phần đa xử lí MUI Multiuser Interference Nhiễu đa người dùng NLOS Non Light of Sight Khuất OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Ghép kênh theo tần số trực giao OOK On-off Keying Khoá bật tắt PCS Personal Communication Service Các dịch vụ thông tin cá nhân PDA Personal digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân số PN Pseudo Noise Giả tạp âm PR Pseudo Random Giả ngẫu nhiên PRF Pulse Repetiton Frequency Tần số lặp xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QPPAM Quadrature Position and Amplitude Modulation Điều chế vị trí và biên độ cầu phương SF Spread Factor Hệ số trải phổ SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm THSS Time hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy thời gian USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp vạn năng UWB Ultra Wideband Siêu băng rộng WLAN Wireless Location Area Network Mạng nội hạt không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây ISM Industry Scientific Medicine LỜI NÓI ĐẦU So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởng nhanh chóng. Xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị di động để truy cập các dịch vụ Internet tốc độ cao. Một trong những hướng đi của vấn đề này là sử dụng công nghệ UWB. Công nghệ này cho phép các kết nối vô tuyến có tốc độ cao hơn hẳn so với các kết nối vô tuyến khác. Đây là một công nghệ mới không chỉ mới ở Việt Nam mà còn là một công nghệ mới mẻ trên thế giới và là một công nghệ có nhiều tiềm năng ứng dụng cao. Vấn đề xử lí tín hiệu có một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống vô tuyến nào. Cũng như bất kì một hệ thống truyền thông nào khác, vấn đề xử lí tín hiệu trong truyền thông UWB là một trong những vấn đề quyết định đến sự thành công của hệ thống, qua đó có thể xem xét đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới hạn có thể. Được sử hướng dẫn của ThS.Nguyễn Phi Hùng và Ks.Bùi Văn Phú em mạnh dạn đi vào tìm hiểu công nghệ này. Trong nội dung đồ án này em sẽ nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB và đánh giá hệ thống dưới quan điểm xử lí tín hiệu. Về nội dung đồ án được chia thành 4 chương: Chương 1 Tổng quan về hệ truyền thông UWB: giới thiệu tổng quan về hệ thống UWB, các đặc tính cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của UWB là rất lớn. Các đặc điểm đặc biệt quan tâm của hệ thống UWB là các quy định về phổ tần của FCC đưa ra. Lợi thế về băng thông, khả năng chống đa đường của tín hiệu UWB làm tín hiệu UWB trở lên rất hấp dẫn đối với lĩnh vực viễn thông. Ngoài ra các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên, định vị làm lĩnh vực ứng dụng của nó trở nên rất rộng và linh hoạt. Chương 2 Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến trong nhà áp dụng cho truyền thông UWB. Chương 3 Truyền thông UWB: trình bày các thành phần quan trọng hệ thống truyền thông, nhấn mạnh vào cách khía cạnh quan trọng của hệ thống như điều chế, đa truy nhập và sử dụng máy thu Rake để thu tín hiệu. Chương 4 Đánh giá một số khía cạnh của hệ thống truyền thông UWB: xem xét các vấn đề quan trọng có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của hệ thống truyền thông UWB như dung lượng; ảnh hưởng nhiễu qua lại với các hệ thống truyền thông vô tuyến khác; so sánh hiệu năng với một số hệ thống truyền thông băng rộng hiện tại; và các trường hợp ứng dụng cụ thể của nó. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Phi Hùng và Ks. Bùi Văn Phú và các thầy cô trong bộ môn Vô tuyến-Học viện công nghệ Bưư chính viễn thông và phòng Nghiên cứu Kĩ thuật Thông tin Vô tuyến-Viện Khoa học Kĩ thuật Bưu điện đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này. Hà Nội 10/2005 Sinh viên Vũ Thanh Tùng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và có tính đột phá. Trước hết tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng UWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ thuật xử lí tín hiệu được sử dụng. Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong tương lai với các ứng dụng không dây. Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB trước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB. Định nghĩa: UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần lớn hơn 20%. (1.1) Trong đó B:=fH-fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống UWB với fc=(fH+fL)/2 với fH là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại, và fL là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại. Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất. Tuy nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng điện tử viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ. Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kĩ thuật UWB có khác biệt so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằng truyền dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số. Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng tần rộng và công suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền. 1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công nghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao, kích cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới. Tuy nhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay dựa vào các sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung. Năm 1893 Heirich Hertz sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông. Các sóng đó hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu. Trong khoảng 20 năm sau những thí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữa các điện cực cacbon. Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền thông. Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết quả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn. Các thành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như rada lòng đất. Năm 1973 có bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB. Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển theo hướng mới. Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển. Phần lớn các ứng dụng và phát triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩ dưới các chương trình bí mật. Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương trình nghiên cứu và phát triển. Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB được gọi là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung. Bộ Quốc phòng Mĩ được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband. Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bị truyền thông UWB. Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrum được thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB. 1.1.2 Các ưu điểm của UWB Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là: 1. Tốc độ cao 2. Giá thành thiết bị thấp 3. Chống đa đường 4. Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo, nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB đó là tốc độ cao. Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà hiện tại chưa có. Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua tốc độ trên ở khoảng cách ngắn. Biểu thức Shannon được biểu diễn: (1.2) Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/s]; B là băng tần kênh [Hz]; S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W]. Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh. Có thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm. Có thể thấy rằng dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công suất tín hiệu S. Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể hy sinh (tăng) độ rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác. Qua biểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rất cao cho các hệ thống truyền thông không dây. Vấn đề này sẽ được xem xét tỉ mỉ hơn ở chương 4. 1.1.3 Những thách thức của UWB UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng như nhiều ứng dụng khác trong tương tai, nó cũng có một số thách thức phải vượt qua để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến. Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các người dùng khác nhau. Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sử dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắn rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ. Đặc biệt là trong trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ. Do đó giải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB. Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB. Hiện nay chưa có sự nhất trí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng như các thiết bị là rất rõ ràng. Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại. 1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu Sử dụng các kĩ thuật xử lí tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong tất cả các hệ thống truyền thông hiện nay. Tương lai của các hệ thống truyền thông phát triển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới hạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lượng kênh. Tăng hiệu năng hệ thống là cần thiết để thoả mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự cạnh tranh về công nghệ cũng như trên thị trường. Do đó, xử lí tín hiệu tốt là một trong những yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông. Trong trường hợp các hệ thống UWB điều này vẫn đúng. Xử lí tín hiệu cho hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp dẫn. Một trong những yếu tố thú vị của hệ thống UWB là không sử dụng sóng mang, và tín hiệu hoàn toàn là băng gốc. Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộ trộn sử dụng để hạ tần tín hiệu trước khi lấy mẫu. Nội dung của đồ án này là nghiên cứu về công nghệ truyền thông UWB qua đó phân tích hệ thống truyền thông UWB dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với mục đích sử dụng công nghệ này cho truyền thông cự li ngắn tốc độ cao. 1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống và tín hiệu UWB. Chi tiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo. Trước hết ta nghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB. 1.2.1 Mặt nạ phổ công suất Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB. Thực tế, tên của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệ UWB. Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số. Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng hiện tại. Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định nghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở mỗi dải tần số khác nhau. Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ thống UWB trong nhà. Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và 10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz. Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96 GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc phòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó. Công suất cho phép -41.3 dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn. 1.2.1 Mẫu xung Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle (đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu cầu về mặt nạ phổ. Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh và Hermittian ,v,v thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian. Lí do để sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ. Trong nội dung đồ án này tôi chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xung Gaussian (bao gồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó). Monocycle px(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t): (1.3) (1.4) Trong đó là phương sai của xung Gaussian. Mật độ phổ công suất (PSD) của xung Gaussian là: (1.5) Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle px(t) nhận được là : (1.6) Kết quả đưa ra trong công thức (1.6) chỉ ra đạo hàm xung cơ bản có thể là một cách điều chỉnh PSD của monocycle trong trường hợp này được giả thiết là xung Gaussian. Một vấn đề khác là phải xác định độ rộng xung, bởi vì xung Gaussian lí tưởng có độ dài không xác định. Rõ ràng đây là một điều không thực tế và cần phải giới hạn độ rộng xung thực tế. Một phương pháp hợp lí để xác định độ rộng xung là chọn độ rộng xung phù hợp với phần trăm năng lượng trong khoảng thời gian độ rộng xung chiếm. Trong nội dung đồ án này độ rộng xung được định nghĩa là: (1.7) Trong hình 1.2 các monocycle px(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung pw=0.9 ns được chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay đổi phổ của monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm. Nếu ứng dụng khác với một tiêu chuẩn khác thì giới hạn chiếm 99.9% công suất trong đồ án có thể phải thay đổi cho phù hợp với những tiêu chuẩn này. Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể được xác định. Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong sử lí tín hiệu số và mô phỏng. Đối với p2(t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng, có thể biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữa cực đại PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả. Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu. Lí do là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp. Có thể thấy từ các phương trình Maxwell các anten tương tác với tín hiệu UWB sẽ có khác biệt [7p.33-34]. Thành phần điện bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát và xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai của xung được đưa đến anten. Những ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện giải điều chế hiệu quả. Tạo xung Gaussian . Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2). Kiểu xung này thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễ dàng. Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet Hình 1.3 và 1.4 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trình tạo xung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu. Chúng ta bắt đầu với xung chữ nhật ở hình 1.4(a). Các xung UWB có độ rộng cỡ ns hay ps. Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo các xung không có dạng chữ nhật mà có dạng xấp xỉ dạng xung Gaussian. Đó là lí do của tên xung Gaussian, monocycle hay doublet. Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.3. Phát xung trực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặc tính của anten. Quá trình lọc này có thể mô hình như là quá trình đạo hàm [8]. Ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra ở anten thu. Ở đây tôi chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiết xung được khuyếch đại ở phía thu. 1.2.2 Chuỗi xung Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin. Thông tin hay dữ liệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như hình 1.5 minh hoạ. Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thường được gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các đỉnh phổ ở các tần số ứng với độ lặp đó. Những tần số này là bội số của nghịch đảo của tốc độ lặp xung. Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi vì nó trông giống một chiếc lược. Xem hình 1.6 (a). Hình 1.5: Chuỗi xung UWB Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể. Một phương pháp tạo dạng phổ giống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu nhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so với thời điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định). Dạng phổ thu được từ sử dụng dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình 1.6 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt. Chúng ta sẽ thấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã giả ngẫu nhiên đã biết (PN) 1.2.3 Đa đường Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh vô tuyến trong nhà. Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miền thời gian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, như giao thoa kí hiệu (ISI), có thể giảm nhẹ. Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khác nhau của một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầu thu. Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng. Nguyên nhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ bởi các vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát. Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) Nếu không có vật thể nào hấp thụ hay phản xạ năng lượng thì hiện tượng này có thể không xảy ra và năng lượng bức xạ bức xạ từ bộ phát chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của anten phát. Tuy nhiên, trong thực tế các vật nằm giữa bộ phát và thu tạo ra các hiệu ứng vật lí như phản xạ, hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ và chúng gây nên hiện tượng đa đường. Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ở các khoảng thời gian trễ khác nhau với tỉ lệ với độ dài đường đi. Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường. Kiểm tra các xung đã mô tả ở phần trước, chúng ta có thể thấy rằng nếu các xung đến trong khoảng một độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng một xung chúng sẽ không gây nhiễu. Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thể được lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua. Giả thiết rằng một kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùng một kí hiệu. Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lại trong một bộ thu Rake. Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồng lấn tương ứng. Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau Từ biểu thức: . Trong đó , là chênh lệch quãng đường, thời gian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng. Để hai thành phần đa đường không chồng lấn nhau thì . Do đó khoảng thời gian tách biệt cần thiết giữa các đường để tránh hiện tượng chồng lấn giảm khi độ rộng xung giảm đi. Đây là lí do độ rộng xung càng nhỏ càng tốt đặc biệt trong môi trường trong nhà. Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng (duty cycle) của xung. Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớn hơn độ trễ đa đường lớn nhất, những phản xạ không mong muốn có thể bị loại bỏ dễ dàng ở đầu thu. Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước. Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin. Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 1.2.4 Các đặc điểm khác Tốc độ phát dữ liệu Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ cao của nó. Hiện này tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằm đạt tốc độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s [9], tương đương Ethernet có dây tới USB 2.0. Tốc độ đó tương đương với 100 đến 500 lần tốc độ của Bluetooth, khoảng 50 lần tốc độ của 802.11b hay 10 lần tốc độ của WLAN. Như thấy ở bảng 1.1 tốc độ dữ liệu hướng tới cho truyền dẫn UWB trong nhà là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dây hiện nay. Thực tế tốc độ truyền dẫn hiện tại được chuẩn hoá vào ba tốc độ: 110 Mb/s với khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/s với khoảng cách nhỏ hơn 4m. Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng. Khoảng cách nhỏ hơn 4m phù hợp với các thiết bị như home server và ti vi. Khoảng cách nhỏ hơn 1m phụ vụ cho các thiết bị trong máy tính cá nhân. Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn Một trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít và giá thành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF. Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thành thấp. Bộ phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời, và một anten. Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây Chuẩn Tốc độ (Mb/s) UWB, USB 2.0 480 UWB (khoảng cách cỡ 4 m), 1394a (4.5 m) 200 UWB (khoảng cách cỡ 10 m) 110 Fast Ethernet 90 802.11a 54 802.11b 11 Ethernet 10 Bluetooth 1 Công suất tiêu thụ thấp Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp. Công suất tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW. Bảng 1.2 đưa ra số liệu của về công suất tiêu thụ của các chip truyền thông di động khác Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác Chip ứng dụng Công suất tiêu thụ (mW) 802.11a 1500-2000 LSI 1394 tốc độ 400 Mb/s 700 MPU 32 bit RISC di động 200 Bộ ADC camera số 150 UWB (mục tiêu) 100 Bảng hiển thị màu TFT trong thiết bị di động 75 LSI giải mã MPEG-4 50 LSI mã hoá trong thiết bị di động 19 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thống chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông. Phổ tần áp dụng cho các ứng dụng trên được liệt kê ra ở bảng 1.3. ¨ Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Đây là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của UWB. Được hiểu là các mạng vô tuyến trong nhà. WPAN kết nối trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động, các thiết bị truyền thông. Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gian thực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các hệ thống giải trí tại nhà. Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần. Một điểm khác nữa là tất cả các thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến. Nó kết nối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máy tính và tất cả các bộ cảm biến đồng thời các thiết bị này có thể biết được vị trí của các thiết bị khác do khả năng định vị của tín hiệu UWB. Điều này mở ra một loạt các khả năng áp dụng các dịch vụ mới. Chẳng hạn như điều khiển từ xa từ thiết bị di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mở cửa cho bạn v.v. Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn, với giá thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp. Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB ¨ Mạng cảm biến (sensor network): Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các trạm trải trên một vùng nào đó. Các trạm có thể cố định, ví dụ triển khai để theo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, lính cứu hoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩn cấp.Yêu cầu quan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khó khăn trên là giá thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng, và đa chức năng. Các hệ thống truyền thông UWB tốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượng lớn thông tin cảm biến trong thời gian ngắn. Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chế trong mạng cảm biến so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lại acqui cho các thiết bị cảm biến. Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWB cho mạng cảm biến đáp ứng những yêu cầu về năng lượng và giá thành. Hơn nữa, có thể khai thác khả năng định vị chính xác của UWB đặc biệt tại những nơi GPS chưa được sử dụng. ¨ Các hệ thống chụp ảnh: Khác với các hệ thống rada thông thường nhiệm vụ chủ yếu là xác định các nguồn phát xạ, các xung rada UWB định vị ở khoảng cách nhỏ hơn. Tín hiệu phản xạ từ vật thể cần định vị không chỉ thay đổi về biên độ, thời gian mà còn thay đổi cả về dạng xung. Kết quả là tín hiệu UWB có độ nhạy cao hơn nhiều so với các tín hiệu rada thông thường. Đặc tính này đã được áp dụng cho các hệ thống rada. Mặt khác do các thành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng với các ứng dụng khác như chụp ảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương; hay các thiết bị chẩn đoán y tế, giám sát đường biên giới. ¨ Các hệ thống rada giao thông: Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn. Dựa vào khả năng định vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiển giao thông và tránh tai nạn thông minh. Các hệ thống này có thể cải thiện hoạt động của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiển giao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông. Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trong phương tiện giao thông bằng cách download dữ liệu từ các bộ phát UWB hướng dẫn dọc theo hai bên đường. 1.4 Tổng kết Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, và phân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xung UWB. Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra. Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/ MHz, trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến khác. Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thể phân biệt với các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khả năng phân giải thời gian cao. Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tín hiệu UWB. Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị cao làm cho công nghệ UWB có phạm vi ứng dụng rất rộng như truyền thông, rada, chụp ảnh v.v cũng như tích hợp hiệu quả đồng thời nhiều ứng dụng trên nền tảng công nghệ này. Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong phòng có thể thực hiện truyền thông vô tuyến tốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau. Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thể giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệ thống UWB so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác. Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau Truyền thông trong nhà [GHz] Truyền thông cầm tay [GHz] Chụp ảnh tần thấp [GHz] Chụp ảnh tần cao [GHz] Chụp ảnh tần trung bình [GHz] Rada giao thông [GHz] [3.1,10.6] [3.1,10.6] <0.960 [3.1,10.6] [1.99,10.6] [22,29] CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB 2.1 Mở đầu Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của truyền thông dựa trên UWB là mô hình hoá kênh ngoài trời và trong nhà và các hiệu ứng truyền dẫn cần phải được nghiên cứu tỉ mỉ trước khi thực hiện mỗi cải tiến hay ứng dụng trên các hệ thống UWB. Bỏ qua những điều này không thể đánh giá chính xác được hiệu năng của hệ thống và ảnh hưởng nhiễu giữa hệ thống UWB và các hệ thống truyền thông vô tuyến khác. Truyền dẫn các tín hiệu UWB trong các môi trường trong nhà hay trong nhà-ngoài nhà là một trong những vấn đề quan trọng nhất, nói chung có tác động rõ ràng đến định hướng, mục tiêu tương lai và sự phát triển của công nghệ UWB. Nếu kênh được mô tả tốt, các ảnh hưởng nhiễu giữa các hệ thống UWB và các hệ thống vô tuyến khác có thể được giảm thiểu bằng các bộ thu phát thích hợp. Do đó, mô tả kênh truyền dẫn vô tuyến UWB là yêu cầu chủ yếu cho thiết kế các hệ thống truyền thông UWB. Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà Một khía cạnh quan trọng của bất kì hoạt động mô hình hoá kênh vô tuyến nào là nghiên cứu các hàm phân bố của các tham số kênh. Điển hình, các phân bố đó thu được từ các phép đo kiểm hoặc các mô phỏng dựa trên các đặc điểm chính xác hoặc đã đơn giản hoá của môi trường. Tuy nhiên các phương pháp thường chỉ hiểu rõ hoạt động thống kê của kênh và không thể đưa ra giải thích vật lí của các đặc điểm của kênh được quan sát. Do các đặc tính thống kê này thường tạo ra các hàm phức tạp, cả các đặc tính truyền dẫn và dạng địa hình đặc thù cũng được mô hình kênh mô phỏng lại, các mô hình chính xác tổng quát là rất hiếm. Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu. Trong mô hình môi trường kênh vô tuyến một số khía cạnh phải được đưa vào để tính toán sự thay đổi toàn bộ hoạt động của kênh truyền. Sự khác biệt giữa UWB và các kĩ thuật mô hình hoá truyền thống là do thực tế trong môi trường UWB, các hiệu ứng phụ thuộc tần số không thể bỏ qua. Các tham số liên quan đến đâm xuyên, phản xạ, suy hao đường truyền, và nhiều hiệu ứng khác có thể coi là tham số phụ thuộc tần số cần được nghiên cứu tỉ mỉ. Hình 2.2 minh hoạ dạng sóng phát và thu trong môi trường kênh vô tuyến đa đường. Một cách phổ biến mô hình hoá kênh vô tuyến là biểu diễn kênh như là một bộ lọc có các độ trễ cách đều nhau và có trọng số khác nhau như trong hình 2.3. Độ trễ giữa các nhánh (N) của bộ lọc là cố định với một mô hình và các hệ số bộ lọc là các giá trị ngẫu nhiên lấy ra từ một phân bố thích hợp của mô hình kênh. Đáp ứng xung trở thành: (2.1) Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên Trong đó k chỉ mô hình kênh phụ thuộc vào người dùng thứ k đang hoạt động. Hệ số của bộ lọc có thể được giả thiết là ít biến đổi khi di chuyển các vật trong môi trường vật lí. Các hệ số của bộ lọc do đó được giả thiết là không đổi trong thời gian quan trắc và được biểu diễn là . Sự tham gia của mỗi người dùng vào tín hiệu thu r(t) có thể tính được như sau: (2.2) Và tín hiệu thu được do đó là (2.3) với z(t) là tạp âm Gaussian với phương sai . Ở đầu thu r(t) được lấy mẫu với khoảng lấy mẫu thích hợp Ts để có vecto cột r(n) giữ các giá trị thu được (2.4) với độ dài P được xác định bởi . Mặc dù trong biểu thức (2.3) bao gồm tất cả các bit đã phát, chỉ có một lượng xác định bít, N1 trước và N2 sau bit thông tin sẽ đóng góp năng lượng vào r(n). Một bit đơn không điều chế đóng góp vào tín hiệu thu: (2.5) với độ dài vecto cột P của các mẫu v(k)(m), tương tự như (2.4) ta có (2.6) Bây giờ có thể biểu diễn r(n) (2.7) với z(n) chứa các mẫu tạp âm. Số lượng bit tối đa trước và sau đóng góp năng lượng vào r(n) là (2.8) Do đặc điểm chống đa đường như đã trình bày ở chương 1 nên có thể giả thiết mô hình kênh có các thành phần đa đường rời rạc nghĩa là các xung không chồng lấn. Điều này dẫn đến bộ thu bao gồm một tập hợp các phiên bản trễ của monocycle phát mỗi phiên bản nhân với biên độ tương ứng của nó . Phân bố biên độ của một mô hình kênh vô tuyến được mô tả tốt nhất bởi đặc tính cường độ trễ (PDP: Power Delay Profile) thể hiện liên hệ giữa công suất thu được của thành phần đa đường thu được với độ trễ của các thành phần đa đường. PDP được chia thành các các bin với độ rộng nhất định và công suất thu được tập hợp trong khoảng thời gian này. Công suất thu trung bình suy giảm dạng hàm mũ theo biến là số thứ tự bin và công suất thu được thực sự là phân bố Gamma với kì vọng là giá trị công suất thu trung bình. Lí do là phân bố Gamma phù hợp với các kết quả đo kiểm thực tế có thể hiểu là do đặc tính chu kì xung rất nhỏ làm số thành phần đa đường được kết hợp nhỏ. Nếu số lượng thành phần đa đường lớn nên sử dụng phân bố Rayleigh hay phân bố Rican. Hình 2.4 là một ví dụ của mô hình PDP được mô tả với các cột chỉ giá trị trung bình của công suất thu được suy giảm theo hàm mũ và đường liền nét chỉ công suất thu được thực tế là phân bố Gamma với công suất thu được trung bình làm kì vọng. Để sử dụng PDP để tìm các hệ số bộ lọc, các thuộc tính về dấu của các hệ số phải biết. Rõ ràng là sự phản xạ làm đảo cực của xung và nó phải được tính vào mô hình. Trong các hệ thống vô tuyến băng hẹp thông thường hiện tượng này thường được tính bằng cách để pha của tín hiệu băng gốc phức phân bố đều trong khoảng [], nhưng với tín hiệu UWB để dấu của các thành phần đa đường đến là +1 hoặc -1 với xác suất bằng nhau sẽ hợp lí hơn. Một điều không được tính vào mô hình PDP là thực tế các bin có thể tương quan với nhau theo một cách nào đó. Điều này xảy ra khi các sóng nhiễu xạ quanh một vật cản nào đó và tạo ra các sóng tương quan với nhau với độ trễ thay đổi rất ít với nhau. Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB 2.2 Mô hình kênh Mô hình kênh được lựa chọn trong đồ án này được mô tả bởi [12]. Mô hình này dựa trên những đo kiểm trong các toà nhà. Nó có thể không chính xác lắm nhưng có thể dùng để mô tả bản chất vật lí của kênh UWB. Để hiểu rõ mô hình đề nghị đọc thêm [12], ở đây tôi chỉ đưa ra kết quả. Mô hình được chia thành hai phần: Mô hình phạm vi lớn Mô hình phạm vi nhỏ Mô hình đầu tính cho sự thay đổi của kênh khi di chuyển máy thu một khoảng cách đáng kể so với khoảng cách giữa máy thu và phát, ví dụ di chuyển từ phòng này sang phòng khác. Mô hình thứ hai ngược lại xác định thay đổi của kênh khi di chuyển máy thu một khoảng cách nhỏ mà không làm thay đổi môi trường kênh tổng thể. 2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn Mô hình phạm vi lớn được mô tả bởi PDP sử dụng các bin có công suất thu suy giảm theo hàm mũ. Độ rộng của bin sử dụng là ns và mô hình bao gồm Nbin=100 bin. Độ trễ với bin thứ k do đó là với dẫn đến thời gian đáp ứng xung lên tới 198 ns. Độ lợi trung bình của bin thứ k là được định nghĩa là tỉ số giữa năng lượng thu được trung bình trong bin thứ k và tổng số năng lượng thu được ở khoảng cách 1m. Độ lợi năng lượng trung bình tổng số thu được là do đó được định nghĩa là [12]: (2.9) Với vế phải của đẳng thức (2.9) dựa trên giả thiết độ lợi công suất trung bình của bin thứ k là có phân bố hàm mũ với hằng số suy giảm . Đặt vào biểu thức (2.9) được: (2.10) Với (2.11) Các giá trị của bấy giờ hoàn toàn được xác định bởi , r, và : (2.12) Mô hình kênh được đặc tả bởi năng lượng tổng trung bình có phân bố loga quanh suy hao đường PL ở khoảng cách đã cho. Năng lượng tổng trung bình phân bố theo [12] (2.13) Trong đó chỉ biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn tính theo dB với kì vọng và phương sai cả hai tính theo dB. Suy hao đường có thể tìm thấy từ mô hình hai hệ số góc [12] (2.14) Trong đó khoảng cách d tính theo mét và PL tính theo dB. Tỉ số công suất và hằng số suy giảm [12] (2.15) (2.16) Trong đótính theo dB là : (2.17) 2.2.2 Mô hình kênh phạm vi nhỏ Như đã đề cập ở phần trước năng lượng thu được thực tế trong bin thứ k là Gk phân bố Gamma với giá trị giá trị trung bình làvà hệ số dạng mk: (2.18) Trong mô hình các kênh được đo đạc để tìm phân bố phù hợp của mk và phân bố Gaussian cắt được lựa chọn [6], do đó phân bố của mk là: (2.19) Với Km là hằng số chuẩn hoá. Do giá trị của và dựa vào độ trễ (2.20) (2.21) Trong đó được tính theo ns. 2.2.3 Sử dụng mô hình Mô hình đã hoàn thiện và các hệ số bộ lọc ngẫu nhiên của người thứ dùng thứ k có thể được rút ra từ Gk, và các hệ số tìm được là (2.22) Trong đó b là giá trị ngẫu nhiên Bernoulli với xác xuất +1 và -1 là như nhau để tính toán sự đảo xung do phản xạ. Chú ý rằng các hệ số của bộ lọc tính toán từ (2.22) mô hình kênh sẽ cho công suất tín hiệu ra liên quan đến khoảng cách 1m từ bộ phát. Ví dụ đáp ứng xung tại khoảng cách 10 m được đưa ra ở hình 2.5. Khi sử dụng mô hình kênh để mô phỏng mỗi người nhân tín hiệu của nó với đáp ứng xung. Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 2.3 Tổng kết Trong chương này khái niệm mô hình kênh vô tuyến đa đường được giới thiệu và đưa ra hai mô hình để sử dụng cho mô phỏng. Tuỳ từng trường hợp mà áp dụng mô hình phạm vi nhỏ hay lớn. Từ đó tính ra được các hệ số của kênh là cơ sở để thiết kế bộ thu với các tham số thích hợp. CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG UWB Truyền thông nói chung được định nghĩa là sự truyền dẫn thông tin từ nguồn tới đích. Trong nội dung đồ án này có thể định nghĩa theo nghĩa hẹp hơn, giới hạn các luồng thông tin dữ liệu số được truyền dẫn bởi các chuỗi xung có độ rộng cực ngắn. Chương này sẽ xem xét các vấn đề của truyền thông UWB. Bao gồm các phương pháp điều chế như điều chế vị trí xung, điều chế pha hai trạng thái, điều chế xung trực giao, và sự kết hợp của chúng. Cấu trúc và hoạt động của bộ thu và bộ phát. Và đề cập tới các kĩ thuật đa truy nhập cho truyền thông UWB. 3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB Như chương 1 đã trình bày, một xung UWB đơn bản thân nó không chứa thông tin. Chúng ta cần đưa thông tin số vào các xung, bằng các phương pháp điều chế. Trong các hệ thống UWB có một vài phương pháp điều chế cơ bản. Tôi phân loại phương pháp điều chế thành hai loại cơ bản. Chúng được chỉ ra trong hình 3.1 là các kĩ thuật dựa trên thời gian và dựa trên dạng xung. Phương pháp điều chế phổ biến nhất trong lí thuyết về UWB là điều chế vị trí xung (PPM) trong đó mỗi xung có độ trễ được điều chỉnh lệch so với vị trị truyền dẫn danh định một khoảng thời gian chính xác. Do đó, có thể thiết lập hệ thống truyền thông nhị phân bằng cách dịch các xung chính xác lên phía trước hoặc về phía sau. Mặt khác, bằng việc xác định các độ trễ xác định cho mỗi xung, có thể tạo hệ thống điều chế M trạng thái. Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB Một phương pháp điều chế phổ biến khác là đảo xung: đó là, tạo một xung với pha ngược lại. Đây là phương pháp Điều chế pha hai trạng thái (BPSK). Một kĩ thuật điều chế thú vị là điều chế xung trực giao, nó yêu cầu các dạng xung đặc biệt được tạo ra trực giao với nhau. Đã có các phương pháp nổi tiếng khác. Ví dụ, khoá bật tắt (OOK) là kĩ thuật trong đó sự có mặt hay vắng mặt biểu thị thông tin số là “1” hay “0” tương ứng. Điều chế biên độ xung (PAM) là một kĩ thuật trong đó biên độ của xung khác nhau mang thông tin. Một vài kĩ thuật điều chế truyền thống không thích hợp với truyền thông UWB. Ví dụ, phương pháp điều tần (FM) khó áp dụng cho UWB bởi vì mỗi xung mang rất nhiều thành phần tần số làm nó rất khó điều chế. Chú ý rằng không nên nhầm với ghép kênh phân chia theo thời gian (FDM-frequency division multiplexing) là kĩ thuật hoàn toàn khác để phân biệt các kênh truyền thông dựa vào các khoảng tần số lớn. Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB Chúng ta hãy kiểm tra các kĩ thuật điều chế lần lượt có thể: Thứ nhất, chúng ta kiểm tra hai kĩ thuật phổ biến nhất: PPM và BPSK. Một so sánh đơn giản của hai phương pháp được chỉ ra trên hình 3.2. Trong hình 3.2(a) đưa ra một chuỗi xung không điều chế để so sánh. Một ví dụ cho PPM, xung biểu diễn thông tin “1” được phát ở các khoảng thời gian được xác định bằng chu kì lặp xung. Xung biểu diễn thông tin “0” được phát trễ so với vị trí thông thường này một khoảng nhỏ như trong hình 3.2(b). Với BPSK xung đảo biểu diễn bit “0” trong khi xung không đảo biểu diễn bit “1”. Điều này được minh hoạ trong hình 3.2(c) Trước đây UWB là hệ thống băng gốc không sử dụng sóng mang. Tuy nhiên việc sử dụng sóng mang để dịch các monocycle, với băng tần khoảng 500 MHz , đến tần số trung tâm cao đã được đề nghị áp dụng với các hệ thống UWB gần đây, đó là cơ sở của phương pháp OFDM đối với UWB. Phương pháp OFDM thực hiện đối với hệ thống UWB rất hiệu quả do phổ tần của hệ thống UWB rất lớn. Nó chia băng tần rất lớn của UWB ra thành các băng có độ rộng cỡ 500 MHz, và thực hiện truyền dẫn dữ liệu song song trên các băng tần này. Tuy nhiên, phương pháp này không được đề cập nhiều trong nội dung đồ án này. 3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) Xét trường hợp điều chế nhị phân, trong khi bit ‘0’ được biểu diễn bởi một xung ở thời điểm quy định, bit ‘1’ được trễ một khoảng thời gian tương đối so với thời điểm quy định (bit ‘0’). Về mặt toán học có thể biểu diễn tín hiệu là : (3.1) Trong đó wtr(t) là dạng xung và: (3.2) Giá trị củacó thể chọn thuỳ thuộc vào đặc điểm tự tương quan của xung. Hàm tự tương quan của xung có thể định nghĩa (3.3) Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ Chẳng hạn khi chúng ta muốn cải thiện PPM chuẩn với các tín hiệu trực giao, giá trị tối ưu của giá trị(chúng ta gọi là ) là giá trị thoả mãn (3.4) Hình 3.3 chỉ ra trường hợp đặc biệt trong đó bit dữ liệu ‘1’ được phát ở thời điểm trễ so với thời điểm danh định một lượng, trong đó quy định bit ‘0’ được phát ở thời điểm danh định. Hệ số điều chế tối ưu thay đổi khi sử dụng các dạng xung khác nhau. Hiệu năng lí thuyết trong kênh AWGN có thể đạt được với các xung không chồng lấn, trực giao với hệ số điều chế . Tuy nhiên hiệu năng BER và tốc độ dữ liệu cao đạt được nếu hệ số điều chế với tại những giá trị của độ trễ làm cho hàm tự tương quan cực tiểu. Hệ số điều chế tối ưu không phụ thuộc vào độ rộng xung bởi vì định nghĩa của tỉ lệ tương đối của độ rộng xung. Khi bậc đạo hàm tăng lên, giá trị BER cực tiểu đạt được với giá trị nhỏ hơn, và do đó đạt được hiệu năng BER tốt hơn. Hình 3.4 đưa ra hàm tự tương quan chuẩn hoá của một số loại xung khác nhau, và xem xét cả với các độ rộng xung khác nhau. Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu với BPPM trong kênh AWGN Dạng sóng tối ưu Đạo hàm bậc hai 0.292683Tp Đạo hàm bậc ba 0.243902Tp Đạo hàm bậc bốn 0.219512Tp Đạo hàm bậc năm 0.195122Tp Hai đặc điểm đặc biệt của PPM: • Các hệ số tự tương quan của các dạng sóng Gaussian có cả các giá trị dương và âm. Điều này giải thích tại sao nó có thể đạt được hiệu năng BER tốt hơn với giá trịnhỏ hơn Tp so với trường hợp điều chế các xung trực giao về thời gian có lớn hơn Tp ( ngụ ý các tín hiệu trực giao thời gian do giá trị của hàm tự tương quan coi như bằng 0, hình 3.4). • Các hệ số tự tương quan cực tiểu tại một số giá trị , tương ứng với các trường hợp hiệu năng BER cực đại. Dạng của hàm tự tương quan cung cấp phương pháp lựa chọn giá trị tối ưu của trong trường hợp kênh AWGN. Giá trị của có thể cố định một giá trị ưu tiên với một dạng xung UWB được chọn. Giá trị tốt nhất để sử dụngcó thể xác định khi tính toán hệ số tự tương quan của xung đã chọn. Giá trị tối ưu của cho mỗi dạng sóng được chỉ ra trên Bảng 3.1. Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian. 3.1.2 Điều chế pha hai trạng thái (BPSK) Điều chế pha hai trạng thái có thể định nghĩa như là một phương pháp điều chế dạng xung. Do pha trong hệ thống truyền thông sóng sin kết hợp với độ trễ của sóng sin, sử dụng thường xuyên thuật ngữ pha trong UWB có thể gây lầm lẫn. Tuy nhiên, sử dụng thuật ngữ BPSK đã trở nên phổ biến trong lí thuyết UWB, do đó nó vẫn được tiếp tục sử dụng ở đây. Điều chế pha hai trạng thái dễ hiểu bởi nó được điều chế bằng cách đảo dạng xung của một xung nào đó; do đó có công thức sau: (3.5) Để tạo hệ thống nhị phân dựa vào phương pháp đảo xung cơ bản p(t). Tham số thường được biết là trọng số xung, nhưng ở đây nó được gọi là tham số dạng. Với một hệ thống nhị phân hai dạng xung s1, s2 được định nghĩa đơn giản là s1=p(t) và s2=-p(t). Bởi vì PPM luôn luôn phải trễ các xung, trong giới hạn khi các xung được phát liên tục PPM sẽ luôn “lãng phí” thời gian khi xung không được phát. Nếu PPM trễ một xung thì BPSK có thể phát lượng xung gấp đôi, và do đó gấp đôi lượng thông tin, qua đó với một hệ thống với mọi yếu tố khác tương đương hệ thống điều chế BPSK có tốc độ gấp đôi. Một lợi ích khác của BPSK là giá trị trung bình của bằng không. Điều này có lợi lớn trong việc loại bỏ các đường răng lược hay đỉnh phổ trong phổ mà chúng ta đã giới thiệu trong chương 1, mà không cần “ngẫu nhiên hóa”. Điều chế pha hai trạng thái trong hệ thống UWB có một số ưu điểm sau: ● Thứ nhất, nó cho thấy tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình nhỏ hơn 8 dB. Do đó, điều pha hai trạng thái không cần bất cứ điod tunnel hay mạch khuyếch đại công suất nào. Thay vào đó nó có thể hoạt động trực tiếp từ IC CMOS tốc độ cao công suất thấp. ● Cuối cùng, lí do của đồng bộ, điều chế pha hai trạng thái giảm các yêu cầu về rung pha. Trong PPM, quá trình đồng bộ phải bao gồm các phần tử điều khiển nhanh và chính xác để phù hợp với các thời điểm xung đến tuỳ ý. Nhưng hệ thống điều pha hai trạng thái cần chỉ một đồng hồ ổn định, nhiễu pha thấp bởi vì các xung xuất hiện ở các thời điểm cách nhau cố định. Kết quả là công suất thấp hơn và mạch đơn giản hơn. Mặc dù PPM và BPSK đã đề cập ở trên tạo thành các phương pháp chủ yếu để thực hiện điều chế trong các hệ thống truyền thông UWB, các phương pháp khác cũng đã được đề nghị như PAM, OOK và PSM. Trong hình 3.5(a) một chuỗi xung chưa điều chế để so sánh. Trong hình 3.5(b) là một ví dụ của điều chế biên độ xung trong đó xung với biên độ lớn biểu diễn “1” và biên độ nhỏ hơn biểu diễn “0”. Hình 3.5(c) chỉ ra một ví dụ của điều chế xung trực giao trong đó bit “1” được biểu diễn bởi xung Hermitian cải tiến bậc 3 và bit “0” được biểu diễn bởi xung Hermitian bậc 2. 3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) Trong truyền thông sóng dạng sin băng hẹp, các hàm sin và cos trực giao tạo nền tảng cho truyền sóng. Trong UWB chúng ta tạo các dạng xung có đặc tính trực giao với nhau. Điều chế dạng xung (PSM) sử dụng các dạng sóng khác nhau trực giao để biểu diễn bit ‘0’ và ‘1’. Giả sử sử dụng hai dạng sóng trực giao để điều chế tín hiệu. Xung phát đi có thể biểu diễn là: (3.6) Trong đó và và biểu diễn hai dạng sóng khác nhau. Hai dạng sóng và được gọi là trực giao nếu chúng thoả mãn: (3.7) 3.1.4 Điều chế biên độ xung Điều chế biên độ xung (PAM) cho UWB có thể biểu diễn trong biểu thức (3.8) Trong đó tham số dạng xungcó giá trị dương. Ví dụ chúng ta đặt và có tập hợp xung nhị phân s1=p(t), s2=2p(t). Nói chung, điều chế biên độ xung là phương pháp không được ưa dùng trong truyền thông khoảng cách cực ngắn. Nói chung, những lí do chủ yếu bao gồm thực tế là tín hiệu điều chế biên độ có biên độ nhỏ hơn thường bị ảnh hưởng bởi tạp âm nhiều hơn so với tín hiệu có biên độ lớn. Hơn nữa, công suất cần thiết để phát xung càng lớn với xung có biên độ càng lớn, trong khi công suất phát rất giới hạn trong hệ thống UWB .Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB 3.1.5 Khoá bật- tắt Khoá bật tắt (OOK) với UWB có thể coi thuộc loại điều chế dạng xung trong đó tham số dạng xung là 0 hoặc 1, được chỉ ra trên biểu thức (3.9) (3.9) Ví dụ, xung “bật” được tạo ra khi và xung “tắt” được tạo ra khi ; qua đó, s1=p(t) và s2=0. Khó khăn chủ yếu của OOK là sự xuất hiện của hiện tượng đa đường, các thành phần đa đường đến bộ thu gây khó khăn cho việc xác định sự vắng mặt của một xung tương ứng với bit ‘0’. Khóa bật tắt thường là phương pháp điều chế nhị phân, tương tự như BPSK, nhưng không thể mở rộng thành điều chế M trạng thái như PPM, PAM, và PSM. 3.1.6 Mẫu tín hiệu Trải phổ Như đã nói ở chương 1 phổ của chuỗi xung liên tục tạo thành các vạch phổ tương ứng là bội của tần số lặp xung. Điều này hạn chế công suất phát của tín hiệu UWB vì các đỉnh phổ có thể vi phạm mặt nạ phổ công suất. Có hai kĩ thuật sử dụng để ngẫu nhiên hoá xung tín hiệu là trải phổ nhảy thời gian (TH) và trải phổ chuỗi trực tiếp (DS). Một kí hiệu được phát được trải trên N monocycle để đạt được độ lợi xử lí có thể lấn át được tạp âm và nhiễu. Điều này tương tự như phương pháp được sử dụng trong các hệ thống trải phổ. Độ lợi xử lí theo dB thu được là (3.10) Không giống như các hệ thống trải phổ, xung (chip) không cần thiết phải chiếm toàn bộ thời gian chip. Điều này có nghĩa là tỉ lệ thời gian chiếm (duty cycle) có thể rất nhỏ. Bộ thu chỉ cần “nghe” kênh trong khoảng tỉ lệ nhỏ về thời gian giữa các xung. Ảnh hưởng của các nguồn nhiễu liên tục do đó giảm đi và chỉ bị ảnh hưởng rõ ràng trong khoảng thời gian bộ thu cố gắng thu xung. Điều này làm tăng độ lợi của hệ thống do làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Độ lợi xử lí do tỉ lệ thời gian chiếm thấp là: (3.11) Trong đó Tf là chu kì xung và Tp là độ rộng xung Tổng độ lợi xử lí thu được là: (3.12) 3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian Khái niệm của TH-UWB được biểu diễn trên hình 3.6. Các monocycle TH-PPM trải năng lượng tín hiệu trên dải tần vô tuyến, giảm các xung nhọn trên phổ của chuỗi xung. Khi xử dụng mã PR để xác định thời điểm truyền dẫn trong một khung thời gian lớn, phổ của các xung phát sẽ rất giống nhiễu trắng. Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian Trong các hệ thống TH các người dùng phân biệt nhau bằng các mã PR khác nhau có chiều dài N. Trong một khung có N vị trí truyền dẫn có thể, nên trong trường hợp lí tưởng có tối đa M=N người dùng có thể hoạt động đồng thời mà không gây nhiễu. Trong chế độ TH, tín hiệu điều chế cho người dùng thứ m là: Với điều chế PAM: (3.13) Với điều chế PPM: (3.14) Với PSM là: (3.15) Trong đó w(t) là dạng xung, dk là bit dữ liệu thứ k. Khung thời gian Tf là chu kì phát giữa các xung. Mã nhảy thời gian (cp)j là chip thứ j của mã PR nó là các số nguyên được sử dụng để nhảy giả ngẫu nhiên cho người dùng thứ k tại xung thứ j, và Tc là thời gian trễ tối thiểu có thể tạo được từ việc nhảy thời gian giả ngẫu nhiên đó. TH cực tiểu khả năng xung đột giữa các người dùng sử dụng các mã nhảy thời gian khác nhau và do đó nó cung cấp khả năng đa truy nhập giữa các người dùng khác nhau. Trong TH-UWB làm tỉ lệ thời gian chiếm thấp. Mỗi xung trong một chuỗi xung có thời điểm truyền dẫn danh định, nó được xác định bởi tần số lặp xung (RPF). Đối với các phương pháp điều chế không phải là PPM vị trí danh định xác định bởi các thời điểm lặp xung trong chuỗi tín hiệu . Đối với điều chế vị trí xung (PPM) vị trí danh định này thay đổi so với vị trí trên một khoảng nữa để mang thông tin cần điều chế (điều chế vị trí mang thông tin chẳng hạn với xung truyền sớm biểu diễn bit ‘0’ còn xung truyền đúng hoặc trễ so với vị trí danh định biểu diễn bit ‘1’). Khoảng thời gian truyền dẫn thực tế khi trải phổ TH được thay đổi so với vị trí truyền dẫn danh định cho mỗi người dùng bằng một mã PR duy nhất. Trước khi trải phổ và điều chế tín hiệu lặp với tần số Tf, PSD của tín hiệu xuất hiện những đỉnh phổ là bội của tần số 1/Tf. Khi mã TH có độ dài N được đưa vào trải phổ thì các đỉnh phổ cách nhau một khoảng 1/(NTf). Điều này làm công suất tín hiệu phát trải đều hơn, dễ thoả mãn mặt nạ phổ của FCC hơn. Khoảng lặp xung (xác định độ dài của mỗi khung nhảy thời gian) được xác định bởi số lượng người dùng nhân với độ rộng của một khe thời gian trong một khung nhảy thời gian: (3.16) Trong đó Tsl là độ rộng của mỗi khe thời gian và NU là số người dùng. Số lượng người dùng không chồng lấn tối đa được xác định bởi độ dài của mã PR (3.17) Trong đó n là số lượng bit trong chuỗi PR. Độ dài của mỗi khe thời gian nên lớn hơn hai lần độ rộng xung, bởi vì như thế sẽ đủ thời gian trong một khe thời gian truyền bit ‘1’ hoặc ‘0’. Đó là ở đây giả thiết hệ số điều chế . Giả thiết này nhằm giảm thiểu khả năng chồng lấn giữa các xung. Nói chung, độ rộng của một khe thời gian được xác định như sau: (3.18) Trong đó là độ trễ (hệ số điều chế) sử dụng trong PPM. Ví dụ, nếu số lượng người dùng là 31 và độ rộng xung là 800 ps, độ rộng của khe thời gian trong đó xung được phát đi tối thiểu là 1.6 ns. Điều này dẫn đến tần số lặp xung là nhỏ hơn 21 MHz. Bằng cách lựa chọn số lượng xung trên một kí hiệu là 200, độ lợi xử lí đạt được là hơn 41 dB. Mặt khác nếu coi Tf là cố định thì độ dài của mã bị giới hạn bởi . (3.19) Không thể có dấu đẳng thức ở vế trái của đẳng thức vì luôn phải có một khoảng trễ nhất định trước các thời điểm lặp xung (xác định bởi Tf) để bộ tương quan hoàn tất việc tập hợp năng lượng từ một xung trước khi thực hiện tập hợp năng lượng từ xung tiếp theo. Trong TH (3.20) Trong đó Tmono là độ rộng xung. Độ chiếm chu trình (tỉ lệ thời gian chiếm )được xác định trực tiếp từ phần trăm thời gian bộ phát hoạt động và còn chỉ ra tỉ số tín hiệu trên tạp âm sau trải phổ SNR’: (3.21) Trong đó SNR là tỉ số tín hiệu trên tạp âm trên kênh vật lí được đặt theo thuật ngữ kênh là SNR. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm sau giải trải phổ được đặt tên theo thuật ngữ tách sóng là SNR’. Và đây là tỉ số tín hiệu trên tạp âm thực tế trên thiết bị quyết định tại thời điểm quyết định. 3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp Khi sử dụng kĩ thuật DS một mã PR được sử dụng để tải bít dữ liệu lên nhiều chip, rất giống với các hệ thống trải phổ thông thường. Trong trường hợp các hệ thống UWB, xung đóng vai trò là các chip trong DS. Nó được áp dụng chủ yếu cho PAM, PSM, OOK. PPM sử dụng TH sẽ thuận tiện hơn nhiều do đặc điểm nhảy thời gian trong điều chế tín hiệu. Hình 3.7 chỉ ra cấu trúc bit cho tín hiệu DS. Dạng sóng hình chữ nhật chỉ các chip. Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp Tín hiệu s(t) PAM hay OOK cho người dùng thứ m có thể biểu diễn là: (3.22) Với PSM là (3.23) Trong đó dk là bit dữ liệu thứ k, (cp)j là chip thứ j của mã PR, w(t) là dạng xung, N biểu diễn số lượng xung sử dụng trên mỗi bit dữ liệu, Tc là độ rộng chip, mã PR có các giá trị lưỡng cực giả định là {-1,+1}, độ rộng bit là Td=NTc=NTp. Khi sử dụng hệ thống DS, các xung truyền dẫn liên tục và do đó Nf xung được phát mỗi Tf và mỗi xung được coi là một chip. Điều này có nghĩa là hệ số trải phổ thu được là: (3.24) Và giống như trường hợp TH tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở mạch quyết định là : (3.25) 3.1.7 Tổng kết về các phương pháp điều chế Ở trên tôi đã đề cập đến các loại điều chế hai trạng thái có thể được sử dụng trong truyền thông UWB, phương pháp điều chế nhiều trạng thái cũng có thể áp dụng cho truyền thông UWB từ các phương pháp điều chế trên (ngoại trừ trường hợp OOK). Khi sử dụng M-PAM để điều chế tín hiệu, các xung phát với M biên độ khác nhau mang log2(M) bit thông tin, trong khi M-PPM dịch xung tới một trong M vị trí khác nhau trong một chu kì xung và mang cùng một lượng thông tin như trên. Trong M-PPM đặt xung ở M vị trí khác nhau có thể gây ra chồng lấn. Điều này có thể dẫn đến giảm dung lượng kênh khi độ nhạy đối với tạp âm tăng lên do khi các kí hiệu đặt quá gần nhau sẽ làm giảm chênh lệch giữa các ngưỡng quyết định ở đầu thu. Trong nội dung đề tài này tôi chỉ xem xét M-PPM và 2-PPM với mức chồng lấn tối ưu thu được bằng cách cực tiểu hàm tự tương quan. Một điều thú vị khác nữa là có thể sử dụng kết hợp cả M-PAM và M-PPM. Có thể thực hiện điều này là do bản chất xung của tín hiệu UWB làm cho hai phương pháp điều chế trực giao với nhau. Loại điều chế đặc biệt này gọi là Điều chế biên độ và vị trí M- trạng thái (M-PPAM). Trong các hệ thống truyền thông băng hẹp thông thường lựa chọn tham số M trong điều chế M trạng thái là tương đối phức tạp phụ thuộc vào các tham số của kênh như SNR. Điều này dẫn đến các phương pháp điều chế thích ứng trong đó có thể điều chỉnh M để tối đa hiệu năng của hệ thống. Một ví dụ là một hệ thống modem dial up hiện nay trong quá trình thiết lập kết nối thực hiện xác định giá trị lớn nhất của M có thể sử dụng truyền thông tin cậy. Hiệu năng của các phương pháp điều chế trong kênh AWGN Theo phụ lục C [11] bộ thu tương quan là tối ưu trong kênh AWGN không nhớ và để đạt được bộ thu tối ưu phải có M bộ tương quan với các hàm trực chuẩn cơ sở của các dạng sóng sm(t), trong đó M là chiều của tín hiệu và m=1…M. Quyết định cứng có thể được thực hiện để xác định giá trị của m tối thiểu khoảng cách Euclidian giữa các dạng sóng thu được và sm(t). Trong trường hợp BPSK và BPPM chỉ cần bộ một bộ tương quan và ước lượng bit thông tin từ biểu thức: (3.26) Trong đó scorr(t) là dạng xung mẫu (template waveform). Nếu điều chế BPSK thì scorr(t)=prx(t), trong đó prx(t) là monocycle thu được và BER có thể tính được (xem phụ lục C.2 [11]). Tính toán đến cả tỉ số tín hiệu trên tạp âm tăng lên một lượng băng hệ số trải phổ thì BER trở thành: (3.27) Với điều chế BPPM và BER thu được (xem phụ lục C.3 [11]) (3.28) Trong đó (3.29) Là hàm tự tương quan chuẩn hoá của monocycle với độ trễ . Có thể so sánh từ (3.27) và (3.28) là BPSK lợi 3 dB so với BPPM khi . Điều này không có gì lạ vì thời gian tích phân hiệu dụng trong trường hợp BPPM lớn gấp hai lần so với trong BPSKvà do đó công suất nhiễu thu được lớn gấp hai lần trong khi có cùng công suất tín hiệu thu. Nếu sử dụng BPPM có chồng lấn thì lợi thế của BPSK sẽ giảm đi cũng không thể đạt được BER như trong BPSK. Khi sử dụng QPPAM cần hai bộ tương quan. Một có xung mẫu là prx(t) và một có xung mẫu là . Các tính toán về BER được thực hiện ở phụ lục C.4 [11], chỉ ra rằng không thể biểu diễn BER trong trường hợp này một cách chính xác. Thay vào đó có xấp xỉ: (3.30) Với giả thiết là và . Mô phỏng các phương pháp điều chế khác nhau được thực hiện ở hình 3.9 để kiểm tra các kết quả phân tích ở trên. Cả hệ thống TH và DS đều sử dụng xung Gaussian bậc 7. Lí do để sử dụng trong trường hợp BPPM chồng lấn là tương ứng với giá trị độ chồng lấn này làm cực tiểu hàm tự tương quan chuẩn hoá . Giá trị này của do đó tương ứng với hiệu năng tối nhất có thể đạt được khi sử dụng hệ thống BPPM chồng lấn. Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN Kết luận thu được là để tối đa hiệu năng của hệ thống UWB, nên sử dụng BPSK. Phần tiếp theo của đồ án này sẽ trọng tâm vào điều chế BPSK. Các phương pháp điều chế cho truyền thông UWB trên bảng 3.2 tổng kết các ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế. Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau Phương pháp điều chế Ưu điểm Nhược điểm PPM Đơn giản Cần xử lí thời gian chính xác BPSK Đơn giản, hiệu quả Chỉ điều chế nhị phân PSM Đa truy nhập trực giao Phức tạp PAM Đơn giản Ảnh hưởng bởi tạp âm OOK Đơn giản Chỉ điều chế nhị phân, ảnh hưởng nhiều bởi tạp âm 3.2 Bộ phát Sơ đồ khối bộ phát UWB tổng quát được chỉ ra trên hình 3.10. Thứ nhất, dữ liệu được tạo bởi các ứng dụng tách biệt ở tầng vật lí của bộ phát. Các ứng dụng có thể là thuê bao e-mail hoặc duyệt web trong một máy tính cá nhân, ứng dụng lịch trong thiết bị PDA, hoặc dữ liệu số từ máy chơi DVD. Từ đặc điểm của tầng vật lí dữ liệu có thể là bất cứ thứ gì. Phần này của thiết bị vô tuyến thường gọi là “back end”. Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung Dòng thông tin nhị phân được vượt qua phần “front end”, đó là một phần của bộ phát chúng ta đề cập. Các phương pháp điều chế cao hơn là được sử dụng điều chế nhị phân có thể chuyển các bit vào kí hiệu, với mỗi kí hiệu biểu diễn nhiều bít. Các kí hiệu này được ánh xạ tới một dạng xung. Các dạng xung được tạo ra bởi bộ tạo xung. Cần thiết có mạch định thời chính xác để gửi các xung ra ở từng khoảng yêu cầu. Nếu PPM thì cần định thời cần chính xác hơn, thường nhỏ hơn một độ rộng xung. Các xung sau đó có thể được điều chỉnh biên độ trước khi phát. Nói chung, để đạt được yêu cầu phổ công suất thông thường không cần hệ số khuyếch đại lớn và có thể bỏ qua. Đây là mẫu bộ thu phát cực kì đơn giản, nó bỏ qua phương pháp sửa lỗi trước, nó phục vụ mục đích mô tả các bộ thu phát tương đối đơn giản. 3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB Xác suất có nhiều người dùng truy nhập vào hệ thống là vấn đề quan trọng trong truyền thông UWB, bởi vì các ứng dụng thực tế sẽ yêu cầu nhiều hơn một người sử dụng hoạt động trong môi trường ở một thời điểm. Mục này qua đó sẽ nghiên cứu các phương pháp khác nhau giải quyết vấn đề này. Cơ bản là có 3 phương pháp cho các người dùng riêng biệt họ sử dụng cùng một môi trường. ■ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): Các người sử dụng riêng biệt có node trung tâm gán cho một băng tần cố định cho mỗi người dùng. ■ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): Kênh được chia thành một số khoảng thời gian không chồng lấn gọi là khe thời gian, chúng có chu kì. Mỗi người dùng sau đó được gán một khe thời gian bởi node trung tâm. ■ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Mỗi người dùng có một mã duy nhất, để mã hoá truyền dẫn sao cho đầu thu có thể giải điều chế. Do đó mỗi người dùng phân biệt với nhau bởi mã của chúng. Có ba cách cơ bản thực hiện CDMA: ● Nhảy tần (FH): Hoạt động giống như FDMA ngoại trừ băng tần sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn. ● Nhảy thời gian (TH): Hoạt động giống như TDMA ngoại trừ khe thời gian sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn. ● Trải phổ trực tiếp (DS): Dữ liệu được nhân với mã ở cả hai phía phát và thu và các đặc tính mã cho phép người dùng thích hợp giải điều chế tín hiệu. Các hệ thống FH-CDMA không được quan tâm nhiều hơn trong đồ án này, bởi vì hiệu năng của FH tương đương với TH, nhưng sẽ cần hệ thống phức tạp hơn để thực hiện nhảy tần. Trọng tâm của đồ án là nghiên cứu các hệ thống đa truy nhập dựa trên CDMA TH và DS. Phối hợp các phương pháp đa truy nhập đưa ra ở trên có thể thực hiện phụ thuộc vào hệ thống. Một ví dụ là hệ thống TH phát một vài xung trên một bit và đồng thời mã hóa mỗi xung này như là một chip trong hệ thống DS. Sự phân biệt người dùng có thể thực hiện bằng cách sử dụng mã TH và DS hoặc cả hai. Phương pháp kết hợp có vẻ ngày càng được chấp nhận trong IEEE 802.15a. Ưu điểm của phương pháp kết hợp nằm ở thực tế là có thêm nhiều tham số để điều chỉnh dung lượng của hệ thống một cách mềm dẻo hơn. Bằng cách sử dụng phương pháp này một chuẩn có thể được tạo ra bao gồm nhiều cấu hình khác nhau của các hệ thống UWB có thể tương thích. Hiệu năng của các thiết bị UWB do đó có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu và giá cả của thị trường. Ví dụ một hệ thống với tầng vật lí đa băng được đưa ra bởi công ty General Atomics tới nhóm IEEE 802.15a [13]. Trong đề nghị này băng tần được chia thành 20 kênh trong FH và hệ thống UWB có thể được đánh giá dựa vào có bao nhiêu băng và loại điều chế nào là thích hợp. Giải pháp kết hợp không phải là giải pháp được trình bày trong đồ án này. Thực tế các giải pháp dựa vào TH hoặc DS CDMA trong mỗi piconet được nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu các hệ thống đa băng là nội dung tương lai. 3.3.1 Nhảy thời gian (TH) Nhảy thời gian (TH) thực hiện đa truy nhập bằng cách chia kênh thành khe thời gian không chồng lấn như ở hình 3.10. Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn Các người dùng được cho phép sử dụng khe thời gian gán cho họ bằng mã nhảy thời gian riêng. Nghĩa là không cần điều khiển tập trung nhưng điều này có thể dẫn đến các người dùng cố gắng sử dụng cùng một khe thời gian ở cùng một thời gian gây ra xung đột. Nói cách khác, nếu các người dùng không đồng bộ, xung đột có thể xảy ra, chồng lấn hai khe thời gian khi tham chiếu thời gian của các người dùng là khác nhau. Truyền dẫn chỉ diễn ra trong 1/SF phần của thời gian và công suất phát trong mỗi khe thời gian cho trước phải lớn hơn SF lần công suất phát trung bình. Do đó đây là bằng chứng về lợi ích so với hệ thống không trải phổ sử dụng mỗi xung trên một bit, độ lợi xử lí là PG=Ns.SF. Điều này đúng là vì công suất tín hiệu thu ở mạch quyết định tăng lên một lượng SF so với công suất trung bình trên kênh, trong khi công suất tạp âm thu được là tương đương. Xem xét xác suất xung đột và giả thiết rằng mã TH phân bố đều trên các khe thời gian xác suất ít nhất một người dùng xung đột với người dùng khác trong điều kiện hệ thống đồng bộ là (3.31) Trong đó K là tổng số người dùng trong hệ thống. Khi xung đột xảy ra truyền dẫn bị gián đoạn và tất cả người dùng thu được công suất tương đương, xấp xỉ BER của máy thu trở thành. (3.32) Do đó BER là ¼ khi xảy ra xung đột. Giá trị của BERnorm chỉ giá trị BER thông thường của phương pháp điều chế nhị phân. Có thể thấy từ biểu thức (3.32) xung đột ảnh hưởng mạnh đến hiệu năng của hệ thống TH và đó là lí do quan trọng cần giảm số lượng xung đột trong hệ thống. Trong trường hợp không đồng bộ xác suất xung đột là (3.33) Bởi vì bây giờ xuất hiện khả năng hai khe thời gian xung đột với người dùng cho trước trong trường hợp này. Đó là cơ sở để tin rằng BER của hệ thống dị bộ có thể cao hơn hệ thống đồng bộ, nhưng cần phải nhớ rằng BER phụ thuộc vào hàm tự tương quan chuẩn hóa của monocycle với độ dịch cho trước. BER trung bình trong hệ thống TH dị bộ do đó thường thấp hơn một ít so với hệ thống đồng bộ. Tuy nhiên, có thể ước lượng BER trung bình của hệ thống dị bộ như sau: (3.34) Giả thiết rằng sử dụng điều chế BPSKvà mã nhảy ngẫu nhiên. Kết quả ở biểu thức (3.34) chính xác với K=2, và rất khả quan với K>2 bởi vì giả thiết rằng chỉ có xung đột ảnh hưởng tới mạch quyết định. 3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) Đối lập với TH trong đó truyền dẫn chỉ được thực hiện trong 1/SF thời gian, các xung được phát liên tục trong hệ thống trải phổ trực tiếp (DS). Các monocycle phát sau đó được mã hoá bằng cách nhân chúng với mã lưỡng cực có độ dài , để phía thu có thể phân biệt các tín hiệu đến từ các người dùng khác nhau. Ở đầu thu tín hiệu đến r(t) được nhân với các monocycle đã được mã hoá và được tích phân để hình thành thống kê đầy đủ của người thứ l (3.35) Trong đó z(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng với phương sai . Ak là biên độ của người dùng thứ k. Giả thiết rằng monocycle thu được prx(t) chuẩn hoá: (3.36) Trong một hệ thống hoàn toàn đồng bộ hệ số tương quan giữa các người dùng l và k (3.37) Từ (3.35) có: (3.38) với z(l)(n) là mẫu tạp âm. Có thể dễ dàng nhận thấy là hệ số tương quan giữa một mã bất kì và bản thân nó là và . Ở phía phải của đẳng thức 3.41 các thành phần tham gia là: thành phần thứ nhất là tín hiệu mong muốn từ người dùng thứ l và tiếp theo là nhiễu từ các người dùng khác trong hệ thống. Để ý rằng nhiễu ở đầu thu được đánh giá bởi hệ số tương quan giữa người dùng khác và người dùng muốn thu tín hiệu. Điều này dẫn đến việc cần sử dụng các mã có hệ số tương quan chéo rất thấp. Sau một số biến đổi ta được: (3.39) với SNR kênh là . Từ biểu thức (3.39) có thể thấy rằng BER phụ thuộc vào hệ số trải phổ, phương sai tạp âm và tất nhiên biên độ của tín hiệu người dùng đang được thu. 3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB Như đã đề cập trước đây PSD của monocycle là từ phương trình (1.6) , nhưng biểu thức này không bao gồm ảnh hưởng của điều chế và trải phổ tín hiệu. Các hệ thống UWB có công suất phát giới hạn do đó hiểu được ảnh hưởng của chúng lên PSD là rất quan trọng để tối đa công suất truyền dẫn mà không vượt qua giới hạn trong mặt nạ phổ công suất. Theo phụ lục F [11] PSD của tín hiệu TH-BPSKvới Ns=1 là (3.40) Trong đó Ptx(f) là biến đổi Fourier của ptx(t). PSD của tín hiệu DS-BPSKthu được là: (3.41) với là phổ của mã trải phổ: (3.42) Trong hệ thống TH, mã nhảy thời gian thường không ảnh hưởng đáng kể tới PSD của tín hiệu trong khi DS thì gây ảnh hưởng khá rõ rệt. Tuy nhiên nếu Ns>1 mã TH có thể ảnh hưởng tới PSD của tín hiệu. Các đặc tính phổ của tín hiệu UWB đã biết, từ đó có thể đưa ra một lựa chọn hợp lí độ rộng monocycle, tần số trung tâm và tốc độ lấy mẫu. Tham số đầu tiên để lựa chọn là băng tần và tần số trung tâm. Có thể sử dụng các biểu thức ở Phụ lục B [11] để tìm tần số trung tâm trong đó PSD là lớn nhất nhưng nó còn phụ thuộc vào việc lựa chọn monocyle. Chẳng hạn chọn monocycle p6(t) với độ rộng xung là 2/3 ns có phổ 4-6.5 GHz giới hạn bởi các tần số - 3 dB. Nó cũng đáp ứng yêu cầu về công xuất bức xạ lớn nhất. Lựa chọn monocycle này làm tín hiệu truyền dẫn tín hiệu thu được sẽ là đạo hàm của monocycle tức là p7(t) và tín hiệu đưa đến anten phát là p5(t). Lựa chọn tốc độ lấy mẫu do đó phải dựa vào như mô tả trong phụ lục B [11]. Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng Hình 3.11 chỉ ra PSD của p6(t) với PW=2/3 ns và Nsp=13 (mẫu/xung) với công suất truyền dẫn là 10-4W. Tấn số lấy mẫu do đó là GHz, khá cao ngay cả với hệ thống UWB. Trên hình 3.12 phổ của p6(t) trải phổ TH với SF=16 và hình 3.13 là chỉ của phổ của p6(t) sau khi trải phổ DS. Có thể thấy rõ là trong trường hợp hệ thống DS mã trải phổ ảnh hưởng rõ rệt lên phổ của tín hiệu. Điều này là không mong muốn vì các đỉnh phổ tạo thành sau trải phổ có thể vi phạm mặt nạ phổ công suất và do đó cần lựa chọn mã phù hợp để tối đa công suất truyền dẫn trong hệ thống DS. Hình 3.12 PSD của các monocycle bậc 6 và khi chưa trải phổ (a) và trải phổ TH (b) Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 3.4 Bộ thu 3.4.1 Khái niệm cơ bản Sơ đồ khối bộ thu UWB tổng quát được chỉ ra trong hình 3.14. Bộ thu thực hiện hoạt động ngược lại với bộ phát để khôi phục dữ liệu và đưa dữ liệu đến bất cứ ứng dụng “back end” nào cần nó. Có hai khác biệt chủ yếu giữa bộ thu và bộ phát. Điều thứ nhất là chắc chắn phần lớn bộ thu sẽ cần một bộ khuyếch đại để nâng công suất của các tín hiệu rất yếu thu được. Thứ nữa là bộ thu phải thực hiện chức năng dò và bắt tín hiệu để xác định các xung cần thiết trong số các xung thu được và sau đó tiếp tục bám những xung này để điều chỉnh sự mất cân đối xung đồng hồ của bộ thu và bộ phát. Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB Trong truyền thông yêu cầu cả sự truyền và thu tín hiệu. Bây giờ sẽ giới thiệu qua về kĩ thuật tách tín hiệu; bắt và bám chuỗi xung. Tách tín hiệu Tạo được tín hiệu với các đặc tính phổ mong muốn, còn cần phải có hệ thống thu tối ưu. Kĩ thuật thu tối ưu, kĩ thuật thường được sử dụng trong UWB, là bộ thu tương quan, thường được gọi là bộ tương quan. Một bộ tương quan nhân tín hiệu RF thu được với tín hiệu mẫu và sau đó tích phân kết quả của tiến trình đó để tạo ra một thành phần một chiều. Tiến trình nhân và tích phân xảy ra trong một chu kì của xung và nó được thực hiện trong khoảng nhỏ hơn nanogiây. Với tín hiệu mẫu chính xác kết quả đầu ra của bộ tương quan đo đạc các vị trí thời gian tương đối của tín hiệu thu và tín hiệu mẫu. Nếu chúng ta giả thiết PPM là phương pháp điều chế bộ tương quan là một bộ tương quan tối ưu sớm/muộn. Lấy một ví dụ đơn giản nhất, khi xung thu sớm hơn cỡ là ¼ một xung kết quả bộ tương quan là +1, khi nó thu muộn hơn cỡ là ¼ một xung kết quả bộ tương quan là -1, và khi các xung đến trung trung tâm của cửa sổ tương quan kết quả đầu ra là 0. Qua đó, tín hiệu tạp âm trong băng thu được bởi tuyến UWB đầu ra của bộ tương quan có giá trị trung bình 0. Hơn nữa, chuẩn hoá hay căn trung bình bình phương (rms) của đầu ra bộ tương quan liên quan với công suất của các tín hiệu trong băng. Tích phân xung Khi một monocyle bị lấn át bởi tạp âm của các tín hiệu khác, sẽ vô cùng khó khăn để tách một xung UWB đơn và độ tin cậy thông tin thu được là thấp. Tuy nhiên, bằng việc cộng các mẫu bộ tương quan (ví dụ xung nhân), từ đó có thể thu được tín hiệu đã phát với độ tin cậy cao hơn. Tiến trình này được gọi là tích phân xung. Thông qua tích phân xung, các bộ thu có thể thu, bám và giải điều chế tín hiệu UWB có công suất thực sự thấp hơn nhiễu nền. Tính toán hiệu năng của bộ thu UWB ở khía cạnh các tín hiệu nhiễu trong băng được gọi là độ lợi xử lí. Bám Bám là tiến trình trong bộ thu có thể liên tục kiểm tra liệu các xung có đến tại các thời điểm mong muốn và nếu không điều chỉnh thời gian. Một ví dụ đơn giản là để xem xét tiến trình. Giả thiết rằng bộ thu và phát khởi đầu với các xung đồng hồ đã đồng bộ. Khi thời gian vượt qua các ảnh hưởng của nhiệt và sự khác biệt trong sản xuất tạo ta một trong các xung đồng hồ hoặc các bộ dao động để trở nên thực sự nhanh hơn. Nếu sự khác biệt này không đúng, thậm chí bộ thu sẽ không thể giải điều chế chính xác các xung. Sự dịch chuyển thời gian ở dưới nanogiây cần phải xem xét cẩn thận. 3.4.2 Các máy thu cải tiến Ở đầu thu thực hiện tách sóng có thể sử dụng các bộ thu cải tiến như bộ thu tối ưu (optimal receiver), bộ thu Rake, bộ thu giải tương quan (decorrelator receiver), bộ thu tuyến tính cực tiểu lỗi trung bình bình phương (LMMSE receiver) và bộ thu LMMSE thích ứng (adaptive LMMSE receiver). Trong nội dung đồ án này tôi chỉ tập trung xem xét ứng dụng bộ thu Rake và bộ thu giải tương quan vào truyền thông UWB. 3.4.2.1 Máy thu Rake Bộ thu Rake là bộ tách sóng đơn được thiết kế để thu thập năng lượng tối đa có thể từ các thành phần đa đường và sau đó gom chúng lại để ước tính kí hiệu được phát. Về mặt lí thuyết có thể thực hiện bằng cách sử dụng một bộ tương quan cho mỗi thành phần đa đường đã biết và nhân kết quả đầu ra của mỗi bộ tương quan một trọng số thích hợp. Một cách khác chính xác để làm việc này được chỉ ra trên hình 3.11 với khối tên là MF là bộ lọc thích ứng và với độ trễ Tl và trọng số wl của thành phần đa đường thứ l. Mỗi nhánh của L nhánh trong bộ thu được gọi là ngón. Bây giờ phải tính toán các trọng số tối ưu của máy thu cho mỗi người dùng trong mô hình kênh đa đường với tạp âm Gaussian. Giả thiết bộ thu có thông tin chính xác về đáp ứng xung của người dùng đó, số lượng ngón khi đó bằng với số lượng nhánh trong mô hình kênh đa đường nghĩa là L=N. Trong trường hợp này độ trễ Tl phù hợp với kênh (3.43) Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên với TRAKE là độ trễ cố định qua môi trường kênh và các ngón của bộ thu Rake. Đầu ra của bộ thu Rake là (3.44) Đưa (2.3) vào (3.44) ta được (3.45) Với zRAKE là thành phần tạp âm tại đầu ra của bộ lọc thích ứng (3.46) (3.47) Lí do phía sau biểu thức phương sai tạp âm ở (3.47) là khi sử dụng DS, SF độc lập với các nguồn tạp âm có phương sai được tính vào ở bộ lọc thích ứng. Trong trường hợp TH, giá trị phương sai của nguồn tạp âm được nhân với ở bộ lọc thích ứng. Tiếp theo thành phần tích phân của biểu thức (3.45) có thể ước tính bằng cách sử dụng hàm tự tương quan của dạng sóng mẫu và để đơn giản hoá biểu thức, có thể giả thiết hàm tự tương quan là (3.48) Sự đơn giản hoá này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các mã trải phổ có các đặc tính lí tưởng. Biểu thức (5.3) có thể đơn giản hoá là: (3.49) Và SNR ở đầu ra của bộ lọc thích ứng do đó là (3.50) Sử dụng bất đẳng thức Schawarz vào (3.50) dẫn đến (3.51) Và để có dấu đẳng thức trong (3.51) các trọng số được chọn là (3.52) Trong đó cMRC là hằng số tuỳ ý. Loại kết hợp này được gọi là Kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC- Maximal Ratio Combiner) bởi vì nó tối đa SNR ở đầu thu. Sử dụng MRC, SNR đạt được giá trị cực đại tương ứng với dấu đẳng thức của biểu thức (3.51) với: (3.53) Là năng lượng tổng cộng ở phía thu thu được từ các ngón của bộ thu Rake. 3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan Bộ thu giải tương quan là bộ tách sóng nhiều người dùng dựa trên tương quan giữa các người dùng. Lấy hệ thống DS đồng bộ làm ví dụ bộ giải tương quan thực hiện điều này bằng cách nhân các giá trị đầu ra của bộ lọc thích ứng với ma trận tương quan đảo (3.54) Từ (3.57) có thể thấy rằng khi bộ giải tương quan sẽ trở thành máy thu tối ưu, bởi vì nó có thể hoàn toàn phân biệt các người dùng khác nhau với R đã biết. Tất nhiên để thực hiện điều này phải tồn tại, có thể chứng minh rằng R là xác định dương nếu các hệ số trải phổ là độc lập tuyến tính và do đó R-1 tồn tại [15]. Ma trận liên hợp của tạp âm trong biểu thức 3.54 là: (3.55) Và phương sai tạp âm của mỗi người dùng là với là thành phần đường chéo chính thứ k của R-1. BER của mỗi người dùng do đó được tính là: (3.56) Theo phụ lục H[11]: (3.57) Và được lấy trung bình qua K mã khác nhau và do đó: (3.58) Có thể thấy rằng bộ thu giải tương quan bị ảnh hưởng nhiều bởi tạp âm hơn là bởi MAI. Nhưng nó cũng cải tiến đáng kể so với bộ thu tương quan ở chỗ bộ thu tương quan bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu từ các người dùng khác. 3.5 Tổng kết Trong chương này tôi đã xem xét hệ thống truyền thông UWB. Thấy rõ những đặc điểm khác biệt so với hệ thống truyền thông UWB về phương pháp điều chế đánh giá hiệu năng của các các phương pháp điều chế, xem xét hai phương pháp trải phổ được sử dụng chủ yếu trong truyền thông UWB là TH và DS. Do nội dung được xem xét trên quan điểm xử lí tín hiệu nên đồ án không đi sâu vào cấu trúc của bộ thu và bộ phát mà chỉ trình bày nguyên lí hoạt động. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB Trong chương này tôi sẽ xem xét một số khía cạnh đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB. Các vấn đề: như dung lượng của hệ thống UWB; ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến với hệ thống UWB; thực hiện so sánh hiệu năng hoạt động của hệ thống với một số hệ thống băng rộng khác; và nghiên cứu các trường hợp ứng dụng truyền thông UWB cụ thể. Những vấn đề này có ý nghĩa quyết định đến sự thành bại của hệ thống truyền thông UWB. Trước hết tôi đề cập đến vấn đề dung lượng của hệ thống UWB. 4.1 Dung lượng của các hệ thống UWB Xét trường hợp dạng xung đơn giản hoá và chỉ có thể áp dụng cho hệ thống điều chế vị trí xung, nó phục vụ mục đích minh hoạ về dung lượng hệ thống UWB. Thứ nhất, xây dựng một vài giả thiết. Để đơn giản mà không mất tổng quát, mỗi xung UWB được giả thiết biểu diễn một tín hiệu. Do đó, số xung trên một kí hiệu là Np=1. Điều này nghĩa là chu kì tín hiệu và chu kì xung là bằng nhau (tức là, Tf=Ts) và năng lượng mỗi xung Ep là giống với năng lượng trên một kí hiệu Es. Tiếp theo, tôi sử dụng công thức dung lượng Shanon C=Wlog2(1+SNR) để tính toán. Để đơn giản, dạng xung là chữ nhật p(t) trong đó (4.1) Và Tp là thời gian xung. Hàm tương quan cho p(t) là (4.2) Trong phân tích này tôi mô hình độ dịch thời gian khác biệt giữa các người dùng, với kí hiệu phân bố đều trong khoảng [-Tf, Tf]. Nó tuân theo công thức sau: (4.3) Trong đó là tỉ lệ trải phổ thay thế tham số SF thường sử dụng ở trên để biểu thức toán gọn hơn, được định nghĩa là tỉ số thời gian của khung chia cho thời gian của xung. Giá trị trung bình của có thể được tính như sau: (4.4) Phương sai của được kí hiệu là (4.5) Có thể xấp xỉ là (4.6) với giá trị hệ số trải phổ lớn. Phương sai của nhiễu đa truy nhập kí hiệu NI có thể tính (4.7) Trong đó v là chỉ số của người dùng và Nu chỉ tổng số người sử dụng. SNR ở đầu ra của bộ thu với mỗi kí hiệu có thể tính là: (4.8) Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 Trong trường hợp kênh nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) và điều khiển công suất tốt, và có thể biểu diễn là: (4.9) Trong đó . Từ biểu thức này có thể thấy rằng với số lượng nhỏ của người sử dụng (ví dụ ) hiệu năng bị giới hạn bởi tạp âm, trong khi với nhiều người sử dụng (ví dụ ) hiệu năng bị giới hạn bởi nhiễu. Sử dụng biểu thức (4.9) dung lượng một người dùng CM-PPM là hàm của trạng thái kênh SNR là (4.10) được đo bằng số bit trên một kí hiệu. Ở đây, vm là giá trị ngẫu nhiên với m nằm trong khoảng 1 và M và có phân bố điều kiện trên tín hiệu phát x1 (4.11) Trên hình 4.1 các ảnh hưởng của nhiễu nhiệt được bỏ qua, chúng ta có thể coi như chỉ có nhiễu đa truy nhập. Kênh đa truy nhập sẽ đạt cung cấp dung lượng người dùng đủ khi số người dùng Nu<15, và khi người số người dùng tăng lên, dung lượng của người dùng có thể giảm. 4.2 So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng Trong mục này chúng ta sẽ đề cập một vài khác biệt và tương tự của các hệ thống truyền thông UWB với các hệ thống trải phổ (SS). Lí do là trong một khoảng cách rất ngắn (chẳng hạn phạm vi trong phòng) chúng ta không thể hi vọng sử dụng bất cứ dạng nào của truyền thông trải phổ hay OFDM. Cụ thể hơn các ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông trải phổ thông thường cũng như OFDM cũng không được sử dụng hay dự định sử dụng trong phạm vi này. Để đưa ra một số ví dụ, trải phổ được sử d0ụng trong hệ thống dịch vụ thông tin di động và số liệu thế hệ thứ ba (3G). Truyền thông từ trạm gốc đến thiết bị di động có thể nằm trong khoảng vài trăm mét đến hàng kilomét. Trong khi đó, OFDM đang được xem xét sử dụng trong hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G). Thực tế OFDM cũng đang được sử dụng trong truyền hình số ở Nhật Bản. Các kĩ thuật UWB hiện nay thường ít được đề cập sử dụng truyền thông ngoài nhà, và các ứng dụng truyền thông khoảng cách lớn. Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách Tuy nhiên, các mạng LAN vô tuyến trong nhà có thể nằm trong cùng phạm vi ứng dụng của UWB và do đó sử dụng để so sánh và đánh giá nó với truyền thông UWB là hợp lí nhất. Chuẩn IEEE 802.11b áp dụng cho các mạng WLAN sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) có tần số trung tâm 2.4 GHz, và chuẩn 802.11a cho các mạng WLAN sử dụng OFDM có tần số trung tâm 5GHz. Sau đây tôi sẽ so sánh hệ thống UWB với hệ thống WLAN tuân theo chuẩn IEEE 802.11b. Đây là một trong những chuẩn phổ biến nhất cho truyền thông không dây trong nhà. Nó hoạt động ở dải tần không cấp phép 2.4-GHz. Trong 802.11b, các kĩ thuật trải phổ trực tiếp được sử dụng để chuyển tín hiệu dữ liệu băng hẹp lên toàn bộ dải tần cho trước, để loại bỏ nhiễu từ các người dùng khác hay các nguồn tạp âm. Băng tần 2.4 GHz được biết là băng tần ISM, nó dùng cho công nghiệp, khoa học và y tế. Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp. Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau Có hai kĩ thuật trải phổ phổ biến là: trải phổ nhẩy tần (FHSS) và trải phổ nhẩy thời gian (THSS). Tổng quan về quan hệ tần số thời gian được chỉ ra trên hình 4.3 và 4.4. Trong hình 4.3 chúng ta có thể thấy hai người sử dụng chiếm một băng tần hẹp trong một khoảng thời gian ngắn. Có 79 kênh nhảy tần trong chuẩn IEEE 802.11 và mỗi kênh rộng 1 MHz. Các bước nhảy thực hiện mỗi 224 µs. Trái lại, hình 4.3 chỉ ra rằng mỗi người dùng chiếm toàn bộ dải tần tại mọi thời điểm và các người dùng khác nhau phân biệt bởi các mã giả ngẫu nhiên (PN). Do đó DSSS còn được gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Cả DSSS và FHSS đều được mô tả trong các chuẩn WLAN IEEE 802.11, và gần đây là chuẩn IEEE 802.11b, DSSS mới chỉ định nghĩa được lớp vật lý. So sánh UWB với DSSS và FHSS So sánh giữa ba kĩ thuật điều chế: DSSS, FHSS, và UWB. Thiết lập cho mỗi phương pháp chiếm băng tần 3.2 MHz, truyền dẫn ở tốc độ 3.125 Mb/s, và cung cấp cho 30 người dùng đồng thời. Với hệ thống DSSS SNR có thể viết là: (4.12) Trong đó K là số người dùng và N là số chip trên một bit. BER có thể tính được từ (4.13) Trong đó “erfc” là hàm lỗi bù, được định nghĩa là: (4.14) Trong khi đó BER của FHSS tính được như sau: (4.15) Trong đó k là số khe nhẩy tần, M là số lượng của người dùng, S là công suất tín hiệu, và N là công suất tạp âm. Do đó, Si biểu diễn công suất nhiễu từ các người dùng. Với UWB, SNR đầu ra trung bình có thể được tính với giả thiết chuỗi nhảy thời gian ngẫu nhiên. Để số người dùng (được kích hoạt) là Nu. Từ [14] SNR là: (4.16) Trong đó là phương sai của thành phần tạp âm thu ở đầu ra bộ tích phân chuỗi xung. Các tham số phụ thuộc vào dạng sóng monocycle mp và được tính: (4.17) Và (4.18) Tương ứng, trong đó A1 là biên độ momocycle, Tf là chu kì khung giả thiết bằng 10 ns, và Ns là số xung trên một kí hiệu. Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng Kết quả thứ nhất được chỉ ra trong hình 4.5 với trường hợp một người dùng chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng cả ba phương pháp có cùng đường cong BER theo SNR. Khi 30 người dùng đồng thời phát tín hiệu sẽ thấy sự khác biệt. Điều này được minh hoạ trên hình 4.6. Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn Chi tiết hơn hình 4.6, hình 4.7 ta so sánh hiệu năng của hai phương pháp DSSS và UWB, có thể thấy rõ rằng về mặt lí thuyết với các giả thiết này hiệu năng của DSSS cao hơn của UWB. Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS Tuy nhiên, băng tần chip giả thiết cho DSSS là 0.37 ns, có nghĩa là việc xử lí tín hiệu rất phức tạp (và do đó rất đắt) so với các hệ thống UWB. Do đó, chúng ta có thể tổng quát hoá với phát biểu rằng hiệu năng đạt được là tương tự nhau đối với các hệ thống băng rộng DSSS và UWB, với băng tần giống nhau. Tuy nhiên, trên thực tế UWB có thể thực hiện với giá cả thấp hơn, mặt khác nếu băng tần làm việc tăng lên thì xử lí tín hiệu đối với các hệ thống DSSS và FHSS sẽ phức tạp hơn, nên các hệ thống UWB hấp dẫn hơn. Hơn nữa chúng ta chú ý rằng băng tần giả thiết trong ví dụ này chỉ là 3 MHz, trong khi băng tần hoạt động thực tế của UWB lớn hơn rất nhiều: tối thiểu là 500 MHz. 4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác Bởi vì các tín hiệu UWB có băng tần rất rộng, phổ tần hoạt động của chúng chồng lấn phổ tần với các phương pháp truyền thông không dây khác. Hình 4.8 chỉ ra một số hệ thống có thể gây khó khăn cho UWB. Vấn đề được gói gọn làm hai. Thứ nhất, UWB có thể hoạt động trong điều kiện xuất hiện những nhiễu này. Thứ hai, UWB phải không gây nhiễu đáng kể cho các người dùng thuộc các hệ thống này. Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng một trong những lí do để tránh băng tần nhỏ là quá nhiều dịch vụ không dây mà UWB có thể đụng chạm tới. Dải tần giữa 3 GHz và 10 GHz là nguồn nhiễu cho các hệ thống không dây trong nhà chính được giả thiết là các mạng WLAN 5-GHz dựa trên OFDM. Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 4.3.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) Với những hệ thống tần số trung tâm 5.2 GHz và tần số trung tâm hệ thống UWB ở 4.2 GHz, ảnh hưởng lên hiệu năng BER là tối thiểu khi công suất của tín hiệu 802.11a nhỏ hơn tín hiệu UWB 10 dB. Hệ thống UWB mô phỏng sử dụng dạng xung s0(t) điều chế bởi sóng dạng ở tần số f0 Hz và dẫn đến biểu thức (4.19) Mô phỏng với a=loge10 vàns. Các xung được gửi mỗi 5 ns và thực hiện điều pha hai trạng thái. Công suất của hệ thống UWB với Eb/N0 (năng lượng mỗi bit chia cho mật độ công suất tạp âm) và tỉ lệ mong muốn với không mong muốn (DU) được định nghĩa là công suất của một xung đơn để loại bỏ ảnh hưởng của khoảng cách giữa các xung. Khi tín hiệu 802.11a mạnh hơn, như khi bộ phát WLAN gần bộ thu UWB, xảy ra nhiễu đáng kể. Để loại bỏ nhiễu này, hai kĩ thuật được đề nghị. Một là sử dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu không mong muốn. Ví dụ, có thể sử dụng bộ lọc Chebyshev bậc sáu với tần số cắt ở 4 GHz, độ gợn nhỏ hơn 0.2 dB, và suy hao -20 dB ở 5.18 GHz. Bộ lọc này làm tổn hao 1-dB khi không có nhiễu; tuy nhiên nó cải thiện hiệu năng đáng kể khi không có nhiễu. Đề nghị thứ hai là sử dụng hệ thống UWB đa băng. Các sóng mang con tần số cao nhất bị loại bỏ bởi vì chúng chồng lấn với phổ tần 802.11a. Sử dụng một hệ thống với 11 sóng mang con với khoảng cách là 200 MHz từ 3.2 đến 5.2 GHz (4.20) Trong đó ns. Tóm lại, ở tỉ số DU là 0 dB, loại bỏ hai sóng mang lớn nhất được hiệu năng tốt nhất, trong khi với DU là -10 dB loại bỏ ba sóng mang thu được hiệu năng tốt nhất. Một thí nghiệm thực hiện được mô tả ở hình 4.9 để xác định hoạt động của card mạng WLAN với dưới tác dụng của các tín hiệu UWB công suất cao, và có thể tổng kết là 802.11b có thể chịu nhiễu từ UWB khi công suất truyền dẫn cao và khoảng cách gần giữa các máy phát UWB và bộ thu WLAN. Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN Trong thí nghiệm này, các xung với độ rộng 500 ps được tạo ra từ vài bộ phát UWB. Tần số lặp xung được cố định ở 87 MHz. Tần số trung tâm khoảng 1.8 GHz. Cường độ đỉnh-đỉnh để đo xung từ cổng ra của bảng mạch xấp xỉ 300mV. Các anten đẳng hướng được sử dụng và có EIRP từ -2 dBm tới 3 dBm phụ thuộc vào tần số lặp xung. Cấu hình này không phù hợp với quy định của FCC, phần mở rộng mặt nạ phổ cho truyền dẫn trong nhà cỡ 30 dB ở băng tần 2.4 GHz Các phép đo phổ trên kênh 1 (fc=2.412 GHz) chỉ ra đỉnh nhiễu UWB nhỏ hơn cỡ 20 dBmV đỉnh tín hiệu 802.11b với 20 bộ phát UWB ở khoảng cách 100 cm. Ở khoảng cách 15 cm từ anten đo đỉnh UWB thấp hơn đỉnh tín hiệu WLAN cỡ 5 dBmV. Các phép đo SNR được tiến hành, và kết quả là với nếu khoảng cách từ bộ thu WLAN đến các bộ phát UWB lớn hơn 50 cm, sẽ không có suy giảm đáng kể với SNR. Với khoảng cách nhỏ hơn 50 cm, SNR suy giảm cỡ 10-15 dB. Thông qua những phép đo chỉ ra một số xu hướng: với cách khoảng cách nhỏ hơn 30 cm, dung lượng WLAN giảm rõ rệt khi có 15 bộ phát UWB công suất cao hoặc nhiều hơn và nếu khoảng cách lớn hơn 40 cm ảnh hưởng có thể bỏ qua. 4.3.2 Bluetooth Hiệu năng của các mạng WLAN Bluetooth được xem xét dưới ảnh hưởng của các tín hiệu UWB công suất lớn. Có thể tổng kết là kết nối Bluetooth chịu ảnh hưởng ít hơn các kênh 802.11b tương ứng. Bởi vì các thiết bị Bluetooth có thể điều chỉnh trạng thái các kênh riêng để tránh các kênh “xấu”. Chỉ suy giảm dung lượng khoảng 530 kb/s xuống 490 kb/s các bộ thu phát Bluetooth cách nhau 10 m, và không suy giảm dung lượng khi các thiết bị Bluetooth đặt cách nhau cỡ 3 m, trong thí nghiệm các thiết bị UWB đặt cách bộ thu Bluetooth 15 cm. 4.3.3 GPS GPS đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như thương mại, quân sự, và xã hội. Ví dụ các hệ thống hàng không cũng như các thiết bị giao thông hiện đại, hàng hải v,v nhận thông tin dẫn đường từ hệ thống GPS. Các thiết bị thông tin di động trang bị bộ thu GPS cũng đang được thương mại hoá. Do đó ảnh hưởng của tín hiệu UWB lên tín hiệu GPS cần được đặc biệt quan tâm. Điều này cũng được thể hiện rõ trong mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra khi công suất phát được phép của tín hiệu UWB trong dải tần này là thấp nhất chỉ khoảng -76 dBm/MHz nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của tín hiệu UWB nên tín hiệu GPS. 4.3.4 Các hệ thống thông tin tế bào Xem lại hình 4.7 dễ thấy rằng phần lớn các hệ thống di động hoạt động ở dải tần dưới 1 GHz và do đó không nằm trong dải tần mà phần lớn các hệ thống truyền thông UWB sử dụng. Băng tần 1.5 GHz được bảo vệ mạnh bởi các điều lệ của FCC. Các dịch vụ ở dải tần 2 GHz có thể chịu một số ảnh hưởng; tuy nhiên nó nằm ở rìa của băng tần UWB trung tâm và không phổ biến như các dịch vụ di động tổ ong khác tại thời điểm hiện nay. Trong một số thí nghiệm về ảnh hưởng của hệ thống UWB (thoả mãn yêu cầu của FCC) lên dịch vụ di động PCS 1.9 GHz. Và nhận thấy không có ảnh hưởng rõ rệt của tín hiệu UWB đối với các dịch vụ thoại ở dải tần này. Trong thí nghiệm các thiết bị di động đặt ở khoảng cách 1.5 m so với anten phát UWB. 4.3.5 Kết luận Do đặc điểm băng tần trải rất rộng nên vấn đề ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến băng hẹp khác với hệ thống UWB có ý nghĩa quyết định đến tính hiện thực của hệ thống UWB. Vấn đề này đã được xem xét khá chi tiết ở trên và có thể kết luận là các hệ thống UWB hoạt động thoả mãn mặt nạ phổ công suất của FCC thì có thể hoạt động đồng thời cùng các hệ thống băng hẹp khác mà không có hiện tường gây nhiễu đáng kể nào. Chỉ lưu ý đối với các hệ thống WLAN do hoạt động ở băng tần trung tâm của UWB nên các bộ thu và phát của hai hệ thống này không nên đặt quá gần nhau. 4.4 Các trường hợp ứng dụng UWB Ở phần này các phương pháp triển khai UWB được kiểm tra và đánh giá chặt chẽ hơn để xác định tính khả thi và tối đa hiệu năng hệ thống. Các dạng sử dụng hệ thống UWB khác nhau có thể phân chia thành ba loại tuỳ thuộc vào khoảng cách hoạt động tối đa rmax: ● Khoảng cách hoạt động khoảng cách rmax=1 m: Hoạt động ở khoảng cách rất ngắn, hệ thống UWB có khả năng cung cấp dịch vụ tốc độ rất cao như USB 2.0 hay kết nối WireFire với tốc độ lên đến 500 Mb/s. ● Khoảng cách ngắn hoạt động với rmax<10 m: Sử dụng cho các hệ thống WPAN/WLAN với tốc độ cỡ 100 Mb/s. ● Khoảng cách hoạt động trung bình với rmax<10 m-1000 m: Trong trường hợp này hệ thống được sử dụng với tốc độ thấp cỡ 10-100 b/s có thể kết hợp với khả năng xác định vị trí của các thiết bị đầu cuối UWB tạo thành hệ thống định tuyến multi-hop. Ví dụ, hệ thống có thể sử dụng cho các thiết bị cảm biến (sensor) kết nối với nhau chẳng hạn như các bộ cảm biến hỏa hoạn hay thay thế dây dẫn cho các thiết bị tự động hoá trong các nhà máy mà ở đó phải thiết lập rất nhiều dây cáp. Các hệ thống UWB từ các cách sử dụng trên được giả thiết hoạt động thoả mãn mặt nạ phổ công suất của FCC giới hạn công suất phát -41.3 dB/MHz hay 75 nW/MHz trong dải tần 3.1 GHz- 10.6 GHz. Tất cả các hệ thống được xem xét ở đây sẽ sử dụng công suất phát tối đa trong băng 3.1 GHz-6.1 GHz với tần số trung tâm fc=4.6 GHz và băng tần 3 dB B=3 GHz. Đây là lựa chọn cho thế hệ các hệ thống UWB đầu tiên và bởi vì suy hao là nhỏ nhất ở dải tần này. Một monocycle thoả mãn các yêu cầu trên là đạo hàm bậc 7 của xung Gaussian có độ rộng xung 2/3 ns tạo ra dung lượng tổng cộng 1.5 Gb/s sử dụng các phương pháp điều chế nhị phân. Một giả thiết khác về hiệu năng của anten và front-end RF. Anten được giả thiết vô hướng có hiệu suất 80 % [16] và front end RF có chỉ số tạp âm xấp xỉ 6 dB [13]. Nhiệt độ để tính tạp âm nền là 290 K. Suy hao đường là (4.21)