CÔNG NGHỆ UWB

CÔNG NGHỆ UWB

CÔNG NGHỆ UWB

GVHD: TS Lê Quốc Cường HVTH: Đào Anh Vũ

Giới thiệu

là kỹ thuật truyền tín hiệu không dây bằng cách

sử dụng các xung (pulse) tần số rất cao.

GHz với băng thông lớn hơn 500MHz.

ns, mức công suất phát rất thấp ( - 41.25dBm

Commission: ủy ban truyền thông liên bang).

Impusle

Lịch sử phát triển

 Cuối năm 1950, xuất hiện nhu cầu phân tích đáp ứng

xung của sóng vi ba (tại phòng thí nghiệm Lincola,

Sperry, …)

 1965, Ross phát triển công nghệ UWB tại trung tâm

nghiên cứu Sperry

 1978, Ross và một số người khác lần đầu tiên trình bày

về hệ thống truyền thông UWB.

 1986, Hệ thống truyền thông UWB dựa trên xung ngắn

được đưa ra bởi Ross và Fontana.

 1990, Đánh giá công nghệ UWB.

 1994, Các chương trình truyền thông UWB không phân

loại đầu tiên.

 1998, Thông tin qui định của FCC đối với các hệ thống

UWB.

 2002, Báo cáo và qui định đầu tiên của FCC đối với các

hệ thống UWB.

Ưu điểm của UWB

Tính bảo mật cao

Giá thành thấp

Giá thành thấp

5

Khả năng chống và tận dụng

đa đường

66

Thách thức

 Truyền thông vô tuyến luôn luôn phải qui định sao cho

tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau trên cùng một phổ tần

 Khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông cũ,

 Tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp

 Các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu chuẩn để đảm bảo

sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện nay vẫn chưa

có sự nhất trì hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng như các thiết bị là rõ ràng.

 Các vấn đề nhiễu vẫn còn đang được kiểm tra.

Ứng dụng

 Truyền thông và cảm biến

 Phân phối dữ liệu, video, âm thanh thông qua kết nối vô tuyến, chủ yếu dùng cho mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) Nó kết nối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máy tính, …

 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

 Định vị

 Cho phép sự định vị chính xác và theo dõi các đối tượng chuyển động trong nhà với độ chính xác vài centimet 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…

 Radar

 Các thiết bị radar này có thể phát hiện vị trí và chuyển động

của các đối tượng gần một phương tiện đi lại, tích cực khả năng tránh xung đột

Chương 2

Hệ thống UWB

Định nghĩa tín hiệu UWB

 Tín hiệu UWB được định nghĩa là tín hiệu với độ rộng băng lớn hơn 20% tần số trung tâm.

 Độ rộng băng lớn hơn 500 MHz

Các dạng xung đơn chu kỳ

 Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle (đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì

 Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh và Hermittian ,v,v

Sử dụng xung Gaussian vì các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương đối đơn giản

Xung đơn chu kỳ Gaussian

Là một tín hiệu băng rộng, tần số trung tâm và độ rộng băng phụ thuộc vào độ rộng của chu kỳ đơn Trong miền thời

gian, xung đơn chu kỳ Gaussian có dạng:

Xung đơn chu kỳ Gaussian

Trong đó là hệ số thời gian xác định độ rộng của đơn chu kỳ Trong miền tần số, biến đổi Fourier của xung đơn chu kỳ

Gaussian là:

Tần số trung tâm f c phải thoả mãn:

Các phương pháp điều chế trong

UWB

Điều chế dựa trên thời

gian: điều chế vị trí xung Điều chế dựa trên dạng xung

Điều chế PPM (Position Phase Modulation)

Điều chế PPM (tt)

Điều chế PPM thì vị trí xung sẽ thay đổi theo biên độ của tín hiệu điều chế Tuy nhiên độ rộng xung thì không thay đổi

PPM thể hiện bit 0 khi không có sự dịch thời gian (hoặc trễ hơn) đối với điểm tham chiếu, thể hiện bit 1 khi một xung dịch qua (hoặc sớm hơn) điểm tham chiếu

Điều chế vị trí xung có tác dụng làm phẳng phổ tín hiệu, do đó làm giảm nhiễu tới các hệ thống vô tuyến cũ

Điều chế BPM (Biphase Modulation)

Điều chế BPM là điều chế xung phân cực

Sự phân cực của xung thay đổi để thể

hiện bit dữ liệu

Trên hình thể hiện bít “1” bởi một xung

dương và bít “0” bởi một xung âm Tức là

có sự chuyển pha 180 độ giữa bít “0” và

“1”

Điều chế BPM (tt)

Một trong số các lý do để sử dụng điều chế BMP là độ lợi 3-dB trong hiệu suất sử dụng công suất

 Điều đó có nghĩa là nếu muốn đạt được cùng một tỉ lệ lỗi bit thì các phương pháp điều chế như OOK, PPM phải dùng năng lượng bit (Eb) gấp đôi

Bộ thu phát UWB

Bộ phát UWB

Nội dung

Bộ thu UWB

Bộ phát UWB

Hình minh họa: sơ đồ khối thu phát UWB.

Bộ phát UWB

 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

 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

Bộ phát UWB

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

Bộ thu UWB

Hình minh họa: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB

Bộ thu UWB

 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 hai 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.

 Để 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

Máy thu Rake

Hình minh họa: Kiến trúc máy thu với một bộ tương quan

Máy thu Rake

Hình minh họa: Không tạp âm Hình minh họa : Có tạp âm

Máy thu Rake

 Tách tín hiệu trong môi trường đa đường là lý do chúng ta sử dụng máy thu Rake.

 Một máy thu Rake điển hình bao gồm một tập bộ tương quan, mỗi

bộ tương quan tương ứng với một độ trễ khác nhau để cho tín hiệu

đa đường có thể được giải điều chế.

 Vì lí do đó, máy thu Rake được sử dụng rộng rãi trong hệ thống trải phổ, nó cho phép chống lại ISI (gây ra bởi nguyên nhân đa đường).

 Ví dụ, một hệ thống CDMA truyền thống sử dụng máy thu Rake để tăng cường chất lượng tách.

 Trong các hệ thống UWB, ý tưởng kết hợp máy thu Rake cũng có thể được sử dụng để tách tín hiệu trong môi trường đa đường.

 Việc triển khai kiến trúc máy thu Rake ở đây chủ yếu vì mục đích thu năng lượng từ tín hiệu đa đường Kiến trúc máy thu được thể hiện ở hình vẽ bên dưới

Chương 4: So sánh UWB với công

nghệ khác và ứng dụng

1 So sánh UWB với công nghệ khác

3 Tình hình phát triển và thương mại hóa sản phẩm

So sánh UWB với công nghệ khác.

UWB và BlueTooth

Trong WLAN

 Trong tương lai, công nghệ UWB có thể được sử dụng

trong WPAN với những vai trò:

 Thiết lập tuyến bus chung không dây tốc độ cao nối

giữa PC với thiết bị ngoại vi, gồm máy in, máy quét và thiết bị lưu trữ gắn ngoài.

 Thay cáp và Bluetooth trong các thiết bị thế hệ mới,

như điện thoại di động 3G, kết nối IP/UPnP cho thế hệ thiết bị di động/điện tử dân dụng/máy tính dùng IP.

 Tạo kết nối không dây tốc độ cao cho thiết bị điện tử

dân dụng, máy tính và điện thoại di động.

3 Tình hình phát triển và thương

mại hóa sản phẩm

Công nghệ siêu băng rộng UWB có khả năng cung cấp phương thức kết nối không dây với các thiết bị ngoại vi này và đặc biệt hiệu quả với các kết nối đòi hỏi tốc độ cao như kết nối đến HDD ngoài và màn hình Để làm được điều này, module UWB cho thiết bị

di động phải nhỏ, rẻ và khả năng thực thi (performance) đầy thuyết phục với công suất tiêu thụ ở mức tốt nhất.

Tình hình phát triển và thương

mại hóa sản phẩm

Nhiều hãng sản suất đã tiến đến việc thiết

kế các thiết bị UWB thế hệ thứ hai và thứ

ba của họ

Hiện nay, tiêu biểu nó có thể cung cấp kết nối đáng tin cậy với tốc độ xác thực là 480 Mbps qua giao diện không gian với phạm

vi 5m và ở tốc độ thấp hơn với phạm vi hơn 10 m

Tình hình phát triển và thương

mại hóa sản phẩm

Mẫu màn hình mới nhất thuộc dòng SyncMaster của Samsung

sở hữu công nghệ khá mới mẻ -

đó là truyền hình ảnh không dây SyncMaster được tích hợp bộ thu UWB (Ultra-Wide Band), đi kèm là một bộ phát UWB USB có thể gắn vào desktop hoặc laptop Bộ UWB này có thể truyền hình ảnh với độ phân giải Full HD (1920 x 1080).

Giá bán của SyncMaster C27A750 sẽ vào khoảng 600 Euro.

Kết Luận

Công nghệ truyền thông UWB là một công nghệ mới và hiện tại nhiều phạm vi ứng dụng của nó vẫn đang còn được nghiên cứu trên cả lý thuyết cũng như kiểm nghiệm trong thực tế

Đề tài vẫn còn chưa đề cập đến các vấn

đề như: Mô hình kênh, dung lượng hệ thống, anten sử dụng trong UWB, đồng bộ hóa, …

Tài Liệu Tham Khảo

CAS Prague, Chaberská 57

a Multipath Channel - Woo Cheol Chung and Dong Sam Ha.

 [3] A Novel Modulation for UWB based WSN - Zhang Jianhua,

Liu Ruoju, Zhang Ping

Systems - By Jeffrey H Reed

www.themegallery.com