NGHIÊN cứu PHƯƠNG PHÁP SAN BẰNG tín HIỆU CHO UWB

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH BẢNG iii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2 1.1 UWBRT là gì? 2 1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật 3 1.3 Ưu điểm 4 1.4 Ứng dụng 5 1.5 Nhược điểm 8 1.6 Hoạt động 8 1.7 Hướng phát triển 9 CHƯƠNG II 10 LIÊN LẠC BẰNG UWB 10 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Các phương pháp điều chế UWB 11 2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM 14 2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM 14 2.3 Các phương pháp điều chế khác 15 2.3.1 Điều chế xung trực giao 16 2.3.2 Điều chế biên xung 17 2.3.3 Onoff keying 18 2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB 18 2.4 Các chuỗi xung 18 2.4.1 Chuỗi xung Gauss 19 2.4.2 Mã kênh PN 20 2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 21 2.5 Máy phát UWB 23 2.6 Máy thu 24 2.6.1 Tách sóng 25 2.6.2 Tích hợp xung 26 2.6.3 Theo dấu 26 2.6.4 Máy thu Rake 26 2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB 27 2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số 27 2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 27 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 28 2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao 28 2.8 Dung lượng của các hệ thống UWB 30 2.9 So sánh của UWB với các hệ thống liên lạc băng rộng khác 33 2.9.1 CDMA 34 2.9.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 36 2.9.3 Ghép theo tần số trực giao 39 2.10 Nhiễu 43 2.10.1 Các mạng vùng nội hạt không dây 43 2.10.2 Bluetooth 45 2.10.3 GPS 46 2.10.4 Các hệ thống tế bào 47 2.11 Kết luận 48 CHƯƠNG III 49 KĨ THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB 49 3.1 Giới thiệu 49 3.2 UWBIR 50 3.2.1 MRCRAKE 52 3.2.2 MMSERAKE 52 3.3 UWBIR với MMSEFDE 53 3.3.1 Tín hiệu phát dành cho UWBIR với MMSEFDE 53 3.3.2 Tín hiệu thu dành cho UWBIR với MMSEFDE 55 3.3.3 MMSEFDE dành cho UWBIR 56 3.4 DSUWB với MMSEFDE 56 3.5 Kết quả 58 3.6 Kết luận 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH BẢNG iii

DANH SÁCH HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2

1.1 UWB-RT là gì? 2

1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật 3

1.3 Ưu điểm 4

1.4 Ứng dụng 5

1.5 Nhược điểm 8

1.6 Hoạt động 8

1.7 Hướng phát triển 9

CHƯƠNG II 10

LIÊN LẠC BẰNG UWB 10

2.1 Giới thiệu chung 10

2.2 Các phương pháp điều chế UWB 11

2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM 14

2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM 15

2.3 Các phương pháp điều chế khác 16

2.3.1 Điều chế xung trực giao 17

2.3.2 Điều chế biên xung 18

2.3.3 On-off keying 18

2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB 19

2.4 Các chuỗi xung 19

2.4.1 Chuỗi xung Gauss 20

2.4.2 Mã kênh PN 21

2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 22

2.5 Máy phát UWB 23

2.6 Máy thu 25

2.6.1 Tách sóng 26

2.6.2 Tích hợp xung 27

2.6.3 Theo dấu 27

2.6.4 Máy thu Rake 27

2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB 28

2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số 28

2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 28

2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 29

2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao 29

2.8 Dung lượng của các hệ thống UWB 31

2.9 So sánh của UWB với các hệ thống liên lạc băng rộng khác 34

2.9.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 37

2.9.3 Ghép theo tần số trực giao 41

2.10 Nhiễu 45

2.10.1 Các mạng vùng nội hạt không dây 45

2.10.2 Bluetooth 47

2.10.3 GPS 48

2.10.4 Các hệ thống tế bào 49

2.11 Kết luận 50

CHƯƠNG III 51

KĨ THUẬT SAN BẰNG TRONG UWB 51

3.1 Giới thiệu 51

3.2 UWB-IR 52

3.2.1 MRC-RAKE 54

3.2.2 MMSE-RAKE 54

3.3 UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 55

3.3.1 Tín hiệu phát dành cho UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 55

3.3.2 Tín hiệu thu dành cho UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 57

3.3.3 MMSE-FDE dành cho UWB-IR 58

3.4 DS-UWB sử dụng MMSE-FDE 58

3.5 Kết quả 60

3.6 Kết luận 65

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của từng phương pháp điều chế

Bảng 2.2: Các tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt

không dây OFDM

DANH SÁCH HÌNH VẼ

STT Tên hình Trang

Hình 1.1 UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác 3

Hình 1.3 Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao

(HDR_WPAN)

5

Hình 2.2 Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB 12

Hình 2.4 So sánh các kĩ thuật điều chế khác của liên lạc bằng

UWB

16

Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB 23

Hình 2.9 Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng

Hình 3.1 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR 52

Hình 3.3 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR với MMSE-FDE 53

Hình 3.9 Mô hình máy thu dành cho DS-UWB với MMSE-FDE 57

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gauss Noise

BPM Binary Phase Modulation

CDMA Code Division Multiple Access

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

FDMA Frequency Division Multiple Access

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

FDE Frequency Domain Equalization

IWAN Intelligent Wireless Area Network

MHP Modified Hermitian Pulse

MMSE Minimum Mean Square Error

MRC Maximal Ratio Combining

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OPM Orthogonal Pulse Modulation

OPPN Outdoor Peer to Peer Network

PPM Pulse Position Modulation

PAM Pulse Amplitude Modulation

TDMA Time Division Multiple Access

SPIN Sensor Positioning and Identification Network

WPAN Wireless Personal Area Network

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện thì nhu cầu

sử dụng các thiết bị kĩ thuật hiện đại có nhiều tiện ích, dễ sử dụng ngày được nâng cao, như là các công nghệ viễn thông thế hệ thứ 3, thứ 4 hay là các thiết

bị không dây có thể truyền dẫn với tốc độ cao và có khả năng chia sẻ ảnh số, video, âm nhạc, dữ liệu…

Nhưng một vấn đề đặt ra là các hệ thống băng thông hẹp hiện đang sử dụng không thể đáp ứng được các đòi hỏi kĩ thuật của các thiết bị hiện đại trên, vì vậy trên thế giới người ta đã nghiên cứu và tìm ra được một công nghệ mới có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật cần thiết, đó là công nghệ

vô tuyến băng thông cực rộng UWB-RT (Ultra Wideband Radio Technology) Hiện nay, vô tuyến UWB đang được quan tâm, tập trung nghiên cứu trên thế giới UWB đã được xem như một giải pháp truyền dữ liệu vô tuyến băng rộng cho tương lai

Mục đích của đồ án tốt nghiệp này là tìm hiểu công nghệ UWB, các ứng dụng của nó Nội dung chính của đồ án là nghiên cứu đánh giá các giải pháp san bằng tín hiệu cho UWB khi làm việc trong môi trường pha-đinh chọn lọc theo tần số

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB

1.1 UWB-RT là gì?

Công nghệ vô tuyến băng thông cực rộng UWB-RT là giải pháp liên kết không dây giữa các hệ thống máy tính để bàn, máy tính xách tay, các thiết bị cầm tay và các thiết bị điện tử tiêu dùng, mang lại khả năng kết nối dễ dàng

và trao đổi dữ liệu tốc độ cao thường được sử dụng trong văn phòng và ngôi nhà kĩ thuật số

Khi UWB nhập cuộc, giống như các công nghệ chủ đạo khác UWB nhắm mục tiêu vào những người sử dụng gia đình UWB có thể kết nối các thiết bị giải trí trong gia đình lại với nhau một cách hoàn hảo và có tốc độ kết nối cao

Đằng sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào nào là dây nối chuột, bàn phím, màn hình, kết nối USB Chúng thật phiền phức và vướng víu Các nhà cung cấp tin rằng: Một ngày nào đó, UWB sẽ thay thế toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số

So với các hệ thống viễn thông đang sử dụng như là mạng LAN không dây, điện thoại di động thế hệ thứ 2, thứ 3 thì hệ thống UWB tiêu thụ công suất ít hơn và có độ rộng băng tần lớn hơn rất nhiều, điều này được thể hiện như trên Hình 1.1

Hình 1.1: UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác

1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật

Hệ thống UWB gồm các tiêu chuẩn kĩ thuật cơ bản sau :

• Băng tần: 3.1 ÷ 10.6 Ghz (tham khảo Hình 1.2)

• Tốc độ:

- Hiện nay: 252Mbps

- Tương lai: 480Mbps

• Công suất:

- Giới hạn công suất phát : -41.3dBm/Mhz

Hình 1.2: Băng tần hoạt động của UWB

1.3 Ưu điểm

Các nhà nghiên cứu và sản xuất tin tưởng rằng với các ưu điểm nổi bật về giá

cả, tốc độ, hiệu quả sử dụng phổ tần, công suất sử dụng…, công nghệ UWB

sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ có hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng mà các hệ thống băng thông hẹp không thể đáp ứng được

• Do giá rẻ nên các hệ thống UWB có thể đáp ứng được mong muốn bán được nhiều sản phẩm của các nhà sản suất và khả năng mua của người tiêu dùng

• Tốc độ cao của hệ thống UWB sẽ đem lại sự hài lòng cho người sử dụng Hiện nay UWB có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới 480 Mbps trong khoảng cách không quá xa Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là hoàn toàn có khả năng

• Với công suất truyền thấp cỡ 1mW, hệ thống UWB có khả năng tiết kiệm năng lượng và gây ra rất ít nhiễu trong các thiết bị khác trong cùng phạm vi sử dụng

• Do tài nguyên phổ tần là cực kì quí hiếm nên việc sử dụng phổ tần một cách có hiệu quả là rất quan trọng Hệ thống UWB có thể chia sẻ tối ưu tài nguyên phổ tần đang được sử dụng mà không cần phải tìm ra một băng tần mới nhưng không thích hợp Với việc hoạt động trên tần số rất cao cỡ GHz mà chưa có thiết bị vô tuyến nào cùng sử dụng nên các hệ thống UWB không có khả năng gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến khác

• Cho phép người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu với tốc độ cao một cách dễ dàng, đơn giản ở mọi nơi, mọi lúc

1.4 Ứng dụng

Từ nhiều năm trước đã có các ứng dụng viễn thông vô tuyến dựa trên công nghệ UWB trong lĩnh vực quốc phòng, như là các ứng dụng radar hay các hệ thống định vị

Đến nay thì trên thế giới người ta đã đưa ra khá nhiều ứng dụng thương mại khi sử dụng công nghệ UWB

• Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao (HDR_WPAN)

UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (Wireless Personal Area Network) Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, và tiếng nói Ví dụ: bạn có thể xem video trên PC hoặc các thiết bị điện tử khác như máy quay video, máy phát DVD, HD-

TV (High-Definition Television) qua kết nối không dây UWB Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong phạm vi 10m với tốc độ là 100÷500 Mbps

Mạng tế bào vùng rộng

• Mạng vùng không dây thông minh (IWAN)

Mạng IWAN cho phép định vị chính xác các thiết bị có mật độ cao trong nhà, văn phòng nhờ sự hỗ trợ của các dịch vụ nhận biết ngữ cảnh mà các hệ thống băng thông hẹp không thể có được Phạm vi bao phủ khoảng 30m, công suất rất thấp, giá thành rẻ tuy nhiên tốc độ không cao

Hình 1.4: Mạng vùng không dây thông minh (IWAN)

• Mạng cảm ứng, nhận dạng, định vị (SPIN)

Mạng này phù hợp cho các kho hàng và các nhà máy công nghiệp bởi nhiễu và môi trường truyền lan rất đặc trưng đưa tới các toà nhà Khi môi trường này tiếp tục thay đổi, các hệ thống thích nghi và đòi hỏi một số lớn các liên kết tin cậy Mạng SPIN dùng cho một mật độ rất cao các thiết bị truyền tin có tốc độ thấp kết hợp với khả năng định vị chính xác Các thiết

bị hoạt động từ khoảng cách trung bình tới khoảng cách dài và chúng hoạt

DVD

PC

Light TV

Home Controler

Fan

Motion sensor

Temperature sensor

Position sensor

Position sensor

Light sensor Position

sensor

Position sensor

• Mạng đồng cấp ngoài trời (OPPN)

Đây là mạng của các thiết bị UWB để triển khai ở vùng ngoài trời, được sử dụng cho các thiết bị PDA và cho phép các kiot số có thể trao đổi thông tin, download nhanh nhất các văn bản báo cáo, hình ảnh

Ngoài các ứng dụng trên, công nghệ UWB còn có thể cho phép truy nhập Internet với tốc độ cao và được sử dụng trong các thiết bị USB không dây, Bluetooth và các mạng ad hoc

USB không dây áp dụng công nghệ UWB có thể đạt tới cùng một tốc

độ truyền dữ liệu 480 Mb/s Thế nhưng tần số mà nó đòi hỏi ở PC hoặc các thiết bị lại nhỏ hơn so với USB dùng cáp Một điểm hơi bất tiện là USB không dây sẽ chỉ đạt được tốc độ truyền tối đa 480 Mb/s khi thiết bị cách máy tính trong vòng 2m Từ khoảng cách 2m đến 15m, tốc độ truyền giảm xuống còn 110 Mb/s Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết USB không dây sẽ sớm đạt đến tốc độ 1Gb/s và thậm chí là nhanh hơn nữa.UWB hỗ trợ Bluetooth hoạt động nhanh như cáp USB.Với công nghệ này, chuẩn kết nối không dây phạm vi hẹp trong điện thoại di động và các thiết bị khác sẽ tiến một bước mới về tốc độ truyền và dung lượng, cho phép tải video có độ phân giải cao vào máy cầm tay Hiện nay, Bluetooth chỉ phù hợp với những thiết bị tốc độ thấp như tai nghe và bàn phím không dây UWB sẽ hỗ trợ truyền dữ liệu tương đương cáp USB và FireWire trong phạm vi hơn 3 mét

Mạng ad hoc không có cơ sở hạ tầng và nó bao gồm hàng loạt các thiết

bị di động, có thể thông tin với nhau mà không cần các bộ định tuyến cố định, thậm chí là cả các trạm gốc Mỗi nút di động có thể hoạt động như một thiết bị và như một bộ định tuyến Vì thế nó có thể tìm và duy trì một tuyến thích hợp tới các nút khác trong mạng Khi sử dụng công nghệ UWB, hai thiết bị di động trong mạng có thể xác định chính xác khoảng

(nhỏ hơn 1nano giây) Mạng ad hoc sử dụng công nghệ UWB là một ứng dụng mới mà có thể khắc phục được nhược điểm chính của các giải pháp multi-hop truyền thống như là hạn chế công suất, sự lan truyền đa đường

và vị trí của thiết bị di động

1.5 Nhược điểm

Bên cạnh các ưu điểm thì công nghệ UWB vẫn còn tồn tại một số nhược điểm không thể tránh khỏi:

• Mới chỉ sử dụng được trong phạm vi hẹp

• Chưa có một tiêu chuẩn thống nhất giữa các nhà sản xuất với nhau

Hình 1.6: Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH-UWB

1.7 Hướng phát triển

Mục tiêu hàng đầu chính là tìm ra một chuẩn thống nhất giữa các nhà sản suất với nhau và tiến tới mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống Các nhà nghiên cứu dự báo UWB sẽ hoạt động như một loại lớp vận chuyển đa năng cho các ứng dụng không dây phạm vi ngắn.Với những ưu điểm nổi bật chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng công nghệ UWB sẽ thực sự là một cách mạng không dây trong khoảng cách ngắn

CHƯƠNG II LIÊN LẠC BẰNG UWB

Trong chương này chúng ta sẽ xem xét việc liên lạc không dây bằng UWB, đặc biệt sẽ chú ý đến các phương pháp điều chế gồm phương pháp điều chế vị trí xung PPM, phương pháp điều chế pha nhị phân, điều chế xung trực giao và

sự phối hợp của các phương pháp đó Các dãy của các xung riêng rẽ trên các luồng xung sẽ được giới thiệu Việc thiết kế máy thu và việc tách xung cũng

sẽ được tìm hiểu

Chúng ta đi từ môi trường một người sử dụng cho đến xem xét kỹ thuật

đa truy nhập của liên lạc bằng UWB và sẽ xem xét dung lượng của kênh UWB không dây Hiệu quả của UWB trên các phương pháp liên lạc không dây đang có như là các chuẩn mạng vùng nội hạt không dây IEEE 802.11 và Bluetooth sẽ được chỉ ra Hàng loạt các phương pháp ngăn ngừa nhiễu từ các

hệ thống băng hẹp tới UWB cũng sẽ được nghiên cứu

Cuối cùng, khám phá quan trọng dựa trên các giá trị và các khuyết điểm liên quan của UWB như là phương pháp liên lạc với các kỹ thuật liên lạc băng rộng khác như là CDMA, OFDM được tìm hiểu

2.1 Giới thiệu chung

Liên lạc có thể được định nghĩa chung là truyền dẫn thông tin từ nguồn tin tới nơi nhận Trong chương này chúng ta định nghĩa việc liên lạc hẹp hơn bởi hạn chế của chúng ta về liên lạc không dây của luồng dữ liệu số thông tin sử dụng các xung cực ngắn Chúng ta tập trung vào lớp vật lý trong các giao thức tổ chức chuẩn quốc tế ISO

Mô hình chung của một hệ thống liên lạc được thể hiện ở Hình 2.1 Có

ba yếu tố cơ bản được chỉ ra:

• Máy phát: có nhiệm vụ là nhóm dãy dữ liệu số thành các symbol, rồi sắp xếp các symbol trên dạng sóng tương tự và sau đó phát chúng vào không trung qua anten

• Kênh truyền: miêu tả tác động của việc truyền qua khoảng không, bao gồm cả việc phản xạ, làm méo các xung điện từ tác động lên các đối tượng khác

• Máy thu: thu tất cả các năng lượng điện từ từ anten, lấy tín hiệu cực yếu, tạo lại dạng xung, rồi sắp xếp nó theo các dấu thích hợp và sau đó tới dãy bit nhị phân

Trong chương này chúng ta sẽ chỉ xem xét chi tiết đến cấu trúc máy phát

và máy thu, cụ thể là cơ sở các khía cạnh của việc liên lạc như là điều chế

Hình 2.1: Mô hình chung của một hệ thống liên lạc

2.2 Các phương pháp điều chế UWB

Một xung UWB đơn lẻ không chứa đựng thông tin về chính nó, chúng ta phải thêm thông tin số cho xung tương tự bằng cách điều chế.Trong các hệ thống UWB có rất nhiều các phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thật chi tiết

Bằng cách phân loại các phương pháp điều chế, chúng ta có hai kiểu cơ bản của phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB được thể hiện ở

Các kĩ thuật dựa vào thời gian Các kĩ thuật dựa vào hình dạng

Hình 2.2: Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB

Phương pháp thông dụng nhất là phương pháp điều chế vị trí xung (PPM), tức là mỗi xung được giữ chậm hoặc được gửi đi trước mức thời gian không đổi Vì vậy hệ thống liên lạc nhị phân đã được thiết lập về phía trước hoặc về phía sau luân phiên theo thời gian Hệ thống M-ary có thể được tạo ra bằng sự chậm trễ thời gian riêng biệt của mỗi xung

Phương pháp thông dụng khác của điều chế là đảo ngược xung, tức là tạo xung bằng pha ngược nhau, phương pháp này được gọi là điều chế pha nhị phân (BPM).Điều chế xung trực giao là một kĩ thuật điều chế đáng quan tâm, phương pháp này cần phải có các dạng xung trục giao nhau được phát đi Các

Điều chế dạng xung tổng quát( ,điều chế xung trực giao

OPM)

kĩ thuật khác được biết đến dành cho điều chế đều có thể sử dụng được Ví dụ:

• OOK là kĩ thuật điều chế mà sự có mặt hay vắng mặt của xung biểu thị trạng thái số “0” hoặc “1” tương ứng

• Điều chế biên xung (PAM) là kĩ thuật mà biên của các xung thay đổi để bao hàm trạng thái số

Trong tương lai, một số kĩ thuật điều chế truyền thống sẽ không còn được sử dụng Như là phương pháp điều tần (FM) rất khó áp dụng vào UWB, do mỗi xung bao gồm nhiều phần tần số khiến cho rất khó để điều chế Chúng ta chú ý là không được nhầm lẫn với phương pháp phân chia theo tần số (FDM), đây là kĩ thuật khác hoàn toàn, dùng để chia các kênh liên lạc và đặt cơ sở cho các khối lớn hơn của tần số (được nghiên cứu sau).Chúng ta bắt đầu tìm hiểu lần lượt các phương pháp điều chế khả thi.Đầu tiên chúng ta tìm hiểu hai kĩ thuật thông dụng nhất là: PPM và BPM Một sự so sánh đơn giản giữa hai phương pháp được chỉ trên Hình 5.3 Trong Hình 2.3a là dãy xung chưa được điều chế dùng để so sánh.Ví dụ với phương pháp PPM, xung tương ứng với trạng thái “1”được giữ chậm đúng lúc (xung hiện ra được di chuyển tới vị trí bên phải), xung tương ứng với trạng thái “0” di chuyển tới vị trí bên trái (Hình 2.3b) Với phương pháp BPM thì xung đảo tương ứng với trạng thái “0”, còn xung không đảo tương ứng với trạng thái “1” (Hình 2.3c)

1 2 3 4

(a) Dãy xung chưa được điều chế

0 1

1

2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM

Điều chế pha nhị phân BPM có thể được định nghĩa như là một dạng của điều chế hình dạng Vì pha của một hệ thống liên lạc có hình sin được gắn với sự trễ của một sóng sin, việc dùng quá nhiều thuật ngữ pha trong UWB có thể bị nhầm lẫn Tuy nhiên việc sử dụng BPM đã trở nên thông dụng trong UWB, vì vậy chúng ta tiếp tục sử dụng nó ở đây Điều chế pha nhị phân được hiểu đơn giản là sự đảo ngược của dạng xung riêng biệt, bởi vậy chúng ta đưa ra hàm sau

s i =σi p t( ), σi = − 1, 1 (2.3)

để tạo ra một hệ thống nhị phân đặt cơ sở cho việc đảo ngược xung cơ sở p t( )

Thông số σ thường được hiểu như là độ nặng xung, nhưng ở đây chúng ta

sẽ xem nó như là thông số hình dạng Với một hệ thống nhị phân, hai hình dạng xung tổng hợp s1, s2 được định nghĩa đơn giản là s1 = p t( ) và s2 = −p t( ).

Một trong các lí do sử dụng điều chế pha nhị phân, đặc biệt trong việc

so sánh với điều chế vị trí xung là độ lợi 3dB trong hiệu quả công suất Đây chỉ là chức năng của kiểu phương pháp điều chế Điều chế pha nhị phân là một phương pháp điều chế hoàn toàn đối lập

Nếu PPM giữ chậm bằng một độ rộng xung, thì BPM có thể gửi gấp hai lần số các xung và hai lần thông tin, vì vậy đạt được một hệ thống mà tất cả mọi thứ khác trở nên ngang bằng, gấp hai lần tốc độ dữ liệu

Cái lợi nữa của việc sử dụng BPM là giá trị trung bình của σ bằng

zero Ngoài ra điều chế pha nhị phân trong UWB còn có hàng loạt lợi ích khác:

• Nó đưa ra một tỉ lệ công suất yếu tới trung bình ít hơn 8 dB Vì vậy, việc dùng pha nhị phân không đòi hỏi các diod tunnel hay mạch khuếch đại công suất Thay vào đó nó có thể được lái trực tiếp từ IC CMOS có tốc độ cao, điện áp thấp

Hình 2.4: So sánh các kĩ thuật điều chế khác của liên lạc bằng UWB

2.3.1 Điều chế xung trực giao

Trong ba kĩ thuật điều chế không theo qui ước, điều chế xung trực giao (OPM) có đặc tính là các xung trực giao với nhau Thuận lợi của việc sử dụng các xung trực giao không liên quan mật thiết tới việc điều chế nhưng liên quan hơn đến phương pháp đa truy nhập

Trong hệ thống liên lạc có hình sin băng thông hẹp, các hàm sin và cos trực giao tạo thành cơ sở của thông tin liên lạc Trong UWB chúng ta có thể thiết kế các dạng xung khác nhau mà có đặc tính trực giao với nhau Đáng tiếc

là một thông số dạng xung đơn giản σ là không đủ để mô tả tập hợp các xung

(a) Dãy xung chưa được điều chế

1

mà chúng ta có thể gặp phải, và ở đây chúng ta xem mỗi xung trong tổng

1 2 i

p p p được thiết kế là trực giao với nhau

Ba kĩ thuật điều chế đã hiện diện trước là điều chế vị trí xung, điều chế pha nhị phân và điều chế xung trực giao đã được đề xuất sử dụng trong thông tin liên lạc băng thông cực rộng Trong thời gian tới thì hai kĩ thuật điều chế biên xung và OOK cũng được dùng trong UWB

2.3.2 Điều chế biên xung

Điều chế biên xung (PAM) có thể tương ứng với hàm sau

s i =σi p t( ) σi > 0 (2.4)

thông số dạng xung σ lấy các giá trị dương lớn hơn 0.Ví dụ chúng ta lấy

1,2

i

σ = và thu được xung nhị phân s1= p t s( ), 2 = 2 ( )p t .

Về mặt tổng quát điều chế biên độ không được ưu tiên cho việc liên lạc pham vi cực ngắn Do là tín hiệu đã điều chế biên độ thì có biên độ nhỏ hơn,

do đó dễ mắc phải nhiễu, tạp âm hơn là biên độ rộng hơn tương ứng với nó Trong các hệ thống có hình sin, các hệ thống đã điều chế biên độ thường được biểu thị bởi các yêu cầu độ rộng băng thông hẹp tương đối và không có hiệu quả công suất Vì vậy, lợi ích chính (độ rộng băng thông hẹp) có thể được xem là trái với UWB, và trong phần lớn các ứng dụng UWB có hiệu quả công suất cao

Khó khăn chính của OOK là sự có mặt của đa đường, trong đó sự dội lại của các xung chính hay các xung khác làm nó khó xác định rõ xung không

có mặt OOK là phương pháp điều chế nhị phân, tương tự như BPM, nhưng

nó không thể mở rộng tới phương pháp điều chế M-ary như là PPM, PAM và OPM

2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB

Sau khi đã tìm hiểu về các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB, chúng ta sẽ đưa ra ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp điều chế như trong bảng sau:

Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của từng phương pháp điều chế

2.4 Các chuỗi xung

Trong phần này chúng ta xem xét tập hợp các xung được dùng cho việc điều chế của thông tin số trên các dạng xung tương tự Bây giờ chúng ta sẽ chú ý tới các chuỗi xung mà sẽ có thể phát rất nhiều trong thông tin hơn là một xung đơn lẻ Một chuỗi xung chưa điều chế s t( ) với một xung không đổi ở đầu ra được viết là

Hiệu quả của việc thay đổi khoảng thời gian xung và tốc độ lặp lại của mỗi xung có thể được xem xét chi tiết như sau:

• Việc tăng tốc độ xung trong miền thời gian làm tăng độ lớn trong miền tần số (ví dụ tốc độ xung làm tăng độ lớn của phổ)

• Khoảng thời gian xung càng bé trong miền thời gian thì độ rộng phổ càng rộng trong miền tần số (khoảng thời gian xung quyết định độ rộng phổ)

• Khoảng cách xung với xung ngẫu nhiên làm cho độ rộng đỉnh của phổ

bé hơn khoảng cách xung với xung không đổi vì thế các thành phần tần

số lẻ được trải ỏ trên phổ và phần thêm của độ rộng có hiệu quả ít hơn Tức là khoảng cách xung với xung điều khiển sự chia cắt của các thành phần phổ

2.4.1 Chuỗi xung Gauss

Có một vấn đề của các đỉnh phổ khi chuỗi xung không đổi được dùng trong PPM Các luồng năng lượng có thể gây ra nhiễu với các hệ thống RF khác trong phạm vi ngắn và giới hạn số luợng năng lượng đã truyền cần thiết Một phương pháp để khắc phục các đỉnh phổ là mã tín hiệu phát bằng cách thêm vào mỗi xung một lượng bù ngẫu nhiên, di chuyển các thành phần phổ thông thường Tuy nhiên, khi chúng ta cố gắng liên lạc với lượng bù ngẫu nhiên chưa biết ở máy thu, làm cho nó thực sự khó để thu được và theo vết tín hiệu phát UWB

Một phương pháp khác với các đặc tính ngẫu nhiên tương tự nhưng sử dụng chuỗi đã biết, đó là sử dụng chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN để thêm một lượng bù vào tín hiệu PPM Vì vậy các mã này được biết và dễ dàng sao chép lại ở máy thu, vấn đề của máy thu trở thành dành được phần lớn tín hiệu, nhưng theo dấu dễ dàng hơn nhiều

2.4.2 Mã kênh PN

Việc sử dụng PN có nhiều lợi ích bên cạnh việc giảm bớt các đỉnh phổ do các xung không đổi phát ra.Vì mã PN là mã kênh nó có thể được sử dụng như một phương pháp đa truy nhập để chia sẻ người sử dụng trong một dạng tương tự

về đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Bằng việc di chuyển mỗi xung tại một khoảng thời gian giả ngẫu nhiên, các xung xuất hiện là nhiễu nền trắng đến người sử dụng bằng một mã PN khác Hơn nữa, việc sử dụng các

mã PN làm cho việc truyền dữ liệu chắc chắn hơn trong một môi trường có nhiều tác động không có lợi

Chuỗi của các xung được chỉ ra ở công thức (2.8)

với y t , g3( ) N t,và t là thời gian chữ chậm liên hợp với số xung n Thời gian d n

giữ chậm này có quan hệ với mã đầu vào và có thể được tính theo một cách khác: ví dụ theo công thức (2.9)

t d n =nT f +T p n +T c n (2.9)

với T là thời gian lặp lai xung, f T là thời gian thay đổi ngẫu nhiên có quan c n

hệ với chuỗi mã PN, và T là thời gian thay đổi từ sơ đồ điều chế vị trí xung, p n

2 ( ) 2

N i

j ft f

2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian

Chúng ta có thể kết hợp các kĩ thuật đã giới thiệu để làm nên một máy phát UWB đơn giản Chúng ta sẽ sử dụng mã nhảy thời gian và phương pháp điều chế xung nhị phân với một dạng xung đơn có liên quan ( )p t Hệ thống này

thường được thấy trong tài liệu Hệ thống này chỉ yêu cầu một xung mẫu đơn cho việc thu nhận và phần lớn sự phức tạp của hệ thống nằm ở sự điều chỉnh chính xác được dự phòng của chuỗi đã phát và việc thu nhận tiếp sau Trong Hình 2.5 chúng ta thấy đầu ra của một máy phát UWB đơn giản Và mô tả nó trong trường hợp một người sử dụng nhưng chúng ta mở rộng dễ dàng và đơn giản cho trường hợp nhiều người dùng bằng cách sử dụng các mã nhảy thời gian khác nhau mà thường sẽ là các mã giả nhiễu

Đầu tiên, chúng ta chú ý rằng có một xung đã phát trong mỗi khung của thời gian T Tần số lặp lại xung (PRF) là f

Hình 2.5: Đầu ra hệ thống điều chế xung nhị phân

Để tránh các vạch phổ và để cung cấp cách phân biệt người sử dụng chúng ta thêm một thay đổi thời gian đặt dựa vào mã nhảy thời gian T , mã lặp lại c n

trong một khoảng chắc chắn Cuối cùng ở đầu ra, tín hiệu đã điều chế vị trí xung là

tính cá nhân, ứng dụng lịch trong thiết bị hỗ trợ số cá nhân (PDA) hay là dãy

số của dữ liệu từ máy DVD Từ triển vọng của lớp vật lí thì dữ liệu có thể là bất cứ thứ gì trong tất cả các ứng dụng Phần này trong thiết bị không dây thường được gọi là “ phần cuối” Thuật ngữ này không thấy rõ ngay lập tức, nhưng nó là phổ biến để xem xét tới quan điểm của máy thu

Dãy thông tin nhị phân này sau đó được truyền tới “phần trước”, đó là phần của máy phát mà chúng ta quan tâm tới Nếu các giản đồ điều chế cao hơn được sử dụng thì thông tin nhị phân phải chuyển đổi từ các bit thành các dấu, với mỗi dấu tương ứng cho nhiều bit Các dấu này sau đó được chuyển đổi thành một dạng xung tương tự Các dạng xung được phát đi bởi phần phát xung Mạch điện điều chỉnh chính xác được yêu cầu để gửi các xung ra ngoài tại các khoảng thời gian có nghĩa Nếu PPM được dùng thì việc điều chỉnh phải chính xác hơn, thường ít hơn độ rộng một xung Các xung sau đó được khuếch đại trước khi được phát đi Tuy vậy không cần hệ số khuếch đại công suất lớn

Mặc dù đã bỏ qua sơ đồ sửa lỗi phía trước nhưng mẫu máy phát này đã đáp ứng được mục đích để chỉ ra rằng máy phát UWB có thể là hoàn toàn đơn giản

Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB

2.6 Máy thu

Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB được thể hiện trong hình 2.7 Máy thu thực hiện hoạt động ngược với máy phát để thu lại dữ liệu và chuyển

dữ liệu tới “phần cuối”, nơi mà các ứng dụng cần đến

Có hai khác biệt chính giữa máy phát và máy thu Một là máy thu sẽ hầu như chắc chắn có một khối khuếch đại để tăng công suất tín hiệu của các tín hiệu yếu đã nhận được Hai là máy thu phải thực hiện các chức năng của

sự tách sóng hay là việc thu nhận nhằm xác định các xung đã yêu cầu giữa các tín hiệu khác nhau, và sau đó tiếp tục theo dấu các xung để bù cho bất kì việc ghép nối sai nào giữa các đồng hồ của máy phát và của máy thu

-Mạch điện điều chỉnh

Các bit thành các dấu

Dãy dấu

Dãy dữ liệu nhị phân

Phát xung Phần trước

001010

Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB

2.6.1 Tách sóng

Có tín hiệu đã phát cùng với các đặc trưng phổ mong muốn là cần thiết để có một hệ thống thu tốt nhất Kĩ thuật thu tốt nhất thường được sử dụng trong UWB là thu tương quan, thường được biết đến là một máy thu tương quan Máy thu tương quan làm tăng lên nhiều lần tín hiệu RF thu được bằng một dạng sóng mẫu và sau đó tích hợp đầu ra của quá trình đó để mang lại điện áp một chiều duy nhất Quá trình làm tăng và tích hợp xảy ra trên khoảng thời gian của xung và được thực hiện trong thời gian ít hơn một nano giây

Nếu chúng ta cho rằng PPM như là phương pháp điều chế thì máy thu tương quan là một máy tách sóng sớm/muộn tốt nhất Ví dụ, khi xung đã thu

Phát xung

Các dấu thành các bit

Dãy dấu

Dữ liệu có ý nghĩa được phát bởi các ứng dụng

Khuếch

đại

Dãy dữ liệu nhị phân 001010

Trong trường hợp các tín hiệu nhiễu trong băng thu được bằng UWB thì đầu ra của máy thu tương quan có giá trị trung bình bằng 0 Hơn nữa, sự sai lệch chuẩn hay rms của đầu ra máy thu tương quan được quan hệ với công suất của các tín hiệu nhiễu trong băng.

2.6.2 Tích hợp xung

Khi một chu kì đơn (monocycle) bị che trong nhiễu của các tín hiệu khác nhau, thì thật sự khó khăn để tách một xung UWB đơn và chắc chắn rằng chúng ta có thể thu được thông tin đã phát là yếu Tuy nhiên, bằng việc thêm đồng thời nhiều mẫu máy thu tương quan thì việc thu các tín hiệu đã phát đạt được độ tin tưởng cao hơn Quá trình này được gọi là tích hợp xung Nhờ tích hợp xung, các máy thu UWB có thể thu được, theo dấu, và giải điều chế các tín hiệu truyền dẫn UWB dưới nền nhiễu Phép đo hiệu suất của máy thu UWB mặc dù có các tín hiệu nhiễu trong băng được gọi là quá trình tăng ích

2.6.4 Máy thu Rake

Do hiện tượng phản xạ và các hiệu ứng khác của kênh truyền gây ra rất nhiều

dụng thì các xung thêm có thể được dùng để cải thiện sự thu nhận làm tăng sự phức tạp máy thu Việc làm tăng sự phức tạp đến từ mạch điện đã yêu cầu thêm để theo dấu nhiều xung và giải điều chế chúng

2.7 Các kĩ thuật đa truy nhập trong UWB

Từ trước đến giờ chúng ta đã ngầm cho rằng chỉ có một người dùng sử dụng

hệ thống UWB ở bất kì thời gian nào Mặc dù các hệ thống UWB tiêu dùng đang ở thời kì đầu, chúng ta phải xem xét làm thế nào là tốt nhất để thiết kế một hệ thống UWB cho nhiều người sử dụng Tất nhiên là tất cả các phương pháp đa truy nhập truyền thống phải được xem xét đến Tuy nhiên ở đây chúng ta xem xét đa truy nhập phân chia theo tần số, thời gian và mã Và chúng ta cũng xem xét một trường hợp đặc biệt của UWB là hệ thống đa truy nhập xung trực giao

2.7.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số

Một kĩ thuật đa truy nhập thông thường trong liên lạc băng thông hẹp là chia người sử dụng dựa vào độ rộng băng tần, đó là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Mỗi người dùng sử dụng một băng tần con khác nhau để phát

và thu Trong UWB, FDM bị giành bởi các xung đang dùng có độ rộng băng hẹp hơn tổng độ rộng băng có thể dùng được; tuy nhiên, chúng vẫn là băng tần rất rộng

2.7.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), mỗi người dùng sử dụng các mã như nhau và băng tần như nhau; tuy nhiên, một khoảng thời gian khác nhau là cần thiết để tránh nhiễu Thông thường, yêu cầu tất cả người dùng phải đồng bộ với nhau, và đây là một nhiệm vụ không dễ dàng vì số

người dùng luôn tăng lên Kĩ thuật này chỉ được áp dụng cho đường xuống (từ một trạm gốc trung tâm) tới những người dùng di động.

2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo mã

Một kĩ thuật đa truy nhập có thể được áp dụng trong UWB là phân một mã trải phổ khác nhau với mỗi người dùng, đó là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Ví dụ, chúng ta lấy công thức (2.14) và sửa nó đi, vì thế chúng ta

có thể chia k người dùng bởi mã khác nhau Chúng ta xem đầu ra của người dùng k từ máy phát là

dùng chúng ta phải có một mã nhảy thời gian rõ ràng, mà chúng ta gán là T c( )n k

2.7.4 Hệ thống đa truy nhập xung trực giao

Một hệ thống liên lạc M-ary có thể được tạo ra từ bất kì tập hợp các dạng xung trực giao nào, như là ( )h t hay ( ) n p t Để đơn giản chúng ta hãy chỉ n

quan tâm các dạng sóng xung Hermitian (MHP) đã thay đổi

Chúng ta tùy ý giả sử rằng các mã nhị phân 2 bit 00, 01, 10 và 11 được tượng trưng bằng các xung MHP của các thứ tự n=1,2,3,4 Bằng việc ấn định các kiểu đa bit tới các dạng xung đơn, dữ liệu tốc độ cao hơn có thể đạt được đơn giản hơn bằng cách gửi đi các dạng xung khác nhau Hơn nữa, nếu muốn thì nó có thể được mở rộng theo một sơ đồ đã mã

Từ các xung MHP trực giao thì một hệ thống nhiều người dùng có thể được tạo bằng việc sử dụng bốn dạng xung tương tự nhau Ví dụ, bằng việc

ấn định các xung MHP của các thứ tự n=1,2cho người dùng thứ nhất và 3,4

n= cho người dùng thứ hai

Với một hệ thống liên lạc nhị phân sử dụng phương pháp điều chế xung trực giao, chúng ta muốn biết có phải một xung tương ứng cho 0 hoặc 1 được thu không Để đạt được điều này, chúng ta cần phát bản sao của của mỗi dạng xung và tích hợp nó với xung đã thu Thông thường, hai tập hợp đầy đủ của phần cứng được cần để tạo ra hai xung của các dạng khác nhau Tuy nhiên, bởi vì các dạng xung Hermitian đã sửa thứ tự thấp hơn có thể được phát bằng cách tích hợp một xung thứ tự cao hơn, nên một máy phát đa xung có độ phức tạp thấp có thể được tạo ra Chúng ta sử dụng một xung trực giao Hermitian

đã sửa có thứ tự riêng biệt từ máy phát xung đầu tiên để phát một xung trực giao Hermitian đã sửa thứ tự khác nhau tại máy phát xung thứ hai Cấu tạo của máy phát thứ hai là phức tạp hơn một chút nếu các xung trực giao Hermitian đã sửa có thứ tự khác nhau được tạo ra từ một tín hiệu nguồn Vì vậy, chỉ một tín hiệu nguồn đơn là cần thiết để tạo ra hai xung thứ tự khác nhau

Bằng việc sử dụng một trong các đặc tính của các xung để phân biệt hay tích hợp chúng thì xung khác có thể được tạo ra, với thứ tự các xung là một nhiều hay một ít hơn xung trực giao tương ứng Trong Hình 2.8, n=2là đầu vào của hệ thống, cùng với một xung có độ rộng đã ghi rõ Độ rộng của xung vào được xác định bởi độ rộng mong muốn của xung ra và được làm gần đúng bằng hai lần độ dài xung ra Trong khi xung vào đã bật thì xung sẽ được tạo ra, nhưng một khi xung vào là 0 thì đầu ra bất kì sẽ bị chặn Trong một mạch thực tế, công suất sẽ được chuyển lại từ đầu vào, vì thế không đầu

ra nào có kết quả trong bất cứ trường hợp nào Xung thêm được tạo bằng cách

tích hợp đầu ra từ một xung thứ tự n Vì thế, xung có thứ tự n−1được tạo ra