Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu IRUWB tốc độ thấp

Danh sách kí hiệu toán họcfc Tần số trung tâm của băng fH Tần số cận trên -10 dB fL Tần số cận dưới -10 dB B Băng thông của băng g0t Xung Gaussian đơn chu trình gkt Vi phân cấp k của xun

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH

2 PGS.VŨ QUÝ ĐIỀM

Hà Nội – 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Phạm Văn Bình và PGS

Vũ Quý Điềm

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Thay mặt tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh

PGS TS Phạm Văn Bình Trần Mạnh Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai người hướng dẫn của tôi: PGS TS Phạm Văn Bình và PGS Vũ Quý Điềm, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án với

sự tận tụy, sáng suốt và khoa học cao

Tôi rất biết ơn và trân trọng sự giúp đỡ quý báu của TS Đặng Quang Hiếu, TS Nguyễn Đức Minh, TS Hoàng Phương Chi và các thành viên trong nhóm nghiên cứu Thiết kế vi mạch (BKIC), Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới cơ quan tôi đang công tác: Bộ môn Mạch và

Xử lý tín hiệu, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội vì sự ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh

Xin được gửi lời cảm ơn tới những nhà khoa học, bạn đồng nghiệp vì những góp ý thiết thực cho luận án này

Và xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới vợ, con trai và gia đình tôi,

những người đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực giúp tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Trần Mạnh Hoàng

Mục lục

Danh sách kí hiệu toán học 6

Chương 1 Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng 21

1.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng 21

1.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB 22

1.1.2 Chuẩn hóa và ứng dụng 24

1.2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB 27

1.2.1 Máy thu RAKE 29

1.2.2 Máy thu truyền tham chiếu 31

1.2.3 Kết quả mô phỏng 33

1.3 Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB 34

1.3.1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng 35

1.3.2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu 35

1.4 Thuật toán SVD 36

1.5 Mô hình kênh vô tuyến UWB 38

1.5.1 Mô hình kênh đa đường tổng quát 38

1.5.2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela 40

1.5.3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 42

1.6 Kết luận chương 1 44

Chương 2 Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên

2.1 Thuật toán đồng bộ 46

2.2 Triển khai trên Simulink và HDL 49

2.2.1 Thiết kế 50

2.2.2 Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng 53

2.3 Tổng hợp và mô phỏng 55

2.3.1 Tổng hợp 55

2.3.2 Kết quả mô phỏng 56

2.4 Kết luận chương 2 57

Chương 3 Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB 58 3.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD 58

3.1.1 Thuật toán máy thu cải tiến 58

3.2 Thuật toán tính SVD 63

3.2.1 Bidiagonalization 66

3.2.2 Diagonalization 68

3.2.3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation 70

3.3 Thuật toán CORDIC 70

3.3.1 Chế độ Rotation 73

3.3.2 Chế độ Vectoring 74

3.4 Thuật toán CORDIC cải tiến 74

3.5 Kết luận chương 3 78

Chương 4 Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a 80 4.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a 81

4.1.1 Tiêu đề đồng bộ 81

4.1.2 Khối giới hạn khung 83

4.1.3 Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu 83

4.2 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu 84

4.3 Thuật toán đồng bộ tín hiệu 85

4.3.1 Đồng bộ thô 86

4.3.2 Đồng bộ tinh 88

4.4 Mô phỏng và kết quả 97

4.4.1 Đồng bộ thô 99

4.4.2 Đồng bộ tinh 1014.5 Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên FPGA1044.5.1 Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL 1044.5.2 Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA 1074.6 Kết luận chương 4 110

Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo 112

Danh mục các công trình đã công bố của luận án 114

Danh mục từ viết tắt

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit

BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải

BPM Burst Position Modulation Điều chế vị trí cụm xung

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CM Channel Model Mô hình kênh

CORDIC COordinate Rotation DIgital Xoay tọa độ dùng máy tính số

Computer

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý số

ECC Electronics Communications Ủy ban truyền thông điện tử châu Âu

Committee

ED Energy Detection Tách sóng năng lượng

FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông Liên bang MỹFPGA Field Programmable Gate Arrays Mảng phần tử logic khả trình

FSM Finite State Machine Máy trạng thái hữu hạn

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Communications

HDL Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng

IEEE Institute of Electrical and Viện Kĩ thuật Điện - Điện tử

Electronics Engineers

IFI InterFrame Interference Giao thoa liên khung

IPI InterPulse Interference Giao thoa liên xung

IR Impulse-Radio Xung vô tuyến

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

LOS Light-of-Sight Đường truyền thẳng

MBD Model-Based Design Thiết kế dựa trên mô hình

MIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào - đa đầu ra

NLOS Non Light-of-Sight Không có đường truyền thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh đa sóng mang trực giao

Multiplexing

PAM Pulse-Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PDP Power Delay Profile Hàm trễ công suất

PPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xung

PHR Physical-layer HeadeR Tiêu đề lớp vật lí

PSDU PHY Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY

SFD Start of Frame Delimiter Khối giới hạn khung

SHR Synchronization HeadeR Tiêu đề đồng bộ

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âmSVD Singular Value Decomposition Phép phân tích trị riêng

SYNC SYNChronization preamble Mào đầu đồng bộ

TR Transmit-Reference Truyền tham chiếu

VLSI Very-Large-Scale Integration Mạch tích hợp tỉ lệ rất lớn

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân

UWB Ultra-WideBand Băng siêu rộng

Danh sách kí hiệu toán học

fc Tần số trung tâm của băng

fH Tần số cận trên (-10 dB)

fL Tần số cận dưới (-10 dB)

B Băng thông của băng

g0(t) Xung Gaussian đơn chu trình

gk(t) Vi phân cấp k của xung Gaussian đơn chu trình

Nf Số mẫu trong một khung

hi Tuyến trễ thứ i qua kênh đa đường

τi Độ trễ của tuyến thứ i qua kênh đa đường

r(t) Tín hiệu đến máy thu

h(t) Xung UWB nhận được tại máy thu

s Kí tự dữ liệu phát đi

x(t) Tín hiệu nhận được tại máy thu TR-UWB sau bộ tương quan

δ(·) Hàm delta Dirac

βk Hệ số khuếch đại của tia thứ k

θk Độ dịch pha của tia thứ k

Th Chiều dài kênh truyền

τrms Trải trễ hiệu dụng của kênh truyền

ω Tần số điều chế cao tần

λ Tốc độ đến của các tia trong cụm

τk,l Thời gian đến của tia thứ k trong cụm tia thứ l

θ Góc quay CORDIC

Ki Hằng số tại mỗi phép quay CORDIC

ck Chuỗi cân bằng hoàn hảo

Si Kí tự mào đầu

⊗ Toán tử Kronecker

Tpsym Chiều dài của kí tự mào đầu IEEE 802.15.4a

Tdsym Chiều dài của kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a

TBP M Chiều dài của một nửa kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a

Tburst Chiều dài của một cụm xung trong kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a

Nshr Số kí tự trong phần SHR

Nsync Số kí tự trong phần SYNC

Nsf d Số kí tự trong phần SFD

Kpbs Số kí tự của chuỗi cân bằng hoàn hảo

q(t) Dạng xung UWB nhận được tại máy thu UWB IEEE 802.15.4ay(t) Tín hiệu nhận được sau bộ LPF của máy thu UWB IEEE 802.15.4a

sc Mẫu tương quan

Ls Số phần tử trong mẫu tương quan

λ Ngưỡng được sử dụng trong [14]

λ0 Ngưỡng do luận án đề xuất

Danh sách hình vẽ

1.1 Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM 23

1.2 Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 24

1.3 Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất 25

1.4 Điều chế PAM hai mức (M = 2) 28

1.5 Điều chế PPM 29

1.6 Xung UWB khi truyền qua kênh đa đường 29

1.7 Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản 30

1.8 Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu 32

1.9 Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản 32

1.10 Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE 34

1.11 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela a) Sự suy giảm công suất theo hàm mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng xung của kênh truyền 41 2.1 Minh họa cho quá trình đồng bộ 47

2.2 Lưu đồ triển khai thuật toán máy thu TR-UWB đơn giản trên phần cứng 48

2.3 Quy trình thiết kế MBD 50

2.4 Hệ thống thu phát TR-UWB trên Simulink 51

2.5 Kiến trúc của bộ xử lý băng gốc 51

2.6 Lưu đồ FSM 52

2.7 Mô hình khối sliding_window 53

2.8 Mô hình khối accumulator 53

2.9 Mô hình khối detect_max_model 54

2.10 Thiết kế HDL trong mô hình Simulink 54

2.11 BER vs SNR 56

3.1 Máy thu TR-UWB đơn giản 59

3.2 Một khung tín hiệu x(t) tại phía thu 59

3.3 Khung dữ liệu sau bộ tương quan được cắt nhỏ 61

3.4 Khung tín hiệu thu được bị dịch đi một khoảng thời gian τ 62

3.5 Đồ thị BER vs SNR cho các thuật toán máy thu khác nhau 63

3.6 Khả năng chống sai lỗi thời gian của thuật toán máy thu đã hiệu chỉnh 64 3.7 Các bước tính toán SVD 65

3.8 Thuật toán quay vector cột 66

3.9 Thuật toán quay vector hàng 67

3.10 Thuật toán Bidiagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation 68 3.11 Ma trận thu được sau bước Bidiagonalization 68

3.12 Thuật toán Diagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation 69

3.13 Ma trận thu được sau bước Diagonalization 70

3.14 Thuật toán SVD hoàn chỉnh sử dụng phép quay Givens Rotation 71

3.15 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC 75

3.16 Sai số của phép quay CORDIC phụ thuộc vào định dạng dữ liệu và số vòng lặp 76

3.17 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC cải tiến 78

4.1 Cấu trúc phần SHR 82

4.2 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a 83

4.3 Sơ đồ khối của máy thu UWB tách sóng năng lượng không đồng bộ 84 4.4 Dạng xung q(t) tại đầu ra của bộ lọc LPF 85

4.5 Các bước thực hiện đồng bộ tín hiệu 86

4.6 Mảng gi được tính toán với từng nhóm mẫu yi 87

4.7 Với chuỗi {ck} được sử dụng trong luận án, lựa chọn Q = 3 luôn cho một giá trị cực đại duy nhất của mảng gi Hai phần tử 0 được thêm vào cuối chuỗi để mỗi nhóm có đủ 3 phần tử 88

4.8 Quá trình thực hiện đồng bộ tinh 89

4.9 Cách thức ước lượng τ 90

4.10 Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) 91

4.11 Giá trị của S[ ˜m, ˜nε] đạt cực đại khi ˜m = m và ˜nε = nε 92

4.12 Dạng sóng của S0[m, ˜nε] (bỏ qua tạp âm) 93

4.13 Dạng của S0[m, ˜nε] với Ts = 2ns và Ts= 16ns 94

4.14 So sánh giữa λ0 với λ khi Ts= 16ns 96

4.15 So sánh giữa λ0 với λ khi Ts= 2ns 97

4.16 Chênh lệch công suất giữa các phần của khung tín hiệu UWB IEEE

802.15.4a 98

4.17 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi K thay đổi 99

4.18 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi Ts thay đổi 100

4.19 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô với số bit lượng tử hóa khác nhau 101

4.20 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2} ns 102

4.21 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8} ns 102

4.22 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của f 103

4.23 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau của Ts 104

4.24 Mô hình FSM cho bộ điều khiển 106

4.25 Kiến trúc triển khai HDL 107

4.26 Quá trình đồng mô phỏng kết hợp Simulink/HDL 108

4.27 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es/N0 = 20 dB 108

4.28 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es/N0 = 0 dB 109

4.29 Kết quả thử nghiệm thiết kế trên FPGA tại Es/N0 = 20 dB 110

4.1 Tham số mô phỏng 99

Phần mở đầu

Phần này sẽ trình bày những vấn đề chung và giới thiệu về mục đích, kết quảcũng như cấu trúc luận án, bao gồm:

1 Giới thiệu chung về UWB

1.1 Khái niệm UWB

Truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand) là một kĩ thuật truyền tínhiệu vô tuyến trên dải băng tần siêu rộng mà không cần sự cấp phép của các tổ chứcquy hoạch tần số với mức công suất rất thấp trong sơ đồ thu/phát gần như hoàntoàn số Vì vậy, máy thu/phát UWB thường có độ phức tạp thấp, công suất tiêu thụnhỏ, tín hiệu có khả năng đâm xuyên tốt và có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao (ví

dụ như trong USB không dây) hay truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với độ chính xác cao(thích hợp cho các ứng dụng định vị, định danh và các mạng cảm biến không dây)

Dù không phải là một kĩ thuật hoàn toàn mới (những thí nghiệm đầu tiên sử dụngcác xung hẹp với băng thông siêu rộng để truyền tin được tiến hành vào những năm1900), tuy nhiên do hạn chế về mặt kĩ thuật ở thời điểm đó, UWB đã không đượctiếp tục nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài Phải đến những năm gầnđây, nhờ sở hữu những tính năng vượt trội nêu trên, UWB ngày càng thu hút được

sự quan tâm của cả giới khoa học và công nghiệp với mục đích tạo ra một giải phápmới hứa hẹn giải quyết được những vấn đề mà chúng ta đang đối mặt: sự phát triểnbùng nổ của các thiết bị điện tử cá nhân cũng như yêu cầu ngày càng cao đối vớinhững thiết bị này (về chi phí sản xuất, tốc độ truyền dữ liệu và mức công suất tiêuthụ)

1.2 Tình hình nghiên cứu UWB trên thế giới và ở Việt Nam

Sau khi được phê duyệt bởi hai tổ chức FCC (Mỹ) và ECC (châu Âu) lần lượtvào các năm 2002 [18] và 2005 [17], các hệ thống sử dụng kĩ thuật truyền dẫn UWB

có thể hoạt động mà không cần cấp phép ở dải tần 3.1 - 10.6 GHz với điều kiện phảithỏa mãn mức giới hạn trên của công suất phát (-41.3 dBm/MHz) Chính điều này

đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai công nghệ UWB trên khắp thếgiới Hiện nay trên thế giới đang có hai hướng tiếp cận chính cho công nghệ UWB:

• Multiband (MB)-OFDM: chia toàn bộ dải tần hoạt động của UWB thành cácbăng nhỏ hơn và sử dụng kĩ thuật điều chế OFDM

• Impulse Radio (IR)-UWB: tín hiệu truyền đi là các xung có độ rộng cực ngắn(cỡ ns hoặc nhỏ hơn)

trong đó, hướng tiếp cận thứ hai nhận được nhiều sự chú ý của giới học thuật hơn vìđây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng xây dựng các bộ thu/phát với chi phíthấp, tổn hao ít năng lượng [38, 62, 8, 68, 23] Với các đặc điểm của mình, công nghệUWB được sử dụng phổ biến nhất trong các mạng vô tuyến cá nhân (WPAN); trênthực tế, IEEE đã thành lập hai nhóm độc lập (IEEE 802.15.3a và IEEE 802.15.4a)

để chuẩn hóa lần lượt cho các hệ thống WPAN tốc độ cao và tốc độ thấp, trong đóUWB đều được lựa chọn sử dụng ở lớp vật lý [31] Tuy nhiên, do chưa đạt được sựthống nhất giữa các nhóm nghiên cứu và phát triển, các hoạt động của nhóm IEEE802.15.3a cho ứng dụng tốc độ cao đang tạm thời bị dừng lại

Dù là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các mạng WPAN trong tương lai không

xa, việc triển khai các hệ thống UWB trên thực tế hiện nay vẫn là một bài toán vớinhiều thách thứ cần phải vượt qua như (i) chi phí triển khai lớn do cần sử dụng bộbiến đổi tương tự - số (ADC - Analog-to-Digital Converter) với tần số lấy mẫu rấtcao (cỡ GHz), (ii) máy thu có độ phức tạp tính toán cao [49, 63] hay (iii) khó khăntrong việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ tín hiệu [36]

Một hướng phát triển thu hút được nhiều sự chú ý của giới khoa học với mụctiêu vượt qua được những trở ngại trên là sử dụng kĩ thuật truyền tham chiếu (TR

- Transmit Reference) cho hệ thống WPAN tốc độ thấp [27, 75, 60, 49, 63] Truyềntham chiếu là kịch bản thu/phát tín hiệu được xem như một giải pháp thay thế chomáy thu RAKE truyền thống để truyền tin tức trong điều kiện kênh truyền dẫn ngẫunhiên hoặc không xác định [52, 10, 9], với giả thiết kênh truyền là dừng trong quátrình truyền xung tham chiếu và xung mang tin Ngoài ưu điểm không cần thao tácước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu RAKE, kịch bản TR còn là một giảipháp hợp lý để triển khai các hệ thống UWB do các xung được sử dụng có độ rộngrất hẹp trong miền thời gian và được truyền với tốc độ (mong muốn) rất cao, chophép kênh truyền dẫn được coi như dừng trong khoảng thời gian một khung hay một

kí tự dữ liệu Kiến trúc của một máy thu TR-UWB cơ bản được đưa ra bởi Hoctor

và Tomlinson vào năm 2002 [27] với giả thiết kênh truyền dẫn có chiều dài nhỏ hơnkhoảng cách giữa xung tham chiếu và xung mang tin nhằm tránh xảy ra hiện tượngnhiễu liên xung Kiến trúc máy thu TR-UWB này tương đối đơn giản và có độ chính

xác khá cao nhưng với điều kiện máy thu xác định được chính xác vị trí bắt đầu củamỗi kí tự dữ liệu, tức đã được đồng bộ hoàn chỉnh (1.2.2) Một số công trình nghiêncứu được công bố sau đó đã phát triển và mở rộng khái niệm TR-UWB để cho phéptruyền dữ liệu với tốc độ cao hơn, cải thiện độ chính xác, hỗ trợ nhiều tuyến trễ và

đa người dùng, tuy nhiên vẫn dựa trên giả thuyết máy thu đã đồng bộ hoàn chỉnhvà/hoặc công suất tạp âm đã biết [5, 41, 64, 47, 48] Một kiến trúc máy thu TR-UWBkhác giải quyết được bài toán đồng bộ nhưng với điều kiện môi trường truyền dẫnkhông có tạp âm [72] Trong [16], một thuật toán đồng bộ được đề xuất cho hệ thốngTR-UWB đa người dùng với giả thiết máy thu đã được đồng bộ hoàn hảo ở mứckhung tín hiệu Một máy thu tự tương quan được trình bày trong [73] dựa trên môhình Voltera nhưng độ phức tạp tăng theo cấp số mũ với chiều dài của kênh truyền.Trong [63], nhóm tác giả đề xuất một phương pháp đồng bộ ở mức mẫu và kí tự chomột kiến trúc TR-UWB mới, trong đó các xung được đặt gần nhau hơn (so với kịchbản TR-UWB truyền thống) Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là giatăng đáng kể độ phức tạp tính toán của máy thu do phải thực hiện biến đổi Fouriercho các ma trận kích thước lớn Có thể nhận thấy đến thời điểm hiện tại, việc pháttriển một thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu TR-UWB có độ chính xác cao

và khả thi khi triển khai trên phần cứng vẫn là một thách thức thực sự với các nhànghiên cứu Đây cũng là một trong hai trọng tâm nghiên cứu của luận án

Bên cạnh kịch bản truyền tham chiếu, một hướng phát triển khác cũng đang nhậnđược nhiều sự quan tâm của cả giới học thuật và công nghiệp là thiết kế tối ưu bộ xử

lý băng gốc nhằm giảm độ phức tạp tính toán, chi phí triển khai và công suất tiêu thụcho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trong các ứng dụng tốc độ thấp [25, 13, 35, 43].Mặc dù được chính thức phê chuẩn từ năm 2007, tuy nhiên đến thời điểm hiện tạitrên thị trường gần như vẫn chưa xuất hiện một sản phẩm thương mại thực sự thànhcông nào sử dụng chip UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a mà nguyên nhân chính là dogiá thành còn quá cao Một trong những yếu tố đẩy chi phí sản xuất chip UWB lêncao là việc sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số với tần số rất lớn (cỡ GHz) để thỏamãn tốc độ lấy mẫu Nyquist cho tín hiệu băng siêu rộng UWB Một số giải pháp đãđược đề xuất nhằm tránh việc phải triển khai bộ ADC tốc độ cao đắt đỏ cho máy thuUWB như các kiến trúc máy thu non-coherent dựa trên các phép đo năng lượng tínhiệu [25, 26, 71, 13, 65] hay các phương pháp tự tương quan [22, 68, 69] được thiết

kế cho các ứng dụng tốc độ thấp không đòi hỏi phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu ở tần

số Nyquist và ước lượng kênh truyền (một tác vụ xử lý tín hiệu tiêu tốn nhiều nănglượng do kênh vô tuyến đa đường UWB quá dày đặc) Kiến trúc máy thu không đồng

bộ được sử dụng phổ biến nhất là máy thu dò năng lượng (ED - Energy Detection),trong đó máy thu thực hiện tính toán năng lượng của tín hiệu và phát hiện kí tự dữliệu dựa trên sự xuất hiện năng lượng của xung tại những vị trí nhất định của mộtkhoảng kí tự Mặc dù hiệu suất hoạt động thấp hơn so với máy thu TR (do tạp âm bịbình phương), tuy nhiên đây vẫn là kiến trúc máy thu khả thi nhất để triển khai theonhư đề xuất của chuẩn IEEE 802.15.4a [31] Vì vậy, máy thu dò năng lượng cũng sẽđược tác giả nghiên cứu chi tiết trong luận án này.

Với kiến trúc máy thu ED, việc phát hiện dữ liệu là khá dễ dàng Ngược lại, thuậttoán đồng bộ tín hiệu cho máy thu này là rất phức tạp do mật độ dày đặc của cáctuyến đa đường trong kênh vô tuyến UWB (với tín hiệu UWB, tuyến LOS đầu tiênkhông phải lúc nào cũng là tuyến mạnh nhất [19, 39]) Một thuật toán đồng bộ sửdụng ngưỡng được đề xuất trong [25] sử dụng phương pháp tìm kiếm năng lượng cựcđại và tìm kiếm ngược, tuy nhiên, mức ngưỡng được lựa chọn phụ thuộc vào tỉ số tínhiệu trên tạp âm (SNR - Signal-to-Noise Ratio), một tham số không dễ đo đạc đượctức thì tại máy thu Trong [68, 69], các tác giả trình bày phương pháp để xác định

vị trí bắt đầu của xung đầu tiên trong phần PHR, tuy nhiên độ chính xác của cácphương pháp này là khá thấp khi vùng tạp âm giữa hai kí tự dữ liệu liên tiếp tănglên Một vấn đề liên quan đến bài toán xác định phần PHR và được đặt tên là tìmkiếm ngược được xem xét trong các bài báo [25, 26, 54] Theo chuẩn IEEE 802.15.4a,tín hiệu đến máy thu là một chuỗi xung tuần hoàn, mỗi xung là đáp ứng của kênhtruyền với xung đơn chu trình UWB được phát đi Giả thiết đỉnh cao nhất trongtừng xung đã được tìm thấy, quá trình tìm kiếm ngược có nhiệm vụ đo khoảng cáchgiữa đỉnh cao nhất vừa tìm được với vị trí bắt đầu của xung Tuy nhiên, bài toán đokhoảng cách này vẫn chưa được giải quyết trong các bài báo trên Trong [14], mộtthuật toán đồng bộ được đề xuất, trong đó máy thu phát hiện vị trí bắt đầu của kí

tự đầu tiên thuộc phần PHR bằng cách thực hiện một thao tác tìm kiếm hai chiềuđỉnh tín hiệu lớn nhất và tiếp đó thực hiện tìm kiếm ngược để phát hiện vị trí bắtđầu xung Một giả thiết quan trọng của thuật toán này là đã biết trước công suấttạp âm Trên thực tế, điều này thường ít khi xảy ra và việc đo đạc công suất tạp âmlàm gia tăng đáng kể độ phức tạp tính toán cũng như công suất tiêu thụ của máythu Thuật toán này cũng đặt ra một giả thuyết khác nữa là đoạn tín hiệu máy thunhận được luôn nằm trong phần tiêu đề đồng bộ (SYNC) của tín hiệu Tuy nhiên, vịtrí máy thu bắt được tín hiệu trên thực tế hoàn toàn có thể nằm ở bất kì vị trí nàotrong khung tín hiệu (ví dụ, nằm trong phần dữ liệu của khung) Như vậy, yêu cầuđặt ra là cần nghiên cứu và phát triển một thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh cho máy

thu UWB không đồng bộ theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành cho các ứng dụng tốc độthấp với kiến trúc đơn giản, có khả năng triển khai được trên phần cứng, thỏa mãncác yêu cầu về độ chính xác cho phép Đây cũng là trọng tâm nghiên cứu còn lại củaluận án này.

Ở Việt Nam, công nghệ UWB vẫn đang thu hút sự quan tâm nghien cứu của cácnhà khoa học Hiện đang có một số nhóm nghiên cứu về UWB, tuy nhiên phần nhiềuhướng sự tập trung vào việc thiết kế antenna UWB [3, 61, 15, 59] hoặc thiết kế mạchcho bộ tạo xung và bộ điều chế/giải điều chế theo kĩ thuật chaotic UWB [42, 2] màchưa có nhóm nghiên cứu nào chuyên sâu về các thuật toán xử lý tín hiệu và thiết

kế bộ xử lý băng gốc cho máy thu IR-UWB Ngoài ra, theo khảo sát của cá nhân tácgiả, hiện tại trong nước cũng chưa có đề tài nghiên cứu nào kết hợp giữa xử lý tínhiệu và thiết kế vi mạch với mục tiêu thiết kế và hướng tới chế tạo mẫu sản phẩmcho bộ xử lý băng gốc UWB Có thể nói, đây là một hướng nghiên cứu khá mới mẻ

và nhiều thách thức nên số lượng các công trình nghiên cứu khoa học trong nước vẫncòn hạn chế

2 Tính cần thiết của đề tài và những vấn đề sẽ giải quyết

Những đột phá trong công nghệ số thời gian gần đây đã kéo theo sự xuất hiệnrộng khắp của các thiết bị điện tử cá nhân (PDA) trong cuộc sống hằng ngày nhằmđáp ứng nhu cầu trong thông tin liên lạc, giải trí, công việc và sức khỏe Dễ dàngnhận thấy sự hiện diện ngày càng phổ biến của điện thoại di động, máy tính xách tay,các thiết bị theo dõi sức khỏe cầm tay (đồng hồ thông minh, máy đo huyết áp) haycác loại thẻ thông minh hỗ trợ cho giao dịch ngân hàng, mua sắm, xung quanh mỗichúng ta Với những thiết bị cá nhân này, yêu cầu cơ bản được đặt ra là kích thướcnhỏ gọn (dễ mang theo người), tiết kiệm năng lượng (do phải sử dụng pin), trao đổithông tin qua sóng vô tuyến (đảm bảo tính linh hoạt, tiện lợi cũng như giảm kíchthước thiết bị) và truyền dữ liệu có độ tin cậy cao với tốc độ thỏa mãn yêu cầu củaứng dụng Mặt khác, sự xuất hiện của tính năng trao đổi thông tin sử dụng liên kếtkhông dây cũng làm phát sinh một vấn đề mới: khả năng hoạt động song song vớicác hệ thống thông tin vô tuyến đang tồn tại Như chúng ta đã biết, tài nguyên phổtần vô tuyến ngày càng khan hiếm với sự hiện diện của hàng loạt hệ thống thông tinnhư GSM, WLAN, Bluetooth hay GPS Để giải quyết bài toán đồng tồn tại với các

hệ thống vô tuyến truyền thống này, một phương án được đề xuất là phát triển một

kĩ thuật truyền dẫn không dây mới hoạt động trên dải tần số phù hợp với công suấtphát đủ nhỏ để không gây can nhiễu lên những hệ thống đã được cấp phép trước đó.Với những ưu điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống,công nghệ UWB xuất hiện như một ứng viên có khả năng giải quyết được những vấn

đề vừa nêu Dù vậy, như đã trình bày ở phần trên, công nghệ tiềm năng này vẫncần vượt qua hàng loạt thách thức để thực sự trở thành một giải pháp hữu hiệu chonhững vấn đề trên như (i) khó khăn trong việc định dạng xung UWB và sự biến dạngxung do antenna, (ii) ước lượng kênh truyền phức tạp, (iii) cần sử dụng bộ ADC tốc

độ siêu cao đắt đỏ hay (iv) khó thực hiện đồng bộ tín hiệu Chính những rào cảnnày đã ngăn cản việc tạo nên những sản phẩm thương mại thực sự thành công ápdụng công nghệ UWB trên thực tế Nội dung chủ đạo xuyên suốt luận án này, do

đó, sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển những thuật toán đồng bộ tínhiệu và giải mã dữ liệu có độ chính xác cao với kiến trúc đơn giản để có thể triểnkhai được trên phần cứng cho các hệ thống IR-UWB tốc độ thấp Ứng dụng chínhcủa những hệ thống này là trong các mạng WPAN, vì vậy, các thuật toán sẽ đượcphát triển và kiểm chứng hiệu quả hoạt động với môi trường kênh trong nhà - mộttrong những môi trường hoạt động chủ yếu của mạng WPAN Cụ thể, trong luận ánnày, mô hình kênh trong nhà có đường truyền thẳng (CM1 - Channel Model 1) đượclựa chọn sử dụng cho các mô phỏng Đây là mô hình kênh đơn giản nhất với chiềudài kênh truyền nhỏ (60-70 ns) và tuyến đến đầu tiên là của đường truyền thẳng vớicường độ tín hiệu lớn nhất Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề chính sau:

• Vấn đề 1: phát triển thuật toán xử lý tín hiệu đơn giản và hiệu quả cho máythu TR-UWB, có khả năng triển khai thành công trên phần cứng

• Vấn đề 2: phát triển thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu UWB IEEE802.15.4a, tiến tới việc thiết kế và chế tạo bộ xử lý băng gốc (Baseband DSP)cho máy thu trên phần cứng

Để giải quyết hai vấn đề trên, phương pháp chính được sử dụng trong luận án

là đồng mô phỏng kết hợp Simulink/HDL Cụ thể, tác giả phát triển và kiểm chứng

độ chính xác của các thuật toán được đề xuất trên bộ phần mềm mô phỏng LAB/Simulink sử dụng phương pháp Monte-Carlo; sau đó, sử dụng công cụ SystemGenerator của Xilinx để thực hiện mô phỏng các thiết kế HDL thông qua phần mềmISE Simulator để hiển thị kết quả kiểm tra trên Simulink trước khi triển khai cácthiết kế này lên kit FPGA Spartan 6 XC6SLX45 package CSG324 của Xilinx

MAT-3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

• Đề xuất và cải tiến các thuật toán xử lý tín hiệu cho máy thu UWB sao cho

có độ tin cậy cao, độ phức tạp tính toán thấp, phù hợp với các ứng dụng trongmạng WPAN tốc độ thấp

• Thiết kế, kiểm tra và triển khai thử nghiệm khối đồng bộ và giải mã dữ liệutrong bộ xử lý băng gốc UWB trên phần cứng FPGA

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống thu/phát số IR-UWB tốc độ thấphoạt động trong môi trường trong nhà có đường truyền thẳng (mô hình kênh CM1)với trọng tâm là khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý tín hiệu số băng gốccho máy thu IR-UWB và được chia thành các phần sau:

• Các thuật toán xử lý tín hiệu cho máy thu IR-UWB: là sự kết hợp của các kĩthuật ước lượng kênh, tách kí hiệu, đồng bộ tín hiệu trong khối DSP của máythu nhằm đạt được hiệu quả truyền tin cao nhất với độ phức tạp tính toán thấpnhất

• Thiết kế số cho bộ xử lý băng gốc IR-UWB: là một quy trình hoàn chỉnh baogồm các khâu thiết kế kiến trúc và các khối chức năng, thiết kế logic, tích hợp,kiểm tra và triển khai hệ thống IR-UWB trên phần cứng FPGA sử dụng ngônngữ HDL

Như vậy, phạm vi nghiên cứu của luận án là bộ xử lý tín hiệu số băng gốc chomáy thu IR-UWB, từ nghiên cứu và phát triển thuật toán (lý thuyết) đến triển khaitrên phần cứng (thực hành)

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Nhiều phương pháp nghiên cứu từ lý thuyết đến mô phỏng và thực nghiệm sẽđược áp dụng cho từng phần của luận án, trong đó:

• Xây dựng sơ đồ thu/phát và thuật toán máy thu cho các hệ thống TR-UWB

và UWB IEEE 802.15.4a; chất lượng các thuật toán được đánh giá sử dụngphương pháp Monte-Carlo trên công cụ mô phỏng MATLAB

• Sau khi mô phỏng, các sơ đồ chức năng cho máy thu UWB sẽ được thiết kếbằng công cụ Simulink trước khi chuyển sang thiết kế logic trên FPGA sử dụngngôn ngữ HDL và tích hợp thành hệ thống trên chip (SoC - System on Chip)

• Các công cụ toán học sẽ được sử dụng để kiểm tra (verification) hệ thống UWB

• Hệ thống được triển khai trên FPGA sẽ được kết nối với môi trường LAB/Simulink để kiểm nghiệm khả năng hoạt động Cụ thể, công cụ chính được

MAT-sử dụng xuyên suốt luận án là bộ phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink

4 Các đóng góp mới của luận án

Luận án đã lần lượt giải quyết những vấn đề đưa ra ở phần và thu được nhữngkết quả sau:

• Đề xuất một thuật toán máy thu TR-UWB cải tiến không cần sử dụng tín hiệudẫn đường dựa trên phép phân tích ma trận (SVD - Singular Value Decompo-sition) cho độ chính xác cao hơn máy thu đơn giản Tiếp đến, một triển khaiphép toán SVD trên FPGA sử dụng các khối CORDIC (COordinate RotationDIgital Computer) tự thiết kế cho độ chính xác cao và tốc độ thực thi nhanhđược đề xuất, hướng tới mục tiêu triển khai thành công thuật toán được đềxuất trên phần cứng

• Đề xuất một thuật toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh gồm hai bước đồng bộ thô

và đồng bộ tinh cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a không cần thực hiện thaotác đo công suất tạp âm phức tạp và sử dụng bộ ADC tốc độ thấp (62.5 - 125MHz) mà vẫn đảm bảo giải mã dữ liệu truyền đi với độ chính xác cao Triểnkhai thành công máy thu UWB IEEE 802.15.4a sử dụng thuật toán đồng bộđược đề xuất trên phần cứng HDL/FPGA

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung của luận án được trình bày theo trình tự sau:

Chương 1 “Tổng quan về kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng” giới thiệutổng quan về kĩ thuật UWB, những kịch bản thu/phát điển hình cũng như nhữngvấn đề mà kĩ thuật này đang đối mặt Phần cuối của chương giới thiệu về phép phântích ma trận (SVD) và mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a sẽ được sử dụng trongquá trình mô phỏng các thuật toán được trình bày trong luận án này.

Chương 2 “Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trênFPGA” đề xuất kịch bản truyền tham chiếu cho máy thu TR-UWB nhằm giải quyếtbài toán ước lượng kênh truyền gặp phải ở máy thu RAKE truyền thống, đồng thờiphát triển một thuật toán máy thu mới dựa trên nguyên lý trọng số để nâng cao hiệusuất hoạt động so với kịch bản TR gốc

Chương 3 “Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB” giới thiệu một thuậttoán máy thu mới cho hệ thống TR-UWB mà không cần truyền đi tín hiệu dẫn đường

sử dụng phép phân tích ma trận (SVD) đã trình bày ở chương 1, tiếp đó đưa ra mộtphương án để triển khai thuật toán này một cách hiệu quả và thích hợp trên phầncứng với các khối CORDIC tự thiết kế

Chương 4 “Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a”phát triển một thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh dành cho máy thu UWB theo chuẩnIEEE 802.15.4a mà không cần sử dụng bộ ADC tốc độ lấy mẫu siêu cao đắt đỏ cũngnhư các thao tác đo đạc công suất tạp âm phức tạp, hướng đến các ứng dụng truyềntải dữ liệu tốc độ thấp với giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng Đồng thời, một triểnkhai của máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên HDL/FPGA sử dụng thuật toán vừaphát triển cũng được trình bày trong chương này

thông băng siêu rộng

Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (Ultra-wideband - UWB), hay còn gọi làxung vô tuyến, thực chất không phải là một khái niệm hoàn toàn mới Trên thực

tế, những thí nghiệm đầu tiên về xung vô tuyến đã được tiến hành vào năm 1887bởi Heinrich Hertz, người đã sử dụng tia lửa điện giữa các điện cực carbon để tạo rasóng điện từ ở dạng xung Bảy năm sau, dựa trên thí nghiệm của Hertz, GuglielmoMarconi nảy sinh ý tưởng áp dụng kĩ thuật xung vô tuyến này cho điện tín khôngdây Máy phát mã Morse theo ý tưởng của Marconi ra đời và đánh dấu thời kì pháttriển của thông tin không dây cũng như sự áp dụng rộng khắp của kĩ thuật xung vôtuyến Tuy nhiên, người ta cũng sớm nhận ra những nhược điểm của kĩ thuật mớinày Một trong những hạn chế lớn nhất chính là băng thông của tín hiệu phát đi quálớn so với tốc độ dữ liệu đạt được, dẫn đến một sự chiếm dụng băng tần khổng lồ dùchỉ có một người dùng Vì vậy, ở thời kì sơ khai này, kĩ thuật xung không thích hợpcho việc phát triển các hệ thống đa người dùng Sự ra đời sau đó của kĩ thuật truyềntin sử dụng sóng mang với nhiều ưu điểm vượt trội khiến cho kĩ thuật xung dần bịquên lãng và chỉ còn được sử dụng trong các ứng dụng quân sự suốt một thời giandài sau này cho đến những năm gần đây

Một trong những tính năng nổi trội nhất của kĩ thuật UWB là khả năng triểnkhai tương đối đơn giản do không cần phải sử dụng sóng mang, từ đó loại bỏ được cáckhối nâng/hạ tần khỏi hệ thống, thích hợp cho việc phát triển các thiết bị thu/phátcầm tay giá rẻ Sự phát triển không ngừng của công nghệ trong những năm cuối thế

kỉ 20 khiến cho việc tạo ra những xung cực ngắn trong miền thời gian (cỡ ns) được sửdụng trong UWB không còn là vấn đề trở ngại nữa Thời điểm này, sự quan tâm củagiới khoa học và công nghiệp dành cho UWB chuyển hướng sang việc nghiên cứu khảnăng tồn tại của các hệ thống UWB song hành với những hệ thống băng hẹp hiện cócũng như phát triển những kịch bản thu/phát và thuật toán xử lý tín hiệu mới, tậndụng hết những ưu điểm và thích hợp hơn với kĩ thuật nhiều tiềm năng này

Một hệ thống truyền thông băng siêu rộng được đặc trưng bởi băng thông truyềntải B lớn hơn 500 MHz hay lớn hơn 20% so với tần số trung tâm fc, trong đó,

B = fH − fL và fc= (fH− fL)/2, với fH, fL lần lượt là tần số cận trên và dưới (−10dB) của hệ thống [18] Theo định nghĩa này, một tín hiệu UWB phải có băng thôngtối thiểu là 500 MHz tại tần số 2.5 GHz, hoặc 1 GHz tại tần số 5 GHz Băng thông

“siêu rộng” này (so với các hệ thống băng hẹp hay băng rộng truyền thống khác) hứahẹn cung cấp một tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn nhiều cũng như một số tính năngnổi bật khác cho nhiều ứng dụng không dây hiện có

1.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB

Đến thời điểm hiện tại, có hai phương pháp chính để triển khai một hệ thốngUWB trong công nghiệp:

• Phương pháp Multiband (MB)-OFDM được ủng hộ bởi liên minh WiMediaAlliance do Intel Corporation lãnh đạo cùng với 214 thành viên là các nhà sảnxuất thiết bị điện tử tiêu dùng và máy tính cá nhân như Hewlett-Packard, Sony,Nokia, Texas Instruments hay Microsoft Phương pháp này sử dụng kĩ thuậtOFDM để phân chia toàn bộ băng thông thành các băng con có độ rộng xấp xỉ

500 MHz (Hình 1.1) và một kí tự dữ liệu sẽ được trải trên toàn bộ các băng connày, được điều chế và truyền đi đồng thời bởi tất cả các sóng mang con [34].Liên minh WiMedia tập trung vào việc sử dụng kĩ thuật UWB cho các kết nối

di động, trong các máy tính và thiết bị điện tử với vai trò như một lớp vật lýphổ thông và hướng đến phát triển các thế hệ USB kế tiếp, IEEE 1394 hay cácứng dụng Bluetooth

• Phương pháp Impulse-Radio (IR)-UWB, hay còn được gọi là Direct-Sequence(DS)-UWB, được chấp thuận bởi UWB Forum, một diễn đàn ban đầu đượclãnh đạo bởi Freescale (tiền thân của Motorola Semiconductor) cùng với 220thành viên là các nhà cung cấp dịch vụ và sản xuất thiết bị viễn thông quốc

tế như Fujitsu, Siemens hay Vodafone Diễn đàn này đề xướng một kịch bản sửdụng xung vô tuyến, trong đó vấn đề đa truy nhập được thực hiện thông quađiều chế biên độ nhị phân các xung được truyền đi, tương tự như với các hệthống trải phổ CDMA truyền thống Ý tưởng của phương pháp này xuất phát

từ một đặc tính đối ngẫu rất cơ bản giữa thời gian và tần số Cụ thể, băngthông siêu rộng (trong miền tần số) dẫn đến việc sử dụng các xung cực ngắn(trong miền thời gian) Trong IR-UWB, các xung này được truyền đi một cáchrời rạc, không sử dụng sóng mang và ở mức công suất phát rất thấp Các kịchbản thu-phát UWB trong luận án này đều dựa trên phương pháp IR-UWB

Hình 1.1: Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM [34]

Dạng xung được sử dụng nhiều nhất trong IR-UWB là các xung đơn chu trìnhGaussian và các vi phân bậc cao của nó do sở hữu những đặc tính riêng có trong cảhai miền thời gian và tần số cũng như khả năng triển khai trên anten dễ dàng [53].Một xung Gaussian đơn chu trình cơ bản được định nghĩa là:

trong đó, tp là tham số xác định độ rộng Tp của xung (Tp ∼= 2· tp), và hệ số k đượcđưa vào để chuẩn hóa năng lượng của xung Sở dĩ các vi phân bậc cao được sử dụng là

vì ở dạng xấp xỉ bậc nhất, các anten hoạt động tương tự như các bộ vi phân [20, 44].Hình 1.2 minh họa các vi phân bậc cao của xung Gaussian có băng thông −10

dB lớn hơn 20% tần số trung tâm [50] Trong luận án này, dạng xung UWB được lựachọn sử dụng là vi phân bậc hai của xung Gaussian với độ rộng 2 ns và thỏa mãnmãn điều kiện có băng thông 500 MHz

Hình 1.2: Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 [50]

1.1.2 Chuẩn hóa và ứng dụng

Định nghĩa vừa nêu được đưa ra vào năm 1990, kéo theo sự phát triển của các hệthống thông tin hoàn toàn không sử dụng sóng mang, đồng hành với sự ra đời củacác công ty công nghệ như AetherWire, Time Domain Co., X-treme Spectrum hayMulti-Spectral Solutions Inc., những nhà tiên phong trong lĩnh vực phát triển cácsản phẩm thương mại không sóng mang tốc độ cao Tuy nhiên, ở thời điểm này vẫnchưa có bất kể một quy định nào dành cho việc phát tín hiệu UWB Điều này làmphát sinh những lo ngại về sự giao thoa của kĩ thuật UWB với các hệ thống khôngdây hiện đang tồn tại như GPS, GSM hay Wifi [37, 7] Cho đến tháng 4-2002, saurất nhiều nghiên cứu, phân tích cũng như tranh luận, một báo cáo hoàn chỉnh mớiđược công bố bởi FCC, quy định giới hạn về mặt công suất phát cho tín hiệu UWBnhằm tránh sự can nhiễu lên các hệ thống vô tuyến đã được cấp phép hoạt động [18].Mặt nạ phổ công suất do FCC đề xuất dành cho các ứng dụng UWB trong các môi

trường khác nhau (trong nhà và ngoài nhà) được thể hiện trên Hình 1.3 Đến tháng4-2005, một mặt nạ phổ công suất phát khác được đưa ra bởi ECC [17], quy địnhbăng thông và mức giới hạn mới, chặt chẽ hơn so với mặt nạ được đề xuất vào năm

2002 [50]

Hình 1.3: Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất [50]

Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của kĩ thuật UWB là trong các mạng

vô tuyến cá nhân (Wireless Personal Area Network - WPAN), một lĩnh vực chịu sựquản lý của nhóm làm việc IEEE 802.15 thuộc tổ chức chuẩn hóa IEEE-SA Vì vậy,nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn thống nhất dành cho các ứng dụng WPAN sử dụng

kĩ thuật UWB ở lớp vật lý được giao cho hai nhóm tác vụ độc lập thuộc IEEE-SA

• Nhóm tác vụ 802.15.3a hướng tới việc định nghĩa một lớp vật lý mới dành trongcác mạng WPAN tốc độ cao liên quan đến lĩnh vực multimedia và hình ảnh.Tốc độ dữ liệu tối thiểu được thiết lập ở mức 100 Mbps trong phạm vi 10 m

và lên đến 480 Mbps khi khoảng cách rút ngắn xuống còn 2 m Mặc dù khôngđược chỉ định rõ ràng là một nhóm tác vụ xây dựng chuẩn UWB, tuy nhiên

bản thân những yêu cầu về tốc độ dữ liệu đặt ra đã lựa chọn kĩ thuật UWBlàm phương án triển khai các hệ thống mong muốn Vì vậy, nhiệm vụ của nhómbao gồm cả việc phân tích và xây dựng một mô hình kênh vật lý dành cho các

hệ thống UWB theo yêu cầu đặt ra [19] Tuy nhiên, do những bất đồng trongcách thức triển khai (giữa hai phương thức MB-OFDM và IR-UWB), nhóm tác

vụ 802.15.3a chính thức ngừng hoạt động vào năm 2006

• Nhóm tác vụ 802.15.4a có nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn ở lớp vật lý chocác ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu và độ phức tạp thấp, hoạt động trongcác dải tần quốc tế mà không cần cấp phép Một trong những mục tiêu chínhcủa nhóm là giải quyết các ứng dụng mới không chỉ đòi hỏi tốc độ dữ liệu ởmức trung bình mà còn tiêu thụ ít năng lượng để có thời gian hoạt động dàihơn (ví dụ như trong các mạng WPAN tốc độ thấp, mạng cảm biến, đồ chơitương tác, điều khiển từ xa hay trong các ngôi nhà thông minh) Tương tự nhưvới nhóm tác vụ 802.15.3a, một mô hình kênh vô tuyến cũng được nhóm xâydựng và phát triển với một vài chỉnh sửa sao cho phù hợp với đặc tính tốc độtruyền tải thấp

Về cơ bản, những ứng dụng chính của kĩ thuật UWB có thể được phân loại thànhhai nhóm:

• Ứng dụng tốc độ cao:

– Mạng vô tuyến cá nhân với các kết nối ad-hoc giữa máy tính, thiết bị ngoại

vi và những thiết bị tính toán đeo được, bao gồm USB không dây thế hệ

kế tiếp, Bluetooth IEEE 1394 Firewire

– Các thiết bị multimedia dành cho hộ gia đình và chuyên dụng (camera số,DVD, TV số, )

– Hệ thống không dây thế hệ mới

– Các ứng dụng tìm kiếm, cứu nạn

– Các ứng dụng y tế như giám sát các chức năng vật lý của cơ thể sử dụngsóng radar Do sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp (đem đến độ phân giảicao trong miền thời gian), UWB trở thành giải pháp thích hợp để triểnkhai các thiết bị có giá thành rẻ nhưng hữu hiệu trong việc theo dõi, quansát các cơ quan nội tạng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với cơ thể Ngoài

ra, một số dự án nghiên cứu đang được tiến hành nhằm phân tích tín hiệuphản xạ từ các xung UWB để phát hiện ung thư.

• Ứng dụng tốc độ thấp:

– Mạng cảm biến cho các ứng dụng định vị, theo dõi

– Thẻ xác thực để kiểm tra hàng hóa, thiết bị hay giám sát con người và cáctài sản giá trị

– Hệ thống thông tin có liên quan đến vị trí, các radar hybrid hay các ứngdụng truyền tải dữ liệu sử dụng xung UWB để xác định chính xác vị trí2-D hoặc 3-D của vật thể hay truyền tin từ vật thể về một hệ thống cơ sở

dữ liệu trung tâm

– Các hệ thống radar trên phương tiện giao thông để phòng tránh va chạmtrước và sau

– Hệ thống định vị thời gian thực cho các dịch vụ khẩn cấp hay đòi hỏi độchính xác cao trong giao thông hoặc các thiết bị công/nông nghiệp

Với đặc tính truyền tải không sử dụng sóng mang, phương pháp IR-UWB chủ yếu

sử dụng hai phương pháp điều chế tín hiệu chính:

• Pulse-Amplitude Modulation (PAM): theo phương pháp này, thông tinđược truyền tải dựa vào biên độ (hay sự phân cực) của xung phát đi Ví dụ,với PAM hai mức (M = 2) như ở Hình 1.4, kí tự được truyền đi là 0 + 10 hay

0− 10 tùy thuộc vào biên độ của xung UWB là dương hay âm Mặc dù đã được

sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống băng hẹp truyền thống, tuy nhiên, donhững khó khăn gặp phải trong việc thao tác với các xung có độ rộng cỡ ns nênchỉ đến thời gian gần đây, nhờ có những tiến bộ về mặt công nghệ (cụ thể, vớicác mạch tích hợp CMOS và SiGe tốc độ cao, chi phí thấp) mà PAM mới được

áp dụng cho các hệ thống UWB Một nhược điểm lớn của điều chế PAM là cầnphải sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền để giải quyết nhữngsai lệch gây ra bởi kênh fading đa đường Điều này đòi hỏi cần triển khai ở máythu một khối đo đạc kênh truyền phức tạp, đặc biệt là với hệ thống băng siêurộng Một phương án được đưa ra nhằm loại bỏ khối đo đạc kênh truyền là sử

dụng kịch bản truyền xung tham chiếu sẽ được giới thiệu trong các phần tiếptheo của luận án.

• Pulse-Position Modulation (PPM): đây là một kịch bản điều chế cổ điển,trong đó thông tin được mã hóa dựa vào vị trí tương đối của xung trong mộtkhung Trên thực tế, để hỗ trợ cho thông tin đa người dùng, mỗi kí tự dữ liệuđược chia thành Nf chip, trong mỗi chip chứa một hoặc nhiều khung Trongtrường hợp P -ary PPM, với P = 2b, b là số bit được truyền đi bởi một khung,

độ rộng Tf của mỗi khung được chia thành P khe thời gian rời rạc (hay trựcgiao) ứng với các vị trí mà một xung có thể xuất hiện Như ở Hình 1.5, mỗi chipchứa duy nhất một khung và vị trí tương đối của xung bên trong mỗi khungquyết định dữ liệu được truyền đi Ban đầu, PPM là kĩ thuật điều chế được sửdụng chủ yếu trong UWB do những khó khăn trong việc phân cực xung phát

đi ở kĩ thuật PAM Thời gian gần đây, dù PAM đã dần được sử dụng nhiềuhơn trong các hệ thống UWB, điều chế PPM vẫn tiếp tục được triển khai trongnhiều ứng dụng do sở hữu đặc tính trực giao có thể đạt được với một xác suấtlỗi thấp tùy ý với giả thiết P → ∞ [46] và cho phép việc tách sóng không đồngbộ

Hình 1.4: Điều chế PAM hai mức (M = 2)

Cả hai kĩ thuật điều chế trên đều có thể được thực hiện bằng cách điều chế trựctiếp trên anten phát Ngoài ra, khả năng đa truy nhập cũng được hỗ trợ bằng cách sửdụng các phương pháp truyền thống như time-hopping hay trải phổ chuỗi trực tiếpgiả ngẫu nhiên

Hình 1.5: Điều chế PPM

Tương tự như với các hệ thống băng hẹp truyền thống khác, tín hiệu UWB quakênh vô tuyến đa đường bị trải ra thành nhiều xung với độ trễ và mức năng lượngkhác nhau Do đặc điểm sử dụng các xung rất hẹp trong miền thời gian nên tín hiệuđến máy thu UWB thường là tập hợp các bản sao không trùng lặp của xung truyền

đi với biên độ khác nhau như Hình 1.6 Một trong những giải pháp hữu hiệu nhất

để giải quyết hiệu ứng gây ra bởi kênh đa đường là sử dụng máy thu RAKE Đây làdạng máy thu đã được triển khai thành công trong các hệ thống CDMA băng rộngtruyền thống, vì vậy hoàn toàn có thể áp dụng cho kĩ thuật truyền thông băng siêurộng

Hình 1.6: Xung UWB khi truyền qua kênh đa đường

Một máy thu RAKE điển hình chứa một dãy các bộ tương quan (hay còn được gọi

là các finger ) có nhiệm vụ lấy tương quan (nhân) tín hiệu nhận được với các phiênbản trễ của một xung mẫu có dạng giống với xung được phát đi, kí hiệu g(t− τn).Đầu ra của mỗi finger chính là giá trị ước lượng của biên độ hn ứng với từng tuyếntrễ đến máy thu (Hình 1.6) và được tổng hợp lại để xác định kí tự truyền đi Để thu

channel estimator weight estimator

g(t − kTf − τLp−1)

Rˆ h0

ˆ hLp−1

Σ rk sk ˆ finger 1

g(t − kTf − τ1)

R

ˆ h1

R

Hình 1.7: Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản [32]

được kết quả chính xác, giá trị của τn được xác định tương ứng với độ trễ của cácxung nhận được, đòi hỏi ở máy thu cần có một khối ước lượng kênh truyền Hình 1.7minh họa một máy thu RAKE đơn giản gồm Lp finger, mỗi finger thực hiện nhân tínhiệu nhận được tại các thời điểm τi, i = 0, 1, , Lp− 1 với xung mẫu g(t) tương tựnhư ở máy phát [32] Khối ước lượng kênh truyền có nhiệm vụ xác định độ trễ τi vàbiên độ (trọng số) hi của từng thành phần đa đường để phục vụ cho khối chọn tuyến

và nâng cao độ chính xác cho quá trình giải mã tín hiệu

Thực chất, máy thu RAKE là một bộ lọc phối hợp (tín hiệu đến máy thu đượcnhân với một tín hiệu mẫu có dạng sóng tương tự) Vì vậy, xét về mặt hiệu suất hoạtđộng (BER), máy thu RAKE là giải pháp tối ưu nhất với điều kiện các hệ số τi và hiđược xác định chính xác Trên thực tế, người ta thường không thực hiện ước lượnghết tất cả các thành phần đa đường để giảm tốc độ phức tạp của máy thu Thôngthường, các thành phần có độ trễ càng lớn thì càng bị suy yếu nên có thể được bỏqua Dựa trên nhận xét này, một phương án được đưa ra là chỉ ước lượng L đườngđầu tiên đến máy thu, tức máy thu PRAKE (Partial RAKE) Ngoài ra, một giải phápkhác cũng hay được sử dụng là máy thu SRAKE (Selective RAKE), trong đó sau khiước lượng kênh, máy thu chỉ lựa chọn L đường lớn nhất phục vụ cho quá trình tách

• Trong một số điều kiện môi trường, kênh vô tuyến đo đạc được có chiều dài rấtlớn với mật độ tuyến đa đường dày đặc Một máy thu RAKE để có thể hoạtđộng trong những điều kiện này đòi hỏi phải sử dụng một lượng lớn các bộtương quan làm gia tăng độ phức tạp của máy thu Không những vậy, thao tácước lượng kênh và đồng bộ tín hiệu lúc này thực sự là một thách thức lớn.

• Như vừa trình bày, xung mẫu được sử dụng ở máy thu được giả thiết là đã biết(giống với dạng xung được truyền đi) Tuy nhiên trên thực tế, xung UWB khiqua kênh đa đường (với các hiệu ứng lựa chọn tần số) và chịu ảnh hưởng từ sựkhông hoàn hảo của anten (phát và thu) sẽ bị biến dạng không mong muốn.Dạng xung nhận được tại máy thu do vậy rất khó xác định và ảnh hưởng nặng

nề đến hiệu suất hoạt động của cả hệ thống

1.2.2 Máy thu truyền tham chiếu

Truyền tham chiếu (Transmit Reference - TR) là kịch bản thu/phát tín hiệu đượcxem như một giải pháp thay thế cho máy thu RAKE để truyền tin tức trong điềukiện kênh truyền dẫn ngẫu nhiên hoặc không xác định [52], với giả thiết kênh truyền

là dừng trong quá trình truyền tín hiệu tham chiếu và tín hiệu bản tin Ngoài ưu điểmkhông cần thao tác ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu RAKE, kịch bản

TR còn là một giải pháp hợp lý để triển khai các hệ thống UWB do các xung được

sử dụng có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian và được truyền với tốc độ (mongmuốn) rất cao, cho phép kênh truyền dẫn được coi như dừng trong khoảng thời gianmột khung hay một kí tự dữ liệu

Ý tưởng của kịch bản TR cho hệ thống UWB như sau Mỗi khung tín hiệu UWB được phát đi chứa hai xung: xung đầu tiên được truyền đi là xung tham chiếug(t), theo sau là xung mang tin s· g(t − D) Do g(t) là các xung cực ngắn, khoảngcách D giữa xung tham chiếu và xung mang tin nhỏ (với mong muốn đạt được tốc

TR-độ truyền dữ liệu cao) nên có thể coi như hai xung được truyền qua cùng một kênh

cố định Vì vậy, sự biến dạng của hai xung qua kênh truyền được xem là như nhau,xung tham chiếu nhận được tại máy thu có thể được sử dụng như một xung mẫutrong phép tương quan giống như ở các bộ lọc phối hợp điển hình Kí hiệu h(t) làdạng xung nhận được tại máy thu, khung thông tin TR-UWB đến máy thu có dạng:

r(t) = h(t) + s· h(t − D) (1.3)

Tf

Hình 1.8: Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu

trong đó s là kí tự dữ liệu Hình 1.8 và 1.9 lần lượt minh họa dạng tín hiệu nhậnđược và kiến trúc của một máy thu TR-UWB cơ bản [27] Với giả thiết h(t) có chiềudài nhỏ hơn khoảng cách D giữa hai xung (nhằm tránh xảy ra hiện tượng nhiễu liênxung), kí tự dữ liệu có thể được xác định bằng cách nhân tín hiệu nhận được với bảntrễ D của chính nó như sau:

ˆ

s = sign{

Zr(t)r(t− D)dt} (1.4)

Hình 1.9: Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản [27]

Ưu điểm của kịch bản TR-UWB là quá trình xác định dữ liệu truyền đi khôngcần sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền cũng như bỏ qua thao tácđồng bộ ở phần tương tự của máy thu (do xung tham chiếu và xung thông tin luônđược phát cách nhau một khoảng thời gian cố định D) Một lợi thế nữa so với máy

thu RAKE truyền thống là chỉ cần lấy một mẫu trên mỗi khung thông tin nhận được

để phục vụ cho quá trình giải mã (do xung tham chiếu và xung mang tin nhận đượctại máy thu có dạng như nhau), vì vậy không cần phải dùng đến những bộ ADC tốc

độ siêu cao đắt đỏ

1.2.3 Kết quả mô phỏng

Để so sánh hiệu suất hoạt động của máy thu TR với các dạng khác nhau của máythu RAKE, tác giả tiến hành mô phỏng hai hệ thống này cho kịch bản một ngườidùng trên phần mềm MATLAB Xung được sử dụng có độ rộng 1 ns là đạo hàm bậchai của xung Gauss, được truyền qua kênh CM1 theo chuẩn IEEE 802.15.4a [40].Chương trình mô phỏng chạy 1000 vòng lặp Monte-Carlo, mỗi vòng lặp thu/phát 100

kí hiệu; kết quả thu được sẽ được dùng để vẽ đồ thị BER vs SNR cho các thuật toánkhác nhau Ở đây, SNR được định nghĩa là tỉ số năng lượng xung trên mật độ phổcông suất nhiễu

Ở máy thu RAKE, xung được chèn vào các khung có độ rộng Tf = 70 ns (lớnhơn chiều dài của phần lớn kênh CM1 để tránh hiện tượng giao thoa liên khung) Đểđơn giản, giả sử mỗi kí hiệu chỉ bao gồm một khung, và bước nhảy thời gian giữahai thành phần đa đường kế tiếp nhau là 1 ns Các thuật toán được mô phỏng chomáy thu PRAKE và SRAKE với các giá trị khác nhau của L để so sánh với máy thuTR-UWB Với máy thu TR-UWB, mỗi khung gồm hai xung cách nhau một khoảng

D = 70 ns (để tránh giao thoa giữa hai xung liên tiếp khi truyền qua kênh CM1),khung có độ rộng Tf = 3D = 210 ns (để tránh giao thoa giữa hai khung kề nhau).Hình 1.10 thể hiện khả năng hoạt động của các thuật toán máy thu TR-UWB,máy thu PRAKE và SRAKE; đường tham chiếu là của trường hợp lí tưởng khi đãbiết trước toàn bộ các hệ số kênh Độ chênh lệch vào khoảng 12 dB giữa TR-UWB vàRAKE do khung TR-UWB có độ rộng gấp ba lần so với RAKE nên đã lãng phí mất

20 ˙log3≈ 9.5 dB và thao tác tự tương quan lên nhiễu và lấy tương quan chéo giữa tínhiệu và nhiễu cũng làm suy giảm chất lượng máy thu Ngoài ra, máy thu PRAKE luôn

có chất lượng kém hơn SRAKE Trên thực tế, máy thu SRAKE với chỉ 3 nhánh tươngquan cũng đã có chất lượng tương đương với máy thu PRAKE với 7 nhánh tươngquan Sự chênh lệch tăng lên khi SNR tăng bởi vì khi nhiễu ít, ảnh hưởng của việc

bỏ sót một thành phần đa đường lớn sẽ trở nên rõ rệt hơn Cuối cùng, mặc dù thôngthường kênh CM1 có khoảng 40 đoạn (mỗi đoạn dài 1 ns), nhưng có thể thấy rằngkhi L =7 hoặc 10 đoạn, sự chênh lệch giữa các đường cong SRAKE với đường tham

chiếu là rất nhỏ (cỡ khoảng 1 dB hoặc ít hơn ở vùng SNR lớn) Những kết quả này đãđược trình bày trong bài báo “Impulse-Radio Ultra-Wideband Communications fromSignal Processing Perspectives”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học

kĩ thuật số 88 năm 2012

Hình 1.10: Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE

IR-UWB

Về cơ bản, những thách thức chính ngăn cản việc nghiên cứu và phát triển một

hệ thống IR-UWB hoàn chỉnh để đưa vào sản xuất có thể được chia thành hai nhóm

1.3.1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng

Băng thông siêu rộng của tín hiệu IR-UWB là nguyên nhân chính ngăn cản việctriển khai trên thực các thiết bị UWB với chi phí thấp Cụ thể, những khó khăn vềphần cứng liên quan đến vấn đề biến dạng xung gây ra bởi anten và hiệu suất củacác bộ ADC tốc độ rất cao

• Biến dạng xung do anten: việc thiết kế một anten thích hợp có khả năngbao phủ toàn bộ băng thông siêu rộng (cỡ GHz) của tín hiệu UWB thực sự làmột thách thức lớn [44, 36] Hiện tại, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu đang đượctiến hành nhằm tạo ra những anten có trở kháng và mẫu phát xạ không đổitrên một dải tần số rộng như vậy Một mong muốn nữa là những anten thiết kế

ra phải có giá thành thấp (được chế tạo từ những vật liệu không đắt tiền vớiquy trình sản xuất đơn giản) và kích thước nhỏ để dễ dàng tích hợp được vàocác thiết bị di động [3, 15, 61]

• Chuyển đổi tương tự-số: tốc độ lấy mẫu áp dụng cho các xung UWB vớibăng thông siêu rộng có thể lên tới hàng gigasamples trên giây (Gsps) theo tiêuchuẩn Nyquist, đòi hỏi phải sử dụng các bộ ADC tốc độ siêu cao có giá thànhlớn Đây chính là trở ngại chính trong việc triển khai số hóa một cách đầy đủcác máy thu UWB Cho dù đã xuất hiện một số ý tưởng nhằm loại bỏ yêu cầutốc độ siêu cao dành cho các bộ ADC trong máy thu IR-UWB (như thực hiệnthao tác lọc phối hợp trong miền tương tự trước khi lấy mẫu [21, 56, 57] haygiảm số lượng bit trên mỗi mẫu tín hiệu [28, 29]), tuy nhiên, đến thời điểm hiệntại vẫn chưa có một giải pháp nào thực sự khả thi

1.3.2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu

Đối với hệ thống IR-UWB, việc tạo ra các xung thỏa mãn những tiêu chuẩn khắtkhe về phổ tần và công suất phát hay cách thức để giải mã chính xác dữ liệu đượcphát đi đòi hỏi những kĩ thuật xử lý tín hiệu phức tạp

• Định dạng xung: xung UWB được tạo ra một cách tự nhiên thường khôngthỏa mãn các yêu cầu nghiêm ngặt về mặt nạ phổ đã được quy định, trừ khiđược áp dụng các thao tác tiền xử lý tín hiệu (tức định dạng xung) Một sốphương án đã được đề xuất nhằm đáp ứng mặt nạ phổ yêu cầu cũng như tối

đa hóa tỉ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thu (như trong [45, 66]) Tuy nhiên,

những đề xuất này đều không tận dụng triệt để băng thông và công suất phátcho phép của tín hiệu UWB.

• Ước lượng kênh truyền: những đặc tính riêng có của tín hiệu IR-UWB khiếncho các kĩ thuật ước lượng kênh truyền vốn được áp dụng trong các hệ thốngbăng hẹp hay hệ thống trải phổ truyền thống không thể áp dụng được Những

kĩ thuật này đòi hỏi phải có mức tín hiệu trên tạp âm (SNR - Signal to NoiseRatio) cao [58, 30] Tuy nhiên, công suất phát rất thấp của tín hiệu UWB khiếncho tỉ số SNR tại máy thu là rất thấp Vì vậy, cần phải phát triển những phươngpháp đo đạc kênh truyền dành riêng cho tín hiệu UWB, có xem xét đến mứcSNR rất thấp của các kịch bản thu/phát UWB trong thực tiễn

• Vấn đề đồng bộ: do IR-UWB sử dụng các xung cực ngắn nên chỉ một sai lệchnhỏ trong thao tác đồng bộ cũng ảnh hưởng nặng nề đến hiệu quả hoạt độngcủa hệ thống Đặc biệt, với các ứng dụng tốc độ cao, việc xác định thời gianđến của tín hiệu đầu tiên tới máy thu thực sự là một khó khăn không dễ giảiquyết

• Giải mã dữ liệu khi thiếu thông tin về trạng thái kênh truyền: Do biếndạng xung nhận được tại máy thu là không xác định, việc giải mã thành công

dữ liệu truyền đi với hệ thống IR-UWB trở nên rất phức tạp Việc thiếu nhữngthông tin về kênh truyền gợi ý cho chúng ta giải pháp sử dụng các máy thukhông đồng bộ đơn giản và hiệu quả về mặt kinh tế Khá nhiều kiến trúc máythu IR-UWB không đồng bộ đã được công bố [70, 6], tuy nhiên vẫn cần nhữngnghiên cứu sâu hơn nữa để xác định được một kịch bản giải mã tín hiệu tối ưunhất cho trường hợp này

SVD (Singular Value Decompistion) là một trong những thuật toán hữu hiệu vàquan trọng nhất của lĩnh vực xử lý tín hiệu [24], đặc biệt trong việc ước lượng tínhiệu khi xuất hiện tạp âm và giao thoa Về cơ bản, thuật toán SVD có thể được trìnhbày tóm tắt như sau

Mọi ma trận X∈ Cm ×n có thể được phân tích thành:

X = UΣVH (1.5)