Nghiên cứu công nghệ truyền thông ultra wideband

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các c

LỜI CẢM ƠN!

Đồ án tốt nghiệp đã khép lại toàn bộ quá trình học đại học của em suốt 5 năm qua tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Em xin gửi lới cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong trường đã dạy dỗ chỉ bảo tận tình, cung cấp kiến thức cần thiết làm cơ sở nền tảng cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Phạm Văn Ngọc và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Điện tử Và Truyền thông đã giúp đỡ em nhiệt tình, luôn ân cần chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt thời gian qua để em hoàn thành đồ án này

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã cổ vũ động viên và tạo điều khiện để tôi hoàn thành

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan tất cả các nội dung của đồ án này hoàn toàn được hình thành

và phát triển từ những quan điểm và nghiên cứu của chính cá nhân em, dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS Phạm Văn Ngọc Sản phẩm của đồ án là của chính bản thân em xây dựng không sao chép từ bất kỳ tài liệu hay đồ án nào khác

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Hoàng Ngọc Thái

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN! 1

LỜI CAM ĐOAN 2

Thuật ngữ viết tắt 1

Lời nói đầu Error! Bookmark not defined Chuơng 1 6

Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 6

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 6

1.1.1 3G và WLAN 7

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 8

1.2 Lịch sử của UWB 9

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB 10

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 10

1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp 11

1.3.3 Khả năng chống đa đường 11

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu 11

1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp 12

1.4 Nhược điểm 14

1.6 Các ứng dụng của UWB 15

1.6.1 Truyền thông và cảm biến 16

1.6.2 Định vị và bám 25

1.6.3 Radar 27

Chuơng 2 Tín hiệu truyền thông trong UWB 30

2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB 30

2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ 30

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 30

2.2.2 Xung Raised Cosin 31

2.2.3 Lựa chọn dạng xung 32

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm 33

2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB 35

2.4.1 Điều chế vị trí xung 36

2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 38

2.4.3 Các phương pháp điều chế khác 40

2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế 42

2.5 Ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn lên tín hiệu UWB 47

2.5.1 Ảnh hưởng của đa đường 47

2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx 47

2.5.3 Lựa chọn các kỹ thuật trong uwb 48

2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập trong UWB 48

2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB 48

2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 49

2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 49

Chương 3 52

Bộ thu phát tín hiệu trong truyền thông UWB 52

3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 52

3.2 Kiến trúc bộ thu UWB 53

3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) 53

3.2.2 Máy thu Rake 54

3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý 56

3.2.4 Thảo luận 57

Chương 4 59

Công nghệ truyền thông UWB 59

4.1 CDMA 59

4.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 60

4.2.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 61

4.2.2 Các trường hợp ứng dụng của OFDM 61

Kết Luận 74

Phụ Lục 75

Tài liệu tham khảo 78

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 6

Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF 7

Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách 8

Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến 9

Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp 12

Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà 13 Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB 14

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 14

Hình 1-9: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp 16

Hình 1-10: Sự hội tụ của các loại thiết bị 18

Hình 1-11: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB 19

Hình 1-12: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí 22

Hình 1-13: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB 23

Hình 1-14: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn 24

Hình 1-15: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác 28

Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó 31

Hình 2-2: Xung Raised Cosin và phổ năng lượng của nó 32

Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó 34

Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần 34

Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB 35

Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung và điều pha hai mức trong UWB 37

Hình 2-7: Điều chế vị trí xung 38

Hình 2-8: Mã hoá “0”, “1” trong UWB 40

Hình 2-9: Các phương pháp điều chế khác 41

Hình 2-10: Không gian tín hiệu của OOK, PPMvà BPM 43

Hình 2-11: Xác xuất lỗi theo lý thuyết đối với OOK, PPM, và BPM 44

Hình 2-12: Các xung vị trí ngẫu nhiên với điều chế BPPM 45

Hình 3-1: Kiến trúc tổng quan của hệ thống UWB 52

Hình 3-2: Bộ thu tương quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB 53

Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với một bộ tương quan 54

Hình 3-4: Thông tin vắn tắt của các tín hiệu trong điều kiện không có tạp âm trong máy thu Rake 55

Hình 3-5: Thông tin vắn tắt về tín hiệu trong điều kiện có tạp âm bị giới hạn băng trong máy thu Rake 56

Hình 3-6: Triển khai analog của bộ thu UWB 58

Hình 3-7: Quan hệ trên miền tần số – thời gian đối với hai đối tượng dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 60

Hình 7-1: Minh hoạ cho phương trình A-5 76

Television

Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng

theo mã - chuỗi trực tiếp

cường để phát triển GSM

bang

theo thời gian

theo tần số

FH Frequency Hopping Nhảy tần

theo tần số trực giao - đa băng

PN Pseudo Noise Giả tạp âm

dung đến Tivi

cao

theo thời gian

gian

System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do

sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn được phát triển (3G và WLAN) được thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này và truyền dẫn video chất lượng thấp Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã được đề xuất Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này Xuất phát

từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình Nhưng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đồ án là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là:

“Nghiên cứu Công nghệ truyền thông Ultra Wideband”

Nội dung của đồ án tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng chương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB

Chương 3: Bộ thu phát trong tín hiệu truyền thông UWB

Chương 4: Công nghệ truyền thông UWB

Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần được chỉnh sửa Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để

đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện

Chuơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến

Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến

Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến

Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát triển của các hệ thống cũ Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên mạng băng rộng Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau Xét về khía cạnh thay đổi để

có thể được nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ đầu Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó

Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF

So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3) Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB

Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn

100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN) Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này Do

đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB 802.11 Thông lượng dữ liệu theo khoảng cách

Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách

Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến

1.2 Lịch sử của UWB

Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với: Maxwell

và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe

Mbps tại chuyển động tối

thiểu 30 khung (mầu 16 bít)

Mbps tại chuyển động tối

thiểu 30 khung (mầu 24 bít)

Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video

Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ.Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội

không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998 Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời

Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã được FCC cấp phát

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB

Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp truyền tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây Một vài đặc điểm của

hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM):

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao

Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là:

tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít công suất hơn để truyền một tốc độ bit như nhau với một xác suất lỗi không đổi

1.3.3 Khả năng chống đa đường

Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái niệm có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường Đa đường xuất hiện khi một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau (xem hình 1-6) Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian

của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành

phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đường vọng của một tín hiệu hình sin và cách thức chúng kết hợp

Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thể được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng Nếu như các

xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ lệch về khoảng cách dưới 30 cm Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đường này chỉ cách nhau 6 cm Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường

trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu

Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như

là các hệ thống băng gốc Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp

âm thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền tín

hiệu số Không cần vòng khoá pha hay tần số Sau khi FCC đưa ra một số quy định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử dụng

có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz Có thể nói rằng phương pháp đơn giản nhất

để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần, hoặc là trong miền tương tự hoặc trong miền số

1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp

thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt được thậm trí trong cả môi trường mà SNR thấp Cũng theo lý thuyết của Shannon:

W

Trong trường hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với

quả này, chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN

Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp

Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các hệ thống UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng

So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9) Do

đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý

Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà

Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.4 Nhược điểm của hệ thống UWB

Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích

và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn

một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi.Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển Truyền thông vô tuyến luôn luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau trên cùng một phổ tần Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tượng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại Trong nhiều trường hợp, các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được quyền sử dụng riêng phổ tần

Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa các thiết bị UWB Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và khả năng của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được mong đợi

Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai Một số vấn đề

về mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường, nhiễu giao thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể

sẽ đẩy giá thành lên tương tự như các thiết bị vô tuyến hiện tại

1.6 Các ứng dụng của UWB

UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp dẫn, như thể hiện trong hình 1-13

Về cơ bản, các ứng dụng này có thể được chia thành 3 nhóm:

 Truyền thông và cảm biến

 Định vị và theo dõi

 Radar

Hình 1-9: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp

1.6.1 Truyền thông và cảm biến

Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trường khách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng cấp Các ứng dụng trong truyền thông có thể được chia ra làm hai khu vực - tốc

độ dữ liệu thấp và cao Cả hai đều yêu cầu công suất thấp và dung lượng cao, chúng là các biểu tượng cho chất lượng của UWB

1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp

Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (như bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại

tổ ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ

hỗ trợ một lượng lớn các ứng dụng Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):

 PC và Internet

 Các thiết bị điện tử cho người tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá

 Các thiết bị cầm tay và di động

Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được dùng cho nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ ghi hình số thông tin với STB,… Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao

Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để

có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng được giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking

Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lượng cao đồng thời Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như

đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn

sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ thấp

Hình 1-10: Sự hội tụ của các loại thiết bị

Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dưới đây:

 Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến

 Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và các thiết bị lưu trữ ngoài khác

 Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, như điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp

 Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị di động

1.6.1.2 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC

Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15) Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo

phương thức này Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tượng sử dụng có quyền hy vọng về USB không cần dùng cáp Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã

có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến

480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m

Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP (Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách tay, hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn thành, video có thể được chuyển vào PMP để xem sau

Hình 1-11: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB

1.6.1.3 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE

Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE) Lợi ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ

dàng trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao Một lớp rộng lớn thiết bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị CE khác dễ thấy ở khắp gia đình UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tới đa thiết bị đồng thời Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví như khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà

UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để xem Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay

để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play

Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá,

dựa trên Silicon

Giá rẻ

Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí

Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và

bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB thời kỳ đầu

1.6.1.4 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động

Đối với những người sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có thể là một sự bất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau Nhiều thiết bị, như là thiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB, nhưng các thiết bị khác, như điện thoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cáp USB Công nghệ UWB cho phép các thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngay khi chúng đặt gần nhau UWB cũng có thể được sử dụng để tạo ra truy nhập mạng công suất thấp, tốc độ cao trong các khu vực hotspot

Vùng phủ Internet Hotspot đang tạo ra một điểm hấp dẫn về một thị trường rộng mở cho truy nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy tính di động tại một vùng xa xôi Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những Hotspot là: WLAN 802.11a/b/g và WPAN dựa trên công nghệ Bluetooth Cả hai đều có những giới hạn về đánh địa chỉ cho các nhu cầu hỗn hợp về kết nối băng thông rộng: dung lượng không gian cao nhằm phục vụ nhiều người trong một không gian cho trước và tiêu thụ công suất thấp UWB sẽ giúp vượt qua những khó khăn này và có thể tạo ra cho một người được cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực này trưởng thành

Hình 1-12: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí 1.6.1.5 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB

Giống như công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồn phát và thu nội dung Các thiết bị có thể được kết nối trực tiếp với nhau thông qua WUSB Lúc đó, độ tiện lợi sẽ được nâng lên một cấp độ khác (hình 1-17)

Hình 1-18 thể hiện một sự kết hợp công nghệ tạo ra một sự tiện lợi chưa từng có Trong đó WLAN và LAN hữu tuyến, WUSB (có thể sử dụng UWB khi công nghệ này đã trưởng thành, khi đó tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến hàng Gbps) và USB hữu tuyến

1.6.1.6 Mạng cảm biến

Tất cả các loại bộ cảm biến đề xuất một cơ hội khác cho UWB phát triển tốt đẹp Hiện tại các bộ cảm biến đang được sử dụng mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng Nhiều loại bộ cảm biến được dùng để bảo vệ nhà cửa, ô tô, và các tài sản khác Việc cài đặt các hệ thống an ninh hiện đại tiêu tốn thời gian và đắt đỏ

Hình 1-13: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB

Tại sao vậy? Bởi vì chi phí cho dây dẫn là khá nhiều và tiêu tốn nhiều thời gian để cài đặt Thông thường, các gia đình cắt bớt các góc, chỉ đặt các bộ cảm biến có dây này tại các lối vào có thể nhìn thấy Với một giải pháp không dây, chi phí cho việc cài đặt và bảo dưỡng có thể giảm xuống một cách bất ngờ, phạm vi bao phủ có thể được mở rộng và độ tin cậy được tăng lên UWB có thể được dùng như là liên kết truyền thông trong mạng cảm biến, và tín hiệu UWB tự

nó có thể thực hiện chức năng như là bộ cảm biến Nó còn có thể được làm một cách đặc biệt để xây dựng các bong bóng an ninh xung quanh một khu vực cho trước cần được bảo vệ, bao gồm các vùng cảnh báo biến đổi Hãy tưởng tượng xem còn có gì khác có thể được thực hiện với ý tưởng này để tạo ra sự an toàn,

an ninh, và một cái đầu thanh thản Robert Frost đã viết trong Mending Walls, “

Hàng rào tốt làm nên hàng xóm tốt” Một hàng rào tốt nhất phải khó bị nhận thấy hoặc tàng hình: lĩnh vực của UWB

xung, nhiệt độ, và các dấu hiệu sống quan trọng khác Ngày nay, một bệnh nhân

bị trói buộc bởi dây và cáp khi việc theo dõi y học mở rộng được yêu cầu Một lần nữa, UWB có thể được dùng để truyền tải thông tin cảm biến không cần dây, nhưng cũng có thể thực hiện chức năng như là một bộ cảm biến hơi thở, nhịp tim,

và trong một số trường hợp, cho xử lý ảnh y học

Hình 1-14: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn

Một mạng cảm biến UWB giải phóng bệnh nhân khỏi mớ lộn xộn của các

bộ cảm biến có dây

1.6.1.7 Tốc độ dữ liệu cao

Vì băng tần khả dụng đối với người dùng được mở rộng, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và lấp đầy băng tần khả dụng trong khi nhu cầu gia tăng Thêm vào sự gia tăng tập chung vào băng tần, vấn đề gia tăng điện thoại di động và du

lịch đã thúc đẩy nhu cầu về khả năng dịch chuyển băng tần, ám chỉ đến công nghệ không dây Các ứng dụng sớm nhất của UWB sẽ lấy các nhu cầu thị trường cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao hơn đang tồn tại làm trọng tâm Tuy nhiên, nhu cầu không dây có khả năng đa phương tiện đã đang ép buộc những hành động mới của tổ chức chuẩn hoá không dây Giải pháp UWB sẽ nổi lên với các tính năng hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng này bởi vì băng tần khả dụng cao Đặc biệt, các ứng dụng đa phương tiện mật độ cao, như là dùng trực tuyến đa phương tiện tại các “ điểm nóng” như sân bay hoặc trung tâm hàng hoá thậm trí cả các đơn vị cộng đồng, sẽ yêu cầu băng tần không như công nghệ “băng hẹp” sóng liên tục hiện tại Khả năng đóng gói chặt “ các tế bào” UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển các giải pháp UWB UWB cho phép download phim ảnh với tốc độ cao Các màn hình video có độ phân giải cao cỡ lớn trở nên phổ biến với mức giá chấp nhân được Các thiết bị này có thể đạt được lợi ích to lớn từ khả năng dung lượng cao của UWB để truyền nội dung video qua đường vô tuyến từ các nguồn video đến một màn hình treo trên tường

1.6.2 Định vị và bám

Định vị và bám trên một phạm vi lớn, ví dụ như GPS, đã thay đổi phương pháp chúng ta đi lại Định vị và theo dõi trong một phạm vị nhỏ hơn có thể thay đổi cách tổ chức và theo dõi các đối tượng của chúng ta Các ứng dụng có thể cải thiện sự an toàn của tài sản, giúp chúng ta tìm thìa khoá xe và thậm trí giúp ta giữ liên lạc tốt với những đứa trẻ của mình khi chúng ở xa

ngắn Một vài biến thể của UWB có thể được sử dụng để xác định khoảng cách giữa hai trạm thu phát UWB bên trong nhà Bộ định vị UWB có thể được đặt một cách chiến lược trong một mạng báo hiệu chỉ đường bằng biển không dây dọc theo một con đường chạy qua đồng quê để đánh dấu tuyến Chúng có thể được dùng để tìm người trong nhiều tình huống, như là nhân viên cứu hoả trong các toà nhà đang cháy, sĩ quan cảnh sát trong tình trang nguy hiểm, người trượt tuyến

bị thương trên một sườn tuyết, người đi bộ đường dài bị thương ở một vùng xa xôi, hoặc những đứa trẻ bị lạc trong công viên

1.6.2.2 Bám

Với kỹ thuật bám tiên tiến, chúng ta không chỉ biết vị trí của các đối tượng

mà còn bám theo sự chuyển động của nhiều vật đặc biệt khác Ví dụ, các đối tượng được lưu giữ trong kho có thể được theo dõi từ lúc nhập kho cho đến lúc xuất kho và thậm trí đến tận đích cuối cùng của chúng Bất kỳ một chuyển động nào trong một cơ quan tổ chức cũng có thể được theo dõi Nhờ có theo dõi tài sản, hàng hoá, nên đã cải thiện đáng kể khả năng làm đơn giản hoá việc lưu trữ

và phân phối tài sản, hàng hoá và các dịch vụ trong khi làm tăng khả năng điều khiển kiểm kê

Vì tính chất di động của con người và các đối tượng tăng lên, những thông tin mới nhất và chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trường thích đáng Trong khi GPS và một số công nghệ E911 hứa hẹn tạo ra một mức độ chính xác nào đó bên ngoài nhà, thì các công nghệ theo dõi bên trong nhà hiện tại vẫn còn không ít khó khăn và có độ chính xác khoảng từ 3 đến 10 mét Triển khai UWB

là một sự bù đắp cho GPS và E911 nó cho phép sự định vị chính xác và theo dõi các đối tượng chuyển động trong nhà với độ chính xác vài centimét Điều này lần lượt làm cho có thể cung cấp nội dung định vị rõ ràng và thông tin tơí từng cá thể về chuyển động, và theo dõi các tài sản có giá trị cao về mặt an ninh và sử dụng có hiệu quả Trong khi đây là một thị trường mới mẻ, độ chính xác được cung cấp bởi UWB sẽ thúc đẩy sự trưởng thành thị trường và sự phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực này Các hệ thống UWB có thể làm việc trong môi

trường phức tạp trong đó có nhiều người, tài sản, và các tác động qua lại Các vị trí như là bệnh viện, khu an ninh, trung tâm đào tạo, và các nơi làm việc phân tán khác có thể đạt được ích lợi to lớn bằng việc truyền thông có hiệu quả hơn và nhanh hơn Việc lưu trữ tự động các hoạt động phức tạp không có cấu trúc giải phóng con người khỏi nhiệm vụ quản lý Lý lịch thiết bị có thể được cá nhân hoá,

tự động chia sẻ thiết bị, để con người có thể đạt được sự thoải mái hơn với các tài sản sẵn có Sự đo lường thời gian thực và sự kiểm toán nơi làm việc cung cấp cho người quản lý thông tin cần thiết để có được một quyết định thực tế chính xác Các mức độ an ninh chưa từng có có thể đạt được bằng sự theo dõi vị trí con người và các tài sản quan trọng

1.6.3 Radar

Tín hiệu UWB làm xuất hiện radar độ rõ nét cao với giá rẻ Với các khả năng của radar mới này được tạo ra bởi sử bổ xung của UWB, thị trường radar sẽ phát triển mạnh mẽ và radar sẽ được dùng trong nhiều khu vực mà không cần phải để tâm Một số ứng dụng radar mới mang tính then chốt trong đó UWB dường như có vai trò cốt yếu bao gồm các bộ cảm biến tự động, bộ cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh, bộ cảm biến an ninh cá nhân, điều tra chính xác, và các ứng dụng an toàn công cộng xuyên tường Những vòm an ninh được trang bị radar dựa trên radar chính xác đã thể hiện khả năng phát hiện chuyển động gần các khu vực được bảo vệ, như là các khu vực có tài sản giá trị cao, khu vực công chức, hoặc các khu vực bị hạn chế Vòm này có thể được cấu hình bằng phần mềm để phát hiện chuyển động ngang qua cạnh của vòm, nhưng có thể bỏ qua các chuyển động bên trong hoặc đằng sau cạnh vòm

Ngày nay, khả năng phát hiện chuyển động xuyên tường là một thực tế Các thiết bị này gửi hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu như thế, trong hầu hết các hoàn cảnh, có thể xuyên qua hầu hết vật liệu nhà cửa, như

bê tông rắn chắc, khối bê tông, lớp đá, gạch, gỗ, nhựa, ngói, và sợi thuỷ tinh Kết quả này là một phương tiện nhận biết những mối nguy hiểm hoàn toàn mới với nhiều công dụng Thiết bị radar này nhằm phục vụ cho quân đội và đội ngũ chiến

lược thi hành luật pháp Hoạt động của radar dành cho phương tiện trong băng từ

22 đến 29 GHz được cho phép dưới các điều lệ của UWB bằng cách dùng anten định hướng trên các ô tô Các thiết bị này có thể phát hiện vị trí và chuyển động của các đối tượng gần một phương tiện đi lại, tích cực khả năng tránh xung đột,

sự hoạt hoá túi khí được cải thiện, và hệ thống giảm sóc thích ứng với điều kiện đường xá tốt hơn Hình 1-19 là hình ảnh thể hiện về các thiết bị cụ thể

Hình 1-15: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác

Cuối cùng, để kết thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảng khá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires)

Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp Điều này có thể làm tăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thay đổi hạ tầng đã tồn tại Công nghệ over-wire cho cáp đồng trục có thể cung cấp tới 1.2 Gbps cho đường xuống và 480 Mbps cho đường lên trong băng tần bổ xung, với giá thành thấp, trên nhiều kiến trúc mạng khác nhau Tín hiệu UWB có thể được đặt tại đầu cuối cáp và được trích ra tại cơ ngơi người dùng Công nghệ UWB wire - line không gây nhiễu hay làm giảm chất lượng

truyền hình, Internet tốc độ cao, thoại hoặc các dịch vụ khác đã được cung cấp bởi hạ tầng CATV Công nghệ này sẽ tạo cho người vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồn tại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng tổng thu nhập Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến và UWB hữu tuyến

Sự kết hợp công nghệ này tạo ra độ rộng băng tần mạng vô tuyến khổng lồ cho việc mở rộng nội dung được đảm bảo an toàn theo tất cả các đường từ văn phòng đầu cuối của nhà cung cấp cáp đến một loạt các thiết bị mạng không dây Điều này chuyển đổi trung tâm giải trí gia đình thành cổng mạng và hub không dây

Chuơng 2 Tín hiệu truyền thông trong UWB

Sau khi nắm được những đặc điểm cơ bản nhất về UWB và những thuộc tính của nó

trên miền thời gian và tần số, chúng ta tiếp tục với việc phân tích tín hiệu UWB, trong

chương này dạng xung sử dụng và các kỹ thuật điều chế trong UWB sẽ được trình bày

2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB

Định nghĩa một tín hiệu UWB :

 Một tín hiệu với một độ rộng băng lớn hơn 500 MHz

 Một tín hiệu với độ rộng băng lớn hơn 20% tần số trung tâm

Những định nghĩa này cho phép một tín hiệu CDMA với một tốc độ 1 chip/ns hoặc

một tín hiệu OFDM với độ rộng băng tần tổng cộng vượt ra khỏi chuẩn 802.11 Trong

đồ án này, chúng ta coi rằng tín hiệu UWB được cấu thành từ rất nhiều xung hẹp (cỡ 1

ns hoặc thậm trí còn hẹp hơn)

2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ

Có rất nhiều dạng xung được sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến

Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào đặc tính của phổ tần hoạt động của hệ thống mà dạng xung

nào được lựa chọn Đối với hệ thống UWB phổ tần hoạt động cho các ứng dụng trong

nhà được FCC cấp phát từ 3.1-10.6 GHz Do phổ tần cố định như vậy nên việc chọn

lựa dạng xung cũng là một vấn đề quan trọng Nhằm tuân theo đặc tả của FCC, hai loại

dạng xung được nghiên cứu: xung Gaussian và xung Raised Cosin

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian

Xung Gaussian đơn chu kỳ là một tín hiệu băng rộng, tần số trung tâm và độ

rộng băng phụ thuộc vào độ rộng của chu kỳ đơn Trong miền thời gian, xung đơn chu

t t

Trong đó  là hệ số thời gian xác định độ rộng của đơn chu kỳ Trong miền tần số,

biến đổi Fourier của xung đơn chu kỳ Gaussian là:

.  2  f 

e f j

f

Tần số trung tâm f c phải thoả mãn:

1

vào khoảng 116% f c (xem phụ lục A) Vì vậy, với  = 0.033ns thì tần số trung tâm f c =

6.85 GHz và độ rộng băng -3dB xấp xỉ 7.5 GHz Hình 2-1 thể hiện một dạng sóng điển

hình của xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó

Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó 2.2.2 Xung Raised Cosin

Trong đặc tả của FCC, mặt nạ PSD cho tín hiệu UWB có dạng hình chữ nhật

Dễ thấy rằng xung dạng Gaussian không hoàn toàn phù hợp với quy định này Do vậy,

xung Raised Cosin được giới thiệu để có thể thích hợp hơn với quy định về PSD của

FCC Hình 2-2 thể hiện xung Raised Cosin trên miền thời gian và tần số Xung Raised

Cosin có thể được mô tả trong miền tần số như sau:

,

, 0 2 cos 1 2 1

, 1

B f

B f f

f f

Dạng sóng tương ứng trên miền thời gian được tính như sau:

6 6

1

4 1

2 cos 2

2 sin 2

t f

t f t

f

t f f

f H F t h

dB

dB dB







Do h(t) là tín hiệu băng tần thấp (- f6dB, + f6dB) nên cần được dịch đến tăng tần tín hiệu

mong muốn Trong trường hợp phổ tần của xung Raised Consin chiếm toàn bộ băng

GHz) Do đó, xung được phát đi sẽ là:

 t h t  f t

rc(t) và RC(f) được thể hiện trong hình 2-2

Hình 2-2: Xung Raised Cosin và phổ năng lượng của nó 2.2.3 Lựa chọn dạng xung

Bằng cách so sánh hai dạng xung đã được đề xuất, chúng ta cần lựa chọn một

dạng để sử dụng cho hệ thống UWB Ta thấy rằng, mặc dù xung Raised Cosin có các

thuộc tính phổ khá đẹp, khá khớp với mặt nạ phổ hình chữ nhật được FCC đưa ra

nhưng loại xung này rất khó tạo ra bởi một mạch điện đơn giản Trái lại, xung đơn chu

kỳ Gaussian thì có thể được tạo ra một cách khá đơn giản, và do đó thường được lựa

chọn để sử dụng cho các hệ thống UWB

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm

Sau khi giới thiệu một số dạng xung UWB thì việc truyền dẫn các xung – chuỗi

xung cần được xem xét Trước tiên chúng ta tạo ra xung Gaussian đơn chu kỳ tại

những thời điểm cách nhau bởi khoảng thời gian lặp (xem hình 2-3) và chuỗi xung này

có thể được mô tả như sau:

1

Dựa trên mật độ phổ năng lượng của xung Gaussian đơn chu kỳ GM (hình 2-1), mật

độ phổ công suất (PSD) có thể được viết như sau:

periodic

T

k f T

k GM T

f GM T f

2

2

2 2 2

(2-8)

hợp chuỗi xung tuần hoàn, chúng lần lượt là 1 và 0 Do đó, ta có:

T

k f T

k GM T

Chúng ta thấy rằng trong miền tần số, chuỗi xung đơn đều đặn sẽ tạo ra các

nhánh công suất theo các khoảng 1/T f Điều này được kiểm chứng bằng kết quả mô

phỏng trong hình 2-3 Do vậy, công suất tín hiệu UWB trải rộng theo đường phổ

Nhưng nếu PSD phẳng, công suất phát có thể tối đa theo quy định của FCC Chúng ta

kết luận rằng chuỗi xung tuần hoàn không tận dụng được tài nguyên tần số một cách

có hiệu quả và cần được cải thiện Để có thể làm mịn đường phổ, yếu tố then chốt để

tối ưu việc sử dụng phổ tần, chúng ta cần loại bỏ sự tương quan của chuỗi xung tuần

hoàn trong miền thời gian Một phương pháp hữu dụng để giải quyết vấn đề này là làm

cho các xung xuất hiện ngẫu nhiên trong miền thời gian, do vậy nhiều sự tương quan

có thể tránh được trong chuỗi xung và đường phổ có thể được nén lại Phương pháp

này được thể hiện trong hình 2-4 và chuỗi xung với xung đơn chu kỳ Gaussian có thể

được mô tả như sau:

f

Từ đó ta thấy rằng p random f chỉ là một bản mở rộng của phổ năng lượng của xung

Gaussian đơn chu kỳ và không có nhánh nào trong đó

Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó

Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần

Sở dĩ như vậy là do tất cả các xung xuất hiện ngẫu nhiên hoàn toàn và tuyệt đối

không có thông tin tương quan về vị trí xung Thuộc tính trên được khẳng định lại

bằng kết quả mô phỏng trong hình 2-4

j

T

mỗi một người dùng có một chuỗi mã ngẫu nhiên duy nhất Chỉ bộ thu hoạt động với

cùng một mã ngẫu nhiên mới có thể giải mã truyền dẫn Nếu không biết trước mã nhảy

thời gian duy nhất này thì tín hiệu không thể được tách ra thậm trí ngay cả trong trường

hợp mà bộ thu đặt rất gần bộ phát Phương pháp để gán cho từng xung UWB một khoảng

thời gian T j này còn được sử dụng như là một kỹ thuật đa truy nhập

Để hiểu thêm về một kỹ thuật đa truy nhập và khả năng ứng dụng của chúng trong

UWB, ta xét thêm một số kỹ thuật đa truy nhập khác (xem phần kỹ thuật đa truy nhập)

2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB

Như chúng ta đã biết, một xung đơn UWB không mang thông tin Chúng ta

phải thêm thông tin số vào xung tương tự, điều này được thực hiện bằng điều chế

Trong các hệ thống UWB, có một số phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ xét

chi tiết ở phần sau

Thông thường, chúng ta định nghĩa hai dạng điều chế cơ bản cho truyền thông

UWB Chúng được thể hiện trong hình 2-5 (kỹ thuật điều chế dựa trên thời gian và kỹ

thuật điều chế dựa trên dạng xung)

Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB

Một phương pháp điều chế phổ biến nhất trong truyền thông UWB là điều chế

vị trí xung (PPM), trong đó mỗi xung được trễ hoặc gửi trước thang thời gian bình

thường Do vậy, một hệ thống truyền thông cơ hai có thể được thiết lập với một độ

Điều chế vị trí

xung (PPM)

Kỹ thuật dựa trên thời gian Kỹ thuật dựa trên dạng xung

Điều chế xung đối cực (BPPM)

OOK, PAM Phương pháp điều chế dạng xung cơ bản (như điều chế xung trực giao)