Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB còn gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung hay vô tuyến băng gốc được nghiên cứu phát triển từ rất sớmtrong các hệ thống thông tin quân

§¹i häc quèc gia Hµ néi

§¹i häc quèc gia Hµ Néi

Hà Nội - 2006

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU U xii

MỞ ĐẦUU xiii

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Lịch sử ra đời 1

1.3 Phạm vi hoạt động của UWB 3

1.4 Công nghệ UWB 4

1.5 Ứng dụng của UWB 6

1.6 Các vấn đề kỹ thuật cần lưu ý 9

1.7 Kết luận 10

CHƯƠNG 2 12

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ CÔNG NGHỆ UWB 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2 Mật độ phổ năng lượng 12

2.3 Dạng xung 14

2.4 Dãy xung 17

2.5 Mặt nạ phổ 19

2.6 Khả năng chống đa đường 20

2.7 Khả năng truyền qua vật chất 23

2.8 Dung lượng không gian và phổ 23

2.9 Tốc độ truyền dữ liệu 24

2.10 Tiêu thụ năng lượng 25

2.11 Tổng kết 26

CHƯƠNG 3 27

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU BĂNG CỰC RỘNG TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN 27

Mở đầu 27

3.1 Giới thiệu chung 27

3.1.1 Hệ thống đơn băng 30

3.1.2 Hệ thống đa băng 30

a Đa băng xung 30

b Đa băng dựa trên OFDM 31

3.2 Tạo tín hiệu UWB 33

3.2.1 Đặc điểm của tín hiệu UWB 33

a Định nghĩa 33

b Mẫu xung đơn 35

3.2.2 Thiết kế tín hiệu UWB 37

a Nguyên tắc 38

b Thiết kế tín hiệu 39

c Tính toán công suất cho các xung được phát lặp 43

3.3 Các phương thức điều chế UWB 45

3.3.1 Điều chế vị trí xung 47

3.3.2 Điều chế khoá lưỡng trực giao M mức (M-BOK) 49

3.3.3 Điều chế phân cực xung, BPSK và QPSK 50

3.3.4 Điều chế biên độ xung 51

3.3.5 Điều chế tham chiếu phát 51

3.3.6 Nhận xét 53

3.4 Dãy xung 54

3.4.1 Chuỗi xung Gaussian 54

3.4.2 Mã PN 55

3.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 57

3.5 Bộ phát UWB 59

3.5.1 Quá trình phát xạ xung hẹp 59

a Trường xa của một anten bất kỳ 62

b Trường xa của một nguồn phát xạ nhỏ lý tưởng 64

3.5.2 Sơ đồ bộ phát 65

3.6 Truyền sóng tín hiệu UWB trong môi trường vô tuyến 66

3.6.1 Truyền tín hiệu UWB trong không gian tự do 68

3.6.2 Truyền sóng với sự phản xạ mặt đất 69

a Tín hiệu UWB và tín hiệu điều hoà theo thời gian với một lần phản xạ mặt đất 71

3.6.3 Truyền sóng UWB trong trường hợp đa đường vô tuyến 72

a Truyền xung UWB qua một toà nhà 73

3.6.4 Mô hình truyền sóng và các tham số 76

3.7 Bộ thu UWB 77

3.7.1 Nguyên tắc 77

a Thu tín hiệu UWB 78

b Tạp âm và nhiễu 78

3.7.2 Sơ đồ khối bộ thu 80

a Tách tín hiệu 81

b Tích phân xung 81

c Bám 81

3.7.3 Hiệu suất bộ thu và tách tín hiệu 82

3.8 Đa truy cập trong UWB 85

3.8.1 Nhảy thời gian (TH) 86

3.8.2 Trải phổ trực tiếp (DS) 88

3.9 Các giới hạn và dung lượng hệ thống UWB 89

3.9.1 Các giới hạn trong thông tin 90

a Tạp âm 90

b Công thức dung lượng của Shannon 91

c Hiệu suất thông tin của các phương pháp điều chế khác nhau 94

3.9.2 Các giới hạn cơ bản của hệ thống UWB 95

a Giới hạn cơ bản đối với hệ thống UWB 96

b Giới hạn cơ bản so với các hệ thống vô tuyến thông thường 99

3.10 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB 101

3.10.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) 101

3.10.2 Bluetooth 103

3.10.3 GPS 104

3.10.4 Các hệ thống thông tin tế bào 104

Kết luận 105

CHƯƠNG 4 106

TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG BĂNG CỰC RỘNG 106

Mở đầu 106

4.1 Ứng dụng trong quân sự 106

4.1.1 Hệ thống định vị chính xác 106

4.2 Các ứng dụng trong thương mại 107

4.2.1 Time Domain PulsON 200 108

4.2.2 Bộ tạo tín hiệu UWB của Time Domain 109

4.2.3 XtremSpectrum 110

4.2.4 Tập đoàn Intel 110

4.2.5 Motorola 111

4.2.6 Phòng thí nghiệm nghiên cứu truyền thông (CRL) 111

4.2.7 General atomics 112

4.2.8 Wisair 112

4.2.9 Mạng gia đình và các thiết bị điện tử dân dụng 113

4.2.10 Hệ thống định vị chính xác 115

Kết luận 116

KẾT LUẬN 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

antenna gain, dB referenced to isotropic radiation

dB relative to one milliwattDifferential Phase Shift KeyingDirect Sequence Spread SpectrumBit energy

Communication efficiency, relative efficiency, dBBit energy to noise-density ratio

Effective Isotropically Radiated PowerEuropean Technical Standards InstituteFrequency Division Multiple AccessFast Fourier Transform

Institute of Electrical and Electronics EngineersInternet protocol

International Standards OrganizationInternational Telecommunication UnionLocal Area Network

Logical Link ControlLine of Sight (propagation)Medium Access ControlMetropolitan Area Network

M-ary Bi-Orthogonal Keying

Noise density, W/HzNon-line of sight (propagation)

Pseudo-random NoisePulse Position ModulationPseudo Random

Pulse Repetition FrequencyPulse Repetition IntervalPower Spectral DensityPulse Shape ModulationProcess, power supply Voltage and TemperatureQuadrature Amplitude Modulation

Quality of ServiceQuadrature Phase Shift KeyingRadio Frequency

Radio Frequency Integrated CircuitRoot Mean Square

Receiver, Receiver portSignal-to-Interference-plus-Noise RatioSignal-to-Noise Ratio

Terminal Control Protocol/Internet ProtocolTime Division Multiple Access

Ultra-WideBandWide Area NetworkWireless Local Area Network

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị 3

Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB 4

Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB 6

Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí 7

Hình 1.5: Lớp giao thức và ứng dụng cho UWB 10

Hình 2.1: Các hệ thống mật độ năng lượng thấp và cao 14

Hình 2.2: Xung UWB lý tưởng 15

Hình 2.3: Mạch đơn giản để tạo xung Gaussian kép 16

Hình 2.4: Chi tiết các xung được tạo ra trong hệ thống UWB điển hình 17

Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Phổ của dãy xung UWB 18

Hình 2.6: Phổ của dãy xung đã bị dịch về phía trước và sau so với danh định 19 Hình 2.7: Mặt nạ phổ qui định bởi FCC cho hệ thống UWB trong nhà 20

Hình 2.8: Xung được truyền bị phản xạ tạo ra các xung đến phía thu với các thời gian trễ khác nhau 21

Hình 2.9: Khoảng cách hai xung lớn hơn độ rộng xung sẽ không gây can nhiễu 21

Hình 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng sóng thu được gồm các xung bị chồng lấp 22

Hình 3.1: Mặt nạ phổ hệ thống UWB trong nhà theo quy định của FCC 28

Hình 3.2 : Phổ của hệ thống UWB so với các hệ thống hiện có 28

Hình 3.3: Tín hiệu và phổ của UWB đơn băng và đa băng 29

Hình 3.4: Sử dụng băng tần để tránh nhiễu không mong muốn 30

Hình 3.5: Truyền dẫn thông tin cho hệ thống đa băng dựa vào xung 31

Hình 3.6: Ảnh hưởng của chu kỳ lặp xung đối với nhiễu xung tại bộ thu 32

Hình 3.7: Mô hình tổng quát hệ thống truyền thông 32

Hình 3.8: Một số giới hạn thiết kế đối với hệ thống UWB 34

Hình 3.9: Các điểm thiết kế tín hiệu UWB 35

Hình 3.10: Mô hình đơn giản tạo tín hiệu Gaussian double 37

Hình 3.11: Chi tiết trong hệ thống truyền thông UWB 37

(a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian 37

(c) Xung đạo hàm bậc 1 (d) Các xung Gaussian double 37

Hình 3.12: Các xung hẹp có thể tạo tín hiệu UWB 38

Hình 3.13: Đầu ra của một mạch logic tạo tín hiệu UWB, sử dụng một bộ lọc thông dải nhằm thu được băng mong muốn 39

Hình 3.14: Các biểu diễn theo miền thời gian và tần số của một xung dựa trên cặp biến đổi Fourier 40

Hình 3.15: Các tín hiệu miền thời gian càng trơn công suất nằm ngoài băng

tần mong muốn càng bé 41

Hình 3.16: Các tín hiệu miền thời gian khác nhau có cùng băng thông, nhưng công suất nằm ngoài băng thông đó thì khác nhau 42

Hình 3.17: Công suất khả dụng đối với băng UWB và với một tín hiệu UWB trên thực tế 44

Hình 3.18: Các xung chưa điều chế được phát với một tần số cụ thể tạo thành các vạch phổ 45

Hình 3.19: Các phương thức điều chế UWB 46

Hình 3.20: So sánh điều chế PPM và điều chế BPSK trong UWB 47

Hình 3.21: Các dạng xung PPM với các bit 0 và 1 48

Hình 3.22: Xác suất lỗi với các loại điều chế khác nhau 50

Hình 3.23: Xác suất lỗi với điều chế PAM 51

Hình 3.24: Bộ phát và thu TR-UWB 52

Hình 3.25: Xác suất lỗi đối với điều chế TR 53

Hình 3.26: Một bộ phát xung UWB 53

Hình 3.27: Chuỗi xung Gaussian kép trong miền thời gian và tần số 55

Hình 3.28: Xung Gaussian, đơn, kép trong miền thời gian và tần số 56

Hình 3.29: Đầu ra của hệ thống điều chế vị trí xung nhị phân, nhảy thời gian 58 Hình 3.30: Anten chấn tử với dòng điện mặt J(r,,τ)) 61

Hình 3.31: Một chấn tử băng rộng 63

Hình 3.32: Trường phát tại anten và trường phát tại các hướng khác nhau 64

Hình 3.33: Anten phát vô cùng nhỏ 65

Hình 3.34: Sơ đồ khối phát UWB 66

Hình 3.35: Trải năng lượng của một tín hiệu theo hình cầu 68

Hình 3.36: 70

(a) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp 70

(b) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB bị phản xạ 70

(c) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp và bị phản xạ trong mô hình truyền sóng hai tia 70

Hình 3.37: Các xung chồng lên nhau và không chồng lên nhau 71

Hình 3.38: Đặc tính suy hao truyền sóng UWB (đường in đậm) và sóng điều hoà gần mặt đất 72

Hình 3.39: Minh hoạ một nguồn UWB truyền sóng trong toà nhà 73

Hình 3.40: Mô phỏng thời điểm bắt đầu phát xạ của một tín hiệu 74

Hình 3.41 : Mô phỏng truyền xung xuyên qua các bức tường 74

Hình 3.42: Mô phỏng tiếng vọng đa đường 74

Hình 3.43: Mô phỏng tiếng vọng đa đường sau khi mặt sóng truyền qua 75

Hình 3.44: Mô phỏng xung UWB chạm tới một vật chắn 75

Hình 3.45: Mô phỏng phản xạ đa đường sau khi mặt sóng truyền gốc qua 75

Hình 3.46 : Tạp âm biến đổi theo tần số 79

Hình 3.47: Sơ đồ khối bộ thu UWB 80

Hình 3.48 : Hệ thống báo hiệu UWB kém hiệu quả dựa trên công nghệ vô tuyến truyền thống 82

Hình 3.49: Hệ thống máy thu 83

Hình 3.50: Một hệ thống báo hiệu UWB hiệu quả sử dụng bộ thu thích hợp 85 Hình 3.51a: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 88

Hình 3.51b: Khái niệm hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 88

Hình 3.52: Chỉ tiêu kênh lý tưởng 92

Hình 3.53: Giới hạn độ lợi cơ bản của hệ thống UWB 96

Hình 3.54: Dung lượng tối lớn nhất theo giới hạn cơ bản của hệ thống UWB tuân theo các quy định khác nhau .98

Hình 3.55: So sánh hệ thống UWB và hệ thống băng hẹp .99

Hình 3.56: Các giới hạn cơ bản của hệ thống băng hẹp và UWB 100

Hình 3.57: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần 101 của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 101

Hình 3.58: Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN 103

Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios 108

Hình 4.2: Bộ tạo tín hiệu UWB PulsON 200 109

Hình 4.3a: Một ví dụ mạng gia đình dùng UWB 113

Hình 4.3b: Kết nối vô tuyến giữa các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ UWB 114

Hình 4.4: Tổng quan các ứng dụng do UWB cung cấp 117

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc trưng và ưu điểm của UWB trong PC và thiết bị giải trí 8

Bảng 2.1: Mật độ phổ công suất của một số hệ thống truyền thông 13

Bảng 2.2: So sánh dung lượngkhông gian của các hệ thống vô tuyến trong nhà 24 Bảng 2.3: So sánh tốc độ bit của UWB với các chuẩn vô tuyến khác 25

Bảng 2.4: Tiêu thụ năng lượng của UWB và các chipset mobile khác 26

Bảng 3.1: So sánh EIRP tổng và các mức búp bên cho các dạng xung bới 10 dB BW của 2 GHz 43

Bảng 3.2: Giá trị tối ưu cho mỗi dạng sóng 49

Bảng 3.3: Các mô hình truyền sóng và ứng dụng của chúng 76

Bảng 3.4: Các tham số mô hình truyền sóng 77

Bảng 3.5: Hiệu suất điều chế 95

Bảng 3.6: Hiệu suất điều chế so với trường hợp điều chế lý tưởng 95

Bảng 3.7:Giới hạn cơ bản của hệ thống UWB dưới quy định của các tổ chức khác nhau 97

Bảng 3.8: So sánh tốc độ bit UWB với các chuẩn vô tuyến và cố định khác 99 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của PulsON 200 Evaluation Kit 109

Bảng 4.2: Các thông số chi tiết của TRYNITY chipset 110

Bảng 4.3: Tham số chipset UBlink 112

Bảng 4.4: Vài nội dung cho mạng máy tính và giải trí gia đình, tốc độ dữ liệu cần thiết và yêu cầu đặc tính thời gian thực 115

MỞ ĐẦU

Trong xã hội thông tin phát triển nhanh như hiện nay, khi đời sống ngày càngđược nâng cao, con người ngày càng mong muốn được sử dụng nhiều tiện ích Đểđáp ứng nhu cầu, phục vụ cho con người trong xã hội công nghiệp hoá thì việc ứngdụng các công nghệ mới đang được thúc đẩy mạnh mẽ

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB còn gọi là vô tuyến không sóng mang,

vô tuyến dạng xung hay vô tuyến băng gốc được nghiên cứu phát triển từ rất sớmtrong các hệ thống thông tin quân sự vào những năm 60 của thế kỷ trước Trong vàinăm gần đây, thông tin UWB đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu, phát triển vàứng dụng trên phạm vi toàn cầu So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB cóthể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn với công suất phát xạ rất thấp trong một phạm

vi hẹp, không gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần Các ứng dụngtruyền thông tốc độ cực cao sử dụng công nghệ UWB đang từng bước được hiệnthực hoá

Nhận thấy tầm quan trọng của công nghệ UWB và định hướng của giáo viên

hướng dẫn tôi đã thực hiện đề tài: ”Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng”.

Nội dung luận văn được chia làm 4 chương, cụ thể như sau:

• Chương 2: Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của công nghệ và tín hiệu UWB

• Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật truyền tín hiệu băng cực rộng trên kênh vô tuyến

• Chương 4: Tình hình triển khai các ứng dụng UWB

Đề tài đã hoàn thành cơ bản về nội dung, tuy nhiên do hạn chế về thời gian vàkhả năng nên tôi chưa có điều kiện nghiên cứu sâu và chi tiết hơn; một số phần diễnđạt còn chưa mạch lạc do được dịch từ tài liệu tiếng nước ngoài; nhiều thông tinmuốn được đề cập thêm nhưng phạm vi luận văn không cho phép

Nhân đây xin được cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Hồng Quân đãtận tình giúp đỡ tôi trong việc nghiên nội dung đề tài cũng như tìm và lựa chọn tàiliệu; Các thầy cô giáo trong Bộ môn, Khoa ĐT-VT của trường đã tạo mọi điều kiệntốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB

1.1 Giới thiệu chung

Công nghệ vô tuyến [5] dùng trong mạng điện thoại tế bào và PC đã mang lạinhiều tiện lợi cho người sử dụng Nó làm nảy sinh đòi hỏi tương tự cho các thiết bịtiêu dùng khác Người tiêu dùng ngày càng ưa chuộng các kết nối không dây Trongtương lai không xa, thiết bị số sẽ trở thành phổ biến trong gia đình Đó là các thiết bịghi và lưu trữ hình ảnh, dòng dữ liệu AV thời gian thực, game online, và các dịch

vụ hội nghị AV

Nhiều công nghệ được sử dụng trong căn nhà số, chẳng hạn như dòng dữ liệu

AV số, đòi hỏi truyền với băng thông lớn Nếu tính đến số lượng các thiết bị sửdụng trong căn nhà số thì băng thông cần để kết nối vô tuyến giữa chúng sẽ thực sự

là rất lớn Các công nghệ mạng không dây hiện nay dùng cho kết nối PCs như Wifi

và Bluetooth không tối ưu khi dùng cho đa truy nhập băng rộng trong căn nhà số.Mặc dù tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 54Mbps đối với Wifi, nhưng công nghệ này cònnhiều hạn chế trong mảng điện tử dân dụng về năng lượng tiêu thụ và băng thông.Khi kết nối vô tuyến nhiều thiết bị điện tử dân dụng (CE) trong một mạng phạm vihẹp, hay mạng vô tuyến cá nhân (WPAN), đòi hỏi một công nghệ truyền các dòng

số liệu tốc độ cao, tiêu thụ ít năng lượng và giá bảo dưỡng thấp mà vẫn đảm bảokích thước vật lý nhỏ, như PDA hay điện thoại di động Công nghệ không dây mớiUWB kết hợp với công nghệ silicon đang là một giải pháp đầy thuyết phục

phép tốc độ truyền dẫn rất cao, lên tới 500Mbps, đặc biệt trong hệ thống thông tin

vô tuyến cá nhân (WPAN) Hiện nay, IEEE là tổ chức tiêu chuẩn chính trong việc

đề xuất các tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vô tuyến UWB cho hệ thống WPAN.Người ta còn tìm thấy rất nhiều các ứng dụng khác của UWB, như trong thông tinradar, thông tin xuyên tường, cảm biến, thông tin định vị với độ chính xác rất cao.Ngày 14/2/2002, FCC Mỹ phát hành bản báo cáo đầu tiên và đơn đặt hàng,theo đó cho phép triển khai thương mại công nghệ UWB Kể từ đó tới nay, hệ thốngUWB đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và phát triển trên phạm vi toàncầu Theo định nghĩa của FCC: UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ nằm trong phạm

vi từ 3,1 – 10,6 GHz, năng lượng phát xạ cho phép là -41,3dBm/MHz hay 0,5mWnếu sử dụng toàn bộ dải tần 7,5GHz Mức năng lượng rất thấp này giúp hệ thốngkhông gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần và nó chỉ được sử dụngtrong khoảng cách truyền thông nhỏ (dưới 100m) Lưu ý là định nghĩa này áp dụngđối với các hệ thống UWB sử dụng trong thị trường thông tin vô tuyến công cộng.Gần đây, thông tin UWB đã thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứngdụng So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệulớn hơn với công suất phát xạ rất thấp (bé hơn -41 dBm/MHz theo quy định củaFCC) trong phạm vi hẹp Ngoài ra UWB cũng có thể hỗ trợ đa truy nhập Nhữngtính năng trên cho phép công nghệ UWB đặc biệt phù hợp các ứng dụng truyềnthông đa phương tiện trong phạm vi mạng thông tin vô tuyến cá nhân WPAN Hiệnnay, nhóm công tác IEEE 802.15.3 đang nghiên cứu sử dụng UWB như một trongcác lựa chọn ở lớp vật lý vô tuyến của mạng WPAN Ở châu âu, ETSI cũng đangđẩy mạnh nghiên cứu chuẩn hoá công nghệ UWB, về cơ bản dựa trên nền tảng quyđịnh của FCC

Tháng 7/2002, ITU cũng đã thành lập nhóm chuyên trách ITU-R TG 1/8nghiên cứu về công nghệ UWB và các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan tới hệthống UWB Có thể nói, các ứng dụng truyền thông tốc độ cực cao sử dụng côngnghệ UWB đang từng bước được hiện thực hoá

1.3 Phạm vi hoạt động của UWB

Căn nhà số có thể có nhiều các thiết bị điện tử dân dụng khác nhau (như máynghe nhạc, video số), thiết bị di động (như điện thoại di động, PDAs) và máy tính cánhân (như máy xách tay) và nó phải hỗ trợ vô số các ứng dụng trên đó Các thiết bịnày rơi vào 3 chủng loại như hình 1.1:

Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị

- PC và Internet

- Điện tử dân dụng và hệ thống quảng bá

- Thiết bị di động và thiết bị cầm tay

Các thiết bị này được đặt ở các phòng khác nhau và được sử dụng cho cácchức năng khác nhau Tuy nhiên người ta mong muốn chúng có thể thông tin đượcvới nhau- máy nghe nhạc MP3 trao đổi file với PC, máy quay video số kết nối vớiSTBs, v.v.v Sự hội tụ của các thiết bị này đòi hỏi có một công nghệ không dâychung, cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu caocho nhiều ứng dụng và ứng dụng tốc độ cao Hiện nay, các loại thông tin không dâynày đang sử dụng các giao diện và định dạng dữ liệu khác nhau

Thế hệ PC, thiết bị điện tử dân dụng và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độkết nối cỡ 1 Mbps (lớn hơn tốc độ dữ liệu tối đa của công nghệ Bluetooth), hiện naynhiều thiết bị sử dụng công nghệ này để tạo nên mạng thông tin vô tuyến cá nhânWPANs Nhưng nhiều thiết bị điện tử dân dụng không thể đáp ứng được về giáthành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/g cho mạng Wifi.

Mặc dù công nghệ Wifi nhanh hơn Bluetooth nhiều, nó vẫn không đủ khảnăng cho phép truyền đồng thời nhiều luồng video chất lượng cao một cách hiệuquả Công nghệ UWB hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về truyền thông trongmôi trường tích hợp và hội tụ công nghệ như WPAN Thêm vào đó, cùng với sự hỗtrợ của các tập đoàn công nghiệp lớn, như WiMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn

sự hoạt động tương tác qua các tập giao thức IEEE 1394, USB, và Universal Plugand 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

1.4 Công nghệ UWB

UWB khác hẳn so với sóng vô tuyến băng hẹp thông thường (RF) và kỹ thuậttrải phổ (SS), cũng như công nghệ Bluetooth và chuẩn 802.11 a/g UWB dùng mộtbăng tần cực rộng để truyền dữ liệu (Hình 1.2) Và như vậy, UWB có thể truyềnnhiều dữ liệu hơn so với các công nghệ truyền thống trong cùng một khoảng thờigian

Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB

Tốc độ dữ liệu truyền qua một kênh vô tuyến tỷ lệ với băng thông của kênh vàloga của tỉ số S/N (Định lý Shanoon) Các kỹ sư vô tuyến đã phải điều chỉnh tham

số của băng thông đôi chút vì quy định của FCC với băng tần được phép sử dụngcho các loại tín hiệu vô tuyến và ứng dụng Bluetooth, Wifi 802.11a/g, bộ đàm vàmột số thiết bị khác được dành cho một dải tần không cấp phép từ 900MHz-2,4Ghz

và 5,1GHz Mỗi kênh vô tuyến chỉ chiếm một băng tần hẹp, liên quan đến tần sốcủa UWB

UWB là trường hợp đầu tiên sử dụng phổ tần số hợp pháp UWB có thể sửdụng tần số từ 3,1GHz-10,6GHz - một băng tần rộng hơn 7GHz Mỗi kênh vô tuyến

có thể có băng thông trên 500MHz, tuỳ thuộc vào tần số trung tâm của nó Để chophép băng thông tín hiệu rộng như thế, FCC đã đưa ra một vài ràng buộc về nănglượng Bằng cách đó, các thiết bị UWB có thể tận dụng một băng tần siêu rộngtrong khi không phát xạ năng lượng ảnh hưởng đến các thiết bị băng hẹp hơn, như

là chuẩn 802.11a/g Việc quy hoạch phổ tần này cho phép các thiết bị truyền dòng

dữ liệu tốc độ rất cao, nhưng phải trong phạm vi không gian hẹp

Sự hạn chế chặt chẽ về năng lượng có nghĩa là tiêu thụ ít năng lượng Do đòinày thì sự hỗ trợ của công nghệ CMOS là rất khả thi Với đặc tính là tiêu thụ ít nănglượng, giá rẻ và tốc độ truyền dữ liệu cao trong phạm vi hẹp, UWB được chủ yếuphục vụ chủ yếu cho mạng WPAN tốc độ cao

Công nghệ UWB cũng sử dụng lại tần số Nhóm thiết bị trong khoảng cáchgần (ví như hệ thống giải trí trong phòng khách) có thể thông tin trên cùng một kênhgiống như nhóm thiết bị khác trong phòng khác (ví dụ như hệ thống game trongphòng ngủ) Mạng vô tuyến cá nhân WPAN sử dụng công nghệ UWB thì các nhómthiết bị gần nhau có thể sử dụng cùng một kênh mà không gây can nhiễu Giải phápWLAN sử dụng hết băng thông dữ liệu sẵn có cho một nhóm thiết bị riêng và khôngthể sử dụng lại kênh vô tuyến trong nhà Do sự hạn chế về khoảng cách của UWB,802.11 WLAN là phần bổ sung hiệu quả cho WPAN, truyền dữ liệu giữa các toànhà

-Kết nối giao diện WUSB tốc độ cao giữa PC và ngoại vi như máy in, scanners

và thiết bị lưu trữ ngoài

-Thay thế các loại cáp trong các thiết bị công nghệ Bluetooth thế hệ sau, nhưđiện thoại tế bào 3G cũng như kết nối IP/UPnP của các thiết bị di động/ điện tử dândụng/PC trên nền IP

-Tạo ra kết nối vô tuyến tốc độ cao Ad-hoc cho thiết bị CE/PC/di động

Kết nối vô tuyến ngoại vi PC

Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi với PC, công nghệ UWB cho phépcung cấp chất lượng và độ tiện lợi còn lớn hơn so với chuẩn USB vốn đã rất thànhcông hiện nay Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể và là chuẩn kết nốirất linh hoạt và thuận tiện của PC (Hình 1.3)

Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB

Ngoài ra, công nghệ Bluetooth cũng đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về chỉ tiêu tốc độ, phạm vi hoạt động tương tác

Một giải pháp WUSB sử dụng UWB mở ra khả năng sử dụng chuẩn USB khôngcần dùng cáp Điều đó đã tăng tính linh hoạt và tiện lợi của chuẩn USB, UWB đãcos được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC.WUSB Working Group đang đề xuất một tiêu chuẩn hứa hẹn cung cấp tốc độ lênđến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10m.

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

Kết nối vô tuyến đa phương tiện cho các thiết bị điện tử gia dụng audio

và video (AV CE)

Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối vô tuyến đa phương tiệncho thiết bị điện tử gia dụng audio và video Lợi ích tương tự như PC và ngoại vi;

sự tiện dụng vô tuyến và truyền số liệu là thế mạnh chính Các thiết bị giải trí rất đadạng (Hình 1.4): DVD, HDTV, STB, máy quay video cá nhân (PVR), MP3, máyquay và máy ghi số, các thiết bị điện tử dân dụng khác trong nhà

Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí

Ví dụ, UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hay HDTV vớimột STB hoặc đầu DVD mà không bị vướng víu cũng như mất thẩm mỹ bởi nhữngsợi cáp UWB có thể truyền đồng thời nhiều dòng dữ liệu tới nhiều thiết bị Điềunày cho phép thực hiện chức năng ảnh trong ảnh hoặc khả năng để hiển thị cùngmột nội dung hay những nội dung khác nhau trên nhiều thiết bị trong nhà.

UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và nhóm thiết bị giải trí, nhưmáy quay xách tay với một PC chuyên dụng để tạo chương trình video số hoặc tớimột màn LCD rộng Kết nối một camera số với một máy tính xách tay để soạn thảo,biên tập và gửi những bức ảnh thông qua email tới người thân trong khi đang ở mộtđiểm truy cập công cộng UWB đã đem lại những lợi ích đáng kể, xem bảng 1.1

Công nghệ Silicon, tiêu chuẩn hoá Giá thành hạ

Bảng 1.1: Đặc trưng và ưu điểm của UWB trong PC và thiết bị giải trí

Mạng WPAN sử dụng công nghệ UWB, các thiết bị trong phạm vi gần, chúng

có thể nhận ra nhau, và các dòng truyền dữ liệu xuất hiện khi người sử dụng bấmnút Play Các thiết bị AV CE di động, như máy quay xách tay, camera số, máyMP3, và đầu đọc video cá nhân được mong đợi là đất dụng võ của UWB

Thay thế cáp và thiết bị truy nhập mạng điện toán di động

Đối với nhiều người, khi sử dụng các thiết bị di động, cáp gây ra nhiều bất tiệnkhi mà chúng cần kết nối với nhau Nhiều thiết bị, chẳng hạn như các thiết bị hỗ trợ

cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB; nhưng với các thiết bị khác, chẳng hạn nhưđiện thoại tế bào 3G, có thể yêu cầu jack chuyển đổi đối với cáp USB Công nghệUWB cho phép các thiết bị này làm việc với nhau mà không cần cáp ngay khichúng ở phạm vi gần UWB cũng có thể được sử dụng truy cập mạng tốc độ cao,năng lượng thấp trong phạm vi của hotspot

Phạm vi của hotspot tạo nên một vùng rộng cho truy nhập internet băng rộngđối với các thiết bị điện toán di động ở vị trí xa Hiện nay, có 2 công nghệ là WLAN802.11a/g và Bluetooth cho WPAN Cả 2 công nghệ này đều có những hạn chế giảiquyết đồng thời các đòi hỏi của kết nối băng thông rộng: mật độ không gian cao đểnhiều người có thể truy cập trong một không gian xác định và tiêu thụ ít năng lượng.UWB hứa hẹn sẽ vượt qua thách thức này và có thể cung cấp thói quen cải thiệnđáng kể ngay khi nó được triển khai.

Kết nối Ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng công nghệ UWB

Giống như công nghệ Bluetooth, mỗi thiết bị công nghệ UWBcó thể vừa lànguồn dữ liệu và vừa là thiết bị nhận Thiết bị này tập hợp dữ liệu của tất cả cácthiết bị nối vào một mạng Có thể bao gồm việc kết nối một camera số trực tiếp vớimột máy in để in ảnh

Hình 1.5: Lớp giao thức và ứng dụng cho UWB

Hình 1.5 biểu diễn mô hình phân lớp đầy đủ yêu cầu để tạo UWB Ở lớp vật lý

và MAC, MBOA đang làm việc với các thành viên khác để lập ra chuẩn cho cả lớpPHY và lớp MAC Sự cố gắng này sẽ giải quyết được yêu cầu QoS và khả năng liênkết hoạt động giữa UWB, độc lập với nhà sản xuất WiMedia Alliance, một tậpđoàn công nghiệp tập trung vào phát triển lớp hội tụ để cho phép UWB MAC giaotiếp với một số giao thức chuẩn khác, như là USB, WUSB, IEEE 1394 và UPnP.Cuối cùng, các công ty đang phát triển các giao thức để tận dụng triệt để thếmạnh của công nghệ UWB Kỹ thuật WUSB được phát triển thông qua nhóm làmviệc USB không dây và UPnP được thực hiện thông qua Nhóm làm việc về ngôinhà số (DHWG)

1.7 Kết luận

UWB và những cố gắng giao thức mạng kết hợp đang ở giai đoạn đầu pháttriển, và một vài hạng mục triển khai chủ yếu đang được định nghĩa và định lượng.UWB đang triển khai mạng vô tuyến trong WLAN, thêm vào đó tăng tốc độ bit, kếtnối đa phương tiện cho WPAN hỗ trợ PC và các thiết bị CE Điều này cho ta sự hội

tụ thật sự của máy tính và các thiết bị điện tử dân dụng

Ưu điểm:

-Không cần giấy phép phổ tần

-Tốc độ truyền dẫn cao

-Công suất phát thấp

-Là phương tiện kết nối hữu hiệu giữa các thiết bị ngoại vi, thiết bị điện tử và thiết bị di động trong phạm vi một căn phòng.

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ

CÔNG NGHỆ UWB

2.1 Giới thiệu

Chương này sẽ trình bày tóm tắt những đặc trưng cơ bản của tín hiệu và hệthống UWB Đầu tiên, chúng ta chúng ta nghiên cứu hình dạng cơ bản của mộtxung băng cực rộng trong miền thời gian và dạng phổ của những xung này Nóichung, những xung cực ngắn và sườn lên xuống dốc có phổ rất rộng, năng lượng rấtnhỏ Chúng ta nghiên cứu các khía cạnh về công suất ra và phổ nhờ các mặt nạ phổ.Sau đó, chúng ta tìm hiểu xem xung UWB là cực ngắn thì có thể lọc đượcchúng hay bỏ qua Chúng có thể dễ dàng được tách ra khỏi các tia phản xạ đa đườngkhông mong muốn khác bởi vì sự chính xác về thời gian Điều này chống được phản

xạ nhiều đường Hơn nữa, các thành phần tần số thấp của xung UWB có thể truyềntín hiệu qua các chất liệu như gạch và xi măng rất hiệu quả

Băng rộng của hệ thống UWB nghĩa là có thể đáp ứng được tốc độ dữ liệu cựccao, và chúng ta thấy rằng hệ thống UWB có dung lượng phổ cao

Bộ thu và phát UWB không đòi hỏi nhiều thành phần đắt như bộ điều chế, giảiđiều chế và biến đổi trung tần IF Thực tế này có thể giảm giá thành, kích thước,trọng lượng, và năng lượng tiêu thụ so với các hệ thống thông tin băng hẹp truyềnthống

2.2 Mật độ phổ năng lượng

Mật độ phổ năng lượng của hệ thống UWB nhìn chung được xem là cực thấp,đặc biệt cho các ứng dụng truyền thông Mật độ phổ năng lượng được định nghĩanhư sau:

B

với P là năng lượng phát tính bằng watt, B là băng thông của tín hiệu tính bằng hertz

Hz và PSD đơn vị là W/Hz

Trước đây, các hệ thống thông tin vô tuyến chỉ sử dụng băng hẹp và vì thếtương ứng với mật độ phổ cao Chúng ta cũng có thể đặt vấn đề theo một cách khác:

vì ta biết rằng tần số và thời gian là tỉ lệ nghịch, hệ thống sóng sin có băng hẹp B vàthời gian t Việc tổng kết vài ứng dụng truyền thông và quảng bá vô tuyến rồi tính raPSD của chúng là rất hữu ích, như bảng sau:

Bảng 2.1: Mật độ phổ công suất của một số hệ thống truyền thông

Năng lượng được sử dụng để truyền một tín hiệu vô tuyến là không giới hạn,nói chung, có thể thấp tới mức tối thiểu, đặc biệt đối với các thiết bị điện tử tiêudùng hiện nay Nếu chúng ta có một lượng năng lượng cố định chúng ta có thểtruyền hoặc một mật độ năng lượng lớn trên một băng thông nhỏ hoặc một lượngnhỏ mật độ năng lượng trên một băng rộng Hình 2.1 so sánh PSD của hai hệ thống.Phần năng lượng tổng cộng có thể được biểu diễn trong biểu đồ mật độ năng lượngphổ phía dưới

Đối với hệ thống UWB năng lượng được trải ra trên một băng thông rất rộng(vì thế có tên là băng cực rộng) và nói chung là có mật độ phổ năng lượng rất thấp.Trường hợp đặc biệt quy luật chung này là hệ thống radar UWB, truyền một côngsuất lớn trên một băng rộng Tuy nhiên, ở đây chúng ta giới hạn trong vùng truyềnthông

Hình 2.1: Các hệ thống mật độ năng lượng thấp và cao

Một trong những lợi ích của mật độ phổ năng lượng thấp là khả năng tách sóngthấp, điều này đặc biệt quan tâm trong các ứng dụng quân sự như truyền thông bảomật và radar Đây cũng là một sự quan tâm của các ứng dụng dân dụng vô tuyến,nơi mà an toàn dữ liệu cho các tổ chức, cá nhân sử dụng hệ thống vô tuyến hiện nayđang thiếu [7]

2.3 Dạng xung

Dạng xung UWB đặc trưng là xung Gaussian kép được miêu tả ở hình 2.2.Xung này thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dễ tạo Nó đơn giảnchỉ là một xung vuông biến dạng bởi thời gian sườn lên và xuống và hiệu quả lọccủa các anten thu, phát Một xung vuông có thể tạo dễ dàng bởi một transistor đóng

mở nhanh

Hình 2.2: Xung UWB lý tưởng

a Dạng xung UWB lý tưởng và b Phổ của một xung đơn UWB lý tưởng

Mô hình bộ tạo xung đơn giản được chỉ ra ở hình 2.3 và 2.4, hình này mô tảviệc tạo ra xung Gaussian kép ở máy phát, tác động của anten và phía thu Chúng tabắt đầu với một xung chữ nhật ở hình 2.4a Các xung cực rộng là thường ở cỡ nanohay pico giây Chuyển mạch đóng mở nhanh tạo ra một dạng xung không hoàn toàn

là chữ nhật mà có các vai thuôn Dạng xung giống như đường cong hàm Gaussian.Hàm Gaussian G(x) được biểu diễn bởi phương trình sau:

2.3 Việc truyền trực tiếp các xung này tới anten dẫn đến các xung này bị lọc bỏ vìđặc tính của các anten Việc lọc này có thể được giải thích như là phép toán vi phân.Điều tương tự đối với phía anten thu Ở đây, chúng ta nghiên cứu kênh truyền như

là bộ trễ và cho rằng xung được khuyếch đại ở phía thu

Trong chương này chúng ta chỉ giới hạn đến hình dạng xung thu được đặctrưng, được giả thiết đối với phần lớn các nghiên cứu UWB và gần với các các xungnhận được Chi tiết việc tạo xung và thảo luận cụ thể ở chương sau Dạng xung thuđược lý tưởng prx có thể được viết như sau:

Đây là phương trình để tạo xung ở hình 2.2 (a) Ở đây τ)m được cho là 0,15 Để

ý rằng là tham số τ)m đơn giản của phương trình (2.3) và xác định đặc tính thời gian

và tần số của một xung Gaussian kép

Phổ của một xung Gaussian kép được chỉ ra trên hình 2.2(b) Tần số trung tâm

có thể được nhìn thấy xấp xỉ 5 GHz, với mức 3dB trải trên một vài GHz Khi sosánh với hệ thống thông tin băng hẹp hay thậm chí băng rộng, với băng cực rộng cóthể dễ dàng hiểu được

Hình 2.3: Mạch đơn giản để tạo xung Gaussian kép

Hình 2.4: Chi tiết các xung được tạo ra trong hệ thống UWB điển hình

(a) Chuỗi xung vuông (b) Xung dạng Gaussian (c) Xung vi phân lẩn 1 (d) Xung Gaussian kép

2.4 Dãy xung

Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin Thông tin hay dữ liệucần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như Hình2.5 (a) minh hoạ Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thườngđược gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các đỉnhphổ ở các tần số ứng với độ lặp đó Những tần số này là bội số nghịch đảo của tốc

độ lặp xung Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi vì nótrông giống một chiếc lược Hình 2.5 (b)

Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể Một phương pháp tạo dạng phổgiống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu nhiênvào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so với thờiđiểm phát xung thông thường (thời điểm danh định) Dạng phổ thu được từ sử dụngdịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên Hình 2.6 và có thể so sánh với Hình 2.5 (a) thấy

rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt Chúng ta sẽ thấy ở chươngsau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã giả ngẫu nhiên

đã biết (PN), thông tin có thể được điều chế vào dạng sóng xung Điều này đượcbiết như là điều chế vị trí xung (PPM) và đã được kiểm tra trong các hệ thống thôngtin khác nhau như thông tin quang vô tuyến

Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Phổ của dãy xung UWB

Hình 2.6: Phổ của dãy xung đã bị dịch về phía trước và sau so với danh định 2.5

Mặt nạ phổ

Phổ của tín hiệu UWB là một trong các vấn đề chính cản trở việc thương mại hoáUWB Thực tế, tên băng cực rộng hàm ý rằng vấn đề phổ là trái tim của công nghệbăng cực rộng Tất cả thông tin vô tuyến theo những luật và quy định khác nhau vềcông suất phát trong các băng tần nhất định Điều này để tránh can nhiễu tới ngườidùng khác ở gần hoặc cùng băng tần Hệ thống băng cực rộng bao phủ một phổ tầnrộng và can nhiễu với hệ thống hiện có Để tránh can nhiễu tới mức tối thiểu FCC

và các nhóm quy định khác xác định mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau và chỉ

ra các công suất phát được phép đối với các tần số nhất định

Hình 2.7 là một ví dụ mặt nạ phổ của FCC đối với hệ thống UWB trong nhà Mộtbăng rộng liên tục 7,5 GHz từ 3,1-10,6 GHz công suất phát tối đa là -41,3dBm/MHz

Hình 2.7: Mặt nạ phổ qui định bởi FCC cho hệ thống UWB trong nhà

Lý do chính công suất phát cho phép cực thấp đối với băng tần 0,96GHz-1,61GHz là vì áp lực từ các nhóm dịch vụ hiện tại, như điện thoại di động, GPS và sửdụng trong quân sự Mức cho phép -41,3dBm/MHz được xem là hợp lý và nhiều

2.6 Khả năng chống đa đường

Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh vôtuyến trong nhà Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miền thờigian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường tạo ra giao thoa kí hiệu (ISI), có thểgiảm nhẹ Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khác nhau củamột tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầu thu XemHình 2.8 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng Nguyên nhân của hiệuứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ bởi các vậtthể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát Nếu như không có vật hấp thụ hayphản xạ năng lượng, ảnh hưởng này sẽ không xảy ra và năng lượng sẽ truyền nhanhhơn từ phía máy phát, chỉ phụ thuộc vào đặc tính anten Tuy nhiên, trong thế giớithực tế luôn tồn tại các vật giữa máy thu và phát gây ra các hiện tượng phản xạ, hấpthụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ gây ra nhiễu đa đường Do chiều dàikhác nhau của các đường đi, các xung sẽ đến phía thu ở những thời điểm khác nhauvới trễ truyền phụ thuộc vào chiều dài quãng đường

Hệ thống UWB thường được biết như là chống đa đường Xem xét các xungđược mô tả ở phần trước, chúng ta thấy rằng nếu các xung đến trong phạm vi độrộng một xung chúng sẽ can nhiễu, còn nếu tách biệt bởi ít nhất độ rộng một xung

sẽ không can nhiễu Nếu các xung không chồng lấp thì chúng có thể được lọc ratrong miền thời gian Giả sử một ký hiệu là một xung, chúng sẽ không sinh ra nhiễutrong cùng một ký hiệu Năng lượng có thể được cộng lại nhờ bộ thu Rake Hình 2.9

và 2.10 mô tả các xung không chồng lấp và chồng lấp tương ứng

Hình 2.8: Xung được truyền bị phản xạ tạo ra các xung đến phía thu với các thời

gian trễ khác nhau

Hình 2.9: Khoảng cách hai xung lớn hơn độ rộng xung sẽ không gây can nhiễu

Hình 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng sóng thu được gồm các xung bị

chồng lấp

Khoảng phân tách giữa các xung đòi hỏi giữa việc giảm đa đường với việc giảm

độ rộng xung Đây là lý do cho độ rộng xung nhỏ, đặc biệt trong môi trường trongnhà

Một cách khác để tránh nhiễu đa đường là giảm chu kỳ chiếm dụng của hệ thống.Các xung được truyền với thời gian trễ lớn hơn trễ đa đường tối đa, các phản xạkhông mong muốn sẽ tránh được ở phía thu Điều này vốn đã không hiệu quả vàgiới hạn tốc độ truyền dữ liệu đối với hệ thống điều chế trên Trong giới hạn, nếucác xung được truyền liên tiếp, thì hệ thống có thể giống với hệ thống dạng sin Vấn

đề này được thảo luận sau

2.7 Khả năng truyền qua vật chất

Một trong các lợi ích quan trọng của hệ thống truyền thông UWB là khả năng dễdàng truyền qua tường, cửa và các vật chất khác trong nhà hay văn phòng Trongmục này chúng ta sẽ xem xét các kết quả chứng minh cho sự xuyên của các xungUWB và thảo luận ảnh hưởng của nó đến truyền thông trong nhà và văn phòng nhưthế nào Tần số f và bước sóng λ liên quan với tốc độ ánh sáng c như trong côngthức sau:

f (Hz)

Khi tần số tăng , bước sóng giảm nghĩa là tần số càng thấp thì bước sóng càngdài Trong thông tin sóng sin, các sóng tần số thấp có khả năng truyền qua tường,cửa và cửa sổ bởi vì chiều dài của bước sóng lớn hơn nhiều so với vật liệu nó truyềnqua Nói cách khác, sóng tần số cao sẽ phản xạ năng lượng từ tường và cửa vì bướcsóng của chúng ngắn hơn

Các xung băng cực rộng trong một dải tần lớn, như trong Hình 2.2 (b) Một trongcác đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin UWB là khả năng xuyên tường, đặc biệtkhi so sánh với LAN không dây IEEE 802.11 Khả năng xuyên của UWB chỉ có ởthành phần tần số thấp trong các hệ thống trước đây, tần số trung tâm là 1 GHz Từnăm 2002, theo quy định của FCC như Hình 2.7, tần số trung tâm cho phần lớn các

hệ thống UWB đã tăng Nghĩa là khả năng xuyên thấu của tín hiệu giảm, đặc biệtkhi so sánh với hệ thống IEEE 802.11b có tần số trung tâm là 2.4GHz

2.8 Dung lượng không gian và phổ

Một đặc trưng cơ bản khác của hệ thống UWB là dung lượng không gian cao,được đánh giá bằng bit/giây/m2 Dung lượng không gian là thuật ngữ mới, nó quantâm đến cùng tốc độ dữ liệu cao trên những khoảng cách cực ngắn

Dung lượng không gian có thể được tính bằng tốc độ dữ liệu tối đa của hệ thốngchia cho diện tích bao phủ mà hệ thống có thể phát tới Diện tích truyền dẫn đượctính từ miền hình tròn với giả thiết máy phát được đặt ở tâm; tuy nhiên, trong thực

tế thường sử dụng diện tích của khoảng cách truyền lớn nhất

Dung lượng không gian (bps/m2) = Toc − do − du − lieu − cuc − dai(bps)(2.5)

Dien − tich − truyen − dan(m2 )

Diện tích truyền dẫn (m2) = π (Khoang−cach−truyen− dan)2 (2.6)Đối với hệ thống băng hẹp thông số phổ biến nhất của dung lượng là dung lượngphổ, được đo bằng bit/giây/Hz, bởi vì phổ là nguồn tài nguyên có giới hạn Côngsuất nói chung chỉ bị giới hạn bởi lý do an toàn và thương mại, như là thời gian của

pin trong thiết bị di động

Dung lượng phổ (bps/Hz) =Toc − do − du − lieu − cuc − dai(bps) (2.7)

Bang − tan(Hz)

Đối với hệ thống UWB, hoạt động trong phổ cấp phép khác, công suất được giữ

ở mức rất thấp Điều này bù lại bởi việc sử dụng băng cực rộng UWB có dunglượng phổ rất thấp so với các hệ thống hiện tại Bảng 1.2 chỉ ra sự so sánh dunglượng không gian và phổ trong số các hệ thống vô tuyến trong nhà

ý rằng tốc độ dữ liệu này 100-5000 lần tốc độ Bluetooth, khoảng 50 lần tốc độ 802.11b hoặc 10 lần 802.11a của chuẩn LAN không dây

Bảng 2.3: So sánh tốc độ bit của UWB với các chuẩn vô tuyến khác

Như chỉ ra trong bảng 2.3 tốc độ dữ liệu mục tiêu hiện nay đối với truyền dẫnUWB vô tuyến trong nhà là từ 110-480Mbps Điều này là rất nhanh so với chuẩnkhông dây và có dân hiện nay Thực tế, tốc độ truyền dẫn hiện nay được tiêu chuẩnhoá vào 3 loại tốc độ khác nhau: 110Mbps với khoảng cách 10m, 200Mbps vớikhoảng truyền dẫn 4m và 480Mbps với khoảng cách tối thiểu không cố định

Lý do của các loại khoảng cách trên vì các ứng dụng khác nhau Một ví dụ, 10m

sẽ bao phủ một căn phòng trung bình và có thể phù hợp với kết nối không dây trongnhà hát Khoảng cách dưới 4m sẽ bao phủ khoảng giữa các ứng dụng, như máy chủcủa gia đình và TV Khoảng cách dưới 1m sẽ dùng cho các ứng dụng quanh PC

2.10 Tiêu thụ năng lượng

Với thiết kế thích hợp năng lượng tiêu thụ của UWB có thể giảm khá thấp Cũngnhư bất cứ công nghệ nào, công suất tiêu thụ mong muốn để giảm các mạch điện và

xử lý tín hiệu trên chip nhỏ hơn hoạt động ở mức điện áp thấp Mục tiêu hiện tại chocông suất tiêu thụ của chipset UWB nhỏ hơn 10mW Bảng 2.4 chỉ ra vài nét về côngsuất tiêu thụ của các chipset hiện nay [4]

Ứng dụng chipset Công suất tiêu thụ (mW)

Bảng 2.4: Tiêu thụ năng lượng của UWB và các chipset mobile khác

2.11 Tổng kết

Chương này đã tóm tắt các đặc tính cơ bản của tín hiệu UWB, bắt đầu từ hìnhdạng cơ bản và phổ của một xung băng cực rộng Chúng ta thấy rằng công suất ra

và phổ của một xung UWB bị giới hạn bởi quy định FCC Chúng ta cũng thấy rằng

vì các xung UWB là cực ngắn, thêm vào đó là sự tác động của phading, chúng cóthể bị lọc Chúng có thể được phân biệt từ các phản xạ đa đường không mongmuốn Đó là đặc tính chống nhiễu đa đường của UWB Thành phần tần số thấp củacác xung UWB làm cho tín hiệu có khả năng truyền qua các chất liệu, như gạch vàximăng Băng thông rộng của hệ thống UWB nghĩa là tốc độ dữ liệu cực cao có thểđược đáp ứng, và chúng ta thấy rằng hệ thống UWB có dung lượng phổ cao

Cuối cùng, ta thấy rằng máy thu và phát UWB không đòi hỏi các thành phầncồng kềnh và đắt, như bộ điều chế/ giải điều chế và khâu trung tần IF Điều này cóthể làm giảm giá, kích thước, trọng lượng và công suất tiêu thụ của hệ thống UWB

so với các hệ thống truyền thông băng hẹp trước đây