Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng uwb khử nhiễu trong uwb

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit DA Driver Amplifier Khối khuếch đại kích thích DDA Demodulation Driver Amplifier Khối giải điều chế khuếch đại kích thích DLL Del

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=====o0o=====

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB – KHỬ NHIỄU TRONG UWB

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn này do chính tôi soạn ra sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, chế tạo đo đạc và tham khảo một số tài liệu sách báo trong nước và ngoài nước Tuyệt đối không sao chép nội dung hay sử dụng kết quả có sẵn hay của tác giả khác

Nếu sai sự thật tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm!

Người cam đoan

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

CH ƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1

1.1 MỞ ĐẦU 1

1.2 KHÁI NIỆM VỀ UWB 1

1.3 CÁC TÍN HIỆU UWB 3

1.4 CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB 5

1.4.1 Ưu điểm 5

1.4.1.1 Khả năng chia sẻ phổ tần 5

1.4.1.2 Dung lượng kênh lớn 7

1.4.1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp 7

1.4.1.4 Khả năng chống nhiễu 7

1.4.1.5 Tính bảo mật cao 8

1.4.1.6 Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường 8

1.4.1.7 Khả năng đâm xuyên lớn 10

1.4.1.8 Kiến trúc máy thu đơn giản 10

1.4.2 Nhược điểm 11

1.4.2.1 Sự méo dạng xung 11

1.4.2.2 Ước lượng kênh 12

1.4.2.3 Đồng bộ 12

1.4.2.4 Nhiễu đa truy nhập 13

1 5 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ 14

1.5.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 14

1.5.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 15

1.5.3 Sự khác nhau chủ yếu giữa UWB và trải phổ 16

1.6 PHÂN LOẠI UWB 17

1.6.1 UWB đơn băng (DS UWB) 18

1.6.2 UWB đa băng 19

1.7 CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB 21

1.7.1 Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB 21

1.7.2 Giới hạn phát của FCC 22

1.7.2.1 Các thiết bị truyền thông 22

1.7.2.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh 22

1.7.2.3 Hệ thống radar chuyển động 23

1.8 CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB 25

1.9 KẾT LUẬN 27

CH ƯƠNG 2 KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 29

2.1 GIỚI THIỆU 29

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG 29

2.2.1 Máy phát 31

2.2.2 Máy thu 32

2.2.3 Kênh 33

2.2.4 So sánh cấu trúc thệ thống thông tin băng siêu rộng UWB và hệ thống thông tin băng hẹp 33

2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT 35

2.3.1 Điều chế On Off Keying (OOK) 35

2.3.2 Điều chế biên độ xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) 36

2.3.3 Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) 38

2.3.4 Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation) 41

2.4 KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU 43

2.4.1 Tách năng lượng (Energy Detector) 43

2.4.2 Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters) 44

2.5 KẾT LUẬN 47

CH ƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA KÊNH THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 49

3.1 GIỚI THIỆU 49

3.1.1 Khái niệm 49

3.1.2 Mục đích của mô hình hóa kênh 50

3.1.3 Phân loại 51

3.2 MÔ HÌNH HÓA KÊNH KÍCH TH ƯỚC LỚN 52

3.2.1 Suy hao đường dẫn trong không gian tự do theo công thức Friis 53

3.2.2 Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.15 54

3.3 MÔ HÌNH HÓA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING) 56

3.3.1 Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ 57

3.3.1.1 Khái niệm pha đinh kích thước nhỏ 57

3.3.1.2Nguyên nhân 58

3.3.2 Mô hình hóa kênh 59

3.3.2.1 Giới thiệu 59

3.3.2.2 Các đặc trưng của mô hình kênh 60

3.3.3 Các mô hình kênh kích thước nhỏ 64

3.3.3.1 Mô hình Saleh-Valenzuela nguyên bản 65

3.3.3.2 Mô hình Saleh-Valenzuela sửa đổi trong 802.15.3a 68

3.4 KẾT LUẬN 69

CH ƯƠNG 4 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU BĂNG HẸP LÊN HỆ THỐNG UWB 71

4.1 Những vấn đề về nhiễu băng hẹp trong các hệ thống UWB 71

4.2 Những giải pháp tránh nhiễu NBI 74

4.2.1 Giải pháp đa sóng mang 74

4.2.2 Các cơ chế đa băng tần 76

4.3 Những giải pháp khử nhiễu NBI 78

4.3.1 Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số 78

4.3.2 Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số - thời gian 78

4.3.3 Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền thời gian 80

4.4 Hệ thống IS-OFDM cho kêh vô tuyến UWB 80

4.4.1 Hệ thống OFDM đa băng tần 80

4.4.1.1 Kế hoạch băng tần 81

4.4.1.2 Điều chế OFDM 82

4.4.1.3 Trải lặp lại tấn số 83

4.4.1.4 Trải lặp lại thời gian 83

4.4.1.5 Mã hóa 84

4.4.1.6 Bộ thu phát MB-OFDM 84

4.4.2 Mô phỏng hệ thống MB-OFDM 86

4.4.2.1 Các tham số mô tả hệ thống 86

4.4.2.2 Kết quả thực hiện Nhận xét đánh giá 88

4.5 Đề xuất giải pháp hệ thống OFDM khử nhiễu cho kênh UWB 89

4.5.1 Hệ thống IS-OFDM cơ bản 90

4.5.1.2 Khối thu 94

4.5.2 Hệ thống IS-OFDM kết hợp cho kênh vô tuyến UWB 96

4.5.2.1 Phía phát 97

4.5.2.2 Phía thu 100

4.5.3 Mô hình tín hiệu 101

4.5.4 Đánh giá ảnh hưởng do nhiễu băng hẹp và AWGN 102

4.6 KẾT LUẬN 104

KẾT LUẬN CHUNG 105

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

DA Driver Amplifier Khối khuếch đại kích thích

DDA Demodulation Driver Amplifier Khối giải điều chế khuếch đại

kích thích DLL Delay Locked Loop Mạch vòng khóa trễ

DSSS Direct Squence Spread Spectrum Trải phổ trực tiếp

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng

tương đương FCC Federal Communications Comission Tổ chức viễn thông Quốc tế

FHSS Frequencey Hopping Spread

Spectrum Trải phổ nhảy tần số

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa

LNA Low Noise Amplifier Khối khuếch đại âm nhiễu thấp MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MB Multi Band OFDM Đa băng OFDM

NF Noise floor Nhiễu sàn

NLOS Non Line Of Sight Tuyến không thẳng (phản xạ) LOS Line Of Sight Tuyến nhìn thẳng

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

OOK On – Off keying Điều chế On – Off

OFDM Orthogonal Frequencey Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RF Receiver Bên thu

TFI

OFDM Time – Frequency Interleaved OFDM

Ứng dụng thời gian – tần số đan xen OFDM

TR Transmitted Reference modulation Điều chế Truyền – Tham chiếu

TX Transmitter Bên phát

TRX Transceiver Máy thu – phát

UWB Ultra – wideband Băng siêu rộng

VGA Variable Gain Amplifier Khối khuếch đại có hệ số thay đổi WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số 2

Hình 1.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ Ton là thời gian tồn tại xung, Toff là thời gian xung không xuất hiện 2

Hình 1.3 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số 3

Hình 1.4 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số 4

Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác 6 Hình 1.6: So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi………6

Hình1.7: Hiện tượng đa đường trong truyền thông không dây 9

Hình1.8: ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp 9

Hình 1.9 : ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu rộng 9

Hình1.10: Kiến trúc máy thu phát của mạng băng hẹp 10

Hình1.11: Kiến trúc khối thu phát của hệ thống UWB 11

Hình1.12: Kênh đa truy nhập UWB 14

Hình1.13 Chuỗi dữ liệu và trải mã của nó dùng DSSS……… 14

Hình 1.14 Phân chặng tần số trong kĩ thuật FHSS……… 15

Hình 1.15 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng trong miền thời gian và trong miền tần số 16

Hình 1.16 DS UWB truyền một xung đơn trên một dải lớn của phổ để biểu diễn dữ liệu 18

Hình 1.17 Phương pháp đa băng chia dải phổ của UWB ra làm nhiều băng con không chồng lấn lên nhau 19

Hình1.18 : Đa băng MB-OFDM 20

Hình 1.19 Giới hạn phát cho các hệ thống hình ảnh xuyên tường 23

Hình 2.1 Mô hình khối của hệ thống……… 30

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết cấu trúc hệ thống UWB 30

Hình 2.3 Sơ đồ máy phát 31

Hình 2.4 Sơ đồ máy thu 32

Hình 2.5 Một sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống UWB 34

Hình 2.6 Sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống băng hẹp dùng sóng mang 34

Hình 2.7 Điều chế OOK……… 35

Hình 2.8 Điều chế biên độ xung 37

Hình 2.9 Các đường phổ rời rạc của các xung có chu kì 38

Hình 2.10 Điều chế vị trí xung 39

Hình 2.11 Phổ lý tưởng của các xung không có chu kì 40

Hình 2.12 Điều chế lưỡng pha 41

Hình 2.13: Ví dụ các dạng điều chế với 1 tín hiệu đầu vào 43

Hình 2.14 Máy thu dựa trên kĩ thuật tách năng lượng 44

Hình 2.15 Sơ đồ khối của một bộ lọc thích nghi cổ điển 44

Hình 3.1 Hàm truyền hệ thống phân tách kênh-anten 49

Hình 3.2 Minh họa đáp ứng xung của kênh 61

Hình 3.3 Minh họa mô hình Saleh-Valenzuela 66

Hình 4.1: Sự tồn tại của các phổ nhiễu NBI trong các hệ thống UWB 72

Hình 4.2: Nhiễu NBI trong hệ thông UWB đa sóng mang 75

Hình 4.3: Các giải pháp đa băng tần.(a)Giải pháp 2 băng (b)Đa băng tần OFDM 77 Hình 4.4 Các băng tần con cho hoạt động của thiết bị mode 1 82

Hình 4.5 Cấu trúc hệ thống MB-OFDM: (a) Bên phát; (b) Bên thu 86

Hình 4.6 BER và ES/N0 [dB] của hệ thống MB-OFDM và SB-OFDM với điều chế QPSK khi có NBI và AWGN 89

Hình 4.7 Sơ đồ khối phát IS-OFDM cơ bản 91

Hình 4.8: sơ đồ khối thu IS-OFDM cơ bản 94

Hình 4.9: Hệ thống IS-OFDM kết hợp 97

Hình 4.10: Sóng mang con IS-OFDM trong kênh UWB 97

Hình 4.11: Sơ đồ khối phát UWB IS-OFDM 98

Hình 4.12: Sơ đồ khối thu UWB IS-OFDM 101

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giới hạn phát cho các ứng dụng UWB khác nhau trong mỗi một dải phổ25

Bảng 1.2 So sánh UWB với các chuẩn khác 27

Bảng 3.1 Giá trị suy hao đường truyền 56

Bảng 4.1 Phân bổ băng con trong UWB đa băng tần 82

Bảng 4.2: Các tham số của hệ thống UWB đa băng được mô phỏng 87

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng ở Việt Nam rất lớn và luôn tăng trưởng, trong khi việc triển khai sử dụng đường dây thuê bao số và Wifi trên diện rộng gặp nhiều hạn chế về khả năng triển khai và hiệu quả kinh tế Ngày nay với

sự ra đời, phát triển chóng mặt của truyền thông và công nghệ thông tin đã từng bước làm thay đổi cuộc sống và sinh hoạt của con người về mọi măt Các kĩ thuật

và công nghệ mới dần dần thay thế cho các công nghệ cũ kĩ và lạc hậu đã và đang đáp ứng được những nhu cầu cấp thiết của con người không chỉ trong lĩnh vực liên lạc trao đổi thông tin mà còn cả nhu cầu giải trí Do nhu cầu dung lượng cao, dịch

vụ nhanh, và tăng cường bảo mật cho các kết nối không dây vì vậy các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần số có hạn

Khi càng có nhiều dịch vụ mới ra đời thì làm cho nhu cầu về phổ lại trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết lúc đó sự ra đời của công nghệ thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra nhiễu hoặc gây ra nhiễu nhỏ không đáng kể đồng thời với những ưu điểm mà nó mang lại so với mạng băng hẹp đã làm cho giá thành của các hệ thống này giảm xuống Sự tồn tại này với các hệ thống truyền thông khác đã mang lại lợi ích kinh tế lớn do không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số Trong những năm gần đây công nghệ UWB đang được nghiên cứu và ứng dụng trong viễn thông dân dụng do những ưu điểm vượt trội của nó so với các hệ thống khác đó là tiêu thụ ít công suất, giá thành thấp, tốc độ dữ liệu lớn, khả năng định vị chính xác, và tạp âm rất thấp

Ngày càng có nhiều các sản phẩm sử dụng công nghệ UWB được đưa vào phục vụ cuộc sống Nếu như trong kĩ thuật truyền dẫn không dây ở mạng băng hẹp truyền thống tín hiệu sẽ được phát đi ở một số tần số nhất định thì trong mạng viễn

thông sử dụng kĩ thuật UWB tín hiệu sẽ được trải ra ở một dải tần rất rộng Chính vì vậy thay vì việc phát đi các sóng có dạng hình sin thì ở đây sẽ phát đi các chuỗi xung với tần số lên tới hàng GHz Với kĩ thuật băng rộng cùng với việc công suất thấp làm cho việc truyền dẫn UWB giống như nhiễu nền

Chính những tiềm năng to lớn mà UWB mang lại, tôi quyết định cần phải nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về công nghệ mới này để có thể mang những tiến

bộ đó ứng dụng vào trong cuộc sống

Nội dung luận văn nghiên cứu được chia làm 4 chương:

Chương 1: Nội dung trình bày trong chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng

quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng UWB Các khái niệm trong công nghệ UWB, các cơ hội và thách thức đối với truyền thông không dây, các đặc điểm của tín hiệu UWB, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp Và giới thiệu hai công nghệ chính của UWB sử dụng đó là UWB đơn băng và UWB đa băng

Chương 2: Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc tổng quan của một

hệ thống thông tin băng siêu rộng, cách điều chế dữ liệu đối với các kênh đa truy nhập Các phương pháp điều chế UWB điển hình, tiến bộ và thách thức của từng phương pháp, phương pháp tách xung tại phía thu của hệ thống thông tin băng siêu rộng UWB

Chương 3: Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu việc mô hình hóa

kênh thông tin băng siêu rộng

Chương 4: Nội dung được trình bày trong chương là những vấn đề về nhiễu

băng hẹp lên hệ thống UWB và cách khắc phục nhiễu

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp được sự đồng ý, hưỡng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS TS Phan Hữu Huân, cùng với sự giúp đỡ

của bạn bè và đồng nghiệp tôi đã có thêm nhiều tài liệu để tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng Do đây là một đề tài khá mới mẻ và đề cập đến

một mảng kiến thức khá rộng cộng với trình độ bản thân còn hạn chế nên trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo cùng với sự giúp đỡ của các bạn để tôi có một

sự hiểu biết sâu hơn về đề tài mà tôi đã nghiên cứu tìm hiểu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng năm 2009 Học viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB

1.1 MỞ ĐẦU

Làm việc, giải trí mọi nơi, mọi lúc là điều con người hằng mong ước Các công nghệ hiện tại như Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet không dây, điện thoại di động đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn rộng lớn của thông tin Nhưng bên cạnh ưu điểm của nó, công nghệ kết nối không dây hiện nay vẫn còn hạn chế, chưa thật sự liên thông và làm việc chưa hỗ trợ nhau

Do nhu cầu của người sử dụng về dung lượng ngày càng cao, tốc độ nhanh, và tăng độ bảo mật cho các kết nối không dây, các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp phù hợp giữa việc sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần

số có hạn Trong bối cảnh tài nguyên phổ càng ngày càng trở nên khan hiếm thì sự

ra đời của công nghệ UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do

nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít tới những mạng này Việc có thể tồn tại song song của UWB với các hệ thống truyền thông khác mang lại lợi ích kinh tế lớn

do UWB không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số

Nội dung trình bày trong chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng UWB Các khái niệm trong công nghệ UWB, các

cơ hội và thách thức đối với truyền thông không dây, các đặc điểm của tín hiệu UWB, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp Và giới thiệu hai công nghệ chính của UWB sử dụng đó là UWB đơn băng và UWB đa băng

1.2 KHÁI NIỆM VỀ UWB

Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, người ta điều chế tín hiệu RF liên tục bằng một tần số sóng mang xác định để truyền và nhận thông tin Dạng sóng liên tục này có năng lượng xác định trong một băng tần hẹp Tuy nhiên các tín

hiệu liên tục trong miền thời gian có tần số thấp dễ dàng bị phát hiện và lấy cắp thông tin bởi các tổ chức bất hợp pháp

Thời gian

Tần số

Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Ngược lại, trong hệ thống UWB người ta không dùng sóng mang (carrierless), các xung có thời gian tồn tại rất ngắn từ picosecond cho tới nanosecond và chu kì nhỏ để truyền và nhận thông tin Trong đó thời gian tồn tại xung là tỉ lệ thời gian xung xuất hiện trên chu kì xung

Hình 1.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ Ton là thời gian tồn tại xung, T off là thời gian

xung không xuất hiện

Chu kỳ tồn tại xung nhỏ cho ta một công suất phát trung bình thấp trong các

hệ thống truyền thông UWB Công suất phát trung bình của các hệ thống UWB chỉ nhỏ vào cỡ microwatt, chỉ bằng một phần nghìn công suất của các điện thoại tế bào Tuy nhiên công suất đỉnh hoặc công suất phát tức thời của hệ thống truyền thông UWB tương đối lớn (trong một số trường hợp lên tới 1 watt cho 1 Mbps ở 1 MHz) nhưng do chúng chỉ được phát đi trong một khoảng thời gian rất ngắn (Ton chỉ vào

cỡ 1ns) nên công suất phát trung bình của nó thấp hơn Mặt khác tần số và thời gian

là tỉ lệ nghịch với nhau nên nếu xung có chu kì tồn tại nhỏ sẽ làm cho tần số trải ra

trên một dải tần rộng vì vậy năng lượng sẽ được phân bố từ các thành phần một chiều cho tới tần số lớn cỡ GHz với mật độ phổ công suất (PSD: Power Spectral Density) rất thấp

Hình 1.3 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Độ rộng băng thông trong mạng UWB lớn là do hệ số tỉ lệ trong miền thời gian của biến đổi Fourier như sau:

Trong đó x(at) là tín hiệu x(t) được biến đổi theo hệ số tỷ lệ a với x(t) là tín hiệu trong miền thời gian X(f) là tín hiệu trong miền tần số của x(t), X(f) tỉ lệ nghịch với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian a

Một tín hiệu UWB có thể là bất cứ dạng nào trong các tín hiệu băng rộng

chẳng hạn như Gaussian, chirp, wavelet, hoặc các xung có chu kì ngắn dựa trên đa

thức Hermit Các kỹ thuật sử dụng để chế tạo các xung Gauss tương đối đơn giản và

chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ

Hình 1.4 biểu diễn một xung đơn chu kì Gaussian là một ví dụ của xung UWB

trong miền thời gian và trong miền tần số Xung Gaussian đơn là vi phân cấp một

của xung Gaussian gốc và được cho bởi công thức sau:

Hình 1.4 Xung Gaus sian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số

Trong đó t: là thời gian

τ: là một hằng số thời gian trễ FFC định nghĩa một tín hiệu UWB phải có tỷ lệ băng thông lớn hơn 0,02 hoặc

chiếm phổ tần lớn hơn 500MHZ

Tỷ lệ băng thông này được định nghĩa như sau:

( ) ( ) (1.3)

2

l h

l h f

f f

f f B

Công nghệ UWB sử dụng các loại xung có chu kì ngắn có rất nhiều ưu điểm

và đem lại nhiều lợi ích so với truyền thông trong mạng băng hẹp

1.4.1.1 Khả năng chia sẻ phổ tần

Theo yêu cầu về công suất của FCC trong mạng UWB là 41.3 dBm/MHz

tương đương với 71.3 nw/MHz, tương tự như các bức xạ của tivi hoặc màn hình

máy vi tính, công suất này được xếp vào loại mức công suất của các bộ phát xạ

không gây ra một tác hại nào Với giới hạn của công suất phát như vậy làm cho

UWB nằm dưới mức nhiễu nền của một máy thu băng hẹp điển hình và cho phép nó

tồn tại cùng với các dịch vụ băng vô tuyến đã có trước đó với mức nhiễu nhỏ hoặc

không gây ra nhiễu

Công suất

Tần số

Nhiễu nềnUWB (7.5 GHz)

CDMA băng rộng (5 MHz)

Băng hẹp (30KHz)

Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác

Tuy nhiên để có được các ưu điểm đó còn phụ thuộc vào loại sơ đồ điều chế được sử dụng trong quá trình truyền đạt dữ liệu của hệ thống UWB Việc lựa chọn cách điều chế sẽ tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ công suất PSD của chúng, chính điều này sẽ làm tăng nhiễu của hệ thống UWB tới các hệ thống đang tồn tại và làm cho hệ thống UWB dễ dàng bị gây nhiễu bởi các

hệ thống khác

Hình 1.6 : So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi

1.4.1.2 Dung lượng kênh lớn

Dung lượng kênh hoặc tốc độ dữ liệu được định nghĩa là khối lượng lớn nhất của dữ liệu được truyền qua kênh truyền thông trong một giây Từ công thức Hartley Shannon chúng ta có thể thấy rõ dung lượng kênh lớn trong hệ thống UWB

C log2 1 (1.4) Trong đó: C - dung lượng kênh lớn nhất (bits/sec)

B - Độ rộng băng thông (Hz)

S - Công suất tín hiệu (W)

N - Công suất nhiễu (W)

Do băng tần rộng nên UWB có một dung lượng kênh lớn Chúng ta thấy rằng dung lượng kênh tăng tuyến tính cùng với độ rộng băng thông Vì vậy với một dải thông cỡ vài GHz của tín hiệu UWB sẽ cho ta tốc độ lên tới Gbps Tuy nhiên, do qui đinh hiện tại của FCC, một tốc độ dữ liệu cao như vậy chỉ được giới hạn truyền trong khoảng cách ngắn cỡ 10m Do đó UWB thường được lựa chọn nhiều nhất trong các mạng cá nhân không dây WPAN (wireless personal area network) hoặc các ứng dụng trong quân sự, dân sự và trong các sản phẩm dân dụng

1.4.1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp

Từ công thức Hartley Shannon ta thấy dung lượng kênh chỉ phụ thuộc theo hàm loga của tỉ số tín hiệu trên nhiễu Do đó hệ thống truyền thông UWB có thể làm việc được trong các kênh truyền thông có nhiều nhiễu và tạp âm với một tỉ số

SNR thấp nhưng nó vẫn có một dung lượng kênh lớn do có băng thông rộng

1.4.1.4 Khả năng chống nhiễu

Khác với các hệ thống băng hẹp, phổ của hệ thống UWB sẽ trải ra trên một dải tần rộng từ DC cho tới vài GHz và cung cấp một hệ số khuyếch đại của quá trình xử

lý cao

(1.5)

bandwidth Infomation

bandwidth RF

Trong đó PG (Processing Gain) là một tỉ số nói lên khả năng chống nhiễu của

hệ thống thông tin vô tuyến được định nghĩa là tỉ số của độ rộng băng thông RF trên

độ rộng băng thông của thông tin

Do không có một máy gây nhiễu nào có thể gây ra nhiễu cho toàn bộ dải tần

của hệ thống UWB tại một thời điểm Vì vậy nếu có một số tần số bị nhiễu vẫn còn

có một giới hạn lớn các tần số khác không bị nhiễu Tuy nhiên khả năng chống lại

nhiễu này chỉ là so với các hệ thống băng hẹp và băng rộng Do đó hiệu quả của hệ

thống truyền thông vẫn có thể bị suy giảm phụ thuộc vào sơ đồ điều chế của nó do

tác động của các nhiễu đến từ các mạng băng hẹp là khá lớn khi chúng tồn tại trong

cùng một băng tần với hệ thống UWB

1.4.1.5 Tính bảo mật cao

Công suất phát trung bình của hệ thống UWB là tương đối thấp làm cho hệ

thống UWB trở nên rất khó bị phát hiện đối với các tổ chức bất hợp pháp muốn

nghe lén hoặc lấy cắp thông tin Với mỗi cặp thu phát, các xung UWB được điều

chế cùng với một mã duy nhất, và các xung rất hẹp được điều chế cộng với việc

phát hiện các xung cỡ ps mà không cần biết thời điểm chính xác chúng đến làm cho

các thông tin được truyền đi với tính bảo mật cao

1.4.1.6 Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường

Trong truyền thông không dây thì đa đường là một hiện tượng không thể tránh

khỏi Nó gây ra do sự phản xạ tín hiệu truyền đi trên nhiều bề mặt khác nhau chẳng

hạn như các tòa nhà, các cây cối và con người Hiện tượng đa đường có thể gây ra

suy giảm tín hiệu đáng kể đối với các tín hiệu băng hẹp

Hình1.7 : Hiện tượng đa đường trong truyền thông không dây

Trong đó đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu gọi là LOS (Line

Of Sight), các tín hiệu phản xạ từ các bề mặt gọi là NLOS (Non Line Of Sight)

Thời gian (s)

Hình1.8: ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp

Hình 1.9 : ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu rộng

Chu kì cực ngắn của các xung UWB làm cho nó ít nhạy cảm hơn đối với hiện tượng đa đường Do các xung được truyền trong khoảng thời gian nhỏ hơn ns trong hầu hết các trường hợp nên các xung phản xạ NLOS rất ít có khả năng va chạm với các tín hiệu LOS Mặc dù vậy không có nghĩa là hệ thống truyền thông UWB tránh

hoàn toàn khỏi méo do đa đường Tùy thuộc vào cách điều chế, các xung UWB có công suất thấp sẽ có thể bị méo rất trầm trọng trong môi trường truyền sóng trong nhà do ở đó có một số lượng lớn các vật thể đặt rất gần nhau

1.4.1.7 Khả năng đâm xuyên lớn

Các thành phần tần số thấp trong dải tần rộng của phổ tần số UWB có bước sóng lớn, làm cho các tín hiệu UWB có khả năng đâm xuyên một cách hiệu quả qua các loại vật liệu khác nhau trong đó có cả tường Nhờ đặc điểm này làm cho UWB được sử dụng một cách có hiệu quả trong việc truyền thông xuyên tường và radar đâm xuyên mặt đất

1.4.1.8 Kiến trúc máy thu đơn giản

Việc truyền các tín hiệu UWB không có sóng mang nghĩa là dữ liệu không được điều chế trên các sóng liên tục cùng với một tần số sóng mang nhất định như trong các công nghệ băng hẹp và băng rộng Do không sử dụng đến sóng mang nên yêu cầu ít các thành phần RF hơn trong việc truyền dẫn có sóng mang Điều này làm cho kiến trúc khối thu phát UWB trở nên đơn giản hơn rất nhiều và dễ dàng triển khai hơn

Hình1.10: Kiến trúc máy thu phát của mạng băng hẹp

Do việc truyền các xung có mức công suất thấp đã loại bỏ được việc sử dụng mạch khuyếch đại công suất trong các máy phát UWB, và truyền dữ liệu không sử dụng đến sóng mang nên không cần thiết phải sử dụng các bộ trộn cũng như các bộ dao động nội để chuyển tần số sóng mang lên dải thông được yêu cầu, khi đó bên

phía máy thu không cần thiết phải sử dụng tầng phục hồi lại sóng mang Do đó kiến trúc khối thu phát UWB ít phức tạp hơn rất nhiều so với kiến trúc thu phát của một mạng băng hẹp

Hình1.11: Kiến trúc khối thu phát của hệ thống UWB

1.4 2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội đã đưa ra, việc sử dụng các xung có chu kì

và thời gian tồn tại xung cực ngắn của hệ thống truyền thông UWB cũng có nhược điểm

1.4.2.1 Sự méo dạng xung

Đặc điểm truyền dẫn của các xung UWB phức tạp hơn rất nhiều so với các xung hình sin Các tín hiệu băng hẹp sẽ duy trì dạng hình sin xuyên suốt kênh truyền Tuy nhiên điều này lại không đúng đối với các tín hiệu UWB do các xung UWB có mức công suất thấp vì vậy nó sẽ bị méo một cách nghiêm trọng trên đường truyền dẫn Chúng ta có thể thấy sự méo này thông qua công thức Friss như sau:

πTrong đó Pt và Pr lần lượt là công suất phát và công suất thu, Gt và Gr lần lượt là hệ số khuyếch đại của anten phát và anten thu, c là vận tốc ánh sáng, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu và f là tần số của tín hiệu

Trong công thức trên chúng ta thấy rằng công suất tín hiệu thu được sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương tần số Đối với các hệ thống băng hẹp do tần số của tín hiệu rất nhỏ nên sự thay đổi về tần số sẽ chỉ dẫn đến sự thay đổi rất nhỏ của tín hiệu thu được vì vậy mà có thể bỏ qua sự thay đổi này Tuy nhiên, đối với mạng băng siêu rộng do tần số rất lớn nên sự thay đổi này của tần số sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất tín hiệu thu được do đó làm méo dạng xung Điều này đã làm hạn chế hiệu quả của máy thu UWB khi nó phục hồi lại thông tin bằng việc tính tương quan của xung thu được với một mẫu (template) đã được định nghĩa trước ở phía máy thu Chúng ta sẽ biết đến máy thu UWB này khi thảo luận trong chương 2

1.4.2.2 Ước lượng kênh

Ước lượng kênh là cốt lõi của vấn đề trong việc thiết kế máy thu của hệ thống truyền thông không dây Do chúng ta không thể đo được tất cả các thông số của kênh truyền thông không dây của trường, nên việc dùng các thông số của kênh truyền chẳng hạn như sự suy giảm và trễ truyền dẫn để ước lượng các thông số của kênh là rất cần thiết Chúng ta đã biết rằng máy thu UWB sẽ tương quan tín hiệu thu được với một tín hiệu mẫu được dự báo trước, chính vì vậy việc biết trước được các thông số của kênh để dự báo trước dạng của tín hiệu mẫu là rất cần thiết Tuy nhiên

do dải thông của tín hiệu UWB là rất lớn và năng lượng của tín hiệu bị suy giảm trong môi trường truyền dẫn làm cho các xung UWB bị méo rất lớn vì vậy việc ước lượng kênh trong hệ thống truyền thông UWB một cách chính xác là một vấn đề rất khó khăn

1.4.2.3 Đồng bộ

Đồng bộ theo thời gian là một thách thức lớn và là một hướng nghiên cứu của

hệ thống truyền thông UWB Giống như với tất cả các hệ thống truyền thông khác,

ta cần phải thực hiện quá trình đồng bộ về thời gian giữa một cặp máy phát và máy thu Tuy nhiên quá trình đồng bộ và quá trình lấy mẫu các xung cỡ ns đã tạo ra một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống truyền thông UWB Để lấy mẫu được các xung rất hẹp chúng ta sẽ phải sử dụng đến các bộ ADC rất nhanh Do sự

giới hạn trong công suất và chu kì xung ngắn làm cho hiệu quả của hệ thống UWB rất nhạy cảm với các lỗi về thời gian chẳng hạn như jitter, hiện tượng trôi (drift) Đây là một trong những khó khăn chủ yếu đối với các máy thu của hệ thống UWB

mà sử dụng sơ đồ điều chế kiểu PPM, dựa trên việc tách chính xác vị trí của tín hiệu thu được

1.4.2.4 Nhiễu đa truy nhập

Trong hệ thống truyền thông đa truy nhập có rất nhiều người sử dụng khác nhau hoặc các thiết bị gửi thông tin một cách đồng thời và độc lập trên một kênh truyền thông Ở đầu cuối máy thu, một hoặc nhiều máy thu có thể tách thông tin của người sử dụng mà nó quan tâm Nhiễu từ các thiết bị khác hoặc của người sử dụng khác lên người sử dụng mà chúng ta muốn lấy thông tin gọi là nhiễu đa truy nhập (MAI: Multi Access Interference) Do sự ảnh hưởng của MAI cộng với tạp âm của kênh và nhiễu trong các mạng băng hẹp như đã được mô tả trước đó sẽ làm giảm một cách đáng kể các xung UWB có công suất thấp và làm cho quá trình tách tín hiệu trở nên khó khăn Hình 1.12 biểu diễn kênh đa truy nhập UWB

Như trong hình 1.12 chúng ta thấy rằng việc tách mỗi người sử dụng riêng biệt từ các tín hiệu UWB công suất thấp, méo lớn là một công việc rất khó khăn

Bộ thu

đa truy nhập UWB

Kênh 1 Kênh 2

Kênh N

Kênh nhiễu

User 2

User N

Hình1.12: Kênh đa truy nhập UWB

1.5 SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ

Mặc dù UWB là một công nghệ đang phát triển và đã có nhiều thông tin về khái niệm cũng như năng lực của nó song vẫn còn rất nhiều sự nhầm lẫn mà cần phải được làm rõ Một trong số những sự nhầm lẫn đó là truyền thông UWB với kĩ thuật trải phổ Ta đã biết cả UWB và kĩ thuật trải phổ đều có nguồn gốc từ truyền thông trong quân sự, song chúng ta cần phân biệt rõ hai khái niệm này, để làm rõ chúng ta cần phải giới thiệu sơ lược hai kĩ thuật trải phổ được sử dụng là DSSS và FHSS

1.5 1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Trong DSSS một mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để trải mỗi bit dữ liệu cùng một số lượng lớn các chip, trong đó khoảng thời gian của chip nhỏ hơn khoảng thời gian của bit như được biểu diễn trong hình 1.13 Các từ mã sẽ trải dữ liệu ra một dải thông lớn hơn được yêu cầu để truyền thông tin Trong hình 1.13 chúng ta thấy rằng bit 1 được biểu diễn bởi một mã bốn bit là 1010, và bit 0 được biểu diễn bởi một mã bốn bit là 1100 Quá trình trải dữ liệu ra các chip có chu kì nhỏ hơn làm cho năng lượng của tín hiệu được trải ra trong miền tần số lớn hơn mức nhiễu nền của máy thu băng hẹp một chút Để truyền dữ liệu đi, mỗi một chip sẽ được điều chế cùng với một kĩ thuật băng hẹp truyền thống

1.5.2 Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Kĩ thuật FHSS được phát minh bởi Hedy Lamarr năm 1942 với dự án “Secret communication System” Giống như với DSSS, FHSS sẽ trải năng lượng của tín hiệu trong miền tần số và tạo ra các ưu điểm trong truyền thông băng rộng Tuy nhiên, độ rộng của băng thông rộng hơn so với khi không sử dụng kĩ thuật trải phổ không phải do trải dữ liệu giống như trong DSSS mà FHSS sẽ dùng các chặng tần

số cho việc truyền và nhận dữ liệu dựa vào một mã giả ngẫu nhiên và các chặng tần

số đó khi kết hợp lại sẽ tạo nên một dải tần rộng Sự thay đổi trong tần số để truyền

dữ liệu diễn ra rất nhanh làm cho các tổ chức bất hợp pháp muốn đánh cắp thông tin truyền đi là một việc rất khó Như được biểu diễn trong hình 1.14 là các tín hiệu sẽ nhảy từ một tần số này tới một tần số khác theo thời gian

Thời gian

Hình 1.14 Phân chặng tần số trong kĩ thuật FHSS

1.5 3 Sự khác nhau chủ yếu giữa UWB và trải phổ

Thời gian

Chuỗi trải phổ

Tần số

Băng hẹp

Trải phổ băng rộng

mà DSSS và FHSS mang lại đối với mạng băng hẹp cũng tương tự như đối với UWB đối với các tín hiệu băng siêu rộng Như vậy đâu là sự khác nhau chủ yếu giữa chúng

Chúng ta sẽ phân biệt các kĩ thuật trải phổ và UWB dựa trên phương pháp để thu được dải tần rộng của chúng

Trong các kĩ thuật trải phổ truyền thống, tín hiệu là hình sin liên tục được điều chế cùng với một sóng mang cố định Trong mạng băng siêu rộng như chúng ta biết rằng chúng không dùng sóng mang, dải tần rộng của băng thông có được là do các xung có độ rộng rất hẹp

Một điểm khác trong băng thông của mạng băng hẹp dùng kĩ thuật trải phổ và mạng băng siêu rộng ở chỗ kĩ thuật trải phổ chỉ cung cấp cho chúng ta độ rộng băng thông

cỡ MHz, trong khi đó UWB có độ rộng băng thông lên tới GHz Hình 1.15 biểu diễn sự khác nhau giữa băng hẹp, băng rộng và UWB

Trong hình 1.15 chúng ta thấy rằng, đối với mạng băng hẹp, các tín hiệu liên tục CW (Continuous Waveform) chiếm một dải tần số hẹp, tuy nhiên trong các kĩ thuật băng rộng giới hạn tần số của các tín hiệu CW được trải ra lớn hơn một chút

so với mức nhiễu nền do việc dùng các chuỗi để trải phổ Trong UWB, độ lớn của phổ lên tới vài GHz là do các xung có chu kì và thời gian tồn tại ngắn mà không dùng đến bất kì một mã ngẫu nhiên nào để trải phổ

Trong các tín hiệu băng hẹp tín hiệu hình sin luôn luôn xuất hiện trong toàn bộ khoảng thời gian vì vậy mà thời gian tồn tại xung (duty cycle) là 100%, trong khi đó các xung UWB chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn của chu kỳ xung do đó thời gian tồn tại xung (duty cycle) nhỏ hơn 0.5% Chu kỳ tồn tại xung ngắn làm cho công suất phát trở nên thấp và khả năng bảo mật cao so với các kĩ thuật trải phổ Tuy nhiên, công suất phát thấp có thể sẽ là một khuyết điểm đối với hệ thống UWB

do thông tin chỉ có thể truyền được trong một khoảng thời gian ngắn, đối với các ứng dụng có khoảng cách lớn kĩ thuật trải phổ băng hẹp vẫn là một giải pháp tốt

1.6 PHÂN LOẠI UWB

UWB là một công nghệ mang lại tốc độ dữ liệu cao, trong khoảng cách ngắn

vì vậy nó thích hợp với lớp vật lý trong chuẩn IEEE802.15.3.a đối với các mạng cá nhân không dây (WPAN) Tuy nhiên trong thực tế có hai nhóm vẫn còn đang tranh luận trong chuẩn của IEEE đó là kĩ thuật đơn băng và kĩ thuật đa băng Theo đó có hai tiêu chuẩn công nghệ UWB đang được nghiên cứu và đề xuất đó là:

• UWB đơn băng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-UWB và trải phổ nhảy tần tời gian TH-UWB

• Công nghệ UWB đa băng dựa trên OFDM

Ngày nay cả hai công nghệ vẫn tồn tại và đều có những ưu điểm cũng như khuyết điểm riêng của chúng

1.6.1 UWB đơn băng (DS UWB)

Hệ thống đơn băng là kiểu UWB truyền thống vốn đã được sử dụng từ rất lâu trong hệ thống thông tin quân sự Về nguyên tắc nó dung xung hẹp, nhỏ hơn 1ns với băng thông rộng để điều chế thông tin DS UWB được sử dụng kết hợp với kĩ thuật DSSS để truyền và nhận thông tin

Hình 1.16 DS UWB truyền một xung đơn trên một dải lớn của phổ để biểu diễn dữ liệu

Ưu điểm của hệ thống này là thiết kế máy thu khá đơn giản Dữ liệu được truyền đi dựa trên kĩ thuật điều chế BPSK và các máy thu Rake sẽ được sử dụng để thu được năng lượng tín hiệu từ các đường khác nhau do hiện tượng đa đường gây

ra Căn cứ vào các đề xuất lên tổ chức IEEE 802.15.3a cho thấy rằng DS UWB có thể đạt được tốc độ lên tới 1Gbps Một số báo cáo còn cho thấy hệ thống đơn băng

DS UWB có thông lượng và dung lượng tốt hơn hệ thống đa băng OFDM Khác với mạng băng hẹp bị suy giảm nhiều do fading gây ra, DS UWB không bị ảnh hưởng bởi fading Rayleigh này Do đó nó là một nguyên nhân khiến cho DS UWB được sử dụng trong kĩ thuật

Hệ thống đơn băng UWB được chia thành 2 loại là UWB nhảy thời gian TH UWB và UWB chuỗi trực tiếp DS UWB Cả hai hệ thống TH-UWB và DS UWB đều sử dụng kỹ thuật trải phổ Trong hệ thống DS UWB các xung được phát liên tục như một chuỗi ngẫu nhiên để trải các bit thông tin Còn trong hệ thống TH UWB các chuỗi ngẫu nhiên xác định vị trí (thời gian) được phát các xung

1.6.2 UWB đa băng

Phương pháp này tương tự với kĩ thuật nhảy tần số trong mạng băng hẹp Việc phân chia dải phổ UWB ra làm nhiều băng tần số con là một cải tiến của UWB trong việc tránh truyền tín hiệu trên một băng tần cố định Dựa trên quy định của FCC, tín hiệu UWB có độ rộng băng tần không vượt quá 500MHz trong tổng 7,5GHz Do đó đa băng UWB chia khoảng tần số từ 3,1GHz tới 10.6GHz thành các băng tần nhỏ hơn không dưới 500MHz

Đối với phương pháp này việc chia băng tần 7.5GHz ra làm các băng nhỏ hơn

đã làm cho các xung có độ rộng lớn hơn so với các phương pháp UWB truyền thống từ đó làm cho yêu cầu đồng bộ trở nên dễ dàng hơn

Tùy theo phương thức điều chế trên mỗi băng tần, đa băng có thể chia làm hai hệ thống, đa băng xung và đa băng OFDM

• UWB đa băng xung

Hệ thống đa băng xung sử dụng một sóng mang trên mỗi băng tần để truyền thông tin Thông tin được truyền đồng thời trên mỗi băng khác nhau Khoảng lặp lại xung được định nghĩa là khoảng thời gian bắt đầu của hai xung lân cận trên cùng một băng Thay đổi khoảng lặp lại xung có thể thay đổi tốc độ dữ liệu của hệ thống Tăng khoảng lặp lại xung sẽ làm giảm tốc đọ dữ liệu, tuy nhiên nó làm giảm nhiễu xung tại máy thu, cải thiện chất lượng của hệ thống trên kênh có fading đa đường

• UWB đa băng OFDM

Hiện nay theo IEEE 802.15.TG3a thì phương pháp dựa trên khái niệm phân chia đa trực giao theo tần số OFDM được chấp nhận rộng rãi và được gọi là hệ thống đa băng OFDM

Hình 1.18 : Đa băng MB-OFDM

Cả hai kĩ thuật DS UWB và đa băng OFDM đều đang được sử dụng Những người sử dụng kĩ thuật DS UWB thì cho rằng hệ thống đa băng OFDM phức tạp do

nó sử dụng phương pháp chuyển đổi Fourier nhanh (FFT: Fast Fourier Transform) Trong khi đó những người sử dụng hệ thống sử dụng kĩ thuật OFDM thì cho rằng

hệ thống của họ cung cấp khả năng tồn tại cùng với các hệ thống khác tốt hơn, và

họ phủ nhận hệ thống DS UWB vì cho rằng nhiễu sẽ xuất hiện Những bàn cãi về vấn đề này sẽ vẫn còn được tranh luận cho tới tận khi nhận được quyết định cuối cùng của ủy ban các chuẩn IEEE802.15.3a để có kết luận cuối cùng

1.7 CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB

1.7 1 Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB

Tháng 2 năm 2003 FCC đã đưa ra bản “Memorandom Opinion and Order” về các quy định với mạng băng siêu rộng theo đó mặt nạ phổ được qui định bởi FCC đối với UWB là 7.5 GHz từ 3.1 GHz cho tới 10.6 GHz đối với các thiết bị viễn thông FCC cũng đã qui định về việc tránh gây nhiễu do hệ thống UWB gây ra cho các dịch vụ sử dụng trong dải tần này bằng cách hạn chế công suất phát của máy phát UWB Mật độ phổ công suất của các thiết bị UWB được giới hạn là 41.3 dBm/MHz

Sự khác nhau chủ yếu của vùng làm việc indoor và outdoor đó là mức độ suy giảm công suất cao hơn vùng ngoài băng của các thiết bị làm việc trong vùng outdoor Hơn nữa chúng ta cần bảo vệ các máy thu GPS có tần số trung tâm là 1.6 GHz Trước đó tại cuộc họp vào tháng 6 năm 2003 các tổ chức Multiband OFDM Alliance (MBOA) và Motorola/XtremeSpectrum đã tranh cãi nhau về việc MBOA

có sử dụng kĩ thuật chặng tần số hay không và các yêu cầu về giới hạn dữ liệu của 802.15.3a trong khi vẫn duy trì khuyến cáo của FCC về các hệ thống sử dụng kĩ thuật chặng tần số sẽ được kiểm tra như thế nào FCC đã tiến hành rất nhiều cuộc họp để thay đổi các qui định sao cho phù hợp với các chuẩn của IEEE hiện tại Các qui định được thống nhất trên toàn thế giới mang lại lợi ích rất lớn đối với hệ thống UWB làm cho nó được sử dụng thông suốt trên toàn cầu Hiện tại UWB chỉ được qui định trên đất nước Mĩ Tuy nhiên người ta đang nỗ lực để các qui định đối với hệ thống UWB trở thành một hệ thống phổ biến trên toàn thế giới

1.7.2 Giới hạn phát của FCC

Để bảo vệ các hệ thống đang tồn tại do nhiễu đến từ hệ thống UWB, FCC đã qui định một mặt nạ phát cố định giữa 3.1 và 10.6 GHz đối với các sản phẩm thương mại UWB Mật độ phổ công suất phát cho phép lớn nhất đối với các thiết bị này là 41.3 dBm/MHz hoặc 75 nW/MHz có công suất bằng với mức công suất của các hệ thống không đáng quan tâm về năng lượng phát xạ của các thiết bị điện tử dân dụng như tivi hay màn hình máy vi tính Căn cứ vào các qui định của FCC ta chia các thiết bị UWB vào 3 loại chính là truyền thông, hình ảnh, radar

1.7.2.1 Các thiết bị truyền thông

Đối với các thiết bị truyền thông, FCC đã qui định giới hạn phát khác nhau đối với các sản phẩm indoor và outdoor Mặt nạ phổ cho các thiết bị outdoor thấp hơn mặt nạ phổ cho các thiết bị indoor là 10 dB trong dải tần số từ 1.61 cho tới 3.1 GHz Dựa vào các qui định phổ của FCC, các thiết bị indoor phải là các thiết bị cầm tay và hoạt động trong giới hạn là các tòa nhà và kết nối theo kiểu peer to peer Các qui định của FCC cũng nói lên rằng truyền thông UWB trong môi trường outdoor không có một cơ sở hạ tầng cố định Vì vậy đối với truyền thông outdoor sẽ chỉ được giới hạn trong các thiết bị cầm tay và thông tin sẽ được gửi cho các máy thu kết hợp với chúng

1.7.2.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh

Hình 1.19 biểu diễn giới hạn phát của một thiết bị hình ảnh hoạt động xuyên tường (through_wall imaging) dựa trên công nghệ UWB

Hình 1.20 Giới hạn phát cho các hệ thống radar chuyển động

Các qui định của Mĩ dùng giới hạn Part 15 làm một đường cơ bản Part 15 của FCC cho phép các thiết bị có công suất thấp hoạt động hợp pháp mà không cần cấp giấy phép hoạt động của ủy ban Dưới giới hạn Part 15 hàng triệu thiết bị đã được phát triển Các ứng dụng của Part 15 trong việc phân chia các thiết bị được biểu diễn như trong bảng 1.1 với một giới hạn là 41.3 dBm cho các hoạt động indoor và outdoor