MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH SÁCH BẢNG iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ iv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 2
1.1 UWB-RT là gì? 2
1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật 3
1.3 Ưu điểm 4
1.4 Ứng dụng 5
1.5 Nhược điểm 8
1.6 Hoạt động 8
1.7 Hướng phát triển 9
CHƯƠNG II 10
LIÊN LẠC BẰNG UWB 10
2.1 Giới thiệu chung 10
2.2 Các phương pháp điều chế UWB 11
2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM 14
2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM 15
2.3 Các phương pháp điều chế khác 16
2.3.1 Điều chế xung trực giao 17
2.3.2 Điều chế biên xung 18
2.3.3 On-off keying 18
2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB 19
2.4 Các chuỗi xung 19
2.4.1 Chuỗi xung Gauss 20
2.4.2 Mã kênh PN 21
2.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 22
2.5 Máy phát UWB 23
3.3.2 Tín hiệu thu dành cho UWB-IR sử dụng MMSE-FDE 57
3.3.3 MMSE-FDE dành cho UWB-IR 58
3.4 DS-UWB sử dụng MMSE-FDE 58
3.5 Kết quả 60
3.6 Kết luận 65
KẾT LUẬN 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
ii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của từng phương pháp điều chế
Bảng 2.2: Các tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt
không dây OFDM
iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
STT Tên hình Trang
Hình 1.1 UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác 3
Hình 1.2 Băng tần hoạt động của UWB 3
Hình 1.3 Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao
(HDR_WPAN)
5
Hình 1.4 Mạng vùng không dây thông minh (IWAN) 6
Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống UWB 8
Hình 1.6 Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH-UWB 9
Hình 2.1 Mô hình chung của một hệ thống liên lạc 11
Hình 2.2 Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB 12
Hình 2.3 So sánh phương pháp PPM và BPM 13
Hình 2.4 So sánh các kĩ thuật điều chế khác của liên lạc bằng
UWB
16
Hình 2.5 Đầu ra hệ thống điều chế xung nhị phân 22
iv
Hình 3.1 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR 52
Hình 3.2 Mô hình máy thu RAKE dành cho UWB-IR 52
Hình 3.3 Mô hình máy phát dành cho UWB-IR với MMSE-FDE 53
Hình 3.4 Khối dữ liệu phát 53
Hình 3.5 Sóng phát dành cho UWB-IR 53
Hình 3.6 Mô hình máy thu dành cho UWB-IR với MMSE-FDE 54
Hình 3.7 Mô hình máy phát dành cho DS-UWB với MMSE-FDE 56
Hình 3.8 Sóng phát dành cho DS-UWB 57
Hình 3.9 Mô hình máy thu dành cho DS-UWB với MMSE-FDE 57
Hình 3.10 Kênh đa đường UWB : CM3 58
Hình 3.11 Kênh đa đường UWB : CM4 59
Hình 3.12 2BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 60
Hình 3.13 16BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 61
Hình 3.14 64BOK, Kênh đa đường UWB : CM3 61
Hình 3.15 2BOK, Kênh đa đường UWB : CM4 62
v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN Additive White Gauss Noise
BER Bit Error Rate
BPM Binary Phase Modulation
CDMA Code Division Multiple Access
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
FDMA Frequency Division Multiple Access
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum
FDE Frequency Domain Equalization
IWAN Intelligent Wireless Area Network
LAN Local Area Network
MHP Modified Hermitian Pulse
MMSE Minimum Mean Square Error
chọn lọc theo tần số.
1
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB
1.1 UWB-RT là gì?
Công nghệ vô tuyến băng thông cực rộng UWB-RT là giải pháp liên kết
không dây giữa các hệ thống máy tính để bàn, máy tính xách tay, các thiết bị
cầm tay và các thiết bị điện tử tiêu dùng, mang lại khả năng kết nối dễ dàng
và trao đổi dữ liệu tốc độ cao thường được sử dụng trong văn phòng và ngôi
nhà kĩ thuật số.
Khi UWB nhập cuộc, giống như các công nghệ chủ đạo khác. UWB
nhắm mục tiêu vào những người sử dụng gia đình. UWB có thể kết nối các
thiết bị giải trí trong gia đình lại với nhau một cách hoàn hảo và có tốc độ kết
nối cao.
Đằng sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào nào là dây
nối chuột, bàn phím, màn hình, kết nối USB Chúng thật phiền phức và
vướng víu. Các nhà cung cấp tin rằng: Một ngày nào đó, UWB sẽ thay thế
toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn. Không những thế, UWB sẽ tiến
tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các thiết bị di động như các máy phát
nhạc MP3 và máy ảnh số
So với các hệ thống viễn thông đang sử dụng như là mạng LAN không
dây, điện thoại di động thế hệ thứ 2, thứ 3 thì hệ thống UWB tiêu thụ công
suất ít hơn và có độ rộng băng tần lớn hơn rất nhiều, điều này được thể hiện
như trên Hình 1.1.
2
Hình 1.1: UWB so sánh với các hệ thống viễn thông khác
1.2 Các tiêu chuẩn kĩ thuật
Hệ thống UWB gồm các tiêu chuẩn kĩ thuật cơ bản sau :
• Băng tần: 3.1 ÷ 10.6 Ghz (tham khảo Hình 1.2)
• Tốc độ:
• Cho phép người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu với tốc độ cao một
cách dễ dàng, đơn giản ở mọi nơi, mọi lúc.
4
1.4 Ứng dụng
Từ nhiều năm trước đã có các ứng dụng viễn thông vô tuyến dựa trên công
nghệ UWB trong lĩnh vực quốc phòng, như là các ứng dụng radar hay các hệ
thống định vị.
Đến nay thì trên thế giới người ta đã đưa ra khá nhiều ứng dụng thương
mại khi sử dụng công nghệ UWB.
• Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao (HDR_WPAN)
UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN
(Wireless Personal Area Network). Tương lai các mạng không giây giữa
các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm
nhạc, video, dữ liệu, và tiếng nói Ví dụ: bạn có thể xem video trên PC
hoặc các thiết bị điện tử khác như máy quay video, máy phát DVD, HD-
TV (High-Definition Television) qua kết nối không dây UWB. Hiện tại,
UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong phạm vi 10m với
tốc độ là 100÷500 Mbps.
Hình 1.3: Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao (HDR_WPAN)
Máy quay
Màn hình
DVD
Máy in
Desktop
Computer
Gateway
PDA
Âm thanh
TV
Máy tính
Home
Controler
Fan
Motion
sensor
Temperature
sensor
Position
sensor
Position
sensor
Light
sensor
Position
sensor
Position
sensor
Wireless
bridge
Wide
area
cellular
network
(alarms,
remote
control)
6
• Mạng đồng cấp ngoài trời (OPPN)
Đây là mạng của các thiết bị UWB để triển khai ở vùng ngoài trời,
được sử dụng cho các thiết bị PDA và cho phép các kiot số có thể trao đổi
1.5 Nhược điểm
Bên cạnh các ưu điểm thì công nghệ UWB vẫn còn tồn tại một số nhược điểm
không thể tránh khỏi:
• Mới chỉ sử dụng được trong phạm vi hẹp.
• Chưa có một tiêu chuẩn thống nhất giữa các nhà sản xuất với nhau.
1.6 Hoạt động
Khác với các hệ thống thông tin vô tuyến khác, hệ thống UWB không cần
phát các sóng có dạng hình sin mà máy phát UWB hoạt động bằng cách phát
đi hàng tỷ xung trong một dải tần số rộng hàng GHz (độ rộng băng tần phải
lớn hơn 20% tần số trung tâm hoặc ít nhất là 500 MHz). Máy thu UWB làm
việc bằng cách thu tất cả các xung phát đi và chọn lọc lấy những xung tương
hợp với nó. Hay nói cách khác, các hệ thống thông tin vô tuyến khác cần phải
nhân tín hiệu cần phát với sóng mang, sau đó khuếch đại nhằm đưa lên tín
hiệu cao tần để có thể phát đi xa, còn hệ thống UWB không cần sử dụng sóng
mang và khuếch đại mà nó sẽ truyền trực tiếp một chuỗi xung hẹp sau khi đã
điều chế tín hiệu cần truyền. Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống UWB
được thể hiện trên Hình 1.5.
MOD
DEMOD
Data Data
Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống UWB
Máy phát Máy thu
8
Hình 1.6: Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH-UWB
1.7 Hướng phát triển
Mục tiêu hàng đầu chính là tìm ra một chuẩn thống nhất giữa các nhà sản suất
với nhau và tiến tới mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống. Các nhà nghiên
cứu dự báo UWB sẽ hoạt động như một loại lớp vận chuyển đa năng cho các
ứng dụng không dây phạm vi ngắn.Với những ưu điểm nổi bật chúng ta hoàn
toàn có thể tin tưởng rằng công nghệ UWB sẽ thực sự là một cách mạng
không trung qua anten.
• Kênh truyền: miêu tả tác động của việc truyền qua khoảng không, bao
gồm cả việc phản xạ, làm méo các xung điện từ tác động lên các đối
tượng khác.
• Máy thu: thu tất cả các năng lượng điện từ từ anten, lấy tín hiệu cực
yếu, tạo lại dạng xung, rồi sắp xếp nó theo các dấu thích hợp và sau đó
tới dãy bit nhị phân.
Trong chương này chúng ta sẽ chỉ xem xét chi tiết đến cấu trúc máy phát
và máy thu, cụ thể là cơ sở các khía cạnh của việc liên lạc như là điều chế.
Hình 2.1: Mô hình chung của một hệ thống liên lạc
2.2 Các phương pháp điều chế UWB
Một xung UWB đơn lẻ không chứa đựng thông tin về chính nó, chúng ta phải
thêm thông tin số cho xung tương tự bằng cách điều chế.Trong các hệ thống
UWB có rất nhiều các phương pháp điều chế cơ bản và chúng ta sẽ nghiên
cứu các phương pháp thật chi tiết.
Bằng cách phân loại các phương pháp điều chế, chúng ta có hai kiểu cơ
bản của phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB được thể hiện ở
Hình 2.2.
Máy phát Kênh truyền
Máy thu
11
Các kĩ thuật dựa vào thời gian Các kĩ thuật dựa vào hình dạng
Hình 2.2: Các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng UWB
Phương pháp thông dụng nhất là phương pháp điều chế vị trí xung
(PPM), tức là mỗi xung được giữ chậm hoặc được gửi đi trước mức thời gian
không đổi. Vì vậy hệ thống liên lạc nhị phân đã được thiết lập về phía trước
hoặc về phía sau luân phiên theo thời gian. Hệ thống M-ary có thể được tạo ra
Trong Hình 2.3a là dãy xung chưa được điều chế dùng để so sánh.Ví dụ
với phương pháp PPM, xung tương ứng với trạng thái “1”được giữ chậm
đúng lúc (xung hiện ra được di chuyển tới vị trí bên phải), xung tương ứng
với trạng thái “0” di chuyển tới vị trí bên trái (Hình 2.3b). Với phương
pháp BPM thì xung đảo tương ứng với trạng thái “0”, còn xung không đảo
tương ứng với trạng thái “1” (Hình 2.3c).
13
Hình 2.3: So sánh phương pháp PPM và BPM
2.2.1 Điều chế vị trí xung PPM
Thông số quan trọng của phương pháp điều chế vị trí xung là độ trễ của xung.
Bằng định nghĩa một xung cơ sở với dạng bất kì
( )p t
, chúng ta có thể điều chế
dữ liệu bằng thông số giữ chậm
i
τ
để tạo ra các xung
i
s
với thời gian
t
như
trong công thức (2.1)
i
s
=
( )
i
p t
( 0.75)
( 0.25)
( 0.25)
( 0.75)
p t
p t
s p t
s p t
s
s
= +
= +
= −
= −
(2.2)
Ưu điểm chính của PPM xuất hiện từ sự đơn giản và không bị ràng
buộc của nó với độ trễ có thể điều khiển được. Mặt khác việc điều khiển thời
gian vô cùng tốt của hệ thống UWB là cần thiết để điều chế các xung chính
xác tới từng nano giây.
(a) Dãy xung chưa được điều chế
(b) PPM
(c) BPM
t
t
t
1 1 0 1 0
01011
14
2.2.2 Điều chế pha nhị phân BPM
Điều chế pha nhị phân BPM có thể được định nghĩa như là một dạng của điều
được định nghĩa đơn giản là
1
( )p ts =
và
2
( )p ts = −
.
Một trong các lí do sử dụng điều chế pha nhị phân, đặc biệt trong việc
so sánh với điều chế vị trí xung là độ lợi 3dB trong hiệu quả công suất. Đây
chỉ là chức năng của kiểu phương pháp điều chế. Điều chế pha nhị phân là
một phương pháp điều chế hoàn toàn đối lập.
Nếu PPM giữ chậm bằng một độ rộng xung, thì BPM có thể gửi gấp hai
lần số các xung và hai lần thông tin, vì vậy đạt được một hệ thống mà tất cả
mọi thứ khác trở nên ngang bằng, gấp hai lần tốc độ dữ liệu.
Cái lợi nữa của việc sử dụng BPM là giá trị trung bình của
σ
bằng
zero. Ngoài ra điều chế pha nhị phân trong UWB còn có hàng loạt lợi ích
khác:
• Nó đưa ra một tỉ lệ công suất yếu tới trung bình ít hơn 8 dB. Vì vậy,
việc dùng pha nhị phân không đòi hỏi các diod tunnel hay mạch khuếch
đại công suất. Thay vào đó nó có thể được lái trực tiếp từ IC CMOS có
tốc độ cao, điện áp thấp.
15
2.3 Các phương pháp điều chế khác
Các phương pháp khác đã được đề xuất mặc dù phương pháp PPM và BPM là
các phương pháp điều chế chính trong các hệ thống liên lạc UWB.
Việc so sánh các kĩ thuật điều chế khác của liên lạc bằng UWB được
thể hiện trong Hình 2.4.
Trong Hình 2.4(a) là chuỗi xung chưa được điều chế dùng để so sánh.
1
1 0 01
17
mà chúng ta có thể gặp phải, và ở đây chúng ta xem mỗi xung trong tổng
1 2
.
i
p p p
được thiết kế là trực giao với nhau.
Ba kĩ thuật điều chế đã hiện diện trước là điều chế vị trí xung, điều chế
pha nhị phân và điều chế xung trực giao đã được đề xuất sử dụng trong thông
tin liên lạc băng thông cực rộng. Trong thời gian tới thì hai kĩ thuật điều chế
biên xung và OOK cũng được dùng trong UWB.
2.3.2 Điều chế biên xung
Điều chế biên xung (PAM) có thể tương ứng với hàm sau
( )
i i
s p t
σ
=
0
i
σ
>
(2.4)
thông số dạng xung
σ
lấy các giá trị dương lớn hơn 0.Ví dụ chúng ta lấy
σ
=
(2.6)
Ví dụ, xung “on” được tạo khi
1
i
σ
=
và xung “off” khi
0
i
σ
=
, vì vậy
1
( )s p t=
và
2
0s =
.
18
Khó khăn chính của OOK là sự có mặt của đa đường, trong đó sự dội
lại của các xung chính hay các xung khác làm nó khó xác định rõ xung không
có mặt. OOK là phương pháp điều chế nhị phân, tương tự như BPM, nhưng
nó không thể mở rộng tới phương pháp điều chế M-ary như là PPM, PAM và
OPM.
2.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế UWB
Sau khi đã tìm hiểu về các phương pháp điều chế dành cho liên lạc bằng
UWB, chúng ta sẽ đưa ra ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp điều
OOK
Đơn giản
Đơn giản, hiệu quả
Dùng cho đa truy nhập
Đơn giản
Đơn giản
Cần giải quyết tốt hơn về thời gian
Chỉ có nhị phân
Phức tạp
Có nhiễu
Chỉ có nhị phân, có nhiễu
19
Copyright: Tài liệu đại học ©