LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu
và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu
Học viên
Trần Quang Tồn
1
Mục Lục
DANH SÁCH HÌNH VẼ
2
DANH SÁCH BẢNG
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
3
ADC Analog to Digital Converter
BPF Band-Pass Filter
BPM-BPSK Burst Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying
CM Channel Model
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
DARPA Defense Advanced Research Projects Agency
DSP Digital Signal Processor
ETSI European
Telecommunications
Standards Institute
FCC Federal
Communications Commission
FET Field-Effect
T
ransistor
FPGA Field
Programmable
Gate
Arra

ble
VLSI Very-Large-Scale
In
tegration
WPAN Wireless Personal Area
Net
w
ork
UWB
Ultra-WideBand
4
LỜI NÓI ĐẦU
Được thừa nhận vào năm 2002 bởi Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ
(Federal Communications Commission: FCC), công nghệ băng thông siêu rộng (Ultra
Wideband : UWB) đã và đang trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn cho truyền thông vô
tuyến. Quá trình thu, phát trong công nghệ UWB sử dụng trực tiếp các xung cực ngắn
(cỡ ns) mà không cần điều chế do đó băng thông mà nó đạt được rất lớn (cỡ GHz). Điều
này cho phép công nghệ UWB đáp ứng được với các dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng
của hệ thống vô tuyến như video hay đa phương tiện. Mặt khác, công suất phát cực nhỏ,
cấu trúc bộ thu phát đơn giản làm cho công nghệ UWB đặc biệt thích hợp cho các mạng
vô tuyến phạm vi hẹp và di động như mạng vô tuyến phạm vi cá nhân (Wireless Personal
Area Network : WPAN), mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network : WSN),
các ứng dụng định vị, radar trong nhà đòi hỏi độ chính xác cao và phạm vi hẹp
Về cơ bản, UWB được phát triển để phục vụ cho truyền thông giữa các thiết
bị trong gia đình của người sử dụng. 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
UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN

• Chương 3: Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a
• Chương 4: Thuật toán trong máy thu IEEE 802.15.4a
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG UWB
6
Ngày nay công nghệ truyền thông đã đạt được những thành tựu lớn. Sự phát
triển của khoa học kỹ thuật đã đem lại cho con người sử dụng nhiều dịch vụ mới đa
dạng và phong phú, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy lên và các ứng dụng trong
truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu
về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại. Chúng ta cần các
tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là
yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó,
các hệ thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này.
Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB. Trong chương 1 của luận văn
chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm liên quan đến UWB, ứng dụng của UWB
1.1 Định nghĩa UWB
UWB viết tắt

của từ Ultra Wide-Band để chỉ một kỹ thuật truyền

thông sử
dụng
tín hiệu có bề rộng phổ tần

rất lớn so
với
tín hiệu băng hẹp
truyền
thống.
Hai thông số chính định nghĩa cho một tín hiệu được gọi là UWB là tỉ lệ băng

B
f
−
=

(1.1)
Trong đó f
c
là tần số trung tâm:
( )
2
H L
c
f f
f
+
=
(1.2)
Theo tổ chức FCC của Mỹ thì những tín hiệu có f
c

lớn hơn 2.5 GHz thì phải có độ
rông băng thông tuyệt đối B lớn hơn 500
MHz,
còn
với
tín hiệu có f
c

nhỏ hơn

C
(giây),
xung thứ hai trong khung thứ hai dịch đi T
C
(giây), TH của symbol thứ hai là {2,3}
và của symbol thứ ba là {1,0}
Hình 1.:Ví dụ tín hiệu UWB, truyền đi 3 symbol dựa vào vị trí (TH) và cực tính
của xung
1.2 So sánh UWB với một số công nghệ không dây hiện tại
9
Trong phần này, So sánh UWB với hai công nghệ: Bluetooth bởi vì nó cùng với
UWB đều thuộc lớp mạng cái nhân PAN và Wifi bởi vì nó là công nghệ không dây phổ
biến nhất ngay nay.
Bluetooth là một công nghệ không dây cho mạng người dùng cái nhân (PAN).
Nó được dựa trên chuẩn IEEE 802.15. Bluetoothhoạt động tại tần số 2.4GHz. Có ba
lớptruyền trong Bluetooth: lớp ba là lớp truyền thấp nhấp 1mW (0dBm) với dải hoạt
động 1m, trong khi lớp hai là lớp truyền thương mại 2.5mW (4dBm) với dải hoạt động
10m, cuối cùng lớp 1 là lớp truyền cao nhất 100mW (20dBm) với dải hoạt động 10m.
Tốc dộ dữ liệu tối đa 1Mb/s cho bluetooth v1.2 và 3 Mb/s cho bluetooth v2.0
Wifi là công nghệ không dây cho mạng địa phương (LAN). Nó dựa trên chuẩn
IEEE 802.11a/b/g. Wifi 802.11b/g hoạt động ở tần số 2.4GHz trong khi Wifi 802.11a
hoạt động ở tần số 5GHz. Wifi 802.1b sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) trong
khi Wifi 802.11a/g sử dụng công nghệ OFDM. Wifi truyền 100mW với khoảng hoạt
động 100m. Tốc độ dữ liệu tối đa 11Mb/s cho chuẩn Wifi 802.11b và 54Mb/s cho Wifi
802.11a/g. Bảng 1.1 chỉ ra sự so sánh giữa UWB, Bluetooth và Wifi
UWB Bluetooth Wifi
Phổ 3.1-10.6 GHZ 2.4 GHz 2.4 hoặc 5 GHz
Công nghệ OFDM hoặc DS-UWB FHSS OFDM hoặc DSSS
Khoảng cách
hoạt động

Hình 1 So sánh mức tiêu thụ năng lượng chuẩn hóa
1.3 Một số quy định về băng tần
Vì UWB hoạt động trên dải tần số đồng thời với các hệ thống đã có sẵn (như
TV, GSM, UMTS, WLAN, GPS,…) nên để tránh can nhiễu và ảnh hưởng đến các
hệ thống đó UWB phải tuân theo các quy định chặt chẽ về công suất phát xạ. Theo
FCC công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent Isotropically Radiated
Power : EIRP) trong dải tần số 3.1-10.6GHz không được vượt quá -41.3dBm/MHz
và thậm chí công suất phát xạ còn nhỏ hơn nữa khi tần số nằm ngoài khoảng trên.
Các quy định về công suất phát xạ cho các ứng dụng cụ thể theo FCC được đưa ra
như hình 1. 6
12
Hình 1.: Các quy định của FCC về công suất phát xạ UWB
Bên cạnh Hoa Kỳ đi đầu trong việc đưa ra các quy định cụ thể về UWB, các
quốc gia khác cũng nỗ lực đưa ra các quy định về UWB cho phù hợp với các điều
kiện cụ thể của mình. Năm 2006 Bộ nội vụ và truyền thông Nhật Bản (Minstry of
Internal Affairs and Communicaiton: MIC) và năm 2007 Ủy ban điện tử truyền
thông Châu Âu (Electronic Communication Committee : ECC) đã đưa ra những quy
định về UWB (Hình 1.7). Những năm sau đó các quốc gia khác như Hàn Quốc,
Singapore, Trung Quốc cũng xây dựng các quy định về UWB.
13
Hình 1.:Quy định của Nhật Bản và Châu Âu về UWB
1.4 Lịch sử của UWB
Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà
nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều
kiện khái quát nhất. Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ
yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với:
Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy luật tự
nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật hoạt động. Thứ tự của chuỗi
những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng của chúng. Khi
mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trưởng thành, những mối quan tâm chính và

vật lý cho truyền dẫn xung UWB đã được thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ
trước (1901) khi ông muốn ngăn chặn sự tán xạ của xung trong miền thời gian bằng
cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo. Trong thực tế, có người đã cho rằng UWB
xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và Hertz vào cuối
những năm 1890. Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến đầu
tiên đã dựa trên UWB. Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp
được quan tâm nhiều hơn UWB. Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia
theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu
dành cho radar và truyền thông trong quân đội.
Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu
không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998. Những
mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo
và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phỗp triển khai mang tính thương
15
mại với yêu cầu mặt nạ phổ cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời.
Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng UWB
xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz)
đã được FCC cấp phát.
1.5 Ưu điểm của hệ thống UWB
Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp truyền
tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một phương tiện
truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của hệ thống này có
thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống như các hệ thống
băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM):
1.5.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao
Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong một
kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W
là:
( )
SNRWC

này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường trong nhà
thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp.
1.5.4 Độ phức tạp của bộ thu
Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như là
các hệ thống băng gốc. Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp âm
thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền tín hiệu số.
Không cần vòng khoá pha hay tần số. Sau khi FCC đưa ra một số quy định thì điều
này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử dụng có một phổ tần
bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phương pháp đơn giản nhất để thực hiện giải
điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần, hoặc là trong miền tương tự
hoặc trong miền số.
1.5.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp
Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ
thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt được thậm
trí trong cả môi trường mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của Shannon:
( )
SNRWC
+=
1log
2
17
Trong trường hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với SNR là
0dB, dung lượng kênh có thể tính theo C=2.log
2
(1+1)=2 Gbps. Theo kết quả này,
chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp vẫn có thể
duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý
tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN.
Hình 1.: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp
Vì công suất tín hiệu thấp và băng tần khả dụng lớn nên các hệ thống

mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông
cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường, nhiễu giao
thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight),
các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá. Lời
hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp tăng lên do phải giải
quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên
tương tự như các thiết bị vô tuyến hiện tại.
21
Hình 1.: Mặt nạ phổ được đưa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà
1.7 Đặc điểm của tín hiệu UWB
1.7.1 Mặt nạ phổ công suất
Giống như các hệ thống thông tin truyền thông khác, phổ của tín hiệu UWB có ý
nghĩa rất quan trong. Trong thực tế, nhìn vào tên UWB cũng có thể thấy phổ là vấn
đề chính trong công nghệ này. Đối với bất kỳ hệ thống thông tin nào đều phải tuân
thủ quy định và các điều lệ về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh
gây nhiễu cho các hệ thống khác.
22
Hình 1.: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB
Các hệ thống UWB chiếm băng thông rất rộng. Do vậy để giảm thiểu đến mức
thấp nhất việc gây nhiễu cho các người dùng hiện tại thì tổ chức FCC và các nhóm
chuẩn hóa khác đã đưa ra mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất
phát được phỗp ở mỗi dải tần khác nhau. Hình 1.12 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho
hệ thống UWB trong nhà. Băng tần lớn liên tục 7.5GHz nằm giữa tần số 3.1GHz và
10.6GHz ở công suất phát tối đa cho phỗp -41.3 dBm/MHz. Ở nhóm băng tần
0.96GHz-1.61GHz cho phỗp công suất phát vô cùng nhỏ là do nhóm này đại diện
cho các thông tin đã tồn tại như: thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu GPS…
1.7.2 Dạng xung trong UWB
Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường là xung đơn chu trình
(monocycle) vì nó chỉ có một chu kỳ và có thể là bất kỳ hàm nào mà thỏa mãn yêu
cầu mặt nạ phổ. Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh

k k
k
d
g t e
dt
π
ε
=

(1.5)
Trong đó t
p
là thông số để xác định thời gian tồn tại xung T
p
(T
p
=2.t
p
), và
k
ε
được dùng tiêu chuẩn năng lượng xung.
Hình 1.: Dạng xung Gauss các bậc
24
Hình 1.14 là dạng xung Gauss các bậc có độ rộng dải tần nhỏ hơn 10dB so với
20% tần số trung tâm. Hơn nữa, xung Gauss đạo hàm các bậc nhỏ có xu
hướng dịch chuyển nhiều hơn đến khu vực tần số cao hơn.
1.8 Kiến trúc máy thu phát UWB
Như đã đề cập ở trên, một trong nhưng ưu điểm nổi bật của các hệ thống
UWB chính là kiến trúc máy thu phát khá đơn giản. Sở dĩ có vẫn đề này là việc