Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu về bộ xử lý băng gốc UWB theo chuẩn IEEE802.15.4a

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

ys
GPS Global Positioning
System
HDL Hardware Description
Language
IEEE
Institute
of Electrical and Electronics
Engineers
LPF Low-Pass Filter
PDP
Power Delay Profile
PHR

Ph
ysical-la
y
er
HeadeR
PSDU
PHY
Service Data
Unit
SFD Start of Frame
Delimiter
SHR Synchronization
HeadeR
SYNC
SYN Chronization
pream

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

(wireless personal area networks). Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm
năng lượng, băng thông lớn. Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với
nhau trong phạm vi là 10m.
Khi UWB nhập cuộc, giống như các công nghệ chủ đạo khác. UWB nhắm
mục tiêu vào những người sử dụng gia đình. Nhưng không giống như Bluetooth,
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
5
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.Hiện tại, UWB có thể
truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên
tới 480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin
lớn là hoàn toàn có khả năng.
Tuy nhiên ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kỹ thuật UWB cũng gặp
phải không ít khó khăn về mặt kỹ thuật nếu muốn đưa vào sử dụng rộng rãi trong
thực tế. Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns) để
truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (GHz)
mà còn khiến cho vấn đề đồng bộ tín hiệu trở nên khó khăn, đặc biệt là muốn triển
khai một hệ thống cho đa người dùng.
Trong luận văn, tôi xin được trình bày " Nghiên cứu về bộ xử lý băng gốc
UWB theo chuẩn IEEE802.15.4a" với trọng tâm chính là thuật toán đồng bộ tín
hiệu cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a với mục tiêu xác định chính xác vị trí của
phần dữ liệu trong khung tín hiệu phục vụ cho quá trình giải mã.
Nội dung luận văn chia thành 4 phần:
• Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
• Chương 2: Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.15.4a

• 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

thông ( B
frac
) trên 0.2
hoặc
là độ rộng băng thông
tuy
ệ
t
đối của tín hiệu lớn hơn
500 MHz. Độ rộng băng
thông (B)
là chênh lệch tần

số cao nhất f
H

và tần

số
thấp nhất f
L

tức là
H L
B f f
= −
H L
frac
c
f f

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

7
2.5 GHz thì phải có B
frac

lớn hơn 0.2 mới được gọi
là
tín hiệu
UWB.
Hình 1.:Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB
Do có độ rộng băng tần cực lớn nên tín hiệu UWB là các xung rất hẹp (theo
biến đổi Fourier, tín hiệu càng hẹp trong miền thời gian thì có phổ càng rộng trong
miền tần số). Thông thường phía phát thường phát đi các xung có chu kỳ làm việc
rất ngắn (low duty cycle), nghĩa là độ rộng xung rất nhỏ so với chu kỳ xung, một hệ
thống truyền thông UWB như vậy được gọi là hệ thống truyền xung vô tuyến
(Impulse Radio UWB : IR-UWB). Do có công suất phát nhỏ, độ rộng băng tần lớn
nên tín hiệu UWB được coi gần như nhiễu trắng hơn nữa theo biến đổi Fourier, tín
hiệu càng thoải trong miền thời gian thì phổ càng đứng trong miền tần số. Do vậy
xung Gaussian (hoặc đạo hàm của xung Gaussian) thường được chọn là xung phát
trong các hệ thống UWB. Thực tế, các xung đạo hàm bậc 3 hoặc bậc 5 của xung
Gaussian, độ rộng xung dưới 1ns thường được sử dụng trong các hệ thống UWB .
Một dạng xung UWB và phổ của nó được cho như hình 1.2.
8
Hình 1.:Tín hiệu UWB và dạng phổ của nó
Trong hệ thống IR-UWB một số xung hẹp dùng để truyền tải một symbol
thông tin, thông tin được mã hóa dựa vào vị trí hoặc cực tính của xung . Mỗi xung
chiếm một khoảng thời gian trong một khung (frame) và vị trí của xung dựa vào mã
nhảy thời gian (time-hoping : TH). Hình 1.3 là một ví dụ về truyền thông xung IR-
UWB, 3 symbol thông tin được truyền đi, mỗi symbol được truyền tải bởi 2 xung, vị
trí của xung được xác định bởi TH, TH của symbol đầu tiên là {2,1}, nghĩa là xung
đầu tiên trong khung thứ nhất dịch đi 2 chu kỳ chirp (chirp interval) 2T

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

10m 1-100m 100m
Dữ liệu tối đa 1 Gb/s 3 Mb/s 11 hoặc 54 Mb/s
Bảng 1. Bảng so sánh đặc tính một số công nghệ
Về mặt tiêu thụ năng lượng, Bluetooth là công nghệ được sử cho khoảng
cách ngắn và giới hạn năng lượng pin. Do đó, nó tiêu thụ năng lượng thấp. UWB
được sử dụng cho các ứng dụng khoảng cách ngắn và có tốc độ cao. Mặt khác, Wifi
được thiết kế cho các kết nối xa hơn và hỗ trợ các thiết bị mà có cung cấp năng
lượng lớn.
Error: Reference source not foundchỉ ra so sánh mức độ tiêu thụ năng của 3
công nghệ. Dữ liệu ở đây được so sánh với một sản phẩm chip cụ thể như
BlueCore2, XS110, CX5311. Hình 1.chỉ ra tiêu thụ năng lượng mW cho mỗi
trường hợp công nghệ. Rõ ràng Bluetooth tiêu thụ năng lượng ít hơn so với UWB
10
và Wifi. Dựa trên tốc độ bit, so sánh năng lượng tiêu thụ chuẩn hóa nghĩa là năng
lượng trên một đơn vị dữ liệu được chỉ ra bởi Hình 1 Nhìn vào đó ta thấy UWB và
Wifi có hiệu suất tiêu thụ năng lượng tốt.
Các chuẩn Bluetooth UWB Wifi
Chip Bluecore2 XS110 CX53111
VDD(volt) 1.8 3.3 3.3
TX(mA) 57 ~227.3 219
RX(mA) 47 ~227.3 215
Tốc độ bit (Mb/s) 0.72 114 54
Bảng 1 Bảng so sánh mức tiêu thụ năng lượng của UWB, Wifi, Bluetooth
Tóm lại ta thấy rằng, Bluetooth phù hợp cho các ứng dụng có tốc độ thấp với
năng lượng pin giới hạn ( ví dụ như các thiết bị di động và các mạng cảm biến mà
hoạt động bằng pin). Mặt khác, việc phải thực thi với các ứng dụng tốc độ cao ( như
hệ thống truyền video HD), UWB và Wifi là một giải pháp tốt bởi chúng có mức
tiêu thụ năng lượng chuẩn hóa thấp.
11
Hình 1 So sánh năng lượng tiêu thụ của chuẩn

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

liên quan trực tiếp được nâng lên dần dần theo hướng về phía sau danh sách những
quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì
14
không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ được điều khiển. Nếu không
có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông
qua xử lý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành công. Ultra-wideband đang đối mặt
với thay đổi này, có lẽ từ hai quy luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã
chuyển sang hai quy luật cuối cùng.
Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA
Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280
Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024
Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720
Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520
Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280
Mbps tại chuyển động tối thiểu 30
khung (mầu 16 bít)
147 230 377 629
Mbps tại chuyển động tối thiểu 30
khung (mầu 24 bít)
221 345 566 943
Mbps sau khi nén 6-32 15-50 20-70 30-100
Các ứng dụng MPEG-2
DVD
Máy chiếu Máy chiếu xách
tay
Màn hình
máy tính
Bảng 1.: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video
Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô
tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ. Nền tảng lớp

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

+=
1log
2

(1.3) SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lượng tăng
theo hàm logarit với công suất (tương ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng
băng. Điều đó không có nghĩa là một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát
với dung lượng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử dụng một phần băng tần đó.
Nhưng do tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít công suất hơn
để truyền một tốc độ bit như nhau với một xác suất lỗi không đổi.
1.5.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp
Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc của
tín hiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng như là mã PN
(cung cấp khả năng truy nhập đường truyền). Một quy tắc xác định đơn giản cho
thấy cả độ phức tạp cũng như là thời gian cần thiết để nghe lén một tín hiệu tỉ lệ với
bình phương công suất của cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm cho tín hiệu UWB
trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu như cấu trúc của nó không được biết
16
trước.
1.5.3 Khả năng chống đa đường
Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái niệm
có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường. Đa đường xuất hiện khi một hoặc
nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau.
Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một ký hiệu thì nó chịu
fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành phần này tạo nên tính xây
dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách.
Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có
thể được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng. Nếu như các
xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ
lệch về khoảng cách dưới 30 cm. Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đường

này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường trong nhà
thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp.
1.5.4 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

UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên, so với dạng trải phổ
cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi
trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng. Thay vào đó, hệ thống UWB
sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng.
So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ
giới hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất. Do đó, công
suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới
18
các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt
nguyên lý.
Hình 1.: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà
19
Hình 1.: Đa đường trong tín hiệu UWB
Hình 1.: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ
1.6 Thách thức đối với UWB
Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và
20
hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một
số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở
khắp nơi.
Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển. Truyền thông vô tuyến luôn
luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau trên cùng
một phổ tần. Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tượng sử dụng
mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây
nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại. Trong nhiều trường hợp,
các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được quyền sử dụng riêng phổ tần.
Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa
các thiết bị UWB. Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và khả năng
của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được mong đợi .
Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai. Một số vấn đề về

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

và Hermittian.v.v thường sử dụng dạng xung đạo hàm của xung Gaussian. Đây là
xung mà việc tạo ra tương đối đơn giản, khá phù hợp với mặt nạ phổ. Hơn nữa xung
Gaussian thực hiện trên ăng-ten khá dễ dàng hơn. Dạng monocycle cơ bản của xung
Gaussian được định nghĩa như sau:
23
( )
2
2
p
t
t
o
g t e
π
 
 ÷
 ÷
 
=

(1.4)
Và đạo hàm bậc k của nó là:
( )
2
2 ( )
( )
p
t
k
t

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

truyền thông trong UWB là không sử dụng sóng mang, nghĩa là dữ liệu không được
điều chế vào sóng cao tần mà dữ liệu chỉ xử lý ở băng cơ sở. Việc truyền không cần
sóng mang yêu cầu rất ít thành phần cao tần RF hơn là truyền tín hiệu dựa trên sóng
mang (đây là đặc trưng của các hệ thống thông tin số truyền thống). Hình 1.15 so
sánh kiến trúc của hai hệ thống UWB và hệ thống thông tin số băng hẹp truyền
thống.
Hình 1.: Kiến trúc máy thu phát của hệ thống UWB và thông tin băng hẹp
Theo như 1.20, kiến trúc hệ thống UWB đơn giản hơn nhiều so với hệ thống
25