nghiên cứu tổng quan vềhệthống truyền thông UWB và đánh giá hệthống dưới quan điểm xửlí tín hiệu

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Vũ Thanh Tùng D2001VT
i
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... v

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB .............................................. 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB .............................................................................. 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB ...................................................................... 4

1.1.2 Các ưu điểm của UWB .............................................................................. 5

1.1.3 Những thách thức của UWB ...................................................................... 5

1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu ............................................................................ 6

1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB .................................................... 6

1.2.1 Mặt nạ phổ công suất ................................................................................. 6

1.2.1 Mẫu xung .................................................................................................. 7

1.2.2 Chuỗi xung .............................................................................................. 10

1.2.3 Đa đường ................................................................................................. 11

1.2.4 Các đặc điểm khác ................................................................................... 14

1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB ..................................................................... 16

1.4 Tổng kết .......................................................................................................... 18

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB ............................. 20

2.1 Mở đầu ............................................................................................................ 20

2.2 Mô hình kênh ................................................................................................... 24

2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn ....................................................................... 24

2.2.2 Mô hình kênh phạm vi nhỏ ...................................................................... 26

2.2.3 Sử dụng mô hình ..................................................................................... 26

2.3 Tổng kết .......................................................................................................... 27

CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG UWB ................................................................ 28

3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB ....................................... 28

3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) ...................................................................... 30

3.1.2 Điều chế pha hai trạng thái (BPSK) ......................................................... 32

3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) ...................................................................... 33

3.1.4 Điều chế biên độ xung ............................................................................. 34

3.1.5 Khoá bật- tắt ............................................................................................ 35

3.1.6 Mẫu tín hiệu ............................................................................................ 35

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Vũ Thanh Tùng D2001VT
ii
3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian 36

3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp 38

3.1.7 Tổng kết về các phương pháp điều chế .................................................... 39

3.2 Bộ phát ............................................................................................................ 42

3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB ................................................. 43

3.3.1 Nhảy thời gian (TH) ................................................................................ 44

3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) ............................................................................ 46

3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB ............................................................................. 47

3.4 Bộ thu .............................................................................................................. 49

3.4.1 Khái niệm cơ bản..................................................................................... 49

3.4.2 Các máy thu cải tiến ................................................................................ 51

3.4.2.1 Máy thu Rake 51

3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan 53

3.5 Tổng kết .......................................................................................................... 54

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB ................................................ 55

4.1 Dung lượng của các hệ thống UWB ................................................................. 55

4.2 So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng ............................................ 58

4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống
truyền thông khác .......................................................................................... 62

4.3.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) .................................................... 63

4.3.2 Bluetooth ................................................................................................. 65

4.3.3 GPS ......................................................................................................... 65

4.3.4 Các hệ thống thông tin tế bào .................................................................. 65

4.3.5 Kết luận ................................................................................................... 66

4.4 Các trường hợp ứng dụng UWB ...................................................................... 66

4.4.1 Hoạt động ở khoảng cách r
max
<1m .......................................................... 67

4.4.2 Hoạt động ở khoảng cách r
max
<10 m ....................................................... 69

4.4.3 Hoạt động ở khoảng cách từ trung bình đến lớn với r
max
<10-1000 m ....... 70

4.4.4 Kết luận ................................................................................................... 71

4.5 Tổng kết .......................................................................................................... 72

Kết luận ................................................................................................................. 70

Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 72

Phụ lục .................................................................................................................. 73
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình, bảng

Vũ Thanh Tùng D2001VT
iii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB ............... 7

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ
công suất của chúng ................................................................................................... 9
Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet ......................... 9
Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi
xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung
Gaussian doublet ...................................................................................................... 10
Hình 1.5: Chuỗi xung UWB ..................................................................................... 11
Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm
trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)........................... 12
Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không
chồng lấn và sẽ không gây nhiễu .............................................................................. 14
Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng
lấn ............................................................................................................................ 15
Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB........................................................... 17
Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà ..................... 20
Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu. ....... 21
Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên .. 22
Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB ......................................... 24
Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m ................................. 27
Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB ................. 28
Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB .................................... 29
Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ ................................................ 30
Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một
số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với
n là bậc của xung Gaussian. ...................................................................................... 32
.Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB ........................................ 34
Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian ........................................................... 36
Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp ..................................................... 38
Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN ........... 41
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình, bảng

Vũ Thanh Tùng D2001VT
iv
Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung ............................................................... 42
Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn .......................... 44
Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng ................................................................... 48
Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) ............... 49
Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB ......................................................... 50
Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 52
Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử
dụng Nu với hệ số trải phổ
50
β
=
©IEEE 2002 ........................................................ 57
Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến
khác nhau theo khoảng cách ..................................................................................... 58
Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần .... 59
Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực
tiếp. Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau ................................. 59
Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong
trường hợp một người dùng ...................................................................................... 61
Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn .... 61
Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS .......... 62
Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ
thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại ............................................ 63
Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB
công suất cao tới card WLAN .................................................................................. 64
Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN .......... 69

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây ........ 15

Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác ........ 16

Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau .................. 19

Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu
τ
với BPPM trong kênh AWGN........ 31

Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau ........... 42

Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn ...................... 68

Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn ........................... 70

Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn .. 71
Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

Vũ Thanh Tùng D2001VT
v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Tên tiếng Anh Tiếng Việt

ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

BER Bit Rrror Rate Tỉ lệ lỗi bit
BPSK Bi-phase Shift Keying Khóa chuyển pha
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
DSSS Direct Sequent Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
EIRP Equivalent Isotropically Radiated
Power
Công suất phát xạ đẳng hướng
tương đương
FCC Federal Communications
Commission

Ủy ban truyền thông liên bang Mi
FDM Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
FHSS Frequency Hopping Spread
Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FSP Free Space Propagation Truyền sóng trong không gian tự
do
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
IC Integrated Circuit Mạch tích hợp
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineering
Viện công nghệ điện và điện tử
Mĩ
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh
LMMSE Linner Minimum Square Error Lỗi trung bình bình phương tuyến
tính cực tiểu

LOS Light of Sight Nhìn thẳng
LSI Large Scale Integration Mạch tích hợp cỡ lớn
MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
MF Matched Filter Bộ lọc thích ứng
MPU Multi Processor Unit Thành phần đa xử lí
MUI Multiuser Interference Nhiễu đa người dùng
NLOS Non Light of Sight Khuất
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh theo tần số trực giao
OOK On-off Keying Khoá bật tắt
PCS Personal Communication Service Các dịch vụ thông tin cá nhân
PDA Personal digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân số
PN Pseudo Noise Giả tạp âm
PR Pseudo Random Giả ngẫu nhiên
PRF Pulse Repetiton Frequency Tần số lặp xung
Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

Vũ Thanh Tùng D2001VT
vi
PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
QPPAM Quadrature Position and Amplitude
Modulation
Điều chế vị trí và biên độ cầu
phương
SF Spread Factor Hệ số trải phổ
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
THSS Time hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy thời gian

USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp vạn năng
UWB Ultra Wideband Siêu băng rộng
WLAN Wireless Location Area Network Mạng nội hạt không dây
WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây
ISM Industry Scientific Medicine

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu

Vũ Thanh Tùng D2001VT
1
LỜI NÓI ĐẦU

So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởng
nhanh chóng. Xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị di động để truy cập các
dịch vụ Internet tốc độ cao. Một trong những hướng đi của vấn đề này là sử dụng
công nghệ UWB. Công nghệ này cho phép các kết nối vô tuyến có tốc độ cao hơn
hẳn so với các kết nối vô tuyến khác. Đây là một công nghệ mới không chỉ mới ở
Việt Nam mà còn là một công nghệ mới mẻ trên thế giới và là một công nghệ có
nhiều tiềm năng ứng dụng cao.
Vấn đề xử lí tín hiệu có một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống vô
tuyến nào. Cũng như bất kì một hệ thống truyền thông nào khác, vấn đề xử lí tín
hiệu trong truyền thông UWB là một trong những vấn đề quyết định đến sự thành
công của hệ thống, qua đó có thể xem xét đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới
hạn có thể. Được sử hướng dẫn của ThS.Nguyễn Phi Hùng và Ks.Bùi Văn Phú em
mạnh dạn đi vào tìm hiểu công nghệ này. Trong nội dung đồ án này em sẽ nghiên
cứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB và đánh giá hệ thống dưới quan
điểm xử lí tín hiệu.
Về nội dung đồ án được chia thành 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về hệ truyền thông UWB: giới thiệu tổng quan về hệ
thống UWB, các đặc tính cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB từ đó cho thấy tiềm

năng ứng dụng của UWB là rất lớn. Các đặc điểm đặc biệt quan tâm của hệ thống
UWB là các quy định về phổ tần của FCC đưa ra. Lợi thế về băng thông, khả năng
chống đa đường của tín hiệu UWB làm tín hiệu UWB trở lên rất hấp dẫn đối với lĩnh
vực viễn thông. Ngoài ra các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm
xuyên, định vị làm lĩnh vực ứng dụng của nó trở nên rất rộng và linh hoạt.
Chương 2 Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến
trong nhà áp dụng cho truyền thông UWB.
Chương 3 Truyền thông UWB: trình bày các thành phần quan trọng hệ thống
truyền thông, nhấn mạnh vào cách khía cạnh quan trọng của hệ thống như điều chế,
đa truy nhập và sử dụng máy thu Rake để thu tín hiệu.
Chương 4 Đánh giá một số khía cạnh của hệ thống truyền thông UWB: xem
xét các vấn đề quan trọng có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của hệ thống
truyền thông UWB như dung lượng; ảnh hưởng nhiễu qua lại với các hệ thống
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu

Vũ Thanh Tùng D2001VT
2
truyền thông vô tuyến khác; so sánh hiệu năng với một số hệ thống truyền thông
băng rộng hiện tại; và các trường hợp ứng dụng cụ thể của nó.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Phi Hùng
và Ks. Bùi Văn Phú và các thầy cô trong bộ môn Vô tuyến-Học viện công nghệ
Bưư chính viễn thông và phòng Nghiên cứu Kĩ thuật Thông tin Vô tuyến-Viện
Khoa học Kĩ thuật Bưu điện đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.

Hà Nội 10/2005
Sinh viên Vũ Thanh Tùng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB
1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB
Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không
sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và có
tính đột phá. Trước hết tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng
UWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ
thuật xử lí tín hiệu được sử dụng. Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ
thấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong
tương lai với các ứng dụng không dây. Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB
trước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB.
Định nghĩa:
UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần
lớn hơn 20%.

0.2
H L
c
f f
f
η
−
= ≥
(1.1)
Trong đó B:=f
H
-f
L
chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ
thống UWB với f
c

=(f
H
+f
L
)/2 với f
H
là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so
với tần số có công suất cực đại, và f
L
là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB
so với tần số có công suất cực đại.
Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ
mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất. Tuy
nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng
dụng điện tử viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công
suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây
nhiễu cực nhỏ.
Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới
thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kĩ thuật UWB có khác biệt
so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằng truyền
dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số.
Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các
chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng tần rộng và công
suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
4
1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB
Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công

nghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao, kích
cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới. Tuy
nhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của
nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng.
Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay
dựa vào các sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên
phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống
truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung. Năm 1893 Heirich Hertz
sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông. Các sóng đó
hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu. Trong khoảng 20 năm sau những thí
nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữa các
điện cực cacbon.
Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông
chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại
một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền
thông. Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết
quả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn. Các thành
phần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát
triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như rada lòng đất. Năm 1973 có
bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB. Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển
theo hướng mới. Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định
vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển. Phần lớn các ứng dụng và phát
triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩ
dưới các chương trình bí mật. Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứng
dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương
trình nghiên cứu và phát triển. Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB được gọi
là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung. Bộ Quốc phòng Mĩ
được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband.
Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bị
truyền thông UWB. Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrum

được thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
5
1.1.2 Các ưu điểm của UWB
Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:
1. Tốc độ cao
2. Giá thành thiết bị thấp
3. Chống đa đường
4. Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm
Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo,
nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB
đó là tốc độ cao. Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà
hiện tại chưa có. Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua
tốc độ trên ở khoảng cách ngắn.
Biểu thức Shannon được biểu diễn:

log 1
S
C B
N
 
= +
 
 
(1.2)
Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/s]; B là băng tần
kênh [Hz]; S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W].
Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh.

Có thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm. Có thể thấy rằng
dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công
suất tín hiệu S. Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể hy sinh (tăng) độ
rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác. Qua
biểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rất
cao cho các hệ thống truyền thông không dây. Vấn đề này sẽ được xem xét tỉ mỉ
hơn ở chương 4.
1.1.3 Những thách thức của UWB
UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng như
nhiều ứng dụng khác trong tương tai, nó cũng có một số thách thức phải vượt qua
để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến.
Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các
người dùng khác nhau. Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sử
dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắn
rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ. Đặc biệt là trong
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
6
trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ. Do đó
giải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.
Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu
chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB. Hiện nay chưa có sự nhất
trí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng
như các thiết bị là rất rõ ràng.
Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ
nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương
đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại.
1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu
Sử dụng các kĩ thuật xử lí tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong tất cả

các hệ thống truyền thông hiện nay. Tương lai của các hệ thống truyền thông phát
triển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới
hạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lượng kênh. Tăng hiệu năng hệ
thống là cần thiết để thoả mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự cạnh tranh
về công nghệ cũng như trên thị trường. Do đó, xử lí tín hiệu tốt là một trong những
yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông.
Trong trường hợp các hệ thống UWB điều này vẫn đúng. Xử lí tín hiệu cho
hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp dẫn.
Một trong những yếu tố thú vị của hệ thống UWB là không sử dụng sóng mang, và
tín hiệu hoàn toàn là băng gốc. Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộ trộn
sử dụng để hạ tần tín hiệu trước khi lấy mẫu.
Nội dung của đồ án này là nghiên cứu về công nghệ truyền thông UWB qua
đó phân tích hệ thống truyền thông UWB dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với mục
đích sử dụng công nghệ này cho truyền thông cự li ngắn tốc độ cao.
1.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB
Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống và tín hiệu UWB. Chi
tiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo. Trước hết ta
nghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB.
1.2.1 Mặt nạ phổ công suất
Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa
ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB. Thực tế, tên
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
7
của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công
nghệ UWB. Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và
quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu
tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số.

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB
Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng
hiện tại. Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định
nghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở
mỗi dải tần số khác nhau. Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ
thống UWB trong nhà. Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và
10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz.
Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96
GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như
thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc
phòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó. Công suất cho phép -41.3
dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra
và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn.
1.2.1 Mẫu xung
Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle
(đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu
cầu về mặt nạ phổ. Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian,
Rayleigh và Hermittian ,v,v thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian.
Lí do để sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
8
là tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ. Trong nội
dung đồ án này tôi chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xung
Gaussian (bao gồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó).
Monocycle p
x
(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):

2
2
1
( ) exp
2
2
t
p t
σ
πσ
 
−
=
 
 
(1.3)

( )
( )
x
x
x
d p t
p t
dt
=
(1.4)
Trong đó
2
σ

là phương sai của xung Gaussian. Mật độ phổ công suất (PSD)
của xung Gaussian là:

2
2
2
( ) ( ) ( )exp( 2 ) exp( (2 ) )
P
f P f p t j ft f
π πσ
∞
−∞
= = − = −
∑
∫
(1.5)
Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle p
x
(t) nhận được là :

2
( ) (2 ) ( )
x
x
p p
f f f
π
=
∑ ∑
(1.6)

Kết quả đưa ra trong công thức (1.6) chỉ ra đạo hàm xung cơ bản có thể là
một cách điều chỉnh PSD của monocycle trong trường hợp này được giả thiết là
xung Gaussian. Một vấn đề khác là phải xác định độ rộng xung, bởi vì xung
Gaussian lí tưởng có độ dài không xác định. Rõ ràng đây là một điều không thực tế
và cần phải giới hạn độ rộng xung thực tế. Một phương pháp hợp lí để xác định độ
rộng xung là chọn độ rộng xung phù hợp với phần trăm năng lượng trong khoảng
thời gian độ rộng xung chiếm. Trong nội dung đồ án này độ rộng xung
w
p
được
định nghĩa là:


w
w
2
2
2
2
( )
99.9%
( )
p
p
x
x
p t dt
p t dt
−
∞

−∞
≥
∫
∫
(1.7)
Trong hình 1.2 các monocycle p
x
(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung p
w
=0.9 ns
được chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay
đổi phổ của monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm. Nếu ứng dụng khác với
một tiêu chuẩn khác thì giới hạn chiếm 99.9% công suất trong đồ án có thể phải
thay đổi cho phù hợp với những tiêu chuẩn này.
Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể
được xác định. Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong sử
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
9
lí tín hiệu số và mô phỏng. Đối với p
2
(t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng,
có thể biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữa
cực đại PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả.

Hình 1.2: Các monoycle p
x
(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công
suất của chúng

Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu.
Lí do là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp. Có thể
thấy từ các phương trình Maxwell các anten tương tác với tín hiệu UWB sẽ có
khác biệt [7p.33-34]. Thành phần điện bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát và
xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai của xung được đưa đến anten. Những
ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện giải điều chế hiệu quả.
Tạo xung Gaussian
.
du
dt
du
dt

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
10
Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2). Kiểu xung này
thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễ
dàng. Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung
chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung
Gaussian doublet
Hình 1.3 và 1.4 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trình tạo
xung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu. Chúng ta bắt
đầu với xung chữ nhật ở hình 1.4(a). Các xung UWB có độ rộng cỡ ns hay ps.
Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo các xung không có dạng chữ nhật mà có dạng xấp
xỉ dạng xung Gaussian. Đó là lí do của tên xung Gaussian, monocycle hay doublet.

Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.3. Phát xung
trực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặc tính của anten.
Quá trình lọc này có thể mô hình như là quá trình đạo hàm [8]. Ảnh hưởng tương
tự cũng xảy ra ở anten thu. Ở đây tôi chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiết xung được
khuyếch đại ở phía thu.
1.2.2 Chuỗi xung
Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin. Thông tin hay dữ
liệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như
hình 1.5 minh hoạ. Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thường
được gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các
đỉnh phổ ở các tần số ứng với độ lặp đó. Những tần số này là bội số của nghịch đảo
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
11
của tốc độ lặp xung. Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi
vì nó trông giống một chiếc lược. Xem hình 1.6 (a).

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB
Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể. Một phương pháp tạo dạng
phổ giống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu
nhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so
với thời điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định). Dạng phổ thu được
từ sử dụng dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình
1.6 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt. Chúng ta sẽ
thấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã
giả ngẫu nhiên đã biết (PN)
1.2.3 Đa đường
Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh
vô tuyến trong nhà. Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miền

thời gian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, như giao thoa kí hiệu (ISI),
có thể giảm nhẹ. Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khác
nhau của một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầu
thu. Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng. Nguyên
nhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện
từ bởi các vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
12

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn
bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)
Nếu không có vật thể nào hấp thụ hay phản xạ năng lượng thì hiện tượng này
có thể không xảy ra và năng lượng bức xạ bức xạ từ bộ phát chỉ phụ thuộc vào đặc
điểm của anten phát. Tuy nhiên, trong thực tế các vật nằm giữa bộ phát và thu tạo
ra các hiệu ứng vật lí như phản xạ, hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ và chúng gây nên hiện
tượng đa đường. Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ở
các khoảng thời gian trễ khác nhau với tỉ lệ với độ dài đường đi.
Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường. Kiểm tra các xung
đã mô tả ở phần trước, chúng ta có thể thấy rằng nếu các xung đến trong khoảng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
13
một độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng một
xung chúng sẽ không gây nhiễu. Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thể
được lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua. Giả thiết rằng
một kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùng

một kí hiệu. Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lại
trong một bộ thu Rake. Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồng
lấn tương ứng.

Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật
thể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau

Từ biểu thức:
.d c t∆ = ∆
. Trong đó
d∆
,
t∆
là chênh lệch quãng đường, thời
gian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng. Để hai thành phần đa
đường không chồng lấn nhau thì
w
t p∆ ≥
. Do đó khoảng thời gian tách biệt cần
thiết giữa các đường để tránh hiện tượng chồng lấn giảm khi độ rộng xung giảm đi.
Đây là lí do độ rộng xung càng nhỏ càng tốt đặc biệt trong môi trường trong nhà.
Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng
(duty cycle) của xung. Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớn hơn
độ trễ đa đường lớn nhất, những phản xạ không mong muốn có thể bị loại bỏ dễ
dàng ở đầu thu. Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độ
truyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
14

Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương
tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin.


Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng
lấn và sẽ không gây nhiễu
1.2.4 Các đặc điểm khác
Tốc độ phát dữ liệu
Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ cao
của nó. Hiện này tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằm
đạt tốc độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s [9], tương đương Ethernet có dây
tới USB 2.0. Tốc độ đó tương đương với 100 đến 500 lần tốc độ của Bluetooth,
khoảng 50 lần tốc độ của 802.11b hay 10 lần tốc độ của WLAN.
Như thấy ở bảng 1.1 tốc độ dữ liệu hướng tới cho truyền dẫn UWB trong nhà
là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dây hiện
nay. Thực tế tốc độ truyền dẫn hiện tại được chuẩn hoá vào ba tốc độ: 110 Mb/s
với khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/s với
khoảng cách nhỏ hơn 4m.
Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khác nhau.
Ví dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng. Khoảng cách nhỏ hơn 4m phù
hợp với các thiết bị như home server và ti vi. Khoảng cách nhỏ hơn 1m phụ vụ cho
các thiết bị trong máy tính cá nhân.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
15

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn
Một trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít và giá
thành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF. Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thành thấp.

Bộ phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời, và
một anten.
Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây

Chuẩn Tốc độ (Mb/s)
UWB, USB 2.0 480
UWB (khoảng cách cỡ 4 m), 1394a (4.5 m) 200
UWB (khoảng cách cỡ 10 m) 110
Fast Ethernet 90
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
16
802.11a 54
802.11b 11
Ethernet 10
Bluetooth 1

Công suất tiêu thụ thấp
Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp. Công
suất tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW. Bảng 1.2 đưa ra số
liệu của về công suất tiêu thụ của các chip truyền thông di động khác
Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác
Chip ứng dụng Công suất tiêu thụ (mW)
802.11a 1500-2000
LSI 1394 tốc độ 400 Mb/s 700
MPU 32 bit RISC di động 200
Bộ ADC camera số 150
UWB (mục tiêu) 100
Bảng hiển thị màu TFT trong thiết bị di động 75

LSI giải mã MPEG-4 50
LSI mã hoá trong thiết bị di động 19
1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB
R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thống
chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông.
Phổ tần áp dụng cho các ứng dụng trên được liệt kê ra ở bảng 1.3.
♦ Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Đây là lĩnh vực ứng
dụng chủ yếu của UWB. Được hiểu là các mạng vô tuyến trong nhà. WPAN kết
nối trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động,
các thiết bị truyền thông. Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gian
thực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các
hệ thống giải trí tại nhà. Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng
hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần. Một điểm khác nữa là tất cả
các thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến. Nó kết
nối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máy
tính và tất cả các bộ cảm biến đồng thời các thiết bị này có thể biết được vị trí của
các thiết bị khác do khả năng định vị của tín hiệu UWB. Điều này mở ra một loạt
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
17
các khả năng áp dụng các dịch vụ mới. Chẳng hạn như điều khiển từ xa từ thiết bị
di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mở
cửa cho bạn v.v. Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa
hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn, với giá
thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp.

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB
♦ Mạng cảm biến (sensor network): Mạng cảm biến bao gồm một số lượng
lớn các trạm trải trên một vùng nào đó. Các trạm có thể cố định, ví dụ triển khai để

theo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, lính cứu
hoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩn cấp.Yêu cầu
quan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khó khăn trên là giá
thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng, và đa chức năng. Các hệ thống truyền thông UWB
tốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượng lớn thông tin cảm
biến trong thời gian ngắn. Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chế trong mạng cảm biến
so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lại acqui cho các thiết bị cảm
biến. Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWB cho mạng cảm biến đáp ứng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
18
những yêu cầu về năng lượng và giá thành. Hơn nữa, có thể khai thác khả năng
định vị chính xác của UWB đặc biệt tại những nơi GPS chưa được sử dụng.
♦ Các hệ thống chụp ảnh: Khác với các hệ thống rada thông thường nhiệm
vụ chủ yếu là xác định các nguồn phát xạ, các xung rada UWB định vị ở khoảng
cách nhỏ hơn. Tín hiệu phản xạ từ vật thể cần định vị không chỉ thay đổi về biên
độ, thời gian mà còn thay đổi cả về dạng xung. Kết quả là tín hiệu UWB có độ
nhạy cao hơn nhiều so với các tín hiệu rada thông thường. Đặc tính này đã được áp
dụng cho các hệ thống rada. Mặt khác do các thành phần tần số thấp của tín hiệu
UWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng với các ứng dụng khác như chụp
ảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương; hay các thiết bị chẩn đoán y tế, giám sát
đường biên giới.
♦ Các hệ thống rada giao thông: Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải
thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn. Dựa vào khả năng
định vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiển
giao thông và tránh tai nạn thông minh. Các hệ thống này có thể cải thiện hoạt
động của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiển
giao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông.
Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trong

phương tiện giao thông bằng cách download dữ liệu từ các bộ phát UWB hướng
dẫn dọc theo hai bên đường.
1.4 Tổng kết
Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, và
phân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xung
UWB. Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật
độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCC
đưa ra. Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/ MHz,
trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệ thống
truyền thông vô tuyến khác. Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thể phân biệt
với các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khả năng phân
giải thời gian cao. Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tín hiệu UWB.
Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tính khác của tín
hiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị cao làm cho công
nghệ UWB có phạm vi ứng dụng rất rộng như truyền thông, rada, chụp ảnh v.v
cũng như tích hợp hiệu quả đồng thời nhiều ứng dụng trên nền tảng công nghệ này.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Vũ Thanh Tùng D2001VT
19
Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong phòng có thể thực hiện truyền thông vô tuyến
tốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau.
Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt
đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thể
giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệ
thống UWB so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác.
Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau
Truyền
thông
trong nhà

[GHz]
Truyền
thông
cầm tay
[GHz]
Chụp ảnh
tần thấp
[GHz]
Chụp ảnh
tần cao
[GHz]
Chụp ảnh
tần trung
bình
[GHz]
Rada
giao
thông
[GHz]
[3.1,10.6] [3.1,10.6] <0.960 [3.1,10.6] [1.99,10.6] [22,29]