Thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu IRUWB tốc độ thấp

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

Trần Mạnh Hoàng

THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU
TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2016


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

Trần Mạnh Hoàng

THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU
TRONG MÁY THU IR-UWB TỐC ĐỘ THẤP
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số:
62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH
2. PGS.VŨ QUÝ ĐIỀM

Hà Nội – 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Phạm Văn Bình và PGS.
Vũ Quý Điềm.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung
thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Thay mặt tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Phạm Văn Bình

Trần Mạnh Hoàng


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai người
hướng dẫn của tôi: PGS. TS. Phạm Văn Bình và PGS. Vũ Quý Điềm, những người đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án với
sự tận tụy, sáng suốt và khoa học cao.

Tôi rất biết ơn và trân trọng sự giúp đỡ quý báu của TS. Đặng Quang Hiếu, TS.
Nguyễn Đức Minh, TS. Hoàng Phương Chi và các thành viên trong nhóm nghiên cứu
Thiết kế vi mạch (BKIC), Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới cơ quan tôi đang công tác: Bộ môn Mạch và
Xử lý tín hiệu, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội vì sự ủng hộ,
giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh.
Xin được gửi lời cảm ơn tới những nhà khoa học, bạn đồng nghiệp vì những
góp ý thiết thực cho luận án này.
Và xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới vợ, con trai và gia đình tôi,
những người đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực giúp tôi hoàn
thành luận án.

Hà Nội, ngày

tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Trần Mạnh Hoàng


Mục lục
Danh mục từ viết tắt

4

Danh sách kí hiệu toán học

6

Danh sách hình vẽ

8

Danh sách bảng

11

Phần mở đầu

12

Chương 1 Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng
1.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng
1.1.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB . . . .
1.1.2 Chuẩn hóa và ứng dụng . . . . . . . . . . . . .
1.2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Máy thu RAKE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Máy thu truyền tham chiếu . . . . . . . . . . .
1.2.3 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB
1.3.1 Thách thức khi triển khai trên phần cứng . . .
1.3.2 Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu . . .
1.4 Thuật toán SVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Mô hình kênh vô tuyến UWB . . . . . . . . . . . . . .
1.5.1 Mô hình kênh đa đường tổng quát . . . . . . . .
1.5.2 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela . . . . . . . . .
1.5.3 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . . . .
1.6 Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21
21
22
24
27
29
31
33
34
35
35
36
38
38
40
42
44

1

siêu rộng
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .

. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.


Chương 2
2.1
2.2

2.3

2.4

Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên
FPGA
Thuật toán đồng bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Triển khai trên Simulink và HDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng . . . . . . . . . .
Tổng hợp và mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Tổng hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chương 3 Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB
3.1 Máy thu TR-UWB sử dụng SVD . . . . . . . . . .
3.1.1 Thuật toán máy thu cải tiến . . . . . . . . .
3.2 Thuật toán tính SVD . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Bidiagonalization . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Diagonalization . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 SVD sử dụng phép quay Givens Rotation . .
3.3 Thuật toán CORDIC . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Chế độ Rotation . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Chế độ Vectoring . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Thuật toán CORDIC cải tiến . . . . . . . . . . . .
3.5 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

Chương 4 Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE
4.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . .
4.1.1 Tiêu đề đồng bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Khối giới hạn khung . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu . . . . . . .
4.2 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu . . . . . . . . . .
4.3 Thuật toán đồng bộ tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4.1 Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

46
46
49
50
53
55
55
56
57

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

58
58
58
63

66
68
70
70
73
74
74
78

802.15.4a
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .

80
81
81
83
83
84
85
86
88

97
99

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.


4.5

4.6

4.4.2 Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên
4.5.1 Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA . . . . .
Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 101
FPGA104
. . . 104
. . . 107

. . . 110

Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

112

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

114

Tài liệu tham khảo

115

Phụ lục

123

3


Danh mục từ viết tắt
ADC
Analog to Digital Converter
BER
Bit Error Ratio
BPF
Band Pass Filter
BPM
Burst Position Modulation

BPSK
Binary Phase-Shift Keying
CDMA
Code Division Multiple Access
CM
Channel Model
CORDIC COordinate Rotation DIgital
Computer
DSP
Digital Signal Processor

Bộ chuyển đổi tương tự - số
Tỉ lệ lỗi bit
Bộ lọc thông dải
Điều chế vị trí cụm xung
Khóa dịch pha nhị phân
Đa truy nhập phân chia theo mã
Mô hình kênh
Xoay tọa độ dùng máy tính số

ECC

Ủy ban truyền thông điện tử châu Âu

ED
FCC
FPGA
FSM
GPS
GSM

HDL
IEEE
IFI
IPI
IR
LPF
LOS
MBD
MIMO
NLOS
OFDM
PAM

Electronics Communications
Committee
Energy Detection

Bộ xử lý số

Tách sóng năng lượng

Federal Communications Commission
Field Programmable Gate Arrays
Finite State Machine
Global Positioning System
Global System for Mobile
Communications
Hardware Description Language
Institute of Electrical and
Electronics Engineers

InterFrame Interference
InterPulse Interference
Impulse-Radio
Low Pass Filter
Light-of-Sight
Model-Based Design
Multi-Input Multi-Output
Non Light-of-Sight
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Pulse-Amplitude Modulation
4

Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ
Mảng phần tử logic khả trình
Máy trạng thái hữu hạn
Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Ngôn ngữ mô tả phần cứng
Viện Kĩ thuật Điện - Điện tử
Giao thoa liên khung
Giao thoa liên xung
Xung vô tuyến
Bộ lọc thông thấp
Đường truyền thẳng
Thiết kế dựa trên mô hình
Đa đầu vào - đa đầu ra
Không có đường truyền thẳng
Ghép kênh đa sóng mang trực giao
Điều chế biên độ xung

PAN
PDP
PPM
PHR
PSDU
SFD
SHR
SNR
SVD
SYNC
TR
VLSI
WPAN
UWB

Personal Area Network
Power Delay Profile
Pulse-Position Modulation
Physical-layer HeadeR
PHY Service Data Unit
Start of Frame Delimiter
Synchronization HeadeR
Signal-to-Noise Ratio
Singular Value Decomposition
SYNChronization preamble
Transmit-Reference
Very-Large-Scale Integration
Wireless Personal Area Network

Ultra-WideBand

5

Mạng cá nhân
Hàm trễ công suất
Điều chế vị trí xung
Tiêu đề lớp vật lí
Đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY
Khối giới hạn khung
Tiêu đề đồng bộ
Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm
Phép phân tích trị riêng
Mào đầu đồng bộ
Truyền tham chiếu
Mạch tích hợp tỉ lệ rất lớn
Mạng vô tuyến cá nhân
Băng siêu rộng


Danh sách kí hiệu toán học
fc
fH
fL
B
g0 (t)
gk (t)
g(t)
Tp
b

Tf
D
Ts
Nf
hi
τi
r(t)
h(t)
s
x(t)
δ(·)
βk
θk
Th
τrms
ω
λ
τk,l
Λ
Tl
X
U
V
G

Tần số trung tâm của băng
Tần số cận trên (-10 dB)
Tần số cận dưới (-10 dB)
Băng thông của băng
Xung Gaussian đơn chu trình

Vi phân cấp k của xung Gaussian đơn chu trình
Xung UWB
Độ rộng xung UWB
Số bit được truyền đi bởi một khung
Độ rộng của một khung
Độ trễ giữa xung mang tin với xung tham chiếu trong khung TR-UWB
Tần số lấy mẫu
Số mẫu trong một khung
Tuyến trễ thứ i qua kênh đa đường
Độ trễ của tuyến thứ i qua kênh đa đường
Tín hiệu đến máy thu
Xung UWB nhận được tại máy thu
Kí tự dữ liệu phát đi
Tín hiệu nhận được tại máy thu TR-UWB sau bộ tương quan
Hàm delta Dirac
Hệ số khuếch đại của tia thứ k
Độ dịch pha của tia thứ k
Chiều dài kênh truyền
Trải trễ hiệu dụng của kênh truyền
Tần số điều chế cao tần
Tốc độ đến của các tia trong cụm
Thời gian đến của tia thứ k trong cụm tia thứ l
Tốc độ đến của các cụm tia
Thời gian đến của cụm tia thứ l
Ma trận kích thước m × n
Ma trận trực giao kích thước m × m
Ma trận trực giao kích thước n × n
Ma trận trực giao trong phép quay CORDIC
6

θ
Ki
ck
Si
⊗

Tpsym
Tdsym
TBP M
Tburst
Nshr
Nsync
Nsf d
Kpbs
q(t)
y(t)
sc
Ls
λ
λ

Góc quay CORDIC
Hằng số tại mỗi phép quay CORDIC
Chuỗi cân bằng hoàn hảo
Kí tự mào đầu
Toán tử Kronecker
Chiều dài của kí tự mào đầu IEEE 802.15.4a
Chiều dài của kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a
Chiều dài của một nửa kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a

Chiều dài của một cụm xung trong kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a
Số kí tự trong phần SHR
Số kí tự trong phần SYNC
Số kí tự trong phần SFD
Số kí tự của chuỗi cân bằng hoàn hảo
Dạng xung UWB nhận được tại máy thu UWB IEEE 802.15.4a
Tín hiệu nhận được sau bộ LPF của máy thu UWB IEEE 802.15.4a
Mẫu tương quan
Số phần tử trong mẫu tương quan
Ngưỡng được sử dụng trong [14]
Ngưỡng do luận án đề xuất

7


Danh sách hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11

Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 . . . . . . . . .

Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất . . . . . . .
Điều chế PAM hai mức (M = 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Điều chế PPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Xung UWB khi truyền qua kênh đa đường . . . . . . . . . . . . . . .
Kiến trúc một máy thu RAKE đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . .
Khung tín hiệu TR-UWB nhận được tại máy thu . . . . . . . . . . .
Kiến trúc một máy thu TR-UWB đơn giản . . . . . . . . . . . . . . .
Hiệu quả hoạt động của máy thu TR-UWB và RAKE . . . . . . . . .
Mô hình kênh Saleh-Valenzuela. a) Sự suy giảm công suất theo hàm
mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng xung của kênh truyền

2.1
2.2

Minh họa cho quá trình đồng bộ . . . . . . . . . . . .
Lưu đồ triển khai thuật toán máy thu TR-UWB đơn
cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Quy trình thiết kế MBD . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Hệ thống thu phát TR-UWB trên Simulink . . . . . .
2.5 Kiến trúc của bộ xử lý băng gốc . . . . . . . . . . . .
2.6 Lưu đồ FSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Mô hình khối sliding_window . . . . . . . . . . . . .
2.8 Mô hình khối accumulator . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Mô hình khối detect_max_model . . . . . . . . . . .
2.10 Thiết kế HDL trong mô hình Simulink . . . . . . . .
2.11 BER vs. SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1

41

. . . . . .
trên phần
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .

48
50
51
51
52
53
53
54
54
56

Máy thu TR-UWB đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

8

. . .
giản
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .

23
24
25
28
29
29
30
32
32
34

47


Một khung tín hiệu x(t) tại phía thu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khung dữ liệu sau bộ tương quan được cắt nhỏ . . . . . . . . . . . .
Khung tín hiệu thu được bị dịch đi một khoảng thời gian τ . . . . . .

Đồ thị BER vs SNR cho các thuật toán máy thu khác nhau . . . . .
Khả năng chống sai lỗi thời gian của thuật toán máy thu đã hiệu chỉnh
Các bước tính toán SVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán quay vector cột . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán quay vector hàng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán Bidiagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation .
Ma trận thu được sau bước Bidiagonalization . . . . . . . . . . . .
Thuật toán Diagonalization sử dụng phép quay Givens Rotation . .
Ma trận thu được sau bước Diagonalization . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán SVD hoàn chỉnh sử dụng phép quay Givens Rotation . .
Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC . . . . . . . . . . . . .
Sai số của phép quay CORDIC phụ thuộc vào định dạng dữ liệu và số
vòng lặp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.17 Phép quay Givens sử dụng các khối CORDIC cải tiến . . . . . . . . .

59
61
62
63
64
65
66
67
68
68
69
70
71
75

4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7

82
83
84
85
86
87

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16

4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15

Cấu trúc phần SHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cấu trúc của một kí tự dữ liệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ khối của máy thu UWB tách sóng năng lượng không đồng bộ .
Dạng xung q(t) tại đầu ra của bộ lọc LPF . . . . . . . . . . . . . . .
Các bước thực hiện đồng bộ tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mảng gi được tính toán với từng nhóm mẫu yi . . . . . . . . . . . .
Với chuỗi {ck } được sử dụng trong luận án, lựa chọn Q = 3 luôn cho
một giá trị cực đại duy nhất của mảng gi . Hai phần tử 0 được thêm
vào cuối chuỗi để mỗi nhóm có đủ 3 phần tử. . . . . . . . . . . . . .
Quá trình thực hiện đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cách thức ước lượng τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . . . .
Giá trị của S[m,
˜ n
˜ ε ] đạt cực đại khi m
˜ = m và n
˜ ε = nε . . . . . . . .
Dạng sóng của S [m, n
˜ ε ] (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . . . . . .
Dạng của S [m, n

˜ ε ] với Ts = 2ns và Ts = 16ns . . . . . . . . . . . . . .
So sánh giữa λ với λ khi Ts = 16ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
So sánh giữa λ với λ khi Ts = 2ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

76
78

88
89
90
91
92
93
94
96
97


4.16 Chênh lệch công suất giữa các phần của khung tín hiệu UWB IEEE
802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi K thay đổi . . . . . . .
4.18 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô khi Ts thay đổi . . . . . . .
4.19 Xác suất lỗi của thuật toán đồng bộ thô với số bit lượng tử hóa khác
nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.20 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2} ns . . .
4.21 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8} ns . .
4.22 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau
của f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.23 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác nhau
của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.24 Mô hình FSM cho bộ điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.25 Kiến trúc triển khai HDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.26 Quá trình đồng mô phỏng kết hợp Simulink/HDL . . . . . . . . . . .
4.27 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es /N0 = 20 dB . . . . . . . . . . . . .
4.28 Kết quả hiển thị dạng sóng tại Es /N0 = 0 dB . . . . . . . . . . . . .
4.29 Kết quả thử nghiệm thiết kế trên FPGA tại Es /N0 = 20 dB . . . . .

10

98
99
100
101
102
102
103
104
106
107
108
108
109
110


Danh sách bảng
1.1

Các tham số của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a trong các môi
trường khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

2.1
2.2

Các đầu vào/ra của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Báo cáo tổng hợp trên dòng Spartan 6 XC6SLX45 package CSG324 .

55
55

3.1
3.2

Hằng số arctan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Số phép toán SVD/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73
77

4.1

Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

11

Phần mở đầu
Phần này sẽ trình bày những vấn đề chung và giới thiệu về mục đích, kết quả
cũng như cấu trúc luận án, bao gồm:

1. Giới thiệu chung về UWB
1.1 Khái niệm UWB
Truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand) là một kĩ thuật truyền tín
hiệu vô tuyến trên dải băng tần siêu rộng mà không cần sự cấp phép của các tổ chức
quy hoạch tần số với mức công suất rất thấp trong sơ đồ thu/phát gần như hoàn
toàn số. Vì vậy, máy thu/phát UWB thường có độ phức tạp thấp, công suất tiêu thụ
nhỏ, tín hiệu có khả năng đâm xuyên tốt và có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao (ví
dụ như trong USB không dây) hay truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với độ chính xác cao
(thích hợp cho các ứng dụng định vị, định danh và các mạng cảm biến không dây).
Dù không phải là một kĩ thuật hoàn toàn mới (những thí nghiệm đầu tiên sử dụng
các xung hẹp với băng thông siêu rộng để truyền tin được tiến hành vào những năm
1900), tuy nhiên do hạn chế về mặt kĩ thuật ở thời điểm đó, UWB đã không được
tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài. Phải đến những năm gần
đây, nhờ sở hữu những tính năng vượt trội nêu trên, UWB ngày càng thu hút được
sự quan tâm của cả giới khoa học và công nghiệp với mục đích tạo ra một giải pháp
mới hứa hẹn giải quyết được những vấn đề mà chúng ta đang đối mặt: sự phát triển
bùng nổ của các thiết bị điện tử cá nhân cũng như yêu cầu ngày càng cao đối với
những thiết bị này (về chi phí sản xuất, tốc độ truyền dữ liệu và mức công suất tiêu
thụ).

1.2 Tình hình nghiên cứu UWB trên thế giới và ở Việt Nam
Sau khi được phê duyệt bởi hai tổ chức FCC (Mỹ) và ECC (châu Âu) lần lượt
vào các năm 2002 [18] và 2005 [17], các hệ thống sử dụng kĩ thuật truyền dẫn UWB
có thể hoạt động mà không cần cấp phép ở dải tần 3.1 - 10.6 GHz với điều kiện phải

thỏa mãn mức giới hạn trên của công suất phát (-41.3 dBm/MHz). Chính điều này
đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai công nghệ UWB trên khắp thế
giới. Hiện nay trên thế giới đang có hai hướng tiếp cận chính cho công nghệ UWB:
12


• Multiband (MB)-OFDM: chia toàn bộ dải tần hoạt động của UWB thành các
băng nhỏ hơn và sử dụng kĩ thuật điều chế OFDM
• Impulse Radio (IR)-UWB: tín hiệu truyền đi là các xung có độ rộng cực ngắn
(cỡ ns hoặc nhỏ hơn)
trong đó, hướng tiếp cận thứ hai nhận được nhiều sự chú ý của giới học thuật hơn vì
đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng xây dựng các bộ thu/phát với chi phí
thấp, tổn hao ít năng lượng [38, 62, 8, 68, 23]. Với các đặc điểm của mình, công nghệ
UWB được sử dụng phổ biến nhất trong các mạng vô tuyến cá nhân (WPAN); trên
thực tế, IEEE đã thành lập hai nhóm độc lập (IEEE 802.15.3a và IEEE 802.15.4a)
để chuẩn hóa lần lượt cho các hệ thống WPAN tốc độ cao và tốc độ thấp, trong đó
UWB đều được lựa chọn sử dụng ở lớp vật lý [31]. Tuy nhiên, do chưa đạt được sự
thống nhất giữa các nhóm nghiên cứu và phát triển, các hoạt động của nhóm IEEE
802.15.3a cho ứng dụng tốc độ cao đang tạm thời bị dừng lại.
Dù là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các mạng WPAN trong tương lai không
xa, việc triển khai các hệ thống UWB trên thực tế hiện nay vẫn là một bài toán với
nhiều thách thứ cần phải vượt qua như (i) chi phí triển khai lớn do cần sử dụng bộ
biến đổi tương tự - số (ADC - Analog-to-Digital Converter) với tần số lấy mẫu rất
cao (cỡ GHz), (ii) máy thu có độ phức tạp tính toán cao [49, 63] hay (iii) khó khăn
trong việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ tín hiệu [36].
Một hướng phát triển thu hút được nhiều sự chú ý của giới khoa học với mục
tiêu vượt qua được những trở ngại trên là sử dụng kĩ thuật truyền tham chiếu (TR
- Transmit Reference) cho hệ thống WPAN tốc độ thấp [27, 75, 60, 49, 63]. Truyền
tham chiếu là kịch bản thu/phát tín hiệu được xem như một giải pháp thay thế cho
máy thu RAKE truyền thống để truyền tin tức trong điều kiện kênh truyền dẫn ngẫu

nhiên hoặc không xác định [52, 10, 9], với giả thiết kênh truyền là dừng trong quá
trình truyền xung tham chiếu và xung mang tin. Ngoài ưu điểm không cần thao tác
ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu RAKE, kịch bản TR còn là một giải
pháp hợp lý để triển khai các hệ thống UWB do các xung được sử dụng có độ rộng
rất hẹp trong miền thời gian và được truyền với tốc độ (mong muốn) rất cao, cho
phép kênh truyền dẫn được coi như dừng trong khoảng thời gian một khung hay một
kí tự dữ liệu. Kiến trúc của một máy thu TR-UWB cơ bản được đưa ra bởi Hoctor
và Tomlinson vào năm 2002 [27] với giả thiết kênh truyền dẫn có chiều dài nhỏ hơn
khoảng cách giữa xung tham chiếu và xung mang tin nhằm tránh xảy ra hiện tượng
nhiễu liên xung. Kiến trúc máy thu TR-UWB này tương đối đơn giản và có độ chính
13


xác khá cao nhưng với điều kiện máy thu xác định được chính xác vị trí bắt đầu của
mỗi kí tự dữ liệu, tức đã được đồng bộ hoàn chỉnh (1.2.2). Một số công trình nghiên
cứu được công bố sau đó đã phát triển và mở rộng khái niệm TR-UWB để cho phép
truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn, cải thiện độ chính xác, hỗ trợ nhiều tuyến trễ và
đa người dùng, tuy nhiên vẫn dựa trên giả thuyết máy thu đã đồng bộ hoàn chỉnh
và/hoặc công suất tạp âm đã biết [5, 41, 64, 47, 48]. Một kiến trúc máy thu TR-UWB
khác giải quyết được bài toán đồng bộ nhưng với điều kiện môi trường truyền dẫn
không có tạp âm [72]. Trong [16], một thuật toán đồng bộ được đề xuất cho hệ thống
TR-UWB đa người dùng với giả thiết máy thu đã được đồng bộ hoàn hảo ở mức
khung tín hiệu. Một máy thu tự tương quan được trình bày trong [73] dựa trên mô
hình Voltera nhưng độ phức tạp tăng theo cấp số mũ với chiều dài của kênh truyền.
Trong [63], nhóm tác giả đề xuất một phương pháp đồng bộ ở mức mẫu và kí tự cho
một kiến trúc TR-UWB mới, trong đó các xung được đặt gần nhau hơn (so với kịch
bản TR-UWB truyền thống). Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gia
tăng đáng kể độ phức tạp tính toán của máy thu do phải thực hiện biến đổi Fourier
cho các ma trận kích thước lớn. Có thể nhận thấy đến thời điểm hiện tại, việc phát
triển một thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu TR-UWB có độ chính xác cao

và khả thi khi triển khai trên phần cứng vẫn là một thách thức thực sự với các nhà
nghiên cứu. Đây cũng là một trong hai trọng tâm nghiên cứu của luận án.
Bên cạnh kịch bản truyền tham chiếu, một hướng phát triển khác cũng đang nhận
được nhiều sự quan tâm của cả giới học thuật và công nghiệp là thiết kế tối ưu bộ xử
lý băng gốc nhằm giảm độ phức tạp tính toán, chi phí triển khai và công suất tiêu thụ
cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a trong các ứng dụng tốc độ thấp [25, 13, 35, 43].
Mặc dù được chính thức phê chuẩn từ năm 2007, tuy nhiên đến thời điểm hiện tại
trên thị trường gần như vẫn chưa xuất hiện một sản phẩm thương mại thực sự thành
công nào sử dụng chip UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a mà nguyên nhân chính là do
giá thành còn quá cao. Một trong những yếu tố đẩy chi phí sản xuất chip UWB lên
cao là việc sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số với tần số rất lớn (cỡ GHz) để thỏa
mãn tốc độ lấy mẫu Nyquist cho tín hiệu băng siêu rộng UWB. Một số giải pháp đã
được đề xuất nhằm tránh việc phải triển khai bộ ADC tốc độ cao đắt đỏ cho máy thu
UWB như các kiến trúc máy thu non-coherent dựa trên các phép đo năng lượng tín
hiệu [25, 26, 71, 13, 65] hay các phương pháp tự tương quan [22, 68, 69] được thiết
kế cho các ứng dụng tốc độ thấp không đòi hỏi phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu ở tần
số Nyquist và ước lượng kênh truyền (một tác vụ xử lý tín hiệu tiêu tốn nhiều năng
lượng do kênh vô tuyến đa đường UWB quá dày đặc). Kiến trúc máy thu không đồng
14


bộ được sử dụng phổ biến nhất là máy thu dò năng lượng (ED - Energy Detection),
trong đó máy thu thực hiện tính toán năng lượng của tín hiệu và phát hiện kí tự dữ
liệu dựa trên sự xuất hiện năng lượng của xung tại những vị trí nhất định của một
khoảng kí tự. Mặc dù hiệu suất hoạt động thấp hơn so với máy thu TR (do tạp âm bị
bình phương), tuy nhiên đây vẫn là kiến trúc máy thu khả thi nhất để triển khai theo
như đề xuất của chuẩn IEEE 802.15.4a [31]. Vì vậy, máy thu dò năng lượng cũng sẽ
được tác giả nghiên cứu chi tiết trong luận án này.
Với kiến trúc máy thu ED, việc phát hiện dữ liệu là khá dễ dàng. Ngược lại, thuật
toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu này là rất phức tạp do mật độ dày đặc của các

tuyến đa đường trong kênh vô tuyến UWB (với tín hiệu UWB, tuyến LOS đầu tiên
không phải lúc nào cũng là tuyến mạnh nhất [19, 39]). Một thuật toán đồng bộ sử
dụng ngưỡng được đề xuất trong [25] sử dụng phương pháp tìm kiếm năng lượng cực
đại và tìm kiếm ngược, tuy nhiên, mức ngưỡng được lựa chọn phụ thuộc vào tỉ số tín
hiệu trên tạp âm (SNR - Signal-to-Noise Ratio), một tham số không dễ đo đạc được
tức thì tại máy thu. Trong [68, 69], các tác giả trình bày phương pháp để xác định
vị trí bắt đầu của xung đầu tiên trong phần PHR, tuy nhiên độ chính xác của các
phương pháp này là khá thấp khi vùng tạp âm giữa hai kí tự dữ liệu liên tiếp tăng
lên. Một vấn đề liên quan đến bài toán xác định phần PHR và được đặt tên là tìm
kiếm ngược được xem xét trong các bài báo [25, 26, 54]. Theo chuẩn IEEE 802.15.4a,
tín hiệu đến máy thu là một chuỗi xung tuần hoàn, mỗi xung là đáp ứng của kênh
truyền với xung đơn chu trình UWB được phát đi. Giả thiết đỉnh cao nhất trong
từng xung đã được tìm thấy, quá trình tìm kiếm ngược có nhiệm vụ đo khoảng cách
giữa đỉnh cao nhất vừa tìm được với vị trí bắt đầu của xung. Tuy nhiên, bài toán đo
khoảng cách này vẫn chưa được giải quyết trong các bài báo trên. Trong [14], một
thuật toán đồng bộ được đề xuất, trong đó máy thu phát hiện vị trí bắt đầu của kí
tự đầu tiên thuộc phần PHR bằng cách thực hiện một thao tác tìm kiếm hai chiều
đỉnh tín hiệu lớn nhất và tiếp đó thực hiện tìm kiếm ngược để phát hiện vị trí bắt
đầu xung. Một giả thiết quan trọng của thuật toán này là đã biết trước công suất
tạp âm. Trên thực tế, điều này thường ít khi xảy ra và việc đo đạc công suất tạp âm
làm gia tăng đáng kể độ phức tạp tính toán cũng như công suất tiêu thụ của máy
thu. Thuật toán này cũng đặt ra một giả thuyết khác nữa là đoạn tín hiệu máy thu
nhận được luôn nằm trong phần tiêu đề đồng bộ (SYNC) của tín hiệu. Tuy nhiên, vị
trí máy thu bắt được tín hiệu trên thực tế hoàn toàn có thể nằm ở bất kì vị trí nào
trong khung tín hiệu (ví dụ, nằm trong phần dữ liệu của khung). Như vậy, yêu cầu
đặt ra là cần nghiên cứu và phát triển một thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh cho máy
15


thu UWB không đồng bộ theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành cho các ứng dụng tốc độ

thấp với kiến trúc đơn giản, có khả năng triển khai được trên phần cứng, thỏa mãn
các yêu cầu về độ chính xác cho phép. Đây cũng là trọng tâm nghiên cứu còn lại của
luận án này.
Ở Việt Nam, công nghệ UWB vẫn đang thu hút sự quan tâm nghien cứu của các
nhà khoa học. Hiện đang có một số nhóm nghiên cứu về UWB, tuy nhiên phần nhiều
hướng sự tập trung vào việc thiết kế antenna UWB [3, 61, 15, 59] hoặc thiết kế mạch
cho bộ tạo xung và bộ điều chế/giải điều chế theo kĩ thuật chaotic UWB [42, 2] mà
chưa có nhóm nghiên cứu nào chuyên sâu về các thuật toán xử lý tín hiệu và thiết
kế bộ xử lý băng gốc cho máy thu IR-UWB. Ngoài ra, theo khảo sát của cá nhân tác
giả, hiện tại trong nước cũng chưa có đề tài nghiên cứu nào kết hợp giữa xử lý tín
hiệu và thiết kế vi mạch với mục tiêu thiết kế và hướng tới chế tạo mẫu sản phẩm
cho bộ xử lý băng gốc UWB. Có thể nói, đây là một hướng nghiên cứu khá mới mẻ
và nhiều thách thức nên số lượng các công trình nghiên cứu khoa học trong nước vẫn
còn hạn chế.

2. Tính cần thiết của đề tài và những vấn đề sẽ giải
quyết
Những đột phá trong công nghệ số thời gian gần đây đã kéo theo sự xuất hiện
rộng khắp của các thiết bị điện tử cá nhân (PDA) trong cuộc sống hằng ngày nhằm
đáp ứng nhu cầu trong thông tin liên lạc, giải trí, công việc và sức khỏe. Dễ dàng
nhận thấy sự hiện diện ngày càng phổ biến của điện thoại di động, máy tính xách tay,
các thiết bị theo dõi sức khỏe cầm tay (đồng hồ thông minh, máy đo huyết áp) hay
các loại thẻ thông minh hỗ trợ cho giao dịch ngân hàng, mua sắm,... xung quanh mỗi
chúng ta. Với những thiết bị cá nhân này, yêu cầu cơ bản được đặt ra là kích thước
nhỏ gọn (dễ mang theo người), tiết kiệm năng lượng (do phải sử dụng pin), trao đổi
thông tin qua sóng vô tuyến (đảm bảo tính linh hoạt, tiện lợi cũng như giảm kích
thước thiết bị) và truyền dữ liệu có độ tin cậy cao với tốc độ thỏa mãn yêu cầu của
ứng dụng. Mặt khác, sự xuất hiện của tính năng trao đổi thông tin sử dụng liên kết
không dây cũng làm phát sinh một vấn đề mới: khả năng hoạt động song song với
các hệ thống thông tin vô tuyến đang tồn tại. Như chúng ta đã biết, tài nguyên phổ

tần vô tuyến ngày càng khan hiếm với sự hiện diện của hàng loạt hệ thống thông tin
như GSM, WLAN, Bluetooth hay GPS. Để giải quyết bài toán đồng tồn tại với các
16


hệ thống vô tuyến truyền thống này, một phương án được đề xuất là phát triển một
kĩ thuật truyền dẫn không dây mới hoạt động trên dải tần số phù hợp với công suất
phát đủ nhỏ để không gây can nhiễu lên những hệ thống đã được cấp phép trước đó.
Với những ưu điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống,
công nghệ UWB xuất hiện như một ứng viên có khả năng giải quyết được những vấn
đề vừa nêu. Dù vậy, như đã trình bày ở phần trên, công nghệ tiềm năng này vẫn
cần vượt qua hàng loạt thách thức để thực sự trở thành một giải pháp hữu hiệu cho
những vấn đề trên như (i) khó khăn trong việc định dạng xung UWB và sự biến dạng
xung do antenna, (ii) ước lượng kênh truyền phức tạp, (iii) cần sử dụng bộ ADC tốc
độ siêu cao đắt đỏ hay (iv) khó thực hiện đồng bộ tín hiệu. Chính những rào cản
này đã ngăn cản việc tạo nên những sản phẩm thương mại thực sự thành công áp
dụng công nghệ UWB trên thực tế. Nội dung chủ đạo xuyên suốt luận án này, do
đó, sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển những thuật toán đồng bộ tín
hiệu và giải mã dữ liệu có độ chính xác cao với kiến trúc đơn giản để có thể triển
khai được trên phần cứng cho các hệ thống IR-UWB tốc độ thấp. Ứng dụng chính
của những hệ thống này là trong các mạng WPAN, vì vậy, các thuật toán sẽ được
phát triển và kiểm chứng hiệu quả hoạt động với môi trường kênh trong nhà - một
trong những môi trường hoạt động chủ yếu của mạng WPAN. Cụ thể, trong luận án
này, mô hình kênh trong nhà có đường truyền thẳng (CM1 - Channel Model 1) được
lựa chọn sử dụng cho các mô phỏng. Đây là mô hình kênh đơn giản nhất với chiều
dài kênh truyền nhỏ (60-70 ns) và tuyến đến đầu tiên là của đường truyền thẳng với
cường độ tín hiệu lớn nhất. Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề chính sau:
• Vấn đề 1: phát triển thuật toán xử lý tín hiệu đơn giản và hiệu quả cho máy
thu TR-UWB, có khả năng triển khai thành công trên phần cứng.
• Vấn đề 2: phát triển thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu UWB IEEE

802.15.4a, tiến tới việc thiết kế và chế tạo bộ xử lý băng gốc (Baseband DSP)
cho máy thu trên phần cứng.
Để giải quyết hai vấn đề trên, phương pháp chính được sử dụng trong luận án
là đồng mô phỏng kết hợp Simulink/HDL. Cụ thể, tác giả phát triển và kiểm chứng
độ chính xác của các thuật toán được đề xuất trên bộ phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink sử dụng phương pháp Monte-Carlo; sau đó, sử dụng công cụ System
Generator của Xilinx để thực hiện mô phỏng các thiết kế HDL thông qua phần mềm
ISE Simulator để hiển thị kết quả kiểm tra trên Simulink trước khi triển khai các
thiết kế này lên kit FPGA Spartan 6 XC6SLX45 package CSG324 của Xilinx.
17


3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp
nghiên cứu
3.1 Mục tiêu nghiên cứu
• Đề xuất và cải tiến các thuật toán xử lý tín hiệu cho máy thu UWB sao cho
có độ tin cậy cao, độ phức tạp tính toán thấp, phù hợp với các ứng dụng trong
mạng WPAN tốc độ thấp.
• Thiết kế, kiểm tra và triển khai thử nghiệm khối đồng bộ và giải mã dữ liệu
trong bộ xử lý băng gốc UWB trên phần cứng FPGA.

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống thu/phát số IR-UWB tốc độ thấp
hoạt động trong môi trường trong nhà có đường truyền thẳng (mô hình kênh CM1)
với trọng tâm là khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý tín hiệu số băng gốc
cho máy thu IR-UWB và được chia thành các phần sau:
• Các thuật toán xử lý tín hiệu cho máy thu IR-UWB: là sự kết hợp của các kĩ
thuật ước lượng kênh, tách kí hiệu, đồng bộ tín hiệu trong khối DSP của máy
thu nhằm đạt được hiệu quả truyền tin cao nhất với độ phức tạp tính toán thấp
nhất.
• Thiết kế số cho bộ xử lý băng gốc IR-UWB: là một quy trình hoàn chỉnh bao

gồm các khâu thiết kế kiến trúc và các khối chức năng, thiết kế logic, tích hợp,
kiểm tra và triển khai hệ thống IR-UWB trên phần cứng FPGA sử dụng ngôn
ngữ HDL.
Như vậy, phạm vi nghiên cứu của luận án là bộ xử lý tín hiệu số băng gốc cho
máy thu IR-UWB, từ nghiên cứu và phát triển thuật toán (lý thuyết) đến triển khai
trên phần cứng (thực hành).

3.3 Phương pháp nghiên cứu
Nhiều phương pháp nghiên cứu từ lý thuyết đến mô phỏng và thực nghiệm sẽ
được áp dụng cho từng phần của luận án, trong đó:
18


• Xây dựng sơ đồ thu/phát và thuật toán máy thu cho các hệ thống TR-UWB
và UWB IEEE 802.15.4a; chất lượng các thuật toán được đánh giá sử dụng
phương pháp Monte-Carlo trên công cụ mô phỏng MATLAB.
• Sau khi mô phỏng, các sơ đồ chức năng cho máy thu UWB sẽ được thiết kế
bằng công cụ Simulink trước khi chuyển sang thiết kế logic trên FPGA sử dụng
ngôn ngữ HDL và tích hợp thành hệ thống trên chip (SoC - System on Chip).
• Các công cụ toán học sẽ được sử dụng để kiểm tra (verification) hệ thống UWB.
• Hệ thống được triển khai trên FPGA sẽ được kết nối với môi trường MATLAB/Simulink để kiểm nghiệm khả năng hoạt động. Cụ thể, công cụ chính được
sử dụng xuyên suốt luận án là bộ phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink

4. Các đóng góp mới của luận án
Luận án đã lần lượt giải quyết những vấn đề đưa ra ở phần và thu được những
kết quả sau:
• Đề xuất một thuật toán máy thu TR-UWB cải tiến không cần sử dụng tín hiệu
dẫn đường dựa trên phép phân tích ma trận (SVD - Singular Value Decomposition) cho độ chính xác cao hơn máy thu đơn giản. Tiếp đến, một triển khai
phép toán SVD trên FPGA sử dụng các khối CORDIC (COordinate Rotation
DIgital Computer) tự thiết kế cho độ chính xác cao và tốc độ thực thi nhanh

được đề xuất, hướng tới mục tiêu triển khai thành công thuật toán được đề
xuất trên phần cứng.
• Đề xuất một thuật toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh gồm hai bước đồng bộ thô
và đồng bộ tinh cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a không cần thực hiện thao
tác đo công suất tạp âm phức tạp và sử dụng bộ ADC tốc độ thấp (62.5 - 125
MHz) mà vẫn đảm bảo giải mã dữ liệu truyền đi với độ chính xác cao. Triển
khai thành công máy thu UWB IEEE 802.15.4a sử dụng thuật toán đồng bộ
được đề xuất trên phần cứng HDL/FPGA.

5. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án được trình bày theo trình tự sau:
19


Chương 1 “Tổng quan về kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng” giới thiệu
tổng quan về kĩ thuật UWB, những kịch bản thu/phát điển hình cũng như những
vấn đề mà kĩ thuật này đang đối mặt. Phần cuối của chương giới thiệu về phép phân
tích ma trận (SVD) và mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a sẽ được sử dụng trong
quá trình mô phỏng các thuật toán được trình bày trong luận án này.
Chương 2 “Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên
FPGA” đề xuất kịch bản truyền tham chiếu cho máy thu TR-UWB nhằm giải quyết
bài toán ước lượng kênh truyền gặp phải ở máy thu RAKE truyền thống, đồng thời
phát triển một thuật toán máy thu mới dựa trên nguyên lý trọng số để nâng cao hiệu
suất hoạt động so với kịch bản TR gốc.
Chương 3 “Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB” giới thiệu một thuật
toán máy thu mới cho hệ thống TR-UWB mà không cần truyền đi tín hiệu dẫn đường
sử dụng phép phân tích ma trận (SVD) đã trình bày ở chương 1, tiếp đó đưa ra một
phương án để triển khai thuật toán này một cách hiệu quả và thích hợp trên phần
cứng với các khối CORDIC tự thiết kế.
Chương 4 “Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a”

phát triển một thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh dành cho máy thu UWB theo chuẩn
IEEE 802.15.4a mà không cần sử dụng bộ ADC tốc độ lấy mẫu siêu cao đắt đỏ cũng
như các thao tác đo đạc công suất tạp âm phức tạp, hướng đến các ứng dụng truyền
tải dữ liệu tốc độ thấp với giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng. Đồng thời, một triển
khai của máy thu UWB IEEE 802.15.4a trên HDL/FPGA sử dụng thuật toán vừa
phát triển cũng được trình bày trong chương này.

20


Chương 1
Tổng quan về truyền thông băng siêu
rộng
Mục tiêu chính của chương này là cung cấp một cái nhìn tổng quan nhất về kĩ
thuật UWB từ những ý tưởng đầu tiên cho đến những tiến bộ gần đây nhất cũng
như những vấn đề chính mà kĩ thuật đầy tiềm năng này hiện đang đối mặt. Những
khái niệm quan trọng nhất liên quan đến UWB cũng lần lượt được trình bày chi tiết,
bên cạnh đó là những ứng dụng thiết thực mà kĩ thuật này có thể đảm nhiệm được.
Phần cuối của chương giới thiệu về SVD, một thuật toán xử lý tín hiệu kinh điển và
được sử dụng nhiều trong quá trình thực hiện luận án.

1.1

Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền
thông băng siêu rộng

Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (Ultra-wideband - UWB), hay còn gọi là
xung vô tuyến, thực chất không phải là một khái niệm hoàn toàn mới. Trên thực
tế, những thí nghiệm đầu tiên về xung vô tuyến đã được tiến hành vào năm 1887
bởi Heinrich Hertz, người đã sử dụng tia lửa điện giữa các điện cực carbon để tạo ra

sóng điện từ ở dạng xung. Bảy năm sau, dựa trên thí nghiệm của Hertz, Guglielmo
Marconi nảy sinh ý tưởng áp dụng kĩ thuật xung vô tuyến này cho điện tín không
dây. Máy phát mã Morse theo ý tưởng của Marconi ra đời và đánh dấu thời kì phát
triển của thông tin không dây cũng như sự áp dụng rộng khắp của kĩ thuật xung vô
tuyến. Tuy nhiên, người ta cũng sớm nhận ra những nhược điểm của kĩ thuật mới
này. Một trong những hạn chế lớn nhất chính là băng thông của tín hiệu phát đi quá
lớn so với tốc độ dữ liệu đạt được, dẫn đến một sự chiếm dụng băng tần khổng lồ dù
chỉ có một người dùng. Vì vậy, ở thời kì sơ khai này, kĩ thuật xung không thích hợp
cho việc phát triển các hệ thống đa người dùng. Sự ra đời sau đó của kĩ thuật truyền
tin sử dụng sóng mang với nhiều ưu điểm vượt trội khiến cho kĩ thuật xung dần bị
quên lãng và chỉ còn được sử dụng trong các ứng dụng quân sự suốt một thời gian
dài sau này cho đến những năm gần đây.
21