Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB

Bộ giáo dục và đào TạO
trường đại học bách khoa hà nội
-------- -------Nguyễn ĐĂNG THÔNG

TI:

NGIÊN CứU CáC MÔ HìNH KÊNH TRONG Hệ THốNG THÔNG TIN
VÔ TUYếN BĂNG SIÊU RộNG UWB

LUN VN THC S K THUT
CHUYấN NGNH: IN T - VIN THễNG

NGI HNG DN : PGS-TS V VN YấM

Hà Nội - 2012


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “NGHIÊN CỨU CÁC MÔ
HÌNH KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU
RỘNG UWB” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được tổng hợp từ các tài liệu
tham khảo và có trích dẫn đầy đủ, trung thực. Các số liệu và kết quả trong luận văn
là kết quả nghiên cứu trung thực.
Học viên

Nguyễn Đăng Thông

Nguyễn Đăng Thông

i


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tên tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC
AWGN
BER
BPSK
CDMA
DSSS
EIRP

Analog Digital Converter
Additive White Gaussian Noise
Bit Rrror Rate
Bi-phase Shift Keying
Code Division Multiple Access

Direct Sequent Spread Spectrum
Equivalent Isotropically Radiated
Power

Bộ chuyển đổi tương tự/số
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Tỉ lệ lỗi bit
Khóa chuyển pha
Đa truy nhập phân chia theo mã
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Công suất phát xạ đẳng hướng
tương đương

FCC

Federal
Commission

FDM

Frequency Division Multiplexing

FHSS

Frequency
Hopping
Spectrum
Free Space Propagation

FSP

Communications Ủy ban truyền thông liên bang
My
Ghép kênh phân chia theo tần số

Spread Trải phổ nhảy tần

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
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 Ghép kênh theo tần số trực giao
Multiplex
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
Nguyễn Đăng Thông

ii


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

PSD
Power Spectral Density
QPPAM Quadrature Position and Amplitude
Modulation
SF
Spread Factor
SNR
Signal to Noise Ratio
THSS
Time hopping Spread Spectrum
USB
Universal Serial Bus
UWB
Ultra Wideband
WLAN Wireless Location Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network

ISM
Industry Scientific Medicine

Nguyễn Đăng Thông

iii

Mật độ phổ công suất
Điều chế vị trí và biên độ cầu
phương
Hệ số trải phổ
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Trải phổ nhảy thời gian
Bus nối tiếp vạn năng
Siêu băng rộng
Mạng nội hạt không dây
Mạng cá nhân không dây


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây
............................................................................................................................ 20
Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác
............................................................................................................................ 20
Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau....... 24
Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu  với BPPM trong kênh AWGN

............................................................................................................................ 37
Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau49

Nguyễn Đăng Thông

iv


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. UWB phát xạ giới hạn cho các hệ thống thông tin liên lạc trong nhà.
................................................................................................................................7
Hình 1.2 Tiêu chuẩn UWB giới hạn cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời. .......7
Hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua
tường ......................................................................................................................8
Hình 1-4. UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar ................................9
Hình 1.5: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB ... 10
Hình 1.6: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật
độ công suất của chúng ....................................................................................... 12
Hình 1.7: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet............. 13
Hình 1.8: 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 ............................................................................ 13
Hình 1.9: Chuỗi xung UWB ................................................................................ 14
Hình 1.10: 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) ......... 16
Hình 1.11: 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 ....................................................................................................... 17
Hình 1.12: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ
không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu ............................................................. 18
Hình 1.13: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung
chồng lấn .............................................................................................................. 19
Hình 1.14: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB .................................................... 22
Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà............ 25
Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu.
.............................................................................................................................. 26
Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu
nhiên..................................................................................................................... 27
Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB ................................. 29
Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m ......................... 33
Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB ....... 34
Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB ........................... 35
Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’.......................................... 36
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. .............................................................. 38
.Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB ................................ 41
Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian .................................................... 43
Hình 3.7: Khái niệm hệ thống trải chuỗi trực tiếp............................................. 45
Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN . 49
Nguyễn Đăng Thông

v


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung......................................................... 50
Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn ................ 52
Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng ............................................................. 56
Hình 3.12 PSD của các monocycle bậc 6 và khi chưa trải phổ (a) và trải phổ
TH (b)................................................................................................................... 57
Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b)....... 57
Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB .................................................. 58
Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu
nhiên..................................................................................................................... 60
Hình 4.1: Sơ đồ phát tín hiệu và kênh UWB ..................................................... 64
Hình 4.2. Kênh CM1 ........................................................................................... 64
Hình 4.3 Kênh CM2 ............................................................................................ 64
Hình 4.4 Kênh CM3 ............................................................................................ 65
Hình 4.5 Kênh CM4 ............................................................................................ 65
Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng................................................................................... 66
Hình 4.7. Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM1 ......................................... 66
Hình 4.9. Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM3 ......................................... 67
Hình 4.10. Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM4 ....................................... 68

Nguyễn Đăng Thông

vi


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

MỤC LỤC

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. UWB theo chuẩn FCC 2002............................................................... 6
1.2.1. Thiết bị truyền thông .......................................................................... 7
1.2.2. Thiết bị hình ảnh................................................................................. 8

1.3 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB................................... 9
1.3.1 Mặt nạ phổ công suất........................................................................... 9
1.3.2 Mẫu xung ........................................................................................... 10
1.3.3 Chuỗi xung ......................................................................................... 14
1.3.4 Đa đường............................................................................................ 15
1.3.5 Các đặc điểm khác ............................................................................. 18

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB ..................................................... 20
1.5 Tổng kết ............................................................................................. 23
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB .................... 25
2.1 Mở đầu............................................................................................... 25
2.2 Mô hình kênh..................................................................................... 29
2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn ................................................................ 30
2.2.2 Mô hình kênh phạm vi nhỏ ............................................................... 31
2.2.3 Sử dụng mô hình................................................................................ 32

2.3 Tổng kết ............................................................................................. 33
CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB .................... 34
3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB..................... 34
3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM)................................................................ 36
3.1.2 Điều chế pha hai trạng thái (BPSK).................................................. 38
Nguyễn Đăng Thông

0


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) ................................................................ 40
3.1.4 Điều chế biên độ xung........................................................................ 40
3.1.5 Khoá bật- tắt ...................................................................................... 41
3.1.6 Mẫu tín hiệu....................................................................................... 41
3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian ......................................... 42
3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp .............................................................. 45
3.1.7 Tổng kết về các phương pháp điều chế............................................. 46

3.2 Bộ phát............................................................................................... 49
3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB .............................. 50
3.3.1 Nhảy thời gian (TH)........................................................................... 52
3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) ...................................................................... 53
3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB ....................................................................... 55

3.4 Bộ thu................................................................................................. 57

3.4.1 Khái niệm cơ bản............................................................................... 57
3.4.2 Các máy thu cải tiến .......................................................................... 59
3.4.2.1 Máy thu Rake .............................................................................. 60
3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan ............................................................... 62

3.5 Tổng kết ............................................................................................. 63
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH TRONG HỆ
THỐNG UWB ............................................................................................ 64
1. Sơ đồ phát tín hiệu kênh ..................................................................... 64
1.2. Tín hiệu kênh CM2.............................................................................. 64
1.3. Tín hiệu kênh CM3.............................................................................. 65
1.4. Tín hiệu kênh CM4.............................................................................. 65

2. Sơ đồ mô phỏng tín hiệu khi sử dụng 4 kênh CM1, CM2, CM3, CM4.
.......................................................................................................... 66
3. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 66
3.1. CM1. LOS: kênh truyền thẳng, khoảng cách 0 – 4m......................... 66
3.2. CM2: NLOS kênh không truyền thẳng, khoảng cách 0 – 4m............ 67
3.3.CM3: NLOS: Kênh không truyền thẳng, khoảng cách 4 – 10m ........ 67
3.4. CM4 Extreme Non - Line – of – sight channel ................................... 68
Nguyễn Đăng Thông

1


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống UWB

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................... 69

KẾT LUẬN.............................................................................................. 69
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI ........................................................... 69
Tài liệu tham khảo .................................................................................. 72
Phụ lục ..................................................................................................... 73
1. Các hàm mật độ xác suất quan trọng................................................. 73
1.1. Phân bố đồng đều ................................................................................ 73
1.2 Phân bố Gauss (hay phân bố chuẩn) ................................................... 73
1.3. Phân bố Gauss đa biến ........................................................................ 73
1.5. Phân bố Rice ........................................................................................ 75
1.6. Phân bố log chuẩn ............................................................................... 75
1.7. Phân bố Suzuki .................................................................................... 76

Nguyễn Đăng Thông

2


Luận văn tốt nghiệp

Lời nói đầu

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 thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm em mạnh dạn đi
vào tìm hiểu công nghệ này. Trong nội dung luận văn 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 luận văn 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 băng siêu rộng 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.

Nguyễn Đăng Thông

1


Luận văn tốt nghiệp

Lời nói đầu

Chương 4: Mô phỏng một số mô hình kênh trong hệ thống UWB: Trình bày
kết quả mô phỏng kênh CM1, CM2, CM3, CM4
Vì trình độ và năng lực còn hạn chế nên trong quyển luận văn còn nhiều thiếu
sót, em kính mong thầy và các bạn đọc thông cảm. Cuối cùng cho phép em được
gữi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã
giúp em hoàn thành quyển luận văn.
Vinh 02/2012

Học viên: Nguyễn Đăng Thông

Nguyễn Đăng Thông

2


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

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 em trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng
UWB không hoàn toàn là kỹ 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
em 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%.


fH  fL
 0.2
fc

(1.1)

Trong đó B =fH - fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ
thống UWB với fc=(fH+fL)/2 với fH là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so
với tần số có công suất cực đại, và fL 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

Nguyễn Đăng Thông

3

Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

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.
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 Mỹ 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 Mỹ được coi
là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband.
Nguyễn Đăng Thông

4


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

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.
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
Em sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo,
nhưng trước tiên em 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:
S

C  B log  1  
 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.
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.

Nguyễn Đăng Thông

5


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

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
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 luận văn 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. UWB theo chuẩn FCC 2002

Nguyễn Đăng Thông

6


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

1.2.1. Thiết bị truyền thông
Đối với thiết bị thông tin liên lạc, FCC đã được giới hạn mức phát khác nhau cho
thiết bị trong nhà và ngoài trời UWB. Các mặt nạ quang phổ cho các thiết bị ngoài
trời là 10 dB thấp hơn cho các thiết bị trong nhà, từ 1,61 GHz và 3,1 GHz, thể hiện
sơ đồ sau:

Hình 1.1. UWB phát xạ giới hạn cho các hệ thống thông tin liên lạc trong nhà.
Tiêu chuẩn UWB phát xạ giới hạn cho các hệ thống thông tin liên lạc trong nhà.Từ
E. Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền công nghệ UltraWideband," Hội nghị IEEE về các hệ thống băng rộng và các công nghệ Ultra
(UWBST), tháng 5 năm 2002.

Hình 1.2 Tiêu chuẩn UWB giới hạn cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời.

Nguyễn Đăng Thông

7

Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Tiêu chuẩn UWB giới hạn truyền cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời.Từ E.
Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền Ultra-Wideband
Công nghệ," IEEE Hội nghị về hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ (UWBST),
tháng 5 năm 2002.
Theo quy định của FCC, các thiết bị UWB trong nhà phải có các thiết bị cầm tay,
và các hoạt động của nó nên được giới hạn từ peer-to-peer các hoạt động bên trong
tòa
nhà.
Các quy tắc của FCC dictates rằng không có cơ sở hạ tầng cố định có thể được
sử dụng cho UWB truyền thông trong môi trường ngoài trời. Do đó, ngoài trời
truyền thông bị hạn chế UWB cho các thiết bị cầm tay có thể gửi thông tin duy nhất
để thu tín hiệu liên quan
1.2.2. Thiết bị hình ảnh

Hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua tường
FCC cho thấy sự hạn chế cho các thiết bị UWB dựa trên hình ảnh thông qua tường.
Các
hoạt
động
của
các
thiết
bị
này
là
hạn

chế
hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua
tường . Từ E. Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền UltraWideband Công nghệ," IEEE Hội nghị về hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ
(UWBST), tháng năm 2002.
1.2. 3. Hệ thống Radar IVehicular
Hệ thống xe radar được phép truyền 41,3 dBm / MHz tại dải tần số 22 GHz
đến 29 GHz. Các tần số trung tâm của tín hiệu của nó nên cao hơn 24,075 GHz. Các
thiết bị radar được phép gắn trên phương tiện truyền tỉa mặt đất và có thể được kích
hoạt hoặc là trong khi các thiết đang di chuyển hoặc trong khi thiết bị đang đứng
yên.

Nguyễn Đăng Thông

8


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

Hình 1-4. UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar
UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar Từ E. Thomas, "Walk Don't Run:
Bước đầu tiên trong việc ủy quyền Ultra-Wideband Công nghệ," IEEE Hội nghị về
hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ (UWBST), tháng năm 2002.
Các tiêu chuẩn FCC thể hiện ở bảng sau:
Băng thông hoạt động (GHz)
Ứng dụng
0.96 –
611.993.110.622.01.61
1.99

3.1
10.6
22.0
29.0
Trong
75.3
53.3
51.3
41.3
51.3
51.3
Thông
nhà
ERIP
tin
Ngoài
75.3
63.3
61.3
41.3
61.3
61.3
(dBm)
trời
Hình ảnh
53.3
51.3
41.3
41.3
41.3

51.3
Radar
75.3
63.3
63.3
63.3
41.3
41.3
1.3 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.
1.3.1 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
của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệ
Nguyễn Đăng Thông

9


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

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 1.5: 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.
1.3.2 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
Nguyễn Đăng Thông

10


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương
đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ. Trong nội dung luận
văn này em 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 px(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):
 t 2 
1
exp  2 
2
 2 
d x p(t )
px (t ) 
dt x

(1.3)

p (t ) 

(1.4)

Trong đó  2 là phương sai của xung Gaussian. Mật độ phổ công suất (PSD)
của xung Gaussian là:
2





2

P

( f )  P( f ) 

 p(t ) exp( j 2 ft )

 exp((2 f ) 2 )

(1.5)



Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle px(t) nhận được là :



px

( f )  (2 f )

2x



p

(f)

(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 luận văn này độ rộng xung pw được
định nghĩa là:
pw
2
p
 w
2




px2 (t )dt



px2 (t )dt



 99.9%

(1.7)

Trong hình 1.5 các monocycle px(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung pw=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

Nguyễn Đăng Thông

11


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

một tiêu chuẩn khác thì giới hạn chiếm 99.9% công suất trong luận văn 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
lí tín hiệu số và mô phỏng. Đối với p2(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 1.6: Các monoycle px(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

Nguyễn Đăng Thông

12

Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

du
dt

du
dt

.
Hình 1.7: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet
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 1.8: 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 1.7 và 1.8 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

Nguyễn Đăng Thông

13


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống UWB

đầu với xung chữ nhật ở hình 1.8(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 1.7. 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 em chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiết xung được
khuyếch đại ở phía thu.
1.3.3 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 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 1.10 (a).

Hình 1.9: Chuỗi xung UWB

Nguyễn Đăng Thông

14


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về hệ thống 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 1.10 (b) và có thể so sánh với hình
1.10 (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)
1.3.4 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.

Nguyễn Đăng Thông

15