Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có tham khảo
và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có nguồn trích
dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình
nghiên cứu khác.

Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Học viên

Ngô Mạnh Hà

1


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 9
DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ .................................................................................. 10
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 13
CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB ........................................................ 15
1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 15
2. Giới thiệu về hệ thống UWB ................................................................................. 15
2.1. Lịch sử phát triển của UWB............................................................................ 16
2.2. Các ưu điểm của UWB ................................................................................... 17

2.3. Những thách thức của UWB ........................................................................... 18
3. Các thuộc tính của hệ thống UWB......................................................................... 19
3.1. Mặt nạ phổ công suất ...................................................................................... 19
3.2. Mẫu xung ........................................................................................................ 20
3.3. Chuỗi xung ...................................................................................................... 23
3.4. Đa đường ......................................................................................................... 25
3.5. Các đặc điểm khác .......................................................................................... 27
4. Các lĩnh vực ứng dụng của UWB .......................................................................... 29
4.1. Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network).................................... 30
4.2. Các mạng cảm biến (Sensor Network) ........................................................... 31
4.3. Các hệ thống chụp ảnh .................................................................................... 31
4.4. Các hệ thống rada giao thông .......................................................................... 32
5. Tổng kết chương .................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ ......................................... 34
TRỰC GIAO (OFDM) ................................................................................................... 34
1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 34
2. Lịch sử phát triển OFDM ....................................................................................... 34
3. Các nguyên lý cơ bản của OFDM .......................................................................... 34
3.1. Đơn sóng mang (Single Carrier) ..................................................................... 39
3.2. Đa sóng mang (Multi-Carrier) ........................................................................ 39
3.3. Sự trực giao (Orthogonal) ............................................................................... 41
3.4. Mô tả toán học của OFDM.............................................................................. 43
3.5. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ................................................................ 48
3.5.1. Điều chế BPSK ......................................................................................... 49
3.5.2. Điều chế QPSK ........................................................................................ 50
3.5.3
Điều chế QAM.......................................................................................... 53
3.6. Mã Gray .......................................................................................................... 54

2

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

3.7. Khoảng bảo vệ (Guard Period) ....................................................................... 57
3.7.1. Bảo vệ chống lại offset thời gian.................................................................. 57
3.7.2. Bảo vệ chống lại ISI ..................................................................................... 58
3.7.3. Overhead của khoảng bảo vệ ....................................................................... 59
4. Các đặc tính của OFDM......................................................................................... 59
4.1. Ưu điểm ........................................................................................................... 59
4.2 Nhược điểm ..................................................................................................... 60
4.3. Ứng dụng ......................................................................................................... 60
5. Tổng kết chương .................................................................................................... 62
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CDMA ............................................................................. 63
1.Giới thiệu chương ................................................................................................... 63
2. Tổng quan về CDMA ............................................................................................. 63
2.1. Mã trải phổ ...................................................................................................... 65
2.1.1. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN ....................................................................... 66
2.1.2. Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard ......................................................... 67
2.2. Các kiểu trải phổ cơ bản.................................................................................. 67
2.3. Chuyển giao .................................................................................................... 68
2.3.1. Mục đích của chuyển giao ........................................................................... 68
2.3.2. Các loại chuyển giao.................................................................................... 69
2.4. Điều khiển công suất trong CDMA ............................................................... 70
2.4.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) ........................................................ 71
2.4.2. Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) ....................................................... 72
3. Tổng kết chương .................................................................................................... 73
CHƯƠNG 4: KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA TRONG UWB ....................................... 74
1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 74
2. Kết hợp OFDM và CDMA .................................................................................... 74

3. Công thức tín hiệu dạng tổng quát tại ngõ ra các khối .......................................... 81
3.1. Tại khối xử lý tín hiệu phát của hệ thống OFDM - CDMA ........................... 81
3.2. Đáp ứng tín hiệu trên kênh truyền của hệ thống OFDM - CDMA ................. 83
3.3. Tại khối xử lý tín hiệu thu của hệ thống OFDM - CDMA ............................. 83
4. Tổng kết chương .................................................................................................... 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 89

3


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
A
3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

ADC

Analog- to- Disgital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự
sang số

AGC

Automatic Gain Control

Điều khiển độ lợi tự động

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng
cộng

B
BER

Bit Error Rate

Tỉ số lỗi bít

BPM

Bi-Phase Modulation

Điều chế pha cơ hai

C
CATV

Cable Television or Community Antenna Truyền hình cáp hay
Television
truyền hình anten cộng

đồng

CE

Consummer Equipment

Thiết bị người dùng

CMOS

Complementary Metal-oxideSemiconductor

Bán dẫn ôxít kim loại bổ
xung

D
DSCDMA

Direct Sequence-CDMA

Đa truy nhập phân chia
theo mã - chuỗi trực tiếp

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DVD

Digital Video Disc, Digital Versatile Disc

DVD

4


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

E
EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường
để phát triển GSM

F
FCC

Federal Communications Commission

Uỷ ban truyền thông liên
bang

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
thời gian

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo tần số

FH

Frequency Hopping

Nhảy tần

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy tần

G
GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói
chung

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile
Communications

Hệ thống toàn cầu cho
truyền thông di động

H
HDTV

High-Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

I
IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu giao thoa ký hiệu

5


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

L
LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuyếch đại tạp âm
thấp

LOS

Line-of-Sight

Tầm nhìn thẳng

M

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập
phương tiện

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MBOFDM

Multiband-OFDM

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao - đa băng

MPEG

Moving Picture Experts Group

Nhóm các chuyên gia về
ảnh động

O
OFDM

Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

OOK

On-Off Keying

Khoá On-Off

P
PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PAN

Personal Area Network

Mạng khu vực cá nhân

PDA

Personal Digital Assistants

Trợ giúp số cá nhân

PN

Pseudo Noise

Giả tạp âm

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

6


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Q
QoS

Chất lượng dịch vụ

Quality of Service

S
SNR

Signal- to - Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

STB

Set-Top Box

Hộp kết nối từ nguồn nội
dung đến Tivi

SVGA

Super Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video cấp
cao

T
TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TH

Time Hopping

Nhảy thời gian

THSS

Time Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy thời
gian

U
UMTS

Universal Mobile Telecommunications
System

Hệ thống viễn thông di
động toàn cầu

USB

Universal Serial Bus

Thiết bị lưu trữ

UWB

Ultra WideBand

Băng tần siêu rộng

V
VGA

Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video

W
WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

7

Đa truy nhập phân chia


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

theo mã băng rộng
WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội bộ không dây

WPAN

Wireless PAN

Mạng nội bộ cá nhân
không dây

WUSB

Wireless USB

USB không dây

8


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây ............. 29
Bảng 2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác.............. 29
Bảng 3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau ........................ 33
Bảng 4: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế ......... 52
Bảng 5: Bảng Mã Gray ................................................................................................. 55
Bảng 6: Các thông số được đề xuất cho hệ thống ......................................................... 74

Bảng 7: Thí dụ về sáu mẫu nhẩy tần với sáu tần số nhẩy khác nhau ........................... 79

9


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ
Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB................ 19
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................................................................................................................ 22
Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet ......................... 22
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 ............................................................................................................ 23
Hình 1.5: Chuỗi xung UWB ........................................................................................... 24
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) ............................. 25
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 ..... 26
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 ................................................................................... 27
Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng
lấn ................................................................................................................................... 28
Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB ............................................................... 30

Hình 2. 1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b)................................................................................................................ 35
Hình 2. 2: Sơ đồ hệ thống OFDM .................................................................................. 37
Hình 2. 3: Phổ của sóng mang con OFDM ................................................................... 38

10


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 2. 4: Truyền dẫn sóng mang đơn .......................................................................... 39
Hình 2. 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang................................................ 40
Hình 2. 6: Các sóng mang trực giao .............................................................................. 42
Hình 2. 7: Thêm CP vào symbol OFDM ........................................................................ 45
Hình 2. 8: Tích của hai vector trực giao bằng 0............................................................ 46
Hình 2. 9: Giá trị của sóng sine bằng 0 ......................................................................... 47
Hình 2. 10: Tích phân của hai sóng sine a) có tần số khác nhau; b) có cùng tần số .... 47
Hình 2. 11: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ............................................................. 50
Hình 2. 12: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ................................................................... 53
Hình 2. 13: Chùm tín hiệu M-QAM ............................................................................... 54
Hình 2. 14: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay
đổi một bit đơn ............................................................................................................... 55
Hình 2. 15: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM ......................... 56

Hình 3. 1: Hàm tương quan của chuỗi PN .................................................................... 66
Hình 3. 2: OLPC đường lên ........................................................................................... 72
Hình 3. 3: Cơ chế điều khiển công suất CLPC .............................................................. 72

Hình 4. 1: Lưới thời gian – tần số của hệ thống ............................................................ 75
Hình 4. 2: Cấu trúc khung.............................................................................................. 75
Hình 4. 3: Cấu trúc cụm điều chế .................................................................................. 76
Hình 4. 4: Cấu trúc tần số .............................................................................................. 77
11

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 4. 5: Mô hình hệ thống MC-CDMA ...................................................................... 77
Hình 4. 6: Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động CDMA.............................................. 79
Hình 4. 7: Sơ đồ khối của mô hình hệ thống OFDM - CDMA ...................................... 80
Hình 4. 8: Sơ đồ khối phần phát của OFDM - CDMA .................................................. 80
Hình 4. 9 Sơ đồ khối phần thu của OFDM - CDMA...................................................... 81
Hình 4. 10: Mô hình mô phỏng kênh truyền OFDM - CDMA ....................................... 85

12


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LỜI NÓI ĐẦU
Những năm trước đây, khi nói đến chiếc đầu video chúng ta sẽ nghĩ tới rất nhiều
dây kết nối tivi với đầu video, với ampli và loa. Ngày nay, bạn đã bao giờ tưởng tượng
rằng tất cả dây kết nối đó sẽ biến mất và bạn có thể tận hưởng bộ phim, bản nhạc của
mình trong một không gian tuyệt đẹp không hề có dây kết nối mất thẩm mỹ đó. Đằng
sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào là dây nối chuột, bàn phím, màn
hình, kết nối USB, ... Chúng thật phiền phức và vướng víu! Bạn đã nghĩ rằng một ngày
nào đó, toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn sẽ biến mất. Điều này là hoàn toàn
có thể với công nghệ UWB (Ultra wideband: mạng băng siêu rộng).
UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (wireless
personal area networks). Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng,
băng thông lớn. Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong
phạm vi là 10m. Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là
UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, tiếng nói, … với tốc độ
cao.

Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các
thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số. Hiện tại, UWB có thể
truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới
480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là
hoàn toàn có khả năng.
Luận văn “Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng” trình bày
những vấn đề căn bản nhất về công nghệ UWB, OFDM, CDMA và việc kết hợp
OFDM và CDMA trong UWB, các ưu nhược điểm của từng hệ thống riêng rẽ và ưu
nhược điểm của hệ thống kết hợp.

13


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Luận văn được chia làm 4 chương, với các nội dung chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu về mạng băng thông siêu rộng UWB.
Chương 2: Giới thiệu về phương pháp điều chế sử dụng các sóng mang con trực
giao OFDM.
Chương 3: Giới thiệu về công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
Chương 4: Giới thiệu về việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB.
Việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB đòi hỏi một kiến thức sâu rộng và
sự đầu tư thoả đáng về thời gian. Vì vậy trong khuôn khổ luận văn chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng.
Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các
bạn.
Xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới TS. Nguyễn Viết Nguyên, thầy đã tạo mọi
điều kiện và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn
giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua.

14


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB
1. Giới thiệu chương
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. Trong chương này 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, … Các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong tương lai với các ứng
dụng không dây.

2. Giới thiệu về hệ thống UWB
Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB, tôi trình bày định nghĩa về UWB.
Định nghĩa:
UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần lớn
hơn 20%.
η=

f H − fL
fC

≥ 0.2

(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

15


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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 đó là 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.

2.1. 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
16


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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.

2.2. 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.

17


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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.

2.3. 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 lai, 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
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.

18


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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.

3. Các thuộc tính của hệ thống UWB

Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống UWB. Trước hết ta nghiên
cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB.

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 băng siêu 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

19


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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 GHz1.61 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.

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, … 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 là tương đối đơn
giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ.
Monocycle px(t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):
⎛ −t 2 ⎞
1
p (t ) =
exp ⎜ 2 ⎟
2πσ
⎝ 2σ ⎠
d x p(t )
px (t ) =
dt x

(1.3)
(1.4)

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

∑

2

P

( f ) = P( f ) =

2

∞

∫ p(t ) exp(− j 2π ft )

−∞

20

= exp(−(2πσ f ) 2 )

(1.5)


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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

∑

px

( f ) = (2π 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 đồ án này độ rộng xung pw được định nghĩa là:
pw
2
p
− w
2
∞

∫

∫

−∞

px2 (t )dt
2
x

p (t )dt

≥ 99.9%

(1.7)

Trong hình 1.2 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.
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 xử lý 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.

21


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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
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. 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

22


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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. 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.

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

23


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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 1.6 (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 “nhòe 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).

24


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

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.

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.

25