ĐIỆN tử VIỄN THÔNG chapter 9 DRT NVD khotailieu

Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB
Chương 9

HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
9.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Các chủ đề được xét trong chương
√ Các tính chất cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB
√ Tạo tín hiệu UWB, mô hình tạo tín hiệu UWB điển hình
√ Kênh UWB và máy thu UWB.
Mục đích chương
√ Nắm các khái niệm, tính chất, đặc điểm của truyền thông băng siêu rộng.
√ Hiểu quá trình tạo tín hiệu UWB, mô phỏng tín hiệu UWB điển hình.
√ Hiểu kênh truyền sóng UWB, mô hình và các tham số đặc trưng của kênh UWB.
√ Hiểu quá trình thiết kế và mô hình hóa máy thu cho kênh UWB.
9.2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG UWB
Vô tuyến băng siêu rộng (UWB) được dựa trên sự phát xạ các dạng sóng, được đặc
trưng bởi độ rộng băng tần năng lượng tức thời lớn hơn khoảng 0,20-0,25. Trong phần này,
ta sẽ phân tích nguyên lý độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn và định nghĩa về vô
tuyến băng siêu rộng.
Hệ số băng tần
Việc chấp nhận chung thuật ngữ “băng siêu rộng UWB” xuất phát từ lĩnh vực radar
băng siêu rộng và nói về các dạng sóng điện từ được đặc trưng bởi hệ số băng tần năng
lượng tức thời lớn hơn khoảng 0,20-0,25. Để hiểu rõ định nghĩa này, trước hết ta định
nghĩa độ rộng băng tần năng lượng của dạng sóng. Gọi E là năng lượng tức thời của dạng
sóng, độ rộng băng tần năng lượng được xác định bởi tần số f L và f H trong khoảng tần số
này hầu như năng lượng của dạng sóng nằm trên đó (cỡ 90%).

Trong lĩnh vực radar, vô tuyến băng siêu rộng dựa vào việc phát xạ các dạng sóng
được cấu thành từ chuỗi xung có thời gian rất ngắn (khoảng vài trăm ps). Trong các hệ
thống này, thông tin được truyền ở dạng chuỗi nhị phân và thông tin của mỗi bit (0 hoặc 1)
truyền đi ở dạng một hoặc nhiều xung theo kiểu mã lặp lại. Việc thể hiện một bit bằng cách

phát lặp xung làm tăng mức độ chắc chắn. Nguyên lý truyền dẫn xung được áp dụng cho
sơ đồ phát tín hiệu UWB. Người ta mở rộng khái niệm UWB cho các kỹ thuật truyền dẫn
liên tục. Trong phần này, ta xét cho tín hiệu dạng xung.
Ta lưu ý rằng, E được dùng để chỉ năng lượng tức thời, tức là nó phải được tính trên
khoảng thời gian của xung. Nếu quan tâm việc quyết định một bit bao gồm việc xử lý
nhiều xung, thì trong hầu hết các trường hợp E được coi là năng lượng tổng của tất cả các
xung được đó. Đây là khái niệm quan trọng: Nếu một số xung được sử dụng để truyền dẫn
một bit, thì ta đặc biệt lưu ý đến năng lượng của nhóm các xung trong việc quyết định một
bit vì ảnh hưởng của tạp âm ở máy thu phải được ước lượng theo năng lượng của tín hiệu
hữu ích.
Hình 9.1 minh họa khái niệm độ rộng băng tần năng lượng. Lưu ý rằng, nếu f L là giới
hạn dưới và f H là giới hạn trên của mật độ phổ năng lượng (ESD), thì tần số trung tâm của

-247-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

phổ được định vị tại ( f H + f L ) 2 . Hệ số băng tần (hay độ rộng băng tần phân đoạn) được
định nghĩa là tỉ số giữa độ rộng băng tần năng lượng và tần số trung tâm, nó được biểu diễn
như sau:

FB =

(fH − fL )

(9.1)

 fH + fL 
 2 




fH − fL

fL

fL + fH
2

fH

Hình 9.1. Độ rộng băng tần năng lượng

Nếu hệ số băng tần lớn hơn 0,20-0,25, thì ta nói tín hiệu là băng siêu rộng UWB. Ví
dụ một tín hiệu có độ rộng băng tần năng lượng 2MHz được gọi là tín hiệu băng siêu rộng
nếu tần số trung tâm của phổ năng lượng nhỏ hơn 10MHz. Lưu ý rằng, việc xác định tín
hiệu UWB là tương đối theo tần số trung tâm.
Thông thường, thuật ngữ “phần trăm băng tần” được sử dụng. Phần trăm băng tần
đơn giản chỉ là hệ số băng tần ở đơn vị phần trăm. Ví dụ, một tín hiệu có độ rộng băng tần
năng lượng là 1MHz và tần số trung tâm là 2MHz thì phần trăm băng tần là 50%. Nó là
một tín hiệu băng siêu rộng vì hệ số băng tần là 0,5 lớn hơn giới hạn dưới 0,2-0,25.
Cũng có thể sử dụng độ rộng băng tần tương đối, bằng một nửa giá trị của hệ số băng
tần. Băng tần tương đối biểu diễn tỷ số của một nửa băng tần năng lượng và tần số trung
tâm.
Giới hạn độ rộng băng tần nhỏ nhất 500MHz đặt ra một ngưỡng tại 2,5GHz. Duới
ngưỡng này, các tín hiệu là UWB nếu hệ số băng tần lớn hơn 0,2; trong khi trên ngưỡng
này, các tín hiệu là UWB nếu độ rộng băng tần của chúng lớn hơn 500MHz.
9.3. TẠO TÍN HIỆU UWB
Cách thông thường và truyền thống nhất để phát xạ một tín hiệu UWB là phát xạ các

xung thời gian rất ngắn (vô tuyến xung kim IR – Impulse Radio). Các sơ đồ điều chế xung
tín hiệu được dùng là: điều chế vị trí xung (PPM) và điều chế biên độ xung (PAM). Ngoài
việc để điều chế, để định dạng phổ của tín hiệu phát, các ký hiệu dữ liệu được mã hóa bằng
cách sử dụng các mã giả ngẫu nhiên (hay giả tạp âm PN). Hai tiêu chuẩn công nghệ UWB
đang được nghiên cứu và đề xuất là:

-248-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB
√ UWB đơn băng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS-UWB và trải phổ
nhảy thời gian TH-UWB.
√ Công nghệ UWB đa băng dựa trên OFDM.

Về nguyên lý, TH-UWB và DS-UWB có thể chấp nhận PPM hoặc PAM để điều chế
dữ liệu. Tuy nhiên, phương pháp điều chế cụ thể tùy vào việc định dạng phổ và đặc tính
phổ. Chi tiết quá trình tạo tín hiệu UWB được cho ở Phụ lục 9 A.
9.4. KÊNH UWB VÀ MÁY THU UWB
9.4.1. Mở đầu
Phần trên và phụ lục 9 A ta xét các đặc tính của tín hiệu vô tuyến xung kim IR-UWB,
tạo tín hiệu IR-UWB (gồm tín hiệu DS-UWB và TH-UWB) với các đặc tính phổ tần ảnh
hưởng lên hiệu năng hệ thống UWB. Dưới đây, ta phân tích tín hiệu tại máy thu. Muốn
vậy, ta xét các nhân tố ảnh hưởng lên hiệu năng một cách hệ thống: từ mô hình kênh, mô
hình máy thu tối ưu, và xử lý tín hiệu thu UWB. Trước hết là, ta xét trường hợp đơn giản
nhất (truyền tín hiệu DS-UWB và TH-UWB qua kênh AWGN), phân tích tín hiệu và xây
dựng máy thu tối ưu. Sau đó là, vận dụng nguyên lý hoạt động của máy thu UWB tối ưu
trong môi trường kênh AWGN để xây dựng máy thu UWB cho kênh đa đường. Khi này ta
dùng kênh đa đường IEEE 802.15.3a (kênh được IEEE chấp nhận), nội dung này được xét
ở phụ lục 9C.

Do truyền lan đa đường, năng lượng của các xung UWB bị phân tán trên nhiều đường
truyền đến máy thu, nên ta dùng máy thu RAKE (gồm nhiêu bộ tương quan tương ứng với
các “nhánh” của đa đường). Máy thu RAKE sẽ tận dụng hiệu quả ưu điểm của tín hiệu đa
đường, khai thác triệt để tính chất “phân tập thời gian” của tín hiệu thu. Tín hiệu thu khả
phân giải từ các nhánh được kết hợp trước khi thực hiện quyết định. Khi dùng máy thu
RAKE làm tăng mức độ phức tạp ở phía thu, mức độ phức tạp này sẽ tăng theo số lượng
các thành phần đa đường khả phân giải. Tuy nhiên, khi số lượng các thành phần đa đường
khả phân giải mà giảm làm giảm năng lượng tín hiệu thu. Dưới đây, ta phân tích máy thu
tín hiệu DS-UWB và TH-UWB rời rạc với giả thiết đồng bộ hoàn hảo giữa phát thu tín
hiệu. Máy thu trong môi trường kênh AWGN là rất đơn giản bởi lẽ tín hiệu thu không chứa
thành phần nhiễu giữa các ký hiệu ISI và nhiễu đa truy nhập MAI.
Vì truyền sóng đa đường giữa máy phát và máy thu làm phức tạp cả cấu trúc máy thu
và mô hình kênh. Hơn nữa, các tham số kênh đa đường lại thay đổi theo thời gian vì vậy
tính chất này phải được xét trong quá trình mô hình hoá kênh. Do méo, nên dạng sóng tín
hiệu thu khác với dạng sóng tín hiệu phát. Điều này đặc biệt đúng đỗi với truyền dẫn trong
nhà, nơi mà truyền lan bị dao động bởi một số đối tượng nhiễu. Truyền lan đa đường làm
hạn chế hiệu năng máy thu, ảnh hưởng này có thể được giảm nhẹ nếu có được đặc trưng
chi tiết của kênh đa đường tại máy thu. Lý thuyết chung về việc đặc trưng hoá các kênh đa
đường được trình bày trong phần này.

-249-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

Hình 9.2: Mô hình hệ thống cho truyền thông băng siêu rộng đơn người sử dụng
9.4.2. Thu và xử lý tín hiệu trong môi trường kênh AWGN
9.4.2.1. Thu tín hiệu trong môi trường kênh AWGN
Ta phân tích truyền tín hiệu vô tuyến xung kim IR qua kênh AWGN. Tín hiệu thu
được biểu diễn là:

r(t) = ru (t) + n(t)

(9.2)

trong đó: tạp âm nhiệt n(t) là quá trình ngẫu nhiên Gausơ trung bình không với mật độ
phổ công suất PSD hai bên N 0 2 ; tín hiệu hữu ích ru (t) là phiên bản bị suy hao và bị trễ
của tín hiệu phát s(t) , tức là
ru (t) = αs(t − τ)

(9.3)

Cả hai tham số hệ số suy hao α và trễ kênh τ đều phụ thuộc vào khoảng cách truyền
sóng D , trong đó α được biểu diễn
α=

c0
Dγ

(9.4)

trong đó: γ là số mũ suy hao công suất; c0 là hằng số khả chỉnh để đạt được tăng ích tham
chiếu α 0 tại khoảng cách tham chiếu D0 = 1m . Chọn: γ =2 đối với môi trường không gian
tự do; γ >2 trong môi trường NLOS; γ <2 trong môi trường kênh đa đường LOS trên
khoảng cách ngắn. Để A dB = 10lg(E TX E RX ) tại D0 = 1m , thì c0 phải thỏa mãn điều kiện

c0 = 10−AdB
theo đó

20

(9.5)

τ=D c

(9.6)

trong đó c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không. Khi đồng bộ hoàn hảo giữa
phát/thu, thì giá trị của τ tất định ở máy thu.
Máy thu tối ưu cho kênh AWGN gồm: bộ tương quan và bộ tách sóng, trong đó bộ
tương quan chuyển tín hiệu thu (9.2) thành tập các biến quyết định {Z} , bộ tách sóng dựa

trên quan trắc {Z} quyết định dạng sóng nào đã được phát.

Nếu phát dạng sóng s m (t) , m = 0,1,..., M − 1 , thì trong khoảng thời gian ký hiệu T ,
chỉ một dạng sóng s m (t) trong số M dạng sóng có thể có được phát. Dạng sóng s m (t) được

-250-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

tạo ra bởi N hàm chực chuẩn {ψ k (t)} , k = 0,1,..., N − 1 , khi này s m (t) được biểu diễn như
sau:
N −1

s m (t) = ∑ s mk ψ k (t) , với t ∈ [ 0,T ]

(9.7)

k =0

T

trong đó s mk = ∫ s m (t)ψ k (t)dt với k = 0,1,..., N − 1 .
0

Từ (9.7), năng lượng E m của s m (t) trong khoảng thời gian T là:
2

T  N −1


E m = ∫ ( s m (t) ) dt = ∫  ∑ s mk ψ k (t)  dt
0
0  k =0

T

N −1

2

= ∑s ,
k =0

2
mk

(9.8)

∀m = 0,1,..., M − 1

Từ (9.7), (9.2) và (9.3), tín hiệu thu trong khoảng thời gian t ∈ [ 0,T ] tương ứng với tín
hiệu phát s m (t) là:
N −1

r(t) = ∑ α.s mk .ψ k (t − τ)

+ n(t)

k −0

(9.9)

Cấu trúc máy thu tương quan cho tín hiệu thu r(t) bao gồm N bộ tương quan ứng
với N biến quyết định Z k được biểu diễn là:
T +τ

Zk = ∫ r(t)ψ k (t − τ)dt = αs mk + n k ,

k = 0,1,..., N − 1

τ

với

T +τ

n k = ∫ n(t)ψ k (t − τ)dt

τ

Sơ đồ các bộ thu tương quan theo (9.10) được cho ở hình 9.3.

ψ0 ( t − τ)

τ+ T

∫ ( • ) dt

r (t)

Z0

τ

•
•
•

ψ N −1 ( t − τ )

τ+ T

∫

( • ) dt

τ

Hình 9.3. Bộ tương quan tín hiệu

-251-

Z N −1

(9.10)


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB
Dựa vào tập các biến quyết định {Z} = {Z0 ,..., ZN −1} bộ tách sóng ước tính dạng sóng
được phát. Thành phần tạp âm n k trong (9.10) là biến ngẫu nhiên Gausơ không tương
quan, trung bình không và đồng phương sai
σ2n = N 0 2

(9.11)

Khi thực hiện bộ tách sóng tối ưu cho tín hiệu (9.9) theo chuẩn khả năng giống nhất
ML, thì nó lựa chọn một trong M dạng sóng phát có sao cho tối đa xác suất có điều kiện
p(Z | s m (t)) . Tương đương với việc chọn s m (t) ứng với s m = {s m,0 ,...,s m,N −1} gần với tập

{Z} = {Z0 ,..., ZN −1} nhất. Theo chuẩn ML, hàm dưới đây được giảm thiểu:
N −1

E(r(t),s m ) = ∑ (Z k −s mk ) 2
k =0
N −1

N −1

N −1

k =0

k =0

k =0

= ∑ Z2k + ∑ s 2mk − 2 ∑ s mk Zk
N −1

 N −1

k =0

 k =0

= ∑ Z2k − 2  ∑ s mk Zk −

(9.12)

1 N −1 2 
∑s
2 k =0 mk 

Từ (9.12), cho thấy dạng sóng làm tối đa p(Z | s m (t)) là dạng sóng tối đa hóa hệ số
tương quan C :
N −1

1 N −1 2

∑s
2 k =0 mk
k =0
N −1
E
= ∑ s mk Zk − m
2
k =0

C ( r ( t ) ,s m ) = ∑ s mk Zk −

=

s0 ( t − τ )

r (t)

T +τ

E
∫τ r ( t ) sm ( t − τ ) dt − 2m

τ+ T

∫ ( • ) dt

•

(9.13)

τ

•
•

−E 0 2

C ( r ( t ) ,s0 )

•
•
•

s M −1 ( t − τ )

τ+ T

− E M −1 2

C ( r ( t ) ,s M −1 )

∫ ( • ) dt
τ

Hình 9.4. Máy thu tối ưu cho kênh AWGN

Vì vậy, bộ tách sóng tối ưu lựa chọn tín hiệu sm (t ) sao cho tối đa hóa C ( r ( t ) ,s m ) . Từ
(9.13) ta thấy, máy thu tối ưu trình tự hoạt động như sau: (i) tín hiệu thu r(t) được tương
quan với M dạng sóng phát s m (t) ; (ii) mỗi đầu ra của bộ tương quan được trừ đi một

-252-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

lượng E m 2 ; (iii) chọn giá trị lớn nhất trong số M giá trị. Hình 9.4 minh họa cấu trúc máy
thu này.
9.4.2.2. Cấu trúc máy thu
Ta sẽ sử dụng những phân tích trên cho trường hợp tín hiệu IR-UWB. Vì vậy, trước
hết xét cấu trúc máy thu cho tín hiệu xung PAM và PPM trực giao/không trực giao, sau đó
mở rộng cho trường hợp đa xung.
Máy thu tín hiệu PPM nhị phân trực giao
Trong điều chế PPM nhị phân trực giao, M = 2 và hai tín hiệu phát là:
 E TX p0 (t),

s(t) = 

 E TX p1 (t) = E TX p 0 (t − ε),

b=0
(9.14)
b =1

trong đó: p 0 (t) là dạng sóng năng lượng chuẩn hoá của xung cơ sở; E TX là năng lượng
phát của mỗi xung; ε là dịch thời gian trong PPM. Nếu ε lớn hơn thời gian của một xung
TM , thì tập các hàm trực chuẩn sẽ là p 0 (t) và p1 (t) , và s m (t) được biểu diễn là:
s m (t) = s m0 p 0 (t) + s m1p1 (t),

m = 0,1

(9.15)

s00 = E TX

s = 0
trong đó  01
 s10 = 0
s = E
TX
 11

Sơ đồ máy thu tối ưu cho tín hiệu này được cho ở hình 9.5.
Các biến quyết định tại đầu ra các bộ tương quan là:
Z0 = αs m0 + n 0
Z1 = αs m1 + n1

(9.16)

trong đó: n 0 và n1 là hai biến ngầu nhiên Gausơ độc lập trung bình không và phương sai
N 0 2 . Trường hợp kết hợp với mã hóa nhảy thời gian TH, sơ đồ bộ tương quan ở hình 9.5
được chuyển thành hình 9.6, trong đó c j là hệ số thứ j của mã TH được gán cho người
dùng.
p0 ( t − τ )

r ( t ) = αs n ( t − τ ) + n ( t )
p1 ( t − τ )

τ +Ts

∫τ (•) dt

τ +Ts

∫τ (•) dt

Z0
 Z0 > Z1 ,

 Z0 < Z1 ,

bɵ = 0
bɵ = 1

bɵ

Z1

Hình 9.5. Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM nhị phân trực giao.

-253-


Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

p 0 ( t − τ − c jTc )

τ +Ts

∫ (•) dt

Z0

τ

r ( t ) = αs n ( t − τ − c jTc ) + n ( t )
p1 ( t − τ − c jTc )

 Z0 > 0,

 Z0 < 0,

τ +Ts

bɵ = 0
bɵ = 1

Z1

∫ (•) dt

bɵ

τ

Hình 9.6. Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao.

Lưu ý rằng, có thể rút gọn sơ đồ hình 9.6 thành sơ đồ hình 9.7 (chỉ sử dụng một bộ
tương quan).
m ( t − τ)

r ( t ) = αs n ( t − τ − c jTc ) + n ( t )

τ+ Ts

∫ ( • ) dt

Z

τ

 Z > 0,

 Z < 0,

bɵ = 0
bɵ = 1

bɵ

Hình 9.7. Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao dùng một bộ tương
quan

Trong sơ đồ một bộ tương quan ở hình 9.7, tín hiệu đến được nhân với m(t) , m(t)
được coi là mặt nạ tương quan trong đó m(t) = p 0 (t − τ − c jTc ) − p0 (t − τ − c jTc − ε)
Đầu ra của bộ tương quan khi này là:

Z = αs m + n 0 − n1

(9.17)

s0 = + E TX , b = 0

với s m = 

 s1 = − E TX , b = 1

Khi phát các bit có cùng xác suất và độc lập thống kê nhau, thì xác suất lỗi trung bình
Prb đối với máy thu tối ưu sẽ là:
1
1
Prb = Pr ( Z > 0 b = 1) + Pr ( Z < 0 b = 0 )
2
2
= Pr ( Z < 0 b = 0 )

(
= Pr (

= Pr α E TX + n 0 − n1 < 0
E RX + n 0 − n1 < 0

)

)

-254-

(9.18)

Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB

trong đó: E RX = α 2 E TX là năng lượng trên mỗi xung thu. Do n 0 và n1 đều là các biến ngẫu
nhiên Gausơ độc lập, nên (9.18) được viết lại như sau:

(

Prb = Pr x > E RX

)

(9.19)

trong đó x = n1 − n 0 là biến ngẫu nhiên Gausơ trung bình không và phương sai N 0 . Vì vậy
Prb được biểu diễn như sau:
 E RX
1
Prb = erfc 
2
 2N 0





(9.20)

∞

2

2
e−ξ dξ
với erfc ( y ) =
∫
πy

0

M« pháng x¸c suÊt lçi bit t¹i m¸y thu tÝn hiÖu PPM-UWB

10

X¸c suÊt lçi bit

-1

10

-2

10

-3

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

SNR (dB)
Hình 9.8. Minh họa xác suất lỗi trung bình Prb theo E RX N 0 đối với tín hiệu PPM
nhị phân trực giao.
9.5. TỔNG KẾT
Chương này ta xét các tính chất cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB. Sau đó tiến hành tạo
tín hiệu UWB. Phụ 9A xét chi tiết quá trình tạo: (1) tín hiệu UWB nhảy thời gian TH-UWB; (2).
tín hiệu UWB chuỗi trực tiếp DS-UWB; (3) tín hiệu UWB đa băng MB-UWB. Xét quá trình xây
dựng máy thu UWB đối với các loại tín hiệu phát điểm hình. Quá trình thu và xử lý: (1) tín hiệu
PPM nhị phân không trực giao; (2) tín hiệu PPM trực giao M mức; (3) tín hiệu PAM nhị phân đối
cực; (4) tín hiệu M-PAM; (5) tín hiệu Đa xung trong môi trường kênh AWGN được xét ở phụ lục
9B. Cuối cùng thu và xử lý tín hiệu trong môi trường kênh đa đường được xét ở phụ lục 9C, trong
đó xét mô hình kênh UWB và máy thu RAKE. Phần bài tập ở dạng chương trình mô phỏng cho
phép hiểu rõ về mô hình truyền thông UWB cơ bản điển hình.

-255-