Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB Khử nhiễu trong UWB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
=====o0o=====

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG SIÊU RỘNG UWB – KHỬ NHIỄU TRONG UWB

PHẠM THÚY PHƯƠNG

HÀ NỘI - 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
=====o0o=====

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG SIÊU RỘNG UWB – KHỬ NHIỄU TRONG UWB

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ:
PHẠM THÚY PHƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN HỮU HUÂN

HÀ NỘI - 2009

Phạm Thúy Phương

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn này do
chính tơi soạn ra sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, chế tạo đo đạc và tham
khảo một số tài liệu sách báo trong nước và ngoài nước. Tuyệt đối không sao chép
nội dung hay sử dụng kết quả có sẵn hay của tác giả khác.
Nếu sai sự thật tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm!
Người cam đoan

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.....................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................................

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN VÔ
TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB .................................................. 1
1.1. MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1.2. KHÁI NIỆM VỀ UWB ...................................................................................................... 1
1.3. CÁC TÍN HIỆU UWB ....................................................................................................... 3
1.4. CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB .................................... 5

1.4.1 Ưu điểm .............................................................................................................. 5
1.4.1.1 Khả năng chia sẻ phổ tần ............................................................................ 5
1.4.1.2 Dung lượng kênh lớn .................................................................................. 7
1.4.1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp.............................................................. 7
1.4.1.4 Khả năng chống nhiễu................................................................................. 7
1.4.1.5 Tính bảo mật cao ......................................................................................... 8
1.4.1.6 Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường ...................................... 8
1.4.1.7 Khả năng đâm xuyên lớn .......................................................................... 10
1.4.1.8 Kiến trúc máy thu đơn giản ....................................................................... 10
1.4.2 Nhược điểm ...................................................................................................... 11
1.4.2.1 Sự méo dạng xung ..................................................................................... 11
1.4.2.2 Ước lượng kênh........................................................................................ 12
1.4.2.3 Đồng bộ ..................................................................................................... 12
1.4.2.4 Nhiễu đa truy nhập .................................................................................... 13
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương
1.5. SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ .......................................................... 14

1.5.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).............. 14
1.5.2. Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ... 15
1.5.3. Sự khác nhau chủ yếu giữa UWB và trải phổ ................................................. 16
1.6. PHÂN LOẠI UWB .......................................................................................................... 17

1.6.1. UWB đơn băng (DS UWB) ............................................................................ 18
1.6.2. UWB đa băng .................................................................................................. 19
1.7. CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB ............................................................... 21

1.7.1. Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB................................... 21
1.7.2 Giới hạn phát của FCC ..................................................................................... 22
1.7.2.1 Các thiết bị truyền thơng ............................................................................... 22
1.7.2.2 Các thiết bị liên quan đến hình ảnh ............................................................... 22
1.7.2.3. Hệ thống radar chuyển động ........................................................................ 23
1.8. CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB........................................................................................ 25
1.9. KẾT LUẬN....................................................................................................................... 27

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB ....................................... 29
2.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 29
2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ................................................................................................ 29

2.2.1. Máy phát.......................................................................................................... 31
2.2.2. Máy thu ........................................................................................................... 32
2.2.3. Kênh ................................................................................................................ 33
2.2.4. So sánh cấu trúc thệ thống thông tin băng siêu rộng UWB và hệ thống
thông tin băng hẹp ..................................................................................................... 33
2.3. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT ...................................................................... 35

2.3.1. Điều chế On Off Keying (OOK) ..................................................................... 35
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

2.3.2. Điều chế biên độ xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) ....................... 36
2.3.3. Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) ................................ 38
2.3.4. Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation) .............................................. 41
2.4. KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU .................................................................... 43

2.4.1. Tách năng lượng (Energy Detector) ............................................................... 43
2.4.2. Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters) ........................... 44
2.5. KẾT LUẬN....................................................................................................................... 47

CHƯƠNG 3 MƠ HÌNH HĨA KÊNH THÔNG TIN BĂNG
SIÊU RỘNG UWB ........................................................................... 49
3.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 49

3.1.1. Khái niệm ........................................................................................................ 49
3.1.2. Mục đích của mơ hình hóa kênh ..................................................................... 50
3.1.3. Phân loại .......................................................................................................... 51
3.2. MƠ HÌNH HĨA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN............................................................. 52

3.2.1. Suy hao đường dẫn trong không gian tự do theo công thức Friis ................... 53
3.2.2. Mơ hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.15 .................................. 54
3.3 MƠ HÌNH HĨA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING) .... 56

3.3.1. Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ ................................................................ 57
3.3.1.1 Khái niệm pha đinh kích thước nhỏ .......................................................... 57
3.3.1.2Ngun nhân .............................................................................................. 58
3.3.2. Mơ hình hóa kênh ......................................................................................... 59
3.3.2.1 Giới thiệu................................................................................................... 59
3.3.2.2 Các đặc trưng của mơ hình kênh ............................................................... 60
3.3.3. Các mơ hình kênh kích thước nhỏ ................................................................ 64
3.3.3.1 Mơ hình Saleh-Valenzuela ngun bản .................................................... 65
3.3.3.2 Mơ hình Saleh-Valenzuela sửa đổi trong 802.15.3a ................................. 68

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB

Phạm Thúy Phương
3.4 KẾT LUẬN........................................................................................................................ 69

CHƯƠNG 4 NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU BĂNG HẸP LÊN
HỆ THỐNG UWB ............................................................................ 71
4.1 Những vấn đề về nhiễu băng hẹp trong các hệ thống UWB. ........................................ 71
4.2. Những giải pháp tránh nhiễu NBI.................................................................................. 74

4.2.1. Giải pháp đa sóng mang. ................................................................................. 74
4.2.2. Các cơ chế đa băng tần.................................................................................... 76
4.3. Những giải pháp khử nhiễu NBI .................................................................................... 78

4.3.1. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số. .................................................... 78
4.3.2. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số - thời gian. .................................. 78
4.3.3. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền thời gian. ............................................... 80
4.4. Hệ thống IS-OFDM cho kêh vô tuyến UWB ................................................................. 80

4.4.1. Hệ thống OFDM đa băng tần. ......................................................................... 80
4.4.1.1. Kế hoạch băng tần .................................................................................... 81
4.4.1.2. Điều chế OFDM ....................................................................................... 82
4.4.1.3 Trải lặp lại tấn số. ...................................................................................... 83
4.4.1.4. Trải lặp lại thời gian. ................................................................................ 83
4.4.1.5. Mã hóa...................................................................................................... 84
4.4.1.6. Bộ thu phát MB-OFDM. .......................................................................... 84
4.4.2 Mô phỏng hệ thống MB-OFDM ...................................................................... 86
4.4.2.1 Các tham số mô tả hệ thống ...................................................................... 86
4.4.2.2 Kết quả thực hiện. Nhận xét đánh giá ....................................................... 88
4.5. Đề xuất giải pháp hệ thống OFDM khử nhiễu cho kênh UWB ................................... 89

4.5.1. Hệ thống IS-OFDM cơ bản. ............................................................................ 90
4.5.1.2 Khối thu..................................................................................................... 94
4.5.2 Hệ thống IS-OFDM kết hợp cho kênh vô tuyến UWB.................................... 96
4.5.2.1 Phía phát .................................................................................................... 97
Tổng quan hệ thống thơng tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

4.5.2.2 Phía thu.................................................................................................... 100
4.5.3 Mơ hình tín hiệu ............................................................................................. 101
4.5.4 Đánh giá ảnh hưởng do nhiễu băng hẹp và AWGN ...................................... 102
4.6 KẾT LUẬN...................................................................................................................... 104

KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................... 105

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
BER
DA

Bit Error Rate
Driver Amplifier

DDA

Demodulation Driver Amplifier

DLL
DSSS

Delay Locked Loop
Direct Squence Spread Spectrum

EIRP

Effective Isotropic Radiated Power

FCC

Federal Communications Comission
Frequencey Hopping Spread
FHSS
Spectrum
ISI
Inter Symbol Interference
LNA
Low Noise Amplifier
MAI
Multiple Access Interference
MB
Multi Band OFDM
NF
Noise floor
NLOS Non Line Of Sight
LOS

Line Of Sight
LPF
Low Pass Filter
OOK
On – Off keying
Orthogonal Frequencey Division
OFDM
Multiplexing
PAM
Pulse Amplitude Modulation
PM
Pulse Position Modulation
SNR
Signal to Noise Ratio
RF
Radio Frequency
RF
Receiver
TFI
Time – Frequency Interleaved OFDM
OFDM
TR
Transmitted Reference modulation
TX
Transmitter
TRX
Transceiver
UWB Ultra – wideband
VGA
Variable Gain Amplifier

WPAN Wireless Personal Area Network

Tốc độ lỗi bit
Khối khuếch đại kích thích
Khối giải điều chế khuếch đại
kích thích
Mạch vịng khóa trễ
Trải phổ trực tiếp
Cơng suất bức xạ đẳng hướng
tương đương
Tổ chức viễn thông Quốc tế
Trải phổ nhảy tần số
Nhiễu giao thoa
Khối khuếch đại âm nhiễu thấp
Nhiễu đa truy nhập
Đa băng OFDM
Nhiễu sàn
Tuyến không thẳng (phản xạ)
Tuyến nhìn thẳng
Bộ lọc thơng thấp
Điều chế On – Off
Ghép kênh phân chia tần số trực
giao
Điều chế biên độ xung
Điều chế vị trí xung
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Tần số vơ tuyến
Bên thu
Ứng dụng thời gian – tần số đan
xen OFDM

Điều chế Truyền – Tham chiếu
Bên phát
Máy thu – phát
Băng siêu rộng
Khối khuếch đại có hệ số thay đổi
Mạng khơng dây cá nhân

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số ..............2
Hình 1.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ. Ton là thời gian tồn tại xung, Toff là thời
gian xung khơng xuất hiện ..........................................................................................2
Hình 1.3 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số ..................3
Hình 1.4 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số.........4
Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác 6
Hình 1.6: So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi………………………………………6
Hình1.7: Hiện tượng đa đường trong truyền thơng khơng dây ...................................9
Hình1.8: ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp .....................................9
Hình 1.9 : ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu rộng ..............................9
Hình1.10: Kiến trúc máy thu phát của mạng băng hẹp.............................................10
Hình1.11: Kiến trúc khối thu phát của hệ thống UWB.............................................11
Hình1.12: Kênh đa truy nhập UWB..........................................................................14
Hình1.13 Chuỗi dữ liệu và trải mã của nó dùng DSSS…………………………..14
Hình 1.14 Phân chặng tần số trong kĩ thuật FHSS……………………………… 15
Hình 1.15 Sự chuyển từ băng hẹp, băng rộng đến băng siêu rộng trong miền thời
gian và trong miền tần số ..........................................................................................16

Hình 1.16 DS UWB truyền một xung đơn trên một dải lớn của phổ để biểu diễn dữ
liệu .............................................................................................................................18
Hình 1.17 Phương pháp đa băng chia dải phổ của UWB ra làm nhiều băng con
không chồng lấn lên nhau .........................................................................................19
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

Hình1.18 : Đa băng MB-OFDM ...............................................................................20
Hình 1.19 Giới hạn phát cho các hệ thống hình ảnh xuyên tường............................23
Hình 2.1 Mơ hình khối của hệ thống……………………………………………..30
Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết cấu trúc hệ thống UWB ......................................................30
Hình 2.3 Sơ đồ máy phát..........................................................................................31
Hình 2.4 Sơ đồ máy thu ...........................................................................................32
Hình 2.5 Một sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống UWB ..........................................34
Hình 2.6 Sơ đồ mạch đơn giản của hệ thống băng hẹp dùng sóng mang ...............34
Hình 2.7 Điều chế OOK………………………………………………………… 35
Hình 2.8 Điều chế biên độ xung ...............................................................................37
Hình 2.9 Các đường phổ rời rạc của các xung có chu kì ..........................................38
Hình 2.10 Điều chế vị trí xung ..................................................................................39
Hình 2.11. Phổ lý tưởng của các xung khơng có chu kì ...........................................40
Hình 2.12 Điều chế lưỡng pha ..................................................................................41
Hình 2.13: Ví dụ các dạng điều chế với 1 tín hiệu đầu vào ......................................43
Hình 2.14 Máy thu dựa trên kĩ thuật tách năng lượng ..............................................44
Hình 2.15 Sơ đồ khối của một bộ lọc thích nghi cổ điển ..........................................44
Hình 3.1 Hàm truyền hệ thống phân tách kênh-anten ..............................................49
Hình 3.2 Minh họa đáp ứng xung của kênh ..............................................................61
Hình 3.3 Minh họa mơ hình Saleh-Valenzuela .........................................................66
Hình 4.1: Sự tồn tại của các phổ nhiễu NBI trong các hệ thống UWB. ...................72

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

Hình 4.2: Nhiễu NBI trong hệ thơng UWB đa sóng mang. ......................................75
Hình 4.3: Các giải pháp đa băng tần.(a)Giải pháp 2 băng. (b)Đa băng tần OFDM .77
Hình 4.4. Các băng tần con cho hoạt động của thiết bị mode 1................................82
Hình 4.5. Cấu trúc hệ thống MB-OFDM: (a) Bên phát; (b) Bên thu........................86
Hình 4.6. BER và ES/N0 [dB] của hệ thống MB-OFDM và SB-OFDM với điều chế
QPSK khi có NBI và AWGN. ..................................................................................89
Hình 4.7. Sơ đồ khối phát IS-OFDM cơ bản ............................................................91
Hình 4.8: sơ đồ khối thu IS-OFDM cơ bản...............................................................94
Hình 4.9: Hệ thống IS-OFDM kết hợp .....................................................................97
Hình 4.10: Sóng mang con IS-OFDM trong kênh UWB..........................................97
Hình 4.11: Sơ đồ khối phát UWB IS-OFDM ...........................................................98
Hình 4.12: Sơ đồ khối thu UWB IS-OFDM ...........................................................101

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Giới hạn phát cho các ứng dụng UWB khác nhau trong mỗi một dải phổ25
Bảng 1.2 So sánh UWB với các chuẩn khác.............................................................27
Bảng 3.1 Giá trị suy hao đường truyền .....................................................................56
Bảng 4.1. Phân bổ băng con trong UWB đa băng tần ..............................................82
Bảng 4.2: Các tham số của hệ thống UWB đa băng được mô phỏng .......................87

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng ở Việt Nam rất lớn và luôn tăng
trưởng, trong khi việc triển khai sử dụng đường dây thuê bao số và Wifi trên diện
rộng gặp nhiều hạn chế về khả năng triển khai và hiệu quả kinh tế. Ngày nay với
sự ra đời, phát triển chóng mặt của truyền thông và công nghệ thông tin đã từng
bước làm thay đổi cuộc sống và sinh hoạt của con người về mọi măt. Các kĩ thuật
và công nghệ mới dần dần thay thế cho các công nghệ cũ kĩ và lạc hậu đã và đang
đáp ứng được những nhu cầu cấp thiết của con người không chỉ trong lĩnh vực liên
lạc trao đổi thơng tin mà cịn cả nhu cầu giải trí. Do nhu cầu dung lượng cao, dịch
vụ nhanh, và tăng cường bảo mật cho các kết nối khơng dây vì vậy các kĩ thuật mới
cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để sử dụng băng thông một cách
hợp lý trong dải tần số có hạn.
Khi càng có nhiều dịch vụ mới ra đời thì làm cho nhu cầu về phổ lại trở nên
cấp thiết hơn bao giờ hết lúc đó sự ra đời của công nghệ thông tin vô tuyến băng
siêu rộng UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do nó có khả
năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra
nhiễu hoặc gây ra nhiễu nhỏ không đáng kể đồng thời với những ưu điểm mà nó
mang lại so với mạng băng hẹp đã làm cho giá thành của các hệ thống này giảm
xuống. Sự tồn tại này với các hệ thống truyền thơng khác đã mang lại lợi ích kinh tế
lớn do khơng phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số. Trong những năm
gần đây công nghệ UWB đang được nghiên cứu và ứng dụng trong viễn thông dân
dụng do những ưu điểm vượt trội của nó so với các hệ thống khác đó là tiêu thụ ít
cơng suất, giá thành thấp, tốc độ dữ liệu lớn, khả năng định vị chính xác, và tạp âm
rất thấp.
Ngày càng có nhiều các sản phẩm sử dụng công nghệ UWB được đưa vào

phục vụ cuộc sống. Nếu như trong kĩ thuật truyền dẫn không dây ở mạng băng hẹp
truyền thống tín hiệu sẽ được phát đi ở một số tần số nhất định thì trong mạng viễn
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

thơng sử dụng kĩ thuật UWB tín hiệu sẽ được trải ra ở một dải tần rất rộng. Chính vì
vậy thay vì việc phát đi các sóng có dạng hình sin thì ở đây sẽ phát đi các chuỗi
xung với tần số lên tới hàng GHz. Với kĩ thuật băng rộng cùng với việc công suất
thấp làm cho việc truyền dẫn UWB giống như nhiễu nền.
Chính những tiềm năng to lớn mà UWB mang lại, tôi quyết định cần phải
nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về cơng nghệ mới này để có thể mang những tiến
bộ đó ứng dụng vào trong cuộc sống.
Nội dung luận văn nghiên cứu được chia làm 4 chương:
Chương 1: Nội dung trình bày trong chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng
quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng UWB. Các khái niệm trong công
nghệ UWB, các cơ hội và thách thức đối với truyền thông không dây, các đặc điểm
của tín hiệu UWB, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp. Và
giới thiệu hai công nghệ chính của UWB sử dụng đó là UWB đơn băng và UWB đa
băng.
Chương 2: Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc tổng quan của một
hệ thống thông tin băng siêu rộng, cách điều chế dữ liệu đối với các kênh đa truy
nhập. Các phương pháp điều chế UWB điển hình, tiến bộ và thách thức của từng
phương pháp, phương pháp tách xung tại phía thu của hệ thống thông tin băng siêu
rộng UWB.
Chương 3: Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu việc mơ hình hóa
kênh thơng tin băng siêu rộng.
Chương 4: Nội dung được trình bày trong chương là những vấn đề về nhiễu
băng hẹp lên hệ thống UWB và cách khắc phục nhiễu.

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp được sự đồng ý, hưỡng dẫn, chỉ bảo
tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Phan Hữu Huân, cùng với sự giúp đỡ
của bạn bè và đồng nghiệp tơi đã có thêm nhiều tài liệu để tìm hiểu về hệ thống
thơng tin vô tuyến băng siêu rộng. Do đây là một đề tài khá mới mẻ và đề cập đến
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

một mảng kiến thức khá rộng cộng với trình độ bản thân cịn hạn chế nên trong q
trình làm luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự hướng dẫn
chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo cùng với sự giúp đỡ của các bạn để tơi có một
sự hiểu biết sâu hơn về đề tài mà tơi đã nghiên cứu tìm hiểu.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng

năm 2009

Học viên thực hiện

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


1

Phạm Thúy Phương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG
TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
1.1. MỞ ĐẦU

Làm việc, giải trí mọi nơi, mọi lúc là điều con người hằng mong ước. Các
công nghệ hiện tại như Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet
không dây, điện thoại di động đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn
rộng lớn của thông tin... Nhưng bên cạnh ưu điểm của nó, cơng nghệ kết nối khơng
dây hiện nay vẫn cịn hạn chế, chưa thật sự liên thơng và làm việc chưa hỗ trợ nhau.
Do nhu cầu của người sử dụng về dung lượng ngày càng cao, tốc độ nhanh, và
tăng độ bảo mật cho các kết nối không dây, các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra
một giải pháp phù hợp giữa việc sử dụng băng thơng một cách hợp lý trong dải tần
số có hạn. Trong bối cảnh tài nguyên phổ càng ngày càng trở nên khan hiếm thì sự
ra đời của cơng nghệ UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do
nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không
gây ra ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít tới những mạng này. Việc có thể tồn tại
song song của UWB với các hệ thống truyền thông khác mang lại lợi ích kinh tế lớn
do UWB không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số.
Nội dung trình bày trong chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền
thông trong mạng băng siêu rộng UWB. Các khái niệm trong công nghệ UWB, các
cơ hội và thách thức đối với truyền thông không dây, các đặc điểm của tín hiệu
UWB, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp. Và giới thiệu hai
cơng nghệ chính của UWB sử dụng đó là UWB đơn băng và UWB đa băng.
1.2. KHÁI NIỆM VỀ UWB
Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, người ta điều chế tín hiệu RF
liên tục bằng một tần số sóng mang xác định để truyền và nhận thơng tin. Dạng
sóng liên tục này có năng lượng xác định trong một băng tần hẹp. Tuy nhiên các tín
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

2

hiệu liên tục trong miền thời gian có tần số thấp dễ dàng bị phát hiện và lấy cắp

Biên độ

Công suất

thông tin bởi các tổ chức bất hợp pháp.

Thời gian

Tần số

Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số

Ngược lại, trong hệ thống UWB người ta khơng dùng sóng mang (carrierless),
các xung có thời gian tồn tại rất ngắn từ picosecond cho tới nanosecond và chu kì
nhỏ để truyền và nhận thơng tin. Trong đó thời gian tồn tại xung là tỉ lệ thời gian
xung xuất hiện trên chu kì xung.

Hình 1.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ. Ton là thời gian tồn tại xung, Toff là thời gian
xung không xuất hiện

Chu kỳ tồn tại xung nhỏ cho ta một cơng suất phát trung bình thấp trong các
hệ thống truyền thơng UWB. Cơng suất phát trung bình của các hệ thống UWB chỉ
nhỏ vào cỡ microwatt, chỉ bằng một phần nghìn cơng suất của các điện thoại tế bào.
Tuy nhiên công suất đỉnh hoặc công suất phát tức thời của hệ thống truyền thông
UWB tương đối lớn (trong một số trường hợp lên tới 1 watt cho 1 Mbps ở 1 MHz)
nhưng do chúng chỉ được phát đi trong một khoảng thời gian rất ngắn (Ton chỉ vào
cỡ 1ns) nên cơng suất phát trung bình của nó thấp hơn. Mặt khác tần số và thời gian
là tỉ lệ nghịch với nhau nên nếu xung có chu kì tồn tại nhỏ sẽ làm cho tần số trải ra

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

3

trên một dải tần rộng vì vậy năng lượng sẽ được phân bố từ các thành phần một
chiều cho tới tần số lớn cỡ GHz với mật độ phổ công suất (PSD: Power Spectral

Biên độ

Công suất

Density) rất thấp.

Tần số

Thời gian

Hình 1.3 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số
Độ rộng băng thông trong mạng UWB lớn là do hệ số tỉ lệ trong miền thời
gian của biến đổi Fourier như sau:
x(at ) =

1 f
X 
a a

(1.1)

Trong đó x(at) là tín hiệu x(t) được biến đổi theo hệ số tỷ lệ a với x(t) là tín
hiệu trong miền thời gian. X(f) là tín hiệu trong miền tần số của x(t), X(f) tỉ lệ
nghịch với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian a.
1.3. CÁC TÍN HIỆU UWB
Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là xung đơn
(monocycle) vì nó chỉ có một chu kỳ và có thể là bất cứ hàm nào thỏa mãn yêu cầu
về mặt nạ phổ.
Khi độ rộng các xung phát ra rất hẹp (cỡ 1ns), năng lượng của nó sẽ trải ra
trên một băng tần rất rộng. Theo qui định các xung UWB cần phải có độ rộng băng
thông lớn hơn 500MHz hoặc phân bố dải thơng lớn hơn 20% trong tồn bộ khoảng
thời gian phát xung.
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

4

Một tín hiệu UWB có thể là bất cứ dạng nào trong các tín hiệu băng rộng
chẳng hạn như Gaussian, chirp, wavelet, hoặc các xung có chu kì ngắn dựa trên đa
thức Hermit. Các kỹ thuật sử dụng để chế tạo các xung Gauss tương đối đơn giản và
chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ.
Hình 1.4 biểu diễn một xung đơn chu kì Gaussian là một ví dụ của xung UWB
trong miền thời gian và trong miền tần số. Xung Gaussian đơn là vi phân cấp một
của xung Gaussian gốc và được cho bởi công thức sau:
P(t ) =

t

τ

e

t
− 
τ





2

(1.2)

Biên độ (V)

Biên độ phổ cơng suất (dB)

Tần số trung tâm

Thời gian (Ns)

Tần số (GHz)

Hình 1.4 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số

Trong đó t: là thời gian
τ: là một hằng số thời gian trễ

FFC định nghĩa một tín hiệu UWB phải có tỷ lệ băng thơng lớn hơn 0,02 hoặc
chiếm phổ tần lớn hơn 500MHZ.
Tỷ lệ băng thông này được định nghĩa như sau:

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

5

Bf = 2×

( fh − fl )
( fh + fl )

(1.3)

Trong đó fh và fl là tần số cao nhất và tần số thấp nhất của mật độ phổ năng lượng
ESD
Người ta phân loại tín hiệu dựa trên FB (Fractional Bandwidth) như sau:
Băng hẹp:

Bf <1%

Băng rộng:

1%
Băng siêu rộng:

Bf >20%

1.4. CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB
1.4.1 Ưu điểm
Công nghệ UWB sử dụng các loại xung có chu kì ngắn có rất nhiều ưu điểm
và đem lại nhiều lợi ích so với truyền thơng trong mạng băng hẹp.
1.4.1.1 Khả năng chia sẻ phổ tần
Theo yêu cầu về công suất của FCC trong mạng UWB là 41.3 dBm/MHz
tương đương với 71.3 nw/MHz, tương tự như các bức xạ của tivi hoặc màn hình
máy vi tính, cơng suất này được xếp vào loại mức công suất của các bộ phát xạ
không gây ra một tác hại nào. Với giới hạn của công suất phát như vậy làm cho
UWB nằm dưới mức nhiễu nền của một máy thu băng hẹp điển hình và cho phép nó
tồn tại cùng với các dịch vụ băng vơ tuyến đã có trước đó với mức nhiễu nhỏ hoặc
khơng gây ra nhiễu.

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


Phạm Thúy Phương

6

Công suất

Băng hẹp
(30KHz)

CDMA băng
rộng (5 MHz)

Nhiễu nền
UWB (7.5 GHz)
Tần số

Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác

Tuy nhiên để có được các ưu điểm đó cịn phụ thuộc vào loại sơ đồ điều chế
được sử dụng trong quá trình truyền đạt dữ liệu của hệ thống UWB. Việc lựa chọn
cách điều chế sẽ tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ
công suất PSD của chúng, chính điều này sẽ làm tăng nhiễu của hệ thống UWB tới
các hệ thống đang tồn tại và làm cho hệ thống UWB dễ dàng bị gây nhiễu bởi các
hệ thống khác.

Hình 1.6: So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi

Tổng quan hệ thống thơng tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


7

Phạm Thúy Phương

1.4.1.2 Dung lượng kênh lớn
Dung lượng kênh hoặc tốc độ dữ liệu được định nghĩa là khối lượng lớn nhất
của dữ liệu được truyền qua kênh truyền thông trong một giây. Từ cơng thức
Hartley Shannon chúng ta có thể thấy rõ dung lượng kênh lớn trong hệ thống UWB.
S

C = B log 2 1 + 
N



(1.4)

Trong đó: C - dung lượng kênh lớn nhất (bits/sec)
B - Độ rộng băng thơng (Hz)
S - Cơng suất tín hiệu (W)
N - Cơng suất nhiễu (W)
Do băng tần rộng nên UWB có một dung lượng kênh lớn. Chúng ta thấy rằng
dung lượng kênh tăng tuyến tính cùng với độ rộng băng thơng. Vì vậy với một dải
thơng cỡ vài GHz của tín hiệu UWB sẽ cho ta tốc độ lên tới Gbps. Tuy nhiên, do
qui đinh hiện tại của FCC, một tốc độ dữ liệu cao như vậy chỉ được giới hạn truyền
trong khoảng cách ngắn cỡ 10m. Do đó UWB thường được lựa chọn nhiều nhất
trong các mạng cá nhân không dây WPAN (wireless personal area network) hoặc
các ứng dụng trong quân sự, dân sự và trong các sản phẩm dân dụng.
1.4.1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp
Từ cơng thức Hartley Shannon ta thấy dung lượng kênh chỉ phụ thuộc theo
hàm loga của tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Do đó hệ thống truyền thơng UWB có thể
làm việc được trong các kênh truyền thơng có nhiều nhiễu và tạp âm với một tỉ số
SNR thấp nhưng nó vẫn có một dung lượng kênh lớn do có băng thơng rộng.
1.4.1.4 Khả năng chống nhiễu
Khác với các hệ thống băng hẹp, phổ của hệ thống UWB sẽ trải ra trên một dải
tần rộng từ DC cho tới vài GHz và cung cấp một hệ số khuyếch đại của quá trình xử
lý cao.

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


8

PG =

Phạm Thúy Phương

RF bandwidth
Infomation bandwidth

(1.5)

Trong đó PG (Processing Gain) là một tỉ số nói lên khả năng chống nhiễu của
hệ thống thông tin vô tuyến được định nghĩa là tỉ số của độ rộng băng thông RF trên
độ rộng băng thơng của thơng tin.
Do khơng có một máy gây nhiễu nào có thể gây ra nhiễu cho tồn bộ dải tần
của hệ thống UWB tại một thời điểm. Vì vậy nếu có một số tần số bị nhiễu vẫn cịn
có một giới hạn lớn các tần số khác khơng bị nhiễu. Tuy nhiên khả năng chống lại
nhiễu này chỉ là so với các hệ thống băng hẹp và băng rộng. Do đó hiệu quả của hệ
thống truyền thơng vẫn có thể bị suy giảm phụ thuộc vào sơ đồ điều chế của nó do
tác động của các nhiễu đến từ các mạng băng hẹp là khá lớn khi chúng tồn tại trong
cùng một băng tần với hệ thống UWB.
1.4.1.5 Tính bảo mật cao
Cơng suất phát trung bình của hệ thống UWB là tương đối thấp làm cho hệ
thống UWB trở nên rất khó bị phát hiện đối với các tổ chức bất hợp pháp muốn
nghe lén hoặc lấy cắp thông tin. Với mỗi cặp thu phát, các xung UWB được điều
chế cùng với một mã duy nhất, và các xung rất hẹp được điều chế cộng với việc
phát hiện các xung cỡ ps mà không cần biết thời điểm chính xác chúng đến làm cho
các thơng tin được truyền đi với tính bảo mật cao.
1.4.1.6 Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường
Trong truyền thông không dây thì đa đường là một hiện tượng khơng thể tránh
khỏi. Nó gây ra do sự phản xạ tín hiệu truyền đi trên nhiều bề mặt khác nhau chẳng
hạn như các tòa nhà, các cây cối và con người. Hiện tượng đa đường có thể gây ra

suy giảm tín hiệu đáng kể đối với các tín hiệu băng hẹp.

Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB


9

Phạm Thúy Phương

Hình1.7: Hiện tượng đa đường trong truyền thơng khơng dây

Trong đó đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu gọi là LOS (Line

Biên độ

Of Sight), các tín hiệu phản xạ từ các bề mặt gọi là NLOS (Non Line Of Sight).

Thời gian (s)

Hình1.8: ảnh hưởng của đa đường lên các tín hiệu băng hẹp

Hình 1.9 : ảnh hưởng của đa đường lên các xung băng siêu rộng

Chu kì cực ngắn của các xung UWB làm cho nó ít nhạy cảm hơn đối với hiện
tượng đa đường. Do các xung được truyền trong khoảng thời gian nhỏ hơn ns trong
hầu hết các trường hợp nên các xung phản xạ NLOS rất ít có khả năng va chạm với
các tín hiệu LOS. Mặc dù vậy khơng có nghĩa là hệ thống truyền thông UWB tránh
Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB