Thiết kế anten dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (uwb) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
-------------------------------

Trần Thế Phương

thiết kế anten dùng trong công
nghệ truyền thông vô tuyến băng
siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có
cấu trúc đặc biệt

LUN VN THC S K THUT IN TỬ

Hà Nội – 2009


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

TRẦN THẾ PHƯƠNG

thiÕt kÕ anten dïng trong c«ng
nghƯ trun thông vô tuyến băng
siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có
cấu trúc đặc biệt

Chuyờn ngnh: K thut Vin thụng

LUN VN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2009


1

Lời cảm ơn
Trc tiờn tụi mun by t li cm ơn chân thành tới Thầy
giáo hướng dẫn TS. Vũ Văn m vì những định hướng, góp ý
q báu trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Sự hiểu biết sâu
rộng trong lĩnh vực anten, vơ tuyến cùng sự tận tình của Thầy
đã góp phần khơng nhỏ hỗ trợ tơi từng bước hồn thành nghiên
cứu này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh Phạm Đỗ Nhương người đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong q trình chế tạo mẫu
thiết kế.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới những người thân
trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã động viên, khích lệ,
tạo điều kiện cho tơi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Trần Thế Phương


2

TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Cơng nghệ vơ tuyến băng siêu rộng UWB đang thu hút được sự chú ý của
cộng đồng nghiên cứu, phát triển sản phẩm trên thế giới. UWB đem lại nhiều hứa
hẹn về một môi trường truyền thông phạm vi cá nhân tốc độ rất cao. Một trong
những thách thức kỹ thuật đối với UWB là thiết kế anten. Khác với anten vô tuyến

băng hẹp truyền thống, anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu
cầu khắt khe về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung. Bản đồ án đề xuất
một mẫu anten UWB dùng kiểu vi dải, khá dễ dàng khi chế tạo đặc biệt trong điều
kiện kỹ thuật hạn chế. Để nâng cao hiệu quả hoạt động của anten, đồ án đề xuất sử
dụng cấu trúc dải chắn điện từ EBG được tích hợp trong thiết kế anten vi dải. Đây
cũng là một minh chứng rõ rệt về vai trò cũng như ứng dụng của cấu trúc EBG –
một chủ đề nghiên cứu rất sôi nổi trên thế giới.

Different from the traditional antennas for narrow-band wireless systems, an
UWB antenna provides new challenges for designers such as how to achieve the
very wide impedance bandwidth (7.5 GHz) while still maintain high radiation
efficiency and minimize the pulse distortion. An Archimedean monofilar microstrip
antenna for UWB is presented in this research. To have a low-profile,
unidirectional radiation antenna, the thesis proposed using EBG substrate as the
ground plane for the antenna. As we can see, EBG also helps to improve the
antenna performance significantly.


3

LỜI CAM ĐOAN
Bản đồ án này do chính tơi nghiên cứu, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.
Vũ Văn m. Để hồn thành đồ án này, tơi chỉ sử dụng những tài liệu liệt kê trong
phần tài liệu tham khảo. Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình, thiết kế tốt
nghiệp nào khác.
Nếu sai tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hà Nội, ngày

tháng

Trần Thế Phương

năm 2009


4

MC LC
Lời cảm ơn ......................................................................................................... 1
TểM TT N .......................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 3
MỤC LỤC ........................................................................................................ 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 11
Chương 1. Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng ............................ 13
1.1

Giới thiệu về công nghệ UWB .................................................................13

1.2

Ưu điểm của công nghệ UWB .................................................................14

1.3

Thách thức ................................................................................................16

1.4

Tín hiệu và hệ thống UWB ......................................................................18

1.4.2

Kỹ thuật UWB đa sóng mang ..........................................................19

1.4.2.1

Hướng tiếp cận trải phổ .............................................................19

1.4.2.2

UWB đa băng ..............................................................................20

1.4.2.3

UWB đa băng dùng OFDM .......................................................20

1.4.3

Dạng sóng xung dùng trong UWB...................................................21

1.4.4

Các phương pháp điều chế dữ liệu ..................................................21

1.4.5

Các phương pháp đa truy nhập .......................................................23

1.4.5.1

Kỹ thuật nhảy thời gian ..............................................................23

1.4.5.2

Đa truy nhập phân chia theo tần số...........................................24

1.4.5.3

Đa truy nhập xung trực giao ......................................................24

1.4.6

Kỹ thuật thu UWB ............................................................................24

1.4.6.1

Tách năng lượng ........................................................................24

1.4.6.2

Bộ thu tương quan......................................................................24


5

1.4.6.3
1.5

Bộ thu Rake.................................................................................25

Các ứng dụng của UWB ..........................................................................25

Chương 2. Anten dùng trong UWB ............................................................. 26
2.1

Các tham số cơ bản của anten .................................................................26

2.2

Yêu cầu kỹ thuật của anten UWB...........................................................28

2.3

Nền tảng lý thuyết thiết kế anten UWB..................................................32

2.3.1

Phân loại anten UWB .......................................................................32

2.3.2

Cơ sở lý thuyết thiết kế anten UWB ................................................32

2.3.2.1

Giới thiệu về anten vi dải. ............................................................32

2.3.2.2

Anten độc lập tần số ......................................................................38

Chương 3. Cấu trúc EBG và ứng dụng trong thiết kế anten .................... 44
3.1

Giới thiệu về EBG.....................................................................................44

3.2

Cơ sở lý thuyết ..........................................................................................45

3.2.1

Định lý Bloch và đồ thị tán sắc ........................................................45

3.2.2

Các phương pháp số học mơ hình hóa cấu trúc EBG ...................48

3.3

Nghiên cứu cấu trúc EBG 2 chiều...........................................................49

3.3.1

Giới thiệu cấu trúc EBG ...................................................................49

3.3.2

Các mơ hình lý thuyết nghiên cứu cấu trúc EBG hình nấm .........50

3.3.3

Đặc tính của cấu trúc EBG hình nấm .............................................53

3.3.4

Phân tích cấu trúc EBG hình nấm bằng máy tính ........................59

3.4

Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten ................................................66

3.4.1

Ứng dụng đặc tính pha phản xạ ......................................................67

3.4.2

Ứng dụng tính chất triệt sóng mặt ..................................................69

3.4.3

Ứng dụng EBG trong thiết kế anten vi dải .....................................71

Chương 4. Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten UWB ................................. 72
4.1

Thiết kế anten UWB .................................................................................72

4.2

Thiết kế cấu trúc EBG .............................................................................75

4.3

Chế tạo thử nghiệm ..................................................................................81

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 85


6

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog Digital Converter

AMC

Artificial Magnetic Conductor

Balun

Balanced to Unbalanced

DS – CDMA

Direct Sequence Code Division Multiplex Access

EBG

Electromagnetic Band Gap

EMC

Electromagnetic Compatibility

EMI

Electromagnetic Interference

FB

Fractional Bandwidth

FDM

Frequency Division Multiplexing

FDTD

Finite Difference Time Domain

FSS

Frequency Selective Surface

ISI

Intersymbol Interference

MAI

Multi Acess Interference

MIMO

Multiple Input Multiple Output

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OOK

On – Off Keying

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PBG

Photonic Band Gap

PEC

Pecfect Electric Conductor

PG

Processing Gain

PMC

Perfect Magnetic Conductor

PPM

Pulse Position Modulation

PSM

Pulse Shape Modulation

PWE

Plane Wave Expansion

TH – IR

Time – Hopping Impulse Radio

TH – PPM

Time Hopping Pulse Position Modulation

7

TMM

Transmission Matrix Method

UWB

Ultra – Wideband

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 UWB tồn tại cùng các hệ thống thông tin băng hẹp khác ..........................16
Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM [8] ....17
Hình 1.3 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng trong UWB [8] ........................19
Hình 1.4 Phân bổ băng tần theo đề xuất của MBOA [8] ..........................................21
Hình 1.5 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian và các biến thể.........................22
Hình 1.6 Phổ các xung trong miền tần số .................................................................22
Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách năng lượng ..................................24
Hình 1.8 Bộ thu tương quan. .....................................................................................25
Hình 2.1 Trở kháng vào anten...................................................................................26
Hình 2.2 Minh họa hệ thống anten phát và thu .........................................................29
Hình 2.3 Minh họa biến đổi của dạng sóng xung theo hướng bức xạ ......................31
Hình 2.4 Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến.................................................................33
Hình 2.5 Tiếp điện kiểu đầu dị đồng trục.................................................................34
Hình 2.6 Tiếp điện dùng đường vi dải ......................................................................34
Hình 2.7 Tiếp điện kiểu ghép nối điện từ..................................................................35
Hình 2.8 Tiếp điện kiểu ghép nối qua khe ................................................................36
Hình 2.9 Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng .................................................................36

Hình 2.10 Các mạng biến đổi trở kháng trong thực tế ..............................................37
Hình 2.11 Minh họa lý thuyết vịng bức xạ ..............................................................40
Hình 2.12 Anten xoắn ốc mặt theo nguyên lý tự bù .................................................41
Hình 2.13 Minh họa anten Archimedean 2 cánh tự bù .............................................42
Hình 3.1 Minh họa cấu trúc EBG 3D, 2D (từ trái qua).............................................45
Hình 3.2 Cấu trúc EBG và cấu trúc đơn vị ...............................................................46
Hình 3.3 Một cấu trúc tuần hồn 2 chiều và miền Brillouni.....................................48
Hình 3.4 Cấu trúc EBG hình nấm .............................................................................49
Hình 3.5 EBG và mơ hình tương đương LC .............................................................50
Hình 3.6 Mơ hình đường truyền cho trường hợp sóng mặt ......................................51


8

Hình 3.7 Mơ hình đường truyền áp dụng cho sóng phẳng........................................52
Hình 3.8 Phiến kim loại để tính trở kháng sóng mặt ................................................54
Hình 3.9 Sự lan truyền sóng mặt trên phần giao giữa hai vật liệu khơng đồng nhất 54
Hình 3.10 Đồ thị tán sắc rút ra từ mơ hình LC [12] ..................................................56
Hình 3.11 Minh họa đồ thị pha phản xạ của EBG [12] ............................................59
Hình 3.12 Một unit cell .............................................................................................60
Hình 3.13 Mơ hình mơ phỏng tham số tán xạ ...........................................................61
Hình 3.14 Tham số tán xạ S21(ω) của cấu trúc EBG.................................................61
Hình 3.15 Sự phụ thuộc dải chắn vào W [20] ...........................................................62
Hình 3.16 Sự phụ thuộc dải chắn vào r [21] .............................................................62
Hình 3.17 Mơ hình mơ phỏng đồ thị tán sắc EBG....................................................63
Hình 3.18 Đồ thị tán sắc cấu trúc EBG .....................................................................64
Hình 3.19 Minh họa pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm (3.37) ......................64
Hình 3.20 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào W .............................................................65
Hình 3.21 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào g ..............................................................65
Hình 3.22 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào h ..............................................................66

Hình 3.23 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào hằng số điện mơi .....................................67
Hình 3.24 Lưỡng cực điện đặt gần PEC/PMC và EBG ............................................68
Hình 3.25 Tham số s11 trong các trường hợp PEC, PMC, EBG [11] ......................68
Hình 3.26 Dải tần hiệu quả của lưỡng cực và pha phản xạ của EBG [11] ...............69
Hình 3.27 Đồ thị bức xạ của lưỡng cực khi: b. đặt trên mặt phẳng đất ....................70
c. đặt trên EBG tại tần số trong dải chắn – d. tần số ngồi dải chắn [12] .................70
Hình 4.1 Minh họa đường xoắn ốc vi dải Archimedean ...........................................73
Hình 4.2 Minh họa mơ hình anten trên phần mềm mơ phỏng ..................................74
Hình 4.3 Kết quả s11 trong trường hợp có đất..........................................................75
Hình 4.5 Mơ hình mơ phỏng anten có tích hợp EBG ...............................................76
Hình 4.6 Pha phản xạ của cấu trúc EBG ...................................................................77
Hình 4.7 S11 khi có EBG ..........................................................................................77
Hình 4.8 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng XZ ....................................78
Hình 4.9 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng YZ ....................................78
Hình 4.10 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG khơng có vias ............................................79


9

Hình 4.11 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG có vias .......................................................79
Hình 4.12 Đồ thị S11 của anten với EBG có vias .....................................................80
Hình 4.13 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng XZ ............80
Hình 4.14 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng YZ ............81
Hình 4.15 Ảnh chụp mẫu thiết kế. ............................................................................82


10

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 – So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có .....................15

Bảng 2 – Một số yêu cầu kỹ thuật anten băng siêu rộng ..........................................72


11

MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm qua, công nghệ truyền thông không dây với khả năng cung
cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp ngày một phát triển mạnh mẽ, dần trở thành hình
thức truyền thơng chủ đạo đáp ứng tốt các nhu cầu thông tin liên lạc của đời sống
hiện đại. Rất nhiều chuẩn truyền thông đã ra đời: từ lĩnh vực thông tin cá nhân
(WPAN) với chuẩn Bluetooth (IEEE 802.15) nổi tiếng đến chuẩn WiFi (IEEE
802.11) trong mạng nội bộ (WLAN); Wimax (IEEE 802.16), 3G trong mạng vô
tuyến đô thị (WMAN) và những kết nối vô tuyến đường trục (WAN) như vệ tinh, vi
ba… Xuyên suốt cùng sự phát triển nhanh chóng này là nhu cầu khơng ngừng về
tốc độ truyền dữ liệu. Ngoài ra khi càng nhiều dịch vụ ra đời, tài nguyên phổ tần số
càng bị thu hẹp. Công nghệ truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng UWB chính là
một giải pháp cho bài tốn đó. UWB hoạt động trên dải tần 7.5 GHz không phải
đăng ký (từ 3.1 – 10.6 GHz). Để tránh can nhiễu tới các hệ thống vơ tuyến hiện có,
người ta quy định cơng suất phát tối đa của UWB là – 40 dBm tương đương với
mức nhiễu nền. Đánh đổi băng thông lấy công suất, UWB chủ yếu hướng tới ứng
dụng truyền thông phạm vi hẹp (WPAN) với tốc độ cao (chuẩn hiện có đạt tới tốc
độ 480Mb/s trong bán kính 10m, dùng để thay thế USB). Với sự ra đời của UWB,
tương lai đầy hứa hẹn về một môi trường truyền thông vô tuyến tốc độ cao tới tận
các thiết bị cầm tay khơng cịn xa vời.
Sự ra đời của cơng nghệ UWB đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật trong đó
có vấn đề thiết kế anten. Anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu
cầu khắt khe về cơng suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung. Đồ án này trình
bày một hướng thiết kế anten trong đó đề xuất sử dụng cấu trúc EBG để cải thiện
hiệu quả hoạt động của anten.
Bản đồ án chia làm 4 chương:

Chương 1 trình bày những vấn đề kỹ thuật cốt lõi của hệ thống vô tuyến
băng siêu rộng. Chương 2 đi sâu phân tích về anten và những yêu cầu thiết kế đặt ra
với anten dùng trong UWB. Chương 3 nghiên cứu chi tiết về cấu trúc dải chắn điện


12

từ EBG, những đặc tính độc đáo của EBG có thể ứng dụng để nâng cao hiệu quả
hoạt động của anten UWB. Chương cuối cùng trình bày mẫu thiết kế đề xuất kèm
theo sản phẩm chế tạo thử nghiệm.
Đồ án được hoàn thành với tinh thần nghiên cứu nghiêm túc. Tuy vậy do hạn
chế về thời gian, điều kiện kỹ thuật hiện có, đồ án khơng tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cơ và các bạn để nghiên cứu được
hồn chỉnh hơn.


13

Chương 1. Hệ thống thông tin vô tuyến
băng siêu rộng
1.1

Giới thiệu về công nghệ UWB
Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) đã và đang thu hút

sự chú ý lớn của cộng đồng nghiên cứu trên thế giới. Khác với các kỹ thuật truyền
thống, UWB dựa trên việc thu phát các xung độ rộng rất nhỏ (cỡ ns). Tín hiệu UWB
do vậy có băng thơng rất lớn (hàng GHz) và mật độ phổ công suất cực thấp ( ≤ 41.25 dBm/1MHz). Bởi thế cơng nghệ UWB cịn được gọi bằng những thuật ngữ:
“truyền thông xung - impulse”, “băng cơ sở - baseband” hay “phi sóng mang –
carrier free”.

Về lịch sử, UWB khơng phải kỹ thuật mới, thậm chí nó cịn là hình thức khởi
đầu của thơng tin vơ tuyến. Tín hiệu điện từ đầu tiên được tạo ra trong các thí
nghiệm của Hertz cuối thế kỷ 19 là tín hiệu xung ngắn. Trên cơ sở đó, năm 1901
Marconi xây dựng hệ thống thơng tin dùng sóng điện từ đầu tiên (điện báo) để
truyền đi các mã Morse. Tuy nhiên, từ sau 1910 sự chú ý lại quay về kỹ thuật băng
hẹp. Một phần nguyên nhân là do tín hiệu xung bấy giờ có tốc độ thấp nhưng lại
chiếm dụng băng tần lớn. Đặc tính trải phổ này, vào thời điểm đó bị đánh giá kém
hiệu quả trong khi phương pháp truyền thông băng hẹp mang lại hiệu quả sử dụng
phổ tần cao nhờ kỹ thuật FDM.
Vào khoảng những năm 60, UWB được ứng dụng trong lĩnh vực radar qn
sự. Tín hiệu xung với độ rộng càng hẹp thì radar xác định mục tiêu càng chính xác.
Sang thập niên 70, UWB lại thu hút sự chú ý mới. Người ta thấy rằng các
xung ngắn rất ít gây nhiễu các hệ thống băng hẹp hiện có và những hệ thống này
cũng ít can nhiễu tới nó. Thêm vào đó, đầu những năm 90, Win và Scholtz phát
minh ra kỹ thuật nhảy thời gian xung vô tuyến (time – hopping impulse radio THIR) giải quyết bài toán nhiễu đa truy nhập nhiều người dùng (MAI). Cùng với sự
phát triển của kỹ thuật điện tử, UWB bắt đầu đặt chân vào lĩnh vực truyền thông vô
tuyến thương mại.


14

Một động lực khác phải kể đến là năm 2002 FCC (Hoa Kỳ) ban hành quy
định về phổ tần 7.5 GHz (từ 3.1 – 10.6 GHz) và mặt nạ phổ công suất (công suất
phát không quá 0.5mW) cho truyền thông vô tuyến băng siêu rộng. Đây là một dấu
mốc quan trọng trong sự phát triển của UWB. Trong vòng 2 năm có khoảng 200
cơng ty hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này. Nhận thức xu hướng đó, IEEE đã
thành lập nhóm chuyên trách (IEEE 802.15.3a) gấp rút chuẩn hóa lớp vật lý cho
công nghệ truyền thông vô tuyến tốc độ cao dựa trên UWB. Song song với đó, trong
lĩnh vực công nghiệp, hai liên minh WiMedia (dùng kỹ thuật OFDM đa băng) và
Diễn đàn UWB (dùng DS-CDMA) đã xuất xưởng các sản phẩm đầu vào năm 2005.

Điều chú ý là không liên minh nào sử dụng kỹ thuật phát xung trực tiếp. Bên cạnh
các ứng dụng tốc độ cao, UWB còn được phát triển trong lĩnh vực truyền dữ liệu tốc
độ thấp nhưng chú trọng mục tiêu giảm thiểu cơng suất tối đa. Một nhóm chun
trách khác của IEEE ban hành chuẩn cho các ứng dụng này (IEEE 802.15.4a).
Trong lĩnh vực nghiên cứu, cộng đồng khoa học tập trung giải quyết nhiều
vấn đề: phát triển hiệu năng kỹ thuật nhảy thời gian, khía cạnh đa truy nhập và xử lý
can nhiễu, kỹ thuật cân bằng kênh, bộ thu Rake, kết hợp UWB với MIMO…
1.2

Ưu điểm của cơng nghệ UWB
• Hoạt động song song bên cạnh các hệ thống băng hẹp hiện có.
Theo quy định của FCC mật độ phổ của UWB rất thấp ≤ -41.25 dBm/1MHz

tương đương 71.3 nW/MHz. Mức công suất này được xếp vào loại bức xạ khơng
gây tác hại (như bức xạ từ màn hình ti vi hoặc máy tính). Do vậy UWB khơng gây
nhiễu cho các hệ thống băng hẹp hiện có. Hình 1.1 minh họa các hệ thống vô tuyến
băng hẹp cùng tồn tại với UWB kèm theo mức công suất phát giới hạn quy định cho
UWB ứng dụng trong nhà (indoor UWB).
Mặt khác một băng tần rất rộng đồng nghĩa với hệ số trải phổ lớn, các tín
hiệu băng hẹp trong dải tần UWB sẽ bị triệt công suất một lượng xấp xỉ hệ số trải
phổ tại bộ thu UWB, làm giảm khả năng can nhiễu vào hệ thống UWB.
• Dung lượng kênh lớn
Băng thông UWB rất lớn nhưng do công suất phát thấp nên tốc độ dữ liệu
của các hệ thống UWB nằm trong khoảng 100 - 500Mb/s (bảng 1). Cũng bởi công
suất phát thấp nên cự ly truyền thông của UWB tương đối hẹp.


15

Bảng 1 – So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có

Chuẩn truyền thơng

Tốc độ dữ liệu

UWB, USB 2.0

480

UWB (4 m tối thiểu), 1394a (4.5 m)

200

UWB (10 m tối thiểu)

110

FastEthernet

100

802.11a

54

802.11g

20

802.11b

11

Ethernet

10

Bluetooth

1

Ngoài ra với lợi thế băng tần lớn, UWB còn hướng tới các ứng dụng với mục tiêu
giảm thiểu cơng suất phát tối đa (IEEE 802.15.4a).
• Tính bảo mật cao
Vì cơng suất phát rất nhỏ, tín hiệu UWB rất khó bị phát hiện. Thêm vào đó,
các kỹ thuật điều chế phức tạp góp phần làm tăng tính bảo mật của hệ thống UWB.
• Khả năng chống nhiễu đa đường
Trong q trình lan truyền từ phía phát đến phía thu, sóng điện từ có thể bị
phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ hay hấp thụ bởi các vật thể. Tín hiệu sẽ đi theo nhiều
đường khác nhau và đến máy thu sau khoảng thời gian trễ khác nhau. Những phiên
bản tín hiệu này giao thoa làm tăng xác xuất lỗi bít ở đầu thu (hiện tượng này gọi là
nhiễu liên ký tự - ISI). Tuy nhiên với xung UWB, do có độ rộng rất hẹp (cỡ ns) nên
nếu các xung đa đường trễ nhưng khoảng thời gian lớn hơn độ rộng xung chúng sẽ
không giao thoa với nhau và hồn tồn có thể bị lọc bỏ trong miền thời gian hoặc
lợi dụng để tăng hiệu quả thu nhận tín hiệu như trong bộ thu Rake. Tuy vậy với các
ứng dụng vơ tuyến phạm vi hẹp, mơi trương có nhiều vật thể, xung UWB vẫn có thể
bị méo trầm trọng do hiện tượng đa đường.
• Kiến trúc thu phát đơn giản
Trong trường hợp phát xung khơng sóng mang, sẽ loại bỏ được nhiều khối
cao tần ở máy phát, thu. Kiến trúc thu phát đơn giản làm giảm chi phí, giá thành sản

16

phẩm. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ cao, đa truy nhập thì độ phức tạp, chi phí
sẽ tăng lên.

Hình 1.1 UWB tồn tại cùng các hệ thống thơng tin băng hẹp khác
1.3

Thách thức
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống vô tuyến băng rộng đã

tồn tại từ trước, việc sử dụng các xung có chu kì và thời gian tồn tại xung cực ngắn
cũng đặt ra rất nhiều thách thức, dưới đây là những khó khăn chủ yếu gặp phải khi
sử dụng hệ thống truyền thơng UWB.
• Sự méo dạng xung
Các thành phần tần số trong phổ tín hiệu UWB bị ảnh hưởng khác nhau bởi
kênh truyền vô tuyến. Công suất phát thấp cộng với méo dạng nhiều gây khó khăn
cho việc phục hồi thơng tin ở phía thu.


17

• Ước lượng kênh
Trong các máy thu tương quan việc ước lượng kênh đóng vai trị quan trọng.
Tuy nhiên do dải thơng của tín hiệu UWB rất lớn và năng lượng của tín hiệu bị suy
giảm trong mơi trường truyền dẫn làm cho các xung UWB bị méo nhiều vì vậy việc
ước lượng kênh chính xác trở nên rất khó khăn.
• Đồng bộ
Đồng bộ thời gian là một thách thức lớn, một hướng nghiên cứu của hệ thống

truyền thông UWB. Giống như tất cả các hệ thống truyền thông khác, cần phải thực
hiện quá trình đồng bộ thời gian giữa cặp máy phát và máy thu. Tuy nhiên quá trình
đồng bộ và quá trình lấy mẫu các xung cỡ ns đã tạo ra một thách thức lớn đối với
việc thiết kế các hệ thống truyền thông UWB. Để lấy mẫu được các xung rất hẹp
phải sử dụng đến các bộ ADC rất nhanh. Do sự giới hạn về công suất và chu kì
xung ngắn, hệ thống UWB rất nhạy cảm với các lỗi về thời gian như jitter, hiện
tượng trôi (drift). Đây là một trong những khó khăn chủ yếu đối với các máy thu
của hệ thống UWB sử dụng sơ đồ điều chế kiểu PPM, dựa trên việc tách chính xác
vị trí của tín hiệu thu được.
• Nhiễu đa truy nhập
Hệ thống đa truy nhập nhiều người dùng đòi hỏi phải tách được tín hiệu
người dùng cần quan tâm khỏi tín hiệu từ những người dùng khác. Việc này càng
khó khăn trong điều kiện tín hiệu UWB thu bị méo nhiều và cơng suất thấp.

Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM [8]


18

1.4

Tín hiệu và hệ thống UWB
Theo quy định của FCC, tín hiệu được coi là UWB phải có băng thơng 10dB

lớn hơn 500MHz hoặc tham số FB (fractional bandwidth) lớn hơn 20%. Ngồi ra
u cầu cơng suất tín hiệu UWB tuân theo mặt nạ phổ công suất quy định.
Mặc dù lịch sử UWB gắn liền với kỹ thuật phát xung trực tiếp khơng sóng
mang nhưng hiện nay có rất nhiều cách tiếp cận để xây dựng hệ thống truyền thông
UWB. Phần này sẽ giới thiệu hai xu hướng chính là UWB phát xung và UWB đa
sóng mang.

1.4.1 Kỹ thuật UWB phát xung (UWB impulse radio)
Kỹ thuật này dựa trên việc thu phát các xung có độ rộng rất nhỏ (khơng sử dụng
sóng mang). Phổ của xung đảm bảo nằm trong miền tần số UWB và tuân theo quy
định về mặt nạ phổ cơng suất.
Xung đơn có thể chọn kiểu dạng sóng Gaussian, Laplacian, Rayleigh hoặc
Hermitean tùy theo yêu cầu về mặt nạ phổ.
Dữ liệu được điều chế vào xung sử dụng một trong các phương pháp: PPM (điều
biến vị trí xung), PAM (điều biến biên độ xung), OOK (khóa tắt mở)…
Một kí tự điều chế (symbol) có thể tương ứng với N xung. Tương tự như trong kỹ
thuật trải phổ, độ lợi xử lý (processing gain – PG) tính theo công thức:
PG1 = 10log10N

(1.1)

Giả thiết khoảng thời gian truyền một kí tự là Ts được chia thành N khung thời gian
cho mỗi xung với độ rộng Tf = Ts/N (có thể xem Tf tương đương độ rộng một chip
Tc trong kỹ thuật trải phổ). Tuy nhiên xung UWB không chiếm tồn bộ Tf mà có độ
rộng xung Tx << Tf. Như vậy trong khoảng thời gian Tf máy thu chỉ lắng nghe kênh
truyền trong thời gian Tx. Điều này hạn chế đáng kể ảnh hưởng nhiễu từ các nguồn
phát khác và mang lại độ lợi xử lý PG2:
PG2 = 10log10

Tf
Tx

(1.2)

Trong trường hợp đa truy nhập nhiều người dùng, thời điểm phát xung còn được
xác định bởi mã nhảy thời gian giả ngẫu nhiên ví dụ kỹ thuật PPM kết hợp nhảy
thời gian (time-hopping).

19

Hình 1.2 trình bày kiến trúc bộ thu phát xung UWB dùng kỹ thuật điều chế PPM kết
hợp nhảy thời gian (TH-PPM).
1.4.2 Kỹ thuật UWB đa sóng mang
1.4.2.1

Hướng tiếp cận trải phổ

a. Kỹ thuật CDMA đa sóng mang phía phát và thu

b. Kỹ thuật CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang

c. Kỹ thuật CDMA đa tần.
Hình 1.3 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng trong UWB [8]


20

Ý tưởng trải phổ CDMA dùng trong hệ thống 3G được áp dụng để tạo ra
UWB theo đúng mặt nạ phổ quy định. Kỹ thuật sử dụng ở đây là kết hợp trải phổ và
đa sóng mang. Có 3 phương pháp: CDMA đa sóng mang, CDMA chuỗi trực tiếp đa
sóng mang và CDMA đa tần (hình 1.3).
Trong phương pháp CDMA đa sóng mang, luồng dữ liệu được trải trên các
sóng mang thứ cấp fi với mỗi chíp Ci của chuỗi giả ngẫu nhiên. Trải phổ được thực
hiện trong miền tần số. Tín hiệu điều chế trên mỗi sóng mang phải có độ rộng tối
thiểu 500MHz theo quy định. Phía thu thực hiện giải trải phổ sử dụng các chíp gi
tương ứng của mã giả ngẫu nhiên.

Phương pháp CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang, luồng dữ liệu được trải
phổ trong miền thời gian sau khi chuyển đổi nối tiếp - song song.
Phương pháp CDMA đa tần, khoảng cách tần số giữa các sóng mang fi nhỏ
hơn nên băng tần của hệ thống hẹp hơn so với các phương pháp khác.
Ngoài ra kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp không dùng đa sóng mang cũng có
thể áp dụng. Dữ liệu được trải phổ trong miền thời gian bằng cách nhân trực tiếp
với mã giả ngẫu nhiên gồm chuỗi bít ± 1 (gọi là các chíp) tạo ra bởi thanh ghi dịch.
Mỗi chíp độ rộng Tc. Lưu ý rằng khác với kỹ thuật UWB phát xung, các xung chíp
phát ra chiếm chọn cả khoảng thời gian Tc. Việc phát liên tiếp các xung tốc độ cao
như vậy là một khó khăn khi thiết kế mạch thực tế.
Ưu điểm của kỹ thuật đa sóng mang so với đơn sóng mang là tốc độ dữ liệu
trên mỗi sóng mang thứ cấp được hạ thấp nên dễ dàng hơn cho quá trình đồng bộ tại
đầu thu cũng như chống nhiễu ISI. Nhược điểm của kỹ thuật này là làm tăng độ
phức tạp của hệ thống.
1.4.2.2

UWB đa băng

Đây là cách tiếp cận đề xuất trong chuẩn IEEE 802.15.3a. Băng tần UWB được chia
làm các băng con độ rộng gần 500 MHz và cách nhau 470 MHz. Mỗi băng con
được tạo ra bằng cách phát xung với băng thông 500 MHz.
1.4.2.3

UWB đa băng dùng OFDM

Được đề xuất bởi MBOA, dùng kỹ thuật OFDM để tạo ra các tín hiệu (kênh) độ
rộng 528 MHz (hình 1.4).


21

1.4.3 Dạng sóng xung dùng trong UWB
Như đã trình bày, xung UWB phải có dạng sóng đáp ứng yêu cầu về mặt nạ
phổ công suất quy định. Về cơ bản xung có ba tham số phải quan tâm:
• Độ rộng xung Tx: Quyết định độ rộng băng tần trong miền tần số.
• Chu kỳ xung Tf: Xác định tần số trung tâm của băng tần chiễm giữ.
• Hình dạng xung: Ảnh hưởng đến phân bố năng lượng trong băng tần chiếm
giữ.

Hình 1.4 Phân bổ băng tần theo đề xuất của MBOA [8]
Có rất nhiều dạng sóng có thể sử dụng: Gaussian và các biến thể của nó
(hình 1.5+1.6), Rayleigh, Laplacian, Cubic… Các dạng sóng này có thể áp dụng
trong kỹ thuật UWB phát xung hoặc UWB đa băng (trong đó dạng sóng xung sẽ
được điều chế bởi sóng mang hình sin lên các băng tần mong muốn).
1.4.4 Các phương pháp điều chế dữ liệu
• Điều biến biên độ xung PAM
Tín hiệu sau điều chế s(t):
s(t) = djwtr(t)
trong đó dj = ± 1 ứng với bít 0 hoặc 1. wtr(t) là dạng sóng xung sử dụng.
• Khóa tắt mở OOK
Tương tự PAM nhưng dj = 0 hoặc 1 ứng với bít 0 hoặc 1.

(1.3)


22

Hình 1.5 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian và các biến thể

Hình 1.6 Phổ các xung trong miền tần số

• Điều biến vị trí xung PPM
s(t) = wtr(t – δdj)

(1.4)


23

với dj bằng 0 hoặc 1 tương ứng bít 0 hoặc 1.
Giá trị δ lựa chọn theo đặc tính tự tương quan của xung, theo đó giá trị tối ưu δopt
thỏa mãn:
=
δ opt

∞

=
+ τ ).dτ
∫ w tr (τ ).w tr (δ opt

0

(1.5)

−∞

• Điều biến dạng xung PSM
Trong phương pháp này mỗi ký tự điều chế tương ứng với một xung trong
tập xung cho trước. Các xung trong tập xung phải thỏa mãn đặc tính trực giao. Tập
xung có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các hàm đa thức Hermite sửa đổi hoặc

các sóng con (wavelets) [8].
1.4.5 Các phương pháp đa truy nhập
Kỹ thuật nhảy thời gian

1.4.5.1

Trong phương pháp này thời điểm xuất hiện xung được xác định bởi mã giả
ngẫu nhiên gán cho mỗi người dùng.
Giả sử bít dữ liệu thứ k có độ rộng Ts nằm trong luồng dữ liệu của người
dùng thứ m. Bít này được trải trên N xung với độ rộng xung Tx thời gian lặp xung Tf
(để tăng độ lợi xử lý). Khoảng thời gian Tf lại được chia thành Nc khoảng thời gian
chip Tc xác định bởi mã cj trong chuỗi mã giả ngẫu nhiên. Thời điểm xuất hiện xung
tùy thuộc mã giả ngẫu nhiên và dữ liệu điều chế (xét với phương pháp PPM).
∞

sm(t) =

N

∑ ∑ w(t − kTs − jT f − c mj Tc − δ dkm )

(1.6)

k =−∞ j =1

Kỹ thuật nhảy thời gian cũng có thể áp dụng cho phương pháp điều chế
PAM, PSM.
Chú ý rằng phổ tần số của dãy xung UWB liên tiếp có rất nhiều vạch phổ
năng lượng cao (peaks) dễ can nhiễu sang các hệ thống thông tin khác. Việc sử
dụng kỹ thuật nhảy thời gian sẽ làm ngẫu nhiên hóa sự xuất hiện của xung UWB

khiến cho phổ của dãy xung được nhiễu hóa, giảm thiểu sự xuất hiện của các đỉnh
năng lượng trong phổ.