Công nghệ truyền thông ultra wideband

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
Mục lục
Thuật ngữ viết tắt..................................................................................................i
Lời nói đầu..................................................................................................................1
Chơng 1..........................................................................................................................3
Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB.........................................3
1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến ..............................................3
1.1.1 3G và WLAN................................................................................................3
1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB .......................................................4
1.2 Lịch sử của UWB.................................................................................................5
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB ...............................................................................7
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao......................................................7
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp............................................................................7
1.3.3 Khả năng chống đa đờng...............................................................................7
1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. ................................................................................8
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp..............................................................8
1.4 Thách thức đối với UWB ...................................................................................11
1.5 Chuẩn hoá..........................................................................................................12
1.6 Các ứng dụng của UWB ....................................................................................14
1.6.1 Truyền thông và cảm biến...........................................................................15
1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp...............................................................................15
1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC.........................................................17
1.6.1.1.2 Kết nối đa phơng tiện vô tuyến cho các thiết bị CE.......................18
1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di
động.............................................................................................................19
1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB........................20
1.6.1.1.5 Mạng cảm biến..............................................................................20
1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao................................................................................22
1.6.2 Định vị và bám............................................................................................23
1.6.2.1 Định vị..................................................................................................23
1.6.2.2 Bám......................................................................................................23

1.6.3 Radar..........................................................................................................24
Chơng 2........................................................................................................................26
Phân tích tín hiệu UWB......................................................................................26
2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB ..................................................................................26
2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ.................................................................................26
2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian..........................................................................26
2.2.2 Xung Raised Cosin......................................................................................27
2.2.3 Lựa chọn dạng xung....................................................................................28
2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm............................................................................28
2.4 Các phơng pháp điều chế trong UWB...............................................................31
2.4.1 Điều chế vị trí xung.....................................................................................32
2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation)......34
2.4.3 Các phơng pháp điều chế khác....................................................................36
2.4.3.1 Điều chế xung trực giao........................................................................36
2.4.3.2 Điều chế biên độ xung..........................................................................38
Dơng Ngô Quý, D01VT
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
2.4.3.3 On-Off keying......................................................................................38
2.4.4 Tổng kết về các phơng pháp điều chế..........................................................38
2.4 Phân tích công suất.............................................................................................41
2.5 Phân tích môi trờng truyền dẫn và các ảnh hởng của nó lên tín hiệu UWB .......42
2.5.1 ảnh hởng của đa đờng.................................................................................42
2.5.2 Các ảnh hởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx.......................43
2.5.3 Khoá lại đờng khả dụng nhất.......................................................................43
2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập.............................................................................43
2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB .........................................43
2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian.........................................................44
2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã.................................................................44
2.6.3.1 Time-Hopping......................................................................................45
2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp......................................................................................45

Chơng 3........................................................................................................................47
Bộ thu phát UWB....................................................................................................47
3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB ........................................................47
3.2 Kiến trúc bộ thu UWB .......................................................................................48
3.2.1 Bộ thu tơng quan (Bộ lọc thích ứng)............................................................48
3.2.2 Máy thu Rake..............................................................................................48
3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý..................................................................................51
3.2.4 Thảo luận.....................................................................................................52
3.2.4.1 Số lợng Rake finger..............................................................................52
3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự......................52
Chơng 4........................................................................................................................54
So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác54
4.1 CDMA................................................................................................................54
4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS.......................................................................55
4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.........................................................59
4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM...........................................................59
4.3.2 Các trờng hợp ứng dụng của OFDM............................................................59
4.3.2.1 DSL......................................................................................................59
4.3.2.2 WLAN..................................................................................................60
4.3.2.3 Truyền hình và truyền thanh số............................................................60
4.3.2.4 UWB....................................................................................................60
Chơng 5........................................................................................................................61
Phân tích nhiễu......................................................................................................61
5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN.....................................................................61
5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a................................................................61
5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a.........62
5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu........................................................................62
5.1.4 ảnh hởng của UWB lên WLAN...................................................................63
5.2 Bluetooth............................................................................................................65
5.3 GPS....................................................................................................................66

5.4 Các hệ thống tổ ong............................................................................................66
Chơng 6........................................................................................................................68
Dơng Ngô Quý, D01VT
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
Kết luận.....................................................................................................................68
Chơng 7........................................................................................................................69
phụ lục........................................................................................................................69
7.1 Phụ lục A...........................................................................................................69
7.2 Phụ lục B............................................................................................................70
7.3 Phục lục C..........................................................................................................71
Tài liệu tham khảo..............................................................................................72
Dơng Ngô Quý, D01VT

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết
tắt
Thuật ngữ viết tắt
Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tơng tự
sang số
AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng
cộng
BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít
BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha cơ hai
CATV Cable Television or Community Antenna
Television
Truyền hình cáp hay
truyền hình anten cộng
đồng

CE Consummer Equipment Thiết bị ngời dùng
CMOS Complementary Metal-oxide-Semiconductor Bán dẫn ôxít kim loại bổ
xung
DS-
CDMA
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
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cờng
để phát triển GSM
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
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
Dơng Ngô Quý, D01VT
i
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết
tắt
truyền thông di động
HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao

IP Internet Protocol Giao thức Internet
ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu
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
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập ph-
ơng tiện
MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
MB-
OFDM
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
OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
OOK On-Off Keying Khoá On-Off
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
QoS Quality of Service Chất lợng dịch vụ
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

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
UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di
động toàn cầu
Dơng Ngô Quý, D01VT
ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết
tắt
USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu
UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng
VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video
WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia 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 Bus nối tiếp toàn cầu vô
tuyến
XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở rộng
Dơng Ngô Quý, D01VT
iii

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói
đầu
Lời nói đầu
Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn
thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn
mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, nh là: các ứng dụng đa

phơng tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc
biệt. Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn đợc phát triển (3G và WLAN) đợc
thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phơng tiện này và truyền dẫn video chất lợng thấp. Nhu
cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất
phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất.
Các công nghệ vô tuyến nh Bluetooth, hồng ngoại,, cha đáp ứng đợc yêu cầu về tốc độ
truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời
nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một b-
ớc đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị
đã đợc đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu
hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung UWB có những tính
năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em
quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tợng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học
của mình. Nhng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía
cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em
chọn là:
công nghệ truyền thông ultra wideband
Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản đợc phân ra thành từng chơng với
những nội dung chính nh sau:
Chơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB.
Chơng 2: Phân tích tín hiệu UWB
Chơng 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín
hiệu UWB.
Chơng 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác.
Chơng 5: Phân tích nhiễu.
Chơng 6: Kết luận.
Chơng 7: Phụ lục.
Đồ án đã làm rõ đợc các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông này.
Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu
rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần đợc

Dơng Ngô Quý, D01VT
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói
đầu
chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô,
bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục đợc phát
triển hoàn thiện.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Phi Hùng đã tạo mọi điều kiện
và tận tình hớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I, Trung tâm đào
tạo Bu chính viễn thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và ngời thân - những ngời đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và
kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Tây, ngày.........tháng........năm 2005
Sinh viên
Dơng Ngô Quý
Dơng Ngô Quý, D01VT
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Chơng 1
Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến
Hình vẽ 1-1dới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô
tuyến.
Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến
Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hớng phát triển của các hệ
thống cũ. Chúng đợc nâng cấp từng bớc để có thể tiến lên mạng băng rộng. Con đờng đi lên
mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trớc đó là khác nhau.

Xét về khía cạnh thay đổi để có thể đợc nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ
thống nh GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA đợc sử dụng
ngay từ đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi
hơn cũng vì công nghệ CDMA đã đợc ứng dụng trớc đó.
1.1.1 3G và WLAN
Trong hệ thống 3G, nh UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của ngời dùng có thể
đợc cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trờng tĩnh, trong khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu
hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lợng nh trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phơng
tiện hoặc truyền video chất lợng thấp. Kích thớc của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ
Dơng Ngô Quý, D01VT
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

hơn hệ thống 2G hiện tại, nh GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn
trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2).
Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF
So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lợng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3). Ví dụ:
các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trờng cung cấp cho ngời dùng tốc độ dữ
liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét. Trong tơng lai WLAN
có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức
MAC mới đợc thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ đợc đồng bộ hoá, và
thích ứng liên kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở
thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video.
1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB
Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng đợc đẩy (xem hình 1-4) lên và
các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng.
Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng
vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp
ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu mới cho mạng gia đình hay mạng khu
vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại nh 3G hay WLAN không thể đáp

ứng đợc yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện UWB.
802.11 Thông lợng dữ liệu theo khoảng cách
Dơng Ngô Quý, D01VT
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-3: Thông lợng dữ liệu WLAN theo khoảng cách
Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến
1.2 Lịch sử của UWB
Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu
truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quát nhất.
Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản
và các lý thuyết nền tảng, lần lợt tơng ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và
Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật
hoạt động. Thứ tự của chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng
của chúng. Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trởng thành, những mối quan tâm
chính và liên quan trực tiếp đợc nâng lên dần dần theo hớng về phía sau danh sách những
quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể
Dơng Ngô Quý, D01VT
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ đợc điều khiển. Nếu không có hiểu biết về
các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức
tạp sẽ không thể thành công. Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy
luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng.
Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA
Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280
Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024
Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720

Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520
Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280
Mbps tại chuyển động tối
thiểu 30 khung (mầu 16 bít)
147 230 377 629
Mbps tại chuyển động tối
thiểu 30 khung (mầu 24 bít)
221 345 566 943
Mbps sau khi nén 6-32 15-50 20-70 30-100
Các ứng dụng MPEG-2
DVD
Máy chiếu Máy chiếu
xách tay
Màn hình
máy tính
Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video
Mặc dù thờng đợc coi nh là một bớc đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhng UWB
cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ. Nền tảng lớp vật lý cho truyền dẫn xung
UWB đã đợc thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ trớc (1901) khi ông muốn ngăn chặn sự tán
xạ của xung trong miền thời gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo. Trong thực tế, có
ngời đã cho rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và
Hertz vào cuối những năm 1890. Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến
đầu tiên đã dựa trên UWB. Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp đợc
quan tâm nhiều hơn UWB. Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã
(CDMA), UWB theo con đờng tơng tự nh vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và
truyền thông trong quân đội.
Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không còn là
điều bí mật, UWB có đợc đà phát triển mạnh vào năm 1998. Những mối quan tâm đến
UWB chỉ đợc châm ngòi từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm
2002 về việc cho phép triển khai mang tính thơng mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4)

cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời.
Dơng Ngô Quý, D01VT
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Nh vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhng UWB xuất hiện
với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã đợc FCC cấp
phát.
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB
Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phơng pháp truyền tin cổ
điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không đợc coi nh là một phơng tiện truyền thông mãi
cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể đợc nhấn mạnh,
mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống nh các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại
(nh CDMA hoặc OFDM):
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao
Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lợng tối đa có thể đạt đợc trong một kênh với tạp
âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là:
( )
SNRWC
+=
1log
2
(1-1)
SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lợng tăng theo hàm logarit với
công suất (tơng ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng. Điều đó không có nghĩa là
một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với dung lợng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử
dụng một phần băng tần đó. Nhng do tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít
công suất hơn để truyền một tốc độ bit nh nhau với một xác suất lỗi không đổi.
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp
Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc của tín hiệu

UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng nh là mã PN (cung cấp khả năng
truy nhập đờng truyền). Một quy tắc xác định đơn giản cho thấy cả độ phức tạp cũng nh là
thời gian cần thiết để nghe lén một tín hiệu tỉ lệ với bình phơng công suất của cả độ rộng
băng và chiều dài mã, làm cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu
nh cấu trúc của nó không đợc biết trớc.
1.3.3 Khả năng chống đa đờng
Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện nh là một khái niệm có trạng
thái cố định có liên quan đến đa đờng. Đa đờng xuất hiện khi một hoặc nhiều hơn tiếng
vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau (xem hình 1-6). Nếu một
vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời
điểm quyết định ký hiệu, các thành phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và
không thể đợc tách. Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đờng vọng của một tín hiệu
hình sin và cách thức chúng kết hợp.
Dơng Ngô Quý, D01VT
7
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thể đ-
ợc nhận dạng tiếp theo là đợc thêm vào các ký hiệu tơng ứng. Nếu nh các xung có độ rộng 1
ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đờng đi mà độ lệch về khoảng cách dới 30
cm. Nếu nh xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đờng này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của
sự xuất hiện này trong môi trờng trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trờng hợp tín hiệu băng
hẹp. Hình 1-7 minh hoạ cho điều này trong trờng hợp các xung là đơn chu kỳ. Lu ý rằng đa
đờng đợc tách và phân biệt một cách dễ dàng, một máy thu RAKE đợc triển khai đơn giản
để tận dụng u điểm đó. Xem thêm phần 2.5.1.
1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu.
Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB đợc phát minh nh là các hệ thống
băng gốc. Một ADC có thể đợc đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp âm thâp (LNA) và phần
sau của hệ thống có thể đợc hoạt động trên miền tín hiệu số. Không cần vòng khoá pha hay
tần số. Sau khi FCC đa ra một số quy định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại

tín hiệu đợc phép sử dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phơng pháp
đơn giản nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần,
hoặc là trong miền tơng tự hoặc trong miền số.
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp
Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ thống
truyền thông vô tuyến cũ, một dung lợng kênh cao hơn có thể đạt đợc thậm trí trong cả môi
trờng mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của Shannon:
( )
SNRWC
+=
1log
2
(1.2)
Trong trờng hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với SNR là 0dB, dung
lợng kênh có thể tính theo C=2.log
2
(1+1)=2 Gbps. Theo kết quả này, chúng ta có thể thấy
rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao,
và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một giải pháp lý tởng cho lớp vật lý của mạng PAN.
Dơng Ngô Quý, D01VT
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-5: Đa đờng trong một tín hiệu băng hẹp
Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các hệ
thống UWB hoạt động tơng tự nh các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản
nh các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi
nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng. Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ
rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng.
So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn băng tần,

UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9). Do đó, công suất tín hiệu
UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và nhiễu tới các thiết bị nh đầu cuối
802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ qua về mặt nguyên lý.
Dơng Ngô Quý, D01VT
9
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-6: Một trờng hợp của hiện tợng đa đờng với ứng dụng trong nhà
Hình 1-7: Đa đờng trong tín hiệu UWB
Dơng Ngô Quý, D01VT
10
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ
1.4 Thách thức đối với UWB
Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp
dẫn cho truyền thông trong tơng lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử thách
cần phải vợt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi.
Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển. Truyền thông vô tuyến luôn
luôn phải quy định sao cho tránh đợc nhiễu từ các ngời dùng khác nhau trên cùng một phổ tần.
Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tợng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị
ảnh hởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thống truyền
thông vô tuyến đã tồn tại. Trong nhiều trờng hợp, các đối tợng sử dụng này phải trả tiền để có
đợc quyền sử dụng riêng phổ tần.
Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa các thiết
bị UWB. Tại thời điểm hiện tại, cha có sự thống nhất rõ ràng và khả năng của một vài chuẩn
UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất đợc mong đợi (xem thêm 1.5).
Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai. Một số vấn đề về
mặt kỹ thuật có thể kể đến nh: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông cũ, tạo ra
tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đờng, nhiễu giao thoa ký hiệu

đặc biệt trong môi trờng tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các bộ chuyển đổi tơng
tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá. Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp
còn đó, nhng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công
suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên tơng tự nh các thiết bị vô tuyến hiện tại.
Dơng Ngô Quý, D01VT
11
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-9: Mặt nạ phổ đợc đa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà
1.5 Chuẩn hoá
Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế hệ kế
tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý. Mặc dù nhiều đề xuất đợc đa
ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng đang là những ứng cử viên đầy hứa
hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt đợc sự chấp thuận từ phía uỷ ban chuẩn hoá.
Đề xuất DS-CDMA, đợc đa ra bởi Freescale ( trớc kia là Xtreme Spectrum) và kết hợp
với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần đợc cấp phát thành hai băng. Mặc dù đề xuất ban
đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhng phiên bản sau đã vợt ra ngoài phổ tần đó. Dải
tần cho đề xuất này là từ 3.2 5.15 GHz và 5.825 10.6 GHz. Sơ đồ DS-CDMA sử dụng
M-ary Bi-Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh và phân kênh.
Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này.
Dơng Ngô Quý, D01VT
12
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA.
Đề xuất MB-OFDM đợc đa ra bởi một nhóm các công ty lớn nh Intel, TI . Theo đề
xuất này thì phổ tần đợc chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ rộng là 528 MHz) và các thiết
bị đợc phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn. Hơn nữa,
OFDM đợc sử dụng cho từng băng một. Dữ liệu đợc điều chế một cách thích hợp và sử dụng
băng tần của nó. Toàn bộ phổ tần đợc chia thành 4 nhóm riêng biệt. chỉ nhóm A đợc dự

định cho các thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiện tại. Các
nhóm còn lại đợc dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tơng lai. Hình 1-11, hình 1-12 sẽ giải
thích thêm về vấn đề này.
Sơ đồ mà DS-CDMA đa ra nhằm đạt đợc tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, giá
thành thấp và kích thớc nhỏ. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ cao cỡ 100Mbps và
trong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ thống. Đồng bộ thời gian, sự
lựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và mức độ ISI (inter symbol interference) là
các vấn đề quan trọng trong đề xuất này. Trái lại, MB-OFDM đợc xem nh một giải pháp thực
tế hơn nh: giảm đợc độ nhạy trong việc đồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụng CMOS.
Tuy nhiên, một câu hỏi lớn đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch điện, MAI và
sự đồng ý của FCC. Trớc khi sự bế tắc này có thể đợc giải quyết bởi uỷ ban chuẩn hoá, cả hai
nhóm đã quyết định triển khai các đề xuất của mình và xác minh lại tính khả dụng của nó.
Dơng Ngô Quý, D01VT
13
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM
Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM.
1.6 Các ứng dụng của UWB
UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp
dẫn, nh thể hiện trong hình 1-13.
Về cơ bản, các ứng dụng này có thể đợc chia thành 3 nhóm:
Truyền thông và cảm biến
Định vị và theo dõi
Radar
Dơng Ngô Quý, D01VT
14
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp.

1.6.1 Truyền thông và cảm biến
Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trờng khách
hàng. Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống
truyền thông có thể đợc cải thiện, tăng cờng,nâng cấp. Các ứng dụng trong truyền thông có
thể đợc chia ra làm hai khu vực - tốc độ dữ liệu thấp và cao. Cả hai đều yêu cầu công suất
thấp và dung lợng cao, chúng là các biểu tợng cho chất lợng của UWB.
1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp
Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ - nhng chúng
thờng đợc nối bởi dây dẫn hoặc cáp. Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữ liệu
vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, và để cho
vô vàn mục đích khác. Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể
là không dây, nhng giải pháp trên thị trờng ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng
với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng
lắm trong việc đạt đợc một thoả hiệp hoàn hảo. UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng
đột ngột nh là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc
truyền xuyên qua các đối tợng mà không gặp trở ngại gì về kết nối. Nó cũng bị ảnh hởng bởi
các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhng ít hơn trờng hợp ánh sáng hồng ngoại.
Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phơng thức không liên tục, nhiễu cũng
không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một
không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác. Trớc hết chúng ta xét chi tiết hơn
Dơng Ngô Quý, D01VT
15
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực
đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trờng thiết bị.
Sự nổi lên của môi trờng nhà số đợc cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (nh bộ nghe
nhạc, xem video số), các thiết bị di động (nh điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bị máy
tính cá nhân (nh máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lợng lớn các ứng dụng. Các thiết bị này
có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):

PC và Internet
Các thiết bị điện tử cho ngời tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá
Các thiết bị cầm tay và di động
Các thiết bị này thông thờng đợc đặt trong các phòng khác nhau và đợc dùng cho nhiều chức
năng khác nhau. Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy vọng chúng có thể tơng tác đợc với
nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ ghi hình số thông tin với STB,. Sự hội tụ của các
loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt
động và phân phối thông lợng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao. Hiện
tại, các loại thiết bị này sử dụng các giao diện và và khuôn dạng nội dung khác nhau.
Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh
của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó đợc sử dụng cho nhiều thiết bị để có thể tạo ra WPAN
nh ngày hôm nay. Nhng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng đợc giá thành và công suất
theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking.
Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhng nó vẫn không thể phân phối hết đợc
hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lợng cao đồng thời. Công
nghệ UWB cung cấp một thông lợng nh đã đợc yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị
đã hội tụ. Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, nh WIMedia Alliance, sẽ đảm
bảo chắc chắn sự hoạt động tơng tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và
Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng
rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ thấp.
Dơng Ngô Quý, D01VT
16
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB

Hình 1-14: Sự hội tụ của các loại thiết bị
Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kê
một số ứng dụng chính ở dới đây:
Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phơng tiện, nh máy ảnh số, máy chạy MP3 xách
tay, bởi kết nối vô tuyến.
Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và các

thiết bị lu trữ ngoài khác.
Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, nh
điện thoại tổ ong 3G, cũng nh là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bị di
động PC/CE dựa trên IP kế tiếp.
Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị di
động.
1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC
Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đa hiệu năng
và độ tiện lợi nh đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo. Hiện tại, USB hữu
tuyến có một thị phần đáng kể nh là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15).
Nhng cáp cũng chỉ có thể đợc sử dụng theo phơng thức này. Công nghệ Bluetooth đã giải
quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt
động tơng tác. Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tợng sử dụng có quyền
hy vọng về USB không cần dùng cáp. Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã có đợc một
Dơng Ngô Quý, D01VT
17