Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng anten beamforming vào hệ thống uwb

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Học viên thực hiện: Trịnh Xuân Hoàng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO HỆ THỐNG UWB Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số Chuyên ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng - 2017 LỜI CAM ĐOAN Để hoàn thành luận văn này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS Tăng Tấn Chiến đã trực tiếp hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết, tận tình giúp đỡ động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến tập thể các Thầy Cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, thuộc Đại học Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài. Em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên thực hiện i Mục lục Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU 1 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING 4 1.1 Công nghệ UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8] . . . . . . . . . 5 1.1.3 Đặc tả và các luật cơ bản của công nghệ UWB do FCC qui định [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4 Các ưu điểm của công nghệ UWB [5] . . . . . . . . 6 1.1.5 UWB và định lí Shannon [5] . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.6 Dạng tín hiệu và phổ tín hiệu [5] . . . . . . . . . . . 6 1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask) [5] . . . . . . . . . . . . 9 1.1.8 Các phương pháp điều chế . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.8.1 Điều chế theo vị trí xung PPM . . . . . . . . . . 10 1.1.8.2 Điều chế OOK – PAM . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.9 Đa truy cập trong UWB – đa truy cập theo kiểu nhảy thời gian [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.9.1 Nhảy thời gian với tập nhảy lặp lại . . . . . . . 12 ii 1.2 1.3 1.4 1.1.9.2 Nhảy thời gian với tập nhảy giả ngẫu nhiên . 1.1.10 Sơ đồ khối bộ phát UWB . . . . . . . . . . . . . . . . Anten Beamforming – Anten mảng thích nghi [4] [2] . . 1.2.1 Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Ưu điểm vượt trội . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Lí thuyết về mảng anten . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1 Anten mảng tổng quát . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2 Hệ Anten tuyến tính có xử lý tín hiệu . . . . 1.2.4 Phương pháp định tia thích nghi [4] . . . . . . . . . 1.2.5 Phương pháp định tia tối ưu [4] . . . . . . . . . . . 1.2.5.1 Định tia không ràng buộc (unconstrained beamformer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5.2 Định tia có điều kiện ràng buộc . . . . . . . . . Anten thích nghi băng rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Anten thích nghi dùng dây trễ [4] . . . . . . . . . . 1.3.2 Anten thích nghi băng tần con [3] . . . . . . . . . . Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 15 15 15 16 17 17 19 21 24 . . . . . . 24 25 29 29 31 36 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TIA BẰNG CÁCH CHIA BĂNG CON Ở MIỀN TẦN SỐ ĐỂ ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO CÔNG NGHỆ UWB 37 2.1 Những hạn chế khi sử dụng anten đẳng hướng . . . . . . 37 2.2 Hạn chế của phương pháp Beamforming thông thường . 39 2.3 Giải pháp chia băng con ở miền tần số . . . . . . . . . . . . 42 2.3.1 Cố định và làm đồng đều búp tia chính ở hướng quan sát theo tần số [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3.2 Mỗi tần số có một tập các trọng số tối ưu riêng . 44 2.3.3 Nhóm các tần số lân cận thành một băng con [1] 45 2.3.4 Cập nhật trọng số theo phương pháp định tia tối ưu bằng giải thuật LMS [4] . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.5 Sơ đồ khối mô phỏng và giải thuật . . . . . . . . . . 48 2.3.5.1 Sơ đồ khối tính toán trọng số tối ưu . . . . . . . 49 2.3.5.2 Lưu đồ giải thuật khối ước lượng trọng số . . . 50 2.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53 3.1 Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2 3.3 3.4 Các Các 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 Kết trường hợp thực hiện mô phỏng . . mô phỏng và nhận xét kết quả . . . Hệ số mảng của hệ anten . . . . . SINR cải thiện khi số anten tăng Giảm xác suất lỗi bit . . . . . . . . . Cải thiện dung lượng . . . . . . . . . luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 56 56 58 60 62 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn thực hiện đánh giá sự cải thiện về dung lượng và chất lượng của hệ thống UWB bằng cách ứng dụng anten beamforming. Đối với băng cực rộng, do băng tần rộng nên dẫn tới hệ số mảng của dãy anten theo tần số là không đồng đều, hướng tia chính không thể xoay về đúng vị trí quan sát ở mọi miền tần số. Vì vậy các giải thuật định tia băng hẹp không thể áp dụng ngay vào băng UWB. Để khắc phục điều đó, luận văn sử dụng phương pháp định tia ở miền tần số và sử dụng giải thuật định tia tối ưu băng hẹp. Hệ thống UWB được sử dụng để đánh giá chất lượng và dung lượng là UWB - TH - 2 PAM. Hệ thống truyền ở băng UWB với điều chế PAM, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian. Từ khóa: Anten beamforming, UWB - TH - 2 PAM, phương pháp định tia miền tần số, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian, phương pháp định tia tối ưu. Abstract This lecture research about problem of improving quality and capacity of UWB technology by Beamforming Antennas. For ultra wide band, due to the wide frequency band, the frequency range of the array of antennas is not uniform, and the direction of the beam can not be rotated to the correct position in all frequencies. Therefore, narrowband beam solutions can not be applied immediately to UWB bands. To overcome this, the lecture uses the frequency-domain-defining method and uses optimal beam in narrowband design. The key solution to overcome those problem is to implement beamforming in frequency domain. The choosen UWB system to evaluate quality and capacity is UWB - TH - PAM. In which, the communication system is in UWB band, PAM modulation and time hopping multiaccess. Keywords: Antenna beamforming, UWB - TH - 2 PAM, the frequency-domaindefining method, time-hopping-multiaccess method, optimal beam design. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. AF BER BPM CDMA DFT FDMA LS MMSE NAMI OOK PAM PPM SDMA SINR SPNMI TDL TDMA TH – PAM ULA UWB Array Factor Bit Error Rate Biphase Modulation Code Division MultiAccess Discrete Frequency Transform Frequency Division MultiAccess Least Square Minimum Mean Square Estimation Noise Alone Matrix Inverse On Off Key Pulse Amplitude Modulation Pulse Position Modulation Space Division MultiAccess Signal to Interference plus Noise Ratio Signal Plus Noise Matrix Inverse Tapped Delay Loop Time division MultiAcess Time Hopping – Pulse Amplitude Modulation Uni Linear Arrays Ultra-Wideband Danh mục hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 2.1 2.2 Dạng xung vuông on – off nhanh. b. dạng xung Gauss đôi. c. Đạo hàm bậc 1 của xung Gauss đôi. d. Đạo hàm bậc 2 của dạng xung Gauss đôi [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dạng và phổ tín hiệu tương ứng của xung Gauss đôi và vi phân bậc 1, vi phân bậc 2 của nó. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mặt nạ phổ của tín hiệu UWB hoạt động ở chế độ indoor. [5] . . Các giải pháp điều chế. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Chuỗi xung chưa điều chế, b. Chuỗi xung điều chế PPM. [5] . a. Chuỗi xung chưa điều chế, b. Chuỗi xung điều chế theo PAM, c. Chuỗi xung điều chế theo OOK. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . Mật độ phổ công suất với tập nhảy tuần hoàn và tập nhảy giả ngẫu nhiên. [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ khối bộ thu. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anten lưỡng cực ngắn và hệ tọa độ [4] . . . . . . . . . . . . . . . Anten mảng tuyến tính. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anten mảng tuyến tính điều khiển bằng pha. [2] . . . . . . . . . . Cấu trúc mảng thích nghi. [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các trọng số được đặt ở mỗi anten để tối ưu hóa SNR. [4] . . . . Cấu trúc của TDL trong anten băng rộng. [4] . . . . . . . . . . . Mô hình dãy anten hoạt động theo phương pháp chia băng con. [3] Khoảng cách giữa các anten không bằng nhau . . . . . . . . . . . . Băng thông con chồng lấn nhau tạo thành băng thông của tín hiệu. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 9 10 10 11 14 15 18 19 20 22 24 30 33 33 34 Giản đồ tia của anten đẳng hướng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Giản đồ lái tia khi τ = 1.63e − 9, L = 8, fL = 3GHz , góc quan sát = 60o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Sơ đồ khối của giải pháp chia băng con. [4] . . . . . . . . . . Các tần số gần nhau được xếp thành một băng, có cùng trọng [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thuật toán LMS có điều kiện ràng buộc. [4] . . . . . . . . . Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ khối tính toán trọng số . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lưu đồ thuật toán giải thuật cập nhật trọng số LMS . . . . . . số. . . . . . . . . . . Giản đồ beam trường hợp định tia ở miền tần số và định tia thông thường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp 1 can nhiễu . . . . . . . . . . . 3.3 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp có 3 nguồn nhiễu giao thoa . . 3.4 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp 5 nhiễu giao thoa . . . . . . . 3.5 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có 1 can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có 3 nhiễu giao thoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có 5 nhiễu giao thoa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 Dung lượng (Mbps), trường hợp 1 can nhiễu . . . . . . . . . . . . 3.9 Dung lương (Mbps), trường hợp 3 nhiễu giao thoa . . . . . . . . 3.10 Dung lượng (Mbps), trường hợp 5 nhiễu giao thoa . . . . . . . . . 42 . . . . . 46 48 49 50 51 . . . . 57 58 59 59 3.1 . 60 . 61 . . . . 62 63 63 64 Danh mục bảng biểu 1.1 1.2 1.3 Bảng so sánh công suất, mật độ phổ công suất giữa các hệ thống. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Biểu thức toán học các dạng xung Gauss. [5] . . . . . . . . . . . . 7 Bảng thể hiện nguyên tắc hoạt động của đa truy cập theo mã nhảy 13 3.1 3.2 Các thông số mô phỏng cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Các trường hợp khảo sát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Việc nghiên cứu về UWB có thể xem là hướng nghiên cứu mới vì hiện tại công nghệ UWB chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. UWB - ultra wideband là hệ thống sử dụng băng thông cực rộng ở tần số cao với công suất phát thấp trong truyền dẫn không dây. Băng cực rộng được FCC (ủy ban quản lí tần số Hoa Kì) định nghĩa là băng thông lớn hơn hoặc bằng 500MHz hoặc là băng thông thỏa mãn tỉ số băng thông trên tần số sóng mang lớn hơn 0,2. Với băng thông rộng như vậy, UWB mở ra một khả năng to lớn cho truyền dữ liệu tốc độ cao, cự li ngắn. Qua đó, sẽ có sự tích hợp mạnh mẽ các thiết bị số như video số, ngoại vi máy tính, thiết bị cầm tay v.v. . . vào mạng WPAN. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là vấn đề cải thiện dung lượng và chất lượng của việc sử dụng băng UWB bằng cách ứng dụng Anten Beamforming. Cụ thể hơn, là ứng dụng phương pháp định tia của Anten Beamforming vào băng cực rộng để nhằm mục tiêu cải thiện hai yếu tố: dung lượng và chất lượng. Việc nghiên cứu về UWB có thể xem là hướng nghiên cứu mới vì hiện tại công nghệ UWB chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu • Anten mảng thích nghi và các phương pháp định tia. • Hệ thống đa truy cập phổ biến trong UWB là : DS - UWB và TH - UWB. - DS - UWB hoạt động đa truy cập theo mã trải phổ trực tiếp trên tín hiệu, sau đó điều chế tín hiệu xung UWB (CDMA). - TH - UWB là hệ thống truy cập kiểu nhảy thời gian theo mã. 2 • PAM (Pulse Amplitude Modulation) là phương pháp điều chế biên độ xung mà theo đó giá trị bit tin hoặc giá trị kí hiệu sẽ xác định mức điện áp của tín hiệu xung. Nếu với chuỗi bít tin chỉ với hai mức 0 và 1 thực hiệu điều chế PAM, ta có điều chế PAM hai mức, còn gọi là 2 PAM. Phạm vi nghiên cứu Đề tài sử dụng hệ thống TH - 2PAM để khảo sát vấn đề cải thiện chất lượng và dung lượng khi sử dụng Anten Beamforming trong công nghệ UWB. Tức là một hệ thống kết hợp bởi phương pháp đa truy cập nhảy thời gian và điều chế PAM hai mức được viết tắt là hệ thống truyền TH - 2PAM. Phương pháp nghiên cứu Khi dùng anten mảng cho băng UWB, chúng ta sẽ gặp khó khăn. Hệ số mảng AF (Arrays Factor) là không đồng đều ở mọi tần số. Để khắc phục cần có các giải pháp chia băng UWB ra làm nhiều băng hẹp để ứng dụng giải thuật anten beamforming cho hệ thống. Đầu tiên luận văn giới thiệu một số phương pháp xử lí cho băng rộng: • Phương pháp thứ nhất là anten thích nghi dùng dây trễ (TDL - Tapped Delay Line). • Phương pháp thứ hai phân tích thành thành nhiều băng chồng lấn và điều chỉnh độ định hướng của anten theo tỉ số chồng lấn các băng. • Phương pháp thứ ba là chuyển toàn bộ tín hiệu qua miền tần số bằng phương pháp DFT và thực hiện beamforming trên miền tần số. Luận văn chọn phương pháp thứ 3. Thứ hai, thực hiện áp dụng phương pháp định tia tối ưu vào anten mảng nhưng phải đảm bảo thông số mảng AF ở hướng thu mong muốn là như nhau đối với mọi miền tần số và đồng thời có khả năng giảm nhiễu cho hệ thống. Thứ ba, chứng minh rằng giải pháp kết hợp Anten Beamforming vào băng cực rộng có cải thiện về dung lượng và chất lượng đối với truyền thông thông thường trên hai phương diện : lý thuyết và mô phỏng. Về mô phỏng, sự cải thiện chất lượng và dung lượng thể hiện qua các biểu đồ xác suất lỗi bit (BER) và biểu đồ tín hiệu trên nhiễu (SNR) bằng cách đối chiếu tương ứng giữa Anten Beamforming và anten đẳng hướng. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay các dịch vụ trên mạng viễn thông gia tăng không ngừng trong khi nguồn tài nguyên của mạng viễn thông là hữu hạn. Dải tần thấp ngày càng hạn hẹp chính vì vậy băng thông bảo vệ nhỏ gây nhiễu lẫn nhau nhất là tốc độ dữ liệu không cải thiện. Như đã đề cập ở trên, công nghệ UWB là công nghệ mới, có tiềm năng khai thác lớn trong tương lai nên việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này là hợp thời điểm. Hơn nữa, với việc kết hợp Anten Beamforming vào hệ thống UWB ta có thể kết hợp những nghiên cứu sẵn có trong công nghệ băng hẹp để cải thiện chất lượng và dung lượng truyền dẫn. Với một anten đẳng hướng, tính chọn lọc và định hướng của anten này rất thấp. Điều này dẫn tới các can nhiễu ở các hướng khác nhau dễ dàng xâm nhập vào bộ thu. Hơn nữa, do không có tính định hướng mạnh về hướng phát mong muốn nên phạm vi sử dụng của anten sẽ hẹp. Hạn chế này được cải thiện khi sử dụng thuật toán định tia trong Anten Beamforming. Ngoài ra, phương pháp anten beamforming có thể thay đổi một cách mềm dẻo để phù hợp với các băng tần khác nhau mà không phải can thiệp ở phần cơ học của anten như khoảng cách giữa các phần tử anten, vị trí của anten trong không gian. Cấu trúc của luận văn Bố cục luận văn được chia làm 3 chương: 1. Chương I: Tổng quan công nghệ UWB và anten beamforming. 2. Chương II: Phương pháp định tia bằng cách chia băng con ở miền tần số để áp ứng dụng anten beamforming vào công nghệ UWB. 3. Chương III: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Nội dung luận văn gồm có: Chương một là phần tổng quan về lý thuyết anten và các phương pháp xung quanh đề tài. Chương hai nói về phương pháp định tia ở miền tần số để áp dụng giải pháp định tia băng hẹp. Chương ba là kết quả mô phỏng và nhận xét. Cuối cùng là các kết luận và hướng phát triển của luận văn. 4 Chương 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING Công nghệ UWB là công nghệ truyền thông không dây theo chuỗi xung, băng cực rộng, bắt đầu phát triển mạnh từ cuối thập niên 1990. Đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ này và tương lai của ngành truyền thông không dây nằm ở công nghệ dựa trên truyền dẫn trên băng cực rộng. Lĩnh vực anten là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ UWB. Trong đó có giải pháp ứng dụng dãy anten với các thuật toán thích nghi. Trong chương này, chúng ta đề cập đến cơ sở lí thuyết của anten mảng và công nghệ UWB rồi đưa ra các giải pháp beamforming cho băng hẹp. Qua đó, làm cơ sở để thực hiện mô phỏng. 1.1 Công nghệ UWB 1.1.1 Giới thiệu UWB – băng cực rộng thực ra không phải là một khái niệm mới trong ngành viễn thông. Trong quá khứ, tín hiệu băng cực rộng được quân đội Hoa Kỳ sử dụng trong radar để phát hiện các mục tiêu ẩn nấp trong rừng rậm và trên mặt đất. Tuy vậy, gần đây công nghệ này mới được ứng dụng vào lĩnh vực điện tử viễn thông. Do đó, nó trở thành một công nghệ mới trong ngành này. Ưu điểm của công nghệ UWB là chi phí thấp, công suất sử dụng thấp, tốc độ truyền dữ liệu cao, khả năng dò vị trí chính xác, dung lượng cao và đặc biệt là can nhiễu rất thấp. Các công nghệ ở tần số cao phổ biến hiện nay đều có băng thông hẹp. Các chuẩn 802.11x hiện tại tuy hoạt động ở tần số cao (2,4 GHz) nhưng vẫn được xem là công nghệ băng hẹp. Trái lại, UWB có băng thông rất rộng với tần số hoạt động rất cao (cỡ GHz). Sóng radio hình sin không được dùng trong công nghệ này, thay vào đó là các dạng chuỗi xung rời rạc dạng Gauss, Hermit. Tín 5 hiệu UWB có năng lượng rất thấp, dưới cả mức nhiễu nền. 1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8] Công nghệ UWB là một khái niệm mới trong ngành viễn thông. Tuy nhiên, trong vật lí, tín hiệu UWB đã được biết đến từ lâu. Có hai tiến trình xảy ra theo kiểu ngược chiều nhau trong thông tin không dây. Ban đầu, truyền thông không dây dựa trên các chuỗi xung rời rạc trong vòng hai mươi năm đầu tiên cho đến khi xung hình sin được tìm ra. Truyền thông bằng chuỗi sin tuần hoàn liên tục bắt đầu có ưu thế và chiếm vị trí lâu dài trong truyền sóng radio. Mãi gần đây thì có sự dịch chuyển ngược trở lại, truyền không dây bằng chuỗi xung rời rạc UWB. Năm 1893, Heinrich Hezt thử nghiệm trên xung gai nhọn bằng cách cho xả tụ điện để phát ra tín hiệu điện từ. Hai mươi năm đầu tiên kể từ sự kiện đó, việc truyền không dây chỉ dựa trên chuỗi xung rời rạc cho đến khi xung hình sin được tìm ra. Vị trí độc tôn của sóng sin trong truyền tin không dây được duy trì cho đến hiện nay. Và có lẽ sẽ tiếp tục nếu như không có sự xuất hiện của máy dao động kí vào năm 1960. Công nghệ đi kèm với máy dao động kí - tạo các xung băng cơ sở có độ rộng cỡ nano giây – đã kích thích sự phát triển của công nghệ UWB. Từ đó, tính chất của tín hiệu băng rộng được nghiên cứu và nhiều ưu điểm của nó được phát hiện. Quân đội Mỹ lợi dụng khả năng xuyên thấu của tín hiệu UWB để ứng dụng vào lĩnh vực radar trong quân sự. Năm 1973, sáng chế công nghệ UWB được công nhận ở Hoa Kỳ. Từ đó công nghệ này được ứng dụng lật sang một trang mới. Cuối thập niên 1990, các ứng dụng thương mại của công nghệ này xuất hiện trên thị trường và tiếp tục được khai thác để phát triển cho đến ngày nay. 1.1.3 Đặc tả và các luật cơ bản của công nghệ UWB do FCC qui định [5] FCC là tổ chức qui định các luật lệ, điều khoản về sử dụng tần số. FCC ra qui định về băng tần cũng như các tiêu chí kĩ thuật cho thiết bị UWB hoạt động ở Hoa Kì. Sau đây là trình bày về các đặc tả kĩ thuật của công nghệ UWB như băng thông, tần số hoạt động, nguồn phát tín hiệu, băng thông phân đoạn (fractional bandwidth). Băng thông UWB là khoảng tần số có tần số biên dưới (lower) và biên trên (upper) giảm 10 dB so với công suất bức xạ đỉnh của toàn bộ hệ thống phát, bao gồm cả anten. Như vậy là khác với qui ước về băng tần ở các dải băng khác là suy giảm 3 dB. Tần số biên trên được gọi là fh tần số biên dưới là fl , tần số 6 có công suất bức xạ đỉnh là fm . Tần số trung tâm là tần số trung bình của tần số fl và fh . fc = fl + fh 2 (1.1) Băng thông phân đoạn là tần số được định nghĩa bởi công thức: FB = 2 fh − fl fh + fl (1.2) Nguồn phát UWB là nguồn bức xạ ở bất kì điểm thời gian nào bức xạ tín hiệu với băng thông phân đoạn lớn hơn 0,2 hoặc có băng thông lớn hơn hoặc bằng 500 MHz. 1.1.4 Các ưu điểm của công nghệ UWB [5] Các ưu điểm của công nghệ UWB là : tốc độ truyền dữ liệu cao, giá thành thiết bị thấp, không bị đa đường, định vị và truyền tin đồng thời. Tốc độ dữ liệu cao là sự ao ước của không chỉ người dùng mà cả đối với nhà sản xuất. UWB có thể hiện thực hóa tốc độ truyền không dây lên đến 100 Mbps. Với giải pháp điều chế xung và bức xạ trực tiếp chuỗi xung tại anten, công nghệ UWB chỉ có kiến trúc máy phát và máy thu đơn giản hơn so với hệ thống điều chế, giải điều chế sóng sin. Độ rộng xung nhỏ, băng thông chiếm dụng lớn làm cho tín hiệu đa đường có độ phân giải (resolution) tốt ở phía thu. Điều này thật quan trọng vì nó giúp cho hệ thống loại bỏ được can nhiễu trong không gian tự do. 1.1.5 UWB và định lí Shannon [5] Theo định lí Shannon:  C = Blog2 S 1+ N  (1.3) Dung lượng tỉ lệ thuận với băng thông sử dụng và với loga cơ số 2 của tín hiệu trên nhiễu. Mà băng thông của tín hiệu UWB cực kì lớn, điều đó có nghĩa là ta sẽ có một dung lượng truyền lớn. Nếu áp dụng các biện pháp nâng cao tỉ số SNR thì rõ ràng, công nghệ UWB sẽ cung cấp một dung lượng kênh truyền cực lớn. 1.1.6 Dạng tín hiệu và phổ tín hiệu [5] Mật độ phổ công suất tín hiệu được định nghĩa là tỉ số giữa số giữa công suất trên băng thông: P SD = Trong đó: P B (1.4) 7 P là công suất toàn băng, tính bằng Watt. B là băng thông tín hiệu, tính bằng Hz. PSD là mật độ phổ công suất, đơn vị đo (W/Hz). Trong quá khứ, truyền thông không dây chỉ sử dụng băng hẹp và dạng sóng hình sin. Kết quả là mật độ phổ công suất rất lớn. Đối với tín hiệu UWB, không chỉ mật độ phổ công suất rất thấp mà công suất truyền cũng rất thấp. Bảng sau sẽ chứng tỏ điều đó: Bảng 1.1: Bảng so sánh công suất, mật độ phổ công suất giữa các hệ thống. [5] Hệ thống Công suất truyền Băng thông PSD (W/MHz) Radio Truyền hình Di động 2G 802.11a 50kW 100kW 500mW 1W 75kHz 5MHz 8,33 kHz 20 MHz 660600 16700 60 0.05 0.5 mW 7.5 GHz 6,670x10-8 UWB Phân loại Băng Băng Băng Băng hẹp hẹp hẹp rộng Băng cực rộng Dạng tín hiệu của xung UWB là dạng xung Gauss đôi (doublet). Dạng xung này được chọn vì dễ tạo ra. Một xung vuông dễ dàng được tạo ra bằng cách on – off transitor. Khi on – off thật nhanh thì dạng xung vuông bị biến dạng thành một dạng xung khác, có hai sườn tạo thành các đường cong mềm mà không bị gãy khúc. Dạng xung đó gần giống với dạng xung Gauss đôi. Do đặc tính lọc của anten mà xung điện áp kích thích anten bị thay đổi dạng thành các xung Gauss vi phân bậc một, bậc hai. Do đó khi khảo sát băng thông của tín hiệu thu, ta thường xét đến dạng tín hiệu vi phân của xung Gauss đôi. Bảng 1.2: Biểu thức toán học các dạng xung Gauss. [5] Dạng xung Dạng Gauss đôi yg1 (t) = K1 e Dạng phổ Hệ số √ 2 − τt 2 Yg 1 (ω) = K1 τ πe−(πτ f ) t 2 Vi phân bậc 1 −( τ ) yg2 (t) = K2 −2t τ2 e Vi phân bậc 2 (τ ) yg3 (t) = K3 −2 τ2 e t 2 2 K1 = r τ √ 2 Yg2 (f ) = K2 τ π (j2πf ) e−(πτ f ) K2 = √ 2 Yg3 (f ) = K3 τ π(j2πf )2 e−(πτ f ) K3 = τ r E1 q π/ 2 τ E2 q π/ 2 r 3 τ E3 q π/ 2 8 Hình 1.1: Dạng xung vuông on – off nhanh. b. dạng xung Gauss đôi. c. Đạo hàm bậc 1 của xung Gauss đôi. d. Đạo hàm bậc 2 của dạng xung Gauss đôi [5] Hình 1.2: Dạng và phổ tín hiệu tương ứng của xung Gauss đôi và vi phân bậc 1, vi phân bậc 2 của nó. [5] 9 1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask) [5] Các tín hiệu hoạt động ở băng tần có chồng lấn vào băng khác cần phải tuân theo mặt nạ phổ nhất định để không gây can nhiễu vào hệ thống khác. Để giảm tối đa can nhiễu, FCC qui định công suất phát tại đầu ra ở các tần số khác nhau. Hình 1.3: Mặt nạ phổ của tín hiệu UWB hoạt động ở chế độ indoor. [5] Khoảng tần số từ (3.1 ÷ 10) GHz là băng được FCC phân bố cho tín hiệu UWB. Mật độ công suất tối đa yêu cầu ở dải này là -41,3 dBm. Khoảng tần số thấp hơn từ (0.96 ÷ 1.61) GHz có mật độ công suất phải cực thấp vì tránh nhiễu đến các hệ thống đã được phân bố hoạt động ở tần này. Cụ thể, băng tần này đã được cấp phát cho thông tin di động, thông tin vệ tinh, GPS. 1.1.8 Các phương pháp điều chế Ở phần trước, chúng ta đã biết tín hiệu UWB được truyền đi dưới dạng chuỗi xung. Tuy nhiên, để những chuỗi xung này mang được thông tin số, chúng phải được điều chế bằng các phương pháp điều chế. Ở đây có thể chia làm thành hai loại phương pháp điều chế. Phương pháp điều chế theo thời gian và phương pháp điều chế theo dạng xung. Phương pháp điều chế theo thời gian là phương pháp điều chế dựa trên vị trí xung (Pulse Position Modulation – PPM). Phương pháp điều chế theo dạng xung gồm nhiều loại : điều chế theo biên độ xung (PAM), điều chế theo khóa mở - tắt (OOK), điều chế theo biên độ (ASK), điều chế theo 2 pha (BPK). 10 Hình 1.4: Các giải pháp điều chế. [5] 1.1.8.1 Điều chế theo vị trí xung PPM Mỗi xung được bố trí trong một khe thời gian nhảy -tδ . Sau đó tùy thuộc vào kiểu dữ liệu điều chế mà xung nằm ở khe thời gian nhất định. Sau đây là ví dụ cho trường hợp điều chế 2-PPM. Tức là chỉ có 2 mức tín hiệu 0 hoặc 1 điều chế vị trí của xung trong một chu kì bit. Hình 1.5: a. Chuỗi xung chưa điều chế, b. Chuỗi xung điều chế PPM. [5] Hình 1.5a cho ta biết về chuỗi xung chưa điều chế, hình b cho dạng của chuỗi xung đã được điều chế. Khi tín hiệu là 1 vị trí xung giữ nguyên so với vị trí