Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB Chương HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 9.1 GIỚI THIỆU CHUNG Các chủ đề xét chương √ Các tính chất tín hiệu hệ thống UWB √ Tạo tín hiệu UWB, mơ hình tạo tín hiệu UWB điển hình √ Kênh UWB máy thu UWB Mục đích chương √ Nắm khái niệm, tính chất, đặc điểm truyền thơng băng siêu rộng √ Hiểu q trình tạo tín hiệu UWB, mơ tín hiệu UWB điển hình √ Hiểu kênh truyền sóng UWB, mơ hình tham số đặc trưng kênh UWB √ Hiểu trình thiết kế mơ hình hóa máy thu cho kênh UWB 9.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG UWB Vô tuyến băng siêu rộng (UWB) dựa phát xạ dạng sóng, đặc trưng độ rộng băng tần lượng tức thời lớn khoảng 0,20-0,25 Trong phần này, ta phân tích nguyên lý độ rộng băng tần lượng phân đoạn định nghĩa vô tuyến băng siêu rộng Hệ số băng tần Việc chấp nhận chung thuật ngữ “băng siêu rộng UWB” xuất phát từ lĩnh vực radar băng siêu rộng nói dạng sóng điện từ đặc trưng hệ số băng tần lượng tức thời lớn khoảng 0,20-0,25 Để hiểu rõ định nghĩa này, trước hết ta định nghĩa độ rộng băng tần lượng dạng sóng Gọi E lượng tức thời dạng sóng, độ rộng băng tần lượng xác định tần số f L f H khoảng tần số lượng dạng sóng nằm (cỡ 90%) Trong lĩnh vực radar, vô tuyến băng siêu rộng dựa vào việc phát xạ dạng sóng cấu thành từ chuỗi xung có thời gian ngắn (khoảng vài trăm ps) Trong hệ thống này, thông tin truyền dạng chuỗi nhị phân thông tin bit (0 1) truyền dạng nhiều xung theo kiểu mã lặp lại Việc thể bit cách phát lặp xung làm tăng mức độ chắn Nguyên lý truyền dẫn xung áp dụng cho sơ đồ phát tín hiệu UWB Người ta mở rộng khái niệm UWB cho kỹ thuật truyền dẫn liên tục Trong phần này, ta xét cho tín hiệu dạng xung Ta lưu ý rằng, E dùng để lượng tức thời, tức phải tính khoảng thời gian xung Nếu quan tâm việc định bit bao gồm việc xử lý nhiều xung, hầu hết trường hợp E coi lượng tổng tất xung Đây khái niệm quan trọng: Nếu số xung sử dụng để truyền dẫn bit, ta đặc biệt lưu ý đến lượng nhóm xung việc định bit ảnh hưởng tạp âm máy thu phải ước lượng theo lượng tín hiệu hữu ích Hình 9.1 minh họa khái niệm độ rộng băng tần lượng Lưu ý rằng, f L giới hạn f H giới hạn mật độ phổ lượng (ESD), tần số trung tâm -247- Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB phổ định vị ( f H + f L ) Hệ số băng tần (hay độ rộng băng tần phân đoạn) định nghĩa tỉ số độ rộng băng tần lượng tần số trung tâm, biểu diễn sau: FB = (fH − fL ) (9.1)  fH + fL      fH − fL fL fL + fH fH Hình 9.1 Độ rộng băng tần lượng Nếu hệ số băng tần lớn 0,20-0,25, ta nói tín hiệu băng siêu rộng UWB Ví dụ tín hiệu có độ rộng băng tần lượng 2MHz gọi tín hiệu băng siêu rộng tần số trung tâm phổ lượng nhỏ 10MHz Lưu ý rằng, việc xác định tín hiệu UWB tương đối theo tần số trung tâm Thông thường, thuật ngữ “phần trăm băng tần” sử dụng Phần trăm băng tần đơn giản hệ số băng tần đơn vị phần trăm Ví dụ, tín hiệu có độ rộng băng tần lượng 1MHz tần số trung tâm 2MHz phần trăm băng tần 50% Nó tín hiệu băng siêu rộng hệ số băng tần 0,5 lớn giới hạn 0,2-0,25 Cũng sử dụng độ rộng băng tần tương đối, nửa giá trị hệ số băng tần Băng tần tương đối biểu diễn tỷ số nửa băng tần lượng tần số trung tâm Giới hạn độ rộng băng tần nhỏ 500MHz đặt ngưỡng 2,5GHz Duới ngưỡng này, tín hiệu UWB hệ số băng tần lớn 0,2; ngưỡng này, tín hiệu UWB độ rộng băng tần chúng lớn 500MHz 9.3 TẠO TÍN HIỆU UWB Cách thông thường truyền thống để phát xạ tín hiệu UWB phát xạ xung thời gian ngắn (vô tuyến xung kim IR – Impulse Radio) Các sơ đồ điều chế xung tín hiệu dùng là: điều chế vị trí xung (PPM) điều chế biên độ xung (PAM) Ngoài việc để điều chế, để định dạng phổ tín hiệu phát, ký hiệu liệu mã hóa cách sử dụng mã giả ngẫu nhiên (hay giả tạp âm PN) Hai tiêu chuẩn công nghệ UWB nghiên cứu đề xuất là: -248- Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB √ UWB đơn băng sở kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS-UWB trải phổ nhảy thời gian TH-UWB √ Công nghệ UWB đa băng dựa OFDM Về nguyên lý, TH-UWB DS-UWB chấp nhận PPM PAM để điều chế liệu Tuy nhiên, phương pháp điều chế cụ thể tùy vào việc định dạng phổ đặc tính phổ Chi tiết q trình tạo tín hiệu UWB cho Phụ lục A 9.4 KÊNH UWB VÀ MÁY THU UWB 9.4.1 Mở đầu Phần phụ lục A ta xét đặc tính tín hiệu vơ tuyến xung kim IR-UWB, tạo tín hiệu IR-UWB (gồm tín hiệu DS-UWB TH-UWB) với đặc tính phổ tần ảnh hưởng lên hiệu hệ thống UWB Dưới đây, ta phân tích tín hiệu máy thu Muốn vậy, ta xét nhân tố ảnh hưởng lên hiệu cách hệ thống: từ mô hình kênh, mơ hình máy thu tối ưu, xử lý tín hiệu thu UWB Trước hết là, ta xét trường hợp đơn giản (truyền tín hiệu DS-UWB TH-UWB qua kênh AWGN), phân tích tín hiệu xây dựng máy thu tối ưu Sau là, vận dụng nguyên lý hoạt động máy thu UWB tối ưu môi trường kênh AWGN để xây dựng máy thu UWB cho kênh đa đường Khi ta dùng kênh đa đường IEEE 802.15.3a (kênh IEEE chấp nhận), nội dung xét phụ lục 9C Do truyền lan đa đường, lượng xung UWB bị phân tán nhiều đường truyền đến máy thu, nên ta dùng máy thu RAKE (gồm nhiêu tương quan tương ứng với “nhánh” đa đường) Máy thu RAKE tận dụng hiệu ưu điểm tín hiệu đa đường, khai thác triệt để tính chất “phân tập thời gian” tín hiệu thu Tín hiệu thu khả phân giải từ nhánh kết hợp trước thực định Khi dùng máy thu RAKE làm tăng mức độ phức tạp phía thu, mức độ phức tạp tăng theo số lượng thành phần đa đường khả phân giải Tuy nhiên, số lượng thành phần đa đường khả phân giải mà giảm làm giảm lượng tín hiệu thu Dưới đây, ta phân tích máy thu tín hiệu DS-UWB TH-UWB rời rạc với giả thiết đồng hoàn hảo phát thu tín hiệu Máy thu mơi trường kênh AWGN đơn giản lẽ tín hiệu thu không chứa thành phần nhiễu ký hiệu ISI nhiễu đa truy nhập MAI Vì truyền sóng đa đường máy phát máy thu làm phức tạp cấu trúc máy thu mơ hình kênh Hơn nữa, tham số kênh đa đường lại thay đổi theo thời gian tính chất phải xét q trình mơ hình hố kênh Do méo, nên dạng sóng tín hiệu thu khác với dạng sóng tín hiệu phát Điều đặc biệt đỗi với truyền dẫn nhà, nơi mà truyền lan bị dao động số đối tượng nhiễu Truyền lan đa đường làm hạn chế hiệu máy thu, ảnh hưởng giảm nhẹ có đặc trưng chi tiết kênh đa đường máy thu Lý thuyết chung việc đặc trưng hoá kênh đa đường trình bày phần -249- Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB Hình 9.2: Mơ hình hệ thống cho truyền thơng băng siêu rộng đơn người sử dụng 9.4.2 Thu xử lý tín hiệu mơi trường kênh AWGN 9.4.2.1 Thu tín hiệu mơi trường kênh AWGN Ta phân tích truyền tín hiệu vơ tuyến xung kim IR qua kênh AWGN Tín hiệu thu biểu diễn là: r(t) = ru (t) + n(t) (9.2) đó: tạp âm nhiệt n(t) q trình ngẫu nhiên Gausơ trung bình khơng với mật độ phổ công suất PSD hai bên N ; tín hiệu hữu ích ru (t) phiên bị suy hao bị trễ tín hiệu phát s(t) , tức ru (t) = αs(t − τ) (9.3) Cả hai tham số hệ số suy hao α trễ kênh τ phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng D , α biểu diễn α= c0 Dγ (9.4) đó: γ số mũ suy hao công suất; c0 số khả chỉnh để đạt tăng ích tham chiếu α khoảng cách tham chiếu D0 = 1m Chọn: γ =2 môi trường không gian tự do; γ >2 môi trường NLOS; γ Z1 ,   Z0 < Z1 , bɵ = bɵ = bɵ Z1 Hình 9.5 Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM nhị phân trực giao -253- Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB p ( t − τ − c jTc ) τ +Ts ∫ (•) dt Z0 τ r ( t ) = αs n ( t − τ − c jTc ) + n ( t ) p1 ( t − τ − c jTc )  Z0 > 0,   Z0 < 0, τ +Ts bɵ = bɵ = Z1 ∫ (•) dt bɵ τ Hình 9.6 Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao Lưu ý rằng, rút gọn sơ đồ hình 9.6 thành sơ đồ hình 9.7 (chỉ sử dụng tương quan) m ( t − τ) r ( t ) = αs n ( t − τ − c jTc ) + n ( t ) τ+ Ts ∫ ( • ) dt Z τ  Z > 0,   Z < 0, bɵ = bɵ = bɵ Hình 9.7 Máy thu tối ưu cho tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao dùng tương quan Trong sơ đồ tương quan hình 9.7, tín hiệu đến nhân với m(t) , m(t) coi mặt nạ tương quan m(t) = p (t − τ − c jTc ) − p0 (t − τ − c jTc − ε) Đầu tương quan là: Z = αs m + n − n1 (9.17) s0 = + E TX , b =  với s m =    s1 = − E TX , b = Khi phát bit có xác suất độc lập thống kê nhau, xác suất lỗi trung bình Prb máy thu tối ưu là: 1 Prb = Pr ( Z > b = 1) + Pr ( Z < b = ) 2 = Pr ( Z < b = ) ( = Pr ( = Pr α E TX + n − n1 < E RX + n − n1 < ) ) -254- (9.18) Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB đó: E RX = α E TX lượng xung thu Do n n1 biến ngẫu nhiên Gausơ độc lập, nên (9.18) viết lại sau: ( Prb = Pr x > E RX ) (9.19) x = n1 − n biến ngẫu nhiên Gausơ trung bình khơng phương sai N Vì Prb biểu diễn sau:  E RX Prb = erfc   2N    (9.20) ∞ 2 e−ξ dξ với erfc ( y ) = ∫ y Mô xác suất lỗi bit máy thu tín hiệu PPM-UWB 10 Xác suất lỗi bit -1 10 -2 10 -3 10 SNR (dB) Hình 9.8 Minh họa xác suất lỗi trung bình Prb theo E RX N tín hiệu PPM nhị phân trực giao 9.5 TỔNG KẾT Chương ta xét tính chất tín hiệu hệ thống UWB Sau tiến hành tạo tín hiệu UWB Phụ 9A xét chi tiết q trình tạo: (1) tín hiệu UWB nhảy thời gian TH-UWB; (2) tín hiệu UWB chuỗi trực tiếp DS-UWB; (3) tín hiệu UWB đa băng MB-UWB Xét trình xây dựng máy thu UWB loại tín hiệu phát điểm hình Q trình thu xử lý: (1) tín hiệu PPM nhị phân khơng trực giao; (2) tín hiệu PPM trực giao M mức; (3) tín hiệu PAM nhị phân đối cực; (4) tín hiệu M-PAM; (5) tín hiệu Đa xung mơi trường kênh AWGN xét phụ lục 9B Cuối thu xử lý tín hiệu mơi trường kênh đa đường xét phụ lục 9C, xét mơ hình kênh UWB máy thu RAKE Phần tập dạng chương trình mơ cho phép hiểu rõ mơ hình truyền thơng UWB điển hình -255- ... phần -2 49- Chương 9: Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng UWB Hình 9. 2: Mơ hình hệ thống cho truyền thông băng siêu rộng đơn người sử dụng 9. 4.2 Thu xử lý tín hiệu mơi trường kênh AWGN 9. 4.2.1... − Từ (9. 7), lượng E m s m (t) khoảng thời gian T là: T  N −1  E m = ∫ ( s m (t) ) dt = ∫  ∑ s mk ψ k (t)  dt 0  k =0  T N −1 = ∑s , k =0 mk (9. 8) ∀m = 0,1, , M − Từ (9. 7), (9. 2) (9. 3),... tương quan theo (9. 10) cho hình 9. 3 ψ0 ( t − τ) τ+ T ∫ ( • ) dt r (t) Z0 τ • • • ψ N −1 ( t − τ ) τ+ T ∫ ( • ) dt τ Hình 9. 3 Bộ tương quan tín hiệu -251- Z N −1 (9. 10) Chương 9: Hệ thống truyền