Chương I Dung lượng băng thông cực lớn của UWB có tiềm năng về lý thuyết rất cao, mang lại tốc độ dữ liệu rất cao. Điều này có thể được chứng minh bằng cách xem xét định lý Shannon [26]: 𝑆 𝐶 = 𝐵𝑙𝑜𝑔2 (1 + ) (1.1) 𝑁 Trong đó C là dung lượng kênh tối đa, B băng thông tín hiệu, S công suất tín hiệu và N công suất tạp âm. Phương trình của Shannon chỉ ra rằng dung lượng kệnh truyền có thể được tăng cường bằng cách mở rộng băng thông tín hiệu hoặc tăng cường công suất tín hiệu. Hơn nữa, nó minh họa rằng dung lượng kênh truyền tăng với tỷ lệ thuận với băng thông tín hiệu, trong khi dung lượng kênh truyền tỷ lệ theo hàm mũ với công suất tín hiệu.
Do đó, nó có thể được nhìn thấy từ phương trình của Shannon rằng hệ thống UWB thể hiện tiềm năng lớn cho truyền thông không dây tốc độ cao. Cung cấp thông tin với dạng sóng trong khoảng thời gian cực ngắn, tín hiệu UWB có tính nhạy cảm thấp với nhiễu đa đường. Nhiễu đa đường xảy ra khi một tín hiệu điều chế đến một máy thu từ các đường khác nhau do hiện tượng phản xạ, tán xạ hoặc nhiễu xạ. Sự kết hợp các tín hiệu nhận được ở đầu thu có thể gây méo tín hiệu nhận được.
Thời gian cực ngắn của các dạng sóng UWB cung cấp khả năng phân biệt rõ ràng xung phát và xung nhiễu tại máy thu. Do đó, truyền thông UWB có thể giải quyết được vấn đề nhiễu đa đường. Các hệ thống UWB có cấu trúc thu phát đơn giản. Do đó cho phép các nhà phát triển chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng cùng với chi phí thấp đồng thời dễ dàng tích hợp trong các hệ thống nhúng.
Thời gian cực ngắn của dạng sóng UWB có khả năng làm tăng độ chính xác định vị và xác định khoảng cách. Cùng với các đặc tính thâm nhập vật liệu tốt, tín hiệu UWB tạo cơ hội cho các ứng dụng radar tầm ngắn như cứu hộ và chống tội phạm cũng như trong khảo sát và trong ngành khai thác dưới hầm lò. Ứng dụng của công nghệ UWB Như đã được nêu trong các phần trước của luận án, UWB cho thấy một số tính năng đặc biệt có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Truyền thông đa phương tiện: đây là ứng dụng điển hình nhất do khả năng phân phối tốc độ dữ liệu cao.
Kịch bản phù hợp nhất có thể là sử dụng mạng WPAN để tạo thuận lợi cho các kết nối thiết bị không dây và tải xuống hình ảnh tốc độ cao trong môi trường nhiều vật cản. Tốc độ dữ liệu cao WPAN có thể được định nghĩa là các mạng có mật độ 12 Chương I trung bình từ 5 tới 10 thiết bị hoạt động với tốc độ dữ liệu từ 100 đến 500 Mbps trong khoảng cách 20 mét [27]. Băng thông siêu rộng của UWB cho phép các ứng dụng WPAN khác ví dụ như hệ thống kết nối không dây tốc độ cao giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, hệ thống truyền video và âm thanh thời gian thực chất lượng cao, trao đổi tập tin giữa các hệ thống lưu trữ không dây hệ thống giải trí gia đình. Hệ thống radar UWB: khác với các hệ thống radar thông thường, nơi các mục tiêu thường được coi là các điểm phân tán, các xung radar UWB ngắn hơn kích thước mục tiêu.
UWB phản xạ từ mục tiêu không chỉ thay đổi biên độ và thời gian thay đổi mà còn thay đổi hình dạng xung. Kết quả là, các dạng sóng UWB có độ nhạy rõ rệt để tán xạ so với các tín hiệu radar thông thường. Tính chất này đã được áp dụng bởi hệ thống radar và có thể được mở rộng cho các ứng dụng trên các môi trường khác nhau, chẳng hạn như lòng đất, xuyên qua tường và hay dưới đại dương, cũng như chẩn đoán y tế và các thiết bị giám sát biên giới trong lĩnh vực quốc phòng [25]. Mạng cảm biến không dây: Bao gồm một số lượng lớn các nút trải rộng trên một khu vực địa lý cần được theo dõi.
Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các nút cảm biến có thể được đặt cố định hoặc lắp đặt trên các thiết bị di động như máy đo đặc, điện thoại di động… Các yêu cầu quan trọng đối với mạng cảm biến hoạt động trong môi trường khắc nghiệt bao gồm chi phí thấp, công suất thấp và tính đa năng có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng công nghệ UWB. Hệ thống cảm biến không dây sử dụng truyền thông UWB với tốc độ truyền dữ liệu cao, chống nhiễu tốt có khả năng thu thập và trao đổi một lượng lớn dữ liệu cảm biến trong thời gian thực được trình bày trong các tài liệu [29] [30]. Wireless Body Area Networks (WBAN): là các mạng có các nút cảm biến thường được đặt gần cơ thể con người. Cấu trúc liên kết của WBAN bao gồm nhiều nút cảm biến có chức năng chỉ truyền tín hiệu rất đơn giản, chi phí thấp và cực kỳ tiết kiệm năng lượng.
So với các mạng không dây khác, WBAN có một số tính năng và yêu cầu riêng biệt. Do sự gần gũi của cám biến với con người nên ảnh hưởng của trường điện từ sẽ phải ở mức rất thấp. Do đó, một hệ thống WBAN đòi hỏi một công suất phát thấp. Bởi lý do triển khai phần cứng khá đơn giản và năng lượng truyền dẫn thấp, UWB đã trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn cho việc sử dụng trong WBAN [31] [32].
Anten UWB Trong các hệ thống UWB, các tham số cơ bản và cổ điển của các Anten truyền thống đều được xem xét nghiên cứu. Bên cạnh đó các Anten UWB còn có một số thông số bổ sung. Băng thông – Đầu tiên, điều khác biệt lớn nhất giữa Anten UWB với các Anten khác là băng tần hoạt động cực rộng. Theo định nghĩa của FCC, Anten UWB phù hợp có thể phát một băng thông tuyệt đối không nhỏ hơn 500 MHz hoặc một băng thông phân đoạn ít nhất là 0,2.
Hơn nữa, Anten UWB phải có thể hoạt động được và phải có trở kháng ổn định phù hợp trên toàn bộ dải tần số 3,1 đến 10,6 GHz trong trường hợp của I-UWB theo mặt nạ phổ được xác định FCC. Đôi khi ở một số quốc gia châu Âu, anten UWB phải có đặc tính loại bỏ băng tần để cùng tồn tại với các thiết bị và dịch vụ băng hẹp khác hoạt động ở băng tần tương tự [33]. Đồ thị bức xạ - Các đặc tính bức xạ đẳng hướng hoặc vô hướng là cần thiết tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Anten UWB vô hướng thường được sử dụng ở điện thoại di động và thiết bị cầm tay.
Đối với hệ thống radar và các hệ thống định hướng khác với nhu cầu độ lợi cao, đặc tính bức xạ định hướng thường được sử dụng. Hiệu suất bức xạ cao là yêu cầu bắt buộc với anten UWB vì mật độ phổ công suất phát là rất thấp. Vì vậy, bất kỳ tổn thất lớn do anten phát sinh có thể làm tổn hại đến chức năng của hệ thống. Kích thước và giá thành - Một Anten UWB thích hợp cần phải nhỏ và trọng lượng nhẹ đủ để tương thích với ứng dụng.
Trong luận án này, mục tiêu ứng dụng UWB cho các ứng dụng đặc biệt, do đó anten nên có cấu hình thấp và khả năng tích hợp với bảng mạch in (PCB). Các tham số cụ thể cần thiết của anten UWB được mô tả sau đây. Tuân thủ các giới hạn phát xạ- Một Anten UWB được thiết kế tốt phải tối ưu hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Để tránh nhiễu trong băng tần và ngoài băng tần giữa các hệ thống UWB và các hệ thống điện tử hiện có, Anten nên được thiết kế sao cho thiết bị tổng thể (Anten và máy thu phát) tuân thủ yêu cầu bắt buộc về mặt nạ phổ do FCC hoặc các cơ quan quản lý khác đưa ra.
Các giới hạn phát xạ sẽ được xác định bởi việc lựa chọn nguồn xung và thiết kế Anten trong hệ thống UWB. Đáp ứng xung - Anten UWB cần có đặc điểm trong miền thời gian tốt (tức là, đáp ứng xung tốt). Đối với băng hẹp, anten thường có cùng hiệu suất trên toàn bộ băng thông và các thông số cơ bản, chẳng hạn như độ lợi và hệ số phản xạ ít có sự thay đổi trên toàn 14 Chương I bộ băng tần hoạt động. Ngược lại, các hệ thống UWB thường sử dụng xung cực ngắn để truyền dữ liệu.
Trong trường hợp này, anten chịu tác động nhiều hơn bởi tín hiệu đầu vào. Do đó, việc độ méo xung của tín hiệu ở mức thấp là một ưu tiên hàng đầu khi chế tạo anten UWB [34]. Độ trễ nhóm - Đây là một tham số quan trọng đại diện cho chất lượng truyền đi của một xung UWB tức là mức độ biến dạng của xung UWB đó. Tham số này được tính như sau: ∆𝜑 𝐺𝑟𝑜𝑢𝑝 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 = − (1.2) Δω Trong đó ∆𝜑 là tổng số pha dịch chuyển theo radian, và Δω là tần số góc theo radian trên một đơn vị thời gian, được tính bằng 2𝜋𝑓 với 𝑓 là tần số.
Độ trễ nhóm gây biến dạng xung tín hiệu nên ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống, anten UWB phải đảm bảo rằng độ trễ nhóm luôn là một hằng số. Tóm lại trong các ứng dụng của thiết bị di động, thông số kỹ thuật chung cần thiết để thiết kế anten UWB theo quy định của FCC có thể được tóm tắt trong Bảng 1-1. Yêu cầu kỹ thuật chung cho anten UWB Tham số Giá trị Tần số (GHz) 3,1 đến 10,6 VSWR <2 Vô hướng đối với anten phát. Định hướng, với độ lợi từ 5- Đồ thị bức xạ 10 dBi với anten thu.
Hiệu suất bức xạ Cao (> 70 %) Pha Gần tuyến tính, trễ nhóm không đổi Kích thước (cm2) < 100 trên bảng mạch in (PCB) 1. Hệ thống MIMO Thông thường, khi một tín hiệu được truyền thông qua kênh truyền không dây từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đường khác nhau để tới đích. Tín hiệu truyền qua kênh truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian do hai hiện tượng chính [35]: 1) Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do. 2) Sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh.
15 Chương I Tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách và tần số giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx).