(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

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

ĐỖ ĐÌNH HƢNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ BÙ DỊCH TẦN
DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

Ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số : 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN QUỐC KHƢƠNG
2. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG

Hà Nội - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận án này là kết
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chƣa xuất
hiện trong các công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt đƣợc là chính xác, trung
thực và khơng trùng lặp với các kết quả đƣợc cơng bố trƣớc đó.
Tập thể hƣớng dẫn

TS. Nguyễn Quốc Khƣơng

Tác giả luận án

PGS.TS. Hà Duyên Trung

i

Đỗ Đình Hƣng


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Khƣơng và
PGS.TS. Hà Duyên Trung là Thầy giáo đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học và hỗ trợ tôi về
mọi mặt để tôi có thể hồn thành bản luận án Tiến sĩ này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến
Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ tận tình trong quá trình đăng các
nghiên cứu khoa học.
Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh-Hiệu trƣởng Trƣờng
Điện-Điện tử, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi đƣợc học tập và nghiên cứu
trong suốt q trình. Tơi xin cảm ơn Phịng Đào tạo Đại học, các Thầy cơ đã giúp đỡ tơi
rất nhiều trong q trình làm Nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn trân trọng đến gia đình tơi. Sự động viên,
giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tơi vƣợt qua mọi
khó khăn để hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 7 tháng 11 năm 2022
Tác giả luận án

Đỗ Đình Hƣng

ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................I
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………………....vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................... ix
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN…………………………...xi
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ......................................................................................................... 1
2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI ....................................................................................... 2
3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ............................................................................................... 3
4. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 4
5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 5
6. NHỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ........................................... 5
7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................................. 5
8. CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................................... 6
9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................... 7
CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ................ 9
1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG……………………………………………………………. ... 9
1.2. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................. 9
1.3. HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG TIN DƢỚI NƢỚC .............................................................. 9
1.3.1. Các thơng số chủ yếu của mơi trƣờng thủy âm…………………………........ 9
1.3.2. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm ......................................................... 10
1.3.3. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc ........................................................................ 10
1.3.4. Nhiễu môi trƣờng ............................................................................................. 10
1.3.5. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................. 10
1.3.6. Nhận xét............................................................................................................ 12
1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƢỜNG
DƢỚI NƢỚC ..................................................................................................................... 12

1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM .............................................................................. 12
1.4.2. Tính trực giao ................................................................................................... 13
1.4.3. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang ...................................... 15
1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM .................................................................... 18
1.5. SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƢƠNG ĐƢƠNG KỸ THUẬT OFDM ......... 22
iii


1.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 22
1.5.2. Mơ hình so sánh OFDMA và SC-FDMA…………………………………. 22
1.5.3. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………. 25
1.5.4. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 27
1.5.5. Nhận xét ............................................................................................................ 27
1.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG.................................................................................................. 28
CHƢƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG
TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................................................................ 29
2.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 29
2.2. ĐỒNG BỘ THỜI GIAN ................................................................................................ 29
2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................ 29
2.2.2. Một số phƣơng pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay .............................. 30
2.2.3. Nhận xét chung ................................................................................................. 33
2.3. THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI............................ 33
2.3.1. Mô tả hệ thống .................................................................................................. 34
2.3.2. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 39
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................................. 43
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG
OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................ 44
3.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG.......................................................................................... 44
3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER…………………………………………...44

3.2.1. Mô hình tín hiệu ............................................................................................... 44
3.2.2. Đồng bộ thơ tần số ............................................................................................ 45
3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp
giám sát công suất trễ ................................................................................................. 46
3.2.4. Bù dịch tần Doppler......................................................................................... 48
3.3. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN ........ 49
3.3.1. Mơ tả hệ thống ................................................................................................. 50
3.3.2. Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 56
3.3.3. Giao diện hệ thống.......................................................................................... 57
3.3.4. Kết quả thu đƣợc .............................................................................................. 59
3.3.5. Nhận xét ............................................................................................................ 60
3.4. PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SĨNG MANG DẪN ĐƢỜNG
(CARRIER FREQUENCY PILOT- CFP) .............................................................................. 60

iv


3.4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 60
3.4.2. Mô tả hệ thống .................................................................................................. 61
3.4.3. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện............................................................... 66
3.5. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MÃ TRỰC TIẾP (DIRECT DECODE) ............................................. 68
3.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 68
3.5.2. Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp .................................................................. 69
3.5.3. Giải thích nguyên lý ......................................................................................... 70
3.5.4. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện............................................................... 71
3.5.5. Thực nghiệm và kết quả ................................................................................... 73
3.5.6. Nhận xét ............................................................................................................ 76
3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG.................................................................................................. 76
CHƢƠNG 4 TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG MƠ HÌNH SISO (

ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHƠNG
GIAN-THỜI GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO ............................................................ 78
4.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 78
4.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................................................. 78
4.3. CAC KỸ THUẬT PHAN TẬP ........................................................................................ 79
4.3.1. Phân tập thời gian ............................................................................................. 79
4.3.2. Phân tập tần số ................................................................................................. 80
4.3.3. Phân tập không gian ........................................................................................ 81
4.4. DUNG LƢỢNG HỆ THỐNG MIMO ............................................................................. 82
4.5. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG
DƢỚI NƢỚC CHỈ SỬ DỤNG MỘT CẶP ANTEN THU PHÁT (SISO) ........................................ 83

4.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 83
4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian ........................................... 84
4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả .................................................. 88
4.5.4. Nhận xét ............................................................................................................ 93
4.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................................. 93
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 94
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN .................................................................. 97

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM .................................................................................. 13
Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ
thống đa sóng mang ...................................................................................................................... 13
Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao .................................................................................. 15
Hình 1.4. Phổ của bốn sóng mang trực giao ................................................................................. 16

Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang khơng trực giao ...................................................................... 16
Hình 1.6. Ảnh hƣởng của ISI ........................................................................................................ 17
Hình 1.7. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống ............................................................................ 17
Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix ................................................................................ 18
Hình 1.9. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang ................................................................. 20
Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5] ....................... 23
Hình 1.11. Mơ hình chèn pilot ...................................................................................................... 25
Hình 1.12. Kết quả mơ phỏng và lý thuyết trong trƣờng hợp điều chế BPSK, NFFT=2048,
GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10 ......................................................................................... 26
Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vƣợt ngƣỡng ............................. 26
Hình 1.14. So sánh kết quả mơ phỏng .......................................................................................... 26
Hình 1.15. a. Chịm sao OFDMA thu đƣợc SER=0.048 ............................................................ 27
Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM………………………………………………………….30
Hình 2.2. Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl .................................... 30
Hình 2.3. Mơ tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Minn ........................................ 31
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM ................................................................................................ 35
Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM ................................................... 36
Hình 2.6. Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI ........................................................... 38
Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm ...................................................................................... 40
Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu đƣợc trên hệ thống tại Hồ Tiền .................................................... 40
Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu đƣợc ........................... 41
Hình 2.10. So sánh độ ổn định tín hiệu giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất ......................................... 41
Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phƣơng pháp .......................................................................... 42
Hình 2.12. Chịm sao tín hiệu thu đƣợc sau giải mã của 2 phƣơng pháp .................................... 42
Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu .................................................................................................. 46
Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục .......................................................................................... 47
Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian ..................... 48
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát ............................................................................................. 51
vi

Hình 3.5. Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM ....................... 52
Hình 3.6. Khung tín hiệu phát ....................................................................................................... 53
Hình 3.7. (a). Chịm sao tín hiệu thu (b).Chịm sao xoay lại bằng thuật tốn xoay pha ............ 55
Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền .................................................................... 56
Hình 3.9. Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin ......................................................................... 57
Hình 3. 10. Giao diện bên phát ..................................................................................................... 58
Hình 3.11. Giao diện bên thu ........................................................................................................ 59
Hình 3.12. Chịm sao tín hiệu thu sau khi xoay pha ..................................................................... 59
Hình 3.13. Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát và
máy thu.......................................................................................................................................... 62
Hình 3.14. Phổ cơng suất trung bình tín hiệu ............................................................................... 65
Hình 3.15. Mơ hình hệ thống giải mã trực tiếp ............................................................................. 69
Hình 3.16. Mơ hình thực nghiệm .................................................................................................. 73
Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu đƣợc trong miền thời gian b. Phổ của tín hiệu với sóng mang
CFP ở trung tâm ............................................................................................................................ 73
Hình 3.18. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tƣơng đối giữa bên phát
và bên thu ...................................................................................................................................... 73
Hình 3.19. So sánh SER của phƣơng pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bƣớc .......................... 76
Hình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO .............................................................................................. 78
Hình 4.2. Từ mã đƣợc phát có xen và khơng xen ........................................................................ 80
Hình 4.3. Các loại phân tập khơng gian ...................................................................................... 81
Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu đƣợc phát lặp N lần ...................................................................... 84
Hình 4.5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO) ........................................................... 84
Hình 4.6. Lƣu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu ................................................................. 86
Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chịm sao M-QAM ..................................................... 87
Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần ....................................... 88
Hình 4.9. So sánh các trƣờng hợp ................................................................................................. 88
Hình 4.10. Mơ hình thực nghiệm tại Hồ Tiền ............................................................................... 89
Hình 4.11: Hệ thống OFDM thử nghiệm ...................................................................................... 90

Hình 4.12. Tín hiệu N=10 khung .................................................................................................. 92

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc ............................................................... 9
Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian ..................... 39
Bảng 3. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng chuỗi hình sin ........................................... 56
Bảng 4. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP ........................................................... 74
Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu .... …………………………………………………..88
Bảng 6. Các tham số của hệ thống OFDM-SISO ......................................................................... 91
Bảng 7. SER của mỗi khung và khi kết hợp các khung ................................................................ 92

viii


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Fourth-Generation wireless

Thế hệ mạng di dộng thứ 4

viết tắt
4G

communication system
ASK

Amplitude Shift Keying

Điều chế số theo biên độ tín hiệu

ADC

Analog to Digital Converter

Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

CFO

Carrier Frequency Offset

Độ lệch tần số sóng mang

CFP

Carrier Frequency Pilot

Tần số sóng mang pilot

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vịng

DAC

Digital to Analog Converter

Mạch chuyển đổi số- tƣơng tự

DFT

Discrete Fourier transform

Phép biến đổi Fourier

DVB-T

Digital Video Broadcasting for

Hệ thống truyền hình số mặt đất

Terrestrial Transmission Mode
FDM

Frequency Division Mutilplexing

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế khóa dịch tần

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

ICI

Intercarrier Interference

Nhiễu liên kênh

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier ngƣợc

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi nhanh Fourier ngƣợc

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combiners

Kỹ thuật phân tập thu với bộ kết hợp tỷ

Ghép kênh phân chia theo tần số

lệ tối đa
M-QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng góc

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing

giao

Parallel to Serial

Bộ chuyển đổi từ song song sang nối

P/S

tiếp
PAPR

Peak to Average Power Ratio

ix

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

trung bình
PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PDP

Power Delay Profile

Hàm phân bố cơng suất trễ

PSAM

Pilot Signal Assisted Modulation

Điều chế tín hiệu dẫn đƣờng

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế số khóa dịch pha

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế khóa pha cầu phƣơng

S/P

Serial to Parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song

SER

Symbol Error Rate

Tỉ số ký hiệu trên lỗi

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

UWA

UnderWater Acoustic

Kênh thủy âm

x


CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

S*(t)

Ý nghĩa
Liên hợp phức của S(t)

τmax

Khoảng trễ lớn nhất

N FFT

Độ dài biến đổi Fourier

M(n)

Trung bình giá trị tƣơng quan trên độ dài một khoảng CP

CNi

Tổ hợp chập N của i phần tử

ri

Độ lợi đƣờng truyền

i

Độ trễ

RPB (t )

Tín hiệu thơng dải

RBB (t )

Tín hiệu băng tần cơ sở

H(m, n)

Hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho
ký tự thứ n

I ICI

Ma trận khử nhiễu liên kênh

TGI

Chiều dài khoảng bảo vệ

fˆR

Độ dịch tần gây bởi hiện tƣợng Doppler

Hn

Hàm truyền đạt ứng với ký tự thứ n

YK

Tín hiệu ở sóng mang khụ thứ k

I(k, l)

Nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k

H 1

Ma trận nghịch đảo của H

HH

Ma trận chuyển vị và liên hợp phức của H

Fr

Tần số sóng mang phía thu

ZC

Số lần cắt khơng của tín hiệu

f

Độ lệch tần số lấy mẫu

fs

Tần số lấy mẫu

f rs

Tần số tái lấy mẫu

P(i)

Sai lệch giữa hai mẫu tín hiệu trong 2 cửa sổ

R(i)

Tập giá trị tƣơng quan của liên hợp phức giữa 2 cửa sổ tín hiệu
Mức biên độ của CFP

Ac

xi


Fc

Tần số của CFP

F

Khoảng cách giữa hai sóng mang

mean

dùng để tính giá trị trung bình

angle

dùng để tính góc của một giá trị là số phức

g (t )

Hàm để xây dựng ma trận khử nhiễu  ICI

xii


LỜI MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu đề tài
Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dƣới nƣớc đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi
trong các lĩnh vực nhƣ: thám hiểm đại dƣơng, quan trắc địa hình dƣới biển, vận hành và
truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trị quan trọng trơng lĩnh vực qn
sự, an ninh quốc phịng. Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận
biển Đông vô cùng rộng lớn. Do vậy, thông tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong
những lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10].
Trong môi trƣờng dƣới nƣớc, do đặc tính mơi trƣờng bị hấp thụ và suy hao với tốc độ
nhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng nhƣ
khoảng cách truyền dẫn. So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ƣu điểm
vƣợt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong mơi trƣờng nƣớc. Vì vậy, việc sử dụng sóng âm
để truyền thơng tin dƣới nƣớc là một phƣơng pháp ƣu tiên hàng đầu kết hợp với các công
nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16].
Tuy nhiên trong môi trƣờng dƣới nƣớc, sóng âm bị ảnh hƣởng của sự biến đổi nhiệt
độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đƣờng do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền
dẫn của sóng âm dƣới nƣớc cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so với
sóng điện từ là 300.000km/s nên gây ra trễ truyền dẫn và ảnh hƣởng của dịch tần Doppler
đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vơ tuyến [9,10,11]. Những

đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dƣới nƣớc khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng
điện từ.
Có nhiều kỹ thuật truyền thông đƣợc sử dụng để truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ
ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7]. Trong số các kỹ thuật này thì
kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) có ƣu điểm là hiệu quả sử
dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dƣới nƣớc, ngồi ra
OFDM có khả năng chống giao thoa đa đƣờng tốt. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên
cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dƣới nƣớc.
Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai
lệch tần số. Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệch
tần số bên phát trong môi trƣờng nhiễu cao nhƣ ở dƣới nƣớc là một trong những vấn đề

1


cơng nghệ quan trọng cần giải quyết. Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tƣơng đối giữa
bên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phát gây
ra nhiễu liên sóng mang ICI ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng tín hiệu thu [24-28].
Có thể thấy rằng hệ thống thơng tin dƣới nƣớc chịu nhiều ảnh hƣởng của các yếu tố
môi trƣờng, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lƣợng của tín hiệu thu
đƣợc thƣờng rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thƣờng khá cao [15-17]. Việc
nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết. Vì vậy, trong
chƣơng 4 của luận án sẽ đƣa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc
truyền thông nhƣ sự chuyển động tƣơng đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng
gió mặt nƣớc để tạo lập hệ thống truyền thơng tận dụng tính phân tập khơng gian- thời
gian của tín hiệu thu đƣợc tƣơng đƣơng với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để
cải thiện chất lƣợng tín hiệu giúp giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã.
Để giải quyết những vấn đề nêu ở trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề
chính sau:
- Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về đồng bộ thời gian cho tín hiệu

OFDM trong mơi trƣờng dƣới nƣớc.
- Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịch
tần Doppler cho hệ thống thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM.
- Thứ ba là tìm ra các phƣơng pháp để cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm qua việc
ứng dụng đặc tính phân tập khơng gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten
thu – phát mà có khả năng nhƣ một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO).
2. Những vấn đề còn tồn tại
Vấn đề : Có nhiều phƣơng pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhƣng chủ yếu là sử
dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, nhƣ
phƣơng pháp Schmidl, phƣơng pháp Park, phƣơng pháp Minn và phƣơng pháp Seung.
Những phƣơng pháp này đƣợc đề cập trong [20,21] khơng phù hợp với tiêu chí truyền tin
của thông tin dƣới nƣớc do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thơng. Ngồi ra do đặc điểm
của sóng âm [14] khác với sóng vơ tuyến nên việc áp dụng các phƣơng pháp trên cho
truyền tín hiệu dƣới nƣớc sẽ đạt hiệu quả không cao.

2


Vấn đề 2: Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất
chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu cũng gây ra
lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên
cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM nhƣ ở
trong [18,25]. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp đó là việc tính tốn độ dịch tần số
Doppler thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế, trong trƣờng hợp độ dịch tần
Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín
hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch
tần Doppler thƣờng khơng chính xác.
Vấn đề 3: Các phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử
dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết
kiệm băng thông nhƣ các phƣơng pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bƣớc để bù dịch tần

Doppler đó là: đồng bộ thơ và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đƣợc
tính tốn gần đúng và làm trịn thành số nguyên. Ở bƣớc đồng bộ tinh, các phƣơng pháp
đó sẽ sử dụng thuật tốn để tính tốn chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để
khử nhiễu liên kênh trƣớc khi giải mã tín hiệu bên thu. Việc sử dụng 2 bƣớc tính tốn
nhƣ vậy sẽ phức tạp và khơng thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh.
Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dƣới nƣớc chịu tác động của nhiều yếu tố nhƣ
nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu đƣợc thƣờng bị sai và có chất lƣợng rất
thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17]. Thơng thƣờng trong các hệ thống vơ tuyến thì
để nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu, ngƣời ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng
tính phân tập khơng gian của tín hiệu [86,87]. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thu
phát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong mơi
trƣờng dƣới nƣớc. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát
(SISO) nhƣng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận
dụng đƣợc tính phân tập khơng gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là
mục tiêu của luận án.
3. Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong mơi trƣờng
truyền tin dƣới nƣớc với tiêu chí:
Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu
nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt.
3


Cho hiệu quả đồng bộ và chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc tốt hơn các phƣơng
pháp phổ biến.
Nghiên cứu phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các
ƣu điểm so với các phƣơng pháp hiện có:
Việc tính độ dịch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc khi đồng bộ nên khơng
cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu.
Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng

hơn.
Xác định đƣợc gần chính xác tần số Doppler ngay từ bƣớc đồng bộ thô nên ở
bƣớc đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản.
Đề xuất một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hồn tồn mới, sử dụng một tần số
sóng mang tín hiệu dẫn đƣờng (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính tốn và bù
dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông
so với các phƣơng pháp khác.
Sử dụng 2 bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính tốn và xác định độ dịch
tần Doppler.
Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử
dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Khơng sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên
tiết kiệm đƣợc băng thông so với cá phƣơng pháp khác.
Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để tính độ dịch tần Doppler
nên sẽ cho thời gian tính tốn nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của
hệ thống.
Đề xuất mơ hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợc
đặc tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí sau:
Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trƣờng nƣớc.
Cải thiện chất lƣợng tín hiệu sau khi giải mã.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu mơ hình truyền thơng tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM.
Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI.
Thuật toán bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin và thuật tốn xoay pha tín
hiệu.

4

Thuật tốn bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đƣờng CFP (Carrier Frequency Pilot)
và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống

OFDM truyền thông dƣới nƣớc.
Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặc
tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tín
hiệu.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đƣa ra các đề
xuất mới phù hợp thực tế.
Nghiên cứu các thuật tốn xử lý tín hiệu sóng âm truyền dƣới nƣớc.
Thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin dƣới nƣớc tại Hồ Tiền-Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích dữ
liệu của phòng Lab Wicom.
6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu thực hiện chủ yếu ở mơi trƣờng nƣớc nơng có độ sâu khơng q 50m.
Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quả
nghiên cứu bằng mô phỏng sử dụng mơ hình kênh đó là việc thực nghiệm chỉ có
thể thực hiện với một số hạn chế lần, cụ thể là từ một đến vài lần.
Bên thu và bên phát đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phát
chuyển động tƣơng đối với bên thu.
7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
 Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp cho lĩnh vực truyền thông tin
không dây dƣới nƣớc cụ thể giải quyết các vấn đề: đồng bộ tín hiệu, mã hóa và
giải mã tín hiệu, loại bỏ nhiễu, bù dịch tần Doppler,…
 Ngoài ra, các kết quả của luận án cũng là nền tảng để phát triển các phƣơng
pháp đồng bộ tín hiệu, tối ƣu hóa băng thơng cho thơng tin dƣới nƣớc, truyền

thông tin với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler.

5


 Nội dung trình bày trong Chƣơng 3 của luận án đƣợc Cục sở hữu trí tuệ - Bộ
Khoa học và công nghệ cấp bằng độc quyền sáng chế.
Ý nghĩa thực tiễn
 Các kết quả của luận án là những phƣơng pháp khả thi và có khả năng ứng

dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ƣu, thuật tốn đồng bộ tín hiệu,
thuật tốn bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lƣợng tín hiệu trong thơng tin dƣới
nƣớc.
 Ngồi ra các kết quả này cũng có thể đƣợc ứng dụng để các nhà sản xuất
trong nƣớc có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc, các hệ thống
tàu ngầm, thăm dò đáy biển, bảo vệ chủ quyền lãnh hải,…

8. Các đóng góp mới của luận án
Luận án có các đóng góp mới nhƣ sau:
Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống
OFDM dƣới nƣớc.
Đề xuất phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin cho hiệu
quả sử dụng phổ tốt hơn và xử lý tín hiệu dễ dàng hơn. Tiếp theo, tác giả đề xuất
phƣơng pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần
số sóng mang CFP (Nội dung này đƣợc cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệBộ Khoa học và Cơng nghệ).Cuối cùng, tác giả đƣa ra phƣơng pháp mới về giải
mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dƣới nƣớc.
Cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm sử dụng đặc tính phân tập khơng gian-thời
gian của hệ thống MIMO. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một
cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào
chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác

nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian và sự dịch chuyển tƣơng đối giữa bên
phát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống. Đề xuất thuật

tốn lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật tốn giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung
tín hiệu OFDM nhận đƣợc nhằm tối ƣu hóa q trình giải mã tín hiệu và tăng

hiệu quả của q trình truyền tin.

6


9. Bố cục của luận án
Nội dung của luận án chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống thơng tin dƣới nƣớc
Chƣơng này gồm 2 phần:
Trình bày các đặc tính của hệ thống truyền thơng tin dƣới nƣớc
Ứng dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống thủy âm và so sánh ƣu nhƣợc điểm của hệ
thống OFDMA và SC-FDMA.
Chƣơng 2. Đồng bộ tín hiệu cho hệ thống OFDM
Chƣơng này gồm 2 phần:
Trình bày các phƣơng pháp đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM.
Đề xuất phƣơng pháp đồng bộ thời gian mới chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI kết hợp
với thuật tốn xác định vị trí khoảng bảo vệ.
Chƣơng 3. Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler
Chƣơng này gồm 3 phần:
Đề xuất bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với kết quả có nhiều ƣu
điểm so với các phƣơng pháp hiện nay.
Đề xuất phƣơng pháp hồn tồn mới, khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà chỉ sử
dụng tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng CFP để tính tốn và bù dịch tần Doppler qua
2 bƣớc đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine

synchronization).
Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử
dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Dopple chỉ sử dụng một bƣớc đồng bộ duy nhất.
Chƣơng 4. Truyền thông dƣới nƣớc sử dụng mơ hình SISO (1 anten phát-1 anten thu)
kết hợp đặc tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO
Chƣơng này gồm 2 phần:
Trình bày về đặc tính phân tập không gian- thời gian của hệ thống MIMO.
Áp dụng kỹ thuật phân tập không gian-thời gian cho hệ thống truyền thông dƣới
nƣớc chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối
với trƣờng hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu đƣợc nghĩa là có sự chuyển
động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu
thủy âm từ một cặp anten thu-phát, tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy
thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời
7


điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian. Do có sự chuyển động tƣơng
đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ đƣợc thực hiện ở hai vị
trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong khơng gian tín hiệu. Dựa trên
đặc tính phân tập này của tín hiệu, luận án đề xuất một phƣơng pháp lựa chọn và
giải mã tín hiệu gần với tối ƣu. Phƣơng pháp đề xuất ƣu việt hơn so với kỹ thuật
MRC thông thƣờng và tiết kiệm thời gian giải mã tín hiệu để phù hợp với việc
truyền thông tin thời gian thực.

8


CHƢƠNG

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC

1.1. Giới thiệu chƣơng
Hệ thống thông tin dƣới nƣớc [6,8] đã đƣợc nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trƣớc
trên thế giới. Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thơng tin dƣới
nƣớc ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, do
những tính chất của mơi trƣờng nên hệ thống thơng tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt
với hệ thống thơng tin thơng thƣờng sử dụng sóng vơ tuyến trên mặt đất.
Chƣơng 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng đƣợc sử dụng trong
truyền thơng tin dƣới nƣớc, và các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có
đƣợc cái nhìn tổng quan về hệ thống.
1.2. Đặc điểm hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc
Hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc mà đặc biệt là truyền nƣớc nông mà luận án tập
trung nghiên cứu có những đặc tính khác biệt so với hệ thống truyền thơng tin trên cạn.
Cụ thể đó là trong mơi trƣờng nƣớc có rất nhiều các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình
truyền thơng tin đó là yếu tố thuộc đặc tính mơi trƣờng nƣớc, địa hình bề mặt đáy, tính đa
đƣờng, hiệu ứng Doppler,… [12-14]. Chính vì vậy, việc tập trung nghiên cứu vào các
vấn đề đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ các loại nhiễu ISI, ICI, giải mã,
khôi phục và cải thiện chất lƣợng tín hiệu là mục tiêu của luận án.
1.3. Hệ thống truyền thơng tin dƣới nƣớc
Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình truyền sóng âm
dƣới nƣớc. Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về mơi trƣờng, tính đa đƣờng, suy hao,
nhiễu môi trƣờng, hiệu ứng Doppler,… [9, 10, 11].
1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm
Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc [10,11,12]

Tốc độ truyền
Suy hao năng
lƣợng

Sóng âm

Sóng vơ tuyến

Sóng ánh sáng

~1500 m/s

~33.333.333 m/s

~33.333.333 m/s

>0,1dB/m/Hz

~28 dB/km/100MHz

9

Phụ thuộc vào độ đục
của nƣớc


Băng thông

~kHz

~MHz

~10-150 MHz

~0,1 m

~0,5 m

~0,1 m

Dải tần hoạt động

~kHz

~MHz

1014 - 1015 Hz

Khoảng cách

~km

~10 m

10-100 m

Kích thƣớc
Ănten

1.3.2. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm
Truyễn dẫn đa đƣờng trong truyền thơng vơ tuyến [14] gây ra nhiễu liên kí tự ISI
(Inter - Symbol Interference) và Fading của kênh trong miền tần số. Mặt khác, truyền dẫn
đa đƣờng dẫn đến khoảng thời gian trễ khác nhau của các tín hiệu khác nhau nhận đƣợc ở
phía thu, điều này làm khó khăn cho quá trình hiệu chỉnh dữ liệu. Hiện tƣợng đa đƣờng
[13] trong môi trƣờng nƣớc khác rất nhiều so với hiện tƣợng đa đƣờng trong mơi trƣờng

trên cạn. Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạ
với bất kì vật thể nào và khúc xạ âm thanh trong nƣớc [14]. Mỗi đƣờng truyền có những
đặc trƣng riêng của mình, chẳng hạn nhƣ sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ. Do đó,
mơ hình hệ thống thực nghiệm cần phải đƣợc xem xét cho từng loại đƣờng dẫn.
1.3.3. Suy hao trong mơi trƣờng nƣớc
Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trƣờng nƣớc [15] sẽ chịu ảnh hƣởng của
suy hao. Suy hao trong mơi trƣờng nƣớc khi truyền sóng âm sẽ ảnh hƣởng đến rất nhiều
yếu tố đó là việc lựa chọn tần số sóng âm để truyền và phạm vi truyền tín hiệu.
1.3.4. Nhiễu mơi trƣờng
Nhiễu trong một kênh thông tin dƣới nƣớc bao gồm nhiễu từ môi trƣờng xung
quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể. Nhiễu từ môi trƣờng xung quanh luôn luôn tồn tại,
trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó. Nhiễu từ mơi trƣờng xung
quanh xuất phát từ một số nguồn nhƣ sự bất ổn định, sóng vỗ, mƣa và chuyển động của
tàu thuyền. Nhiễu này không phải là nhiễu trắng và đƣợc xấp xỉ bằng nhiều Gauss. Mặt
khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thƣờng có chứa một số lƣợng lớn các thành phần không
phải nhiễu Gauss.
1.3.5. Hiệu ứng Doppler

10


Chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng
kênh truyền do hiệu ứng Doppler [15,16]. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ số:
a

v
, trong đó v là chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát, c là vận tốc âm
c

thanh trong nƣớc. Do vận tốc âm thanh trong nƣớc là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của

sóng điện từ trên khơng trung nên ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn [18,26,27].
Các thiết bị tự động dƣới nƣớc di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi
khơng có những chuyển động thì những ảnh hƣởng nhƣ sự trơi dạt gây nên bởi sóng,
thủy triều cũng ln tồn tại. Nói cách khác ln có chuyển động tƣơng đối giữa máy thu
và máy phát, hệ thống thông tin thông tin dƣới nƣớc cần đƣợc thiết kế nhằm giải quyết
vấn đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tƣơng đồng với hệ thống vơ tuyến dẫn qua vệ tinh.
Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán
đồng bộ và ƣớc lƣợng kênh truyền.
Mức độ ảnh hƣởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp vào giá trị của thông
số a . Ta làm phép so sánh sau: với hệ thống thông tin vơ tuyến có độ dịch chuyển tƣơng
đối giữa nguồn thu và phát là: 160km/h thì a  1.5 107 , giá trị này đủ nhỏ để ảnh
hƣởng của hiệu ứng Doppler có thể đƣợc bỏ qua. Nói cách khác, việc xem xét ảnh hƣởng
độ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là khơng cần thiết vì xác suất lỗi bit là rất
nhỏ. Ngƣợc lại, với kênh thông tin dƣới nƣớc, giả sử độ dịch chuyển giữa nguồn phát và
thu là 0.5 m/s thì a  3 104 . Nếu nhƣ dịch chuyển tƣơng đối lên tới vài m/s, giá trị
của a vào khoảng a  103 , nên giá trị này không thể bỏ qua đƣợc.
Dịch chuyển Doppler [17] và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tƣơng đối
là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin dƣới nƣớc với kênh thông tin
trên cạn. Trải phổ Doppler gây ra lệnh pha, trễ đồng bộ. Trong hệ thống thơng tin dƣới
nƣớc dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng.
Trong hệ thống thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thể
bỏ qua, hiệu ứng Doppler là nhƣ nhau với tất cả các sóng mang con. Với hệ thống thơng
tin dƣới nƣớc, ảnh hƣởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau
đáng kể, điều này gây nên méo Doppler khơng động bộ trên tồn bộ băng thơng tín hiệu.
Gần đây, việc phát hiện ra tín hiệu đa đƣờng khơng phải liền nhau, mà là những
tín hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ thống đơn sóng
11


mang và đa sóng mang. Những nghiên cứu gần đây cũng đạt đƣợc kết quả nhất định

trong việc đánh giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng.
1.3.6. Nhận xét
Về cơ bản việc truyền tín hiệu trong mơi trƣờng khơng khí và trong mơi trƣờng
nƣớc có nhiều điểm giống nhau. Khi truyền tín hiệu trong mỗi mơi trƣờng đều gặp phải
những vấn đề về đƣờng truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hƣởng lên hệ thống. Nhƣng
vì mơi trƣờng dƣới nƣớc là mơi trƣờng có tính chất phức tạp hơn nên việc khơi phục tín
hiệu sau khi truyền đi cũng tƣơng đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền
thơng dƣới nƣớc đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đƣa ra các biện pháp kỹ
thuật mới đƣợc đề cập trong nội dung của luận án.
1.4. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong mơi trƣờng dƣới
nƣớc
Có nhiều kỹ thuật đƣợc sử dụng cho việc truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ ASK,
FSK, M_PAM, M_QAM. Mỗi kỹ thuật có những ƣu điểm và nhƣợc điểm khác nhau
[1,2]. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng thơng thì kỹ thuật điều chế OFDM
là một trong những kỹ thuật đƣợc luận án lựa chọn. Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa
sóng mang trực giao OFDM đã đƣợc áp dụng trong [6], [17].
Luận án sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và mơ hình hệ thống OFDM để qua đó ta
có cái nhìn tổng quát về kỹ thuật OFDM và ứng dụng kỹ thuật đó trong truyền thơng
dƣới nƣớc.
1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM
OFDM là cụm từ viết tắt của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép
kênh. Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N
chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N
chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này
đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời. Ở phía q trình thu tín hiệu
thì đƣợc thực hiện ngƣợc lại.
OFDM là trƣờng hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing). Bản
chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều
12