Báo cáo mô hình phao thủy âm

Tiêu Đề Báo Cáo: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ
VÀO VIỆC LIÊN LẠC DƯỚI NƯỚC BẰNG SÓNG
ÂM VÀ MÔ HÌNH PHAO THỦY ÂM SỐ
Mở Đầu
Liên lạc dưới nước bằng sóng âm là điều không còn xa lạ với thế giới, việc liên lạc dưới
nước được đặc biêt quan tâm và chú trọng nghiên cứu, nhất là trong lĩnh vực quân sự,
liên lạc dưới nước mang tính sống còn, quyết định phần trăm lớn sự thắng lợi trong
cuộc chiến trên mặt biển và trong lòng đại dương. Trong những năm gần đây việc mâu
thuẫn giữa Việt Nam và nước láng giềng đặc biệt là Trung Quốc, đang đặt ra những
thách thức lớn cho Hải Quân Việt Nam những vấn đề cấp bách cần giải quyết để dành
quyền chủ động khi mà chiến sự có thể diễn ra bất cứ khi nào. Chúng ta không những
phải làm chủ được công nghệ, mà đồng thời phải chế tạo những công nghệ theo bí quyết
riêng của mình để tang cường sức mạnh quân sự cho Hải Quân Việt Nam, những kỹ
thuật truyền âm tương tự nay đã không còn phát huy nhiều tác dụng khi mà những máy
tính hiện đại, những thiết bị điện tử với những bộ vi xử lý tốc độ cao có thể đảm nhiệm
việc xử lý các bản tin số trong tích tắc, thì việc ứng dụng truyền thông số dưới nước là
một thế mạnh mà cả thế giới đang tập trung nghiên cứu. Việc truyền tin số có rất nhiều
tính năng mà truyền tin tương tự không làm được đó là: Khả năng trống nhiễu cao,
thông tin mật được mã hóa và truyền đi một cách tin cậy hơn giúp chúng ta không bị lộ
những thông tin quan trọng, tích hợp với các hệ thống số cao, dễ dàng phát triển theo
những thành tựu khoa học hiện đại ngày nay… Đặc biệt một điểm khá quan trọng khi
truyền âm dưới nước đó là về vấn đề tần số hoạt động, trong bài báo cáo này tôi xin nêu
ra một kỹ thuật không mới nhưng lại là một ứng dụng khá mới trong truyền âm dưới
nước, đồng thời làm sáng tỏ những ý tưởng về việc thiết kế một Phao Thủy Âm tích
hợp thông minh, giúp nâng cao khả năng chinh sát cũng như phòng thủ cho các tàu quân
sự mặt nước cũng như tàu ngầm quân sự. Trong những bước đi đầu tiên này, tôi rất
mong muốn nhận được sự góp ý của độc giả và các chuyên gia, giúp mô hình hoàn thiện
hơn, góp phần nâng cao sức mạnh Việt Nam.
Nội Dung
1. Giới Thiệu
2. Một Số Kỹ Thuật Điều Chế Tín Hiệu Số

2.1 Kỹ Thuật Dời Biên ASK (Amplitude Shift Keying)
2.2 Kỹ Thuật Dời Tần FSK (Frequency Shift Keying)
2.3 Kỹ Thuật Dời Pha PSK (Phase Shift Keying)
3. Tính Chất Của Kênh Truyền Âm.
4. Ưu và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật FSK Trong Truyền Âm Dưới Nước.
5. Đánh Giá và Lựa Chọn Kỹ Thuật Truyền Tin.
6. Mô Hình Phao Thủy Âm.
6.1 Mô Hình Hệ Thống Viễn Thông.
6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm.
6.3 Sơ Đồ Khối Của Phao Thủy Âm và Giải Thích.
6.3.1 Phao Thủy Âm Dùng Thông Tin Dưới Nước.
6.3.2 Phao Thủy Âm Đơn Giản Dùng Để Phát Hiện Mục Tiêu.
7. Kết Luận Tính Thiết Thực và Ưu Việt Của Mô Hình Phao Thủy Âm. Đồng
Thời Đề Ra Những Bước Đi Xa Hơn Về Một Mô Hình Phao Thủy Âm Hoàn
Thiện Hơn.
8. Khó Khăn Đang Gặp và Hướng Tiếp Cận.

1) Giới Thiệu.
Kỹ thuật số là cụm từ không còn xa lạ với hầu hết mọi người ngày nay, những ứng dụng
của kỹ thuật số vào hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống đã chứng minh được tính ưu việt
hơn hẵn so với kỹ thuật tương tự, Nhất là trong lĩnh vực truyền tin tin cậy, điều này
càng đặc biệt quan trọng trong an ninh – quân sự nơi mà yếu tố bảo mật và tin cậy luôn
luôn là ưu tiên số 1. Với kỹ thuật số, các chuyên gia có thể xử lý các bản tin một các
linh hoạt và mềm dẻo nhờ việc lập trình, các phương thức lập trình mã hóa giúp tăng
độ bảo mật, đồng thời giúp dễ dàng phát hiện và tự động sửa lỗi trên kênh truyền theo
một quy tắc riêng của từng người, đây luôn luôn là điểm nhấn về tính sáng tạo trong tư
duy của từng cá nhân. Vậy với sự ra đời của kỹ thuật số đã giải quyết rất nhiều vấn đề
hóc búa cho việc truyền tin trong môi trường luôn luôn có thể tạo ra sự sai lệch và lỗi
một cách ngẫu nhiên.
2) Một Số Kỹ Thuật Điều Chế Tín Hiệu Số.

Sau khi bản tin tương tự đã được số hóa thành chuỗi nhị phân gồm các bit 0 và 1, lúc
này để chuyền được đi trong kênh chuyền chúng ta phải sử dụng một số kỹ thuật nhằm
truyền các chuỗi bit 0 và 1 này từ nơi phát tới nơi nhận. Trong phần này chúng ta sẽ
không đề cập tới điều chế tín hiệu tương tự, mà sẽ điểm sơ qua những nét chính và
nguyên lý của các kỹ thuật điều chế số.
2.1 Kỹ Thuật Dời Biên ASK (Amplitude Shift Keying).
Kỹ thuật dời biên là một kỹ thuật khá đơn giản để thực hiện, nguyên lý là như sau:
Chúng ta có 2 bit là 0 và 1, ta chỉ cần quy định mỗi bit có một mức năng lượng khác
nhau để biểu thị nó thì ta sẽ có kỹ thuật dời biên được mô tả như hình sau,với bit 1 được
truyền đi bởi sóng mang có biên độ là E
1
và bit 0 được chuyền đi bởi sóng mang có biên
độ là E
2
:

Hình 1: Kỹ Thuật Truyền Tin ASK
2.2 Kỹ Thuật Dời Tần FSK (Frequency Shift Keying).
Ở kỹ thuật này tôi sẽ mô tả chi tiết hơn, và biễu diễn dạng toán học các phương trình.
Vì đây là kỹ thuật sẽ được chọn cho mục đích truyền tín hiệu trong môi trường nước
(underwater communication).
Điều chế FSK được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định
tương ứng với tín hiệu số đưa vào điều chế. Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng
mang với tần số khác nhau: f1 và f2
v1(t) = cos(
1
w
t)
v2(t) = cos(
2

w
t)

Tín hiệu điều chế có dạng:
d
Vt
=
1
0




Do đó tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau:
1
2
osw
()
cos
FSK
ct
vt
wt






Hình 2: Dạng Tín Hiệu FSK

12
( ) cos . cos .(1 )
FSK d d
v t wt v t w t v t  

Ở trên ta đã có:
1 0 0 0
1 1 1
( ) cos . cos os3 cos5
2 2 3 5
FSK
v t wt w t c w t w t



    





Do đó:

1 0 0 0
2 0 0 0
1 1 1
( ) cos . cos os3 os5
2 2 3 5
1 1 1
cos . cos os3 os5

2 2 3 5
FSK
v t wt w t c w t c w t
w t w t c w t c w t




    






    





Tương tự như trên, cuối cùng ta được:

 
1 1 0 1 2 1 0 1 0
1 1 1
( ) cos os(w w ) os(w w ) os(w 3 ) os(w 3 )
23
FSK
v t wt c t c t c w t c w t



         




 
2 2 0 2 0 2 0 2 0
1 1 1
cos os(w w ) os(w w ) os(w 3 ) os(w 3 )
23
w t c t c c w t c w t


         



Dạng phổ của tín hiệu FSK giống như dạng phổ của tín hiệu ASK nhưng hai thành
phần sóng mang có tần số là f1 và f2, khoảng cách giữa chúng là fs

Hình 3: Khoảng Cách Tần Số
Từ những phân tích trên thì ta có thể hiểu khi đó bản tin số được truyền đi như sau: Ta
sẽ chuyền bit 1 đi bởi sóng có tần số là f
1
và bit 0 đi bởi sóng có tần số là f
2
. Kỹ thuật
FSK được minh họa bằng sơ đồ sau:

Hình 4: Kỹ Thuật Truyền Tin FSK
2.3 Kỹ Thuật Dời Pha PSK (Phase Shift Keying).
Đây là một kỹ thuật rất tốt để truyền số liệu. trong kỹ thuật dời pha PSK, các bit 1 và 0
được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau.
Chúng ta có thể mô tả một tín hiệu PSK như sau:

Hình 5: Kỹ Thuật Truyền Tin PSK
3) Tính Chất Của Kênh Truyền Âm.
Trong bài báo cáo trước chúng ta đã thảo luận về các ảnh hưởng, tính chất vật lý của
biển và địa hình biển ảnh hưởng như thế nào đến việc truyền âm dưới nước, giờ chúng
ta sẽ thảo luận về vấn đề cũ nhưng chi tiết và phức tạp hơn đó là hiện tượng đa đường
và hiệu ứng Doppler.
Đa đường hay gọi là hiện tượng Fading, là hiện tượng sóng từ Transmitter tới Receiver
theo nhiều đường khác nhau, gây lên nhiễu loạn tín hiệu tại nơi thu.
Còn hiệu ứng Doppler là sự dịch chuyển của máy phát so với máy thu. Điều này dẫn tới
việc lệch tần số khi truyền trong môi trường tự do, từ việc tính toán sự sai lệch tần số
trong quá trình đo đạc ta có thể biết được vận tốc và hướng di chuyển của mục tiêu.
Vì vậy chúng ta cần tập trung phát triển kỹ thuật điều chế để xử lý tốt hiện tượng đa
đường gây lên nhiễu loạn tại nơi thu, đồng thời phân tích tốt dữ liệu thu được và đưa
vào mô hình của hiệu ứng Doppler ta sẽ có kết quả với độ sai số nhỏ.
4) Ưu và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật FSK Trong Truyền Âm
Dưới Nước.
Ưu điểm:
- Cho tỷ lệ lỗi tốt hơn so với các kĩ thuật ASK hay PSK.
- Do biên độ của tín hiệu sóng mang không đổi nên giảm lãng phí công suất và tạo
khả năng miễn trừ đối với tạp âm.
- Có thể dừng nhiều hơn hai tần số.
- Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn.
- Băng thông được dùng hiệu quả hơn.

- Mỗi phần tử tín hiệu được biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ liệu.
- Đòi hởi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình.
Nhược điểm:
- Truyền số liệu tốc độ thấp.
- Khả năng đáp ứng tần số môi trường hạn chế.
- Tần số tín hiệu tương đối cao, điều này một mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu mạnh
đối với bên ngoài, mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền.
5) Đánh Giá và Lựa Chọn Kỹ Thuật Truyền Tin.
Từ việc phân tích những ưu điểm và nhược điểm về môi trường truyền tin, kỹ thuật
truyền tin và tính khả thi ứng dụng của các hiện tượng vật lý đặc biệt là hiệu ứng
Doppler, chúng tôi đã rút ra kết luận rằng, điều chế FSK là phù hợp nhất cho việc truyền
tin dưới nước. Vì vậy xuyên suốt quá trình chúng ta sẽ xây dựng và phát triển hệ thống
dựa trên kỹ thuật này.
6) Mô Hình Phao Thủy Âm.
6.1 Mô Hình Hệ Thống Viễn Thông.
Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu cách mô hình hóa một hệ thống viễn thông trong
thực tế, hình dưới đây là một mô hình hệ thống viễn thông được biểu diễn qua các khối,
sau khi có cái nhìn tổng quát ta sẽ đi tìm hiểu đánh giá từng phần của mô hình để suy
ra những ứng dụng cụ thể vào những bài toán thực tế nhằm thực hiện có hiệu quả về cả
hiệu xuất lẫn kinh tế.

Hình 6: Mô Hình Truyền Tin Điển Hình
6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm.
Phao Thủy Âm là một thiết bị liên lạc và chinh sát không thể thiếu trong lực lượng Hải
Quân, với tầm quan trọng đó rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra những mô hình Phao Thủy
Âm với những tính năng hữu hiệu để ngày càng hoàn thiện nó. Trong bài báo cáo này
tôi xin đưa ra một mô hình Phao Thủy Âm mà trong khả năng chúng tôi có thể làm được
ở thời điểm này đó là: Phao Thủy Âm số dùng để phát hiện được mục tiêu và đo khoảng
cách tới mục tiêu đó. Và từ mô hình này chúng tôi sẽ định hướng để hoàn thiện sản
phẩm Phao Thủy Âm không những chỉ dùng để phát hiện được và đo khoảng cách tới

mục tiêu mà còn được dùng để liên lạc dưới nước, tạo mục tiêu giả dùng để đánh lừa
vũ khí dò tìm của đối phương(chẳng ngư lôi, các phương tiện chinh sát của địch…).
6.3 Sơ Đồ Khối Của Phao Thủy Âm và Giải Thích.
6.3.1 Phao Thủy Âm Dùng Thông Tin Dưới Nước.
Dưới đây là một mô hình Phao Thủy Âm tổng thể mà chúng tôi đưa ra và muốn chạm
tới để thiết kế.











Hình 7: Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Số Dưới Nước
Mô hình này khá giống với một hệ truyền tin số trên mặt đất sử dụng sóng điện từ, chỉ
khác là môi trường truyền tin và thiết bị thu nhận thông tin là các Transducer.

Analog
Signal
A/D
Converter
Hamming
Coder
FSK
Modulator
Amplifier

Channel
Water
Pre-
Amplifier

FSK
Demodulator

Hamming
Decoder

D/A
Converter

Amplifier
Message
Transducers
6.3.2 Phao Thủy Âm Đơn Giản Dùng Để Phát Hiện Mục Tiêu.
Với mục tiêu bước đầu tạo ra mô hình Phao Thủy Âm dùng cho mục đích phát hiện mục
tiêu và đo khoảng cách tới mục tiêu, chúng tôi sẽ thu gọn mô hình ở trên đi, tức là lược
bỏ một vài phần của một hệ thống phức tạp để đạt được mô hình phù hợp với mục đích
sử dụng. Như vậy theo ý tưởng đó, chúng tôi sẽ lược bỏ đi một số khối và thay đổi tính
chất của một số khối để đạt được hiệu quả tối ưu nhất. Với mục tiêu phát một dãy xung
điều khiển và nhận lại dãy xung đã được phát đi một cách chính xác, có thể sửa được lỗi
của dãy xung phát đi, và dựa vào việc phân tích dữ liệu nhận được từ dãy xung đã phát
ta có thể có những phân tích về tính chất của môi trường và mục tiêu. Vì vậy mô hình
Phao Thủy Âm đơn giản được đề xuất là:

Hình 8: Mô Hình Phao Thủy Âm Đơn Giản
Từ mô hình này tôi sẽ đề ra ý tưởng để thực hiện như sau: Với các khối Sequence
Generator, Hamming Coder, FSK Modulator, FSK Demodulator, Hamming Decoder
thực hiện trên phần cứng là vi điều khiển (ở đây ta sẽ chọn PIC16f877a), việc tạo ra
Sequence Generator và các kỹ thuật Code, Decode được thực hiện bằng các thuật toán
và việc lập trình, các khối FSK Modulator, FSK Demodulator cũng dựa vào sự điều
khiển của vi điều khiển với việc lập trình phát xung tính toán thời gian phát và thời gian
nhận theo các bộ timer có trong vi điều khiển, mọi xử lý hầu hết diễn ra bên trong vi
Sequence
Generator
Hamming
Coder
FSK
Modulator

Amplifier
Channel
Water
Pre-
Amplifier

Transducers
FSK
Demodulator

Hamming
Decoder
Amplifier
Display
điều khiển, chúng ta lập trình tạo lên phần mềm để chạy vi điều khiển theo ý định và kết
hợp nó với 1 số thiết bị ngoại vi để tạo lên mô hình Phao Thủy Âm như trên. Bên cạnh
đó thì có các Transducer, chúng ta sẽ phải đặt mua các Transducer với dãi tần số hoạt
động mong muốn. Các khối khuếch đại thì ta sẽ phải xây dựng mạch khuếch đại phù
hợp, ví dụ một mạch khuếch đại đơn giản đã được dùng trong một thiết kế truyền tin
dưới nước như sau:

Hình 9: Mạch Khuếch Đại
Và khối cuối cùng là Display, dùng để hiển thị kết quả sau khi vi xử lý tính toán, ở
đây ta chọn bộ hiển thị LCD.
7) Kết Luận Tính Thiết Thực và Ưu Việt Của Mô Hình Phao
Thủy Âm. Đồng Thời Đề Ra Những Bước Đi Xa Hơn Về Một
Mô Hình Phao Thủy Âm Hoàn Thiện Hơn.
Theo những phân tích đánh giá như trên, với độ phức tạp không cao, phần chính chủ
yếu là kiến thức và khả năng lập trình để có thể sử dụng dữ liệu hiệu quả nhất, thì mô
hình Phao Thủy Âm này là thực hiện được. Ngoài ra với việc tối ưu hóa các phần cứng
một cách tối đa nhất, chủ yếu công việc xử lý nằm trong PIC16f877a thì vấn đề về tài
chính để thực hiện đề án không phải là vấn đề quá nan giải.
Ưu việt của mô hình này là thiết kế nhỏ gọn, giá thành giẻ, dễ dàng thay đổi cấu hình
nhờ việc thay đổi lệnh lập trình, khi mô hình này thành công thì sẽ tạo lên một nền tảng
vững chắc để xây dựng lên một Phao Thủy Âm với đầy đủ tính năng như trình bày trong
phần “6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm.”.

Để thực hiện được một Phao Thủy Âm hoàn thiện hơn, chúng ta cần phải thực hiện
thành công mô hình đầu tiên này, thời điểm này chúng ta cần thực hiện các công việc
một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất, cần phải bổ sung mảng lớn kiến thức về lập
trình nhúng, kiến thức máy tính nhúng, kiến thức về điện tử, kiến thức về viễn thông…
chúng ta với có thể hoàn thành được đề tài lớn này. Trong khoảng thời gian không xa
tiếp theo, chúng ta cần phải học tập tích cực, đúng trọng tâm và đưa ra các báo cáo
thường xuyên để là nền tảng thực hiện mô hình.
8) Khó Khăn Đang Gặp Phải và Hướng Tiếp Cận.
Đây là một phần nhỏ, nhưng em hi vọng thầy sẽ đọc kỹ và có những chỉ đạo giúp bọn
em hoàn thành nhanh chóng nhất có thể. Em và Tấn thì theo Viễn Thông, nhưng đề tài
chúng ta đang làm thì lại cần 1 lượng lớn kiến thức về Điện Tử và những kiến thức này
khá chuyên xâu. Kỳ này vì muốn có chuẩn bị tốt nhất cho đề tài của thầy nên em đã
đăng ký môn Thiết Kế Máy Tính Nhúng bên điện tử, vì em nghĩ mình đang hổng kiến
thức phần này nhất. Tấn cũng đang tìm hiểu về vi điều khiển PIC rất tích cực, và em
cũng có chút kiến thức sơ qua về vi điều khiển. Thời gian tới chúng em sẽ kết hợp làm
việc với nhau nhiều hơn để giải quyết vấn đề lập trình và vi điều khiển, em nghĩ sẽ cần
1 chút thời gian. Chúng em sẽ cố gắng hết sức để làm việc và hoàn thành sớm nhất có
thể, em cũng mong thầy nhận xét về mô hình em đưa ra và có những sự điều chỉnh phù
hợp và nhanh chóng nhất để bọn em có thể hoàn thiện hơn.
Phụ Lục Hình Ảnh:
1. Hình 1: Kỹ Thuật Truyền Tin ASK
2. Hình 2: Dạng Tín Hiệu FSK
3. Hình 3: Khoảng Cách Tần Số
4. Hình 4: Kỹ Thuật Truyền Tin FSK
5. Hình 5: Kỹ Thuật Truyền Tin PSK
6. Hình 6: Mô Hình Truyền Tin Điển Hình
7. Hình 7: Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Số Dưới Nước
8. Hình 8: Mô Hình Phao Thủy Âm Đơn Giản
9. Hình 9: Mạch Khuếch Đại
Kết Thúc

Người Viết: 1) Trần Việt Hoàng
2) Trần Bá Tấn
Phân công và thực hiện nội dung.

Người Viết
Phần Viết










Trần Việt Hoàng
Tiêu Đề Báo Cáo
Mở Đầu
Nội Dung:
1. Giới Thiệu
2.
3. Tính Chất Của Kênh Truyền Âm.
4.
5. Đánh Giá và Lựa Chọn Kỹ Thuật Truyền Tin.
6. Mô Hình Phao Thủy Âm.
6.1 Mô Hình Hệ Thống Viễn Thông.
6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm.
6.3 Sơ Đồ Khối Của Phao Thủy Âm và Giải Thích.
6.3.1 Phao Thủy Âm Dùng Thông Tin Dưới

Nước.
6.3.2 Phao Thủy Âm Đơn Giản Dùng Để Phát
Hiện Mục Tiêu.
7. Kết Luận Tính Thiết Thực và Ưu Việt Của Mô Hình
Phao Thủy Âm. Đồng Thời Đề Ra Những Bước Đi
Xa Hơn Về Một Mô Hình Phao Thủy Âm Hoàn
Thiện Hơn.
8. Khó Khăn Đang Gặp và Hướng Tiếp Cận.






Trần Bá Tấn
Nội Dung:
1.
2. Một Số Kỹ Thuật Điều Chế Tín Hiệu Số
2.1 Kỹ Thuật Dời Biên ASK (Amplitude Shift
Keying)
2.2 Kỹ Thuật Dời Tần FSK (Frequency Shift
Keying)
2.3 Kỹ Thuật Dời Pha PSK (Phase Shift Keying)
3.
4. Ưu và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật FSK Trong
Truyền Âm Dưới Nước.
5.
6.
7.
8.