NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
====o0o====
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA
NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI
NƯỚC

Hà Nội, 6-2014

i
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN XUÂN NAM
LỚP KSTN- ĐTVT- K54
Giảng viên hướng dẫn : TS. HÀ DUYÊN TRUNG
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin liên lạc dưới nước được sử dụng rộng rãi cho
nhiểu mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện
dưới biển tự động và quân sự. Với bờ biển dài hơn 3000km và thềm lục địa rộng lớn,
nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nên cần thiết. Tuy nhiên,
do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của môi trường không khí tự do và môi trường biển
nên những công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho
việc thông tin dưới nước. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, em đã quyết định chọn đồ án
“ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN
DƯỚI NƯỚC ”. Trong quá trình thực hiện đồ án này, ngoài việc vân dụng và củng cố
hơn những kiến thức đã học, tôi đã có thêm được những kỹ năng như làm việc nhóm,
thuyết trình, trao đổi và thảo luận, … Những kỹ năng đó thật sự cần thiết cho bản thân.
Hơn thế nữa, quá trình làm đồ án còn giúp tôi rèn luyện khả năng tư duy logic, có hệ
thống.
Để xây dựng được đồ án này, em đã nhận được sự quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ

của rất nhiều người. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Hà Duyên
Trung và PGS.TS. Nguyễn Văn Đức, hai thầy đã hướng dẫn em rất nhiệt tình, rất
đầy đủ về mặt kiến thức, kỹ thuật chuyên môn, các kinh nghiệm quý báu đồng thời
chỉ ra cho em nhiều định hướng, ý tưởng, các phương pháp tiếp cận và thực hiện đồ
án. Hai thầy cũng tạo điều kiện tốt nhất về mặt thiết bị, địa điểm làm việc để em có
thể hoàn thành tốt đồ án. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa,
các thầy cô đã truyền dạy cho chúng những kiến thức vô cùng quý báu, từ các kiến
thức nền tảng đó mà em có thể giải quyết được các vấn đề liên quan.
Hà Nội, tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Nam

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trước nhu cầu thực tế ngày càng cao của thông tin dưới nước, yêu cầu về
một hệ thống thông tin dưới nước có khả năng cung cấp các dịch vụ cơ bản là rất
ii
cần thiết. Đồ án đi sâu vào nghiên cứu, đánh giác các hệ thống thông tin dưới nước
hiện có, tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống thông tin dưới nước ở các nước trên
thế giới, sau đó tiến hành phỏng tạo kênh truyền. Đồ án trình bày và phân tích các
yếu tố trong hệ thống thông tin dưới nước như: tần số sử dụng, mô hình suy hao,
mô hình đa đường, mô hình nhiễu và hiệu năng kênh truyền.
Bên cạnh đó, đồ án tiến hành mô phỏng và đánh giá về ảnh hưởng của nhiễu,
của hiện tượng đa đường tới xác suất lỗi bit của kênh truyền bằng công cụ mô
phỏng Matlab. Cuối cùng, đồ án đưa ra hướng phát triển cho hệ thống tương lai và
những cải tiến mới để tăng hiệu quả của kênh truyền.
iii
ABSTRACT
Because of the rising demand on exchange information in underwater
environment, the need of an underwater communication system that can provide
applications is essential. The thesis “Researching characteristics and evaluate the

effects of Noise to Underwater Acoustic Communication System” focues on
researching, evaluating present underwater communication system that have been
deployed in the world and. After that, it models the underwater channel. The thesis
presents and analyzes components in the system: used frequencies, pathloss models,
multipath propagation models, noise and channel capacity.
Besides, my thesis has simulated and evaluated the effects of noise,
multipath propagation to the Bit Error Rate (BER) of system by Matlab simulator.
Finally, I have given some new ideas to develop and improve the effectiveness of
the underwater acoustic channel.
iv
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3
CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 10
CHƯƠNG 3. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 45
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 55
KẾT LUẬN 78
THAM KHẢO 79
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT 80
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 3
Hình 1.2 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu (S=35ppt) 5

Hình 1.3 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt) 6
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước 6
Hình 1.5 Lan truyền sóng âm trong môi trường vật chất [1] 7
Hình 1.6 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [2] 8
Hình 1.7 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [2] 9
Hình 2.8 Hệ số hấp thụ trong môi trường nước [3] 11
Hình 2.9 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu [4] 12
Hình 2.10 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [4] 13
Hình 2.11 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp 15
Hình 2.12 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison) 17
Hình 2.13 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C) - công
thức Francois và Garrison 18
Hình 2.14 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C) - công
thức Francois và Garrison 19
Hình 2.15 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau. (T=4oC, D=1000m,
pH=8) 20
Hình 2.16 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng [4] 22
Hình 2.17 Nhiễu môi trường cho với những tần số khác nhau, vận tốc gió là
vw=20 km/h 28
Hình 2.18 Sự phụ thuộc của 1/AN vào khoảng cách truyền và tần số 29
Hình 2.19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách [6] 29
Hình 2.20 Bảng các giá trị theo SNR [6] 32
Hình 2.21 Giá trị của B[kHz] và C[kHz] theo khoảng cách [6] 32
Hình 2.22 Đặc tuyến C/B theo và [6] 33
Hình 2.23 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx[4] 34
Hình 2.24 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R [4] 38
Hình 2.25 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước [8] 39
Hình 2.26 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia [7] 40
Hình 3.27 Tín hiệu ASK 46
vi

Hình 3.28 Phổ của tín hiệu ASK 47
Hình 3.29 Dạng tín hiệu FSK 48
Hình 3.30 Phổ của tín hiệu FSK 49
Hình 3.31 Tín hiệu PSK 50
Hình 3.32 Phổ của tín hiệu PSK 51
Hình 3.33 Biểu đồ trạng thái tín hiệu của phương trình 52
Hình 3.34 Sơ đồ khối bộ phát QPSK 53
Hình 4.35 Hệ thống mô phỏng 55
Hình 4.36 Sơ đồ khối bộ phát 56
Hình 4.37 Sơ đồ ánh xạ các bit vào symbol QPSK 57
Hình 4.38 Biên độ bộ chỉnh dạng xung trong miền thời gian 58
Hình 4.39 Mô hình kênh truyền đa đường dưới nước 59
Hình 4.40 Sơ đồ khối bộ thu 60
Hình 4.41 Tín hiệu đầu ra của bộ lọc phối hợp khi không có nhiễu 62
Hình 4.42 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc thích ứng 63
Hình 4.43 Tương quan chéo giữa tín hiệu nhận và training sequence 65
Hình 4.44 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu theo lý thuyết 67
Hình 4.45 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu khi xấp xỉ bởi nhiễu Gauss. 68
Hình 4.46 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy bùn 69
Hình 4.47 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy là đất sét. 69
Hình 4.48 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy bùn và đáy là đất sét 69
Hình 4.49 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy bùn 70
Hình 4.50 Tín hiệu đa đường với những tọa độ khác nhau nhưng cùng khoảng
cách 71
Hình 4.51 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy cát, phản
xạ tốt 71
Hình 4.52 Tỉ lệ lỗi bit khi ta không tính đến đa đường 73
Hình 4.53 Tỉ lệ lỗi bit theo SNR với đáy bt=0 và bt=7 74
Hình 4.54 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với
khoảng cách máy thu và máy phát là 1000m 75

Hình 4.55 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với
khoảng cách máy thu và máy phát là 400m 75
vii
Hình 4.56 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với
khoảng cách máy thu và máy phát là 200m 76
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Giá trị bt của từng loại đáy khác nhau 20
Bảng 2.2 Giá trị hệ số K, n theo từng loại đáy khác nhau [5] 21
ix
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa
ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu Gauss
ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự
MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu
OFDM Orthogonal Frequency Divionsion
Multiplex
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao
PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung
PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế pha trực giao
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin thủy âm

x
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Ý tưởng đề tài
Trong những năm gần đây, thông tin liên lạc dưới nước được sử dụng khá
rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành
các phương tiện dưới biển tự động, và quân sự. Nhu cầu thông tin liên lạc dưới
nước ngày một tăng đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này.
Việc mô hình hóa một cách chính xác các yếu tố của kênh thông tin dưới nước như
mô hình kênh truyền, ảnh hưởng của nhiễu, giao diện vô tuyến được đặc biệt chú
trọng. Sự khác nhau giữa môi trường dưới nước và trên không khiến các module
không dây đang được sử dụng trong môi trường trên không rất khó được tái sử dụng
trong môi trường dưới nước. Do đó, việc nghiên cứu các module không dây mở
rộng cho môi trường dưới nước là cần thiết.
Trong môi trường dưới nước, tín hiệu điện từ bị giới hạn về khoảng cách
truyền do nó bị hấp thụ và suy hao với tốc độ rất nhanh. Mặt khác, tín hiệu quang
học cũng bị hấp thụ nhanh trong môi trường nước do các thành phần trong các cột
nước. So với các dạng tín hiệu trên, tín hiệu sóng âm có nhiều ưu điểm hơn nhờ sự
suy hao thấp của âm thanh trong nước do nó hoạt động ở miền tần số thấp. Do đó,
thông tin liên lạc sử dụng tín hiệu sóng âm là công nghệ linh hoạt và được sử dụng
nhiều nhất trong các ứng dụng trong môi trường dưới nước. Việc sử dụng tín hiệu
sóng âm có thể bị ảnh hưởng xấu bởi sự biến đổi nhiệt độ, nhiễu bề mặt, và truyền
dẫn đa đường do sự phản xạ và tán xạ. Hơn nữa, tốc độ truyền dẫn chậm đáng kể
của tín hiệu sóng âm so với tín hiệu điện tử và quang học gây nên trễ truyền dẫn
lớn. Những đặc tính đó làm cho kênh truyền trong môi trường dưới nước khác so
với kênh truyền trên không trung. Việc mô hình hóa một cách chính xác kênh truyền
sử dụng tín hiệu sóng âm là một bước cực kì quan trọng nhằm nâng cao hiệu năng
của hệ thống thông tin dưới nước. Xuất phát từ những ý tưởng trình bày trên, tôi
quyết định chọn đồ án liên quan đến việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của
nhiễu tới kênh thông tin dưới nước.
1

Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài
Những kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho các hoạt động thông tin liên lạc
dưới nước như: các hoạt động thăm dò, thu thập dữ liệu tự động về các thông số cần
thiết như: thành phần hóa học trong nước, đánh giá mức độ ô nhiễm của nước.
Việc đánh giá hệ thống với các tham số đầu vào khác nhau đảm bảo được hệ
thống khi triển khai có thể được áp dụng trên nhiều vùng miền với các đặc trưng địa
lý khác nhau.
Mục tiêu của đề tài
Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường dưới nước:
- Mô phỏng được ảnh hưởng của nhiễu
- Tính chất đa đường
- Ảnh hưởng của tính chất phản xạ của từng loại đáy khác nhau.
- Xây dựng được hệ thống thông tin dưới nước đơn giản
- Đánh giá được tỉ lệ lỗi bit của hệ thống với từng loại môi trường khác nhau:
nước sâu - tầm xa, nước nông - tầm gần, nước nông - tầm xa.
Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước- Nghiên cứu, tìm
hiểu những kiến thức tổng quan về kênh thông tin dưới nước cũng như những tính
chất cơ bản của sóng âm.
Chương 2: Kênh truyền dưới nước- Nghiên cứu, tìm hiểu các tính chất của
kênh truyền dưới nước. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, hiện tượng
đa đường và hấp thụ với việc truyền tín hiệu.
Chương 3: Kỹ thuật điều chế- Trình bày về các kĩ thuật điều chế hay được
sử dụng trong thông tin dưới nước.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống- Trình bày về hệ thống sử dụng trong mô
phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, đa đường, các yếu tố của môi
trường đến hiệu suất kênh truyền.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
DƯỚI NƯỚC

Hệ thống thông tin dưới nước đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trước
trên thế giới. Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin
dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy
nhiên, do những tính chất của môi trường nên hệ thống thông tin dưới nước có
nhiều điểm khác biệt với hệ thống trên mặt đất.
Chương 1 trình bày loại sóng truyền dẫn dưới nước và các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống, qua đó giúp ta có được cái nhìn tổng quan về hệ thống.
1.1 Vai trò của hệ thống thông tin dưới nước
Trước sự phát triển của cuộc sống, việc thông tin dưới nước ngày càng đóng
vai trò quan trọng. Những ứng dụng của hệ thống này rất đa dạng, như: các hoạt
động thăm dò dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi trường
một cách tự động sau đó truyền về trung tâm.
Nếu như kết hợp với những cơ sở hạ tầng hiện có của hệ thống truyền thông
trên mặt đất, ứng dụng của thông tin dưới nước sẽ được mở rộng, vai trò của nó
trong thực tế sẽ được nâng cao. Hình 1 .1 cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về vai
trò của hệ thống thông tin dưới nước.
Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm
3
1.2 Loại sóng sử dụng trong thông tin dưới nước
Việc thông tin dưới biển thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từ
trường, lý do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước. Sóng
quang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước tuy nhiên lại bị nhiễu
bởi hiện tượng tán xạ. Cho đến nay, phương pháp hiệu quả nhất cho việc truyền dẫn
thông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng lan truyền sóng âm.
Những đặc điểm cơ bản nhất của sóng âm được trình bày trong các phần dưới
đây.
1.2.1 Vận tốc của sóng âm dưới nước
Sự biến thiên vận tốc sóng âm trong môi trường biển là tương đối nhỏ.
Thông thường, vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m/s. Tuy nhiên,
những thay đổi nhỏ trong vận đốc sóng âm cũng có những ảnh hưởng lớn tới lan

truyền sóng ở trong nước.
Tốc độ âm thanh trong nước biển đã được tập trung phân tích trong rất nhiều
mô hình toán học. Trong đó có phương trình Mackenzine được trình bày trong [2],
ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ sai
số xấp xỉ 0.070m/s.

2 2 4 3
2 7 2
2 13 3
1448.96 4.591 5.304 10 2.374 10
1340 ( 35) 1.630 10 1.675 10
1.025 10 ( 35) 7.139 10
v T T T
S D D
T S T D
− −
− −
− −
= + × − × × + × ×
+ × − + × × + × ×
− × × × − − × × ×

Trong đó:
v là tốc độ âm thanh tính theo m/s
T là nhiệt độ theo
o
C
S là độ mặn thep phần nghìn ppt
D là độ sâu theo m.
Phương trình MacKenzine được ứng dụng thông dụng hơn nhiều các công

thức khác vì nó không bị giới hạn bởi việc chỉ áp dụng cho một độ sâu khoảng 1km.
4
Hình 1.2 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu (S=35ppt)
Trong Hình 1 .2 màu sắc của đồ thị chỉ ra giá trị mật độ của tốc độ, từ màu
xanh tới màu đỏ biểu diễn sự tăng của tốc độ âm thanh. Một điều rõ ràng trong Hình
1.3 là tốc độ âm thanh trong nước biển không phải là giá trị cố định 1500m/s mà nó
thay đổi từ 1400÷1700 m/s, với độ sâu trên 8km và nhiệt độ trên 30
o
C. Hơn nữa
Hình 1.3 cũng chỉ ra rằng tốc độ âm thanh tăng theo độ sâu và sự tăng của nhiệt độ
môi trường; trong khi độ dốc của tốc độ âm thanh theo chiều dọc nhiều hơn là chiều
ngang.
Với biển Đông Việt Nam, nhiệt độ và độ mặn của nước biển thay đổi rất
nhiều theo các mùa trong năm, và theo vị trí ven bờ hay ngoài khơi, cả theo độ sâu.
Hơn nữa, vùng Vịnh Bắc Bộ, biển miền Trung và biển miền Nam cũng có đặc điểm
khác nhau khá nhiều. Nhưng theo thống kê thì có thể lấy S=30÷40ppt (trung bình
33ppt), T=10÷30
o
C.
5
Hình 1.3 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt).
Dù tốc độ âm thanh tăng theo cả nhiệt độ và độ sâu, nhưng theo chiều tăng
nhiệt độ, đặc tính tốc độ âm thanh dốc hơn nhiều. Tốc độ âm thanh đối với vùng
biển Việt Nam có độ sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s.
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước
6
Hình 1 .4 chỉ ra rằng mặc dù tốc độ âm thanh thay đổi theo sự thay đổi của
độ mặn, nhưng thậm chí những giá trị về độ sâu và nhiệt độ được sử dụng được cho
là tối ưu cho sự thay đổi của tốc độ âm thanh, nhưng tốc độ âm thanh cũng chỉ thay
đổi 10m/s trong phạm vi tăng giảm độ mặn đi 10ppt, do vậy ảnh hưởng của độ mặn

có thể lấy một giá trị cố định mà vẫn chấp nhận được. Sử dụng phương trình
MacKenzine, xây dựng một đồ hình cho tốc độ âm thanh trong nước thay đổi theo
độ sâu và nhiệt độ trong Hình 1 .2. Độ mặn ở đây lấy cố định là 35ppt đã trình bày
hiệu quả nhất về ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhất
trong môi trường nước sâu.
Có thể nói tính toán chính xác tốc độ âm thanh là đặc biệt quan trọng đối với
kênh dưới nước vùng nước sâu.
1.2.2 Sóng âm
Loại sóng này lan truyền dựa vào sự đàn hồi hoặc thay đổi áp suất của môi
trường vật chất. Môi trường vật chất có thể là chất lỏng, khí, kim loại… Các sóng
tạo ra do những áp lực từng đợt trong môi trường truyền lan, tạo ra sự biến thiên
mật độ vật chất theo dạng sóng. Vận tốc lan truyền tùy thuộc vào môi trường vật
chất, nhiệt độ và áp suất.
Hình 1.5 Lan truyền sóng âm trong môi trường vật chất [1]
1.3 Những thông số ảnh hướng tới kênh thông tin dưới nước
Các thông số của môi trường ảnh hưởng trực tiếp và quan trọng lên đặc tính
của kênh truyền được xem xét bao gồm:
• Nhiệt độ (T)
• Nồng độ muối (S)
• Độ pH của nước biển ( pH)
7
• Độ sâu(D) hay áp suất của nước (P)
• Sự biến động của bề mặt và địa hình đáy
Các thông số này bên cạnh sự ảnh hưởng của chúng lên hệ thống kênh truyền
dưới nước, bản thân giữa chúng cũng có mỗi quan hệ mật thiết với nhau. Dựa trên
thực nghiệm, Hình 1 .6 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiệt độ của nước biển theo độ sâu
được khảo sát vào mùa hè trên nhiều vùng biển để có được kết quả đặc trưng nhất
[2]:
Hình 1.6 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [2].
Nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ sâu và với mực nước càng sâu thì mức

giảm càng nhanh. Tương tự như nhiệt độ, độ mặn cũng là thông số thay đổi rất
nhiều theo độ sâu. Ở Việt Nam do có khá nhiều sông đổ ra biển nên vùng ven bờ độ
mặn là thấp nhất, độ mặn cũng thay đổi nhiều theo mùa mưa và khô. Đồ thị sau là
một ví dụ được khảo sát ở vùng biển Atlantic [2]:
8
Hình 1.7 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [2].
Đường biểu diễn sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu khá phức tạp đặc biệt là
trong vùng halocline. Độ mặn bị giảm mạnh khi độ sâu tăng, qua vùng đó, độ mặn
lại có xu hướng tăng nhẹ theo độ sâu. Sau đây chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của
chúng lên các đặc tính của kênh truyền như thế nào.
1.4 Kết luận
Tóm lại, Chương 1 đã trình bày tổng quan về vai trò của kênh thông tin dưới
nước và các đặc tính cơ bản của sóng âm. Qua chương 1, ta hiểu rõ hơn về các yếu
tố tác động tới vận tốc sóng âm trong kênh thông tin dưới nước . Để hiểu sâu hơn về
hệ thống thông tin dưới nước, chương 2 sẽ trình bày chi tiết hơn về các đặc tính của
kênh truyền.
9
CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC
Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, các đặc tính của kênh truyền đóng
một vai trò quan trọng. Việc hiểu đúng và đầy đủ các đặc tính đó giúp ta có được
những thiết kế phù hợp, hiệu quả với kiến trúc máy thu, máy phát cũng như các
thiết bị khác dùng trong hệ thống.
Chương 2 sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng
âm dưới nước. Các yếu tố này bao gồm: suy hao, nhiễu, các yếu tố về môi trường,
hiệu ứng Doppler. Việc tìm hiểu về các tính chất của kênh truyền sẽ giúp ta có cơ sở
để xây dựng mô hình cho quá trình mô phỏng và đánh giá.
2.1 Suy hao trong môi trường dưới nước
Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước sẽ chịu ảnh hưởng của
suy hao. Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rất
nhiều yếu tố: việc chọn lựa tần số và phạm vi truyền tín hiệu.

Hệ số suy hao:
Hệ số suy hao của kênh sóng âm trong môi trường nước phụ thuộc vào
khoảng cách máy phát và máy thu và tần số làm việc như sau:
( , ) ( )
k l
A d f d a f=

Trong đó
d
là khoảng cách tuyến đường truyền dẫn,
f
là tần số, là hệ số
tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý của môi trường truyền dẫn (có giá trị khoảng
từ 1.5 đến 2 ) [3]. Hệ số
k
tương ứng với môi trường truyền sóng radio trên cạn là
hệ số mũ suy hao.
( )a f
là hệ số hấp thụ thể hiện như ở Hình 2 .8.
10
Hình 2.8 Hệ số hấp thụ
( )
a f
trong môi trường nước [3]
2.1.1 Suy hao trải hình học
Những yếu tố về môi trường như độ sâu, khoảng cách truyền có nhiều ảnh
hưởng tới suy hao tín hiệu. Để có thể đánh giá ảnh hưởng của suy hao một cách
chính xác nhất, người ta chia suy hao thành các loại khác nhau. Có hai hình thức
suy hao truyền. Mô hình suy hao do sự phân bố hình cầu xảy ra trong môi trường
nước sâu. Trong môi trường nước nông, khi khoảng cách truyền lớn, năng lượng

sóng âm có xu hướng bị giới hạn bởi hai mặt phẳng là: mặt nước và mặt đáy. Lúc
này mô hình suy hao trong môi trường nước nông là suy hao do sự phân bố hình trụ.
2.1.1.1 Suy hao cầu
Mô hình suy hao cầu được áp dụng cho những vùng nước sâu. Trong mô
hình suy hao cầu, mật độ năng lượng được xác định như sau [4]:
( )
2
0
0
sphere
sphere
I r
g r
I r
 
 
= =
 
 
 
 

Trong đó
0
2
0
4
a
P
I

r
π
=
,
2
4
a
P
I
r
π
=
.
Với r
0
– khoảng cách tham chiếu (thường lấy là 1m), P
a
– năng lượng sóng
âm tại nguồn, I
0
– mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách r
o
, I -mật độ năng
lượng sóng âm tại khoảng cách r.
11
Như vậy, với suy hao theo phân bố hình cầu, mật độ năng lượng tỉ lệ nghịch
với lũy thừa bậc 2 của khoảng cách. Tính theo dB:
( )
0
0

10log 20log
sphere
dB
sphere
I r
G r
I r
 
 
= =
 
 
 
 

Hình 2.9 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu [4]
2.1.1.2 Suy hao trụ
Suy hao trải hình trụ xuất hiện khi môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi hai
mặt phản xạ.Hai mặt phản xạ này chính là bề mặt nước và mặt đáy của môi trường.
Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ này là h, thỏa mãn điều kiện h >10λ, λ là bước
sóng của sóng âm. Suy hao do phân bố trụ được tính như sau[4]:
( )
0
cylinder
cylinder
0
I r
g r
I r
 

 
= =
 
 
 
 
Trong đó
0
0
2
a
P
I
hr
π
=
, và
2
a
P
I
hr
π
=
.
Với mô hình suy hao phân bố trụ thì mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r. Tính
theo dB thì suy hao trong trường hợp này sẽ là:
( )
0
0

10log 10log
cylinder
sphere
I r
G r
I r
 
 
= =
 
 
 
 
12
Hình 2.10 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [4]
2.1.2 Suy hao do hấp thụ
Sự suy giảm do sự hấp thụ xảy ra do sự biến đổi của năng lượng âm thanh
trong nước biển thành nhiệt. Quá trình suy giảm do hấp thụ này là phụ thuộc tần số
và tại tần số cao hơn thì năng lượng bị hấp thụ nhiều hơn. Có một số công thức mô
tả về quá trình hấp thụ âm thanh trong nước biển đã đặt nền móng cho những hiểu
biết hiện nay. Mỗi phương trình đó trong thời gian qua đã giúp cải thiện khả năng
ứng dụng và độ chính xác về mặt toán học của việc đánh giá sự hấp thụ của âm
thanh trong nước biển.
Tại tần số thấp, sự hấp thụ trong nước biển chuẩn là quá nhỏ so với môi
trường này nên một yêu cầu tính toán chính xác sự chuyển hóa năng lượng âm
thanh trong nước biển ở tần số thấp thì các mô hình hiện nay khó có thể đáp ứng.
W.H.Thorp đưa ra năm 1967 [4], trình bày một công thức để tính toán hệ
số suy giảm theo dB/km. Còn Francois và Garrison đưa ra công thức cho hệ số suy
giảm phức tạp hơn, nó đưa cả nhiệt độ, độ mặn, pH và axit Boric, Magie Sunfat. Để
hiểu ảnh hưởng của tất cả các thông số được sử dụng trong các mô hình này thì

chúng ta cần biết đến cơ chế của sự hấp thụ được trình bày trong [4] như sau:
2.1.2.1 Sự hấp thụ do chuyển động của hạt
Với những tần số trên 100 kHz, sự chuyển động của hạt tạo bởi âm thanh tạo
thành nhiệt thông qua sự cản do nhớt. Sự hấp thụ chuyển đổi một phần của năng
lượng dao động thành nhiệt khi nó đi qua từng khoảng cách xác định. Tỷ lệ thất
thoát suy giảm theo hệ số mũ có thể được xác định bằng một tỷ lệ thông qua thuật
toán logarit đưa về dB. Cho nên hệ số suy giảm thường được biểu diễn theo dB/km
13
cho những kết quả đo đạc sự suy giảm dưới nước biển. Suy giảm 1 dB/km có nghĩa
là năng lượng giảm 21% trên mỗi km truyền đi.
Hệ số suy giảm tăng theo bình phương tần số. Tại những tần số lớn hơn
1Mhz, người ta thường lấy theo đơn vị dB/m vì khi đó âm thanh suy giảm rất
nhanh. Giá trị α phụ thuộc vào nhiệt độ của nước biển T (
o
C) và áp suất hoặc độ sâu.
Mặc dù sự chuyển đổi giữa áp suất và độ sâu còn ảnh hưởng bởi một vài thông số
khác, những ảnh hưởng này là nhỏ khi đem so sánh với tổng lỗi cho nên việc sử
dụng độ sâu D theo m thường được dùng để tiện lợi cho việc tính toán áp suất thủy
tĩnh.
2.1.2.2 Sự hấp thụ hóa học
Một vài phân tử trong nước có nhiều hơn một trạng thái ổn định, và chúng
chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phụ thuộc vào áp suất. Những sự thay
đổi này có thể chuyển đổi năng lượng kết hợp với áp suất âm thanh dao động thành
nhiệt. Những thay đổi pha khác nhau liên quan tới những lần tương tác khác nhau,
và những trễ trong đáp ứng này có thể được đặc trưng bởi thời gian relaxation hay
tần số relaxation. Thay đổi với tốc độ càng nhanh thì càng có ít ảnh hưởng vì những
thay đổi phân tử là quá chậm, cho nên sự hấp thụ này chỉ có ảnh hưởng ở những tần
số thấp. Độ mặn của nước biển không là nguyên nhân duy nhất gây ra sự hấp thụ
hóa học, mà sự tồn tại của axit Boric và muối MgSO
4

nữa. Những tham số khác có
thể ảnh hưởng tới sự hấp thụ trong nước biển là độ pH. Thường thì pH=8 được sử
dụng là tiêu chuẩn để thể hiện độ axit của nước biển [4].
 Phương trình Thorp
Phương trình Thorp cho sự suy giảm bởi hấp thụ là phương trình đơn giản
nhất vì nó chỉ xét tới ảnh hưởng của tần số và bỏ qua ảnh hưởng của sự giãn tần số,
độ mặn, độ axit của nước biển. Biểu thức của phương trình được cho bởi biểu thức
dưới đây [4].
2 2
4 2
2
0.1 40
2.75 10 . 0.003
1 4100
f f
f
f f
α
−
= + + × +
+ +
14
Phương trình này chỉ áp dụng cho nước biển có nhiệt độ 4
o
C và độ sâu xấp
xỉ 1000 m. Những giới hạn đó khiến cho phương trình này rất khó để được sử dụng
trong những ứng dụng của hệ thống mạng dưới nước và hơn thế, bằng việc lờ đi
những hấp thụ hóa học thì phương trình này khó có được kết quả chính xác. Trong
khi đó mô hình này lại có thể ước lượng một cách nhanh chóng hệ số suy giảm,
những giá trị mà hầu như không đủ để cung cấp một ước lượng chính xác về hiệu

năng mạng.
Hình 2.11 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp
Nhìn vào Hình 2 .11 ta nhận thấy rằng, suy hao tăng theo tần số.
 Phương trình Francois và Garrison
Biểu thức toán học của phương trình Francois Garrison được cho như sau[4]
2 2
2
1 2
1 1 2 2 3 3
2 2 2 2
1 2
.
f f f f
A P A P A P f
f f f f
α
= + +
+ +
Hệ số suy giảm α-dB/km là tổng ảnh hưởng của ba thành phần: B(OH)
3
,
MgSO
4
và nước tinh khiết.
15