Nghiên cứu phương pháp chống chống pha đinh đối với với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi : - Hội đồng bảo vệ Trường ĐHHH;
- Khoa Điện-Điện tử, Viện Sau đại học-Trường ĐHHH
Việt nam
Tôi tên là : Phạm Văn Bình
Lớp

: Cao học Kỹ thuật điện tử Khóa : 2013 - 2015

Tên đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu Phương pháp chống chống pha đinh đối với với hệ thống thông
tin vô tuyến dưới nước"
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân được xuất phát từ
yêu cầu thực tế công việc để hình thành nên hướng nghiên cứu áp dụng vào công
việc thực tế tại đơn vị, luận văn này không giống hoàn toàn với luận văn hoặc công
trình đã có trước đó.
Hải Phòng, ngày

tháng

TÁC GIẢ

Phạm Văn Bình

i

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành khóa học và luận văn

tốt nghiệp của mình. Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất
tới các Thầy, cô giáo trong Khoa Điện - Điện tử và Viện sau đại học Trường đại
học Hàng hải Việt nam đã mang hết tinh thần và trách nhiệm giảng dạy để truyền
đạt những kiến thức bổ ích, tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình tham gia
học tập tại Trường. Qua đây, Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của
thầy giáo Tiến sỹ Phạm Văn Phước – Phó Giám đốc giám đốc Trung tâm huấn
luyện thuyền viên đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc học tập và động viên giúp đỡ tôi cố gắng
làm tốt đề tài tốt nghiệp. Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè đã giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Hải Phòng, ngày

tháng

Học viên

Phạm Văn Bình

ii

năm 2015


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƢỚI
NƢỚC VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................... 4
1.1. Giới thiệu chung. ................................................................................................ 4
1.2. Các khái niệm cơ bản và đặc trưng của thông tin thủy âm. ............................... 6
1.3. Đặc trưng kênh thông tin .................................................................................... 9
1.3.1. Suy hao do trải sóng ........................................................................................ 9
1.3.2. Suy hao do hấp thụ sóng. .............................................................................. 10
1.3.3. Suy hao đường truyền ................................................................................... 11
1.3.4. Băng thông của kênh truyền .......................................................................... 11
1.3.5. Tạp âm trong thông tin dưới nước ................................................................ 16
1.3.6. Trễ đường truyền. .......................................................................................... 17
1.3.7. Hiện tượng truyền đa đường trong thông tin dưới nước ............................... 18
Chƣơng II: CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG THÔNG
TIN VÔ TUYẾN DƢỚI NƢỚC ........................................................................... 21
2.1. Kỹ thuật điều chế.............................................................................................. 21
2.1.1. Giới thiệu chung. ........................................................................................... 21
2.1.2. Một số vấn đề cơ sở đánh giá xác suất lỗi trong điều chế và giải điều chế. . 21
2.1.3. Kỹ thuật điều chế số ...................................................................................... 24
Chƣơng III: PHƢƠNG PHÁP CHỐNG PHA ĐINH TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ................................................................................. 39
3.1. Pha đinh trong thông tin. .................................................................................. 39
iii


3.1.1. Khái niệm về pha đinh. ................................................................................. 39
3.2. Các phương pháp chống pha đinh trong thông tin dưới nước ......................... 47
3.2.1. Bộ cân bằng ở miền thời gian ....................................................................... 48
3.2.2. Bộ cân bằng ở miền tần số ............................................................................ 50

3.2.3. Bộ cân bằng độ dốc và độ lõm đặc tuyến truyền sóng .................................. 50
3.2.4. Kỹ thuật Phân tập .......................................................................................... 51
3.3. Tính toán và mô phỏng.................................................................................... 53
3.3.1. Phương pháp chống pha đinh bằng Bộ cân bằng 0. ...................................... 53
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 62

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Đặc điểm của thông tin bằng sóng thủy âm

12

1.2

Thống kê các công trình nghiên cứu và kết quả hệ thống.

12

1.3

Thống kê kết quả về xử lý tín hiệu và kỹ thuật điều chế pha
đồng bộ

13

1.4

Trễ đường truyền thông tin dưới nước với c=1500m/s

17

2.1

Hiệu quả băng thông của các kỹ thuật điều chế trong thông
tin dùng sóng thủy âm

35

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình
1.1
1.2

Tên hình
Mẫu bức xạ sóng âm trong nước

Hình 1.2 là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự biến
thiên tỷ số SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin

Trang
8
18

1.3

Hiện tượng đa đường trong thông tin dưới nước.

19

1.4

Hcho thấy trong thông tin dưới nước sử dụng sóng thuỷ âm sóng

19

2.1

Đồ thị hàm phân bố p(x)

22

2.2

Ước lượng hàm BER.

24

2.3

Hiệu quả băng thông-B (bit/s/Hz) là một hàm của SNR/bit.

26

2.4

Các phương pháp điều chế số nhị phân.

27

2.5

Chòm sao điều chế BPSK và biểu diễn tỷ lệ lỗi bít-BER.

28

2.6

Sơ đồ khối kỹ thuật điều chế và giải điều chế BPSK

29

2.7

Đồ thị hàm phân bố xác suất có điều kiện với điều chế BPSK.

29

30

2.9

Xác suất lỗi bít tổng theo lý thuyết và mô phỏng Matlab
đối với điều chế BPSK
Biểu diễn chòm sao điều chế 8MPSK và xác suất lỗi bít Pe.

2.0

Chòm sao điều chế 16QAM và biểu diễn BER

33

2.8

32

2.11 Tỷ lệ lỗi bít-BER của các chế độ điều chế MPSK và MQAM

33

2.12 Xác suất lỗi bít trong điều chế MFSK.

35

2.13 Đồ thị phổ các hàm trực giao.

36

2.14 Sự chồng lấn thời gian gây ra nhiễu ISI

37

2.15 Khoảng cách giữa các sóng mang con là 5Hz.

38

2.16 Sơ đồ khối hệ thống thông tin thủy âm sử dụng OFDM

38

3.1

Phân loại pha đinh

40

3.2

Hàm truyền và đáp ứng xung của kênh pha đinh phẳng

41

3.3

Hàm truyền và đáp ứng xung của kênh pha đinh chọn tần.

42

3.4

Mô tả đáp ứng xung của kênh

43

vi


Số hình

Tên hình

Trang

3.5

Mô tả hàm truyền đạt của kênh.

43

3.6

Hàm truyền đạt của kênh

44

3.7

Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian

45

3.8

Mô hình kênh tuyến tính

47

3.9

Các phương pháp chống pha đinh.

48

3.10

Bộ cân bằng ngang có 2M+1 nhánh

48

3.11

Mô tả bộ cân bằng ở miền tần số

50

3.12 Mô tả bộ cân bằng độ dốc và độ lõm của đặc tuyến tần số

51

3.13 Mô hình phân tập không gian đơn giản

52

3.14

Mô hình phân tập tần số

52

3.15

6 dấu được phát đi

53

3.16 Kênh đa đường 3 nhánh.
3.17
3.18

54

Đáp ứng tần số của kênh (màu Lam) và bộ cân bằng (màu Tím)
Đồ thị lỗi bít-BER của điều chế BPSK trong kênh 3 nhánh có
nhiễu ISI sử dụng bộ điều chỉnh cân bằng.

vii

56

57


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải thích

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDMA

Code Division Multiplex Access

DMI
ISI
OFDM

Diercted Matric Invesion
Inter Symbol Interfere
Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAM

Pulse Amplitude Modulation

FSK

Friquency Shift Keying

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Ts
UWC
SE

Symbol Time – Interval
Under Water Communication
Simple Eigen

SER

Symbol Error Rate

SINR

Signal to Interference plus-Noise Ratio

SISO

Single Input Single Output

SNR

Signal to Noise Ratio

TDMA

Time Division Multiple Access

viii


MỞ ĐẦU
Trong truyền dẫn thông tin số việc chuyển thông tin qua phương tiện truyền
dẫn số có tầm quan trọng rất đặc biệt do các thông số của kênh bị tác động bởi môi
trường truyền rất lớn. Các tác động này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền
dẫn. Cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu và phát triển công nghệ thông
tin số, dung lượng thông tin tăng lên, môi trường truyền dẫn sẽ bị bó hẹp do có
nhiều thông tin hơn. Do đó ảnh hưởng của các thông tin trên cùng một kênh truyền
dẫn cũng tăng cao.
Trong khi đó việc phát triển cơ sở hạ tầng cũng có giới hạn và nhiều nơi
phát triển trên cơ sở các đường truyền thông dụng đã có sẵn (đường điện thoại,
thông tin di động) việc truyền các thông tin số trên các đường truyền dẫn dưới môi

trường nước bị thăng giáng tín hiệu theo thời gian trong quá trình truyền dẫn kênh
vô tuyến, vì vậy đòi hỏi phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp làm giảm ảnh
hưởng của môi trường truyền dẫn.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thông tin vô tuyến dưới nước sử dụng sóng âm (acoustic waves) đang được
nghiên cứu và triển khai mạnh mẽ tại các nước tiên tiến. Ban đầu chủ yếu cho
truyền tín hiệu thoại điều chế tương tự với sóng mang trong khoảng 8~11kHz,
ngày nay công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP) cho phép sử dụng các bộ điều chế và
giải điều chế sóng thủy âm (acoustic modems) để truyền dữ liệu khoảng cách vài
km với tốc độ vài kbps. Về ứng dụng, thông tin vô tuyến dưới nước được sử dụng
cho 4 lĩnh vực lớn của đời sống.
- Giám sát môi trường: theo dõi biến đổi khí hậu, kiểm soát ô nhiễm, dự báo
thảm họa thiên nhiên, phục vụ thông tin dữ liệu khu vực giàn khoan dầu và ga,
công tác bảo vệ cảng, nhà giàn, đặc biệt là sự hoạt động của tàu ngầm trên Vùng
biển Việt nam.
- Thăm dò dưới nước: khám phá các nguồn lực tự nhiên, các hiện tượng của
biển cả, khám phá khảo cổ ở các vùng nước sâu.
- Thu thập dữ liệu khoa học: Quan trắc đại dương, khoa học trái đất, sinh vật
biển.
1


- Tìm kiếm và giám định: Nhận dạng các mục tiêu, tạo ảnh và lập bản đồ
đáy biển.
Truyền lan của sóng thủy âm có một số đặc điểm: băng thông bị giới hạn và
phụ thuộc vào khoảng cách thông tin. Sóng truyền chậm với vận tốc khoảng
1500m/s. Nhược điểm lớn của thông tin vô tuyến dưới nước đó là hiện tượng đa
đường (time-varying multipath), các tia sóng phản xạ từ mặt nước và đáy biển tới
điểm thu lệch pha so với đường truyền thẳng gây ra thăng/giáng tín hiệu hay còn
gọi là pha đinh.

Trong trường hợp điều chế số, hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước bị pha
đinh có thể gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI).
Nghiên cứu phương pháp chống pha đinh đối với hệ thống thông tin vô
tuyến dưới nước đang là vấn đề được quan tâm tại nhiều quốc gia. Biển Đông của
Việt Nam chứa rất nhiều nguồn lợi đang được quan tâm khai thác. Thông tin dưới
nước sẽ đóng vai trò quan trọng về an ninh quốc phòng, khai thác nguồn lợi biển,
quản lý môi trường biển...
Với những lý do trên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp chống pha
đinh trong hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước”.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình và công nghệ hệ thống thông tin vô tuyến
dưới nước, ảnh hưởng của môi trường truyền lan sóng âm trong nước, hiện tượng
truyền đa đường do phản xạ mặt nước và đáy biển ảnh hưởng tới cường độ tín hiệu
thu và hiện tượng nhiễu ISI khi sử dụng công nghệ điều chế số. Các phương pháp
chống pha đinh đa đường dựa trên đánh giá mức tín hiệu/tạp âm (SNR) như đã nêu
phần trên.
- Phạm vi cần tập trung nghiên cứu là pha đinh đa dường, mô hình pha đinh
Rayleigh và Ricean theo lý thuyến xác suất thống kê. Phương pháp chống pha đinh.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình hóa, phân tích và xây dựng mô hình toán theo xác
suất thống kê.

2


- Phương pháp giải tích và tính toán các kết quả, phân tích so sánh đồ thị.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Khi truyền từ máy phát đến máy thu và ngược lại, tín hiệu không chỉ bị suy
hao bởi môi trường truyền sóng, mà còn bị hấp thụ năng lượng do các địa chất, tầm

che khuất. Ngoài ra, tín hiệu còn xấu đi do ảnh hưởng của các hiện tượng ngẫu
nhiên biến thiên theo thời gian và không gian như: tạp âm, pha đing, tán xạ, khúc
xạ, nhiễu xạ. Sự suy giảm lan truyền phụ thuộc vào tần số;
Sự suy hao đường truyền trong kênh thuỷ âm trên một khoảng cách nào đó
có thể tính là A = dka(f)d, trong đó: d đặc trưng cho suy hao đường truyền; k
thường nhận giá trị trong khoảng giữa 1 và 2; a(f): là hệ số suy hao phụ thuộc vào
tần số f. Sự phụ thuộc này là giới hạn chặt chẽ băng tần sử dụng; ví dụ ở khoảng
cách yêu cầu là 100km, chỉ có thể sử dụng băng tần 1kHz. Ở khoảng cách ngắn
hơn băng tần sẽ rộng hơn, nhưng trong thực tế nó vẫn phụ thuộc vào bộ biến năng.
Cũng khác biệt hẳn với các hệ thống vô tuyến, tín hiệu thuỷ âm có băng thông rất
hẹp có nghĩa là băng thông gần như không đáng kể so với tần kế trung tâm.
 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Xây dựng phương pháp và mô hình hệ thống chống pha đinh đa đường đối
với với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước sử dụng sóng thủy âm (acoustic
waves) cho các cự ly thông tin khác nhau trong phạm vi 1-5 km cho cả hệ thống
thông tin tương tự và thông tin số.
Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm ba chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước và các vấn
đề nghiên cứu.
Chƣơng 2: Công nghệ và kỹ thuật trong hệ thống thông tin vô tuyến dưới
nước.
Chƣơng 3: Phương pháp chống pha đinh trong hệ thống thông tin vô tuyến
dưới nước.

3


Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƢỚI NƢỚC
VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Giới thiệu chung.
Trong những năm gần đây, cộng đồng khoa học đã tập trung nhiều nguồn
lực nghiên cứu về thông tin dưới nước, đặc biệt tập trung vào thông tin bằng sóng
thủy âm (acoustic sound communications).
Hiện nay liên lạc vô tuyến hiện đại trên mặt đất và trên không đã trở thành
một phần không thể thiếu được của cuộc sống thì các ý tưởng về liên lạc ngầm
dưới lòng đại dương vẫn còn là vấn đề khá xa lạ và mới mẻ. Tuy nhiên trong vài
thập niên gần đây ngươì ta đã cố gắng nghiên cứu về các phương pháp truyền dẫn
thông tin dưới nước. Hiểu biết của nhân loại và hiểu biết về biển cả là do chúng ta
thu thập các tin tức từ các vùng biển xa, ở dưới đáy biển sâu đã được thực hiện
bằng cáp ngầm. Mặc dù các hệ thống này (cáp ngầm) là thành phần không thể
thiếu được đối với việc liên lạc tốc độ cao từ đáy biển sâu đến mặt nước, nhưng
bản thân hệ thống lại phải chịu tải của một hệ thống cáp truyền dẫn rất nặng, thậm
chí cả về giá thành cáp. Vì thế, đã thúc đẩy chúng ta nghĩ đến vấn đề liên lạc không
dây dưới nước. Cùng với công nghệ cảm biến (sensor) và công nghệ giao thông,
các phương tiện liên lạc vô tuyến không dây sẽ giúp chúng ta có thể thực hiện
nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực quản lý môi trường đến việc thu thập giữ liệu
hải dương học, khảo cổ hành hải và các hiệm vụ tìm kiếm cứu nạn.
Sóng vô tuyến điện ở tần số sóng trung 300-3000kHz khi truyền trong môi
trường dưới nước bị hấp thụ rất mạnh vì vậy chỉ có thể truyền ở cự ly rất gần trong
phạm vi hàng trăm mét. Để thông tin xa thì cần phải dùng mạng lưới các nút
chuyển tiếp, đây là việc khó khả thi và chỉ thích hợp với một số nơi nhất định. Để
thông tin xa dưới nước, phải nghĩ đến việc sử dụng sóng âm – hay còn gọi là sóng
thủy âm (underwater acoustic sound waves). Sóng âm truyền lan dựa vào áp suất,
tức là phát sóng âm thanh vào nước và sóng âm sẽ truyền lan đi. Vì tần số nằm
trong dải âm thanh, nên sóng âm được điều chế tín hiệu mang tin tức chắc chắn

4

cho dung lượng rất thấp vì băng thông hẹp. Nếu truyền tín hiệu thoại thì tốc độ mã
hóa nguồn tin cần phải rất thấp sử dụng các bộ mã hóa riêng. Nếu sử dụng tín hiệu
tương tự thì sẽ bị ảnh hưởng mạnh do tạp âm dưới nước rất đa dạng. Sóng thủy âm
bị ảnh hưởng rất mạnh do pha đinh khi đi lên mặt nước hoặc đi xuống đáy và khúc
xạ hoặc phản xạ gây ra hiện tượng pha đinh đa đường. Mặt khác nước hấp thụ làm
suy hao sóng cho nên máy thu yêu cầu độ nhậy cao và máy phát cần công suất lớn.
Tuy nhiên nguồn mang theo thiết bị có hạn về năng lượng cho nên không thể tăng
công suất phát quá lớn. Đó đang là vấn đề thời sự cho hệ thống thông tin dựa vào
sóng thủy âm.
Việt Nam có bờ biển dài trên 3000km, Biển Đông có diện tích lớn và chứa
nhiều nguồn lợi đang cần khám phá và khai thác. Vì lẽ đó thông tin dưới nước
đang đặt ra đòi hỏi về nghiên cứu và triển khai ứng dụng
+ Từ năm 1826 nhà vật lý J.D. Colladon và nhà toán học C.F. Sturn đã thí
nghiệm thử nghiệm âm thanh và đo tốc độ trong nước để chứng minh rằng tốc độ
truyền của nó nhanh hơn âm thanh trong không khí bằng cách sử dụng 1 cái
chuông của nhà thờ phát âm thanh trong nước ở khoảng cách đo 10 dặm.
Ngày nay bằng phương tiện hiện đại, các nhà khoa học đã đo được tốc độ
sóng thủy âm biến đổi quanh mốc 1500m/s hay 5400km/giờ.
Việc xây dựng các hệ thống thông tin dưới nước có thể dựa trên sự truyền
lan của các sóng mang với 3 phương án cơ bản:
- Sóng điện từ: Là phương thức truyền dẫn thông tin rất hoàn hảo cho các hệ
thống trên mặt nước. Song ở dưới mặt nước gặp rất nhiều khó khăn, phức tạp do
tính dẫn điện và đặc biệt là do tính hấp thụ sóng điện từ rất lớn của nước. Tần số
càng cao, sóng điện từ càng bị hấp thụ nhanh và không thể lan xa được, Hiện tại
sóng điện từ chỉ hoạt động trong dải tần số (30 – 300Hz) do đó kích thước ăng ten
lớn và công suất máy phát cao.
- Sóng quang học: Tuy không bị suy hao lớn như sóng điện từ nhưng sóng
quang học có 2 nhược điểm là: máy thu không thể mở rộng trong không gian; ảnh
hưởng mạnh của nhiễu do hiện tượng tán xạ gây dán đoạn thông tin.

5


- Sóng thuỷ âm: Có hiệu quả nhất trong việc truyền dẫn thông tin dưới nước
là sử dụng sự truyền lan của sóng thuỷ âm (Acoustic Wave).
Hiện nay công nghệ thông tin không dây dưới nước sử dụng sóng thuỷ âm
đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là lĩnh vực quân sự. Với sự phát triển của lực
lượng tàu ngầm, các phương tiện thông tin phục vụ giữa cơ sở bờ và dưới mặt
nước ra đời. Hệ thống quan sát, cảnh giới ngầm nhằm ngăn chặn từ xa sự xâm
nhập của đối phương thông qua hệ thống sona đang được nhiều nước trên thế giới
ứng dụng.
1.2. Các khái niệm cơ bản và đặc trƣng của thông tin thủy âm.
Sóng âm truyền lan trong nước đó là sóng cơ học, nó khác với sóng điện từ
truyền lan dưới tác động của điện trường và chịu ảnh hưởng của từ trường trái đất.
Âm thanh được tạo ra khi vật thể rung động và tạo lên chuyển động ra môi trường
xung quang. Nó tạo ra sự truyền lan dao động khi các hạt trong môi trường dao
động theo cùng hướng truyền lan – sóng đứng.
Với một sóng phẳng, màng phát tạo ra sóng thủy âm nén đẩy vào trong chất
lỏng hay nước tạo ra áp suất – P, đo bằng Pascal hay N/m2. Áp suât này tỷ lệ với
vận tốc sóng âm – c, vận tốc của phần tử chất lỏng – v và mật độ đậm đặc của chất
lỏng – d0 , định nghĩa theo phương trình:

P  d0 .c.v  d .c.2 f .

(1.1.)

Trong đó d (density) = mật độ chất lỏng, ξ = v/2π.f =v/ω, hay v=ξ.2π.f. Áp
suất tạo ra lực dao động. Đại lượng d0.c là trở kháng riêng có vai trò như trở kháng
sóng của một sóng điện từ theo phương ngang.
Âm trở được xác định:

Z

P
U

(1.2)

Trong đó: U là thể tích vùng âm truyền qua. Z là một đại lượng phức.
Cường độ âm-I: là năng lượng đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 giây.
I=P.v (W/m2)

(1.3)

Với môi trường truyền sóng riêng ký hiệu là Ir, cường độ riêng dưới nước
được tạo ra bởi một sóng phẳng với áp suất hiệu dụng hay trung bình quân phương

6


bằng 1μPa.
Phương trình sóng: Tương tự như sóng điện từ, sóng thủy âm có thể được
lập phương trình bởi áp suất trong hệ tọa độ cầu tại điểm cách nguồn ở khoảng
cách – r, góc ở tâm là θ và υ như sau:

Qk (t k .r ) 2 j1 (ka sin  )
P (r , , )  j.d .c.
e
.
2 .r

ka sin 

(1.4)

Trong đó biểu thức bên trái của vế phải đại diện cho sóng cầu được tạo ra từ
nguồn vô hướng lý tưởng tại tâm mặt cầu, biểu thức còn lại vế phải phụ thuộc vào
góc θ và hàm Bessell loại 1 đại diện cho độ định hướng của nguồn thực.
Tốc độ sóng âm trong môi trường nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và
độ mặn của nước. Nhiệt độ giảm ở sâu trong nước, độ mặn tỷ lệ thuận tuyến tính
với với độ sâu, và áp suất cũng tỷ lệ tuyến tính với độ sâu.
Thực nghiệm chỉ ra rằng: ở độ sâu dưới 1000m thì tốc độ sóng âm giảm dần
tính từ bề mặt, nhưng khi độ sâu vượt trên 1000m thì vận tốc đó tăng dần và vượt
ngưỡng 1500m/s.
Bằng thực nghiệm các nhà khoa học đã đo được vận tốc của âm trong môi
trường chất khí và môi trường chất lỏng ở nhiệt độ tiêu chuẩn 25 0c. Ví dụ: vận tốc
âm trong không khí là 333m/s, trong Hidrogen là 1284m/s, trong Oxygen là
1016m/s; trong nước biển là 1531m/s, nước lọc là 1498m/s, glycerol là 1904m/s,...
Tốc độ sóng thuỷ âm được tính theo công thức:

c  1448,6  4,618T  0,0523.T 2  1,25( S  35)  0,017 D

(1.5)

Trong đó: T là nhiệt độ (0C), S- Độ mặn, D – độ sâu (m)
Cũng như sóng điện từ bức xạ vào không gian theo búp sóng, sóng âm
truyền lan cũng từ nguồn bức xạ và tạo nên các mẫu hay búp sóng. Mẫu truyền lan
phụ thuộc vào góc mở, cũng có thể gọi là độ định hướng. Khi độ mở của nguồn
bức xạ tăng lên mẫu bức xạ sẽ xuất hiện búp phụ.

7

Hình 1.1. Mẫu bức xạ sóng âm trong nước
Độ lớn hay đại lượng đặc trưng cho mức nguồn liên quan tới một bộ phát,
nó được định nghĩa theo mức áp suất âm ở khoảng cách 1m từ tâm điểm phát ra
nguồn âm. Cường độ nguồn ở điểm xét được cho bởi công thức:
I

Pt
(W / m2 )
A

(1.6)

Trong đó Pt là mức công suất tổng nguồn phát, A là diện tích mặt cầu được
kích thích cách nguồn 1m. Đối với nguồn phát vô hướng, A =4π.r2 =12,56m2 ;
I được đo theo dB-re-1μPa – có quan hệ với cường độ do một áp suất 1μPa.
Độ lớn nguồn:

 P
M n  10log  ( t ) / I ref
 12,56

Cường độ tham chiếu: I ref 

( Paref )2
d .c


 (dB)



( w / m2 )

(1.7)

(1.8)

Giá trị trung bình với nước biển: d=1025kg/m2 và c=1500m/s. Độ lớn nguồn
của một máy phát sóng âm đối với một bộ phát vô hướng có thể viết:
M n ( P)dB  170,8  10log Pt

(1.9)

Đối với nguồn phát có định hướng: độ định hướng được viết
DI t  10log

I dh
(dB)
I vh

(1.10)

Trong đó dh = viết tắt định hướng, Idh là cường độ phát có định hướng, lấy
theo hướng búp chính cực đại, độ định hướng có thể tăng độ lớn nguồn tới 20dB;
vh= vô hướng, Ivh là cường độ trong trường hợp lý tưởng hóa khi năng lượng được
trải đều theo mọi hướng trên mặt cầu.

8

1.3. Đặc trƣng kênh thông tin
Các thành phần lý và hóa học của nước biển ảnh hưởng mạnh tới sóng thủy
âm. Chúng làm trải sóng âm và hấp thụ năng lượng sóng làm suy giảm năng lượng
khi sóng âm truyền lan. Thêm vào đó do tính chất hình học của kênh truyền có thể
gây ra hiện tượng pha đinh đa đường gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI) tại đầu thu.
Việc tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm –SNR và tỷ lệ lỗi bít –BER để ước lượng
kênh truyền là điều rất cần thiết. Suy hao trong kênh truyền là vấn đề cần quan tâm
của mọi hệ thống. Đối với thông tin bằng sóng vô tuyến, uy hao trong không gian
tự do tỷ lệ với tần số phát và cự ly thông tin, bên cạnh đó suy hao còn do các tác
động của hơi nước, bầu khí quyển, tạp âm vũ trụ…, tạp âm nhiệt nội tại của hệ
thống thông tin. Thông tin bằng sóng thuỷ âm có các loại suy hao do trải rộng
sóng, do hấp thụ, suy hao do cự ly thông tin, suy hao do tạp âm và đặc biệt hiện
tượng đa đường tác động lớn đến chất lượng thông tin.
1.3.1. Suy hao do trải sóng
Suy hao này do vùng lan tỏa sóng tăng dưới biển rộng trong khi tín hiệu âm
thanh phát đi là hữu hạn về năng lượng, do sóng mặt dịch chuyển ra xa dần nguồn
phát. Năng lượng suy hao do trải rộng có thể được mô hình hóa:
PLtrai (r )(dB)  k.10log r

(3.11)

Trong đó Ltrai là ký hiệu suy hao trải, P là năng lượng, r là khoảng cách từ
nguồn và k là hệ số suy hao.
Khi môi trường truyền phát trong nước biển không giới hạn, hệ số trải k=2,
tương đương với cường độ nguồn giảm theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách.
Trong trường hợp sự trải có giới hạn, hệ số k thay đổi. Nếu giới hạn truyền trong
một đường ống, k=1. Một số nghiên cứu và thực nghiệm đã chỉ rằng, ở cự ly thông
tin ngắn dưới nước, sự trải mặt cầu sóng gây ra suy hao có quan hệ theo hàm
logarit với khoảng cách r và ảnh hưởng lớn tới năng lượng sóng, khoảng cách này

trong phạm vi tới 50m. Trong giới hạn r ngắn như vậy thì hấp thụ năng lượng nhỏ
hơn so với suy hao trải.

9


1.3.2. Suy hao do hấp thụ sóng.
Sự hấp thụ thể hiện sự suy hao năng lượng dưới dạng nhiệt, nó do ma xát và
hiện tượng hồi phục ion xuất hiện khi sóng âm truyền lan xa dần nguồn phát dưới
nước. Có thể mô hình hóa sự hấp thụ năng lượng bằng phương trình toán:
PLhthu (r , f )(dB)  10log  ( f ) .r

(1.12)

Trong đó α là hệ số hấp thụ, nó phụ thuộc vào tần số. Với một tần số cho
trước, lượng hấp thụ thay đổi tuyến tính theo khoảng cách r(km).
Sự hấp thụ năng lượng sóng trong nước biển gây ra bới 3 ảnh hưởng bao
trùm: Đó là sự ma sát, hồi phục ion của các phân tử axit boric và sun-phát ma-giê –
MgSO4 và thời gian hồi phục. Với tần số trên 100kHz ảnh hưởng của ma xát rất
lớn, trong khi đó thì ảnh hưởng do hồi phục ion của ma-giê lại gây ra ở phạm vi tần
số từ 10-100kHz, và axit boric lại gây ảnh hưởng mạnh ở các tần số thấp hơn trong
phạm vi dưới 10kHz.
Về tổng thể, khi tần số âm tăng hệ số hấp thụ α tăng, khi độ sâu tăng thì α
giảm.
Hệ số α trong nước biển lớn hơn so với vùng nước ngọt do hệ số hồi phục
ion. Ngoài 3 ảnh hưởng bao trùm nói trên, các ảnh hưởng do tần số, độ mặn, nhiệt
độ, nồng độ pH, độ sâu và tốc độ âm cũng là những yếu tố cần quan tâm.
Nhà khoa học Thorp từ thập niên 60s đã mô hình hóa hệ số α với các thông
số cho trước như sau: độ mặn nước biển 35ppt (35 phần nghìn), pH=8, t=4 0C độ
sâu 0m, tần số f trong phạm vi 100kZ – 1MHz.

0,11. f 2
44. f 2
 ( f )(dB) 

 275.104  0,0033
2
2
1 f
4100  f

(2.13)

Cuối thập kỷ 70s và đầu 80s, bốn nhà khoa học Fisher, Simmons, Francois
và Garrison đã đề xuất công thức tính hệ số hấp thụ trong nước biển với độ mặn,
pH, tần số tương đương như trên, theo phương trình:

 ( f , d , t )(dB / km) 

A1. f1. f 2
f12  f

2

10



A2 .P2 . f 2 . f 22
f12  f

2

 A3.P3. f 2 (2.14)


Trong đó: f là tần số, d là độ sâu, t tính theo 0C, các hệ số Ai đặc trưng cho
ảnh hưởng của nhiệt độ, các hệ số Pi đặc trưng cho áp suất liên quan tới độ sâu, các
hệ số f1 và f2 đặc trưng cho tần suất phục hồi của các nguyên tố axit boric và sun
phát magie.
Từ hai phương trình (2.12) và (2.13) có thể đưa ra nhận xét như sau: Với
nhiệt độ và độ sâu cố định nào đó thì hệ số hấp thụ tăng theo tần số. Ở khoảng
80kHz, sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng lớn hơn tới hệ số hấp thụ sóng so với độ
sâu, nhưng ở tần số lớn hơn 80kHz thì độ sâu ảnh hưởng mạnh hơn.
Nếu độ sâu và tần số không đổi, nhiệt độ thay đổi từ 0-270C thì hệ số hấp thụ
sóng âm giảm 4dB/km đối với các tần số dải từ 30-60kHz.
Bên cạnh 2 phương trình tính toán hệ số hấp thụ sóng âm nêu trên, nhà khoa
học Urick nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu và đề xuất công thức tính:

 d (dB / m)   .103.d (1  5,9.106 )

(2.15)

Trong đó: d là độ sâu (m), đề xuất giảm 2% mỗi nấc độ sâu tăng 300m.
1.3.3. Suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền là sự kết hợp 2 yếu tố suy hao trải và hấp thụ sóng âm
nói trên, làm suy giảm năng lượng sóng âm. Cuối thập niên 60 nhà khoa học Urick
đã lập ra công thức tính suy hao tổng:
Ploss (r , f , d , t )(dB)  k.10log r   ( f , d , t ).r.103

(1.16)

Trong đó r là khoảng cách tính từ nguồn phát, f là tần số, d là độ sâu, t là
nhiệt độ, α là hệ số hấp thụ năng lượng, k là hệ số.
1.3.4. Băng thông của kênh truyền
Băng thông có ý nghĩa quan trọng trong hệ thống thông tin, nó đảm bảo tốc
độ thông tin mong muốn khi tỷ số SNR thay đổi.
Suy giảm hay suy hao đường truyền xuất hiện trong kênh thông tin thủy âm
dưới nước đối với một tần số trên một khoảng cách d có thể miêu tả bằng phương
trình sau:
A(l , f )  d k . ( f )d

(1.17)

11


Trong đó k là hệ số trải (tiêu biểu dùng k=1,5), α(f) là hệ số hấp thụ sóng
âm. Với các tần số trên 100Hz, hệ số hấp thụ có thể dùng phương trình (2.12). Hệ
số giới hạn chính làm hạn chế phạm vi tần số cực đại mong muốn là hệ số suy hao
do hấp thụ sóng thủy âm. Tăng tần số làm tăng suy hao đường truyền vì hệ số hấp
thụ sóng âm tăng.
Đặc điểm kênh truyền thông thông tin sóng thủy âm được nêu trong bảng sau:
Bảng 1.1. Đặc điểm của thông tin bằng sóng thủy âm
Thông số kênh
Băng thông và SNR

Pha đinh/đa đường

Tốc độ sóng âm

Sóng Thủy âm
Khác sóng vô tuyến
Băng thông rất hạn chế
Băng thông phụ thuộc
khoảng cách thông tin

Kéo theo vấn đề xử lý tín hiệu,
hoặc mạng
Cần nén dữ liệu, điều chế hiệu
quả băng thông, Lựa chọn
mạng topo
Chia sẻ nguồn và tái sử dụng.
Nhịp ISI hàng chục symbol, Cân bằng thích nghi, xử lý
Mô hình pha đinh đặt ra mảng,
thách thức nghiên cứu
Cần các giao thức động,
Tối ưu hóa lớp x
Thông số v/c cao hơn một số Đồng bộ pha
bậc về độ lớn.
Kênh phản hồi tiềm tàng.
Trễ truyền lớn
Hiệu quả dung lượng của mạng

Bảng 1.2. Thống kê các công trình nghiên cứu và kết quả hệ thống.
Đơn vị
OKI electr.

Áp dụng
Robot
Thông tin

Điều
khiển

JAMTEC

Tạo ảnh

IFREMER/
ORCA
ENST
IFREMER

Tạo ảnh,
Dữ liệu
Tiếng nói
số

Micrilor

Đo xa
Telemetry

WHOI/
Datasonic

Đo xa
Telemetry

WHOI

Đo xa
Telemetry

Kênh

Điều chế

Bù ISI

Băng tần

Tốc độ

Ngắn 60m
Vùng
nông

16-QAM

LE
LMS

1MHz

500bps

4-DPSK

LE (LMS)

20kHz

16kbps

2-DPSK

không

53kHz

19,2kbps

4-DPSK

DFE(LMS)

-----------

6kbps

DS-SS

30kHz
100kHz

600bps

không

15kHz

1200kbps

DFE(RLS)

15kHz

5kbps

Đứng
6500m
Đứng
2000m
Bể thử

1km
2-DPSK
Vùng
nông
Đứng và
16x4-FSK
ngang
Dưới băng
QPSK
Vùng
nông

12

Đặc điểm vật lý của sự truyền lan sóng thủy âm: Băng thông giới hạn và phụ
thuộc vào cự ly (do suy hao, sóng âm bị nước hấp thụ năng lượng, pha đinh bề mặt
nước và tầng đáy). Theo thống kê trong bảng: Tần số sử dụng cho thông tin dưới
nước 20kHz và 53kHz cho phép thông tin ở cự ly 6500m-đứng và 2000m-đứng tốc
độ dữ liệu tương ứng là 16 và 19,2 kbps. Kỹ thuật điều chế được sử dụng là 2DPSK và 4-DPSK.
Theo thống kê trong bảng 1.3, với tần số phát-thu 50kHz dùng kỹ thuật điều
chế DPSK, 2 và 4-DPSK cho phép đạt tốc độ 10 và 20kbps ở cự ly cực đại 1,5 hải
lý. Trong khi đó nếu dùng 1kHz, điều chế 4/8/16-PSK và 8-QAM ở cự ly thông tin
tới 50/100 hải lý chỉ cho phép truyền dữ liệu tốc độ 1-2kbps.
Bảng 1.3. Thống kê kết quả về xử lý tín hiệu và kỹ thuật điều chế pha đồng bộ
Đơn vị

Kênh thử

Kỹ thuật

Anten

Xử lý

Điều chế

Mảng

Cân bằng

Đại học

0,5-1,5NM

DPSK

Phát và thu, không

Birmingham

Vùng nông

2-DPSK

cố định

Đại học

0,5NM

4-DPSK

Thu, LMS

Newcastle
Đại học

Băng tần

50kHz

Không và 50kHz

Tốc độ

10/20kbps

10kbps

DFE(LMS)
~100NM

Northeastern Vùng sâu,
~50NM

M-PSK, 8- Thu

Đa kênh

QAM

RLS

DFE

M=4,8,16

Phản hồi

(RLS)

1kHz

1kbps

1kHz

2kbps

15kHz

40kbps

Vùng nông
1NM

Với phạm vi băng thông giới hạn, tín hiệu truyền lan bị ảnh hưởng đa đường
mà đặc điểm là biến đổi theo thời gian và phụ thuộc mạnh vào vị trí trạm phát và
thu. Cấu trúc đa đường phụ thuộc vào cấu hình kết nối chủ yếu là chiều thông tin
thẳng đứng hoặc nằm ngang. Trong khi các kênh đứng ít bị hiện tượng đa đường,
thì các kênh ngang bị mở rộng về đa đường. Đáng chú ý nhất là các kênh có cự ly
truyền trung bình và dài, truyền lan đa đường gây ra sự giảm chất lượng trầm trọng
của tín hiệu thông tin sử dụng sóng thủy âm. Xung đột của thực tế pha đinh đa
đường với việc đặt ra về tốc độ dữ liệu đòi hỏi cao là một thử thách đối với hệ
thống thông tin sử dụng sóng thủy âm.
13


Trong một hệ thống thông tin số, truyền lan đa đường gây ra nhiễu ký tự -ISI
và chỉ số quan trọng là sự trải đa đường trên các khoảng cách ký tự - symbols.
Trong khi sự trải đa đường trong các kênh vô tuyến nằm trong phạm vi khoảng vài
symbols, thì trong kênh thông tin dưới nước với sóng thủy âm chúng tăng tới hàng
chục hoặc hàng trăm khoảng cách ký tự đối với tốc độ dữ liệu trung bình và cao.
Ví dụ, hiện tượng đa đường chung gặp phải trải tới 10ms trong cự ly thông tin

trung bình ở vùng nước nông, gây ra nhiễu ISI mở rộng tới 100 symbols nếu hệ
thống hoạt động tốc độ 10k symbol/s. Cơ chế hình thành đa đường phụ thuộc vào
cấu trúc hình học của kênh và tần số của tín hiệu được phát. Hiểu biết các cơ chế
này dựa trên cơ sở lý thuyết và các mô hình truyền lan âm thanh. Hai cơ chế chính
hình thành đa đường là phản xạ ở biên sóng tới (như đáy, bề mặt nước và mọi vật
thể trong nước) và sự uốn cong tia. Vùng nước nông truyền lan luôn xuất hiện giữa
bề mặt và đáy, thêm vào đường truyền thẳng sẽ có các đường truyền phản xạ từ
trên mặt và dưới đáy. Vùng nước sâu bao quanh các lục địa, kênh sóng âm có thể
hình thành việc uốn cong các tia hướng theo trục của kênh âm thanh ở vùng nước
sâu mà ở đó tốc độ âm đạt tới giá trị nhỏ nhất (khoảng vài trăm mét). Hơn nữa các
tia uốn cong về phía trước có thể đến bề mặt tập trung trong 1 điểm cùng phản xạ,
và quá trình lặp lại diễn ra theo chu kỳ (chiều dài tiêu biểu của vùng hội tụ khoảng
50-100km).
Trong các kênh phát đứng, đa đường có thể hình thành do tán xạ ngược bề
mặt. Kết cấu hình học của truyền lan đa đường có vai trò quan trọng với hệ thống
thông tin sử dụng xử lý mảng để triệt ảnh hưởng đa đường. Thiết kế hệ thống cần
đi kèm với mô hình đa đường để dự báo cấu hình đa đường. Lý thuyết tia và lý
thuyết các chế độ thông thường cung cấp nền tảng cho mô hình hóa bức xạ như
vậy. Các tham khảo gần đây dùng đồ họa tia xác định hướng cấu trúc đa đường cho
việc mô hình hóa kênh thông tin. Một loại nữa của hệ thống thông tin dưới nước đã
được phát triển, trong đó không dựa vào đặc điểm hình học của truyền lan đa
đường và có thể áp dụng trong một loạt kênh, không quan tâm tới các thông số như
tỷ lệ cự ly theo độ sâu trong đó chỉ quan tâm tới việc xác định góc xuất hiện của tia

14


đa đường đến. Đi kèm với mỗi đường truyền lan có thể xác định (đa đường macro),
trong đó có thể mô hình hóa một cách chính xác, là các tín hiệu thăng giáng ngẫu
nhiên (đa đường micro), trong đó tính toán sự biến thiên theo thời gian của đáp

ứng kênh. Một số thăng giáng ngẫu nhiên có thể được mô hình hóa theo thống kê.
Các thăng giáng này bao gồm cả tán xạ bề mặt do sóng, đó là phần quan trọng nhất
đối với tổng thời gian biến đổi của kênh thông tin vùng nước nông. Trong vùng
nước sâu, thêm vào tán xạ bề mặt, sóng ngầm tạo nên thăng giáng ngẫu nhiên đối
với đường truyền đơn. Kênh thông tin đa đường biến đổi theo thời gian được mô
hình hóa như một đường trễ phân nhánh, với khoảng nhánh cân bằng với nghịch
đảo hai lần băng thông kênh và phân nhánh hữu ích cho mô hình do quá trình ngẫu
nhiên với phân bố và mật độ phổ công suất nhất định.
Trong khi kênh thông tin vô tuyến di động phù hợp với mô hình pha đinh
Rayleigh trong đó phân nhánh đạt được sự hữu ích bắt nguồn từ quá trình Gauss
phức tạp, chưa có mô hình riêng nào được chấp nhận cho các kênh thông tin dưới
nước. Kênh nước sâu cũng đã được mô hình hóa theo kênh pha đinh Rayleigh, tuy
nhiên chưa có báo cáo thông số nào được công bố.
Trong kênh thông tin di động dưới nước, tốc độ di chuyển của thiết bị ngầm
sẽ là yếu tố chính, xác định các thành phần đồng bộ thời gian của kênh, hệ quả là
việc thiết kế hệ thống. Nhận thức về mô hình kênh theo thống kê đã chứng tỏ được
sự hữu ích trong thiết kế hệ thống thông tin (ví dụ mô hình Jakes đối với kênh
thông tin vô tuyến di động), tuy nhiên vẫn còn bỏ ngỏ tương lai của việc phát triển
các mô hình kênh theo thống kê của hệ thống thông tin dưới nước và tối ưu hóa hệ
thống phù hợp các mô hình này.
Nhiễu ISI trong tín hiệu thu phụ thuộc vào cả kênh vật lý và thời gian phát
xung. Một mặt, truyền tín hiệu tốc độ cao – xung ngắn gây ra nhiều symbol cạnh
nhau nhiễu tại máy thu và yêu cầu xử lý phức tạp để bù lại. Mặt khác do xung ngắn
hơn, biến đổi kênh trên một symbol đơn trở nên không đáng kể. Điều này cho phép
máy thu thích nghi để truy bám hiệu quả kênh trên nền tảng từng symbol. Do đó đa
đường biến thiên theo thời gian gợi nên sự dung hòa việc chọn tốc độ cho một

15

kênh chọn trước: Trải đa đường của kênh đo theo khoảng cách các symbol sẽ dài
hơn ở một tốc độ tín hiệu cao hơn, nhưng sự đồng bộ về thời gian được xác định
cùng tỷ lệ sẽ được cải thiện. Các phương pháp thực hiện với các kênh thông tin
dưới nước với nhiễu ISI dài đang phát triển cho nên có thể dùng các tốc độ phát và
kênh biến đổi theo thời gian cao hơn.
1.3.5. Tạp âm trong thông tin dưới nước
Trong hệ thống thông tin dưới nước có 4 yếu tố gây ra nhiễu và tạp âm. Tạp
âm nhiệt, có thể coi là nhiễu trắng, luôn xuất hiện trong các hệ thống thông tin.
Nhiễu do sóng biển dịch chuyển làm cho môi trường nước mất ổn định và thay đổi
các thành phần tĩnh của kênh tạo nên điểm khúc xạ gây ra đa đường khác nhau.
Các con tàu chạy trên mặt nước gây ra sự dịch chuyển dòng nước cũng gây nhiễu
cho thông tin. Yếu tố thứ tư gây nhiễu cho thông tin đó là các yếu tố do tự nhiên,
gây ra bởi các cơn bão gây mưa tạo nên các bong bóng trên mặt nước.
Tạp âm tồn tại trong toàn bộ hệ thống truyền thông. Nguồn tạp âm chính là
tạp âm nhiệt nền, tạp âm điện trong bộ khuếch đại phía thu. Ngoài ra tạp âm được
tạo ra trong nội bộ hệ thống như ISI, ICI và IMD. Chúng làm giảm SNR và làm
giảm hiệu quả phổ tần của hệ thống. Vì thế cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tạp
âm đối với tỷ lệ lỗi truyền thông và hoà hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần.
Giải pháp khắc phục
Mã hoá Gray: là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao
sẽ chỉ khác nhau một bit. Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác
suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn. Thường tiến hành mã hoá Gray
khi điều chế M-QAM hay M-PSK
1. Tạp âm nhiệt: N th  10

(( 1520log10( f ))
10

2. Tạp âm do tàu chạy: N sh  10
3. Tạp âm do sóng: N w  10

(1.18)

. N thoff

((40 (20( s  0,5)) (26log10( f )) (60log10( f  0,03)))
10

. N shoff

(50(7,5( 1/ 2 ))(20log10( f )) (40log10( f 0,4)))
10

16

. N woff

(1.19)

(1.20)


4. Tạp âm do mưa bão: N t  10

((1730log10( f ))
10

(1.21)

. N toff

5. Tổng 4 loại tạp âm: N = Nt+Nw+Nsh+Nth

(1.22)

6. Đường trực tiếp truyền thẳng từ nơi phát tới nơi nhận, độ trễ như nêu trong
bảng 1.4.
Bảng 1.4. Trễ đường truyền thông tin dưới nước với c=1500m/s
Cự ly - mét

100

1000

1500

2000

2500

Độ trễ - ms

66,7

666,7

1000

1333

1666,7

7. Các đường khúc xạ hoặc phản xạ từ mặt nước và đáy biển khi đến máy thu tạo
nên 2 trường hợp: Nếu sóng phản xạ đồng pha với sóng truyền trực tiếp thì tín
hiệu thu tổng tăng SNR. Nếu có sự lệch pha thì các tia tới khử nhau làm cho tín
hiệu thu có SNR nhỏ, có thể dẫn tới làm mất tín hiệu thu, đồng thời gây ra hiện
tượng tượng méo do nhiễu ISI, khi đó máy thu không thể tách sóng pha để khôi
phục dữ liệu. Trong trường hợp đó cần phải sử dụng bộ cân bằng thích nghi, các
phương pháp hỗn hợp, hoặc kỹ thuật điều chế phức tạp ví dụ OFDM để đảm
bảo duy trì chất lượng thông tin.
1.3.6. Trễ đường truyền.
1.3.6.1. Tốc độ sóng âm trong nước.
Tốc độ sóng thuỷ âm phụ thuộc vào khối lượng và mật độ môi trường nước.
Trong đại dương hệ số này phụ thuộc vào từng khu vực.
Vận tốc trung bình của sóng âm trong nước là khoảng 1500m/s chậm hơn
nhiều lần so với sóng vô tuyến trong không gian tự do, vì vậy trễ truyền của sóng
âm rất lớn và việc áp dụng kỹ thuật phản hồi để điều khiển công suất phát chống
lại pha đinh đa đường trở nên khó khăn. Trễ đường truyền có thể tới hàng vài trăm
mini giây thậm chí hàng nghìn mini giây khi cự ly thông tin tăng lên.
Sự truyền lan của sóng mang vô tuyến thuỷ âm trong môi trường nước nằm
trong dải tần số rất hẹp. Hình 1.2 là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự
biến thiên tỷ số SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin. Đồ thị cho thấy:

17