ĐỒ án tốt NGHIỆP nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát tín hiệu trên cạn và dưới nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát tín hiệu
trên cạn và dưới nước

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. TRẦN MẠNH HOÀNG
TS. NGUYỄN HỮU PHÁT

Sinh viên thực hiện:

LÊ ĐỨC THUẬN

MSSV:

20102268

Lớp:

ĐTVT 05 – K55

Hà Nội, 06 – 2015


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát tín hiệu
trên cạn và dưới nước
Giảng viên hướng dẫn:

ThS. TRẦN MẠNH HOÀNG
TS. NGUYỄN HỮU PHÁT

Cán bộ phản biện :

………………………….

Hà Nội, 06 – 2015


Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên: LÊ ĐỨC THUẬN

MSSV: 20102268

Tên đồ án: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát tín hiệu trên cạn và dưới
nước.
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí

dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

1
2
3
4

5
6
7

8

9

10a
10b

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các
giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm 1 2 3
vi ứng dụng của đồ án
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
1 2 3
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3
thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả
1 2 3
đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập
1 2 3
luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương
lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có
1 2 3
căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương
và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn
đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học,
1 2 3
lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
5
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
2

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

4

5

4
4

5
5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5


giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và
tinh thần làm việc của sinh viên)
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
..................

Ngày:

/

/201

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:…………………
Tên đồ án: .........................................................................................................
…………………………………………………………………………………..
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí
dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

1
2
3
4

5
6
7

8

9

10a
10b

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các
giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm 1 2 3
vi ứng dụng của đồ án
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
1 2 3
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3
thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả
1 2 3
đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập
1 2 3
luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương
lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có
1 2 3
căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương
và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn
đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học,
1 2 3
lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
5
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
2

4

5

4
4

5
5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5


nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
..................

Ngày:

/

/201

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI NÓI ĐẦU
Trong nhiều trường hợp, việc theo dõi và xác định vị trí của các vật thể là rất
quan trọng. Đặc biệt là khi các vật thể đó ở trong môi trường nước hoặc nằm sâu
trong các hầm mỏ dưới lòng đất, khi đó việc xác định vị trí bằng các phương pháp
thông thường như định vị bằng GPS là không khả thi. Trong trường hợp này, một
bộ thu phát tín hiệu là cần thiết để xác định được vị trí tương đối của các vật thể cần

tìm. Vì sự thiết thực đó, em đã chọn đề tài “Ngiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát
tín hiệu trên cạn và dưới nước” làm đề tài tốt nghiệp của mình.
Trong quá trình làm đồ án của mình, em đã cố gắng để hoàn thiện đề tài một
cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các thầy cô cùng các bạn đóng góp ý
kiến để đề tài của em có thể được hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Trần Mạnh Hoàng và TS. Nguyễn
Hữu Phát đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo những điều kiện tốt nhất về vật
chất và thiết bị để em hoàn thành đồ án này.
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng
em.
Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố
theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân
tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các
kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Lê Đức Thuận

i


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ thu phát tín hiệu sử dụng
trong các môi trường đặc biệt như môi trường nước hoặc sâu trong hầm mỏ nhằm
phát hiện được vật thể cần tìm kiếm. Bộ phát được gắn vào vật thể, sẽ truyền đi
sóng điện từ trong môi trường trên cạn hoặc là sóng âm nếu như là môi trường
nước, dựa vào sự tăng giảm của cường độ tín hiệu thu được ở bên thu sẽ xác định
khoảng cách tương đối từ vật thể tới bộ thu. Trong quá trình thực hiện và thử
nghiệm đồ án, để tín hiệu có thể truyền và nhận tốt, em đã vận dụng một số phương

pháp xử lý tín hiệu như phát xung, điều chế xung bằng FM, khuếch đại công suất tín
hiệu… Trong quá trình làm đồ án, chúng em đã thiết kế được một số mạch và đã
thu được một số kết quả từ các quá trình thử nghiệm các khối.

ABSTRACT
Our thesis focuses on researching, designing transmistter and receiver.It’s
used in special environments such as water or deep in mines to detect the object.
Transmitter is attached the object, it will transmit electromagnetic waves in the
terrestrial environment or transmit sound waves in the underwater, based on
increase or decrease received signal strength of the receiver, we will determine the
distance form the object to the receiver. In the process of implementing and testing
my thesis, in order to can transmit and receive the better signal, we need to use
various methods to handle signal such as: Pulse Transmission, FM Modulation,
Power Amplifier, FM Demolulation. In my thesis, we have designed some circuits
and have obtained some results from the testing processes.

ii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC ........................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... xii
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN TRÊN CẠN VÀ DƯỚI
NƯỚC .........................................................................................................................2

1.1. Kênh truyền vô tuyến trên cạn .........................................................................2
1.1.1. Giới thiệu...................................................................................................2
1.1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến ................................................2
1.1.3. Đặc điểm kênh truyền vô tuyến ................................................................3
1.2. Kênh truyền dưới nước ....................................................................................9
1.2.1. Các thông số ảnh hưởng đến kênh truyền .................................................9
1.2.2. Tính đa đường trong lan truyền sóng âm ................................................12
1.2.3. Suy hao trong môi trường nước ..............................................................12
1.2.4. Nhiễu môi trường ....................................................................................15
1.2.5. Hiệu ứng Doppler ....................................................................................16
1.3. Kết luận ..........................................................................................................17
CHƯƠNG 2. SÓNG VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG ...............................................18
2.1. Khái quát chung .............................................................................................18
2.2. Phân loại sóng vô tuyến .................................................................................18
iii


2.3. Các phương thức truyền sóng ........................................................................20
2.3.1. Sóng đất ...................................................................................................20
2.3.2. Sóng tầng đối lưu ....................................................................................21
2.3.3. Sóng tầng điện ly.....................................................................................21
2.3.4. Sóng vũ trụ ..............................................................................................21
2.4. Kết luận ..........................................................................................................22
CHƯƠNG 3. SÓNG ÂM ..........................................................................................23
3.1. Khái quát chung .............................................................................................23
3.2. Phân loại sóng âm ..........................................................................................23
3.3. Các đại lượng vật lý của sóng âm ..................................................................24
3.3.1. Tần số và chu kỳ sóng .............................................................................24
3.3.2. Biên độ sóng ............................................................................................24
3.3.3. Bước sóng ...............................................................................................24

3.3.4. Tốc độ truyền sóng ..................................................................................24
3.3.5. Năng lượng sóng .....................................................................................25
3.3.6. Cường độ âm ...........................................................................................25
3.3.7. Mức cường độ âm ...................................................................................26
3.4. Phương trình sóng ..........................................................................................26
3.5. Sự hấp thụ sóng âm, siêu âm ..........................................................................29
3.6. Sự truyền âm qua mặt phân cách giữa hai môi trường ..................................30
3.7. Một số đặc tính của sóng âm trong môi trường nước ....................................31
3.8. Kết luận ..........................................................................................................35
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TÍN HIỆU TRÊN CẠN ........................36
4.1. Sơ đồ khối bên phát ........................................................................................36
4.1.1. Khối phát xung ........................................................................................36

iv


4.1.2. Khối tạo dao động cao tần.......................................................................47
4.1.3. Khối điều chế tần số (FM - Fryquency Moducation) .............................55
4.1.4. Anten phát ...............................................................................................62
4.2. Cấu trúc khối bên thu .....................................................................................63
4.2.1. Anten thu .................................................................................................64
4.2.2. Khối giải điều chế ...................................................................................64
4.2.3. Khối khuếch đại. .....................................................................................69
4.2.4. Khối hiển thị ............................................................................................77
4.3. Kết luận. .........................................................................................................80
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TÍN HIỆU DƯỚI NƯỚC .....................81
5.1. Cấu trúc bên phát ...........................................................................................81
5.1.1. Khối phát xung ........................................................................................81
5.1.2. Khối khuếch đại ......................................................................................82
5.1.3. Bộ chuyển đổi điện – âm.........................................................................82

5.2. Cấu trúc bên thu .............................................................................................86
5.2.3. Bộ chuyển đổi âm – điện.........................................................................86
5.2.4. Khối khuếch đại ......................................................................................87
5.2.5. Khối so sánh. ...........................................................................................88
5.2.6. Khối hiển thị ............................................................................................94
5.3. Kết luận ..........................................................................................................97
KẾT LUẬN ...............................................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................99

v


BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC
Nội dung

Đỗ Mạnh Cường
1. Thu thập chọn tài liệu.

Lê Đức Thuận
1. Thu thập chọn tài liệu.

2. Tìm hiểu về đặc tính
kênh truyền và đặc
điểm của sóng âm.

2. Tìm hiểu về đặc tính
kênh truyền và đặc
điểm của sóng vô
tuyến.

3. Xây dựng sơ đồ tổng
quát của các bộ phát
tín hiệu sóng vô tuyến
và sóng âm.

3. Xây dựng sơ đồ khối
tổng quát của các bộ
thu tín hiệu sóng vô
tuyến và sóng âm

1. Tìm hiểu và thử
nghiệm về các khối: tạo
dao động, tiền khuếch
đại, điều chế, khuếch
đại công suất.

1. Tìm hiểu và thử
nghiệm về các khối:
cộng hưởng, giải đều
chế, khuếch đại, so
sánh.

2. Thiết kế khối điều chế
FM, mạch phát sóng
siêu âm.

2. Thiết kế khối giải điều
chế FM, mạch thu
sóng siêu âm.

3. Thử nghiệm hệ thống.
Chương 1: 1.1
Chương 3:
Chương 4: 4.1
Chương 5: 5.1

3. Thử nghiệm hệ thống.
Chương 1: 1.2
Chương 2:
Chương 4: 4.2
Chương 5: 5.2

Lý thuyết

Thực hành

Viết đồ án

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin [1]. .............................................2
Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến. ..........................................................3
Hình 1.3 Các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong thông tin vô
tuyến [3] ......................................................................................................................5
Hình 1.4 Hiện tượng truyền sóng đa đường [1]. .........................................................6
Hình 1.5 Hiệu ứng Doppler [1]. ..................................................................................7
Hình 1.6 Mật độ phổ của tín hiệu thu trong hiệu ứng Doppler [1]. ............................8
Hình 1.7 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ sâu [4]. .........................................................10

Hình 1.8 Quan hệ giữa vận tốc âm thanh và độ sâu [4]. ...........................................11
Hình 1.9 Quan hệ giữa vận tốc âm thanh và độ mặn [4]. .........................................12
Hình 3.1 Suy ra phương trình truyền sóng. ...............................................................26
Hình 3.2 Định luật Hook. ..........................................................................................27
Hình 3.3 Xác định vận tốc của sóng dọc...................................................................28
Hình 3.4 Quy luật hấp thụ của sóng âm. ...................................................................30
Hình 3.5 Các thành phần của sóng âm tại tầng đáy [8]. ...........................................33
Hình 3.6 Sự thay đổi vận tốc truyền âm theo độ sâu [8]...........................................33
Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan bên phát. ..................................................................36
Hình 4.2 Xung vuông. ...............................................................................................36
Hình 4.3 Mạch dao động đa hài [11]. .......................................................................37
Hình 4.4 Quá trình phóng nạp điện trong mạch RC [11]..........................................39
Hình 4.5 Quá trình quá độ [11]. ................................................................................39
Hình 4.6 Mạch dao động đa hài dùng khuếch đại thuật toán [11]. ...........................40
Hình 4.7 Dạng tín hiệu của mạch dao động đa hài dùng KĐTT [11]. ......................41
Hình 4.8 IC NE555 [12] ............................................................................................42
Hình 4.9 Cấu tạo IC NE555 [12] ..............................................................................43
Hình 4.10 Nguyên tắc hoạt động của IC NE555 [12] ...............................................44
Hình 4.11 Tần số xung vuông của IC NE555. ..........................................................46
Hình 4.12 Mạch tạo tín hiệu xung vuông tần số 350 Hz. .........................................47
Hình 4.13 Dao động vuông với tần số 350 Hz. .........................................................47
vii


Hình 4.14 Mạch khuếch đại có hồi tiếp. ...................................................................48
Hình 4.15 Điều kiện dao động của mạch [15]. .........................................................49
Hình 4.16 Mạch cộng hưởng nối tiếp [15]. ...............................................................50
Hình 4.17 Mạch cộng hưởng nối tiếp có nội trở [15]. ..............................................50
Hình 4.18 Trở kháng của khung cộng hưởng nối tiếp [15].......................................51
Hình 4.19 Mạch cộng hưởng song song [15]. ...........................................................51

Hình 4.20 Trở kháng của khung cộng hưởng song song [15]...................................52
Hình 4.21 Mạch dao động ba điểm. ..........................................................................52
Hình 4.22 Mạch dao động Colpitts [15] ...................................................................53
Hình 4.23 Mạch dao động Hartley [15]. ...................................................................54
Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động ........................................................54
Hình 4.25 Điều chế tần số .........................................................................................56
Hình 4.26 Phổ của tín hiệu điều tần [20]. .................................................................57
Hình 4.27 Bảng Bessel [21]. .....................................................................................58
Hình 4.28 Diode biến dung .......................................................................................58
Hình 4.29 Mạch điều tần dùng diode biến dung. ......................................................59
Hình 4.30 Phần tử điện kháng ...................................................................................59
Hình 4.31 Điều tần dùng Transistor trở kháng. .......................................................60
Hình 4.32 Mạch nguyên lý FM. ................................................................................61
Hình 4.33 Sơ đồ nguyên lý mạch phát FM tần số 134 MHz. ...................................62
Hình 4.34 Sơ đồ mạch in mạch phát FM ..................................................................63
Hình 4.35 Mạch phát trên cạn. ..................................................................................63
Hình 4.36 Sơ đồ khối tổng quan bên thu. .................................................................63
Hình 4.37 Khung cộng hưởng song song [13]. .........................................................64
Hình 4.38 Khung cộng hưởng nối tiếp [13]. .............................................................65
Hình 4.39 Mạch tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng [16]. .................................66
Hình 4.40 Mạch tách sóng vi sai. ..............................................................................68
Hình 4.41 Mạch giải điều chế. ..................................................................................69
Hình 4.42 Mạch khuếch đại E chung và sơ đồ tương đương xoay chiều [15]..........72
Hình 4.43 Mạch khuếch đại E chung. .......................................................................73
Hình 4.44 Sơ đồ tương đương xoay chiều. ...............................................................73
viii


Hình 4.45 Mạch khuếch đại C chung và sơ đồ tương đương xoay chiều [15]. ........75
Hình 4.46 Mach khuếch đại B chung và sơ đồ tương đương xoay chiều [15]. ........76

Hình 4.47 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại. ..........................................................77
Hình 4.48 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. .................................................................78
Hình 4.49 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................78
Hình 4.50 Sơ đồ mạch in. ..........................................................................................79
Hình 4.51 Mạch thu FM sử dụng trên cạn ................................................................79
Hình 4.52 Dạng sóng mạch thu trên cạn. ..................................................................79
Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan bên phát. ..........................................................................81
Hình 5.2 Mạch nguyên lý phát xung vuông tần số 40 kHz.......................................81
Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại. ............................................................82
Hình 5.4 Cấu tạo của đầu phát siêu âm (Ultrasonic Transducer) [22] ......................83
Hình 5.5 Cảm biến siêu âm EU1640BCH. ...............................................................84
Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phát siêu âm dùng dưới nước ................................85
Hình 5.7 Sơ đồ mạch in mạch phát siêu âm dưới nước ............................................85
Hình 5.8 Mạch phát siêu âm 40 kHz. ........................................................................86
Hình 5.9 Dạng sóng mạch phát dưới nước. ..............................................................86
Hình 5.10 Sơ đồ khối tổng quan bên thu. .................................................................86
Hình 5.11 Cảm biến siêu âm. ....................................................................................87
Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại. .........................................................88
Hình 5.13 Mạch điện thế ngõ ra bão hòa [15]. .........................................................89
Hình 5.14 Mạch so sánh mức không không đảo [15]. ..............................................89
Hình 5.15 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................90
Hình 5.16 Mạch so sánh mức không đảo [15]. .........................................................90
Hình 5.17 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................90
Hình 5.18 Mạch so sánh mức dương đảo [15]. .........................................................91
Hình 5.19 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................91
Hình 5.20 Mạch so sánh mức dương không đảo [15]. ..............................................91
Hình 5.21 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................92
Hình 5.22 Mạch so sánh mức âm đảo [15]. ..............................................................92
ix

Hình 5.23 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................93
Hình 5.24 Mạch so sánh mức âm không đảo [15]. ...................................................93
Hình 5.25 Dạng sóng ngõ ra v0 [15]. ........................................................................93
Hình 5.26 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh. ................................................................94
Hình 5.27 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. .................................................................95
Hình 5.28 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................95
Hình 5.29 Sơ đồ mạch in. ..........................................................................................96
Hình 5.30 Mạch thu siêu âm 40 kHZ. .......................................................................96
Hình 5.31 Dạng sóng mạch thu siêu âm. ..................................................................96

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Phạm vi tần số và lĩnh vực sử dụng [16]. ..................................................19
Bảng 4.1 Các giá trị logic của Flip – Flop. ...............................................................44

xi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Từ gốc

Ý nghĩa

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây cục bộ

ADC

Analog Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

RF

Radio Frequency

Sóng điện từ

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSL

Free-Space Loss

Suy hao không gian tự do

FF

Flip – Flop

Mạch lật trạng thái

KĐTT

Khuếch đại thuật toán

IC có chức năng khuếch đại
tín hiệu

xii


Đồ án tốt nghiệp 2015

PHẦN MỞ ĐẦU
Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thu phát tín hiệu trên cạn và

dưới nước”.
Ngày nay, công nghệ trên thế giới phát triển rất mạnh trong lĩnh vực truyền
thông không dây sử dụng sóng điện từ, các ứng dụng trong lĩnh vực này rất đa dạng,
trong đó có các ứng dụng định vị như định vị dùng GPS hay Wi-Fi. Nhưng trong
một số môi trường đặc biệt, việc xác định vị trí các vật thể là rất khó khăn. Trong
trường hợp này, một bộ thu phát tín hiệu vô tuyến có thể xác định được một cách
tương đối vị trí của vật thể cần tìm kiếm. Phương pháp này cũng đã được ứng dụng
trong lĩnh vực sinh vật học để theo dõi và xác định vị trí một số loại động vật hoang
dã, qua đó giúp bảo tồn một số loài sinh vật quý hiếm. Công nghệ sóng siêu âm
cũng giúp tàu thuyền biết được độ sâu của đáy sông, biển mà tàu thuyền đi qua,
giúp các tàu thuyền này biết được vị trí của đá ngầm dưới biển để tránh khả năng
tai nạn đường biển không mong muốn.
Trong đồ án này, chúng em đi sâu nghiên cứu vào các phần cơ bản nhất mà một
hệ thống thu phát tín hiệu phát vật thể sẽ có:
 Bộ thu phát sóng điện từ và sóng âm.
 Phát hiện và xác định vị trí tương đối của vật thể.

Nội dung đồ án
Chương I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến trên cạn và dưới nước.
Chương II: Sóng vô tuyến và ứng dụng.
Chương III: Khái quát về sóng âm.
Chương IV: Thiết kế bộ thu phát tín hiệu trên cạn.
Chương V: Thiết kế bộ thu phát tín hiệu dưới nước.

LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp 2015

CHƯƠNG 1. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN TRÊN
CẠN VÀ DƯỚI NƯỚC
1.1. Kênh truyền vô tuyến trên cạn
1.1.1. Giới thiệu
Hệ thống thông tin là hệ thống có chức năng truyền tải và cung cấp thông tin
phục vụ cho các hoạt động của con người.
Một hệ thống thông tin cơ bản bao gồm nguồn tin, kênh truyền và nơi nhận
thông tin. Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp
thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô
tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc
sống hiện đại.

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin [1].
Trong một hệ thống thông tin ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là
một phần quan trọng của hệ thống. Đó là môi trường để truyền thông tin từ máy
phát đến máy thu, có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của tín hiệu tại bên thu. Vì
thế việc tìm hiểu về các thông số cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền là
cần thiết khi thiết kế một hệ thống thông tin.
1.1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền là kênh vô tuyến tức là dùng
không gian tự do để làm môi trường truyền sóng từ máy phát đến máy thu.
Hình 1.2 thể hiện một mô hình cơ bản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Tin tức cần truyền đi trước hết qua khối xử lý. Khối xử lý có thể là bộ khuếch đại để
làm tăng biên độ của tín hiệu, hoặc là các bộ biến đổi tương tự - số (ADC) để
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, hoặc bộ mã hoá nguồn để giảm các
thông tin dư thừa, tùy vào ứng dụng cụ thể mà khối xử lý bao gồm các bộ biến đổi
LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 2

Đồ án tốt nghiệp 2015

khác nhau. Tín hiệu sau đó được điều chế vào sóng mang cao tần nhờ khối điều chế.
Tùy vào loại tin tức, dải tần được cấp phát và từng ứng dụng cụ thể, khối điều chế
có thể là điều chế AM, FM, ASK, FSK… Điều chế cũng có thể làm cho khoảng
cách truyền được tăng lên… Tín hiệu sau khi được điều chế sẽ được khuếch đại qua
bộ khuếch đại công suất và được bức xạ vào không gian nhờ anten phát. Tín hiệu
thu được ở máy thu sẽ trải qua các quá trình ngược lại so với máy phát. Kết quả tín
hiệu được giải điều chế và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ
thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế, mã hóa khác nhau.
Do đó ngày nay có nhiều kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh
truyền.

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến.
1.1.3. Đặc điểm kênh truyền vô tuyến
a) Giới thiệu
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, đồi núi, cây cối …, bị phản xạ, tán
xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là Fading. Và kết quả là ở máy

LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 3

Đồ án tốt nghiệp 2015

thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh
hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những
đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể lựa chọn một cách
thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số
tối ưu của hệ thống.
b) Hiện tượng Fading
Khái niệm: Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy
ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn [2].
Hiện tượng Fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (Large – Scale Fading) và Fading tầm hẹp (Small – Scale
Fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng…) giữa
máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các
thống kê về hiện tượng Fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh
truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý: sự trải thời gian
(Time – Spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (Time – Variant)
của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời
gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền
sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống
thông tin vô tuyến:
+ Phản xạ: xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF, có thể do bề mặt của trái đất núi và các

tòa nhà.

LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp 2015

+ Nhiễu xạ: là hiện tượng tia sóng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi
do gặp phải các bề mặt sắc cạnh và các thành gờ của các cấu trúc. Nhiễu xạ là hiện
tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía
thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn
(Shadowing) vì trường nhiễu xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật
cản không thể truyền xuyên qua.
+ Tán xạ: là hiện tượng xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào các vật thể có
kích thước nhỏ hơn bước sóng, làm cho năng lượng sóng bị trải ra hoặc là phản xạ
ra tất cả các hướng. Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là
cột đèn, cột báo hiệu giao thông, tán lá cây…

Hình 1.3 Các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong thông tin vô
tuyến [3]
c) Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường
không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi
phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy,
sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi
sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng

LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp 2015

này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath Propagation). Do hiện tượng đa
đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị
suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành
phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa
đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này
gọi là sự phân tán đáp ứng xung (Impulse Dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi
kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ
cân bằng.

Hình 1.4 Hiện tượng truyền sóng đa đường [1].
d) Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu như trình bày ở hình 1.5. Hiện tượng này làm cho phổ của tín hiệu thu
được bị lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp 2015

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn,

khi đó tần số Doppler của tuyến này là:

v
f D n  f 0 cosα n 
c

(1. 1)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.
Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:

v
f D,max  f 0 
c

(1. 2)

Hình 1.5 Hiệu ứng Doppler [1].
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ
ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số
Doppler được biểu diễn như sau [1]:
A


2
 f  f0 

 yy  j 2 f    1  


 f

 D ,max 

0


LÊ ĐỨC THUẬN – ĐT05 – K55

nếu f0  f D,max  f  f0  f D,max

(1. 3)

Trang 7