Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu ofdm trong hệ thống thông tin dưới nước

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

LÊ VĂN CHÍNH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ CHO TÍN
HIỆU OFDM TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN
DƯỚI NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 12/2016


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. iii
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ vii
DANH MỤC T

VI T T T ............................................................................................. viii

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1
TÓM T T ĐỒ ÁN .............................................................................................................. 3
ABSTRACT ...................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG DƯỚI NƯỚC .......... 4

1.1.

Vai trị của hệ thống truyền thơng dưới nước ................................................ 4

1.2.

Đặc tính của kênh truyền dưới nước .............................................................. 4

1.2.1.

Hiện tượng truyền dẫn đa đường ................................................................. 4

1.2.2.

Suy hao đường truyền ................................................................................. 5

1.2.3.

Nhiễu môi trường ......................................................................................... 9

1.2.4.

Hiệu ứng Doppler....................................................................................... 10

1.3.

Các kỹ thuật điều chế trong truyền thông dưới nước.................................. 12

1.3.1.

Kỹ thuật điều chế ASK ............................................................................... 13

1.3.2.

Kỹ thuật điều chế FSK ............................................................................... 15

1.3.3.

Kỹ thuật điều chế PSK ............................................................................... 17

1.3.4.

Kỹ thuật điều chế QAM .............................................................................. 19

1.4.

Kỹ thuật ghép kênh OFDM trong truyền thông dưới nước .......................... 22

a.

Chèn pilot trên miền thời gian..................................................................... 25

b.

Chèn pilot trên miền tần số ........................................................................ 26

c.

Chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số ........................................ 26

1.4.3. Các ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM ........................................................ 27
Kết luận ...................................................................................................................... 29
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ OFDM CHO THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC ....... 30
2.1. Đồng bộ tần số.................................................................................................... 30
2.1.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu.................................................................................. 30
2.1.2. Đồng bộ tần số sóng mang ............................................................................ 31
2.2. Đồng bộ thời gian ............................................................................................... 39
2.2.1. Đồng bộ thời gian dựa trên tiền tố vòng CP ................................................... 39

i


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2. Đồng bộ thời gian dựa trên ký tự huấn luyện.................................................. 42
2.3. Đề xuất phương pháp ........................................................................................... 46
2.3.1. Ý tưởng .......................................................................................................... 46
2.3.2. Thực hiện ....................................................................................................... 47
2.4. Kết luận ............................................................................................................... 50
CHƯƠNG 3: XÂY DỤNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG........................................................ 53
3.1. Xây dựng hệ thống ................................................................................................. 53
3.1. 1. Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................... 53
3.1.2. Giao diện của hệ thống .................................................................................. 57
3.2. Tiến hành mô phỏng và kết quả ........................................................................ 59
3.3. Kết luận ............................................................................................................... 61
K T LUẬN ...................................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 63

ii

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu và tìm hiểu của tơi và là một phần
trong khn khổ cơng trình nghiên cứu của thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Khương.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ
thể. Những đánh giá, nhận xét của cá nhân được đưa ra từ những nghiên cứu lý
thuyết và thực hành, trong đó có mơ phỏng bằng phần mềm Matlab.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên
Lê Văn Chính

iii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Văn Chính
Đề tài luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu OFDM trong hệ
thống thông tin dưới nước
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số HV

: CB140237

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/12/2016 với
các nội dung sau:

-

Luận văn đã chỉnh sử tiêu đề chương 3 để phù hợp với nội dung

-

Luận văn đã bổ xung các tài liệu tham khảo đầy đủ.

-

Luận văn đã chỉnh sửa lại cách trình bày và một số lỗi chính tả theo đúng
nội dung
Ngày ….. Tháng ..... năm 2016
(Ký ghi rõ họ tên)
Tác giả luận văn

Giảng viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

iv


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ thống thơng tin dưới nước sử dụng sóng âm ............................................... 4
Hình 1.2. Tín hiệu ASK ................................................................................................. 13
Hình 1.3. Phổ của tín hiệu ASK ..................................................................................... 14
Hình 1.4. Dạng tín hiệu FSK ......................................................................................... 15
Hình 1.5. Phổ của tín hiệu FSK ..................................................................................... 17

Hình 1.6. Tín hiệu PSK ................................................................................................. 18
Hình 1.7. Phổ của tín hiệu PSK ..................................................................................... 19
Hình 1.8. Chịm sao điều chế 2-QAM (a), 4-QAM (b), 6-QAM (c) ............................... 22
Hình 1.9. (a) mật độ phổ năng lượng hệ thống đa sóng mang FDM, (b) mật độ phổ
năng lượng hệ thống đa sóng mang trực giao OFDM ............................................. 24
Hình 1.10. Mơ tả cách chèn pilot trên miền thời gian ..................................................... 25
Hình 1.11. Mơ tả cách chèn pilot trên miền tần số ......................................................... 26
Hình 1.12. Chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số .......................................... 27
Hình 2.1. Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu đồng bộ .................................. 30
Hình 2.2. Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu khơng đồng bộ ........................ 31
Hình 2.3. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang ................................................... 32
Hình 2.4. Suy giảm SRN do lệch tần số (phân tích trên cơ sở nhiễu AWGN) ................ 33
Hình 2.5. Mơ hình chèn mẫu tin dẫn đường vào tín hiệu OFDM ................................... 35
Hình 2.6. Đồ thị hàm tự tương quan .............................................................................. 39
Hình 2.7. Mơ tả quá trình đồng bộ thời gian dựa trên CP ............................................... 40
Hình 2.8. Dạng tín hiệu tương quan của hai cửa sổ ........................................................ 41
Hình 2.9. Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Schmidl ....................... 43
Hình 2.10. Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Minn .......................... 44
Hình 2.11. Cấu trúc khung dữ liệu ................................................................................. 47
Hình 2.12. (a). Chịm sao tín hiệu thu. ........................................................................... 50
(b).Chịm sao xoay lại bằng thuật tốn xoay pha ............................................................ 50
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ........................................................................... 53
Hình 3.2. Sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang hệ thống OFDM ...................................... 55

v


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 3.3. Giao diện bên phát ......................................................................................... 57
Hình 3.4. Giao diện bên thu ........................................................................................... 58

Hình 3.5. Tín hiệu thu được trong miền thời gian khi thu phát ....................................... 60
Hình 3.6. Dạng tín hiệu đồng bộ theo thời gian khi thu phát .......................................... 60
Hình 3.7. (a) - Chịm sao tín hiệu thu khi chưa xoay pha .............................................. 60
(b) - Chịm sao tín hiệu sau khi xoay pha ....................................................................... 60

vi


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các tham số mô phỏng .................................................................................. 59

vii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC T
Thuật
ngữ

VI T T T
Ý nghĩa

Từ gốc

ASK

Amplitude Shift Keying

Điều chế số theo biên độ tín hiệu

ADC

Analog to Digital Converter

Chuyển đổi tương tự số

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng

DAC

Digital-to-Analog Converter

Chuyển đổi số tương tự

DPLL

Digital Phase Locked Loops

Vịng khóa pha số

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế số theo tần số tín hiệu

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying

Điều chế dịch cực tiểu Gauss

ICI

Intercarrier Interference

Nhiễu liên kênh

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

biến đổi nhanh ngược Fourier

MSK

Minimum Shift Keying

Điều chế dịch cực tiểu

M-QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng góc

M-PSK

Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha

Orthogonal Frequency Divionsion

Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang

Multiplex

trực giao

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

OFDM

PAM

viii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
PSK
QAM

Điều chế số theo pha tín hiệu

Phase Shift Keying
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 thơng tin thủy âm

VCO

Voltage-controlled oscillator

Bộ dao động điều khiển điên áp

ix


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NĨI ĐẦU
Truyền thơng dưới nước vẫn đang là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, thu
hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và triển khai thử nghiệm của các nhà khoa học
trên thế giới bởi những ứng dụng to lớn của nó trong các lĩnh vực quân sự, kinh
tế…Tuy nhiên, môi trường dưới nước là mơi trường khá phức tạp, tín hiệu bị ảnh
hưởng mạnh của nhiễu, kênh truyền biến đổi nhanh với dịch tần Doppler lớn. Việc

truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn bởi tốc độ truyền sóng âm rất chậm so với
tốc độ truyền tín hiệu sóng vơ tuyến trong chân khơng, do đó băng thơng truyền tín
hiệu trong nước là rất nhỏ. Nhằm khắc phục hạn chế về tốc độ truyền tin của các kỹ
thuật truyền tin trước đây như ASK, FSK,… kỹ thuật điều chế ghép kênh theo tần
số trực giao OFDM được ứng dụng nhờ khả năng sử dụng hiệu quả băng tần của hệ
thống đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt. Tuy nhiên đặc điểm OFDM là
rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai lệch tần số, do vậy nó cần được đồng bộ
chính xác tại đầu thu.
Nhận thức được tầm quan trọng khâu đồng bộ trong hệ thống OFDM cùng với
sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Khương, em chọn đề tài: ”
Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu OFDM trong hệ thống thơng tin
dưới nước”. Nội dung của luận văn sẽ đi sâu phân tích những đặc tính của kênh
thơng tin dưới nước, từ đó đưa ra kỹ thuật điều chế phù hợp với kênh truyền - kỹ
thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, phân tích ảnh hưởng của lỗi đồng bộ
tới chất lượng tín hiệu OFDM, so sánh đánh giá các phương pháp đồng bộ thời gian
đã được ứng dụng trước đây, đề xuất một thuật toán đồng bộ tần số cho tín hiệu
OFDM sử dụng sóng âm thanh để truyền thông tin trong môi trường dưới nước,
cuối cùng xây dựng phần mềm thu phát tín hiệu OFDM trên matlab.
Trên định hướng đó, luận văn được chia thành ba chương như sau:

Lê Văn Chính_CB140237

1

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 1: Trình bày vai trị và đặc tính của hệ thống truyền thơng dưới nước

cũng như các kỹ thuật điều chế tín hiệu như ASK, FSK, PSK, QAM từ đó tìm hiểu
kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Chương 2: Trình bày các kỹ thuật đồng bộ trong OFDM là đồng bộ thời gian
và đồng bộ tần số và tham gia vào đề xuất một thuật toán đồng bộ để bù tần số cho
tín hiệu OFDM trong trường hợp có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên
thu
Chương 3: Xây dựng hệ thống và phần mềm mô phỏng, thực hiện mơ phỏng
thu phát tín hiệu OFDM trên phần mềm matlab.
Do trình độ bản thân cịn hạn chế, đồng thời nội dung nghiên cứu của đề tài
tương đối phức tạp, nên luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. Em xin gửi lời cảm
ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Quốc Khương cùng tất cả thành viên phịng
nghiên cứu Thơng Tin Vơ Tuyến – Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã định hướng nghiên cứu và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình
thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Lê Văn Chính_CB140237

2

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

TÓM T T ĐỒ ÁN
Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng mất đồng bộ tới hệ thống OFDM
cho truyền thông dưới nước, so sánh và đánh giá các phương pháp đồng bộ trước
đây trong hệ thống OFDM. Đa phần các phương pháp sử dụng hai symbol huấn

luyện giống hệt nhau hoặc một symbol huấn luyện với cấu trúc đặc biệt chèn điểm
bắt đầu khung như các thơng tin mào đầu cho độ chính xác rất cao, tuy nhiên lại
chiếm dụng một phần băng thông và làm giảm tốc độ truyền tải dữ liệu. Luận văn
đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM sử dụng sóng âm
thanh để truyền tải thông tin trong môi trường dưới nước. Kết quả mô phỏng và
thực nghiệm cho thấy rằng thuật toán đồng bộ đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với
một số các phương pháp khác cho môi trường dưới nước.
ABSTRACT
The thesis “Synchronization in OFDM system for underwater communication”
focuses on analyzing the influence of synchronization offset for OFDM systems in
underwater communication, comparing and evaluating the previous methods for
synchronization of OFDM system. Most of the time synchronization methods use
two identical OFDM training symbols or a single OFDM training symbol with a
special structure, which are placed at the beginning of the frame as preamble, it has
very high accuracy, however losses the bandwidth and reduces the data
transmission speed. In the sequel, the proposed time synchronization algorithm for
OFDM system uses acoustic wave to transmit information in the underwater
communication. Simulated and experimental results show that the proposed
synchronous algorithm has a better performance than some the other methods for
underwater environment.

Lê Văn Chính_CB140237

3

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG DƯỚI
NƯỚC
1.1.

Vai trị của hệ thống truyền thông dưới nước
Trước sự phát triển của cuộc sống, việc thơng tin dưới nước ngày càng đóng

vai trị 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 thơng
trên mặt đất, ứng dụng của thông tin dưới nước sẽ được mở rộng, vai trị của nó
trong thực tế sẽ được nâng cao. Hình 1.1 cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về vai
trị của hệ thống thơng tin dưới nước.

nh 1.1.
1.2.

th ng th ng tin

in

cs

ng s ng

Đặc tính của kênh truyền dưới nước
Trong phần này sẽ trình bày tổng quan một số đặc tính sóng âm trong kênh

dưới nước. Việc tìm hiểu các đặc tính kênh truyền sẽ giúp ta có được những thiết kế

phù hợp, hạn chế được tác động xấu từ kênh truyền tới chất lượng tín hiệu.
1.2.1. Hiện tượng truyền dẫn đa đường
Truyền dẫn đa đường trong môi trường dưới nước gây nên nhiễu liên kí tự
ISI và Fading của kênh trong miền tần số. Khi khoảng cách giữa máy phát và máy

Lê Văn Chính_CB140237

4

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

thu đủ lớn, tín hiệu từ máy phát qua nhiều tuyến đường khác nhau như phản xạ, tán
xạ, khúc xạ đến máy thu. Tại máy thu, tín hiệu thu được là tổng hợp của các sóng
trên, tùy thuộc vào pha và biên độ của các thành phần mà tín hiệu tổng hợp có thể
tăng cường hay bị suy giảm so với tín hiệu gốc. Đối với những vùng nước khác
nhau (vùng nước sâu, vùng nước nông) ảnh hưởng hiệu ứng đa đường cũng sẽ khác
nhau:
-

Trong kênh nước sâu, hiện tượng đa đường xảy ra chủ yếu do sự tán xạ của
tín hiệu khi gặp các vật thể trong nước hoặc do sự uốn cong tia do mơi
trường khơng đồng nhất. Có thể hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng đa đường trong
trường hợp này bằng việc sử dụng bộ phát định hướng.

-

Trong kênh nước nông, hiện tượng truyền dẫn đa đường phức tạp hơn nhiều,

do kênh bị giới hạn bởi bề mặt và mặt đáy, sóng âm bị phản xạ khi gặp hai
bề mặt này. Thêm vào đó, sóng cũng bị phản xạ khi gặp vật thể trong nước
như cá, sinh vật biển, …

1.2.2. Suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền trong môi trường thủy âm với sóng âm là sự suy giảm
mật độ âm thanh trong quá trình truyền từ bộ phát tới bộ thu, sự suy hao này không
chỉ phụ thuộc khoảng cách truyền dẫn

mà nó cịn phụ thuộc tần số tín hiệu

[2][3], được thể hiện qua cơng thức sau đây:
(1.1)
Trong đó:
 k là số mũ suy hao theo khoảng cách truyền l.


là hệ số hấp thụ kênh truyền, qua kênh truyền năng
lượng âm thanh bị biến đổi thành nhiệt năng, phụ thuộc vào
tần số, tần số càng cao suy hao càng nhiều.

Lê Văn Chính_CB140237

5

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Từ phương trình (1.1), ta thấy suy hao sóng âm trong mơi trường nước do hai
thành phần là suy hao trải hình học và suy hao hấp thụ. Dưới đây sẽ tìm hiểu về hai
thành phần suy hao này.
a. Suy hao trải h nh 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. Mơ 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 mơ hình suy hao trong môi trường nước nông là suy hao do sự phân bố hình trụ.
 Suy hao cầu
Mơ hình suy hao cầu được áp dụng cho những vùng nước sâu. Trong mơ
hình suy hao cầu, mật độ năng lượng được xác định như sau:
r
I 
g sphere  r    0 
 
 I  sphere  r0 

Trong đó I 0 

2

(1.2)

Pa
P
, I a2.
2

4 r
4 r0

Với r0 – khoảng cách tham chiếu (thường lấy là 1m), Pa – năng lượng sóng
âm tại nguồn, I0 – mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách ro, I -mật độ năng
lượng sóng âm tại khoảng cách r.
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:
= 20log[

Lê Văn Chính_CB140237

6

(1.3)

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Suy hao trụ
Suy hao trải hình trụ xuất hiện khi mơi 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:

r
I 
gcylinder  r    0 

 
 I  cylinder  r0 
Trong đó I 0 

(1.4)

P
Pa
, và I  a .
2 hr
2 hr0

Với mô hình suy hao phân bố trụ thì mật độ cơng suất tỉ lệ nghịch với r. Tính
theo dB thì suy hao trong trường hợp này sẽ là:

r
I 
Gcylinder  r   10log  0 
 10log  
 I  sphere
 r0 

(1.5)

b. b. Suy hao hấp th
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 cơng thức mơ
tả về q 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 mơi
trường này nên một u cầu tính tốn chính xác sự chuyển hóa năng lượng âm
thanh trong nước biển ở tần số thấp thì các mơ hình hiện nay khó có thể đáp ứng.

Lê Văn Chính_CB140237

7

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

W.H.Thorp đưa ra năm 1967 [18], trình bày một cơng thức để tính tốn hệ
số suy giảm theo dB/km. Còn Francois và Garrison đưa ra cơng 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 mơ hình này thì
chúng ta cần biết đến cơ chế của sự hấp thụ được trình bày trong [18] như sau:
 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
thốt 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
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 (oC) và áp suất hoặc độ sâu.
Mặc dù sự chuyển đổi giữa áp suất và độ sâu cịn ảnh hưởng bởi một vài thơng 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 tốn áp suất thủy
tĩnh.
 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
Lê Văn Chính_CB140237

8

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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 MgSO4 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.
1.2.3. Nhiễu môi trường
Nhiễu trong một kênh thông tin thủy âm bao gồm nhiễu từ mơi trường xung
quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể. Nhiễu từ môi trường xung quanh luôn luôn tồn
tại, trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó. Ví dụ nhiễu tại một

vị trí cụ thể bao gồm sự đứt gãy của băng ở các khu vực vùng cực và hoặc nhiễu do
các sinh vật sống dưới nước ở các vùng ấm hơn. Nhiễu từ môi trường xung quanh
xuất phát từ một số nguồn như sự bất ổn định, sóng vỗ, mưa, và chuyển động của
tàu thuyền. Nhiễu này không phải là nhiễu trắng, và được xấp xỉ bằng nhiễu Gauss.
Mặt khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thường có chứa một số lượng lớn các thành
phần không phải nhiễu Gauss.
Nhiễu từ môi trường xung quanh trong môi trường nước có thể được chia
thành bốn loại cụ thể là nhiễu do sự hỗn loạn (Nt), nhiễu do tàu thuyền (NS), nhiễu
do gió (Nw), và nhiễu nhiệt (Nth). Những tính chất cũng như đặc điểm của từng loại
được trình bày cụ thể dưới đây:
Mật độ phổ công suất cho mỗi loại nhiễu môi trường theo dB như sau.
-

Với nhiễu sinh ra do tàu thuyền chuyển động (còn được gọi là traffic noise)

-

Nhiễu do chuyển động xốy của nước

Lê Văn Chính_CB140237

9

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-

Tự nhiễu sinh ra bởi tàu thuyền:

Trong đó f và vs là tần số (Hz) và tốc độ của tàu (m/s).
-

Nhiễu sinh học (gây ra bởi các lồi sinh vật dưới nước như cá, tơm, …)

Trong đó f và S biểu thị sự phụ thuộc vào tần số và thời gian trong năm
-

Nhiễu do trạng thái của biển:
Trạng thái của biển có thể được xác định như là hàm của vận tốc gió

-

[km/s] và tần số f - [kHz] :

- Nhiễu nhiệt sinh ra do chuyển động của các nguyên tử, và được biểu diễn
như hàm của tần số f - [kHz]:

- Tổng nhiễu được xác định như sau:

1.2.4. Hiệu ứng Doppler
Chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong
đáp ứng kênh truyền do hiệu ứng Doppler. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ
v
c

số a  , trong đó v là chuyến động tương đối giữa máy thu và máy phát, c là vận
tốc âm thanh trong nước. Do vận tốc của âm thanh trong nước là khá nhỏ khi so

Lê Văn Chính_CB140237

10

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

sánh với vận tốc của sóng điện từ trên khơng trung nên ảnh hưởng của hiệu ứng
Doppler là rất lớn. Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài
m/s, tuy nhiên kể cả khi khơng có những chuyển động có mục đích thì những ảnh
hưởng như sự trơi dạt gây nên bởi sóng, thủy triều cũng ln tồn tại. Nói cách khác
ln có chuyển động tương đối giữa máy thu và phát, hệ thống thông tin thủy âm
cần được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tương
đồng với kênh vơ tuyến truyền dẫn qua vệ tinh. Méo tín hiệu gây ra do chuyển động
của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán đồng bộ và ước lượng kênh truyền.
Mức độ ảnh hưởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp và giá trị của .
Ta làm phép so sánh sau: Với hệ thống thông tin vô tuyến, với độ dịch chuyển
tương đối giữa nguồn thu và phát là 160km/h thì

, giá trị này đủ

nhỏ để ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler có thể được bỏ qua. Nói cách khác, việc
xem xét ảnh hưởng độ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là khơng cần thiết.
Xác xuất lỗi bit là rất nhỏ. Ngược lại, với kênh thông tin thủy âm, giả sử nguồn phát
và thu chịu sự dịch chuyển 0.5 m/s (1 knot), thì giá trị của

vào khoảng

. Nếu như dịch chuyển tương đối lên tới vài m/s (tàu ngầm có thể dịch chuyển
với vận tốc lớn hơn), giá trị của

vào khoảng

, giá trị không thể bỏ qua

được.
Dịch chuyển doppler và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tương đối
là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin thủy âm với kênh thông tin
vô tuyến. Trải phổ Doppler gây lệch pha, trễ đồng bộ. Trong hệ thống thơng tin thủy
âm dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng.
Trong kênh thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có
thể bỏ qua, hiệu ứng doppler là như nhau với tất cả các sóng mang con. Với kênh
thông tin thủy âm, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là
khác nhau đáng kể, điều này gây nên méo Doppler không đồng bộ trên tồn bộ băng
thơng tín hiệu.

Lê Văn Chính_CB140237

11

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Như lịch sử nghiên cứu về kênh dưới nước đã chỉ ra: những bước tiến lớn
trong xử lý tín hiệu hệ thống dưới nước chỉ được thực hiện khi bản chất vật lý của

quá trình lan truyền được hiểu đúng cũng như đưa vào quá trình phỏng tạo kênh
truyền. Những ví dụ minh họa điều này có thể kể đến như: kết hợp phỏng tạo đa
đường và méo pha cho quá trình cân bằng kênh trong hệ thống đơn sóng mang băng
rộng. Gần đây hơn, việc phát hiện ra tín hiệu đa đường khơng phải liền nhau, mà là
những tín hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ
thống đơn sóng mang và đa sóng mang.
Những nghiên cứu gần đây cũng đạt được kết quả nhất định trong việc đánh
giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng.
1.3.

Các kỹ thuật điều chế trong truyền thông dưới nước
Trong trường hợp truyền dẫn thông tin số thông qua các kênh băng gốc, tín

hiệu mang thơng tin được truyền trực tiếp qua kênh mà không sử dụng một sóng
mang hình sin. Tuy vậy hầu hết các kênh thơng tin đều là các kênh thông dải; do
vậy, cách duy nhất để truyền các tín hiệu thơng qua các kênh như thế là nhờ việc
dịch chuyển tần số của tín hiệu mang thông tin tới băng tần của kênh.
Trong một hệ thống truyền tin nhị phân, dữ liệu nhị phân gồm một dãy các
số 0 và 1. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng
mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng
việc phân tích các phương thức này lại tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế và
tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp. Loại kết hợp
hay cịn gọi là tách sóng đồng bộ được sử dụng trong điều chế dịch khóa pha PSK
(Phase Shift Keying). Loại khơng kết hợp hay cịn gọi là tách sóng đường bao được
sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế
dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying).

Lê Văn Chính_CB140237

12

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.3.1. Kỹ thuật điều chế ASK
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang vc(t)
theo tín hiệu số vd(t).
(1.6)
Với:

Ta thu được:

Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 như sau:

nh 1.2. Tín hi u ASK
Theo biến đổi Fourier ta có:

Lê Văn Chính_CB140237

13

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mặt khác ta có:

Do đó:
(t)=
(1.7)
Như vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang wc, thành phần
mang tin tức wc  w0 và các thành phần hài bậc 3, 5, 7 …

nh 1.3. Phổ của tín hi u ASK
ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M  2k . Khi đó
mỗi trạng thái của tín hiệu được gọi là 1 baud.
ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế
khơng kết hợp (tách sóng đường bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc độ
nhỏ.
Lê Văn Chính_CB140237

14

2014B-KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.3.2. Kỹ thuật điều chế FSK
Truyền dẫn số bằng điều chế tần số là một phương pháp điều chế thích hợp
đối với các kênh thiếu sự ổn định về pha cần thiết cho việc thực hiện ước lượng pha
sóng mang. Dạng đơn giản nhất của điều chế tần số là khóa dịch tần số FSK.
Điều chế khóa dịch tần số FSK được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng
mang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa vào điều chế. Trong
FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần sơ khác nhau:

Tín hiệu điều chế có dạng:

Do đó tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau:

 cos w1t
vFSK  t   
cos w2t

nh 1.4. Dạng tín hi u FSK

Lê Văn Chính_CB140237

15

2014B-KTVT