Ứng dụng kỹ thuật ofdm mã hóa ldpc trong hệ thống thông tin dưới nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------

TRẦN HIẾU TRUNG

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM MÃ HÓA LDPC TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số:

605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Lê Tiến Thường

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 11 tháng 07 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. TS. Hoàng Trang
2. TS. Trương Quang Vinh
3. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
4. TS. Chế Viết Nhật Anh
5. .........................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Lê Tiến Thường
TRƯỞNG KHOA

TS. Đỗ Hồng Tuấn


Trang ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập -Tự do -Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

TRẦN HIẾU TRUNG

MSHV:

11146090

Ngày, tháng, năm sinh:

04/09/1988

Nơi sinh:

Hậu Giang

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số:

605270

I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM MÃ HĨA LDPC TRONG
HỆ THỐNG THƠNG TIN DƯỚI NƯỚC
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tính tốn và mơ hình hóa kênh truyền không dây
dưới nước và thực hiện mô phỏng hệ thống thơng tin sóng âm dưới nước sử dụng
mã LDPC và điều chế OFDM.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

02/07/2012

21/06/2013
PGS. TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
Tp. HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS. TS. Lê Tiến Thường

TS. Huỳnh Phú Minh Cường

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TS. Đỗ Hồng Tuấn


Trang ii

LỜI CẢM ƠN
------

Trước tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS. Lê
Tiến Thường vì đã cho tôi cơ hội được làm việc trong lĩnh vực
thông tin dưới nước, với những hướng dẫn tận tình và đầy
kinh nghiệm của thầy, cũng như những lời động viên, khuyến
khích tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn. Sự tận tình
của thầy vừa là nguồn động lực vừa tạo cho chúng tơi sự ham
thích nghiên cứu khoa học. Chúng tôi luôn trân trọng những
hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn, sự kiên nhẫn và đặc biệt

là sự thân thiện của thầy.
Kế đến, tôi cũng xin được tri ân quý thầy cô khoa Điện- Điện
tử, đặc biệt là Bộ môn Viễn thông đã vung đấp cho chúng tôi
nền tảng kiến thức để có thể thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tơi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian qua.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013
TRẦN HIẾU TRUNG


Trang iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống thơng tin sóng âm dưới nước đã và đang được nghiên cứu, áp dụng rất
phổ biến trong cả mục đích dân sự lẫn quân sự. Luận văn này sẽ ứng dụng kỹ thuật
ghép kênh tần số trực giao OFDM và mã hóa kiểm tra mật độ thấp LDPC trong hệ
thống thơng tin sóng âm dưới nước.
Kỹ thuật OFDM được sử dụng để khắc phục nhiễu liên ký tự, hiện tượng đa đường..
trong kênh truyền dưới nước đồng thời giúp tăng băng thông của hệ thống. Bên
cạnh đó, mã hóa LDPC cũng được áp dụng để giúp nâng cao chất lượng, giảm thiểu
tỷ lệ lỗi bit khi phát trên kênh truyền không dây dưới nước.
Luận văn này sẽ tập trung vào 2 vấn đề chính là: tính tốn và mơ hình hóa kênh
truyền dưới nước, và thực hiện mơ phỏng hệ thống thơng tin sóng âm dưới nước sử
dụng OFDM mã hóa LDPC. Việc mơ phỏng sẽ được thực thi trong hai trường hợp:
đầu tiên là mơ phỏng hệ thống OFDM mã hóa LDPC trong kênh truyền lý tưởng
(khơng có các thành phần can nhiễu, suy hao, đa đường…) và thức hai là mô phỏng
trong hệ thống trong kênh truyền dưới nước với các ảnh hưởng của nhiễu trắng, sai
pha, lỗi đồng bộ, đa đường, suy hao tín hiệu để đánh giá ảnh hưởng của kênh truyền
đến chất lượng của hệ thống.

Luận văn này sẽ được trình bày gồm 5 chương. Phần mở đầu sẽ trình bày lý do
chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực
tiễn của đề tài nghiên cứu. Các vấn đề tổng quan các nghiên cứu, lý thuyết của hệ
thống thông tin dưới nước sẽ được trình bày trong chương Tổng quan. Chương
Thiết kế hệ thống sẽ trình bày các vấn đề về lý thuyết LDPC, OFDM và phương
pháp thiết kế hệ thống OFDM mã hóa LDPC. Tiếp theo, luận văn sẽ thực hiện mô
phỏng hệ thống được thiết kế bằng phần mềm MATLAB và so sánh kết quả với các
phương pháp khác. Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển đề tài.


Trang iv

ABSTRACT
The underwater acoustic communications has been researched and applied
popularly in both civilian or military purposes. This thesis will apply the orthogonal
frequency devision multiplexing OFDM and low-density parity check LDPC in the
underwater acoustic communications.
The OFDM technique is not only used to reduce impacts of inter-symbol
interference, multi-path... in underwater acoustic communication, but also increase
the bandwidth of the system. Besides that, LDPC coding is also used to help
improve the quality and reduce the bit error rate in the underwater wireless channel.
This paper will focus on two main issues: computing and modeling underwater
acoustic channel; and simulating underwater acoustic communications based on
LDPC coded OFDM. The simulation is performed in two cases: LDPC coded
OFDM system in ideal channels (without interference components, attenuation,
multi-path...) and in underwater acoustic channel, that includes the white noise,
phase difference, synchronization errors, multipath, attenuation…
This thesis will be presented consists of 5 chapters. The Introduction will present
introduction, causes, purposes, object and range of studies, scientific and reality
significance. The general issue of research, theory of underwater communications

systems will be presented in the Overview chapter. System Design Chapter will
present the overview of LDPC, OFDM and design LDPC coded OFDM system.
Next, the thesis implements simulation LDPC coded OFDM system using
MATLAB software and compared the results with other methods. Finally, present
summary of conclusion and future directions for the study.


Trang v

CÁC TỪ VIẾT TẮT

1.

BPSK

Binary Phase Shift Keying

2.

CI

Carrier Interferometry

3.

ICI

Inter-channel Interference

4.

ISI

Inter-symbol Interference

5.

LDPC

Low-Density Parity-Check

6.

LF

Low Frequency

7.

LLR

Log Likelihood Ratio

8.

MMSEC

Minimum Mean Square Error Combining

9.

OFDM

Orthogonal Frequency - Division Multiplexing

10.

ORC

Orthogonal Restoration Combining

11.

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

12.

RF

Radio Frequency

13.

SNR

Signal to Noise

14.

SONAR

SOund Navigation And Ranging

15.

SPA

Sum – Product Algorithm

16.

UAC

Underwater Acoustic Communication

17.

UEC

Underwater Electromagnetic Communication

18.

UOC

Underwater Optical Communication

Trang vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... ix
Chương 1: MỞ ĐẦU...................................................................................................1
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC .............................1
1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC ..............................................4
1.2.1. Hệ thống quang dưới nước .........................................................................4
1.2.2. Hệ thống sóng điện từ dưới nước ...............................................................6
1.2.3. Hệ thống sóng âm dưới nước .....................................................................7
1.3. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................................8
1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...............................................10
1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .............................10
Chương 2: TỔNG QUAN ........................................................................................11
2.1. KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC DÙNG SÓNG ÂM ....................................11
2.2. ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN UAC ..............................................................12
2.2.1. Tầm truyền đạt và băng thông ..................................................................12
2.2.2. Trải Doppler .............................................................................................13
2.2.3. Đa đường ..................................................................................................14
2.2.4. Nhiễu trong hệ thống ................................................................................16


Trang vii

2.2.4.1. Nhiễu nhiệt .........................................................................................17
2.2.4.2. Nhiễu từ môi trường biển:..................................................................18
2.2.4.3. Nhiễu do tàu thuyền: ..........................................................................18
2.2.3.4. Nhiễu cộng .........................................................................................18
2.3. GIỚI THIỆU SONAR: ...................................................................................19
2.3.1. SONAR thụ động (Passive SONAR) .......................................................20
2.3.1.1. Đặc điểm âm trong SONAR thụ động: ..............................................20
2.3.1.2. Sonar băng rộng và băng hẹp .............................................................22
2.3.1.3. Mảng Sonar thụ động .........................................................................23
2.3.1.4. Kỹ thuật tam giác ...............................................................................24
2.3.2. Sonar chủ động .........................................................................................24
2.3.2.1. Các loại xung phát .............................................................................24
2.3.2.2. Chỉ số phản âm...................................................................................25
2.5. CƠNG CỤ TRUYỀN SĨNG ÂM DƯỚI NƯỚC UNDERWATER
TRANSDUCER .....................................................................................................26
2.5.1. Máy chuyển đổi áp điện ...........................................................................27
2.5.2. Bộ chuyển đổi được sử dụng như projector .............................................28
2.5.3. Bộ chuyển đổi được sử dụng như hydrophone ........................................30
2.5.4. Dãy các projector......................................................................................32
2.5.5. Dãy các hydrophone .................................................................................33
2.5.6. Các loại hydrophone, projector trên thị trường ........................................34
Chương 3: HỆ THỐNG OFDM MÃ HÓA LDPC ...................................................39
3.1. LÝ THUYẾT THÔNG TIN ...........................................................................39
3.1.1. Lý thuyết OFDM ......................................................................................39
3.1.2. Lý thuyết LDPC .......................................................................................41


Trang viii

3.1.2.1. Khái quát về mã LDPC ......................................................................41

3.1.2.2. Mã hóa................................................................................................42
3.1.2.3. Giải mã ...............................................................................................43
3.2. HỆ THỐNG OFDM MÃ HÓA LDPC ...........................................................46
Chương 4: MÔ PHỎNG ...........................................................................................49
4.1. MÔ PHỎNG OFDM-LDPC TRONG KÊNH TRUYỀN LÝ TƯỞNG .........49
4.1.1. Phía phát ...................................................................................................50
4.1.2. Phía thu .....................................................................................................54
4.2. MƠ PHỎNG OFDM-LDPC VỚI KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC..............59
4.2.1. Nhiễu trắng AWGN..................................................................................59
4.2.2. Lỗi pha ......................................................................................................63
4.2.3. Đa đường ..................................................................................................65
4.2.4. Lỗi đồng bộ ..............................................................................................69
4.2.5. Sự suy hao trong môi trường nước ...........................................................70
4.2.6. Hệ thống OFDM-LDPC trong kênh truyền tổng quát .............................73
4.3. SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC .............................76
4.3.1. So sánh kết quả với hệ thống OFDM mã hóa LDPC của Hyeong-Won
Jeon và cộng sự [1,4] ..........................................................................................77
4.3.2. So sánh kết quả với hệ thống CI-OFDM [15] ..........................................78
4.3.3. So sánh kết quả với hệ thống dùng mã hóa Turbo, điều chế 8PSK và
16QAM [16] .......................................................................................................79
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...........................................................................84


Trang ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Chương 1: MỞ ĐẦU
Hình 1.1:

Sự đo đạc vận tốc âm thanh bằng hệ thống đơn giản .............................2

Hình 1.2:

Mơ hình kênh truyền ánh sáng dưới nước ..............................................4

Hình 1.3:

Mơ hình kênh truyền ánh sáng dưới nước theo đường truyền: (a) nhìn

thẳng, (b) phản xạ tồn phần, (c) phản xạ mặt nước biển ...........................................5
Hình 1.4:

Hệ thống thơng tin hỗn hợp sử dụng sóng điện từ..................................7

Hình 1.5:

Hệ thống thơng tin dưới nước sử dụng sóng âm.....................................8

Chương 2: TỔNG QUAN
Hình 2.1:

Mật độ cơng suất nhiễu xung quanh theo tần số...................................12

Hình 2.2:

Mối liên hệ giữa SNR, tần số và khoảng cách truyền của UAC ..........13

Hình 2.3:

Trải Doppler gây ra bởi phản xạ ở bề mặt ...........................................14

Hình 2.4:

Mơ hình đa đường trong UAC ..............................................................15

Hình 2.5:

Mơ hình hệ thống thơng tin dưới nước dùng SONAR .........................19

Hình 2.6:

So sánh giữa tín hiệu và nhiễu ..............................................................21

Hình 2.7:

Đo khoảng cách dùng kỹ thuật tam giác-“triangulation” .....................24

Hình 2.8:

Quan hệ giữa biến dạng cơ học và trường điện trong các vật liệu áp

điện và vật liệu điện giảo ..........................................................................................28
Hình 2.9:

Một loại máy phát biến đổi điện thanh .................................................29

Hình 2.10:

Gốm áp điện ......................................................................................31

Hình 2.11:

Dãy các projector gắn theo hình trụ ..................................................32

Hình 2.12:

Dãy các projector gắn theo mặt phẳng ..............................................33

Hình 2.13:

B&K 8103 .........................................................................................34

Hình 2.14:

Neptune Sonar D/70 ..........................................................................35

Hình 2.15:

Đồ thị độ nhạy thu của Neptune Sonar D/70 ....................................35

Hình 2.16:

TC4013 ..............................................................................................36

Hình 2.17:

Đồ thị định hướng của TC4013 .........................................................36

Trang x

Hình 2.18:

Biểu đồ độ nhạy thu của hydrophone TC4013 ..................................37

Chương 3: HỆ THỐNG OFDM - MÃ HĨA LDPC
Hình 3.1:

Phổ của sóng mang con OFDM. ...........................................................39

Hình 3.2:

Minh họa bản tin đi qua ½ vịng lặp để tính

Hình 3.3:

Minh họa bản tin đi qua nửa vịng lặp để tính rij(b) ..............................45

Hình 3.4:

Sơ đồ khối của hệ thống OFDM mã hóa LDPC ...................................46

.................................44

Chương 4: MƠ PHỎNG
Hình 4.1:

Lưu đồ giải thuật phía phát ...................................................................51

Hình 4.2:

Dạng sóng của tập tin âm thanh và 24 bit của chuỗi DataIn ................52

Hình 4.3:

Hình vẽ của 12 ký tự QPSK đầu tiên được phát ...................................52

Hình 4.4:

Phổ tần số ở băng gốc ...........................................................................53

Hình 4.5:

Phổ tần số sau khi dịch lên tần số sóng mang.......................................53

Hình 4.6:

Tín hiệu được phát ra kênh truyền ........................................................54

Hình 4.7:

Lưu đồ giải thuật phía thu .....................................................................55

Hình 4.8:

Phổ tần số của tín hiệu thu sau khi dịch tần về băng gốc. ....................55

Hình 4.9:

Lưu đồ giải thuật giải mã LDPC bằng phương pháp SPA ...................56

Hình 4.10:

Các sai pha dạng phức ở máy thu ......................................................57

Hình 4.11:

Ký tự QPSK thu được ở máy thu. .....................................................57

Hình 4.12:

24 bit đầu tiên thu được ở máy thu và tập tin dạng sóng thu được. ..58

Hình 4.13:

Kênh truyền dưới nước ......................................................................59

Hình 4.14:

Tín hiệu thu khi có nhiễu ...................................................................60

Hình 4.15:

Tín hiệu thu có và khơng có nhiễu. ...................................................60

Hình 4.16:

Sai pha dạng phức có nhiễu. ..............................................................61

Hình 4.17:

Tập tin dạng sóng thu được với SNR bằng 18dB. ............................62

Hình 4.18:

Tỷ lệ lỗi bit theo SNR........................................................................62

Hình 4.19:

Lỗi pha theo thời gian........................................................................63

Hình 4.20:

Sai pha dạng phức khi có lỗi pha. .....................................................64

Hình 4.21:

Tập tin dạng sóng thu được khi có lỗi pha. .......................................64


Trang xi

Hình 4.22:

Tỷ lệ lỗi bit theo SNR........................................................................65

Hình 4.23:

Đáp ứng xung kênh truyền ................................................................66

Hình 4.24:

Tín hiệu phát và tín hiệu thu. .............................................................66

Hình 4.25:

Sai pha khi có đa đường ....................................................................67

Hình 4.26:

Tập tin dạng sóng với hiện tượng đa đường......................................68

Hình 4.27:

Tỷ lệ bit lỗi theo SNR........................................................................68

Hình 4.28:

Các sai pha khi bị dịch vị cửa sổ FFT. ..............................................69

Hình 4.29:

Tỷ lệ lỗi bit theo thời gian dịch vị. ....................................................70

Hình 4.30:

Tỷ số BER theo khoảng cách truyền tin tương ứng với nhiệt độ nước .
...........................................................................................................72

Hình 4.31:

Tỷ lệ BER khi xét hệ số suy hao của sóng âm dưới nước.................72

Hình 4.32:

Tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi kênh truyền. ......................................73

Hình 4.33:

Các sai pha bị ảnh hưởng bởi kênh truyền. .......................................74

Hình 4.34:

Tập tin dạng sóng tái tạo được ở máy thu. ........................................74

Hình 4.35:

Tỷ lệ lỗi bit trong kênh truyền tổng quát ...........................................75

Hình 4.36:

So sánh phương pháp OFDM có và khơng có mã hóa LDPC ..........76

Hình 4.37:

So sánh tỷ lệ BER của hệ thống OFDM mã hóa LDPC của tác giả

Hyeong-Won Jeon và cộng sự và phương pháp được xem xét.................................77

Hình 4.38:

So sánh tỷ lệ BER của Phương pháp CI-OFDM của Fang Xu và Ru

xu với phương pháp được xem xét ............................................................................78
Hình 4.39:

So sánh tỷ lệ BER của Phương pháp Turbo dùng điều chế 8PSK và

16QAM của Yuri Lab. Và cộng sự với phương pháp được xem xét .......................79


Luận văn Thạc sĩ

Trang 1

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC
Như chúng ta biết, nước chiếm hơn 70% diện tích vỏ trái đất. Tuy nhiên, con người
vẫn chưa thể khai thác được hết giá trị của nó bởi vì rất nhiều hạn chế về kỹ thuật,
trong đó phải kể đến kỹ thuật truyền thông tin ở dưới nước.
Nhu cầu của liên lạc không dây dưới nước tồn tại trong các ứng dụng như điều
khiển từ xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu, theo dõi độ ô nhiễm trong môi
trường hệ thống, thu thập các dữ liệu khoa học ở các trạm đáy biển và các phương
tiện không người lái dưới biển, truyền lời nói giữa các thợ lặn, giữa thợ lặn với tàu
thuyền và tàu thuyền với nhau, và tìm ra các tài ngun mới. Ngồi ra, hệ thống

thơng tin dưới nước còn được áp dụng rất nhiều trong việc thông tin liên lạc giữa
các tàu ngầm quân sự, phát hiện tàu ngầm, ngư lơi, và nhiều mục đích về tính báo
khác…
Ý tưởng truyền và nhận thơng tin dưới nước xuất hiện từ thời của Leonardo Da
Vinci, người mà đã khám phá khả năng theo dõi các tàu từ xa bằng cách nghe các
ống dài được nhúng xuống biển như hình 1.1. Ơng nhận ra rằng: nếu đặt từ con tàu
một ống dài trong nước và phía cịn lại đặt 1 ống dài 2 đầu, 1 đầu đặt trong nước và
đầu cịn lại được đặt lên tai, thì ta có thể nghe tiếng con tàu từ khoảng cách rất xa”.
Ông đã nhận ra âm thanh truyền tốt dưới nước, nó được nhận và chuyển thành các
dạng có ích với các thiết bị phù hợp.
Việc sử dụng âm thanh echo để xác định vị trí dưới nước với nguyên tắc giống như
dơi sử dụng âm thanh để điều hướng trên không. Bằng sáng chế đầu tiên trên thế
giới về thông tin dưới nước đã được cấp cho một nhà khí tượng học người AnhLewis Richardson, một tháng sau khi vụ đắm tàu Titanic (1912). Sau đó một nhà vật

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 2

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

lý người Đức- Alexander Behm cũng nhận được một bằng sáng chế về tiếng vang
âm echo vào năm 1913.

Hình 1.1:

Sự đo đạc vận tốc âm thanh bằng hệ thống đơn giản

Trong thời kỳ hiện đại, thông tin liên lạc dưới nước bắt đầu phát triển từ Thế chiến
thứ hai nhằm phục vụ cho nhu cầu quân sự. Một trong những hệ thống liên lạc dưới
nước đầu tiên là hệ thống điện thoại dưới nước, được phát triển vào năm 1945 ở Mỹ
cho việc liên lạc với tàu ngầm. Thiết bị này sử dụng điều chế biên độ sóng mang dải
tần đơn (SSB) trong khoảng tần số 8 kHz-11 kHz, và nó có khả năng gửi tín hiệu
âm thanh trong phạm vi vài kilomet. Tuy nhiên, cho đến khi sự phát triển của công
nghệ vi mạch mới, một loạt hệ thống liên lạc dưới nước mới bắt đầu nổi lên. Cùng
với sự phát triển của các vi xử lý tín hiệu nén với nhu cầu năng lượng ít, người ta
mới có thể thực thi được các giải thuật xử lý tín hiệu và nén dữ liệu phức tạp tại các
các đầu cuối liên lạc dưới nước.

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 3

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Hai hệ thống thông tin liên lạc dưới nước tiêu biểu là hệ thống Seafarer của US
Navy dùng sóng mang 75Hz, và hệ thống ZEVS của Russian Navy dùng sóng mang
82Hz.
Một vài năm gần đây, hệ thống liên lạc dưới nước đã có những sự tiến bộ đáng kể
về tầm hoạt động và thơng lượng. Các rơ-bốt điều khiển bằng sóng âm đã được sử
dụng để thay thế các thợ lặn bảo trì các hệ thống; sự truyền hình ảnh chất lượng cao

từ đáy hào biển sâu nhất (6500km) lên tàu được thiết lập; và việc truyền dữ liệu đo
đạc ở các khoảng cách chân trời vượt quá 200km được thực hiện.
Trong các hệ thống hiện thời, thường có bốn loại dữ liệu được truyền: điều khiển,
đo đạc, lời nói và hình ảnh.
 Tín hiệu điều khiển gồm định vị, thơng tin trạng thái, và các lệnh điều khiển
cho rô-bốt dưới nước, các phương tiện và dụng cụ dưới nước như các đường
ống dẫn. Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 1 Kbps là hiệu quả cho các hoạt động
này, nhưng yêu cầu tỷ lệ bit lỗi thấp.
 Tín hiệu đo đạc từ xa được thu thập từ các dụng cụ sóng âm dưới nước như
ống nghe dưới nước (hydrophone), máy đo địa chấn, hệ thống định vị bằng
sóng âm (sonar), cảm biến đo nồng độ hóa chất, và các dữ liệu ảnh tốc độ
thấp. Tốc độ dữ liệu khoảng 10 Kbps, và tỷ lệ bit lỗi khoảng 10-3 đến 10-4.
 Tín hiệu hình ảnh thì được truyền giữa các thợ lặn và trạm mặt đất hoặc giữa
các thợ lặn. Hầu hết các hệ thống liên lạc thương mại sử dụng tín hiệu liên
lạc tương tự, dựa trên điều chế biên tần đơn của tín hiệu âm thanh 3 kHz.
Truyền tín hiệu hình ảnh trong kênh truyền sóng âm dưới nước u cầu tỷ lệ
nén tín hiệu rất cao. Một điểm thuận lợi là hình ảnh dưới nước thể hiện sự
tương phản và chi tiết thấp, và lưu giữ chất lượng nếu nén đến 2 bits cho mỗi
pixel.
 Tín hiệu thoại được định hướng truyền nhận giữa các thợ lặn, giữa thợ lặn và
tàu thuyền, và giữa các tàu thuyền với nhau. Hiện tại, hệ thống thông tin
thoại này vẫn chưa cho chất lượng tốt so với hệ thống trên mật đất. Các

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 4

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

nghiên cứu hiện đại trong lĩnh vực phân tích lời nói cho các thợ lặn hy vọng
rằng việc truyền dữ liệu bằng số có thể đạt được chất lượng tốt hơn.
Liên lạc khơng dây dưới nước có thể được thiết lập bởi sự truyền sóng âm học. Tuy
nhiên, các kênh truyền sóng âm học dưới nước có băng thơng giới hạn, và thường
gây méo tín hiệu trong thời gian lẫn tần số. Mặc dù vậy, liên lạc dưới nước bằng
sóng âm vẫn là một mảng nghiên cứu khoa học rất phát triển hiện nay.

1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC
Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển khá dài, hiện nay hệ thống thông tin
không dây dưới nước được thực hiện bằng rất nhiều phương pháp khác nhau. Các
phương pháp khơng dây này được chia thành 3 loại chính: hệ thống thông tin quang
dưới nước, hệ thống thông tin sóng điện từ (LF, RF…) dưới nước và hệ thống thơng
tin sóng âm dưới nước.

1.2.1. Hệ thống quang dưới nước

Hình 1.2:

MỞ ĐẦU

Mơ hình kênh truyền ánh sáng dưới nước

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 5

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Hệ thống thông tin quang (không dây) dưới nước (UOC) được nghiên cứu từ những
năm cuối thế kỷ XX. Hệ thống này cho phép truyền tải với tốc độ bit cao, băng
thông lớn. Cochenour và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu hệ thống của họ có
thể đạt được băng thông 5GHz với khoảng cách 64m trong môi trường nước biển
hồn tồn sạch và cịn 1GHz với khoảng cách 8m trong mơi trường có nhiều nguồn
nhiễu. Tuy nhiên, những ứng dụng thực tế của hệ thống quang không dây trong môi
trường nước thường chỉ đạt tốc độ chỉ khoảng 156kbps trong tầm hoạt động dưới
100m.

Hình 1.3:
Mơ hình kênh truyền ánh sáng dưới nước theo đường truyền:
(a) nhìn thẳng, (b) phản xạ toàn phần, (c) phản xạ mặt nước biển

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 6

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Hình 1.2 bên trên thể hiện mơ hình kênh truyền quang dưới nước. Hệ thống bao

gồm các cảm biến thu phát, các phương tiện dưới nước và thợ lặn. Hệ thống này có
3 dạng đường truyền chính là truyền thẳng, đường truyền phản xạ toàn phần và
đường truyền phản xạ mặt nước biển như trong hình 1.3.
Hệ thống thơng tin quang dưới nước cho thấy được khả năng ứng dụng cao trong
các vấn đề địi hỏi băng thơng và tốc độ truyền tải dữ liệu lớn. Tuy nhiên, phương
pháp này bị hạn chế vì hệ thống quang dưới nước bị ảnh hưởng bởi tán xạ, phản
xạ… trong mơi trường nước. Ngồi ra, nó cịn bị ảnh hưởng bởi các vật thể che
chắn cố định và di động trong môi trường biển. Điều này làm cho tầm hoạt động
của hệ thống rất ngắn.
Khơng chỉ vậy, hệ thống quang địi hỏi các bộ thu phát phải có độ chính xác cao
trong việc định hướng chùm tia hẹp. Việc này khiến giá thành của hệ thống rất cao.
Đây là một trong nhưng hạn chế rất lớn của hệ thống thông tin quang không dây khi
đưa vào ứng dụng thực tiễn.

1.2.2. Hệ thống sóng điện từ dưới nước
Hệ thống sóng điện từ dưới nước được nghiên cứu từ thế kỷ XIX và lần đầu tiên
được sử dụng vào thế kỷ XX. Các ứng dụng dưới nước của sóng điện từ giúp cho
chúng có thể giao tiếp trên khơng khí lẫn dưới nước. Như chúng ta biết, tín hiệu
điện từ tần số cao bị hấp thụ rất lớn trong môi trường nước, đặc biệt là nước biển ở
mức

dB/km. Do đặc tính này mà hệ thống thơng tin dưới nước sử dụng sóng

điện từ (UEC) thường chỉ có tầm hoạt động rất ngắn nhưng yêu cầu phải có hệ
thống anten rất lớn để đảm bảo cơng suất tín hiệu đủ lớn.
Trong thực tế, hệ thống này thường chỉ được ứng dụng trong các trường hợp cần
liên lạc liên tục bằng sóng điện từ trên mặt đất lẫn dưới nước như hình 1.4.

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 7

Antenna

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Bộ thu phát
mặt đất
Khơng khí
Nước biển

Cáp kết nối
Nút trung gian
trên mặt nước

Bộ thu
phát dưới
nước

Hình 1.4:

Bộ thu
phát dưới
nước

Đáy biển

Hệ thống thơng tin hỗn hợp sử dụng sóng điện từ

1.2.3. Hệ thống sóng âm dưới nước
Như đã trình bày ở phần đầu, hệ thống sóng âm dưới nước được phát triển từ rất
sớm với rất nhiều ứng dụng thực tiễn. Cùng với sự phát triển của khoa học, hệ thống
cảm biến và vi mạch, và đặc biệt là các kỹ thuật điều chế, mã hóa tiên tiến, hệ thống
thơng tin dưới nước sử dụng sóng âm thanh đang ngày càng được phát triển.
Các nghiên cứu gần đây cho phép hệ thống sóng âm dưới nước đạt được tốc độ từ
vài kbps đến vài chục Mbps trong khoảng cách vài km. Trong khi đó, hệ thống này
không yêu cầu phần cứng anten thu phát q lớn như việc sử dụng sóng điện từ,
cũng khơng địi hỏi độ chính xác, độ phức tạp cao như hệ thống quang.
Hình 1.5 thể hiện một hệ thống thơng tin sóng âm dưới nước sử dụng các hệ thống
cảm biến dẫn đường và đo vị trí bằng sóng âm thanh SONAR. Các cảm biến này
được rải trong môi trường nước biển để đóng vai trị các anten phát sóng.

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 8

Hình 1.5:

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Hệ thống thơng tin dưới nước sử dụng sóng âm

Với mơ hình này, hệ thống có thể được trải rất rộng trong phạm vi nước biển, đảm
bảo khả năng liên lạc của các tàu ngầm ở khoảng cách rất xa. Đây là một trong
nhưng ưu điểm rất lớn của hệ thống so với các phương pháp khác.
Ngoài ra, hệ thống này cịn có thể kết hợp với hệ thống thơng tin vơ tuyến mặt đất
như mơ hình hệ thống sóng điện từ dưới nước được trình bày ở trên. Khi đó, con
người có thể thực hiện trao đổi thơng tin mà khơng bị giới hạn về mơi trường khơng
khí hay trong lòng đại dương.

1.3. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Như đã phân tích ở trên, mặc dù sóng âm khơng phải là phương tiện duy nhất cho
việc liên lạc dưới nước, nhưng đây là cách liên lạc tốt nhất hiện giờ bởi vì:
 Sóng quang, tuy khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi sự suy giảm trong mơi trường
nước, nhưng nó vẫn bị ảnh hưởng bởi sự tán xạ, phạn xạ... Sự lan truyền của
sóng quang địi hỏi phải có sự chính xác cao trong việc định hướng chùm tia
laser hẹp, làm tăng tính phức tạp của hệ thống. Ngồi ra, hệ thống này chỉ có
thể hoạt động trong vùng nước hồn tồn sạch, với tầm hoạt động rất ngắn
dưới 100m.
 Sóng điện từ bị ảnh hưởng rất nặng trong môi trường nước biển. Nó khiến
cho việc hiện thực hệ thống gặp khó khăn do phải cung cấp nguồn phát, hệ

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 9

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

thống anten rất lớn để đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu. Tuy vậy, nó cũng
chỉ có thể hoạt động trong khoảng cách rất ngắn.
 Sóng âm tuy bị ảnh hưởng bởi nước biển nhưng có thể truyền nhận thơng tin
ở khoảng cách vài km với tốc độ vài trăm kbps đến vài Mbps. Hệ thống này
không yêu cầu anten thu phát lớn như hệ thống sử dụng sóng điện từ, và
cũng khơng địi hỏi tính phức tạp cao như hệ thống quang, mà vẫn đảm bảo
khoảng cách thu phát lớn đến vài km so với các phương pháp còn lại.
Bởi vì những phân tích ở trên, sóng âm vẫn là giải pháp tối ưu cho liên lạc dưới
nước, trong các ứng dụng mà việc dùng dây dẫn là không thể đáp ứng được. Tuy
nhiên, sự truyền âm thanh dưới nước bằng sóng âm cũng bị ảnh hưởng lớn bởi sự
mất mát truyền dẫn, nhiễu, tiếng vang, và tính biến thiên theo không gian và thời
gian của kênh truyền. Sự mất mát kênh truyền và nhiễu là hai yếu tố chính quyết
định băng thơng, và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Ngồi ra, sự biến thiên theo thời gian
của tín hiệu đa đường ảnh hưởng đến việc thiết kế và xử lý hệ thống, thơng qua đó
quyết định thơng lượng và sự thực thi của hệ thống.
Trong kênh truyền thông tin dưới nước, các thành phần can nhiễu này còn gây ra
ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với kênh truyền mặt đất. Chính vì vậy, điều chế và mã
hóa kênh truyền là hai khâu cực kỳ quan trọng trong hệ thống thông tin dưới nước.
Việc nghiên cứu đầy đủ các thành phần này sẽ giúp kênh truyền dưới nước bằng
sóng âm có thể phát triển rất nhiều trong tương lai.
Hiểu được tầm quan trọng này, hiện nay có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được
áp dụng trong hệ thống kênh truyền dưới nước sử dụng sóng âm. Trong đó, nổi bật
nhất là điều chế tần số trực giao - OFDM và mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp LDPC, bởi vì những ưu điểm của chúng đối với kênh truyền không dây dưới nước.
Kỹ thuật điều chế OFDM cho phép tiết kiệm băng thông, một điều tối quan trọng
trong hệ thống kênh truyền dưới nước, đồng thời cho phép gia tăng tốc độ kênh
truyền, giảm các ảnh hưởng, can nhiễu trong mơi trường nước. Kỹ thuật mã hóa
LDPC là một trong những kỹ thuật có chất lượng tốt nhất, cho phép thiết kế đạt chất

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 10

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

lượng tiệm cận với phương pháp Shannon. Việc kết hợp hai kỹ thuật tiên tiến này
trong kênh truyền phức tạp như kênh truyền dưới nước hứa hẹn sẽ cho một kết quả
tốt so với các phương pháp khác.
Chính vì những ưu điểm vượt trội của chúng, nên phương pháp này có thể là một
trong những giải pháp tốt nhất cho kênh truyền khơng dây dưới nước và sẽ cịn phát
triển rất nhiều sau này. Đó chính là lý do để tơi thực hiện đề tài này.

1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là kênh truyền khơng dây dưới nước với các đặc
tính trong mơi trường biển và hệ thống thông tin dưới nước bằng sóng âm sử dụng
kỹ thuật OFDM và mã hóa LDPC.
Luận văn này sẽ chỉ tập trung việc mơ hình hóa hệ thống thơng tin sóng âm dưới
nước bằng phần mềm MATLAB để đánh giá khả năng áp dụng thực tiễn của
phương pháp trong tương lai.

1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Luận văn này sẽ tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật OFDM và mã hóa LDPC cho
hệ thống kênh truyền không dây dưới nước dùng sóng âm. Bằng cách áp dụng điều

chế QPSK, và giải mã LDPC bằng phương pháp SPA, hệ thống được xem xét trong
luận văn cho kết quả cải tiến hơn so với nhiều phương pháp nghiên cứu trước đó.
Việc cải thiện được chất lượng của hệ thống giúp tăng khả năng áp dụng thực tiễn
trong một hệ thống kênh truyền phức tạp như kênh truyền dưới nước. Hệ thống
thơng tin sóng âm dưới nước dùng kỹ thuật OFDM mã hóa LDPC hồn tồn có thể
áp dụng trong các ứng dụng địi hỏi tầm hoạt động lớn (khoảng vài km), tỷ lệ lỗi bit
không quá thấp như các ứng dụng đo đạc, định vị, và thoại dưới nước.

MỞ ĐẦU

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 11

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

Chương 2

TỔNG QUAN
2.1. KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC DÙNG SÓNG ÂM
Liên lạc khơng dây dưới nước có thể được thiết lập bởi sự truyền sóng âm học
(acoustic). Tuy nhiên, các kênh truyền sóng âm học dưới nước (UAC) có băng
thơng giới hạn, và thường gây méo tín hiệu trong thời gian lẫn tần số. Mặc dù vậy,
liên lạc dưới nước bằng sóng âm vẫn là một mảng nghiên cứu khoa học rất phát
triển hiện nay.
UAC đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng (khám phá đại dương,
thu thập dữ liệu, theo dõi mức độ ô nhiễm ở đại dương, đề phòng sự cố, điều

hướng…) và mở rộng các nghiên cứu vào lĩnh vực liên lạc tàu ngầm, giám sát quốc
phòng, quân sự…
UAC vẫn được xem là một kênh truyền phức tạp và bị ảnh hưởng nhiều khi các
điều kiện kênh truyền (như nhiệt độ nước, gió trên mặt nước biển và độ mặn nước
biển…) thay đổi. Đặc biệt, trải trễ đa đường do phản xạ gây ra nhiễu liên ký tự (ISI)
và fading chọn lựa tần số, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Hơn nữa, fading
chọn lựa thời gian và trải Doppler gây ra do gió trên mặt nước biển thay đổi và sự
dịch chuyển dòng nước cũng làm giảm chất lượng của hệ thống.
Trong trường hợp đặc biệt là sự biến thiên thời gian của kênh là đủ chậm hơn tốc độ
ký tự, fading chọn lựa tần số có thể khắc phục bằng hệ thống OFDM. Trong hệ
thống OFDM, fading sâu tại các sóng mang con tập trung gây tác động xấu đến chất
lượng hệ thống. Để giảm nhẹ ảnh hưởng tiêu cực này, các mã sửa sai như mã chập,
mã Reed- Solomon, mã turbo và mã LDPC thường được sử dụng.
Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung vào việc mơ hình hóa kênh truyền dưới nước để
thiết kế hệ thống OFDM sử dụng mã hóa LDPC tin cậy.

TỔNG QUAN

HVTH: Trần Hiếu Trung


Luận văn Thạc sĩ

Trang 12

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường

2.2. ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN UAC
2.2.1. Tầm truyền đạt và băng thông
Sự mất mát truyền dẫn chủ yếu gây ra bởi sự dàn trải năng lượng và sự hấp thu âm

thanh. Trong khi sự mất mát năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách truyền, sự hấp
thụ không chỉ phụ thuộc vào tầm tryền đạt mà còn phụ thuộc vào tần số, do đó đặt
ra một giới hạn cho băng thơng. Nhiễu trong kênh truyền dưới nước bao gồm nhiễu
hỗn loạn trong vùng nước, nhiễu do tàu thuyền, sóng và nhiệt. Hình 2.1 mơ tả mật
độ cơng suất nhiễu theo tần số:

Hình 2.1: Mật độ công suất nhiễu xung quanh theo tần số
Sự mất mát và nhiễu trong truyền dẫn quyết định sự quan hệ giữa tầm hoạt động,
băng thông và tỷ lệ SNR tại đầu thu. Mối phụ thuộc này được biểu diễn trong hình
2.2.
Hiển nhiên sự phụ thuộc này ảnh hưởng đến việc lựa chọn tần số sóng mang cho
tầm hoạt động mong muốn. Hơn nữa, nó cịn quyết định sự quan hệ giữa tầm hoạt
động và băng tần. Sự liên lạc dưới nước có thể chia ra làm các tầm: dài, trung bình,
và ngắn. Ở tầm dài, hệ thống hoạt động trong khoảng 10-100 km, băng tần giới hạn

TỔNG QUAN

HVTH: Trần Hiếu Trung