Xây Dựng Á Đặ Tính Mô Hình Suy Hao Và Hiệu Ứng Doppler Ho Kênh__Truyền Dẫn Thủy Âm..pdf

Xây d c tính mô hình suy hao và hi ng Doppler cho kênh truy n d n th y âm u     1 M C L C   L 3 DANH M C T VI  T TT 4 DANH M  C B NG BI U 5 DANH M C HÌNH V 6 L U[.]

Sóng âm th y âm

Phân lo i sóng âm

 n t , sóng âm chi m m t d i t n s r t r ng Tu theo         t n s  có th 

- Vùng âm có t n s   ng t  n 16 kHz

- Vùng siêu âm có tn s  ng t  n 10 MHz

- Vùng c c siêu âm có t n s     ng t    n 1013 MHz 

n s  ng nhi t c a m ng tinh th    

Xây d  c tính mô hình suy hao và hi  u  ng Doppler cho kênh truy n d n th y âm   

700 m/s, vnhi t   trên  C Ngoài ra, Hình 1.6 ch t âm 

V  t Nam, nhi    theo các chu k

V n t   c c    y âm

 1.5  hi u qu   trong môi ng c sâu.

Quá trình truy  n sóng âm

Suy hao tr  c

    g iá    suy hao m  xác   ta chia suy hao nh các  khác     v môi 

  sâu, kho      t i suy hao    hai

 th c suy hao    a Suy hao c u 

Mô  suy hao  c áp  cho   v ng n c  sâu Trong m suy hao  m     l ng c xác   sau [5]:

I0  m ng l ng    ng âm k ng cách ro,

I -m ng    l ng  ng âm  kng cách r

 v v i suy hao   theo phân     m    l ng   ng v i   a 2 k   ng cách theo dB:

Hình 2 2 Suy hao theo phân b  c sâu [5] b 

Trong môi  c nông, khi kho ng cá y l n,  ch tru      l n âm xu h ng b gi i h n hai m ph        là: m n c và m    

  L mô  suy hao trong môi   n c nông là suy hao do s phân hình tr    cách  hai    n h, th m ãn  k >10 , h λ λ c  ng âm Suy hao do phân      c sau [5]:

V i mô   suy hao phân m công        ng v i r  theo dB suy hao  trong p 

Hình 2 3 Suy hao theo phân b  ng  c nông [5]

S suy gi m do s     th   do s ra      l ng âm nh tha trong n c   thành nhi Quá trình suy gi m do h th này ph    là    t và t s   cao h n ng l ng             th h n m s ng cô  mô

 v quá trình h  th  âm thanh trong     c t móng cho  hi

  nay M ph ng trinh t ng     ro  gian qua ã g c i  iúp     ng

  ng v   chính xác v m toán   v  g s iá    c a â m thanh trong  c

    s   th n tro  c biên u ch  quá nh v i môi là  so 

 này nên m yêu c   toán chính xác s    ng âm thanh trong   c  thì các mô hình hi nay khó có th    

W.H.a ra  1967 [5], nh bày m ng trì  cô    toán  suy gi m  theo dB/km  Francois v Garrison a   ra công  cho s suy   gi m    t n, a       t m n, pH và axit Boric, Mag Sunfat ie 

    c t  các thông s c s ng   tron cácg mô hình này thì chúng ta c     ch s     c trình bày trong [5] sau: a Sa h t 

V i      t s ên 100 kHz, s    ng c t    âm thanh t thành nhi thông qua s c n do nh   t S hâp       ng  l ng dao   thành nhi khi qua     kho ng  cách xác   l 

 suy gi theo h m     th  c xác  ng môt     thông qua thu logarit a v dB   Cho nên h suy gi       c di theo dB/km cho       k suy gi m    Suy gi m 1 dB/  km ng ng gi m 21% trên m km truy i      suy gi m ng eo   th

 ph ng t  s T   t  l n h n 1Mhz,    ta   theo

n v dB/m khi âm    thanh suy gim  Giá trα  uth  v ào nhi      n c (T o C) và áp su     dù s     i áp suât v còn   sâu     m vài ng s khác, thô     này là nh khi em   so sánh v i t g    cho nên vi s   theo m sâu D 

c dùng  i cho vi toán áp suât   b Sc

Các phân t , trong n c nhi tr ng th  ion  có   ái  và chú chung y t 

 này ng trsa  khác ph   v su Các phân t nào áp   

  tr ng thái ng b cách h th   suáp sinh ra trong   c sóng âm     i ng l ng   thay pha khác nh  au liên an qu t i  

 t ng tác khác nhau, v     tr ng tro   này th có   c ng tr 

 g ian relaxation hay t relaxation ay v i ng nhanh ng Th     cà thì cà có ít  vì  thay phân t quá ch m,   là  cho nên s    này ch có     t thâp Ng m     c       c c a axit

Boric và mu i MgSO 4 c ng g ây ra    s hóa h   am s khác th  có        t i ng n c bitro   pH     pH=8 c

 Phng trinh Thorp

Phng  Thorp  th   suy gi m   h   ph ng   n  g   vì nó ch xét t i      n mà qua tâ        g

  m   axit c n c biên       ph ng   c cho 

Frequency(kHz) ab so rp ti on c oe ff ic ie nt ( dB /k m )

 v 2.4   g, suy hao t theo Phng ch d ng  áp  cho  c nhi 4có   o C v   sâu x 1000 m  gi i 

 này k cho phng trinh   r kh   c s trong   d ng c h    ng m ng    Ngoài ra, ng vi       h hóa h ph ng     này    c k qu   chính xác Tuy v mô hình này l có th c l  ng m cá nhanh  ch chóng h  suy gi m,   ích cho vi c   l ng  thô kênh 

 Phng trinh Franco và Garrisonis

  toán   ph ng   Francois Garrison c cho  u sa [5]

  suy gi m -dB/km t ng nh  α là     c ba thành ph B(OH)3, MgSO4 vc tinh khi 

V i:  theo o C f1, f2 là t n s     ng  ng c a axit Boric và mu i magie Sunfat pH axit c  n c biên 

Zm  xác sâu  mà t t âm thanh là nh  

D > zm:   thanh  ch u do nhi yê  

D < zm:   thanh  do áp su   

  2.5 ta           khác  nhau v i     khác nhau: T 100 ÷ 3000 axit Boric    Hz Hz  

 nhât, t  ÷ 200000 Hz mu Magie sunfat iê ch m  u th  t n c   vcó ai chính khi trò tín hi hâp    trong quá trình tru y  

    suy gi n ng Ng suy gira,    n ng khi  

Hình 2 5 H s suy gi    (công th c Francois và Garrison) [5] 

Hình 2 6 H s suy gi    - công th  c

 v d i     g iúp ta  c  khác   v g iá     suy hao theo hai mô  trên:

Hình 2 8 H s suy hao theo các mô hình khác nhau (T=4oC, D00m, pH=8) [5]  

S suy gi

S suy g m âm thanh ng chtro  l ng c  th ay  theo    a 

 m  a      h c tr ng , thông sbt   i lo 

trongng B ng  sau cung c g iá trbt  m   i c     

B ng 2 1 Giá tr   bt c   a t ng lo  h  hau [5]

S suy gi m âm thanh ph     v ng s ào thô  bt có  c tính theo công

          (2.12) Trong  g triá K và n c cho u [6]: sa

B ng 2.2 G tr h s  iá    K, n theo t ng lo i y kh     nhau [6]

H s ph n x      s

      c ng      b iên  sóng    so v i  biên      t i m ph ân cách  hai môi  Khi lan  trong môi   n c,   t ng     t m ra     

  v xác   toán      v     v ai   quan  trong mô ng c nghim.

 2.9 minh    t ng    m phân cách  hai môi 

( ) , 2 pi exp ik xsin  zcos kc p i  exp ik xsin  1 (  1  zcos  1 ) 

( ) , 2 pi  T exp ik xsin  zcos kc (2.13)

n chung exp  i  t  c lo i b Các l ng     cha xác  R,

T v   2 nh t u ki n b v tính liên t c áp suât và v khi           qua m phân  cách v z=0 V   i áp  trong môi  p 1  p i  p r , v áp

 ph ng các  trên ta thuc giá c    vkhúc 

1 2 1 1 cos sin cos cos cos cos cos sin m n m n m n m

2m cosθ  2m cosθ mcosθ n cosθ mcosθ n sin θ

H s ph n x     ng tru  n

Các g iá        v khúc x nh   c trong  2.1.4 cha xem      trong môi  Khi  âm  ng môi tro  nc, m phân  cách   n c v không k    gây ra   Tuy nhiên, d i m     t ng  o ca

 là v n t c âm thanh,   là h s h p    th ng 2 (cht l ng c       ng          

 s ngso là sthc nên giá trk1 n giá tr th c  c li ph c nên giá tr là s  k2 n giá tr ph c T    ta có: 2 1 1

V n t c pha c a    trong  c tinh  theo công thc sau:

Tán m ng    tro  nguyên nhân gây nên  suy hao v   thiên biên    Môi     m   khôn ng g ây ra suy hao l n S uy hao v  i   Do m  n c  luôn luôn    t ng ng giáng âm    xuyên  S g ra      ra ng     g ng khi ngiá  phát  máy thu  g      m  c coi     g g  m cách ng nhiên, v     g g     v i b c  g, suy hao    c xem  quá  xtán  Công   mô

i (path gain) là ch    ttia i,  c   trong v     xung c k ênh tru y     c trong chng 4) Trong mô  kênhc nông, sóng t i       x r l c khi  c máy thu Ta  i  tia t i trong k ênhc nông c bi sau[3]

ng c a tia t i th i ,    và lt là h s t n hao, s,b l   t là s l n   ph n x t  c và m

2.2 ng c a n u môi  hi ng n kênh truy n d n th y âm    

 ng m ktro  ênh thông thtin  âm bao m nhi môi     xung quanh và nhi m v [5] i môi    trí   Nh   xung quanh luôn luôn

  trong khi nh   m v trí duy nh là cho v d nhi      m v c bao g t g  trí      ãy c b ng    các khu v c vùng c c v    

 sinh vdo các    vùng các m h n Nh u  môi  xung quanh xu phát t m s ngu n s          nh, ng v só  a, v y c y i này k ng ph nhi tr g M khác, nhi t i m v tàu thu Nh hô là       trí

 ch a m t có    l ng  n các ph không ph nhi  

 môi  xung quanh ng môi tro   n c th có  c chia thành

 lo chính,  nhilà  do    (Nt),  do tàu thuy ( NS do g (ió Nw), và nhi nhi (  Nth)     ng nh   m  

  công cho m môi  theo dB  sau [11]

NL f v in [dB] (2.42) Trong  vf  v s  v 

-  sinh  (gây ra  cácsinh v    m, cá, tô 

Trong  vf S  thuôc v v gian tro ng n m 

 thái     c xác  nh     v g   - [kn] v - [kf Hz] :

-   sinh do ra   các nguyên t    , v c

10.log 10 NL ship 10 NL tur 10 NL vessel 10 NL bio 10 NL i nd 10 NL therm a l total

Hình 2 10 Nhi u môi   ng cho v  i nh  ng   n t v km/h[11]

Hi   u ng Doppler

Hi u ng Doppler là do s chuy i gi a máy phát và máy thu  làm cho ph c a tín hi u truy     d ng f D so v i t n s trung tâm    sóng mang

T n s Doppler ph thu c m nh vào góc gi      ng truy n sóng và  ng chuyng c a máy thu ho c mát phát, bên c   n t c chuy

i gin s trung tâm sóng mang, c th công    thc sau D 0 cos( ) 2.46 f v f c 

i gi a máy phát và thu, v n t  c và góc l ch gi a  

ng truyng chuyng c a máy thu 

Ph  c a tín hing v i t n s  c biu di

Hình 2 11 M  ph   c a tín hi u thu [10] 

Tuy nhiên, do hiu   ng, có nhing sóng t máy phát 

ch   khác nhau Ta có t n s Doppler t ng    

V i k = 1  N p ng vi s ng sóng t  n máy thu do hi u  ng

ng i g a máy thu v m áy phát, c v n t c âm    thanh tro ng c B i v n t c    lan tru y  th y khá âm   khi sso ánh v i v n t c c a      n trên hôk ng trung nên nh h ng c a hi u ng Doppler       cao Các    y âm

    v i t c kho ng v i m/s, tuy nhiên k   khi không nh ng  

 m    nh ng nh h  trôi t gây nên b i d  g, th y  

ng luôn t n t  i   n a   luôn   ng t g i ga máy thu v phát, h ng thông y   th tin th âm       c k gi i v  

     t ng ng v i kênh vô      d n qua v  tinh.

 hi u g ây do ra     c a tác   vi c     k t toán

c nh h ng c a m     lên  hi u    t  c v g  iá c a a Ta  

 so sánh sau: V i h  thng thông tin vô       t ng 

i kênh thông tin th y âm, gi s ngu   

    i v n t c l c a a vào kho ng  , giá tr khá l n không   th   b c.  doppler v  tri ph Doppler sinh  ra do   t ng    m ng nh ng u t khác bi t  tro  yê   gia kênh thông tin thy âm v i  kênh ông tin trên c i ph Doppler gth n Tr  ây l pha, ch tr ng Trong h ng th thông tin th y âm ng    mang, hi u ng   Doppler  gây m ra   bi t  nghiêm tr ng Trong k ênh thô tinng vô  trên không trung,   g iãn theo

46 thi g ian    qua, hi u ng doppler     nhau v i   c  các  mang con V i kênh thông tin  thy âm, nh hng c a    Doppler lên m

ng mang con khác nhau ng k      gây nên m ppler không Do ng  trên  ng thông    hi u 

L s nghiên u v k    ênh th y âm   ch ra  nh ng b c     l n trong x hi u h  lý    thng th y âm  ch  c c hi n khi b n     v t c a quá lý 

 lan   c chính xác  nh a v   quá t mô  kênh truyên  Nhng v m  inh h a      k  nh : k  p  ng t o 

 ng v m  pha cho quá  cân  kênh trong th ng n sóng mang h  

ng  y, vi c phát hi n       hi u ng kh g ph i ôn   nhau, m   nh ng hi u t i cách bi t nhau g c i       iúp  thi  n k hi u ng c a c h      thng n ng mang vng mang [8]

Nhng nghiê cn u g  ng t    c k qu    ng vi c tro  giá nh ng c i   thin trong kênh thông tin th y âm s ng MI   MO [10]

Kênh ph  thu  c th  i gian

S d ch chuy  i gi a máy phát và máy thu sinh ra hi u ng Doppler    và hi ng ph  thuc th i gian c a kênh S ph     thuc th i gian c a  ng xung kênh vô tuyc biu di n    [10]:

  t là thi gian tuy truy n d n c a kênh   

ng xung c a kênh là bi u di n toán h c c a kênh trong mi n th i gian        Khi i Fourier c a kênh cho ta hàm truy  t c a kênh V y hàm truy n

t là bi u di n toán h c c a kênh trong mi n t n s       

B r ng    nh v  th  i gian c  a kênh

Kênh theo phân b  Rayleigh

Hàm truy t c a kênh là m t quá trình xác su t ph    thuc c i gian và t n th  s hàm truy t c a kênh t i m t t n s nh    nh s tuân theo phân b   Rayleigh nu king truy n d c th a mãn: 

 ng truy n d n không có tuy  n trong t m nhìn th ng, t c là không có    tuy n có công su t tri.

 Tín hiu  máy thu nh c t vô s  ng ph n x và nhi u x khác     nhau.[10]

Kênh theo phân b  Rice

 ng h p tuy n truy  n d n có tuy n trong t m nhìn th ng thì công     su t c a tín hi u t tuy  t tr i so v i tuy n khác Xác su t c a biên hàm       truyt ca kênh s tuân theo phân b Rice

K  t lu  n

  l i, Ch ng 2     m  cách chi  v  các   t  b n nh  

ng t i k ênh thông tin th y âm   dung   trong Chng 2    t ng   ta    k c nh ng kh i   ch c ng quá tro  mô g 

 thi n    lý     v t ng cho vi c   g kênh iá  qua quá  mô ng, chng 3       v m s k thu  t

, hitín  mang ng tin thô c ytru c ti qua kênh mà không s m ng mang hình sin Tuy só    h kcác ênh ng tin thô  làcác kênh thông

 do v cách duy nhât    các tín hi thông qua các ênh k  th

  vi c chuy tín mang thông tin t i    t kênh.

K  thu    s

K      i làm thay biên pha, t có       ng mang só thành   gián n Trong m   ng yên tru  tin nh phân, d li nh     phân g m dãy   0 và 1 nhi ph ng Có      i ch nh ng v   phân ch  các ph ng   này l tùy u  th   u v d g ki yê ào    ch v à tách ng hai d ng só Có  chính là: lo i k h p và lo không k h p Lo kêt        

p hay còn g   tách ng ng b          c n i di kch  pha PSK (Phase S ft Keying Lo kh g k p hay còn ghi )  ôn     tách ng  bao   ng i ch tro     biên ASK mplitude Shift Keying)  (A v iêu       s FSK (Frequency Shift Keying Ng ) ra   QAM  ph ng      k p ASK v S à P K.

Là k  thuu ch c    và pha v i nguyên lý là m  s  c tách thành hai lu c l p, m i lu u ch b i cùng m t t n s      sóng

   và l ch pha nhau  o  c g p l i thành m t    lung duy nh t.

Trong  ng PSK, các th   ng pha v vuông pha  c k  p v i nhau t    m  h bao khi Tuy nhiên,    lo

   v cho các    ng pha v vuông pha    v i nhau ta  thì

c m    m i g  biên câu ph ng     c biên ng mang QAM   biên         ) ng ng kh g ma ôn  

  pha m     biên    c QAM    u    dung l ng   

E o là mng cc tiu ch tín hiu

T là chu k tín hi u sóng mang  f c là tn s sóng mang t o b  i b ng a i , bi : các guyên    c theo v tin

   mang g m hai    vuông g       c m tin     vuông g 

B ng 3 1  B  ng ánh x   d li  u m  c QAM4

B ng 3 2  B  ng ánh x   d li  u m  c QAM1 6

OFDM

Bi  i Fourier

Phép bi i I  DFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép t o  tín hi u OFDM m  cách d d g, t c i  àn      N lu ng tín hi u ng song lên N   so t s c g m    iao cách xác v n gi n   

  i DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta gi

i thông tin t tín hi i IDFT và DFT mà ta tinh gi               

 Biế đổn i Fourier rời rạc DFT

Phép   i Fourier r i r c   DFT s tích tín hi u thành  nhng thành phân  sóng sine kho ng cách có   nhau trong kho ng   Bi i   DFT ph c th có 

c xem   xác  biên và pha c a nh ng    thành ph ng só sine à v cosine  thành nên tín hi u phân  tích :

WN j N kn W os 2 kn sin 2 kn e c j

       (3.5) X[k] cha N giá tr   c a các thành ph n t n s , m ng     x[n] cha N mu c a tín hi u mi n th i gian     kn/N bi u th t n s c    a sóng sin/cos ng vi k[0,N1]

i gi a 0 và t ng s m u mi n th i gian      

 chu k sóng sin/cosin hoàn chnh xm tín hi u  min th trong m ng x[n] 

T công th c bi  i Fourier trên ta th y c hai m ng mi n th i gian và mi n       t n s u ch a thành ph n ph c M ng X[k] bao g m c thành ph n t n s              và âm,    s u th cho t n s    -1 bi u th cho t n s âm    

i vi DFT thì kho ng cách t n s   a m i m u trong mi n tgi    n s (resolution)  ph thu c vào t n s   l y m u fs và chiu dài N ca b  bi i DFT: fs

 Phép bi n i ngế đổ ược Fourier rời rạc FTID

Ng c l i vi DFT, phép bi i ng c Four er i r c Ii r  DFT sng p   c

 sine v    l u tr  trong mang X[k]    t o l i hi u phát tín  m i g : th ian

 v ph ng  trên có : ta

1 N [ ] cos 2 sin 2 k kn kn x n ReX k jImX k j

- g phân c ng mi s góp môt iá   tro        t hi u mira tín  thi g : ph c là sóng ian   cosine, ph  o là sóng sine

o ra tín hiu sine  th i gian

  c các hitín u sine l i v  i nhau s t tái o l i   c hitín u phát V y  d ng ng  só cosine và sine trong ph ng nh trên th  tri   c xem nh ng tín hi u là  

c phát bra i m các ch v t lý 

 Phép bi n i Fourier nhanhế đổ

Vic tính toán DFT m  cách tr c p n tiê tro g ng p N l n t n nhi     thi gian Thi gian tính toán cân  thiêt ng theo N 2 Tuy nhiên n s ng sóng    mang    th a c a 2 có cách thì tính hi u qu h n nhi    là FFT

3.3.4 Khong b o v  (GI- Guard Interval)

T c ký    OFDM th h n nhi v i   so     c n mang 

 ch n   ng mang BPSK, t c ký t ng ng v i t c bit y        tru  Tuy nhiên i v i k    thut OFDM, lu ng d u n v   li    c chia thành

N lu ng u song ng phát k   li so   qu t c ký t OFlà    DM gi m N   l vso     i t c n ng mang, do làm gi m c nhi u  liên ký t ISI  gây b i hi u ng ra    ng

Hi u ng ISI trên tín hiu OFDM thcó  lo i b hoàn   toàn ng cách c ng b  thêm kho ng b o v    tr c m ký t   Kh ng b o v o    c ch n  sao cho l n h n g tr i c c i ng môi   iá  tr tr   tro ng  cho các thành ph   ng c a k  trc không th g  iao thoa v i ký t hi n t o ng b o v    i Kh    có  là kho ng tr ng (không có hi u) Tuy nhiên, n s d  tín     kho ng tr ng   cho kho ng b o v g   thì ây nhi u ên ng mang ICI, v khi ra  li    các  mang con nh n   c máy thu không còn tr c g n a iêu này x y do các  iao     ra thành ph 

 ng c a ký t khi nh n   c máy s không s nguy l thu  có  ên  chu k  tro thng i kho ng   lo i nhi u ICI thì ký t   OFDM ph i c m rông   chu k ng kho ng b o v  tro     m b o   thành ph   ng c a ký t   luôn luôn s nguyên lcó     k trong trong th i kho ng FFT   Do c m

ng chu k nên kho ng b o v    c g i Cyclic Preﬁx i t  là (t  Khong b o v    c t o ra  cách copy m s m  u phía cu i c a m ký t   OFDM va lên ký t

Hình 3 5 OFDM symbol và kho ng b o v    nh  m tránh nhi u ISI [10] 

 là tng chiu dài kí t ,  dài kho ng b o v, TFFT c cu OFDM

 trên ta th ng nêu tr i    tr   h n kho ng b o v s không c   thì  ó hi n t ng giao thoa a kí t r c và kí t  gi các    n t do ó k ng gi,   hô ây ISra I và ICI Tuy nhiên tín hi u nh n do    c t i máy t ng c a nhi thu là   thành ph

ng nên s g ây ra s   pha cho các sóng mang Vi c c l ng k   ênh truy c a m áy thu s kh c ph      pha này Trong kho ng i g b o v , m th ian   áy thu b qua t c    các tín hi u,    v ng kho ng b o v     kholà ng vô ích, nó không mang d u  li có ích L a ch n kho ng b o v      liên quan ên   thi g ian tr  cho echo, ng i ng  th  liên quan m t      s l ng ng ng só ma Trong th c  thi gian b o v    c t o b ng cách ra   l i   t l dòng bit   tích c c  trong chu k   tr c kho ng b o v    a chn d a vào kho ng   thi gi an tích c c c a symbol, th 1/4, 1/8, 1/16,1/32   có  là thi gian symbol tích c c Ý 

ng c a ph ng ph   áp t gi a m 1980 Nh ng do h n         v m ng cô ngh (khó t o b   ra các    và gi i   ch   mang g thành thâp iá  thep bi i   FFT) nên cho t i nay d a trên nh  ngu c a công ngh m tích   ch h p, ph ng pháp    m i   c a v th c n  ti

ng là nhi m v b n c a h ng ng s Vi c k       th thô tin   hông th c hi n gi i u t ng b làm  th    cho vi c thu h i d u không   li tin c y T ý   ng c a k   

 k gi i   thu t ng t g c s , gi i u t ng v   th    là    k  chính à m

62 ph i  c gi i    xây d ng s n ph  m ành cônth g H ng  th OFDM có nh iêu

i ích trong vic s ng hi u qu ph tân qua       tính trc g viao i    thích nghi Ngoài v i b n ra     ng r ng y t c  tru    cao t nh ng d u t c    li  

 truyên ng ng  so so cho phép h ng ch ng nhi u I, hi n t ng fading ch th   IS   n l c    s gây l mra sai ch ch    s ng mang só con và vi c khôi ph t n  ro g OFDM th s ng FEC (Forward có    Error Control) v   c l ng kênh bì suy hao Tuy nhiên trong h th ng OFDM v i     dài ký t l n làm   cho nó nh y h n v  i fading gây b i hi n t ng ra     doppler và s oﬀset t s ng mang gi a    só   phát và b  thu, d n   ng ng con ng h ng só ma tro  th OFDM mât tr c g iao, gây nhi u ICI, d n    suy gi m ch l ng h     thng Vi c ng b ng h    tro  thng OFDM ng c  thiêt i v i h ng    th OFDM L   i ký và s th      mu gây hi n t ng xoay pha và m tr c giao v y vi c c l ng kra     Vì     

   v ng b ng h tro   th ng OFDM clà   vi c thu d li u c    tin y và  hi u qu  

Trong h ng OFDM, nh ng ng mang ch  th  só  toàn c g n m iao  áy phát và thu s nh ng t s hoàn    toàn gi ng nhau B c         t ng gây ra ICI  này sóng mang không còn tr c giao n a M v n a nhi u pha       là 

M  o dao ng ng th c không th t o m ng mang  tro     ra  só  chính xác m t s , m     ng t o  ra các só ng mang pha có ngu nhiên, d n n s    

  o hàm c a pha   theo th i gian không b gi m h ng s nên g ao  là    ây ra ICI ng h ng tro  th

Trong OFDM các h   thng n ng mang, i u pha và d t s   nh   

ng ch gi m t s     S/N máy thu h n g   ây nhi u  ây     t i sao h  thng OFDM l i nh y v i nhi u pha h n v i h ng n      so  các th   mang  v v y vi c n      máy m v thu là    an tr ng ng h ng OFDM,  tro  th nó ph i th c hi  c nh hai nhi m v ít   sau:

- Ph  i ra ng biên c a tín hi u và kho ng    thi gian t i u    làm gi m t i nh     ng c a ICI và I  IS

- c l ng và ch nh s a l i         tân c a sóng mang nh n    c tránh ICI i v i nh ng m   áy kêt p, ngoài t s , pha c a ng nthu       ma ng ph i 

 c ng b  Trong h th ng  OFDM, i ta ng nh c   3 lo i ng b  

ng  ký t , ng b     mang ng   tân s m u

 ng tro nhng h n   c a h   thng OFDM kh ng d i u b i là     nh   do ng b       bi t ng s    sóng mang do làm m tính tr c g c a  iao  các sóng mang con Trong h ng O th FDM, i ta ng x   ba lo i ng b  

ng  ký t , ng b     mang ng   tân s m u

G i dòng bit  trên m ng ng ng {alu so so là i,n}, khi qua b sau    QAM thành tín hi u ph c m   c {d k,n }  n ch s sóng mang ph i ch s     là   c a khe i gian t th ng ng n i N  C mu hitín u ph c Sau khi nhân v i xung    s ,    c d và qua b t ng   thì cu i  cùn tíng, hi u   c di n  sau:

Khi bi i   ng tín hi u trên thành s , ng hi u trên   lu tín    c m u v i  chu kì ly m u: 

T T t  B N fs N (3.11) Trong     b ta h th ng T i i    th    l m u t kT   lt a và S '( t kT ) S 0 (xung  s là xung vuông) nên:

L L j nl jnw kT lt N k s a k n k n n n m kT lt S  d e  S  d e 

Tín hi u OFDM trên trùng v i IDFT Do v

            u liên tín hi u ISI  (InterSymbol Interference) thông qua s  o v Do v y, tín u OFDM   hi

 c o vng nhiu xuyên tín hi u.

Các b c  c hi n gi i i ch có        ch c ng ng c l i v i các   so  ch c  h c hi n     ch

- Tách kho ng b v m m    u tín  thu

g ch OFDM     t ng t tích    m s  tín

  c m v i  chu k m là ta M m  OFDM c chia thành N FFT

Sau khi l m u   tín nhân c s hitín  

N jlw kT nt a k l k s a s n d t u kT nt e

 trong phân    ta bi    c sau:

Gi

Các b c  c hi n gi i i ch có        ch c ng ng c l i v i các   so  ch c  h c hi n     ch

- Tách kho ng b v m m    u tín  thu

g ch OFDM     t ng t tích    m s  tín

  c m v i  chu k m là ta M m  OFDM c chia thành N FFT

Sau khi l m u   tín nhân c s hitín  

N jlw kT nt a k l k s a s n d t u kT nt e

 trong phân    ta bi    c sau:

Biu th c trên chính là bi i DFT v i chi u dài là NFFT, n u NFFT là lu th a      c a 2 thì ta có th c hi n b ng phép bi  th   y, ta có th c hi n gi th  i

u ch OFDM b ng bi  i nhanh FFT

  y u gi i thi c nhn c a lý thuy u ch 

 n nh t c  u ch OFDM là s tr c giao c a hai tín hi u      Theo nguyên lý này, lu ng d u vào s   li  c phân chia thành nhi u lu ng con b    

u ch , m i lu ng con có t     th u so v i lu ng d li   c mã hoá b ng nh    u ch s    ng ch ng h    (Quadrature Amplitude Modulation) Sau khi nhân v m i lu ng tín hi  u

c trn v i các sóng mang con tr c giao v i nhau    phía gi u ch d a trên s c giao c a các sóng mang con, tín hi u OFDM    tr   s l c tín hi u mong mu n  

 c r ng c hai b u ch và gi    u ch OFDM u   có th  thc hic thông qua phép bii IDFT và DFT Hai phép bii này còn có th  c th c hi n d dàng thông qua thu t toán bi    i Fourier 

   th c hi n các b u ch và gi    u ch OFDM b .

K  t lu  n

Tóm l        t s k thu u ch     u ch  ASK, FSK,  thuu ch sóng mang tr c giao OFDM  

  so sánh các k thu t, t    n l a k thu t trong    quá trình mô ph ng h   thng sau này Chp theo s trình bày quá trình mô  ph ng h   th ng

 MÔ PH NG H TH NG   

Lý thuy t mô ph ng

Kh  o sát kênh truy  n d n th y âm

Các modul ca h thông mô phc biu di n trong hình 4.2: 

Hình 4 1 H ng mô ph ng  th  

H ng mô ph ng bao g m các kh i chính: máy phát, kênh truy n, máy thu th    

- Bên phát: Bên phát s t o ra chu i bit, r i dùng     u ch t o ra tín    hi u    Tín hi   s c ch nh d  b nâng t c khi truy

- Kênh truy n: Kh i kênh truy  n th c hi n ch  ng nh ng  ng

- Bên thu: bên thu s  thc hi n các ch c thông d i, h t n, l c thích    

ng, giu chng pha  m tra các bit nh n 

a kênh truyn.Nh ng  ph trình bày chi ti  t ng kh i trong h ng  th

B  c s d ng trong h ng mô ph   th c minh h

Nó bao g m các kh i: kh  u ch    (Baseband Modulator), khu ch OFDM, kh i nâng t n (Up converter)  

Kh u ch      (Baseband Modulator) th c hi  u ch   c

) Tín hi u vào là tín hi u s , kh i có nhi m v mapping tín hi       yêu c u mô ph ng  

4.2.1.2 Khu ch OFDM (OFDM Modulator) 

u ch     , ta tiu ch   u ch OFDM 

 án, em th c hi u ch OFDM v i s sóng mang con là 64 và kho ng b o      v là 14

4.2.1.3 Khu ch sóng mang (Carrier Modulator) 

Sau khi ch nh d ng xung ta c n th c hi    u ch sóng mang Tín hi u 

 n s  i là t n s sóng mang T n s sóng mang    

c ch n l a d a trên các y u t      c tính c a kênh truy n th y âm, kho ng cách     truy n d n    n s   c l a ch n là 14 kHz 

Kênh truy n th y âm trong quá trình mô ph ng ph i ch a các tham s       

V ph c t p nh  t    s truyng V i mô hình tia, các tín  hing s   , s suy hao c a t ng tia và góc tr    h p v m ngang c a tia ph n x Tín hi u s      n thy âm và ch u s   ng c a suy hao, h p th và nhi   ng T t c  nhng y u t  

i theo nh ng thông s v t lý c   c bi nhi  m pH, áp su sâu

Hình 4 3 Mô hình kênh truy  ng th y âm [11] 

Hình 4.3 là mô hình bi u di n kênh truy n th   c s d ng trong mô ph ng v   i

ng xung bi u di n cho tia tr c ti p v        tr b ng không Còn 

ng xung c a tia ph n x có tr so v i tia tr c ti p là       

Vic thi t k b thu b t k h       thng ph c t i vic thi  t k b phát và kênh truy  n c xem xét m t cách m   r ng, s ph c t p c a thi t k b thu gi        t chút so v i thi t k kênh truy   n Hình 4.4   kh i c a b    c s d  án này Ph n ti p theo   s gi i thích ch  a mi khc s  d ng

Khu tiên b thu là m t b l c thông d i v i t n s trung tâm b ng t n s sóng            

   t, trong th c t , tín hi         có tín hi u mong  mun, mà còn có r t nhi u tín hi u không mong mu   c

a vi c s d ng b l c thông d i           lo i b nhi-of-band noise) Vic la cha b l c thông d i c   c xem xét và tính toán cn thn N c l a ch n quá l n thì s có nhi u nhi u xâm nh      m c c n thi t và vi c thi t k các kh i sau s ph c t          có th l c nhi u M   t khác, np thì tín hi u mong mu n s b méo, khó khôi ph     c.

Kh chuyi tín hi u   c v tín  hi u      có d ng ph c Tín hi   c nhân v i tín hi u c a b dao    

ng n i    án này b  ng nc s d ng, t n s sóng mang    

c gi thi t là gi ng nhau c phía phát và phía thu Vì v y, s không có b t k nh          

4.2.2.3 L c thông th p (Low band ﬁlte   r)

B l c thông th p có tác d ng lo i b t n s nh sinh ra b h t            u tr  l i thành tín hi u    a b l c thông th  c l a ch n d a vào ph tín hi     c hi n lo i b tth    t khác

4.2.2.4 B gi u ch OFDM (OFDM Demolator) 

B gi u ch    (Baseband Modulator) có nhi m v chuy n tín hi   u sau giu ch OFDM tr thành tín hi u g c g    n v i tín hi c truyu

Trong mô hình dense-scatter, hàm m  ph công su t Doppler (Doppler power  spectral density - PSD) có bi u di n toán h c nh   [12] :

 f c là tn s sóng mang,  f D là tn s Doppler c i.

Kênh truy n là m t quá trình xác su  ng truy n d n Các tính ch  t xác su t này có th bi u di n v m t toán h c thông qua các phép bi u di        

Hàm t  ng xung c a kênh vô tuy  [10]

      (4.2) E[]: hàm k v ng   h*: hàm liên h p ph c ca ng xung

ng hc gi thi t là kênh quá trình d  ng và tán x 

Mô hình WSSUS s c s d  c tính c a kênh 

N u cho         ng xung c a kênh tr thành hàm   công sut tr  c a kênh.[10]

         (4.4) Hàm công su t tr    ( ) cho bi t phân b công su t tín hi    i v i tr truy n d n   Hàm công sut tr ng gi m d  theo tr truy n d n   

Hình 4 5 Hàm công suât tr (power delay proﬁle) c   c nông[13]

Lp-Norm Method (LPNM) là mng m t hàm b ng cách t  i

  c a hàm mô phc ti u hóa sai s Ta có hàm t   sau ] [9

   mô ph ng m t kênh vô tuy   i ta s d   

 ph ng t o kênh truy n v i hàm t      i gian g n gi ng v i th c     t v u ki n kênh không ph i là kênh ch n l   c tn s 

4.3.2 Các tham s mô ph ng

M ag ni tu de [ P (t )/ P ma x]

4.3.3 Phng tng xung c a kênh truy n  

F re qu en cy C or re la ti on F un ct io n

4.3.4 Phng hàm truyt ca kênh theo th i gian và t n s

Hình 4 8 Hàm truy   t c a kênh ng v i f   Dmax  z

T im e C or re la ti on F un ct io n

Tr truy n d n l n nh t c a tín hi     u  max 5.12 ( ) ms < T G (ms)

   f c  B  Kênh là ph thuc vào t n s  

    t c T S  Kênh bi n thiên ch m theo   thi gian.

S d   t o ra nhii ta t o ra nhi u tr ng (nhi u Gauss)     r  t b l c bi  t o ra nhi ph ng t c biu th   w(n) h(n) y(n)

Hình 4 9 Nguyên lý mô ph ng nhi u màu  

V i w(n) là hàm nhi u Gauss (nhi u tr     l ch chu n h(n) là  mt b  l c bit thì y(n) s là nhi u d ng    1 f  [16]

Phng t o nhi u s d ng mô hình     1

 có hn ch là ph c a nhi u màu có d ng khác      nhau ph thu c vào , s d     tìm ra giá tr  sao cho PSD c a nhi u   1 f  gi ng v i nhi u trong thông tin th   c nêu trong 2.2 Gi    s v n t c ca gió là 10kn (5.14m/s); coi m  tàu thuyn trung bình s=0.5

  công cho m môi  theo dB sau [11]

Hình 4 10 Ph   c a nhi u màu th c t và c a mô hình    

Kt qu mô ph ng nhi u màu s d ng trong h ng d a trên mô hình     th  1 f 

Hình 4 11 Ph   c a nhi u màu mô ph ng và theo lý thuy t   

P ow er S pe ct ru m D en si ty o f C lo re d N oi se fc in kHz

PSD of clored noise PSD of 1/f  model

P ow er S pe ct ra l D en si ty f in kHz

t qu bi u di    th nhi u màu trong mi n th i gian và ph c a      nhi u màu trong mi n t n s    

Hình 4 12 Tín hi u n u màu mô ph ng mi n th i gian  hi    

Hình 4 13 Ph  tín hi u n u màu trong mi n t n s  hi    

4.3.6 Kho sát s  ph thuc ca SER vào SNR

S d ng các kh i mô ph ng      trên v i    u ch khác nhau BPSK,  QPSK, 8-PSK, 8-QAM m khác nhau gi a  này là sc s mã hóa các symbol trong chòm sao (constellation) Khi s         c a dòng tín hi          l it

Vì th ta ch  BPSK, t n s l y m u 1kHz     , chuyi gi a máy phát và máy thu là 3m/s và t n s sóng mang là 14kHz ta c kt qu 

Hình 4 14 SER bi  i theo SNR t n s sóng mang   f 0 14kHz

Hình 4.14 bi u di n s bi   i ca SER theo SNR t n s sóng mang    f 0 14kHz

V n t c dch chuyn gi a máy phát và máy thu là 3m/s, nhi u màu bao g m các nhi   

, nhic, nhi u sinh  ra bi gió (gi    s v n t c ca gió là10kn (5.14m/s) ), nhi u nhi  ca các nguyên t   m c)

10 -1 SER simulation with BPSK, f D (Hz, 1kHz bandwidth, added colored Noise

Kho sát thêm 2 ng h p    d ch chuyn gi a máy phát và máy thu;  khi t  d ch chuyi gi a máy phát và máy  t qu mô ph ng   

Hình 4 15 SER bi  i theo SNR    i v n t c d ch chuy n gi a    máy phát và máy thu

Gi v là t  d ch chuyi gia máy phát và máy thu

T n s sóng mang c a h ng    th f 0 14kHz

Tng h p1   d ch chuy n gi a máy phát và máy thu  

Tng hp2: Khi dch chuy n gi a máy phát và máy thu là v=3m/s  

SER simulation with BPSK, 1kHz bandwidth v=0 m/s v=3 m/s v=5 m/s

    t c 17.10  3   T S 78.10  3 (s)  Kênh bi n thiên ch m theo   thi gian.

    t c T S  Kênh ph thuc vào thi gian nhing h p v=3m/s 

T k t qu mô ph ng trong hình 4.15 k t h p v i tính toán, ta th y r ng khi t          d ch chuy n gi a máy phát và máy thu l ng c a hi u ng Doppler lên    h ng càng rõ và t l l i m u tín hi u SER trong kênh thth      

Khng h p t n s    i 14kHz; 20kHz; 28kHz, T c 

  d ch chuy n gi a máy phát và máy thu là v=3m/s; t   ng

Kt qu mô phc chra  

Hình 4 16 SER bi  i theo SNR ng v i các t n s sóng mang khác nhau    

 v y ta th y r ng khi t n s sóng mang càng l n thì t n s         

 phc, t n s Doppler càng l n thì t l SER trong kênh thông      tin thy âm càng l n  c kt qu mô ph  hình 4.16

SER simulation with BPSK,v=3m/s, 1kHz Bandwidth fckHz fc kHz fc(kHz

 ng a h th ng thông tin   th  th ng thông tin th y âm hi 

 trong h th ng thông tin th    s

  ng u n thi t k xây d   c t l l i kí t c a   kênh truy n v i các   khác nhau cho h ng SISO th

Trong quá trình làm lui gian có h n, nên không tránh kh i nh ng    thiu sót, kính mong các th y cô và các b  bài luc hoàn ch Cui cùng, em xin g i l i c      n TS Nguyn

Qu và PGS TS Nguyc ng d n, cung c p tài li u và    góp ý s a ch  em có th hoàn thành lu xin chân thành c thy

[1] http://laum-vld.univ-lemans.fr/deﬁnition.htm.Truy c p l n cu i 25/08/2015   

[2] Anuj Sehgal, Analysis & Simulation of  the Deep ea Acoustic Channel fo S r Sensor Network Bremen,  Jacobs University Bremen, 2009

[3] Bou et P,v Loussert A analysis of underwat acoustic MIMO er communications  Proceedings of the IEEE OCEANS10 Sydney, Australia, pp 1-8, 2010

[4] Jordi Ribas, Underwater Wireless Video Transmission using Acoustic  OFDM Massachusetts Institute of Technology, December 27, 2009

[5] Kalangi Pullarao Prasanth, ng and Simulation of Underwater an Acoustic Communication Channel  Hochschule Bremen University of applied sciences, 2009

[6]   Acoustic Communication Channels: Propagation Models and Statistical Charact   Magazine, issue 1, Feb 2009

[7] Milica Stojanovic and Pierre-Philippe Beaujean Acoustic Communication: http://millitsa.coe.neu.edu/sites/millitsa.coe.neu.edu/files/handbook-chap5.pdf

[8] M tojan ic, S ov OF M D for Underwater Acoust c i Com munications: Adaptive Synchronization and Spar Channel Estimation, Proc IC SP, se  AS

[9] Matthias Patzold and Van Duc Nguyen, A  spatial si mulation model for shadow fading processes mobile in radio channels ,Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2004 PIMRC 2004 15th IEEE International Sympo um on, pp 1832-1838, 5-8 Ssi ept 2004

[10] Nguy   c, Lý thuy t và các ng d ng c a k ế ứ ụ ủ ỹ thuật OFDM  Khoa hc và k thu t, 2006  

[11] Pratheek Praveen Kumar, Ruchir Bhagat, Shiksha Suvarna, Underwater channel simulation“

[12] P Chitre and S H Ong Underwater acoustic channel characterisation for medium-range shallow water communications pages 4045, Kobe, Japan,

[13] Xuan Thang Nguyen and Van DAn Improvement of the Lp-Norm Method to Model Acoustic Shallow Water Channels”

[14]      http://www.windows.ucar.edu/tour/ link=/earth/Water/temp.html&edu=high, 31 August 2001

[15]     http://www.windows.ucar.edu/tour/ link=/earth/Water/salinity_depth.html&edu=high, 31 August 2001

[16] Kasdin, N.J "Discrete Simulation of Colored Noise and Stochastic Processes

Ki  n trúc h ng 67  th  1 B phát

K  t qu  mô ph ng

Mô hình tham chi u