Báo cáo mô hình phao thủy âm

Đây là một báo cáo tổng quan về ứng dụng kỹ thuật số vào việc liên lạc dưới nước bằng sóng âm và mô hình phao thủy âm số trong thực tế của của nhóm nghiên là sinh viên năm cuối trường Đại Học Công NGhệ ĐHQGHN. Bài viết giúp người đọc hiểu được sơ lược về các kỹ thuật số sử dụng trong truyền tin dưới nước cũng như một mô hình cơ bản của phao thủy âm, rất mong nhận được sự góp ý của tất cả các độc giả.

Tiêu Đề Báo Cáo : ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ VÀO VIỆC LIÊN LẠC DƯỚI NƯỚC BẰNG SÓNG

ÂM VÀ MÔ HÌNH PHAO THỦY ÂM SỐ

Mở Đầu

Liên lạc dưới nước bằng sóng âm là điều không còn xa lạ với thế giới, việc liên lạc dưới nước được đặc biêt quan tâm và chú trọng nghiên cứu, nhất là trong lĩnh vực quân sự, liên lạc dưới nước mang tính sống còn, quyết định phần trăm lớn sự thắng lợi trong cuộc chiến trên mặt biển và trong lòng đại dương Trong những năm gần đây việc mâu thuẫn giữa Việt Nam và nước láng giềng đặc biệt là Trung Quốc, đang đặt ra những thách thức lớn cho Hải Quân Việt Nam những vấn đề cấp bách cần giải quyết để dành quyền chủ động khi mà chiến sự có thể diễn ra bất cứ khi nào Chúng ta không những phải làm chủ được công nghệ, mà đồng thời phải chế tạo những công nghệ theo bí quyết riêng của mình để tang cường sức mạnh quân sự cho Hải Quân Việt Nam, những kỹ thuật truyền âm tương tự nay đã không còn phát huy nhiều tác dụng khi mà những máy tính hiện đại, những thiết bị điện tử với những bộ vi xử lý tốc độ cao có thể đảm nhiệm việc xử lý các bản tin số trong tích tắc, thì việc ứng dụng truyền thông số dưới nước là một thế mạnh mà cả thế giới đang tập trung nghiên cứu Việc truyền tin số có rất nhiều tính năng mà truyền tin tương tự không làm được đó là: Khả năng trống nhiễu cao, thông tin mật được mã hóa và truyền đi một cách tin cậy hơn giúp chúng ta không bị lộ những thông tin quan trọng, tích hợp với các hệ thống số cao, dễ dàng phát triển theo những thành tựu khoa học hiện đại ngày nay… Đặc biệt một điểm khá quan trọng khi truyền âm dưới nước đó là về vấn đề tần số hoạt động, trong bài báo cáo này tôi xin nêu

ra một kỹ thuật không mới nhưng lại là một ứng dụng khá mới trong truyền âm dưới nước, đồng thời làm sáng tỏ những ý tưởng về việc thiết kế một Phao Thủy Âm tích hợp thông minh, giúp nâng cao khả năng chinh sát cũng như phòng thủ cho các tàu quân

sự mặt nước cũng như tàu ngầm quân sự Trong những bước đi đầu tiên này, tôi rất mong muốn nhận được sự góp ý của độc giả và các chuyên gia, giúp mô hình hoàn thiện hơn, góp phần nâng cao sức mạnh Việt Nam

Nội Dung

1 Giới Thiệu

2 Một Số Kỹ Thuật Điều Chế Tín Hiệu Số

2.1 Kỹ Thuật Dời Biên ASK (Amplitude Shift Keying)

2.2 Kỹ Thuật Dời Tần FSK (Frequency Shift Keying)

2.3 Kỹ Thuật Dời Pha PSK (Phase Shift Keying)

3 Tính Chất Của Kênh Truyền Âm

4 Ưu và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật FSK Trong Truyền Âm Dưới Nước

5 Đánh Giá và Lựa Chọn Kỹ Thuật Truyền Tin

6 Mô Hình Phao Thủy Âm

6.1 Mô Hình Hệ Thống Viễn Thông

6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm

6.3 Sơ Đồ Khối Của Phao Thủy Âm và Giải Thích

6.3.1 Phao Thủy Âm Dùng Thông Tin Dưới Nước

6.3.2 Phao Thủy Âm Đơn Giản Dùng Để Phát Hiện Mục Tiêu

7 Kết Luận Tính Thiết Thực và Ưu Việt Của Mô Hình Phao Thủy Âm Đồng Thời Đề Ra Những Bước Đi Xa Hơn Về Một Mô Hình Phao Thủy Âm Hoàn Thiện Hơn

8 Khó Khăn Đang Gặp và Hướng Tiếp Cận

1) Giới Thiệu

Kỹ thuật số là cụm từ không còn xa lạ với hầu hết mọi người ngày nay, những ứng dụng của kỹ thuật số vào hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống đã chứng minh được tính ưu việt hơn hẵn so với kỹ thuật tương tự, Nhất là trong lĩnh vực truyền tin tin cậy, điều này càng đặc biệt quan trọng trong an ninh – quân sự nơi mà yếu tố bảo mật và tin cậy luôn luôn là ưu tiên số 1 Với kỹ thuật số, các chuyên gia có thể xử lý các bản tin một các linh hoạt và mềm dẻo nhờ việc lập trình, các phương thức lập trình mã hóa giúp tăng

độ bảo mật, đồng thời giúp dễ dàng phát hiện và tự động sửa lỗi trên kênh truyền theo một quy tắc riêng của từng người, đây luôn luôn là điểm nhấn về tính sáng tạo trong tư duy của từng cá nhân Vậy với sự ra đời của kỹ thuật số đã giải quyết rất nhiều vấn đề hóc búa cho việc truyền tin trong môi trường luôn luôn có thể tạo ra sự sai lệch và lỗi một cách ngẫu nhiên

2) Một Số Kỹ Thuật Điều Chế Tín Hiệu Số

Sau khi bản tin tương tự đã được số hóa thành chuỗi nhị phân gồm các bit 0 và 1, lúc này để chuyền được đi trong kênh chuyền chúng ta phải sử dụng một số kỹ thuật nhằm truyền các chuỗi bit 0 và 1 này từ nơi phát tới nơi nhận Trong phần này chúng ta sẽ không đề cập tới điều chế tín hiệu tương tự, mà sẽ điểm sơ qua những nét chính và nguyên lý của các kỹ thuật điều chế số

2.1 Kỹ Thuật Dời Biên ASK (Amplitude Shift Keying)

Kỹ thuật dời biên là một kỹ thuật khá đơn giản để thực hiện, nguyên lý là như sau: Chúng ta có 2 bit là 0 và 1, ta chỉ cần quy định mỗi bit có một mức năng lượng khác nhau để biểu thị nó thì ta sẽ có kỹ thuật dời biên được mô tả như hình sau,với bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ là E1 và bit 0 được chuyền đi bởi sóng mang có biên

độ là E2:

Hình 1: Kỹ Thuật Truyền Tin ASK

2.2 Kỹ Thuật Dời Tần FSK (Frequency Shift Keying)

Ở kỹ thuật này tôi sẽ mô tả chi tiết hơn, và biễu diễn dạng toán học các phương trình

Vì đây là kỹ thuật sẽ được chọn cho mục đích truyền tín hiệu trong môi trường nước (underwater communication)

Điều chế 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 số khác nhau: f1 và f2

v1(t) = cos(w 1t) v2(t) = cos(w2t)

Tín hiệu điều chế có dạng:

d

V t = 1

0







Do đó tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau:

1 2

osw ( )

cos

FSK

v t

w t



 



Hình 2: Dạng Tín Hiệu FSK

v t  w t v t w t v t

Ở trên ta đã có:

FSK

Do đó:

FSK





Tương tự như trên, cuối cùng ta được:

FSK

          

           

Dạng phổ của tín hiệu FSK giống như dạng phổ của tín hiệu ASK nhưng hai thành phần sóng mang có tần số là f1 và f2, khoảng cách giữa chúng là fs

Hình 3: Khoảng Cách Tần Số

Từ những phân tích trên thì ta có thể hiểu khi đó bản tin số được truyền đi như sau: Ta

sẽ chuyền bit 1 đi bởi sóng có tần số là f1 và bit 0 đi bởi sóng có tần số là f2 Kỹ thuật FSK được minh họa bằng sơ đồ sau:

Hình 4: Kỹ Thuật Truyền Tin FSK

2.3 Kỹ Thuật Dời Pha PSK (Phase Shift Keying)

Đây là một kỹ thuật rất tốt để truyền số liệu trong kỹ thuật dời pha PSK, các bit 1 và 0 được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau

Chúng ta có thể mô tả một tín hiệu PSK như sau:

Hình 5: Kỹ Thuật Truyền Tin PSK

3) Tính Chất Của Kênh Truyền Âm

Trong bài báo cáo trước chúng ta đã thảo luận về các ảnh hưởng, tính chất vật lý của biển và địa hình biển ảnh hưởng như thế nào đến việc truyền âm dưới nước, giờ chúng

ta sẽ thảo luận về vấn đề cũ nhưng chi tiết và phức tạp hơn đó là hiện tượng đa đường

và hiệu ứng Doppler

Đa đường hay gọi là hiện tượng Fading, là hiện tượng sóng từ Transmitter tới Receiver theo nhiều đường khác nhau, gây lên nhiễu loạn tín hiệu tại nơi thu

Còn hiệu ứng Doppler là sự dịch chuyển của máy phát so với máy thu Điều này dẫn tới việc lệch tần số khi truyền trong môi trường tự do, từ việc tính toán sự sai lệch tần số trong quá trình đo đạc ta có thể biết được vận tốc và hướng di chuyển của mục tiêu

Vì vậy chúng ta cần tập trung phát triển kỹ thuật điều chế để xử lý tốt hiện tượng đa đường gây lên nhiễu loạn tại nơi thu, đồng thời phân tích tốt dữ liệu thu được và đưa vào mô hình của hiệu ứng Doppler ta sẽ có kết quả với độ sai số nhỏ

4) Ưu và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật FSK Trong Truyền Âm Dưới Nước

Ưu điểm:

- Cho tỷ lệ lỗi tốt hơn so với các kĩ thuật ASK hay PSK

- Do biên độ của tín hiệu sóng mang không đổi nên giảm lãng phí công suất và tạo khả năng miễn trừ đối với tạp âm

- Có thể dừng nhiều hơn hai tần số

- Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn

- Băng thông được dùng hiệu quả hơn

- Mỗi phần tử tín hiệu được biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ liệu

- Đòi hởi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình

Nhược điểm:

- Truyền số liệu tốc độ thấp

- Khả năng đáp ứng tần số môi trường hạn chế

- Tần số tín hiệu tương đối cao, điều này một mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu mạnh đối với bên ngoài, mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền

5) Đánh Giá và Lựa Chọn Kỹ Thuật Truyền Tin

Từ việc phân tích những ưu điểm và nhược điểm về môi trường truyền tin, kỹ thuật truyền tin và tính khả thi ứng dụng của các hiện tượng vật lý đặc biệt là hiệu ứng Doppler, chúng tôi đã rút ra kết luận rằng, điều chế FSK là phù hợp nhất cho việc truyền tin dưới nước Vì vậy xuyên suốt quá trình chúng ta sẽ xây dựng và phát triển hệ thống dựa trên kỹ thuật này

6) Mô Hình Phao Thủy Âm

6.1 Mô Hình Hệ Thống Viễn Thông

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu cách mô hình hóa một hệ thống viễn thông trong thực tế, hình dưới đây là một mô hình hệ thống viễn thông được biểu diễn qua các khối, sau khi có cái nhìn tổng quát ta sẽ đi tìm hiểu đánh giá từng phần của mô hình để suy

ra những ứng dụng cụ thể vào những bài toán thực tế nhằm thực hiện có hiệu quả về cả hiệu xuất lẫn kinh tế

Hình 6: Mô Hình Truyền Tin Điển Hình

6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm

Phao Thủy Âm là một thiết bị liên lạc và chinh sát không thể thiếu trong lực lượng Hải Quân, với tầm quan trọng đó rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra những mô hình Phao Thủy

Âm với những tính năng hữu hiệu để ngày càng hoàn thiện nó Trong bài báo cáo này tôi xin đưa ra một mô hình Phao Thủy Âm mà trong khả năng chúng tôi có thể làm được

ở thời điểm này đó là: Phao Thủy Âm số dùng để phát hiện được mục tiêu và đo khoảng

cách tới mục tiêu đó Và từ mô hình này chúng tôi sẽ định hướng để hoàn thiện sản

phẩm Phao Thủy Âm không những chỉ dùng để phát hiện được và đo khoảng cách tới mục tiêu mà còn được dùng để liên lạc dưới nước, tạo mục tiêu giả dùng để đánh lừa

vũ khí dò tìm của đối phương(chẳng ngư lôi, các phương tiện chinh sát của địch…)

6.3 Sơ Đồ Khối Của Phao Thủy Âm và Giải Thích

6.3.1 Phao Thủy Âm Dùng Thông Tin Dưới Nước

Dưới đây là một mô hình Phao Thủy Âm tổng thể mà chúng tôi đưa ra và muốn chạm tới để thiết kế

Hình 7: Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Số Dưới Nước

Mô hình này khá giống với một hệ truyền tin số trên mặt đất sử dụng sóng điện từ, chỉ khác là môi trường truyền tin và thiết bị thu nhận thông tin là các Transducer

Analog

Signal

A/D Converter

Hamming Coder

FSK Modulator

Amplifier Channel

Water

Pre-Amplifier

FSK

Demodulator

Hamming Decoder

D/A Converter

Amplifier Message

Transducers

6.3.2 Phao Thủy Âm Đơn Giản Dùng Để Phát Hiện Mục Tiêu

Với mục tiêu bước đầu tạo ra mô hình Phao Thủy Âm dùng cho mục đích phát hiện mục tiêu và đo khoảng cách tới mục tiêu, chúng tôi sẽ thu gọn mô hình ở trên đi, tức là lược

bỏ một vài phần của một hệ thống phức tạp để đạt được mô hình phù hợp với mục đích

sử dụng Như vậy theo ý tưởng đó, chúng tôi sẽ lược bỏ đi một số khối và thay đổi tính chất của một số khối để đạt được hiệu quả tối ưu nhất Với mục tiêu phát một dãy xung điều khiển và nhận lại dãy xung đã được phát đi một cách chính xác, có thể sửa được lỗi của dãy xung phát đi, và dựa vào việc phân tích dữ liệu nhận được từ dãy xung đã phát

ta có thể có những phân tích về tính chất của môi trường và mục tiêu Vì vậy mô hình Phao Thủy Âm đơn giản được đề xuất là:

Hình 8: Mô Hình Phao Thủy Âm Đơn Giản

Từ mô hình này tôi sẽ đề ra ý tưởng để thực hiện như sau: Với các khối Sequence Generator, Hamming Coder, FSK Modulator, FSK Demodulator, Hamming Decoder

thực hiện trên phần cứng là vi điều khiển (ở đây ta sẽ chọn PIC16f877a), việc tạo ra

Sequence Generator và các kỹ thuật Code, Decode được thực hiện bằng các thuật toán

và việc lập trình, các khối FSK Modulator, FSK Demodulator cũng dựa vào sự điều khiển của vi điều khiển với việc lập trình phát xung tính toán thời gian phát và thời gian nhận theo các bộ timer có trong vi điều khiển, mọi xử lý hầu hết diễn ra bên trong vi

Sequence

Generator

Hamming Coder

FSK Modulator

Amplifier

Channel Water

FSK

Demodulator

Hamming Decoder

Amplifier Display

điều khiển, chúng ta lập trình tạo lên phần mềm để chạy vi điều khiển theo ý định và kết hợp nó với 1 số thiết bị ngoại vi để tạo lên mô hình Phao Thủy Âm như trên Bên cạnh

đó thì có các Transducer, chúng ta sẽ phải đặt mua các Transducer với dãi tần số hoạt động mong muốn Các khối khuếch đại thì ta sẽ phải xây dựng mạch khuếch đại phù hợp, ví dụ một mạch khuếch đại đơn giản đã được dùng trong một thiết kế truyền tin dưới nước như sau:

Hình 9: Mạch Khuếch Đại

Và khối cuối cùng là Display, dùng để hiển thị kết quả sau khi vi xử lý tính toán, ở

đây ta chọn bộ hiển thị LCD

7) Kết Luận Tính Thiết Thực và Ưu Việt Của Mô Hình Phao Thủy Âm Đồng Thời Đề Ra Những Bước Đi Xa Hơn Về Một

Mô Hình Phao Thủy Âm Hoàn Thiện Hơn

Theo những phân tích đánh giá như trên, với độ phức tạp không cao, phần chính chủ yếu là kiến thức và khả năng lập trình để có thể sử dụng dữ liệu hiệu quả nhất, thì mô hình Phao Thủy Âm này là thực hiện được Ngoài ra với việc tối ưu hóa các phần cứng

một cách tối đa nhất, chủ yếu công việc xử lý nằm trong PIC16f877a thì vấn đề về tài

chính để thực hiện đề án không phải là vấn đề quá nan giải

Ưu việt của mô hình này là thiết kế nhỏ gọn, giá thành giẻ, dễ dàng thay đổi cấu hình nhờ việc thay đổi lệnh lập trình, khi mô hình này thành công thì sẽ tạo lên một nền tảng vững chắc để xây dựng lên một Phao Thủy Âm với đầy đủ tính năng như trình bày trong

phần “6.2 Giới Thiệu Về Tính Năng Của Phao Thủy Âm.”

Để thực hiện được một Phao Thủy Âm hoàn thiện hơn, chúng ta cần phải thực hiện thành công mô hình đầu tiên này, thời điểm này chúng ta cần thực hiện các công việc một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất, cần phải bổ sung mảng lớn kiến thức về lập trình nhúng, kiến thức máy tính nhúng, kiến thức về điện tử, kiến thức về viễn thông… chúng ta với có thể hoàn thành được đề tài lớn này Trong khoảng thời gian không xa tiếp theo, chúng ta cần phải học tập tích cực, đúng trọng tâm và đưa ra các báo cáo thường xuyên để là nền tảng thực hiện mô hình

8) Khó Khăn Đang Gặp Phải và Hướng Tiếp Cận

Đây là một phần nhỏ, nhưng em hi vọng thầy sẽ đọc kỹ và có những chỉ đạo giúp bọn

em hoàn thành nhanh chóng nhất có thể Em và Tấn thì theo Viễn Thông, nhưng đề tài chúng ta đang làm thì lại cần 1 lượng lớn kiến thức về Điện Tử và những kiến thức này khá chuyên xâu Kỳ này vì muốn có chuẩn bị tốt nhất cho đề tài của thầy nên em đã đăng ký môn Thiết Kế Máy Tính Nhúng bên điện tử, vì em nghĩ mình đang hổng kiến thức phần này nhất Tấn cũng đang tìm hiểu về vi điều khiển PIC rất tích cực, và em cũng có chút kiến thức sơ qua về vi điều khiển Thời gian tới chúng em sẽ kết hợp làm việc với nhau nhiều hơn để giải quyết vấn đề lập trình và vi điều khiển, em nghĩ sẽ cần

1 chút thời gian Chúng em sẽ cố gắng hết sức để làm việc và hoàn thành sớm nhất có thể, em cũng mong thầy nhận xét về mô hình em đưa ra và có những sự điều chỉnh phù hợp và nhanh chóng nhất để bọn em có thể hoàn thiện hơn

Phụ Lục Hình Ảnh:

1 Hình 1: Kỹ Thuật Truyền Tin ASK

2 Hình 2: Dạng Tín Hiệu FSK

3 Hình 3: Khoảng Cách Tần Số

4 Hình 4: Kỹ Thuật Truyền Tin FSK

5 Hình 5: Kỹ Thuật Truyền Tin PSK

6 Hình 6: Mô Hình Truyền Tin Điển Hình

7 Hình 7: Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Số Dưới Nước

8 Hình 8: Mô Hình Phao Thủy Âm Đơn Giản

9 Hình 9: Mạch Khuếch Đại

Kết Thúc

Người Viết: 1) Trần Việt Hoàng

2) Trần Bá Tấn Phân công và thực hiện nội dung