NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Hà Nội, 6-2014 i Sinh viên thực hiện : NGUYỄN XUÂN NAM LỚP KSTN- ĐTVT- K54 Giảng viên hướng dẫn : TS. HÀ DUYÊN TRUNG LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, thông tin liên lạc dưới nước được sử dụng rộng rãi cho nhiểu mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện dưới biển tự động và quân sự. Với bờ biển dài hơn 3000km và thềm lục địa rộng lớn, nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nên cần thiết. Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của môi trường không khí tự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho việc thông tin dưới nước. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, em đã quyết định chọn đồ án “ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC ”. Trong quá trình thực hiện đồ án này, ngoài việc vân dụng và củng cố hơn những kiến thức đã học, tôi đã có thêm được những kỹ năng như làm việc nhóm, thuyết trình, trao đổi và thảo luận, … Những kỹ năng đó thật sự cần thiết cho bản thân. Hơn thế nữa, quá trình làm đồ án còn giúp tôi rèn luyện khả năng tư duy logic, có hệ thống. Để xây dựng được đồ án này, em đã nhận được sự quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ của rất nhiều người. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Hà Duyên Trung và PGS.TS. Nguyễn Văn Đức, hai thầy đã hướng dẫn em rất nhiệt tình, rất đầy đủ về mặt kiến thức, kỹ thuật chuyên môn, các kinh nghiệm quý báu đồng thời chỉ ra cho em nhiều định hướng, ý tưởng, các phương pháp tiếp cận và thực hiện đồ án. Hai thầy cũng tạo điều kiện tốt nhất về mặt thiết bị, địa điểm làm việc để em có thể hoàn thành tốt đồ án. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa, các thầy cô đã truyền dạy cho chúng những kiến thức vô cùng quý báu, từ các kiến thức nền tảng đó mà em có thể giải quyết được các vấn đề liên quan. Hà Nội, tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Nam TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trước nhu cầu thực tế ngày càng cao của thông tin dưới nước, yêu cầu về một hệ thống thông tin dưới nước có khả năng cung cấp các dịch vụ cơ bản là rất ii cần thiết. Đồ án đi sâu vào nghiên cứu, đánh giác các hệ thống thông tin dưới nước hiện có, tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống thông tin dưới nước ở các nước trên thế giới, sau đó tiến hành phỏng tạo kênh truyền. Đồ án trình bày và phân tích các yếu tố trong hệ thống thông tin dưới nước như: tần số sử dụng, mô hình suy hao, mô hình đa đường, mô hình nhiễu và hiệu năng kênh truyền. Bên cạnh đó, đồ án tiến hành mô phỏng và đánh giá về ảnh hưởng của nhiễu, của hiện tượng đa đường tới xác suất lỗi bit của kênh truyền bằng công cụ mô phỏng Matlab. Cuối cùng, đồ án đưa ra hướng phát triển cho hệ thống tương lai và những cải tiến mới để tăng hiệu quả của kênh truyền. iii ABSTRACT Because of the rising demand on exchange information in underwater environment, the need of an underwater communication system that can provide applications is essential. The thesis “Researching characteristics and evaluate the effects of Noise to Underwater Acoustic Communication System” focues on researching, evaluating present underwater communication system that have been deployed in the world and. After that, it models the underwater channel. The thesis presents and analyzes components in the system: used frequencies, pathloss models, multipath propagation models, noise and channel capacity. Besides, my thesis has simulated and evaluated the effects of noise, multipath propagation to the Bit Error Rate (BER) of system by Matlab simulator. Finally, I have given some new ideas to develop and improve the effectiveness of the underwater acoustic channel. iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3 CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 10 CHƯƠNG 3. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 45 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 55 KẾT LUẬN 78 THAM KHẢO 79 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT 80 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 3 Hình 1.2 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu (S=35ppt) 5 Hình 1.3 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt) 6 Hình 1.4 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước 6 Hình 1.5 Lan truyền sóng âm trong môi trường vật chất [1] 7 Hình 1.6 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [2] 8 Hình 1.7 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [2] 9 Hình 2.8 Hệ số hấp thụ trong môi trường nước [3] 11 Hình 2.9 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu [4] 12 Hình 2.10 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [4] 13 Hình 2.11 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp 15 Hình 2.12 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison) 17 Hình 2.13 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C) - công thức Francois và Garrison 18 Hình 2.14 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C) - công thức Francois và Garrison 19 Hình 2.15 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau. (T=4oC, D=1000m, pH=8) 20 Hình 2.16 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng [4] 22 Hình 2.17 Nhiễu môi trường cho với những tần số khác nhau, vận tốc gió là vw=20 km/h 28 Hình 2.18 Sự phụ thuộc của 1/AN vào khoảng cách truyền và tần số 29 Hình 2.19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách [6] 29 Hình 2.20 Bảng các giá trị theo SNR [6] 32 Hình 2.21 Giá trị của B[kHz] và C[kHz] theo khoảng cách [6] 32 Hình 2.22 Đặc tuyến C/B theo và [6] 33 Hình 2.23 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx[4] 34 Hình 2.24 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R [4] 38 Hình 2.25 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước [8] 39 Hình 2.26 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia [7] 40 Hình 3.27 Tín hiệu ASK 46 vi Hình 3.28 Phổ của tín hiệu ASK 47 Hình 3.29 Dạng tín hiệu FSK 48 Hình 3.30 Phổ của tín hiệu FSK 49 Hình 3.31 Tín hiệu PSK 50 Hình 3.32 Phổ của tín hiệu PSK 51 Hình 3.33 Biểu đồ trạng thái tín hiệu của phương trình 52 Hình 3.34 Sơ đồ khối bộ phát QPSK 53 Hình 4.35 Hệ thống mô phỏng 55 Hình 4.36 Sơ đồ khối bộ phát 56 Hình 4.37 Sơ đồ ánh xạ các bit vào symbol QPSK 57 Hình 4.38 Biên độ bộ chỉnh dạng xung trong miền thời gian 58 Hình 4.39 Mô hình kênh truyền đa đường dưới nước 59 Hình 4.40 Sơ đồ khối bộ thu 60 Hình 4.41 Tín hiệu đầu ra của bộ lọc phối hợp khi không có nhiễu 62 Hình 4.42 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc thích ứng 63 Hình 4.43 Tương quan chéo giữa tín hiệu nhận và training sequence 65 Hình 4.44 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu theo lý thuyết 67 Hình 4.45 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu khi xấp xỉ bởi nhiễu Gauss. 68 Hình 4.46 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy bùn 69 Hình 4.47 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy là đất sét. 69 Hình 4.48 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy bùn và đáy là đất sét 69 Hình 4.49 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy bùn 70 Hình 4.50 Tín hiệu đa đường với những tọa độ khác nhau nhưng cùng khoảng cách 71 Hình 4.51 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy cát, phản xạ tốt 71 Hình 4.52 Tỉ lệ lỗi bit khi ta không tính đến đa đường 73 Hình 4.53 Tỉ lệ lỗi bit theo SNR với đáy bt=0 và bt=7 74 Hình 4.54 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với khoảng cách máy thu và máy phát là 1000m 75 Hình 4.55 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với khoảng cách máy thu và máy phát là 400m 75 vii Hình 4.56 Tỉ lệ BER của hệ thống khi hoạt động tại các tần số khác nhau với khoảng cách máy thu và máy phát là 200m 76 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị bt của từng loại đáy khác nhau 20 Bảng 2.2 Giá trị hệ số K, n theo từng loại đáy khác nhau [5] 21 ix DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu Gauss ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu OFDM Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin thủy âm x [...]... hiện có của hệ thống truyền thông trên mặt đất, ứng dụng của thông tin dưới nước sẽ được mở rộng, vai trò của nó trong thực tế sẽ được nâng cao Hình 1 1 cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về vai trò của hệ thống thông tin dưới nước Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 3 1.2 Loại sóng sử dụng trong thông tin dưới nước Việc thông tin dưới... trong thông tin dưới nước Chương 4: Mô phỏng hệ thống- Trình bày về hệ thống sử dụng trong mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, đa đường, các yếu tố của môi trường đến hiệu suất kênh truyền 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Hệ thống thông tin dưới nước đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trước trên thế giới Cùng với các hệ. .. được ảnh hưởng của nhiễu - Tính chất đa đường - Ảnh hưởng của tính chất phản xạ của từng loại đáy khác nhau - Xây dựng được hệ thống thông tin dưới nước đơn giản - Đánh giá được tỉ lệ lỗi bit của hệ thống với từng loại môi trường khác nhau: nước sâu - tầm xa, nước nông - tầm gần, nước nông - tầm xa Bố cục đề tài Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông. .. các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống Tuy nhiên, do những tính chất của môi trường nên hệ thống thông tin dưới nước có nhiều điểm khác biệt với hệ thống trên mặt đất Chương 1 trình bày loại sóng truyền dẫn dưới nước và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, ... trò của kênh thông tin dưới nước và các đặc tính cơ bản của sóng âm Qua chương 1, ta hiểu rõ hơn về các yếu tố tác động tới vận tốc sóng âm trong kênh thông tin dưới nước Để hiểu sâu hơn về hệ thống thông tin dưới nước, chương 2 sẽ trình bày chi tiết hơn về các đặc tính của kênh truyền 9 CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC Trong bất kỳ một hệ thống thông tin. .. tài Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước - Nghiên cứu, tìm hiểu những kiến thức tổng quan về kênh thông tin dưới nước cũng như những tính chất cơ bản của sóng âm Chương 2: Kênh truyền dưới nước- Nghiên cứu, tìm hiểu các tính chất của kênh truyền dưới nước Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, hiện tượng đa đường và hấp thụ với... nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống thông tin dưới nước Xuất phát từ những ý tưởng trình bày trên, tôi quyết định chọn đồ án liên quan đến việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu tới kênh thông tin dưới nước 1 Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài Những kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho các hoạt động thông tin liên lạc dưới nước như: các hoạt động... các thông số cần thiết như: thành phần hóa học trong nước, đánh giá mức độ ô nhiễm của nước Việc đánh giá hệ thống với các tham số đầu vào khác nhau đảm bảo được hệ thống khi triển khai có thể được áp dụng trên nhiều vùng miền với các đặc trưng địa lý khác nhau Mục tiêu của đề tài Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường dưới nước: ... Những thông số ảnh hướng tới kênh thông tin dưới nước Các thông số của môi trường ảnh hưởng trực tiếp và quan trọng lên đặc tính của kênh truyền được xem xét bao gồm: • Nhiệt độ (T) • Nồng độ muối (S) • Độ pH của nước biển ( pH) 7 • Độ sâu(D) hay áp suất của nước (P) • Sự biến động của bề mặt và địa hình đáy Các thông số này bên cạnh sự ảnh hưởng của chúng lên hệ thống kênh truyền dưới nước, ... hưởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có được cái nhìn tổng quan về hệ thống 1.1 Vai trò của hệ thống thông tin dưới nước Trước sự phát triển của cuộc sống, việc thông tin dưới nước ngày càng đóng vai trò quan trọng Những ứng dụng của hệ thống này rất đa dạng, như: các hoạt động thăm dò dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi . về vai trò của hệ thống thông tin dưới nước. Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 3 1.2 Loại sóng sử dụng trong thông tin dưới nước Việc thông tin dưới biển. KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Hà Nội, 6-2014 i Sinh. thông tin dưới nước. Chương 4: Mô phỏng hệ thống- Trình bày về hệ thống sử dụng trong mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, đa đường, các yếu tố của