Nghiên cứu phương pháp chống chống pha đinh đối với với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước

vi DANH MỤC CÁC HÌNH 1.2 Hình 1.2 là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự biến thiên tỷ số SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin 18 1.3 Hiện tượng đa đường tro

i

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : - Hội đồng bảo vệ Trường ĐHHH;

- Khoa Điện-Điện tử, Viện Sau đại học-Trường ĐHHH Việt nam

Tôi tên là : Phạm Văn Bình

Lớp : Cao học Kỹ thuật điện tử Khóa : 2013 - 2015

Tên đề tài tốt nghiệp:

“Nghiên cứu Phương pháp chống chống pha đinh đối với với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước"

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân được xuất phát từ yêu cầu thực tế công việc để hình thành nên hướng nghiên cứu áp dụng vào công việc thực tế tại đơn vị, luận văn này không giống hoàn toàn với luận văn hoặc công trình đã có trước đó

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015

TÁC GIẢ

Phạm Văn Bình

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau hai năm học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp của mình Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới các Thầy, cô giáo trong Khoa Điện - Điện tử và Viện sau đại học Trường đại học Hàng hải Việt nam đã mang hết tinh thần và trách nhiệm giảng dạy để truyền đạt những kiến thức bổ ích, tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình tham gia học tập tại Trường Qua đây, Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Tiến sỹ Phạm Văn Phước – Phó Giám đốc giám đốc Trung tâm huấn luyện thuyền viên đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc học tập và động viên giúp đỡ tôi cố gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015

Học viên

Phạm Văn Bình

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƯỚI NƯỚC VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Các khái niệm cơ bản và đặc trưng của thông tin thủy âm 6

1.3 Đặc trưng kênh thông tin 9

1.3.1 Suy hao do trải sóng 9

1.3.2 Suy hao do hấp thụ sóng 10

1.3.3 Suy hao đường truyền 11

1.3.4 Băng thông của kênh truyền 11

1.3.5 Tạp âm trong thông tin dưới nước 16

1.3.6 Trễ đường truyền 17

1.3.7 Hiện tượng truyền đa đường trong thông tin dưới nước 18

Chương II: CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƯỚI NƯỚC 21

2.1 Kỹ thuật điều chế 21

2.1.1 Giới thiệu chung 21

2.1.2 Một số vấn đề cơ sở đánh giá xác suất lỗi trong điều chế và giải điều chế 21

2.1.3 Kỹ thuật điều chế số 24

Chương III: PHƯƠNG PHÁP CHỐNG PHA ĐINH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 39

3.1 Pha đinh trong thông tin 39

iv

3.1.1 Khái niệm về pha đinh 39

3.2 Các phương pháp chống pha đinh trong thông tin dưới nước 47

3.2.1 Bộ cân bằng ở miền thời gian 48

3.2.2 Bộ cân bằng ở miền tần số 50

3.2.3 Bộ cân bằng độ dốc và độ lõm đặc tuyến truyền sóng 50

3.2.4 Kỹ thuật Phân tập 51

3.3 Tính toán và mô phỏng 53

3.3.1 Phương pháp chống pha đinh bằng Bộ cân bằng 0 53

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Hình 1.2 là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự biến

thiên tỷ số SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin 18 1.3 Hiện tượng đa đường trong thông tin dưới nước 19 1.4 Hcho thấy trong thông tin dưới nước sử dụng sóng thuỷ âm sóng 19

2.3 Hiệu quả băng thông-B (bit/s/Hz) là một hàm của SNR/bit 26

2.5 Chòm sao điều chế BPSK và biểu diễn tỷ lệ lỗi bít-BER 28 2.6 Sơ đồ khối kỹ thuật điều chế và giải điều chế BPSK 29 2.7 Đồ thị hàm phân bố xác suất có điều kiện với điều chế BPSK 29

2.8 Xác suất lỗi bít tổng theo lý thuyết và mô phỏng Matlab

2.9 Biểu diễn chòm sao điều chế 8MPSK và xác suất lỗi bít Pe 32

2.11 Tỷ lệ lỗi bít-BER của các chế độ điều chế MPSK và MQAM 33

2.15 Khoảng cách giữa các sóng mang con là 5Hz 38 2.16 Sơ đồ khối hệ thống thông tin thủy âm sử dụng OFDM 38

3.2 Hàm truyền và đáp ứng xung của kênh pha đinh phẳng 41 3.3 Hàm truyền và đáp ứng xung của kênh pha đinh chọn tần 42

vii

3.12 Mô tả bộ cân bằng độ dốc và độ lõm của đặc tuyến tần số 51

3.17 Đáp ứng tần số của kênh (màu Lam) và bộ cân bằng (màu Tím) 56

3.18 Đồ thị lỗi bít-BER của điều chế BPSK trong kênh 3 nhánh có

viii

CÁC TỪ VIẾT TẮT

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

CDMA Code Division Multiplex Access

DMI Diercted Matric Invesion

ISI Inter Symbol Interfere

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAM Pulse Amplitude Modulation

FSK Friquency Shift Keying

PSK Phase Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Ts Symbol Time – Interval

UWC Under Water Communication

SE Simple Eigen

SER Symbol Error Rate

SINR Signal to Interference plus-Noise Ratio

SISO Single Input Single Output

SNR Signal to Noise Ratio

TDMA Time Division Multiple Access

Trong khi đó việc phát triển cơ sở hạ tầng cũng có giới hạn và nhiều nơi phát triển trên cơ sở các đường truyền thông dụng đã có sẵn (đường điện thoại, thông tin di động) việc truyền các thông tin số trên các đường truyền dẫn dưới môi trường nước bị thăng giáng tín hiệu theo thời gian trong quá trình truyền dẫn kênh

vô tuyến, vì vậy đòi hỏi phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp làm giảm ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thông tin vô tuyến dưới nước sử dụng sóng âm (acoustic waves) đang được nghiên cứu và triển khai mạnh mẽ tại các nước tiên tiến Ban đầu chủ yếu cho truyền tín hiệu thoại điều chế tương tự với sóng mang trong khoảng 8~11kHz, ngày nay công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP) cho phép sử dụng các bộ điều chế và giải điều chế sóng thủy âm (acoustic modems) để truyền dữ liệu khoảng cách vài

km với tốc độ vài kbps Về ứng dụng, thông tin vô tuyến dưới nước được sử dụng cho 4 lĩnh vực lớn của đời sống

- Giám sát môi trường: theo dõi biến đổi khí hậu, kiểm soát ô nhiễm, dự báo thảm họa thiên nhiên, phục vụ thông tin dữ liệu khu vực giàn khoan dầu và ga, công tác bảo vệ cảng, nhà giàn, đặc biệt là sự hoạt động của tàu ngầm trên Vùng biển Việt nam

- Thăm dò dưới nước: khám phá các nguồn lực tự nhiên, các hiện tượng của biển cả, khám phá khảo cổ ở các vùng nước sâu

- Thu thập dữ liệu khoa học: Quan trắc đại dương, khoa học trái đất, sinh vật biển

Trong trường hợp điều chế số, hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước bị pha đinh có thể gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI)

Nghiên cứu phương pháp chống pha đinh đối với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước đang là vấn đề được quan tâm tại nhiều quốc gia Biển Đông của Việt Nam chứa rất nhiều nguồn lợi đang được quan tâm khai thác Thông tin dưới nước sẽ đóng vai trò quan trọng về an ninh quốc phòng, khai thác nguồn lợi biển, quản lý môi trường biển

Với những lý do trên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp chống pha

đinh trong hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình và công nghệ hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước, ảnh hưởng của môi trường truyền lan sóng âm trong nước, hiện tượng truyền đa đường do phản xạ mặt nước và đáy biển ảnh hưởng tới cường độ tín hiệu thu và hiện tượng nhiễu ISI khi sử dụng công nghệ điều chế số Các phương pháp chống pha đinh đa đường dựa trên đánh giá mức tín hiệu/tạp âm (SNR) như đã nêu phần trên

- Phạm vi cần tập trung nghiên cứu là pha đinh đa dường, mô hình pha đinh Rayleigh và Ricean theo lý thuyến xác suất thống kê Phương pháp chống pha đinh

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa, phân tích và xây dựng mô hình toán theo xác suất thống kê

3

- Phương pháp giải tích và tính toán các kết quả, phân tích so sánh đồ thị

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học

Khi truyền từ máy phát đến máy thu và ngược lại, tín hiệu không chỉ bị suy hao bởi môi trường truyền sóng, mà còn bị hấp thụ năng lượng do các địa chất, tầm che khuất Ngoài ra, tín hiệu còn xấu đi do ảnh hưởng của các hiện tượng ngẫu nhiên biến thiên theo thời gian và không gian như: tạp âm, pha đing, tán xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ Sự suy giảm lan truyền phụ thuộc vào tần số;

Sự suy hao đường truyền trong kênh thuỷ âm trên một khoảng cách nào đó

có thể tính là A = dka(f)d, trong đó: d đặc trưng cho suy hao đường truyền; k thường nhận giá trị trong khoảng giữa 1 và 2; a(f): là hệ số suy hao phụ thuộc vào tần số f Sự phụ thuộc này là giới hạn chặt chẽ băng tần sử dụng; ví dụ ở khoảng cách yêu cầu là 100km, chỉ có thể sử dụng băng tần 1kHz Ở khoảng cách ngắn hơn băng tần sẽ rộng hơn, nhưng trong thực tế nó vẫn phụ thuộc vào bộ biến năng Cũng khác biệt hẳn với các hệ thống vô tuyến, tín hiệu thuỷ âm có băng thông rất hẹp có nghĩa là băng thông gần như không đáng kể so với tần kế trung tâm

 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Xây dựng phương pháp và mô hình hệ thống chống pha đinh đa đường đối với với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước sử dụng sóng thủy âm (acoustic waves) cho các cự ly thông tin khác nhau trong phạm vi 1-5 km cho cả hệ thống thông tin tương tự và thông tin số

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước và các vấn

4

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƯỚI NƯỚC

VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, cộng đồng khoa học đã tập trung nhiều nguồn lực nghiên cứu về thông tin dưới nước, đặc biệt tập trung vào thông tin bằng sóng thủy âm (acoustic sound communications)

Hiện nay liên lạc vô tuyến hiện đại trên mặt đất và trên không đã trở thành một phần không thể thiếu được của cuộc sống thì các ý tưởng về liên lạc ngầm dưới lòng đại dương vẫn còn là vấn đề khá xa lạ và mới mẻ Tuy nhiên trong vài thập niên gần đây ngươì ta đã cố gắng nghiên cứu về các phương pháp truyền dẫn thông tin dưới nước Hiểu biết của nhân loại và hiểu biết về biển cả là do chúng ta thu thập các tin tức từ các vùng biển xa, ở dưới đáy biển sâu đã được thực hiện bằng cáp ngầm Mặc dù các hệ thống này (cáp ngầm) là thành phần không thể thiếu được đối với việc liên lạc tốc độ cao từ đáy biển sâu đến mặt nước, nhưng bản thân hệ thống lại phải chịu tải của một hệ thống cáp truyền dẫn rất nặng, thậm chí cả về giá thành cáp Vì thế, đã thúc đẩy chúng ta nghĩ đến vấn đề liên lạc không dây dưới nước Cùng với công nghệ cảm biến (sensor) và công nghệ giao thông, các phương tiện liên lạc vô tuyến không dây sẽ giúp chúng ta có thể thực hiện nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực quản lý môi trường đến việc thu thập giữ liệu hải dương học, khảo cổ hành hải và các hiệm vụ tìm kiếm cứu nạn

Sóng vô tuyến điện ở tần số sóng trung 300-3000kHz khi truyền trong môi trường dưới nước bị hấp thụ rất mạnh vì vậy chỉ có thể truyền ở cự ly rất gần trong phạm vi hàng trăm mét Để thông tin xa thì cần phải dùng mạng lưới các nút chuyển tiếp, đây là việc khó khả thi và chỉ thích hợp với một số nơi nhất định Để thông tin xa dưới nước, phải nghĩ đến việc sử dụng sóng âm – hay còn gọi là sóng thủy âm (underwater acoustic sound waves) Sóng âm truyền lan dựa vào áp suất, tức là phát sóng âm thanh vào nước và sóng âm sẽ truyền lan đi Vì tần số nằm trong dải âm thanh, nên sóng âm được điều chế tín hiệu mang tin tức chắc chắn

5

cho dung lượng rất thấp vì băng thông hẹp Nếu truyền tín hiệu thoại thì tốc độ mã hóa nguồn tin cần phải rất thấp sử dụng các bộ mã hóa riêng Nếu sử dụng tín hiệu tương tự thì sẽ bị ảnh hưởng mạnh do tạp âm dưới nước rất đa dạng Sóng thủy âm

bị ảnh hưởng rất mạnh do pha đinh khi đi lên mặt nước hoặc đi xuống đáy và khúc

xạ hoặc phản xạ gây ra hiện tượng pha đinh đa đường Mặt khác nước hấp thụ làm suy hao sóng cho nên máy thu yêu cầu độ nhậy cao và máy phát cần công suất lớn Tuy nhiên nguồn mang theo thiết bị có hạn về năng lượng cho nên không thể tăng công suất phát quá lớn Đó đang là vấn đề thời sự cho hệ thống thông tin dựa vào sóng thủy âm

Việt Nam có bờ biển dài trên 3000km, Biển Đông có diện tích lớn và chứa nhiều nguồn lợi đang cần khám phá và khai thác Vì lẽ đó thông tin dưới nước đang đặt ra đòi hỏi về nghiên cứu và triển khai ứng dụng

+ Từ năm 1826 nhà vật lý J.D Colladon và nhà toán học C.F Sturn đã thí nghiệm thử nghiệm âm thanh và đo tốc độ trong nước để chứng minh rằng tốc độ truyền của nó nhanh hơn âm thanh trong không khí bằng cách sử dụng 1 cái chuông của nhà thờ phát âm thanh trong nước ở khoảng cách đo 10 dặm

Ngày nay bằng phương tiện hiện đại, các nhà khoa học đã đo được tốc độ sóng thủy âm biến đổi quanh mốc 1500m/s hay 5400km/giờ

Việc xây dựng các hệ thống thông tin dưới nước có thể dựa trên sự truyền lan của các sóng mang với 3 phương án cơ bản:

- Sóng điện từ: Là phương thức truyền dẫn thông tin rất hoàn hảo cho các hệ thống trên mặt nước Song ở dưới mặt nước gặp rất nhiều khó khăn, phức tạp do tính dẫn điện và đặc biệt là do tính hấp thụ sóng điện từ rất lớn của nước Tần số càng cao, sóng điện từ càng bị hấp thụ nhanh và không thể lan xa được, Hiện tại sóng điện từ chỉ hoạt động trong dải tần số (30 – 300Hz) do đó kích thước ăng ten lớn và công suất máy phát cao

- Sóng quang học: Tuy không bị suy hao lớn như sóng điện từ nhưng sóng quang học có 2 nhược điểm là: máy thu không thể mở rộng trong không gian; ảnh hưởng mạnh của nhiễu do hiện tượng tán xạ gây dán đoạn thông tin

6

- Sóng thuỷ âm: Có hiệu quả nhất trong việc truyền dẫn thông tin dưới nước

là sử dụng sự truyền lan của sóng thuỷ âm (Acoustic Wave)

Hiện nay công nghệ thông tin không dây dưới nước sử dụng sóng thuỷ âm đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là lĩnh vực quân sự Với sự phát triển của lực lượng tàu ngầm, các phương tiện thông tin phục vụ giữa cơ sở bờ và dưới mặt nước ra đời Hệ thống quan sát, cảnh giới ngầm nhằm ngăn chặn từ xa sự xâm nhập của đối phương thông qua hệ thống sona đang được nhiều nước trên thế giới ứng dụng

1.2 Các khái niệm cơ bản và đặc trƣng của thông tin thủy âm

Sóng âm truyền lan trong nước đó là sóng cơ học, nó khác với sóng điện từ truyền lan dưới tác động của điện trường và chịu ảnh hưởng của từ trường trái đất

Âm thanh được tạo ra khi vật thể rung động và tạo lên chuyển động ra môi trường xung quang Nó tạo ra sự truyền lan dao động khi các hạt trong môi trường dao động theo cùng hướng truyền lan – sóng đứng

Với một sóng phẳng, màng phát tạo ra sóng thủy âm nén đẩy vào trong chất

lỏng hay nước tạo ra áp suất – P, đo bằng Pascal hay N/m2 Áp suât này tỷ lệ với vận tốc sóng âm – c, vận tốc của phần tử chất lỏng – v và mật độ đậm đặc của chất lỏng – d0 , định nghĩa theo phương trình:

P  d c v0  d c 2   f (1.1.)

Trong đó d (density) = mật độ chất lỏng, ξ = v/2π.f =v/ω, hay v=ξ.2π.f Áp suất tạo ra lực dao động Đại lượng d0.c là trở kháng riêng có vai trò như trở kháng sóng của một sóng điện từ theo phương ngang

Âm trở được xác định: Z P

U

 (1.2)

Trong đó: U là thể tích vùng âm truyền qua Z là một đại lượng phức

Cường độ âm-I: là năng lượng đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 giây

I=P.v (W/m2) (1.3) Với môi trường truyền sóng riêng ký hiệu là Ir, cường độ riêng dưới nước được tạo ra bởi một sóng phẳng với áp suất hiệu dụng hay trung bình quân phương

7

bằng 1μPa

Phương trình sóng: Tương tự như sóng điện từ, sóng thủy âm có thể được

lập phương trình bởi áp suất trong hệ tọa độ cầu tại điểm cách nguồn ở khoảng cách – r, góc ở tâm là θ và υ như sau:

Tốc độ sóng âm trong môi trường nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và

độ mặn của nước Nhiệt độ giảm ở sâu trong nước, độ mặn tỷ lệ thuận tuyến tính với với độ sâu, và áp suất cũng tỷ lệ tuyến tính với độ sâu

Thực nghiệm chỉ ra rằng: ở độ sâu dưới 1000m thì tốc độ sóng âm giảm dần tính từ bề mặt, nhưng khi độ sâu vượt trên 1000m thì vận tốc đó tăng dần và vượt ngưỡng 1500m/s

Bằng thực nghiệm các nhà khoa học đã đo được vận tốc của âm trong môi trường chất khí và môi trường chất lỏng ở nhiệt độ tiêu chuẩn 250c Ví dụ: vận tốc

âm trong không khí là 333m/s, trong Hidrogen là 1284m/s, trong Oxygen là 1016m/s; trong nước biển là 1531m/s, nước lọc là 1498m/s, glycerol là 1904m/s,

Tốc độ sóng thuỷ âm được tính theo công thức:

c1448,6 4,618 T 0,0523.T21,25(S35) 0,017 D (1.5) Trong đó: T là nhiệt độ (0

C), S- Độ mặn, D – độ sâu (m) Cũng như sóng điện từ bức xạ vào không gian theo búp sóng, sóng âm truyền lan cũng từ nguồn bức xạ và tạo nên các mẫu hay búp sóng Mẫu truyền lan phụ thuộc vào góc mở, cũng có thể gọi là độ định hướng Khi độ mở của nguồn bức xạ tăng lên mẫu bức xạ sẽ xuất hiện búp phụ

8

Hình 1.1 Mẫu bức xạ sóng âm trong nước

Độ lớn hay đại lượng đặc trưng cho mức nguồn liên quan tới một bộ phát,

nó được định nghĩa theo mức áp suất âm ở khoảng cách 1m từ tâm điểm phát ra nguồn âm Cường độ nguồn ở điểm xét được cho bởi công thức:

ref ref

( ) 170,8 10log

n

M P dB  Pt (1.9) Đối với nguồn phát có định hướng: độ định hướng được viết

9

1.3 Đặc trƣng kênh thông tin

Các thành phần lý và hóa học của nước biển ảnh hưởng mạnh tới sóng thủy

âm Chúng làm trải sóng âm và hấp thụ năng lượng sóng làm suy giảm năng lượng khi sóng âm truyền lan Thêm vào đó do tính chất hình học của kênh truyền có thể gây ra hiện tượng pha đinh đa đường gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI) tại đầu thu Việc tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm –SNR và tỷ lệ lỗi bít –BER để ước lượng kênh truyền là điều rất cần thiết Suy hao trong kênh truyền là vấn đề cần quan tâm của mọi hệ thống Đối với thông tin bằng sóng vô tuyến, uy hao trong không gian

tự do tỷ lệ với tần số phát và cự ly thông tin, bên cạnh đó suy hao còn do các tác động của hơi nước, bầu khí quyển, tạp âm vũ trụ…, tạp âm nhiệt nội tại của hệ thống thông tin Thông tin bằng sóng thuỷ âm có các loại suy hao do trải rộng sóng, do hấp thụ, suy hao do cự ly thông tin, suy hao do tạp âm và đặc biệt hiện tượng đa đường tác động lớn đến chất lượng thông tin

1.3.1 Suy hao do trải sóng

Suy hao này do vùng lan tỏa sóng tăng dưới biển rộng trong khi tín hiệu âm thanh phát đi là hữu hạn về năng lượng, do sóng mặt dịch chuyển ra xa dần nguồn

phát Năng lượng suy hao do trải rộng có thể được mô hình hóa:

( )( ) 10log

trai

PL r dB k r (3.11) Trong đó Ltrai là ký hiệu suy hao trải, P là năng lượng, r là khoảng cách từ nguồn và k là hệ số suy hao

Khi môi trường truyền phát trong nước biển không giới hạn, hệ số trải k=2, tương đương với cường độ nguồn giảm theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách Trong trường hợp sự trải có giới hạn, hệ số k thay đổi Nếu giới hạn truyền trong một đường ống, k=1 Một số nghiên cứu và thực nghiệm đã chỉ rằng, ở cự ly thông tin ngắn dưới nước, sự trải mặt cầu sóng gây ra suy hao có quan hệ theo hàm logarit với khoảng cách r và ảnh hưởng lớn tới năng lượng sóng, khoảng cách này trong phạm vi tới 50m Trong giới hạn r ngắn như vậy thì hấp thụ năng lượng nhỏ hơn so với suy hao trải

( , )( ) 10log ( )

hthu

PL r f dB   f r (1.12) Trong đó α là hệ số hấp thụ, nó phụ thuộc vào tần số Với một tần số cho trước, lượng hấp thụ thay đổi tuyến tính theo khoảng cách r(km)

Sự hấp thụ năng lượng sóng trong nước biển gây ra bới 3 ảnh hưởng bao trùm: Đó là sự ma sát, hồi phục ion của các phân tử axit boric và sun-phát ma-giê – MgSO4 và thời gian hồi phục Với tần số trên 100kHz ảnh hưởng của ma xát rất lớn, trong khi đó thì ảnh hưởng do hồi phục ion của ma-giê lại gây ra ở phạm vi tần

số từ 10-100kHz, và axit boric lại gây ảnh hưởng mạnh ở các tần số thấp hơn trong phạm vi dưới 10kHz

Về tổng thể, khi tần số âm tăng hệ số hấp thụ α tăng, khi độ sâu tăng thì α giảm

Hệ số α trong nước biển lớn hơn so với vùng nước ngọt do hệ số hồi phục ion Ngoài 3 ảnh hưởng bao trùm nói trên, các ảnh hưởng do tần số, độ mặn, nhiệt

độ, nồng độ pH, độ sâu và tốc độ âm cũng là những yếu tố cần quan tâm

Nhà khoa học Thorp từ thập niên 60s đã mô hình hóa hệ số α với các thông

số cho trước như sau: độ mặn nước biển 35ppt (35 phần nghìn), pH=8, t=40C độ sâu 0m, tần số f trong phạm vi 100kZ – 1MHz

Cuối thập kỷ 70s và đầu 80s, bốn nhà khoa học Fisher, Simmons, Francois

và Garrison đã đề xuất công thức tính hệ số hấp thụ trong nước biển với độ mặn,

pH, tần số tương đương như trên, theo phương trình:

11

Trong đó: f là tần số, d là độ sâu, t tính theo 0

C, các hệ số Ai đặc trưng cho ảnh hưởng của nhiệt độ, các hệ số Pi đặc trưng cho áp suất liên quan tới độ sâu, các

hệ số f1 và f2 đặc trưng cho tần suất phục hồi của các nguyên tố axit boric và sun phát magie

Từ hai phương trình (2.12) và (2.13) có thể đưa ra nhận xét như sau: Với nhiệt độ và độ sâu cố định nào đó thì hệ số hấp thụ tăng theo tần số Ở khoảng 80kHz, sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng lớn hơn tới hệ số hấp thụ sóng so với độ sâu, nhưng ở tần số lớn hơn 80kHz thì độ sâu ảnh hưởng mạnh hơn

Nếu độ sâu và tần số không đổi, nhiệt độ thay đổi từ 0-270C thì hệ số hấp thụ sóng âm giảm 4dB/km đối với các tần số dải từ 30-60kHz

Bên cạnh 2 phương trình tính toán hệ số hấp thụ sóng âm nêu trên, nhà khoa học Urick nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu và đề xuất công thức tính:

d( dB m / )   10 (1 5,9.10 )3d  6 (2.15) Trong đó: d là độ sâu (m), đề xuất giảm 2% mỗi nấc độ sâu tăng 300m

1.3.3 Suy hao đường truyền

Suy hao đường truyền là sự kết hợp 2 yếu tố suy hao trải và hấp thụ sóng âm nói trên, làm suy giảm năng lượng sóng âm Cuối thập niên 60 nhà khoa học Urick

đã lập ra công thức tính suy hao tổng:

3( , , , )( ) 10log ( , , ) .10

loss

P r f d t dB k r f d t r  (1.16) Trong đó r là khoảng cách tính từ nguồn phát, f là tần số, d là độ sâu, t là nhiệt độ, α là hệ số hấp thụ năng lượng, k là hệ số

1.3.4 Băng thông của kênh truyền

Băng thông có ý nghĩa quan trọng trong hệ thống thông tin, nó đảm bảo tốc

độ thông tin mong muốn khi tỷ số SNR thay đổi

Suy giảm hay suy hao đường truyền xuất hiện trong kênh thông tin thủy âm dưới nước đối với một tần số trên một khoảng cách d có thể miêu tả bằng phương trình sau:

( , ) k ( )d

A l f d  f (1.17)

12

Trong đó k là hệ số trải (tiêu biểu dùng k=1,5), α(f) là hệ số hấp thụ sóng

âm Với các tần số trên 100Hz, hệ số hấp thụ có thể dùng phương trình (2.12) Hệ

số giới hạn chính làm hạn chế phạm vi tần số cực đại mong muốn là hệ số suy hao

do hấp thụ sóng thủy âm Tăng tần số làm tăng suy hao đường truyền vì hệ số hấp thụ sóng âm tăng

Đặc điểm kênh truyền thông thông tin sóng thủy âm được nêu trong bảng sau:

Bảng 1.1 Đặc điểm của thông tin bằng sóng thủy âm

Thông số kênh Sóng Thủy âm Khác sóng vô tuyến Kéo theo vấn đề xử lý tín hiệu, hoặc mạng

Băng thông và SNR

Băng thông rất hạn chế Băng thông phụ thuộc khoảng cách thông tin

Cần nén dữ liệu, điều chế hiệu quả băng thông, Lựa chọn mạng topo

Chia sẻ nguồn và tái sử dụng Pha đinh/đa đường

Nhịp ISI hàng chục symbol,

Mô hình pha đinh đặt ra thách thức nghiên cứu

Cân bằng thích nghi, xử lý mảng,

Cần các giao thức động, Tối ưu hóa lớp x

Hiệu quả dung lượng của mạng

Bảng 1.2 Thống kê các công trình nghiên cứu và kết quả hệ thống

Đơn vị Áp dụng Kênh Điều chế Bù ISI Băng tần Tốc độ

OKI electr

Robot Thông tin Điều khiển

Ngắn 60m Vùng nông

JAMTEC Tạo ảnh Đứng

6500m 4-DPSK LE (LMS) 20kHz 16kbps IFREMER/

ORCA

Tạo ảnh,

Dữ liệu

Đứng 2000m 2-DPSK không 53kHz 19,2kbps ENST

2-DPSK DS-SS 30kHz

100kHz 600bps WHOI/

Datasonic

Đo xa Telemetry

Đứng và ngang 16x4-FSK không 15kHz 1200kbps

WHOI Đo xa

Telemetry

Dưới băng Vùng nông

QPSK DFE(RLS) 15kHz 5kbps

13

Đặc điểm vật lý của sự truyền lan sóng thủy âm: Băng thông giới hạn và phụ thuộc vào cự ly (do suy hao, sóng âm bị nước hấp thụ năng lượng, pha đinh bề mặt nước và tầng đáy) Theo thống kê trong bảng: Tần số sử dụng cho thông tin dưới nước 20kHz và 53kHz cho phép thông tin ở cự ly 6500m-đứng và 2000m-đứng tốc

độ dữ liệu tương ứng là 16 và 19,2 kbps Kỹ thuật điều chế được sử dụng là DPSK và 4-DPSK

2-Theo thống kê trong bảng 1.3, với tần số phát-thu 50kHz dùng kỹ thuật điều chế DPSK, 2 và 4-DPSK cho phép đạt tốc độ 10 và 20kbps ở cự ly cực đại 1,5 hải

lý Trong khi đó nếu dùng 1kHz, điều chế 4/8/16-PSK và 8-QAM ở cự ly thông tin tới 50/100 hải lý chỉ cho phép truyền dữ liệu tốc độ 1-2kbps

Bảng 1.3 Thống kê kết quả về xử lý tín hiệu và kỹ thuật điều chế pha đồng bộ

Đơn vị Kênh thử Kỹ thuật

Điều chế

Anten Mảng

Xử lý Cân bằng

Băng tần Tốc độ

Đại học

Birmingham

0,5-1,5NM Vùng nông

DPSK 2-DPSK

~50NM Vùng nông 1NM

M-PSK, QAM M=4,8,16

8-Thu RLS Phản hồi

Đa kênh DFE (RLS)

Với phạm vi băng thông giới hạn, tín hiệu truyền lan bị ảnh hưởng đa đường

mà đặc điểm là biến đổi theo thời gian và phụ thuộc mạnh vào vị trí trạm phát và thu Cấu trúc đa đường phụ thuộc vào cấu hình kết nối chủ yếu là chiều thông tin thẳng đứng hoặc nằm ngang Trong khi các kênh đứng ít bị hiện tượng đa đường, thì các kênh ngang bị mở rộng về đa đường Đáng chú ý nhất là các kênh có cự ly truyền trung bình và dài, truyền lan đa đường gây ra sự giảm chất lượng trầm trọng của tín hiệu thông tin sử dụng sóng thủy âm Xung đột của thực tế pha đinh đa đường với việc đặt ra về tốc độ dữ liệu đòi hỏi cao là một thử thách đối với hệ thống thông tin sử dụng sóng thủy âm

14

Trong một hệ thống thông tin số, truyền lan đa đường gây ra nhiễu ký tự -ISI

và chỉ số quan trọng là sự trải đa đường trên các khoảng cách ký tự - symbols Trong khi sự trải đa đường trong các kênh vô tuyến nằm trong phạm vi khoảng vài symbols, thì trong kênh thông tin dưới nước với sóng thủy âm chúng tăng tới hàng chục hoặc hàng trăm khoảng cách ký tự đối với tốc độ dữ liệu trung bình và cao

Ví dụ, hiện tượng đa đường chung gặp phải trải tới 10ms trong cự ly thông tin trung bình ở vùng nước nông, gây ra nhiễu ISI mở rộng tới 100 symbols nếu hệ thống hoạt động tốc độ 10k symbol/s Cơ chế hình thành đa đường phụ thuộc vào cấu trúc hình học của kênh và tần số của tín hiệu được phát Hiểu biết các cơ chế này dựa trên cơ sở lý thuyết và các mô hình truyền lan âm thanh Hai cơ chế chính hình thành đa đường là phản xạ ở biên sóng tới (như đáy, bề mặt nước và mọi vật thể trong nước) và sự uốn cong tia Vùng nước nông truyền lan luôn xuất hiện giữa

bề mặt và đáy, thêm vào đường truyền thẳng sẽ có các đường truyền phản xạ từ trên mặt và dưới đáy Vùng nước sâu bao quanh các lục địa, kênh sóng âm có thể hình thành việc uốn cong các tia hướng theo trục của kênh âm thanh ở vùng nước sâu mà ở đó tốc độ âm đạt tới giá trị nhỏ nhất (khoảng vài trăm mét) Hơn nữa các tia uốn cong về phía trước có thể đến bề mặt tập trung trong 1 điểm cùng phản xạ,

và quá trình lặp lại diễn ra theo chu kỳ (chiều dài tiêu biểu của vùng hội tụ khoảng 50-100km)

Trong các kênh phát đứng, đa đường có thể hình thành do tán xạ ngược bề mặt Kết cấu hình học của truyền lan đa đường có vai trò quan trọng với hệ thống thông tin sử dụng xử lý mảng để triệt ảnh hưởng đa đường Thiết kế hệ thống cần

đi kèm với mô hình đa đường để dự báo cấu hình đa đường Lý thuyết tia và lý thuyết các chế độ thông thường cung cấp nền tảng cho mô hình hóa bức xạ như vậy Các tham khảo gần đây dùng đồ họa tia xác định hướng cấu trúc đa đường cho việc mô hình hóa kênh thông tin Một loại nữa của hệ thống thông tin dưới nước đã được phát triển, trong đó không dựa vào đặc điểm hình học của truyền lan đa đường và có thể áp dụng trong một loạt kênh, không quan tâm tới các thông số như

tỷ lệ cự ly theo độ sâu trong đó chỉ quan tâm tới việc xác định góc xuất hiện của tia

15

đa đường đến Đi kèm với mỗi đường truyền lan có thể xác định (đa đường macro), trong đó có thể mô hình hóa một cách chính xác, là các tín hiệu thăng giáng ngẫu nhiên (đa đường micro), trong đó tính toán sự biến thiên theo thời gian của đáp ứng kênh Một số thăng giáng ngẫu nhiên có thể được mô hình hóa theo thống kê Các thăng giáng này bao gồm cả tán xạ bề mặt do sóng, đó là phần quan trọng nhất đối với tổng thời gian biến đổi của kênh thông tin vùng nước nông Trong vùng nước sâu, thêm vào tán xạ bề mặt, sóng ngầm tạo nên thăng giáng ngẫu nhiên đối với đường truyền đơn Kênh thông tin đa đường biến đổi theo thời gian được mô hình hóa như một đường trễ phân nhánh, với khoảng nhánh cân bằng với nghịch đảo hai lần băng thông kênh và phân nhánh hữu ích cho mô hình do quá trình ngẫu nhiên với phân bố và mật độ phổ công suất nhất định

Trong khi kênh thông tin vô tuyến di động phù hợp với mô hình pha đinh

Rayleigh trong đó phân nhánh đạt được sự hữu ích bắt nguồn từ quá trình Gauss phức tạp, chưa có mô hình riêng nào được chấp nhận cho các kênh thông tin dưới nước Kênh nước sâu cũng đã được mô hình hóa theo kênh pha đinh Rayleigh, tuy nhiên chưa có báo cáo thông số nào được công bố

Trong kênh thông tin di động dưới nước, tốc độ di chuyển của thiết bị ngầm

sẽ là yếu tố chính, xác định các thành phần đồng bộ thời gian của kênh, hệ quả là việc thiết kế hệ thống Nhận thức về mô hình kênh theo thống kê đã chứng tỏ được

sự hữu ích trong thiết kế hệ thống thông tin (ví dụ mô hình Jakes đối với kênh thông tin vô tuyến di động), tuy nhiên vẫn còn bỏ ngỏ tương lai của việc phát triển các mô hình kênh theo thống kê của hệ thống thông tin dưới nước và tối ưu hóa hệ thống phù hợp các mô hình này

Nhiễu ISI trong tín hiệu thu phụ thuộc vào cả kênh vật lý và thời gian phát xung Một mặt, truyền tín hiệu tốc độ cao – xung ngắn gây ra nhiều symbol cạnh nhau nhiễu tại máy thu và yêu cầu xử lý phức tạp để bù lại Mặt khác do xung ngắn hơn, biến đổi kênh trên một symbol đơn trở nên không đáng kể Điều này cho phép máy thu thích nghi để truy bám hiệu quả kênh trên nền tảng từng symbol Do đó đa đường biến thiên theo thời gian gợi nên sự dung hòa việc chọn tốc độ cho một

16

kênh chọn trước: Trải đa đường của kênh đo theo khoảng cách các symbol sẽ dài hơn ở một tốc độ tín hiệu cao hơn, nhưng sự đồng bộ về thời gian được xác định cùng tỷ lệ sẽ được cải thiện Các phương pháp thực hiện với các kênh thông tin dưới nước với nhiễu ISI dài đang phát triển cho nên có thể dùng các tốc độ phát và kênh biến đổi theo thời gian cao hơn

1.3.5 Tạp âm trong thông tin dưới nước

Trong hệ thống thông tin dưới nước có 4 yếu tố gây ra nhiễu và tạp âm Tạp

âm nhiệt, có thể coi là nhiễu trắng, luôn xuất hiện trong các hệ thống thông tin Nhiễu do sóng biển dịch chuyển làm cho môi trường nước mất ổn định và thay đổi các thành phần tĩnh của kênh tạo nên điểm khúc xạ gây ra đa đường khác nhau Các con tàu chạy trên mặt nước gây ra sự dịch chuyển dòng nước cũng gây nhiễu cho thông tin Yếu tố thứ tư gây nhiễu cho thông tin đó là các yếu tố do tự nhiên, gây ra bởi các cơn bão gây mưa tạo nên các bong bóng trên mặt nước

Tạp âm tồn tại trong toàn bộ hệ thống truyền thông Nguồn tạp âm chính là tạp âm nhiệt nền, tạp âm điện trong bộ khuếch đại phía thu Ngoài ra tạp âm được tạo ra trong nội bộ hệ thống như ISI, ICI và IMD Chúng làm giảm SNR và làm giảm hiệu quả phổ tần của hệ thống Vì thế cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tạp

âm đối với tỷ lệ lỗi truyền thông và hoà hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần Giải pháp khắc phục

Mã hoá Gray: là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao

sẽ chỉ khác nhau một bit Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn Thường tiến hành mã hoá Gray khi điều chế M-QAM hay M-PSK

1 Tạp âm nhiệt:

(( 15 20log10( )) 10

17

4 Tạp âm do mưa bão:

((17 30log10( )) 10

7 Các đường khúc xạ hoặc phản xạ từ mặt nước và đáy biển khi đến máy thu tạo nên 2 trường hợp: Nếu sóng phản xạ đồng pha với sóng truyền trực tiếp thì tín hiệu thu tổng tăng SNR Nếu có sự lệch pha thì các tia tới khử nhau làm cho tín hiệu thu có SNR nhỏ, có thể dẫn tới làm mất tín hiệu thu, đồng thời gây ra hiện tượng tượng méo do nhiễu ISI, khi đó máy thu không thể tách sóng pha để khôi phục dữ liệu Trong trường hợp đó cần phải sử dụng bộ cân bằng thích nghi, các phương pháp hỗn hợp, hoặc kỹ thuật điều chế phức tạp ví dụ OFDM để đảm bảo duy trì chất lượng thông tin

1.3.6 Trễ đường truyền

1.3.6.1 Tốc độ sóng âm trong nước

Tốc độ sóng thuỷ âm phụ thuộc vào khối lượng và mật độ môi trường nước Trong đại dương hệ số này phụ thuộc vào từng khu vực

Vận tốc trung bình của sóng âm trong nước là khoảng 1500m/s chậm hơn nhiều lần so với sóng vô tuyến trong không gian tự do, vì vậy trễ truyền của sóng

âm rất lớn và việc áp dụng kỹ thuật phản hồi để điều khiển công suất phát chống lại pha đinh đa đường trở nên khó khăn Trễ đường truyền có thể tới hàng vài trăm mini giây thậm chí hàng nghìn mini giây khi cự ly thông tin tăng lên

Sự truyền lan của sóng mang vô tuyến thuỷ âm trong môi trường nước nằm trong dải tần số rất hẹp Hình 1.2 là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự biến thiên tỷ số SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin Đồ thị cho thấy:

18

Dải tần công tác là rất nhỏ; cự ly thông tin tăng lên, độ bằng phẳng của kênh giảm

đi Hai yêu tố này giải pháp sử dụng Bộ san bằng kênh là rất cần thiết và hợp lý

Hình 1.2 Là đặc tính tần số của kênh truyền dẫn biểu diễn sự biến thiên tỷ số

SNR theo tần số với các tham số là cự ly thông tin 1.3.7 Hiện tượng truyền đa đường trong thông tin dưới nước

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi

sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation)

Đây là thực tế đối mặt của thông tin dưới nước Sóng âm truyền từ máy phát đến máy thu đi theo nhiều đường:

19

Hình 1.3 Hiện tượng đa đường trong thông tin dưới nước

Tia 1 truyền thẳng từ trạm phát đến trạm thu Các tia 2 và 4 khúc xạ từ mặt biển Tia 3 và 4 khúc xạ từ đáy biển

Do độ dài đường truyền khác nhau, tại máy thu các tia tới có độ trễ thời gian khác nhau do đó tín hiệu thu sẽ bị thăng giáng tỷ số SNR Đó chính là hiện tượng pha đinh đa đường vấn đề đặt ra nghiên cứu trong luận văn này, sẽ được đề cập trong các chương tiếp theo

1.3.8 Một số ứng dụng hệ thống thông tin thuỷ âm

- Hệ thống Evologic S2CR48/78 dùng thông tin liên lạc, thiết bị định vị âm thanh dưới nước và dùng cho robot quan sát ngầm;

20

- HT REvologics dùng trong lĩnh vực quân sự

Từ những nghiên cứu về các ảnh hưởng của môi trường truyền, đặc điểm của kênh thuỷ âm và qua nghiên cứu thực tế của một số dạng kênh cụ thể Chúng

ta thấy rằng: truyền dẫn tín hiệu số sử dụng sóng thuỷ âm (Acoustic Wave) có hạn chế chủ yếu đó là nhiễu các ký hiệu (ISI), mặc dù vậy với việc sử dụng các mạch san bằng nhằm hạn chế ISI thì sóng thuỷ âm vẫn là lựa chọn đầu tiên cho hệ thống thông tin dưới nước Thực tế này đã và đang được phát triển rộng rãi trên thế giới

và khu vực

21

Chương II CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN DƯỚI NƯỚC 2.1 Kỹ thuật điều chế

2.1.1 Giới thiệu chung

Cũng như hệ thống thông tin sử dụng sóng vô tuyến truyền lan trong không gian, hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng thuỷ âm cũng sử dụng các phương pháp điều chế và mã hoá tín hiệu mang tin tức Có hai kỹ thuật điều chế đó

là điều chế tương tự và điều chế số

Điều chế là quá trình gắn tín hiệu mang tin vào sóng mang cao tần Tín hiệu mang tin là tương tự, thì khi thực hiện điều chế được gọi là điều chế tương tự Nếu tín hiệu mang tin tức đã được số hoá, biến đổi qua bộ biến đổi ADC, thì quá trình điều chế được gọi là điều chế số

Đối với hệ thống thông tin dưới nước, vì sóng mang có tần số thấp từ vài kHz đến dưới 1MHz nên băng thông hạn chế Sử dụng tần số cao hơn dải trên sóng

âm sẽ bị suy hao rất mạnh không đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng thông tin và chỉ thực hiện được ở những cự ly rất ngắn Theo nghiên cứu công bố như nêu trong bảng 1.2 cho thấy sử dụng tần số 1MHz chỉ thực hiện trong cự ly 50-60m và chỉ đạt được tốc độ 500bps Thực tế chỉ ra rằng hệ thống thông tin dưới nước dùng sóng âm chỉ sử dụng đoạn tần số dưới 100kHz

Căn cứ vào hàm sóng mang, trên mô hình vật lý sử dụng lượng giác miêu tả sóng, có thể thấy rằng có 3 phương pháp điều chế: điều chế biên độ, điều chế tần

số và điều chế pha sóng mang

Đối với hệ thống điều chế tín hiệu tương tự, chủ yếu dùng cho thông tin thoại có tần số 3-3400Hz, tại đầu thu sử dụng bộ suy giảm để giảm độ lớn tín hiệu khi các sóng pha đinh đồng pha Ngày nay thông tin sử dụng công nghệ số vì vậy điều chế tương tự AM, FM và PM không được đề cập sâu trong luận văn này

2.1.2 Một số vấn đề cơ sở đánh giá xác suất lỗi trong điều chế và giải điều chế

+ Hàm sai số và tỷ lệ lỗi bít

22

Mục này sẽ đưa ra các vấn đề tổng quan về hàm sai số và ứng dụng cho tính toán xác suất theo các thông số của hàm được dùng trong hệ thống thông tin Đồng thời bao gồm hàm sai số gần đúng để đơn giản hóa tính toán đối với hệ thống thông tin Các kết quả thuận lợi cho việc xác định xác suất lỗi bít (Pe) hoặc tỷ lệ lỗi bít (BER) cho các kỹ thuật xử lý và điều chế trong luận văn

Tỷ lệ lỗi bít đối mã NRZ, một trong các mã phổ biến trongkỹ thuật mã hóa được nêu ra như sau:

0

1 2

Tỷ lệ BER trên cũng áp dụng cho điều chế BPSK và QPSK

+ Các hàm sai số: Hàm bù sai số là một trong các hàm dùng trong đánh giá

các hàm xác suất liên quan tới phân bố Gauss Việc tính toán xác suất dựa trên sự xác định vùng nằm dưới đồ thị của hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn hóa:

2 2

( ) 2

1( )

23

2 2

0

( ) 2 0

1

2

x m r

z x

Q z

z z

Xấp xỉ hàm BER: Theo (2.1) cần phải tìm hàm sai số bù erfc cho tính toán

BER Các hàm erfc, erf và Q nói trên có thể tìm trong các bảng tính toán học, với các điều kiện mà argumen đối với hàm sai số bù erfc là:

b 0

E6,5

b

e B

E N

24

Hình 2.2 Ước lượng hàm BER

Hàm BER tính gần đúng được biểu diễn theo đường chấm chấm,

còn hàm BER chính xác được vẽ theo đường cong liền nét

sử dụng kỹ thuật điều chế đồng bộ Trong điều chế FSK, vấn đề pha đinh đa đường được xử lý bằng cách chèn các khoảng thời gian bảo vệ giữa các xung tín hiệu để loại bỏ ảnh hưởng của các tín hiệu trễ đến sau Các khoảng bảo vệ tần số động

25

cũng có thể được sử dụng giữa các quãng tần số để thích nghi việc thông tin đối với sự trải tần số Doppler Điều chế không đồng bộ FSK có hiệu quả về công suất cao nhưng hiệu quả về băng thông kém, không phù hợp cho hệ thống có tốc độ dữ liệu cao

2.1.3.2 Kỹ thuật điều chế đồng bộ:

Đối với hệ thống thông tin có tốc độ dữ liệu cao, cần phải sử dụng kỹ thuật điều chế đông bộ, đó là khoá dịch pha-PSK hoặc điều chế biên độ cầu phương-QAM như tổng kết trong bảng 1.3, đồng thời sử dụng các tần số sóng mang dưới 100kHz

Hiệu suất đối với các kỹ thuật điều chế khác nhau phụ thuộc vào một số yếu

tố và cần sự dung hoà của việc cực đại hiệu quả băng thông – theo tỷ số R/B/Hz- bit/giây/Hz, và cực tiểu hoá tỷ số SNR sao cho máy thu hoạt động bình thường Hay nói cách khác tăng độ nhậy máy thu lớn nhất có thể Trong đó R (Rate) là tỷ

số bít/giây và SNR được đánh giá theo Eb/N0 – năng lượng bít trên mật độ phổ công suất của tạp âm Tỷ lệ SNR nhỏ có nghĩa là giảm được năng lượng tiêu thụ

Dung lượng kênh:

Trong đó: P=Eb.C; B- băng thông, N 0 - mật độ phổ công suất tạp âm Trong

đánh giá hiệu quả băng thông thường sử dụng tỷ số C/B, như nêu trong hình 2.3 sau đây

26

Hình 2.3 Hiệu quả băng thông-B (bit/s/Hz) là một hàm của SNR/bit

Từ hình vẽ có thể thấy: Điều chế FSK có hiệu quả băng thông R/B<1, trong khi đó, Điều chế QAM, PAM và PSK có hiệu quả băng thông R/B>1

Với cự ly thông tin từ 10-100km, B nằm trong trong khoảng vài kiloHertz; với cự ly thông tin từ 1-10km, B nằm trong khoảng 20-50kHz

Hiệu quả băng thông của các kỹ thuật điều chế khác nhau là một hàm của tỷ

số SNR Trong hệ thống thông tin cần phải dung hoà việc sử dụng điều chế mức cao tạo nên hiệu quả băng thông và có tỷ số SNR nhỏ Đối với hệ thống có băng thông hạn chế, hiệu quả băng thông cần đạt R/B>1 Và đối với các hệ thống có công suất bị hạn chế như thông tin dưới nước thì cần phải đảm bảo R/B<1 Giới hạn về dung lượng của kênh theo (2.2) và tốc độ R phải đảm bảo tuân theo Định lý

Shannon RC

Sau đây sẽ phân tích, thống kê các phương pháp điều chế đồng bộ - cả pha

và tần số giữa máy thu và máy phát trong hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng thủy âm

1 Điều chế số nhị phân: là cơ sở xem xét các kỹ thuật điều chế số

27

Như đã thấy, có ba loại điều chế biên độ, tần số và pha sóng mang Các phương pháp này được tổng kết bằng hình vẽ 2.4 sau đây Với tín hiệu số nhị phân theo chuỗi đầu vào gồm 10 bit: 0101101001

2 Điều chế ASK: bít 0 là trạng thái ngắt-tín hiệu ra là 0-off, trong khi đó bít 1

tương ứng với trạng thái đóng mạch-on

3 Điều chế FSK: Bít 0 tần số phát đi giảm về F1, trong khi đó bít 1 thì tần số

phát đi là F2>F1, hai tần số này diễn tả bít 0 và 1 theo kiểu bước F1, F1,… do đó nếu dùng loa nghe người nghe có cảm nhận về âm tần lên xuống, về tần số F1 và F2 thường chọn cách nhau khoảng 900 đến 1000Hz

F2-4 Điều chế PSK: Khi chuyển trạng thái của chuỗi các bít từ 0 lên 1 và từ 1 về

0 sẽ làm cho sóng mang đảo pha nhưng tần số sóng mang phát đi không thay đổi Để tách được các dấu thì cần sự đồng bộ pha và tần số giữa đầu thu

b b