Hiệu ứng Doppler

Chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng kênh truyền do hiệu ứng Doppler. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ số a v

c

 , [10] trong đó v là chuyến động tương đối giữa máy thu và máy phát, c là vận tốc âm thanh trong nước. Do vận tốc của âm thanh trong nước là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của sóng điện từ trên không trung nên ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn. Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi không có những chuyển động có mục đích thì những ảnh hưởng như sự trôi dạt gây nên bởi sóng, thủy triều cũng luôn tồn tại. Nói cách khác luôn có chuyển động tương đối giữa máy thu và phát, hệ thống thông tin thủy âm cần được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tương

đồng với kênh vô tuyến truyền dẫn qua vệ tinh. Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán đồng bộ và ước lượng kênh truyền. Mức độ ảnh hưởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp và giá trị của a. Ta làm phép so sánh sau: Với hệ thống thông tin vô tuyến, với độ dịch chuyển tương đối giữa nguồn thu và phát là 160km/h thì 7

1.5 10

a   , giá trị này đủ nhỏ để ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler có thể được bỏ qua. Nói cách khác, việc xem xét ảnh hưởng độ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là không cần thiết. Xác xuất lỗi bit là rất nhỏ. Ngược lại, với kênh thông tin thủy âm, giả sử nguồn phát và thu chịu sự dịch chuyển 0.5 m/s (1 knot), thì giá trị của a vào khoảng 4

3 10

a   . Nếu như dịch chuyển tương đối lên tới vài m/s (tàu ngầm có thể dịch chuyển với vận tốc lớn hơn), giá trị của a vào khoảng 3

10

a  , giá trị không thể bỏ qua được.

Dịch chuyển doppler và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tương đối là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin thủy âm với kênh thông tin vô tuyến. Trải phổ Doppler gây lệch pha, trễ đồng bộ. Trong hệ thống thông tin thủy âm dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng. Trong kênh thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thể bỏ qua, hiệu ứng doppler là như nhau với tất cả các sóng mang con. Với kênh thông tin thủy âm, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau đáng kể, điều này gây nên méo Doppler không đồng bộ trên toàn bộ băng thông tín hiệu.

Như lịch sử nghiên cứu về kênh dưới nước đã chỉ ra: những bước tiến lớn trong xử lý tín hiệu hệ thống dưới nước chỉ được thực hiện khi bản chất vật lý của quá trình lan truyền được hiểu đúng cũng như đưa vào quá trình phỏng tạo kênh truyền. Những ví dụ minh họa điều này có thể kể đến như: kết hợp phỏng tạo đa đường và méo pha cho quá trình cân bằng kênh trong hệ thống đơn sóng mang băng rộng. Gần đây hơn, việc phát hiện ra tín hiệu đa đường không phải liền nhau, mà là những tín hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ thống đơn sóng mang và đa sóng mang [13].

1.4 Các tham số đánh giá hiệu quả của kênh

1.4.1 Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu

SNR được định nghĩa là tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu. Sử dụng công thức tính hấp thụ A l f , và hàm mật độ phổ công suất của nhiễu N f 

ta có thể ước lượng giá trị của tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) nếu như biết khoảng cách truyền l, công suất phát P và tần số f.

 , P A l f/  ,

SNR l f

N f f



 (1.67)

Trong đó f là băng thông nhiễu (một dải hẹp xung quanh tần số trung tâm f). Giá trị AN xác đinh sự phụ thuộc vào tần số của tỉ số SNR. Giá trị

 , 1  

A l f N f được thể hiện trong hình vẽ sau:

Hình 1-18 Sự phụ thuộc của SNR vào khoảng cách truyền và tần số [6]

Ta thấy răng, với mỗi giá trị của khoảng cách l, tồn tại một tần số mà giá trị

SNR là nhỏ nhất. Giá trị tần số tối ưu ứng với mỗi khoảng cách được thể hiện trong hình vẽ sau:

e

Hình 1-19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách [7]

Trong quá trình truyền dữ liệu, việc sử dụng tần số tối ưu để truyền có vai trò quan trọng. Khi truyền với tần số tối ưu hoặc trong lân cận của nó, ta có thể giảm công suất phát mà vẫn đảm bảo tín hiệu nhận được ở bên thu có tỉ số SNR cao hơn mức ngưỡng và có thể khôi phục được tín hiệu.

1.4.2 Đánh giá băng thông, tỉ số C/B

Băng thông tính theo Hz là một dải tần số mà trong dải tần đó mật độ phổ tín hiệu khác không hoặc cao hơn giá trị ngưỡng. Định nghĩa này được dùng trong việc tính toán tỉ số lấy mẫu sao cho thỏa mãn định lý lấy mẫu. Bởi vì dải biên độ khác không có thể rất rộng hoặc vô hạn, nên khái niệm băng thông sẽ được mở rộng hơn. Băng thông còn được định nghĩa là dải tần trong đó mật độ phổ tín hiệu cao hơn một mức ngưỡng nhất định. Thông thường, khái niệm băng thông được hiểu theo nghĩa băng thông 3-dB. Tức là dải tần mà trong dải đó thì hàm mật độ phổ lớn hơn nửa giá trị lớn nhất(hoặc biên độ phổ – đo bằng V hoặc V/Hz lớn hơn 70.7% giá trị lớn nhất).

Một hệ thống có băng thông xác định có nghĩa là hệ thống đó chỉ có thể xử lý tín hiệu trong băng thông hoặc hệ thống giảm băng thông của nhiễu đầu vào.

Giả sử kênh truyền có băng thôngB l [fmin l fmax l ] xung quanh f l0  .Ta định nghĩa Sl f là hàm mật độ phổ công suất của tín hiệu ứng với khoảng cách l, khi đó công suất phát tổng cộng:

   

l

tx B l

P l  S f df (1.68)

Và giá trị SNR sẽ được tính như sau [7]:

              1 , , B l l B l S f A l f df SNR l B l N f df     (1.69)

Theo công thức trên, SNR phụ thuộc vào hàm mật độ công suất của tín hiệu phát cũng như công suất phát. Trong trường hợp đơn giản nhất, hàm mật độ phổ công suất của tín hiệu phát là phẳng, S l f , Sl với f Bl. Công suất phát được xác định: P l S B ll  . Nếu như kênh truyền đòi hỏi giá trị SNR phải lớn hơn giá trị SNR0 nào đó thì công suất phát tối thiểu sẽ được tính dựa trên SNR0 và B l . Khi băng thông 3dB được sử dụng, công suất phát tối thiểu sẽ được xác định như sau [7]:             3 3 3 0 3 1 , B l B l N f df P l SNR B l A l f df      (1.70)

Khi định nghĩa băng thông của hệ thống được thoả mãn về mặt trực giác, ta chưa thể biết được nó đã đạt được sự tối ưu hay chưa. Việc sử dụng tài nguyên hệ thống có thể được tối ưu thông qua sử dụng các mô hình phân bố năng lượng khác nhau trên khoảng băng thông của hệ thống. Nói cách khác, chúng ta có thể điều chỉnh hàm mật độ phổ công suất của tín hiệu Sl f cho phù hợp với từng loại kênh truyền, cũng như giá trị A l f , và N f .

Dung lượng kênh truyền sẽ được xác định thông qua việc chia nhỏ băng thông kênh tryền B l  thành các đoạn băng con. Băng con thứ i có tần số trung tâm là fi, i1, 2,... và mỗi băng con có độ rộng băng tần là f , giá trị f đủ nhỏ để kênh truyền không bị ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số, và yếu tố gây méo tín hiệu chỉ có A l f , . Nhiễu trong những băng con hẹp này được xấp xỉ như là nhiễu trắng với hàm mật độ phổ công suất N f i và dung lượng kênh truyền sẽ là:

        1 2 , log 1 l i i i i S f A l f C l f N f               (3.46)

Bằng công cụ toán học, tác giả trong [7] đã đề xuất công thức xấp xỉ cho B, C, P theo dạng sau:     0 0 0 0 0 0 ˆ l B l b l C c l P l p l            (3.47)

Các giá trị b c p0, ,0 0,  0, 0, 0 được xác định bằng phương pháp curve-fitting, Hình 1-20 cho ta thấy giá trị của b c p0, ,0 0,  0, 0, 0theo các giá trị SNR

Hình 1-20 Bảng các giá trị b c p0, ,0 0,  0, 0, 0theo SNR [7]

 Các tham số b c p0, ,0 0,  0, 0, 0được xác định theo SNR, tức là được xác định theo l. Từ đó ta có hình vẽ minh B, C, tỉ số C/B theo l:

Hình 1-22 Đặc tuyến C/B theoSNR0 và Eb /N0 [7]

Từ Hình 1.22 ta nhận thấy đặc tuyến C/B của kênh truyền ta nhận thấy, trong một khoảng SNR0nhất định ta có thể xấp xỉ bằng đặc tuyến C/B của nhiễu trắng cộng tính. Do đó, trong quá trình phỏng tạo ta có thể xấp xỉ nhiễu mầu bằng nhiễu Gauss với biên độ xác định từ hàm N(f).

Kết chương

Tóm lại, Chương 1 đã trình bày một cách chi tiết về các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới kênh thông tin dưới nước. Nội dung trình bày trong Chương 1 sẽ là nền tảng để ta thiết kế được những khối chức năng trong quá trình mô phỏng. Nhằm hoàn thiện cơ sở lý thuyết và nền tảng cho việc đánh giá kênh truyền.

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC - COGNITIVE RADIO

***

Giới thiệu chương

Việc quản lý và khai thác các hệ thống truyền dẫn thông tin một cách hiệu quả, nhanh chóng và chính xác là yêu cầu bắt buộc đối với các hệ thống thông tin. Để phát huy được những ưu điểm, thế mạnh thì ngày càng có nhiều công nghệ mới được phát minh và sáng tạo ra phục vụ cuộc sống. Có thể nói công nghệ Sofware Defined Radio và Cognitive Radio đã và đang sử dụng không chỉ trong nghiên cứu mà còn được áp dụng thành công trong nhiều hệ thống thực tiễn.

Chương 2 trình bày giới thiệu về công nghệ Software defined radio và Coginitive radio.

2.2 Software defined radio

2.2.1 Khái Niệm

Software Defined Radio (SDR) hay còn gọi là Software Radio (SR) nghĩa là hệ thống vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. SDR bắt đầu được nghiên cứu vào đầu thập niên những năm 80 phục vụ cho mục đích quân sự. Sau đó SDR được phát triển cho các ứng dụng dân sự.

Sự ra đời của SDR tạo điều kiện thay thế dần các thiết bị HDR (Hardware Defined Radio –hệ thống được định nghĩa bằng phần cứng) có chi phí sản xuất và bảo trì cao, độ linh hoạt kém, tuổi thọ thấp, v.v…

2.2.2 Giới thiệu về Lịch sử SDR

Máy thu phát “SDR” đầu tiên được thiết kế và thực hiện bởi Peter Hoeher và Helmuth Lang tại Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Đức trong Oberpfaffenhofen vào năm 1988. Cả hai máy phát và thu của một modem vệ tinh số thích nghi đã

được thực hiện theo các nguyên tắc “SDR” và được hỗ trợ bởi một phần cứng thiết bị ngoại vi linh hoạt.

Thuật ngữ "Software Defined Radio" được đặt ra vào năm 1991 bởi Joseph Mitola, người đã xuất bản các bài báo đầu tiên về chủ đề này vào năm 1992. Mặc dù khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1991, “SDR” có nguồn gốc trong lĩnh vực quốc phòng kể từ khi cuối những năm 1970 ở cả Mỹ và châu Âu (ví dụ, Walter Tuttlebee mô tả một đài phát thanh VLF mà được sử dụng một ADC và một bộ vi xử lý 8085 ). Một trong những sáng kiến “software radio” đầu tiên là dự án quân sự của MĨ có tên Speakeasy . Speakeasy gồm 2 giai đoạn. Mục tiêu chính của dự án Speakeasy là sử dụng lập trình để xử lý mô phỏng hơn 10 đài phát thanh quân sự hiện tại, hoạt động ở tần số giữa 2 và 2000 MHz .Hơn nữa, một mục tiêu thiết kế là để có thể dễ dàng kết hợp mã hóa mới và tiêu chuẩn điều chế trong tương lai, do đó thông tin liên lạc quân sự có thể bắt kịp với những tiến bộ trong kỹ thuật điều chế và mã hóa.

2.2.3 Các thiết bị hỗ trợ SDR

Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là một thuật ngữ miêu tả các hệ thống vô tuyến dùng phần mềm để điều khiển các kỹ thuật điều chế, hoạt động băng rộng hoặc băng hẹp, các chức năng an toàn thông tin (ví dụ như nhảy tần), và dạng sóng theo yêu cầu của các tiêu chuẩn hiện có và đang phát triển, với một dải tần số rộng. Công nghệ này sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lược đồ điều chế và tần số khác nhau thông qua các mô đun phần mềm. Rất nhiều các ứng dụng vô tuyến như Bluetooth, WLAN, CDMA, GSM, WCDMA và WiMAX… có thể được thực hiện nhờ kỹ thuật SDR.

Một cách cụ thể, SDR định nghĩa một tập hợp các kỹ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một vài hoặc toàn bộ các chức năng hoạt động của vô tuyến (còn được gọi là xử lý lớp vật lý) được thực hiện thông qua phần mềm hoặc phần sụn (firmware) có thể thay đổi hoạt động dựa trên các kỹ thuật xử lý lập trình được. Các thiết bị này gồm có các ma trận cổng logic bán dẫn trường cho phép lập trình được

(FPGA), các bộ xử lý tín hiệu số (DSP- Digital Signal Processor), các bộ xử lý chức năng chung (GPP- General Purpose Processor), hệ thống trên chip lập trình được (SoC) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể khác.

SDR tiết kiệm chi phí cho việc tích hợp mạng 2G/3G và phát triển lên mạng HSPA+ và LTE. Sử dụng SDR, tài nguyên phần cứng có thể được chia sẻ và các trạm thu phát chỉ cần điều chỉnh phần mềm để cấu hình theo các tiêu chuẩn mới.

2.2.4 Lợi ích từ SDR

SDR là một công nghệ phát triển nhanh và phố biến rộng rãi trong ngành công nghiệp thông tin vô tuyến thương mại. Nó hỗ trợ việc triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần và đa tiêu chuẩn. Các nhà khai thác di động, các nhà sản xuất và những thuê bao di động đều có lợi ích từ việc ứng dụng SDR để cải thiện nhanh chóng hệ thống thông tin.

Với kỹ thuật SDR, các nhà khai thác di động có thể nâng cấp hệ thống mạng đến phiên bản mới nhất mà không cần thay đổi phần cứng, do đó làm giảm tổng chi phí TCO (Total cost of ownership). Họ có thể đưa ra các dịch vụ mớinhắm đến các lớp người sử dụng khác nhau trên một hạ tầng phần cứng chung. Việc triển khai thiết bị SDR có thể giúp các nhà khai thác chuyển từ “nhà cung cấp mạng” thành “nhà cung cấp dịch vụ”, từ đó tạo ra các nguồn doanh thu khổng lồ mới. Thêm nữa, thiết bị SDR giúp cải thiện thời gian đưa sản phẩm ra thương mại, làm giảm đáng kể rủi ro đầu tư của nhà khai thác.

Từ quan điểm của nhà sản xuất, sử dụng kỹ thuật SDR giúp xóa đi khoảng cách phát triển giữa các công nghệ khác nhau, làm giảm chi phí nghiên cứu phát triển và giảm thời gian đưa ra thương mại của các sản phẩm và dịch vụ mới. Do các giao diện vô tuyến và dải tần trong kỹ thuật SDR sử dụng nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật tiên tiến khác nhau, nền tảng SDR có thể đáp ứng được rất nhiều các yêu cầu của thị trường. Các sản phẩm SDR được mô đun hóa và cho phép nâng cấp “mềm” các