pò, ứKâ c2ạ
3.4.2 Lựa chọn tần số cho hệ thống
Như trong chương 1 đê nhận xĩt, suy giảm biín độ tín hiệu thuỷ đm tỷ lệ nghịch với bình phương tần số. Như vậy tần số căng thấp thì tổn hao căng nhỏ. Tức lă có thể giảm công suất phât vă độ nhạy mây thu hoặc tăng cự ly hoạt động của thiết bị. Nếu xĩt về mật độ phổ tạp nhiễu của nước biển thì ở tần số căng thấp thì mức nhiễu năy căng cao. Từ hình 3.16 tần số cỡ 80 kHz mật độ phổ nhiễu có giâ trị nhỏ nhất (~-75 dB). Trong khi đó ở dải tần số 1 kHz – 10 kHz mật độ nhiễu từ -45 dB đến 62 dB. Trong dải tần 30 kHz mật độ nhiễu có giâ trị cỡ -65 dB. Xĩt về loại Sensor đê có sẵn thương phẩm trín thị trường thế giới lă dải 30-35 kHz. Vật liệu lăm Sensor loại
69i i
n i
siíu đm thường dùng loại gốm âp điện Titanat Bari, hoặc sirconat-titanat chì, do chế tạo hình dạng, hiệu suất cao (cỡ 30 %) có độ nhạy cao, vă chịu âp suất thuỷ đm cao vă lăm việc tốt trong chế độ nghịch. Công suất bức xạ trín một đơn vị, diện tích mặt của sensorcó thể đạt được lă 5 W/cm2. Giâ trị năy có thể tăng khi độ sđu lăm việc tăng, tần số lăm việc lớn vă giảm độ dăi xung bức xạ. Như vậy tần số cao hơn sẽ cho phĩp lăm việc với công suất phât thuỷ đm cao hơn.
Mật độ phổ của tạp nhiễu trong nước biển cũng được khảo sât đối với một đối tượng cụ thể để điều khiển của hệ thống đó lă phổ tạp nhiễu của một dăn khoan (hình 3.16).
Hình 3.16: Phổ tạp nhiễu của giăn khoan
Từ hình vẽ ta nhận thấy mật độ phổ nhiễu ở dải tần số 1 kHz -15 kHz lă -5 dB đến -15 dB. Ở dải tần số 30 kHz mật độ phổ nhiễu chỉ lă -28 dB vă nó giảm đến 50 dB ở tần số 80 kHz.
Cường độ tạp nhiễu riíng (đối với 1 w/m2)theo dB trín một dải tần số cho trước vă một dải thông tần lăm việc cho trước có thể tính theo công thức sau.
Nc = N1KHz – 20lgf + 10lg∆ƒ – 10 lgγ (3.25) Trong đó:
N1KHz - Cường độ nhiễu tạp riíng trín tần số 1 kHz vă dải thông tần 1 kH, khi thu vô hướng [dB] (so với 1 w/m2).
ƒ - Tần số lăm việc của hệ thống [kHz]. ∆ƒ - Dải thông tần số tuyến [Hz].
γ - Hệ số định hướng của sensor.
Tính toân tần số lăm việc tối ưu với chế độ truyền tin vă cự ly cực đại. Trong điều kiện lan truyền sóng ngang. Khi cả sensor phât vă thu lă đứng yín. Trường hợp năy tương ứng với đối tượng công trình ngầm như giăn khoan, mỏ dầu, hoặc tău bỉ đứng yín.
Tần số lăm việc đảm bảo cho cự ly cực đại được tính theo công thức thực nghiệm.[1,6]
f = 62/r3/2 (3.26) Công thức năy ứng với trường hợp khi tiíu hao sóng đm theo biểu thức (3.23) với mức nhiễu tạp riíng khi tăng tần số sẽ giảm 6 dB trín một octave.
Công thức (3.26) có thể trình băy dưới dạng:
f =Mi.r-1/ni (3.27)Trong đó: Trong đó:
Mi:hệ số phụ thuộc văo đặc trưng tiíu hao của sóng đm trong vùng lăm việc của hệ thống vă dạng nhiễu trín Sensor thu của hệ thống.
ni: Chỉ số mức được xâc định bởi sự phụ thuộc của suy giảm sóng đm văo tần số.
Công thức (3.27) không thoả mên đòi hỏi của hệ điều khiển xa dưới nước với quan điểm cực đại vận tốc truyền tín hiệu theo kính thuỷ đm. Vì vậy, để xâc định tần số lăm việc theo đòi hỏi đặt ra, có thể sử dụng một công thức theo hướng khâc.
Như đê biết, độ rộng dải thông tần ∆ƒ liín hệ với tần số lăm việc f theo một hằng số k năo đó, phụ thuộc văo cấu trúc của sensor thuỷ đm (∆ƒ =kf). Vì vậy khả năng cho qua kính thuỷ đm có thể xâc định dưới dạng:
C= kf.log2(1+Ps/N) (3.28) Trong đó:
Ps - Công suất tín hiệu N - Công suất tạp đm
Từ công thức (3.29), tất cả câc đại lượng đều phụ thuộc văo tần số. Do đó có một tần số tối ưu fopt năo đó có khả năng cho qua của kính đạt cực đại khi cho trước công suất bức xạ.
Như đê biết, một lượng thông tin lớn có thể truyền trong một khoảng thời gian cực tiểu với sai lệch nhỏ theo kính truyền tin khi
3s 2 s 2 a.i tdB 1KHz 0 P s dB = 10lgP + 10lg + γ - 20lgr - 60 - 0,036f r - N + N s r.dB 50 lgf - 10lgkf - 30 + γ 3 (3.30) 2/3 s s 2 opt N 1+ P P log (1+ )+1 6,72 N f = 0,00266r (3.31)
Tần số tối ưu ứng với công suất bức xạ đê cho vă cự ly hoạt động của hệ thống tính theo câc công thức (3.30) vă (3.31) có sai số từ 0,5 đến 1,0 kHz.
Đối với hệ thống dùng sensor thu phât như nhau, dạng hình trụ có kích thước cỡ bước sóng, khi mức tạp của biển bằng mức tạp khi sóng cấp 3, ta xâc định được giâ trị của tần số, vận tốc truyền thông tin cực đại trong
hệ (theo Knudsena). Câc giâ trị năy được biểu diễn trín đường cong 1 (hình 3.17).
Hình 3.17: Đường cong tần số lăm việc phụ thuộc văo cự ly hoạt động của hệ điều khiển xa dưới nước
Để so sânh, đường cong 2 lă giâ trị của câc tần số, để đạt được cực đại cự ly hoạt động của hệ thống khi cho trước công suất bức xạ (Mi = 62). Từ hình vẽ nhận thấy rằng khi cùng một cự ly hoạt động, giâ trị của tần số để có cực đại khả năng qua của kính thuỷ đm, giâ trị tần số cao hơn sẽ đảm bảo tiíu tân công suất cực tiểu.
Giâ trị cực đại của độ rộng dải thông tần số có tính đến tham số cấu trúc của sensơ thuỷ đm vă tính chất đặc biệt của lan truyền sóng đm, có thể tìm từ biểu thức:
∆fmax=kfopt (3.32) Song phải nín đặt văo công thức (3.27) để tính khả năng truyền qua của kính liín lạc thuỷ đm vì câc tín hiệu thuỷ đm có sai lệch phổ tần số. Sự
thay đổi của độ rộng dải thông của tín hiệu gđy nín bởi hiệu ứng Doppler vă do một văi nguyín nhđn khâc. Ngoăi ra, độ rộng dải thông tần số tuyến thu còn phụ thuộc văo độ ổn định của tần số mang của mây phât.
Độ rộng dải thông tần số thông tin ∆finfor , tức lă phải có thể truyền thông sai lệch tín hiệu thông tin có thể xâc định theo công thức.
infor max D g
Δf =Δf - Δf - Δf (3.33) Trong đó:
∆fD: thay đổi độ rộng dải thông tần số do hiệu ứng Doppler;
∆fg: thay đổi độ rộng dải thông tần số do sự bất ổn định của mây phât.
Giả sử ∆finfor giới hạn cự ly tối thiểu của câc xung bức xạ của hệ thống dùng để truyền thông tin, ví dụ trong một hệ thống điều chế xung mê sẽ giới hạn tần số cực đại của thay đổi phổ tham số nhận được truyền theo kính thuỷ đm, ví dụ như trong câc hệ thống FM-FM (FSK).
Giâ trị tỷ số tín/tạp ở lối văo tuyến thu được chọn hoặc tính phụ thuộc văo dạng điều chế, phương phâp mê hoâ tín hiệu có tính đến giâ trị sai lệch truyền số liệu theo kính thuỷ đm.