NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

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 đặc tính kênh truyền và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu trong 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 2012 Sinh viên thực hiện Vũ Đình Quyền 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 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. 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,

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN

VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN

VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI

NƯỚC

Sinh viên thực hiện : VŨ ĐÌNH QUYỀN

LỚP KSTN- ĐTVT- K52 Giảng viên hướng dẫn :TS HÀ DUYÊN TRUNG

Cán bộ phản biện

……….………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ………

……….… ………

………

…………

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………

……… …

………

……… …

………

………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………

……… …

………

……… ……….…………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……… ……

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……… …….………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……….………

Chủ nhiệm Bộ môn

Ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, thông tin liên lạc dưới nước được sử dụng rộngrãi cho nhiểu mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành cácphương tiện dưới biển tự động và quân sự Với bờ biển dài hơn 3000km và thềm lụcđịa rộng lớn, nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nêncần thiết Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của môi trường không khítự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến hiệnthời 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 đặc tính kênh truyền và đánh giá

ảnh hưởng của nhiễu trong 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 đãcó 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 thờichỉ 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 cóthể 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 kiếnthức nền tảng đó mà em có thể giải quyết được các vấn đề liên quan

Hà Nội, tháng 06 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Vũ Đình Quyền

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 môphỏng Matlab Cuối cùng, đồ án đưa ra hướng phát triển cho hệ thống tương lai vànhững cải tiến mới để tăng hiệu quả của kênh truyền

Because of the rising demand on exchange information in underwaterenvironment, 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 beendeployed in the world and After that, it models the underwater channel The thesispresents 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 ofthe underwater acoustic channel

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

Ý tưởng đề tài 1

Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài 2

Mục tiêu của đề tài 2

Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3

1.1 Vai trò của hệ thống thông tin dưới nước 3

1.2 Loại sóng sử dụng trong thông tin dưới nước 4

1.2.1 Vận tốc của sóng âm dưới nước 4

1.2.2 Sóng âm 7

1.3 Những thông số ảnh hướng tới kênh thông tin dưới nước 7

1.4 Kết luận 9

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 10

2.1 Suy hao trong môi trường dưới nước 10

2.1.1 Suy hao trải hình học 11

2.1.2 Suy hao do hấp thụ 13

2.1.3 Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn 20

2.1.4 Hệ số phản xạ và hệ số truyền 21

2.1.5 Hệ số phản xạ, khúc xạ khi có hấp thụ trong môi trường truyền dẫn 23

2.1.6 Tán xạ bề mặt và tán xạ đáy 25

2.2 Nhiễu môi trường 25

2.3 Đánh giả tỉ số SNR- Tần số tối ưu 28

2.4 Đánh giá băng thông, tỉ số C/B 29

2.5 Lan truyền sóng âm trong môi trường nước 33

2.5.1 Phương trình sóng của quá trình truyền sóng âm 33

2.5.2 Phương trình Helmholtz 36

2.5.3 Lan truyền sóng trong ống dẫn sóng đồng nhất 37

2.5.4 Tính đa đường trong lan truyền sóng âm 38

2.5.5 Phương pháp ảnh gương 39

2.5.6 Góc hợp bởi tia tới và mặt phản xạ 42

2.6 Hiệu ứng Doppler 42

2.7 Kết luận 44

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 45

3.1 Kỹ thuật điều chế số 45

3.1.1 ASK 45

3.1.2 FSK 47

3.1.3 PSK 49

3.2 Điều chế QPSK 51

3.3 Kết luận 54

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 55

4.1 Mô tả hệ thống dùng trong mô phỏng: 55

4.1.1 Bộ phát 56

4.1.2 Kênh truyền 59

4.1.3 Bộ thu 60

4.2 Kết quả Mô phỏng 67

4.2.1 Phỏng tạo nhiễu màu 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 3

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu (S=35ppt) 5

Hình 1.4 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt) 6

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước 6

Hình 1.2 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 2.1 Hệ số hấp thụ a f trong môi trường nước [3] 11 

Hình 2.2 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu [4] 12

Hình 2.3 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [4] 13

Hình 2.4 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp 15

Hình 2.5 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison) 17

Hình 2.6 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C) - công thức Francois và Garrison 18

Hình 2.7 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C) - công thức Francois và Garrison 19

Hình 2.8 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau (T=4oC, D=1000m, pH=8) 19

Hình 2.9 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng [4] 21

Hình 2.10 Nhiễu môi trường cho với những tần số khác nhau, vận tốc gió là vw=20 km/h 27

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của 1/AN vào khoảng cách truyền và tần số 28

Hình 2.12 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách [6] 29

Hình 2.13 Bảng các giá trị b c p0, , , , ,0 0   0 0 0theo SNR [6] 31

Hình 2.14 Giá trị của B[kHz] và C[kHz] theo khoảng cách [6] 32

Hình 2.15 Đặc tuyến C/B theoSNR0 và E N b / 0 [6] 32

Hình 2.16 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx[4] 33

Hình 2.17 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R [4] 37

Hình 3.7 Biểu đồ trạng thái tín hiệu của phương trình 52

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ phát QPSK 53

Hình 4.1 Hệ thống mô phỏng 55

Hình 4.2 Sơ đồ khối bộ phát 56

Hình 4.3 Sơ đồ ánh xạ các bit vào symbol QPSK 57

Hình 4.4 Biên độ bộ chỉnh dạng xung trong miền thời gian 58

Hình 4.5 Mô hình kênh truyền đa đường dưới nước 59

Hình 4.6 Sơ đồ khối bộ thu 60

Hình 4.7 Tín hiệu đầu ra của bộ lọc phối hợp khi không có nhiễu 62

Hình 4.8 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc thích ứng 63

Hình 4.9 Tương quan chéo giữa tín hiệu nhận và training sequence 65

Hình 4.10 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu theo lý thuyết 67

Hình 4.11 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu khi xấp xỉ bởi nhiễu Gauss 68

Hình 4.12 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy bùn 69

Hình 4.13 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy cát và đáy là đất sét 69

Hình 4.14 Tín hiệu đa đường trong môi trường đáy bùn và đáy là đất sét 69

Hình 4.15 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy bùn 70

Hình 4.16 Tín hiệu đa đường với những tọa độ khác nhau nhưng cùng khoảng cách 71

Hình 4.17 Tính chất đa đường tại các khoảng cách khác nhau với đáy cát, phản xạ tốt 71

Hình 4.18 Tỉ lệ lỗi bit khi ta không tính đến đa đường 73

Hình 4.19 Tỉ lệ lỗi bit theo SNR với đáy bt=0 và bt=7 74

Hình 4.20 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 75Hình 4.21 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 75Hình 4.22 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

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu

FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu GaussISI 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 mangtrực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệuQAM 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

Việc mô hình hóa một cách chính xác các yếu tố của kênh thông tin dưới nước như

mô hình kênh truyền, ảnh hưởng của nhiễu, giao diện vô tuyến được đặc biệt chútrọng Sự khác nhau giữa môi trường dưới nước và trên không khiến các modulekhông dây đang được sử dụng trong môi trường trên không rất khó được tái sử dụngtrong môi trường dưới nước Do đó, việc nghiên cứu các module không dây mởrộng cho môi trường dưới nước là cần thiết

Trong môi trường dưới nước, tín hiệu điện từ bị giới hạn về khoảng cáchtruyền do nó bị hấp thụ và suy hao với tốc độ rất nhanh Mặt khác, tín hiệu quanghọc cũng bị hấp thụ nhanh trong môi trường nước do các thành phần trong các cộtnước So với các dạng tín hiệu trên, tín hiệu sóng âm có nhiều ưu điểm hơn nhờ sựsuy hao thấp của âm thanh trong nước do nó hoạt động ở miền tần số thấp Do đó,thông tin liên lạc sử dụng tín hiệu sóng âm là công nghệ linh hoạt và được sử dụngnhiều nhất trong các ứng dụng trong môi trường dưới nước Việc sử dụng tín hiệusóng âm có thể bị ảnh hưởng xấu bởi sự biến đổi nhiệt độ, nhiễu bề mặt, và truyềndẫn đa đường do sự phản xạ và tán xạ Hơn nữa, tốc độ truyền dẫn chậm đáng kểcủa tín hiệu sóng âm so với tín hiệu điện tử và quang học gây nên trễ truyền dẫnlớn Những đặc tính đó làm cho kênh truyền trong môi trường dưới nước khác sovới kênh truyền trên không trung Việc mô hình hóa một cách chính xác kênhtruyền sử dụng tín hiệu sóng âm là một bước cực kì quan trọng nhằm nâng cao hiệunăng 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 củanhiễu tới kênh thông tin dưới nước

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 lạcdưới nước như: các hoạt động thăm dò, thu thập dữ liệu tự động về các thông số cầnthiết 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 hệthống 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:

- Mô phỏng 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 tin dưới nước- Nghiên cứu, tìm

hiểu những kiến thức tổng quan về kênh thông tin dưới nước cũng như những tínhchất 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 việc truyền tín hiệu

Chương 3: Kỹ thuật điều chế- Trình bày về các kĩ thuật điều chế hay được

sử dụng 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

Chương 1 trình bày loại sóng truyền dẫn dưới nước và các yếu tố ảnh hưởngđến 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 đóngvai trò quan trọng Những ứng dụng của hệ thống này rất đa dạng, như: các hoạtđộng thăm dò dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi trườngmột cách tự động sau đó truyền về trung tâm

Nếu như kết hợp với những cơ sở hạ tầng hiện có của hệ thống truyền thôngtrên mặt đất, ứng dụng của thông tin dưới nước sẽ được mở rộng, vai trò của nótrong thực tế sẽ được nâng cao Hình 1 1 cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về vaitrò của hệ thống thông tin dưới nước

1.2 Loại sóng sử dụng trong thông tin dưới nước

Việc thông tin dưới biển thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từtrường, lý do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước Sóngquang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước tuy nhiên lại bị nhiễubởi hiện tượng tán xạ Cho đến nay, phương pháp hiệu quả nhất cho việc truyền dẫnthông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng lan truyền sóng âm

Những đặc điểm cơ bản nhất của sóng âm được trình bày trong các phần dướiđây

1.2.1 Vận tốc của sóng âm dưới nước

Sự biến thiên vận tốc sóng âm trong môi trường biển là tương đối nhỏ

Thông thường, vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m/s Tuy nhiên,

những thay đổi nhỏ trong vận đốc sóng âm cũng có những ảnh hưởng lớn tới lantruyền sóng ở trong nước

Tốc độ âm thanh trong nước biển đã được tập trung phân tích trong rất nhiều

mô hình toán học Trong đó có phương trình Mackenzine được trình bày trong [2],ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ sai

v là tốc độ âm thanh tính theo m/s

T là nhiệt độ theo oC

S là độ mặn thep phần nghìn ppt

D là độ sâu theo m.

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu (S=35ppt)

Trong Hình 1 2 màu sắc của đồ thị chỉ ra giá trị mật độ của tốc độ, từ màuxanh tới màu đỏ biểu diễn sự tăng của tốc độ âm thanh Một điều rõ ràng trong Hình1.3 là tốc độ âm thanh trong nước biển không phải là giá trị cố định 1500m/s mà nóthay đổi từ 1400÷1700 m/s, với độ sâu trên 8km và nhiệt độ trên 30 oC Hơn nữaHình 1.3 cũng chỉ ra rằng tốc độ âm thanh tăng theo độ sâu và sự tăng của nhiệt độmôi trường; trong khi độ dốc của tốc độ âm thanh theo chiều dọc nhiều hơn là chiềungang

Với biển Đông Việt Nam, nhiệt độ và độ mặn của nước biển thay đổi rấtnhiều theo các mùa trong năm, và theo vị trí ven bờ hay ngoài khơi, cả theo độ sâu.Hơn nữa, vùng Vịnh Bắc Bộ, biển miền Trung và biển miền Nam cũng có đặc điểmkhác nhau khá nhiều Nhưng theo thống kê thì có thể lấy S=30÷40ppt (trung bình33ppt), T=10÷30 oC

Hình 1.3 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt).

Dù tốc độ âm thanh tăng theo cả nhiệt độ và độ sâu, nhưng theo chiều tăngnhiệt độ, đặc tính tốc độ âm thanh dốc hơn nhiều Tốc độ âm thanh đối với vùngbiển Việt Nam có độ sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s

hiệu quả nhất về ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhấttrong môi trường nước sâu

Có thể nói tính toán chính xác tốc độ âm thanh là đặc biệt quan trọng đối vớikênh dưới nước vùng nước sâu

1.2.2 Sóng âm

Loại sóng này lan truyền dựa vào sự đàn hồi hoặc thay đổi áp suất của môitrường vật chất Môi trường vật chất có thể là chất lỏng, khí, kim loại… Các sóngtạo ra do những áp lực từng đợt trong môi trường truyền lan, tạo ra sự biến thiênmật độ vật chất theo dạng sóng Vận tốc lan truyền tùy thuộc vào môi trường vậtchất, nhiệt độ và áp suất

Hình 1.5 Lan truyền sóng âm trong môi trường vật chất [1]

1.3 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 tínhcủa kênh truyền được xem xét bao gồm:

 Nhiệt độ (T)

 Nồng độ muối (S)

 Độ pH của nước biển ( pH)

 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 truyềndưới nước, bản thân giữa chúng cũng có mỗi quan hệ mật thiết với nhau Dựa trênthực nghiệm, Hình 1 6 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiệt độ của nước biển theo độ sâuđược khảo sát vào mùa hè trên nhiều vùng biển để có được kết quả đặc trưng nhất[2]:

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [2].

Nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ sâu và với mực nước càng sâu thì mứcgiảm càng nhanh Tương tự như nhiệt độ, độ mặn cũng là thông số thay đổi rấtnhiều theo độ sâu Ở Việt Nam do có khá nhiều sông đổ ra biển nên vùng ven bờ độmặn là thấp nhất, độ mặn cũng thay đổi nhiều theo mùa mưa và khô Đồ thị sau làmột ví dụ được khảo sát ở vùng biển Atlantic [2]:

Hình 1.7 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [2].

Đường biểu diễn sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu khá phức tạp đặc biệt làtrong vùng halocline Độ mặn bị giảm mạnh khi độ sâu tăng, qua vùng đó, độ mặnlại có xu hướng tăng nhẹ theo độ sâu Sau đây chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng củachúng lên các đặc tính của kênh truyền như thế nào

1.4 Kết luận

Tóm lại, Chương 1 đã trình bày tổng quan về vai trò của kênh thông tin dướinước 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 củakênh truyền

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC

Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, các đặc tính của kênh truyền đóngmột vai trò quan trọng Việc hiểu đúng và đầy đủ các đặc tính đó giúp ta có đượcnhững thiết kế phù hợp, hiệu quả với kiến trúc máy thu, máy phát cũng như cácthiết bị khác dùng trong hệ thống

Chương 2 sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng

âm dưới nước Các yếu tố này bao gồm: suy hao, nhiễu, các yếu tố về môi trường,hiệu ứng Doppler Việc tìm hiểu về các tính chất của kênh truyền sẽ giúp ta có cơ sởđể xây dựng mô hình cho quá trình mô phỏng và đánh giá

2.1 Suy hao trong môi trường dưới nước

Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước sẽ chịu ảnh hưởng củasuy hao Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rấtnhiều yếu tố: việc chọn lựa tần số và phạm vi truyền tín hiệu

Trong đó d là khoảng cách tuyến đường truyền dẫn, f là tần số, là hệ số

tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý của môi trường truyền dẫn (có giá trị khoảng

từ 1.5 đến 2 ) [3] Hệ số k tương ứng với môi trường truyền sóng radio trên cạn là

hệ số mũ suy hao ( )a f là hệ số hấp thụ thể hiện như ở Hình 2 8

Hình 2.8 Hệ số hấp thụ a f trong môi trường nước [3]  

2.1.1 Suy hao trải hình học

Những yếu tố về môi trường như độ sâu, khoảng cách truyền có nhiều ảnhhưởng tới suy hao tín hiệu Để có thể đánh giá ảnh hưởng của suy hao một cáchchính xác nhất, người ta chia suy hao thành các loại khác nhau Có hai hình thứcsuy hao truyền Mô hình suy hao do sự phân bố hình cầu xảy ra trong môi trườngnước sâu Trong môi trường nước nông, khi khoảng cách truyền lớn, năng lượngsóng âm có xu hướng bị giới hạn bởi hai mặt phẳng là: mặt nước và mặt đáy Lúcnày mô hình suy hao trong môi trường nước nông là suy hao do sự phân bố hình trụ

2.1.1.1 Suy hao cầu

Mô hình suy hao cầu được áp dụng cho những vùng nước sâu Trong môhình suy hao cầu, mật độ năng lượng được xác định như sau [4]:

 

2 0

a

P I

r



Với r 0 – khoảng cách tham chiếu (thường lấy là 1m), P a – năng lượng sóng

âm tại nguồn, I 0 – mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách r o , I -mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách r.

Như vậy, với suy hao theo phân bố hình cầu, mật độ năng lượng tỉ lệ nghịchvới lũy thừa bậc 2 của khoảng cách Tính theo dB:

Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ này là h, thỏa mãn điều kiện h >10λ, λ là bước

sóng của sóng âm Suy hao do phân bố trụ được tính như sau[4]:

a

P I

hr



Với mô hình suy hao phân bố trụ thì mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r Tính

theo dB thì suy hao trong trường hợp này sẽ là:

Hình 2.10 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [4] 2.1.2 Suy hao do hấp thụ

Sự suy giảm do sự hấp thụ xảy ra do sự biến đổi của năng lượng âm thanhtrong nước biển thành nhiệt Quá trình suy giảm do hấp thụ này là phụ thuộc tần sốvà tại tần số cao hơn thì năng lượng bị hấp thụ nhiều hơn Có một số công thức mô

tả về quá trình hấp thụ âm thanh trong nước biển đã đặt nền móng cho những hiểubiết hiện nay Mỗi phương trình đó trong thời gian qua đã giúp cải thiện khả năngứng dụng và độ chính xác về mặt toán học của việc đánh giá sự hấp thụ của âmthanh trong nước biển

Tại tần số thấp, sự hấp thụ trong nước biển chuẩn là quá nhỏ so với môitrường này nên một yêu cầu tính toán chính xác sự chuyển hóa năng lượng âmthanh trong nước biển ở tần số thấp thì các mô hình hiện nay khó có thể đáp ứng

W.H.Thorp đưa ra năm 1967 [4], trình bày một công thức để tính toán hệ

số suy giảm theo dB/km Còn Francois và Garrison đưa ra công thức cho hệ số suygiảm phức tạp hơn, nó đưa cả nhiệt độ, độ mặn, pH và axit Boric, Magie Sunfat Đểhiểu ảnh hưởng của tất cả các thông số được sử dụng trong các mô hình này thìchúng ta cần biết đến cơ chế của sự hấp thụ được trình bày trong [4] như sau:

2.1.2.1 Sự hấp thụ do chuyển động của hạt

Với những tần số trên 100 kHz, sự chuyển động của hạt tạo bởi âm thanh tạothành nhiệt thông qua sự cản do nhớt Sự hấp thụ chuyển đổi một phần của nănglượng dao động thành nhiệt khi nó đi qua từng khoảng cách xác định Tỷ lệ thấtthoát suy giảm theo hệ số mũ có thể được xác định bằng một tỷ lệ thông qua thuật

toán logarit đưa về dB Cho nên hệ số suy giảm thường được biểu diễn theo dB/kmcho những kết quả đo đạc sự suy giảm dưới nước biển Suy giảm 1 dB/km có nghĩalà năng lượng giảm 21% trên mỗi km truyền đi.

Hệ số suy giảm tăng theo bình phương tần số Tại những tần số lớn hơn1Mhz, người ta thường lấy theo đơn vị dB/m vì khi đó âm thanh suy giảm rất

nhanh Giá trị α phụ thuộc vào nhiệt độ của nước biển T (oC) và áp suất hoặc độ sâu.Mặc dù sự chuyển đổi giữa áp suất và độ sâu còn ảnh hưởng bởi một vài thông sốkhác, những ảnh hưởng này là nhỏ khi đem so sánh với tổng lỗi cho nên việc sử

dụng độ sâu D theo m thường được dùng để tiện lợi cho việc tính toán áp suất thủy

tĩnh

2.1.2.2 Sự hấp thụ hóa học

Một vài phân tử trong nước có nhiều hơn một trạng thái ổn định, và chúngchuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phụ thuộc vào áp suất Những sự thayđổi này có thể chuyển đổi năng lượng kết hợp với áp suất âm thanh dao động thànhnhiệt Những thay đổi pha khác nhau liên quan tới những lần tương tác khác nhau,và những trễ trong đáp ứng này có thể được đặc trưng bởi thời gian relaxation haytần số relaxation Thay đổi với tốc độ càng nhanh thì càng có ít ảnh hưởng vì nhữngthay đổi phân tử là quá chậm, cho nên sự hấp thụ này chỉ có ảnh hưởng ở những tần

số thấp Độ mặn của nước biển không là nguyên nhân duy nhất gây ra sự hấp thụhóa học, mà sự tồn tại của axit Boric và muối MgSO4 nữa Những tham số khác cóthể ảnh hưởng tới sự hấp thụ trong nước biển là độ pH Thường thì pH=8 được sửdụng là tiêu chuẩn để thể hiện độ axit của nước biển [4]

 Phương trình Thorp

Phương trình Thorp cho sự suy giảm bởi hấp thụ là phương trình đơn giảnnhất vì nó chỉ xét tới ảnh hưởng của tần số và bỏ qua ảnh hưởng của sự giãn tần số,độ mặn, độ axit của nước biển Biểu thức của phương trình được cho bởi biểu thứcdưới đây [4]

Hình 2.11 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp

Nhìn vào Hình 2 11 ta nhận thấy rằng, suy hao tăng theo tần số

 Phương trình Francois và Garrison

Biểu thức toán học của phương trình Francois Garrison được cho như sau[4]

Hệ số suy giảm α-dB/km là tổng ảnh hưởng của ba thành phần: B(OH)3,MgSO4 và nước tinh khiết.

Trong đó:

Axit Boric

0.78 5 1

1

1245 4 273 1

8.686.101

2.8 1035

pH

T

A

c P

S f

Hình 2.12 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison)

Từ Hình 2 12 ta nhận thấy rằng ảnh hưởng của từng thành phần sẽ là khácnhau với từng dải tần số khác nhau: Tần số từ 100 Hz ÷ 3000 Hz axit Boric ảnhhưởng nhiều nhất tới sự suy giảm, từ 3000 ÷ 200000 Hz muối Magie sunfat chiếm

ưu thế còn từ 200000Hz nước biển có vai trò chính khiến tín hiệu bị hấp thụ trongquá trình truyền đi

Hình 2.13 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=20 0 C) - công

thức Francois và Garrison

Từ Hình 2 13 ta thấy hệ số suy giảm tỉ lệ thuận với nhiệt độ Khi nhiệt độtăng thì hệ số suy giảm cũng tăng Ngoài ra, hệ số suy giảm cũng tăng khi nhiệt độtăng So sánh hình 2.6 và hình 2.7 ta nhận ra điều đó:

Hình 2.14 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=30 0 C) - công thức

Francois và Garrison

Hình vẽ dưới đây sẽ giúp ta thấy được sự khác biệt về giá trị của hệ số suyhao theo hai mô hình đã nêu trên:

Hình 2.15 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau (T=4oC, D=1000m,

pH=8)

2.1.3 Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn

Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn phần lớn thay đổi theo đặc điểmđịa chất của đáy Đặc điểm của đáy có thể được đặc trưng bởi bt, thông số xác địnhloại chất cặn trong đại dương Bảng sau cung cấp giá trị bt của mỗi loại đặc điểmcủa đáy [4]

Bảng 2.1 Giá trị bt của từng loại đáy khác nhau

f K kHz m

Trong đó giá trị K và n được cho như sau[5]:

Bảng 2.2 Giá trị hệ số K, n theo từng loại đáy khác nhau [5]

trong môi trường nước, hiện tượng phản xạ thưởng xảy ra tại bề mặt hoặc tại đáy,

do đó việc xác định, tính toán hế số truyền và hệ số phản xạ có vai trò rất quan trọngtrong mô phỏng và thực nghiệm

Hình 2.16 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng [4]

Hình 2.5 minh họa hiện tượng phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trườngchất lỏng đồng chất với mật độ i và vận tốc âm c , i i 1,2 Góc hợp bởi tia tới vớimặt phẳng tới xz được kí hiệu là i Giả sử sóng tới có biên độ đơn vị, các sóngphản xạ và khúc xạ có biên độ lần lượt là R và T Áp suất sóng âm được biểu thịnhư sau[4]:

i

r t

Trong đó thành phần chung exp i t   được lược bỏ

Các đại lượng chưa xác định R,T và 2 được xác định từ điều kiện biên về

 , ta được: m1 Rcos1nTcos2.

Giải các phương trình trên ta thu được giá trị của hệ số phản xạ và hệ số khúc xạ:

2.1.5 Hệ số phản xạ, khúc xạ khi có hấp thụ trong môi trường truyền dẫn.

Các giá trị của hệ số phản xạ và khúc xạ tính được trong phần 2.1.3 chưaxem xét đến sự hấp thụ trong môi trường Khi sóng âm truyền trong môi trườngnước, mặt phân cách giữa nước và không khí ít gây ra hấp thụ, tuy nhiên ở dưới mặt

đáy, ảnh hưởng của hiện tượng hấp thụ là rất lớn Phần dưới đây sẽ trình bày về hệ

số phản xạ dưới tác động của hấp thụ

R

k k k