Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu ofdm trong hệ thống thông tin dưới nước

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Lê Văn Chính Đề tài luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật đồ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 12/2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iii

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC T VI T T T viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM T T ĐỒ ÁN 3

ABSTRACT 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC 4

1.1 Vai trò của hệ thống truyền thông dưới nước 4

1.2 Đặc tính của kênh truyền dưới nước 4

1.2.1 Hiện tượng truyền dẫn đa đường 4

1.2.2 Suy hao đường truyền 5

1.2.3 Nhiễu môi trường 9

1.2.4 Hiệu ứng Doppler 10

1.3 Các kỹ thuật điều chế trong truyền thông dưới nước 12

1.3.1 Kỹ thuật điều chế ASK 13

1.3.2 Kỹ thuật điều chế FSK 15

1.3.3 Kỹ thuật điều chế PSK 17

1.3.4 Kỹ thuật điều chế QAM 19

1.4 Kỹ thuật ghép kênh OFDM trong truyền thông dưới nước 22

a Chèn pilot trên miền thời gian 25

b Chèn pilot trên miền tần số 26

c Chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số 26

1.4.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM 27

Kết luận 29

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ OFDM CHO THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 30

2.1 Đồng bộ tần số 30

2.1.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 30

2.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang 31

2.2 Đồng bộ thời gian 39

2.2.1 Đồng bộ thời gian dựa trên tiền tố vòng CP 39

2.3 Đề xuất phương pháp 46

2.3.1 Ý tưởng 46

2.3.2 Thực hiện 47

2.4 Kết luận 50

CHƯƠNG 3: XÂY DỤNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG 53

3.1 Xây dựng hệ thống 53

3.1 1 Sơ đồ khối của hệ thống 53

3.1.2 Giao diện của hệ thống 57

3.2 Tiến hành mô phỏng và kết quả 59

3.3 Kết luận 61

K T LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tìm hiểu của tôi và là một phần trong khuôn khổ công trình nghiên cứu của thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khương Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ thể Những đánh giá, nhận xét của cá nhân được đưa ra từ những nghiên cứu lý thuyết và thực hành, trong đó có mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Lê Văn Chính

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Lê Văn Chính

Đề tài luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu OFDM trong hệ

thống thông tin dưới nước

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số HV : CB140237

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/12/2016 với các nội dung sau:

- Luận văn đã chỉnh sử tiêu đề chương 3 để phù hợp với nội dung

- Luận văn đã bổ xung các tài liệu tham khảo đầy đủ

- Luận văn đã chỉnh sửa lại cách trình bày và một số lỗi chính tả theo đúng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 4

Hình 1.2 Tín hiệu ASK 13

Hình 1.3 Phổ của tín hiệu ASK 14

Hình 1.4 Dạng tín hiệu FSK 15

Hình 1.5 Phổ của tín hiệu FSK 17

Hình 1.6 Tín hiệu PSK 18

Hình 1.7 Phổ của tín hiệu PSK 19

Hình 1.8 Chòm sao điều chế 2-QAM (a), 4-QAM (b), 6-QAM (c) 22

Hình 1.9 (a) mật độ phổ năng lượng hệ thống đa sóng mang FDM, (b) mật độ phổ năng lượng hệ thống đa sóng mang trực giao OFDM 24

Hình 1.10 Mô tả cách chèn pilot trên miền thời gian 25

Hình 1.11 Mô tả cách chèn pilot trên miền tần số 26

Hình 1.12 Chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số 27

Hình 2.1 Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu đồng bộ 30

Hình 2.2 Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu không đồng bộ 31

Hình 2.3 Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang 32

Hình 2.4 Suy giảm SRN do lệch tần số (phân tích trên cơ sở nhiễu AWGN) 33

Hình 2.5 Mô hình chèn mẫu tin dẫn đường vào tín hiệu OFDM 35

Hình 2.6 Đồ thị hàm tự tương quan 39

Hình 2.7 Mô tả quá trình đồng bộ thời gian dựa trên CP 40

Hình 2.8 Dạng tín hiệu tương quan của hai cửa sổ 41

Hình 2.9 Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Schmidl 43

Hình 2.10 Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Minn 44

Hình 2.11 Cấu trúc khung dữ liệu 47

Hình 2.12 (a) Chòm sao tín hiệu thu 50

(b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha 50

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 53

Hình 3.2 Sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang hệ thống OFDM 55

Hình 3.3 Giao diện bên phát 57

Hình 3.4 Giao diện bên thu 58

Hình 3.5 Tín hiệu thu được trong miền thời gian khi thu phát 60

Hình 3.6 Dạng tín hiệu đồng bộ theo thời gian khi thu phát 60

Hình 3.7 (a) - Chòm sao tín hiệu thu khi chưa xoay pha 60

(b) - Chòm sao tín hiệu sau khi xoay pha 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các tham số mô phỏng 59

DANH MỤC T VI T T T Thuật

Tỷ lệ lỗi bit Tiền tố vòng Chuyển đổi số tương tự Vòng khóa pha số

Nhiễu xuyên ký tự biến đổi nhanh ngược Fourier

Điều chế dịch cực tiểu Điều chế biên độ vuông góc Điều chế khóa dịch pha

OFDM Orthogonal Frequency Divionsion

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

VCO

Underwater Acoustic Channel Voltage-controlled oscillator

Kênh thông tin thủy âm

Bộ dao động điều khiển điên áp

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông dưới nước vẫn đang là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và triển khai thử nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới bởi những ứng dụng to lớn của nó trong các lĩnh vực quân sự, kinh tế…Tuy nhiên, môi trường dưới nước là môi trường khá phức tạp, tín hiệu bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu, kênh truyền biến đổi nhanh với dịch tần Doppler lớn Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn bởi tốc độ truyền sóng âm rất chậm so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vô tuyến trong chân không, do đó băng thông truyền tín hiệu trong nước là rất nhỏ Nhằm khắc phục hạn chế về tốc độ truyền tin của các kỹ thuật truyền tin trước đây như ASK, FSK,… kỹ thuật điều chế ghép kênh theo tần

số trực giao OFDM được ứng dụng nhờ khả năng sử dụng hiệu quả băng tần của hệ thống đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt Tuy nhiên đặc điểm OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai lệch tần số, do vậy nó cần được đồng bộ chính xác tại đầu thu

Nhận thức được tầm quan trọng khâu đồng bộ trong hệ thống OFDM cùng với

sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khương, em chọn đề tài: ”

Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ cho tín hiệu OFDM trong hệ thống thông tin dưới nước” Nội dung của luận văn sẽ đi sâu phân tích những đặc tính của kênh

thông tin dưới nước, từ đó đưa ra kỹ thuật điều chế phù hợp với kênh truyền - kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, phân tích ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới chất lượng tín hiệu OFDM, so sánh đánh giá các phương pháp đồng bộ thời gian

đã được ứng dụng trước đây, đề xuất một thuật toán đồng bộ tần số cho tín hiệu OFDM sử dụng sóng âm thanh để truyền thông tin trong môi trường dưới nước, cuối cùng xây dựng phần mềm thu phát tín hiệu OFDM trên matlab

Trên định hướng đó, luận văn được chia thành ba chương như sau:

Chương 1: Trình bày vai trò và đặc tính của hệ thống truyền thông dưới nước cũng như các kỹ thuật điều chế tín hiệu như ASK, FSK, PSK, QAM từ đó tìm hiểu

kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Chương 2: Trình bày các kỹ thuật đồng bộ trong OFDM là đồng bộ thời gian

và đồng bộ tần số và tham gia vào đề xuất một thuật toán đồng bộ để bù tần số cho tín hiệu OFDM trong trường hợp có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu

Chương 3: Xây dựng hệ thống và phần mềm mô phỏng, thực hiện mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM trên phần mềm matlab

Do trình độ bản thân còn hạn chế, đồng thời nội dung nghiên cứu của đề tài tương đối phức tạp, nên luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn Em xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới thầy TS Nguyễn Quốc Khương cùng tất cả thành viên phòng

nghiên cứu Thông Tin Vô Tuyến – Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã định hướng nghiên cứu và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

TÓM T T ĐỒ ÁN

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng mất đồng bộ tới hệ thống OFDM cho truyền thông dưới nước, so sánh và đánh giá các phương pháp đồng bộ trước đây trong hệ thống OFDM Đa phần các phương pháp sử dụng hai symbol huấn luyện giống hệt nhau hoặc một symbol huấn luyện với cấu trúc đặc biệt chèn điểm bắt đầu khung như các thông tin mào đầu cho độ chính xác rất cao, tuy nhiên lại chiếm dụng một phần băng thông và làm giảm tốc độ truyền tải dữ liệu Luận văn

đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM sử dụng sóng âm thanh để truyền tải thông tin trong môi trường dưới nước Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng thuật toán đồng bộ đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với một số các phương pháp khác cho môi trường dưới nước

ABSTRACT The thesis “Synchronization in OFDM system for underwater communication”

focuses on analyzing the influence of synchronization offset for OFDM systems in underwater communication, comparing and evaluating the previous methods for synchronization of OFDM system Most of the time synchronization methods use two identical OFDM training symbols or a single OFDM training symbol with a special structure, which are placed at the beginning of the frame as preamble, it has very high accuracy, however losses the bandwidth and reduces the data transmission speed In the sequel, the proposed time synchronization algorithm for OFDM system uses acoustic wave to transmit information in the underwater communication Simulated and experimental results show that the proposed synchronous algorithm has a better performance than some the other methods for underwater environment

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG DƯỚI

NƯỚC 1.1 Vai trò của hệ thống truyền thông 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 trường một 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 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

nh 1.1 th ng th ng tin i n c s ng s ng

1.2 Đặc tính của kênh truyền dưới nước

Trong phần này sẽ trình bày tổng quan một số đặc tính sóng âm trong kênh dưới nước Việc tìm hiểu các đặc tính kênh truyền sẽ giúp ta có được những thiết kế phù hợp, hạn chế được tác động xấu từ kênh truyền tới chất lượng tín hiệu

1.2.1 Hiện tượng truyền dẫn đa đường

Truyền dẫn đa đường trong môi trường dưới nước gây nên nhiễu liên kí tự ISI và Fading của kênh trong miền tần số Khi khoảng cách giữa máy phát và máy

thu đủ lớn, tín hiệu từ máy phát qua nhiều tuyến đường khác nhau như phản xạ, tán

xạ, khúc xạ đến máy thu Tại máy thu, tín hiệu thu được là tổng hợp của các sóng trên, tùy thuộc vào pha và biên độ của các thành phần mà tín hiệu tổng hợp có thể tăng cường hay bị suy giảm so với tín hiệu gốc Đối với những vùng nước khác nhau (vùng nước sâu, vùng nước nông) ảnh hưởng hiệu ứng đa đường cũng sẽ khác nhau:

- Trong kênh nước sâu, hiện tượng đa đường xảy ra chủ yếu do sự tán xạ của tín hiệu khi gặp các vật thể trong nước hoặc do sự uốn cong tia do môi trường không đồng nhất Có thể hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng đa đường trong trường hợp này bằng việc sử dụng bộ phát định hướng

- Trong kênh nước nông, hiện tượng truyền dẫn đa đường phức tạp hơn nhiều,

do kênh bị giới hạn bởi bề mặt và mặt đáy, sóng âm bị phản xạ khi gặp hai

bề mặt này Thêm vào đó, sóng cũng bị phản xạ khi gặp vật thể trong nước như cá, sinh vật biển, …

1.2.2 Suy hao đường truyền

Suy hao đường truyền trong môi trường thủy âm với sóng âm là sự suy giảm mật độ âm thanh trong quá trình truyền từ bộ phát tới bộ thu, sự suy hao này không chỉ phụ thuộc khoảng cách truyền dẫn mà nó còn phụ thuộc tần số tín hiệu [2][3], được thể hiện qua công thức sau đây:

(1.1)

Trong đó:

 k là số mũ suy hao theo khoảng cách truyền l

 là hệ số hấp thụ kênh truyền, qua kênh truyền năng lượng âm thanh bị biến đổi thành nhiệt năng, phụ thuộc vào tần số, tần số càng cao suy hao càng nhiều

Từ phương trình (1.1), ta thấy suy hao sóng âm trong môi trường nước do hai thành phần là suy hao trải hình học và suy hao hấp thụ Dưới đây sẽ tìm hiểu về hai thành phần suy hao này

a Suy hao trải h nh học

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

 Suy hao cầu

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

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 nghịch với lũy thừa bậc 2 của khoảng cách Tính theo dB:

= 20log[ (1.3)

 Suy hao trụ

Suy hao trải hình trụ xuất hiện khi môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi hai mặt phản xạ.Hai mặt phản xạ này chính là bề mặt nước và mặt đáy của môi trường

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:

  0 cylinder

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:

và 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 hiểu biết hiện nay Mỗi phương trình đó trong thời gian qua đã giúp cải thiện khả năng ứng dụng và độ chính xác về mặt toán học của việc đánh giá sự hấp thụ của âm thanh trong nước biển

Tại tần số thấp, sự hấp thụ trong nước biển chuẩn là quá nhỏ so với môi trường này nên một yêu cầu tính toán chính xác sự chuyển hóa năng lượng âm thanh 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 [18], 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 suy giảm phức tạp hơn, nó đưa cả nhiệt độ, độ mặn, pH và axit Boric, Magie Sunfat Để hiểu ảnh hưởng của tất cả các thông số được sử dụng trong các mô hình này thì chúng ta cần biết đến cơ chế của sự hấp thụ được trình bày trong [18] như sau:

 Sự hấp thụ do chuyển động của hạt

Với những tần số trên 100 kHz, sự chuyển động của hạt tạo bởi âm thanh tạo thành nhiệt thông qua sự cản do nhớt Sự hấp thụ chuyển đổi một phần của năng lượng dao động thành nhiệt khi nó đi qua từng khoảng cách xác định Tỷ lệ thất thoát 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/km cho những kết quả đo đạc sự suy giảm dưới nước biển Suy giảm 1 dB/km có nghĩa

là năng lượng giảm 21% trên mỗi km truyền đi

Hệ số suy giảm tăng theo bình phương tần số Tại những tần số lớn hơn 1Mhz, 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 số khác, 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

 Sự hấp thụ hóa học

Một vài phân tử trong nước có nhiều hơn một trạng thái ổn định, và chúng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phụ thuộc vào áp suất Những sự thay đổi này có thể chuyển đổi năng lượng kết hợp với áp suất âm thanh dao động thành nhiệt 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 hay tần số relaxation Thay đổi với tốc độ càng nhanh thì càng có ít ảnh hưởng vì những

thay 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 thụ hóa học, mà sự tồn tại của axit Boric và muối MgSO4 nữa Những tham số khác có thể ảnh hưởng tới sự hấp thụ trong nước biển là độ pH Thường thì pH=8 được sử dụng là tiêu chuẩn để thể hiện độ axit của nước biển

1.2.3 Nhiễu môi trường

Nhiễu trong một kênh thông tin thủy âm bao gồm nhiễu từ môi trường xung quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể Nhiễu từ môi trường xung quanh luôn luôn tồn tại, trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó Ví dụ nhiễu tại một

vị trí cụ thể bao gồm sự đứt gãy của băng ở các khu vực vùng cực và hoặc nhiễu do các sinh vật sống dưới nước ở các vùng ấm hơn Nhiễu từ môi trường xung quanh xuất phát từ một số nguồn như sự bất ổn định, sóng vỗ, mưa, và chuyển động của tàu thuyền Nhiễu này không phải là nhiễu trắng, và được xấp xỉ bằng nhiễu Gauss Mặt khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thường có chứa một số lượng lớn các thành phần không phải nhiễu Gauss

Nhiễu từ môi trường xung quanh trong môi trường nước có thể được chia

thành bốn loại cụ thể là nhiễu do sự hỗn loạn (N t ), nhiễu do tàu thuyền (N S), nhiễu

do gió (N w ), và nhiễu nhiệt (N th ) Những tính chất cũng như đặc điểm của từng loại

được trình bày cụ thể dưới đây:

Mật độ phổ công suất cho mỗi loại nhiễu môi trường theo dB như sau

- Với nhiễu sinh ra do tàu thuyền chuyển động (còn được gọi là traffic noise)

- Nhiễu do chuyển động xoáy của nước

- Tự nhiễu sinh ra bởi tàu thuyền:

Trong đó f và v s là tần số (Hz) và tốc độ của tàu (m/s)

- Nhiễu sinh học (gây ra bởi các loài sinh vật dưới nước như cá, tôm, …)

Trong đó f và S biểu thị sự phụ thuộc vào tần số và thời gian trong năm

- Nhiễu do trạng thái của biển:

Trạng thái của biển có thể được xác định như là hàm của vận tốc gió -

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

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

, 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 vào khoảng 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 vào khoảng , 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

Những nghiên cứu gần đây cũng đạt được kết quả nhất định trong việc đánh giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng

1.3 Các kỹ thuật điều chế trong truyền thông dưới nước

Trong trường hợp truyền dẫn thông tin số thông qua các kênh băng gốc, tín hiệu mang thông tin được truyền trực tiếp qua kênh mà không sử dụng một sóng mang hình sin Tuy vậy hầu hết các kênh thông tin đều là các kênh thông dải; do vậy, cách duy nhất để truyền các tín hiệu thông qua các kênh như thế là nhờ việc dịch chuyển tần số của tín hiệu mang thông tin tới băng tần của kênh

Trong một hệ thống truyền tin nhị phân, dữ liệu nhị phân gồm một dãy các

số 0 và 1 Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương thức này lại tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế và tách sóng Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ được sử dụng trong điều chế dịch khóa pha PSK (Phase Shift Keying) Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đường bao được

sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying)

1.3.1 Kỹ thuật điều chế ASK

Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang v c (t)

Như vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang w c, thành phần

mang tin tức w c  w 0 và các thành phần hài bậc 3, 5, 7 …

nh 1.3 Phổ của tín hi u ASK

ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M 2k Khi đó

mỗi trạng thái của tín hiệu được gọi là 1 baud

ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế

không kết hợp (tách sóng đường bao) Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc độ

nhỏ

1.3.2 Kỹ thuật điều chế FSK

Truyền dẫn số bằng điều chế tần số là một phương pháp điều chế thích hợp đối với các kênh thiếu sự ổn định về pha cần thiết cho việc thực hiện ước lượng pha sóng mang Dạng đơn giản nhất của điều chế tần số là khóa dịch tần số FSK

Điều chế khóa dịch tần số FSK được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa vào điều chế Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần sô khác nhau:

Tín hiệu điều chế có dạng:

nhưng với hai thành phần sóng mang có tần số là f 1 và f 2, và khoảng cách giữa

chúng là f s

nh 1.5 Phổ của tín hi u FSK

FSK có thể được điều chế 2 hay M mức Phương pháp khóa dịch tần số FSK được dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các chuẩn V21, V22, V24

Như vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các hài bậc 3, 5, 7,… mà không có thành phần sóng mang Dưới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:

nh 1.7 Phổ của tín hi u PSK

PSK được sử dụng khá phổ biến trong điều chế số Để truyền dẫn số liệu tốc

độ cao, người ta thường dùng M-PSK Trong đó phổ biến là 4-PSK (hay QPSK) và 8-PSK tương ứng với 2 và 3 bits trong một baud Các bits được sắp xếp theo mã Gray tức là 2 tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác một bit

1.3.4 Kỹ thuật điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu có đường bao không đổi Để cho các thành phần đồng pha và vuông pha này độc lập với nhau thì ta được một phương pháp điều chế mới gọi là điều chế biên độ vuông góc M-QAM Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang

bị điều chế cả biên độ lẫn pha Dạng sóng tổng quát của tín hiệu M-QAM có thể được biểu diễn như sau:

i=1,2,…M (1.11)

Trong đó là biên độ, là pha tín hiệu thứ trong tập tín hiệu M mức

(1.13) Với:









Trong đó E là năng lượng của thuộc khoảng (0 T): , và

là hàm trực chuẩn khi mà , chúng đã được chuẩn hóa như (1.14)

(c)

nh 1.8 Chò sao điều chế 2-QAM (a), 4-QAM (b), 6-QAM (c)

Hình 1.8 mô tả dạng chòm sao các mức điều chế 2-QAM (a), 4-QAM (b), 16-QAM (c) Trục hoành của mặt phẳng chòm sao là các giá trị và trục tung

là Một tín hiệu QAM được biểu diễn bởi một điểm có tọa độ ( , , hai trục có thể được chọn một cách đơn giản là và khi đó các tọa độ tín hiệu là (

Đặc trưng chủ yếu của QAM là:

- Tăng dung lượng truyền dẫn số

- Dùng trong các Modem truyền dữ liệu và trong phát vô tuyến số

- Ít lỗi hơn phép điều chế khóa dịch pha M-PSK, với hiệu suất truyền bằng 4

1.4 Kỹ thuật ghép kênh OFDM trong truyền thông dưới nước

1.4.1 Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM

Một trong những vấn đề phức tạp của kênh truyền khi truyền dòng bit tốc độ cao trên một băng tần rộng là vấn đề chọn lọc tần số của kênh Một kênh gọi là chọn lọc tần số khi sự suy giảm cường độ và mức độ dịch pha của các thành phần tần số khác nhau của kênh là khác nhau, gây méo pha tín hiệu tại đầu thu ảnh hưởng đến việc khôi phục lại tín hiệu Do đó, cần chia một kênh có băng thông lớn thành nhiều

kênh nhỏ, khi đó, có thể xem mỗi kênh nhỏ như kênh phẳng với mỗi tần số khác nhau, sự suy giảm cường độ tín hiệu và mức độ dịch pha gần như là như nhau Sau

đó, mỗi kênh con được mang bởi sóng mang khác nhau gọi là các sóng mang phụ, các kênh con này sẽ truyền thông tin đồng thời song song với nhau Vì vậy, để tránh

sự chồng phổ tín hiệu bắt buộc sóng mang phụ phải thỏa mãn điều kiện trực giao với nhau từng đôi một

Để khắc phục khó khăn của kênh chọn lọc tần số gây ra người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM) do R.W Chang phát minh

từ năm 1966 tại Mỹ về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Nhưng không giống như kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang thông thường FDM, luồng dữ liệu đầu vào tốc độ cao được chia thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn, sau đó được phát đi đồng thời trên một số sóng mang con trực giao với nhau Toàn bộ băng tần hệ thống OFDM được chia thành

kênh con song song, mỗi kênh con được mang bởi sóng mang khác nhau gọi

là các sóng mang phụ Các sóng mang phụ này trực giao đôi một với nhau, do đó phổ của chúng cho phép chồng lấn lên nhau Chính sự chồng lấn này khiến cho kỹ thuật OFDM khắc phục ảnh hưởng của kênh chọn lọc tần số, đồng thời tăng hiệu suất sử dụng phổ tần lên đáng kể so với kỹ thuật điều chế đơn sóng mang, hay kỹ thuật điều chế đa sóng mang FDM (Hình 1.9)

Hình 1.9 minh họa hàm mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM (a) với hệ thống đa sóng mang trực giao OFDM (b) Trên cùng độ rộng băng tần và số lượng sóng mang phụ, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM rõ ràng cho hiệu quả sử dụng phổ tần tốt hơn FDM nhờ sự trực giao của các sóng mang phụ, sự trực giao này sẽ được trình bày trong phần dưới đây

nh 1.9 (a) mật độ phổ năng l ợng h th ng đa s ng ang FDM, (b) ật

độ phổ năng l ợng h th ng đa s ng ang trực giao OFDM

Trong truyền dẫn OFDM, việc đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang con rất quan trọng Do đó, chỉ có những phương thức điều chế tuyến tính mới được sử dụng, đó là điều chế khóa dịch pha M-PSK (Phase Shift Keying) và điều chế biên

độ vuông góc M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Phương thức điều chế khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) và ASK (Amplititude Shift Keying) không được dùng vì sẽ gây phát xạ phụ, khi đó phổ dạng hàm Bessel khiến cho các sóng mang con mất tính trực giao

1.4.2 Vấn đề chèn mẫu tin dẫn đường PIlot

Chèn tín hiệu dẫn đường Pilot là một bước quan trọng để ước lượng và cân bằng kênh truyền trong hệ thống OFDM Pilot sau khi được chèn vào nguồn tín hiệu được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu và được phát đi cùng nguồn tín hiệu có ích Dựa vào cách sắp xếp pilot, chia thành ba kiểu chèn pilot đó là: chèn pilot trên miền thời gian, chèn pilot trên miền tần số, chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số

a Chèn pilot trên iền thời gian

Chèn pilot trên miền thời gian được thể hiện như hình dưới đây:

nh 1.10 M tả cách chèn pilot trên iền thời gian

Với cách chèn như Hình 1.10, tất cả các sóng mang phụ đều chứa pilot Gọi

là khoảng cách giữa hai mẫu pilot trên miền thời gian, để có thể khôi phục hoàn toàn kênh truyền dựa vào mẫu tin dẫn đường thì phải thỏa mãn điểu kiện dưới đây:

(1.15)

Trong đó, là tỷ số lấy mẫu trên miền thời gian, là tần số Doppler Cách sắp xếp trên phù hợp kênh fading nhanh, với kênh chọn lọc tần số phù hợp với cách sắp xếp pilot trên miền tần số được trình bày dưới đây

b Chèn pilot trên iền tần s

nh 1.11 M tả cách chèn pilot trên iền tần s

Hình 1.11 mô tả cách chèn pilot cùng mẫu tin có ích trên miền tần số, với cách chèn này, tất cả các OFDM symbol đều chứa pilot Cũng giống như cách chèn pilot trên miền thời gian, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu ở miền tần số Trong miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc mật thiết với thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

c Chèn pilot trên cả miền thời gian và iền tần s

Ngoài hai cách chèn pilot nêu trên, mẫu tin dẫn đường có thể chèn cùng với mẫu tin có ích trên cả miền thời gian và miền tần số Cách chèn này chính là kiểu kết hợp chèn pilot trên miền thời gian và chèn pilot trên miền tần số, Do vậy các

điều kiện về khoảng cách giữa hai mẫu tin pilot trên miền thời gian cũng như khoảng cách trên miền tần số của hai mẫu pilot cũng phải được đảm bảo

So với hai cách chèn pilot trên, cách chèn pilot trên cả miền thời gian và miền tần số (Hình 1.12) cho phép ước lượng kênh truyền tốt hơn cả, nhưng cũng đồng nghĩa cách thức chèn và ước lượng kênh truyền sẽ phức tạp hơn nhiều

nh 1.12 Chèn pilot trên cả miền thời gian và iền tần s

1.4.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM có những ưu điểm sau:

- OFDM tăng hiệu quả sử sụng phổ bằng cách cho phép chồng lấn các sóng mang con với nhau

- Việc chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con với Fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu Fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống đơn sóng mang