Ứng dụng kỹ thuật ofdm mã hóa ldpc trong hệ thống thông tin dưới nước

Việc mô phỏng sẽ được thực thi trong hai trường hợp: đầu tiên là mô phỏng hệ thống OFDM mã hóa LDPC trong kênh truyền lý tưởng không có các thành phần can nhiễu, suy hao, đa đường… và th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

TRẦN HIẾU TRUNG

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM MÃ HÓA LDPC TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Lê Tiến Thường

2 TS Trương Quang Vinh

3 TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập -Tự do -Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN HIẾU TRUNG MSHV: 11146090

Ngày, tháng, năm sinh: 04/09/1988 Nơi sinh: Hậu Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM MÃ HÓA LDPC TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tính toán và mô hình hóa kênh truyền không dây dưới nước và thực hiện mô phỏng hệ thống thông tin sóng âm dưới nước sử dụng

mã LDPC và điều chế OFDM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS Lê Tiến Thường

Tp HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Huỳnh Phú Minh Cường TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TS Đỗ Hồng Tuấn

LỜI CẢM ƠN - -

Trước tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS Lê Tiến Thường vì đã cho tôi cơ hội được làm việc trong lĩnh vực thông tin dưới nước, với những hướng dẫn tận tình và đầy kinh nghiệm của thầy, cũng như những lời động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Sự tận tình của thầy vừa là nguồn động lực vừa tạo cho chúng tôi sự ham thích nghiên cứu khoa học Chúng tôi luôn trân trọng những hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn, sự kiên nhẫn và đặc biệt

là sự thân thiện của thầy

Kế đến, tôi cũng xin được tri ân quý thầy cô khoa Điện- Điện

tử, đặc biệt là Bộ môn Viễn thông đã vung đấp cho chúng tôi nền tảng kiến thức để có thể thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013

TRẦN HIẾU TRUNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hệ thống thông tin sóng âm dưới nước đã và đang được nghiên cứu, áp dụng rất phổ biến trong cả mục đích dân sự lẫn quân sự Luận văn này sẽ ứng dụng kỹ thuật ghép kênh tần số trực giao OFDM và mã hóa kiểm tra mật độ thấp LDPC trong hệ thống thông tin sóng âm dưới nước

Kỹ thuật OFDM được sử dụng để khắc phục nhiễu liên ký tự, hiện tượng đa đường trong kênh truyền dưới nước đồng thời giúp tăng băng thông của hệ thống Bên cạnh đó, mã hóa LDPC cũng được áp dụng để giúp nâng cao chất lượng, giảm thiểu

tỷ lệ lỗi bit khi phát trên kênh truyền không dây dưới nước

Luận văn này sẽ tập trung vào 2 vấn đề chính là: tính toán và mô hình hóa kênh truyền dưới nước, và thực hiện mô phỏng hệ thống thông tin sóng âm dưới nước sử dụng OFDM mã hóa LDPC Việc mô phỏng sẽ được thực thi trong hai trường hợp: đầu tiên là mô phỏng hệ thống OFDM mã hóa LDPC trong kênh truyền lý tưởng (không có các thành phần can nhiễu, suy hao, đa đường…) và thức hai là mô phỏng trong hệ thống trong kênh truyền dưới nước với các ảnh hưởng của nhiễu trắng, sai pha, lỗi đồng bộ, đa đường, suy hao tín hiệu để đánh giá ảnh hưởng của kênh truyền đến chất lượng của hệ thống

Luận văn này sẽ được trình bày gồm 5 chương Phần mở đầu sẽ trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Các vấn đề tổng quan các nghiên cứu, lý thuyết của hệ thống thông tin dưới nước sẽ được trình bày trong chương Tổng quan Chương Thiết kế hệ thống sẽ trình bày các vấn đề về lý thuyết LDPC, OFDM và phương pháp thiết kế hệ thống OFDM mã hóa LDPC Tiếp theo, luận văn sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống được thiết kế bằng phần mềm MATLAB và so sánh kết quả với các phương pháp khác Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển đề tài

ABSTRACT

The underwater acoustic communications has been researched and applied popularly in both civilian or military purposes This thesis will apply the orthogonal frequency devision multiplexing OFDM and low-density parity check LDPC in the underwater acoustic communications

The OFDM technique is not only used to reduce impacts of inter-symbol interference, multi-path in underwater acoustic communication, but also increase the bandwidth of the system Besides that, LDPC coding is also used to help improve the quality and reduce the bit error rate in the underwater wireless channel This paper will focus on two main issues: computing and modeling underwater acoustic channel; and simulating underwater acoustic communications based on LDPC coded OFDM The simulation is performed in two cases: LDPC coded OFDM system in ideal channels (without interference components, attenuation, multi-path ) and in underwater acoustic channel, that includes the white noise, phase difference, synchronization errors, multipath, attenuation…

This thesis will be presented consists of 5 chapters The Introduction will present introduction, causes, purposes, object and range of studies, scientific and reality significance The general issue of research, theory of underwater communications systems will be presented in the Overview chapter System Design Chapter will present the overview of LDPC, OFDM and design LDPC coded OFDM system Next, the thesis implements simulation LDPC coded OFDM system using MATLAB software and compared the results with other methods Finally, present summary of conclusion and future directions for the study

CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 BPSK Binary Phase Shift Keying

3 ICI Inter-channel Interference

8 MMSEC Minimum Mean Square Error Combining

9 OFDM Orthogonal Frequency - Division Multiplexing

10 ORC Orthogonal Restoration Combining

11 QPSK Quadrature Phase Shift Keying

14 SONAR SOund Navigation And Ranging

16 UAC Underwater Acoustic Communication

17 UEC Underwater Electromagnetic Communication

18 UOC Underwater Optical Communication

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

CÁC TỪ VIẾT TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 1

1.2 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 4

1.2.1 Hệ thống quang dưới nước 4

1.2.2 Hệ thống sóng điện từ dưới nước 6

1.2.3 Hệ thống sóng âm dưới nước 7

1.3 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 8

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 10

Chương 2: TỔNG QUAN 11

2.1 KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC DÙNG SÓNG ÂM 11

2.2 ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN UAC 12

2.2.1 Tầm truyền đạt và băng thông 12

2.2.2 Trải Doppler 13

2.2.3 Đa đường 14

2.2.4 Nhiễu trong hệ thống 16

2.2.4.1 Nhiễu nhiệt 17

2.2.4.2 Nhiễu từ môi trường biển: 18

2.2.4.3 Nhiễu do tàu thuyền: 18

2.2.3.4 Nhiễu cộng 18

2.3 GIỚI THIỆU SONAR: 19

2.3.1 SONAR thụ động (Passive SONAR) 20

2.3.1.1 Đặc điểm âm trong SONAR thụ động: 20

2.3.1.2 Sonar băng rộng và băng hẹp 22

2.3.1.3 Mảng Sonar thụ động 23

2.3.1.4 Kỹ thuật tam giác 24

2.3.2 Sonar chủ động 24

2.3.2.1 Các loại xung phát 24

2.3.2.2 Chỉ số phản âm 25

2.5 CÔNG CỤ TRUYỀN SÓNG ÂM DƯỚI NƯỚC UNDERWATER TRANSDUCER 26

2.5.1 Máy chuyển đổi áp điện 27

2.5.2 Bộ chuyển đổi được sử dụng như projector 28

2.5.3 Bộ chuyển đổi được sử dụng như hydrophone 30

2.5.4 Dãy các projector 32

2.5.5 Dãy các hydrophone 33

2.5.6 Các loại hydrophone, projector trên thị trường 34

Chương 3: HỆ THỐNG OFDM MÃ HÓA LDPC 39

3.1 LÝ THUYẾT THÔNG TIN 39

3.1.1 Lý thuyết OFDM 39

3.1.2 Lý thuyết LDPC 41

3.1.2.1 Khái quát về mã LDPC 41

3.1.2.2 Mã hóa 42

3.1.2.3 Giải mã 43

3.2 HỆ THỐNG OFDM MÃ HÓA LDPC 46

Chương 4: MÔ PHỎNG 49

4.1 MÔ PHỎNG OFDM-LDPC TRONG KÊNH TRUYỀN LÝ TƯỞNG 49

4.1.1 Phía phát 50

4.1.2 Phía thu 54

4.2 MÔ PHỎNG OFDM-LDPC VỚI KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 59

4.2.1 Nhiễu trắng AWGN 59

4.2.2 Lỗi pha 63

4.2.3 Đa đường 65

4.2.4 Lỗi đồng bộ 69

4.2.5 Sự suy hao trong môi trường nước 70

4.2.6 Hệ thống OFDM-LDPC trong kênh truyền tổng quát 73

4.3 SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC 76

4.3.1 So sánh kết quả với hệ thống OFDM mã hóa LDPC của Hyeong-Won Jeon và cộng sự [1,4] 77

4.3.2 So sánh kết quả với hệ thống CI-OFDM [15] 78

4.3.3 So sánh kết quả với hệ thống dùng mã hóa Turbo, điều chế 8PSK và 16QAM [16] 79

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 84

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Chương 1: MỞ ĐẦU

Hình 1.1: Sự đo đạc vận tốc âm thanh bằng hệ thống đơn giản 2

Hình 1.2: Mô hình kênh truyền ánh sáng dưới nước 4

Hình 1.3: Mô hình kênh truyền ánh sáng dưới nước theo đường truyền: (a) nhìn thẳng, (b) phản xạ toàn phần, (c) phản xạ mặt nước biển 5

Hình 1.4: Hệ thống thông tin hỗn hợp sử dụng sóng điện từ 7

Hình 1.5: Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm 8

Chương 2: TỔNG QUAN Hình 2.1: Mật độ công suất nhiễu xung quanh theo tần số 12

Hình 2.2: Mối liên hệ giữa SNR, tần số và khoảng cách truyền của UAC 13

Hình 2.3: Trải Doppler gây ra bởi phản xạ ở bề mặt 14

Hình 2.4: Mô hình đa đường trong UAC 15

Hình 2.5: Mô hình hệ thống thông tin dưới nước dùng SONAR 19

Hình 2.6: So sánh giữa tín hiệu và nhiễu 21

Hình 2.7: Đo khoảng cách dùng kỹ thuật tam giác-“triangulation” 24

Hình 2.8: Quan hệ giữa biến dạng cơ học và trường điện trong các vật liệu áp điện và vật liệu điện giảo 28

Hình 2.9: Một loại máy phát biến đổi điện thanh 29

Hình 2.10: Gốm áp điện 31

Hình 2.11: Dãy các projector gắn theo hình trụ 32

Hình 2.12: Dãy các projector gắn theo mặt phẳng 33

Hình 2.13: B&K 8103 34

Hình 2.14: Neptune Sonar D/70 35

Hình 2.15: Đồ thị độ nhạy thu của Neptune Sonar D/70 35

Hình 2.16: TC4013 36

Hình 2.17: Đồ thị định hướng của TC4013 36

Hình 2.18: Biểu đồ độ nhạy thu của hydrophone TC4013 37

Chương 3: HỆ THỐNG OFDM - MÃ HÓA LDPC Hình 3.1: Phổ của sóng mang con OFDM 39

Hình 3.2: Minh họa bản tin đi qua ½ vòng lặp để tính 44

Hình 3.3: Minh họa bản tin đi qua nửa vòng lặp để tính rij(b) 45

Hình 3.4: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM mã hóa LDPC 46

Chương 4: MÔ PHỎNG Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật phía phát 51

Hình 4.2: Dạng sóng của tập tin âm thanh và 24 bit của chuỗi DataIn 52

Hình 4.3: Hình vẽ của 12 ký tự QPSK đầu tiên được phát 52

Hình 4.4: Phổ tần số ở băng gốc 53

Hình 4.5: Phổ tần số sau khi dịch lên tần số sóng mang 53

Hình 4.6: Tín hiệu được phát ra kênh truyền 54

Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật phía thu 55

Hình 4.8: Phổ tần số của tín hiệu thu sau khi dịch tần về băng gốc 55

Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật giải mã LDPC bằng phương pháp SPA 56

Hình 4.10: Các sai pha dạng phức ở máy thu 57

Hình 4.11: Ký tự QPSK thu được ở máy thu 57

Hình 4.12: 24 bit đầu tiên thu được ở máy thu và tập tin dạng sóng thu được 58

Hình 4.13: Kênh truyền dưới nước 59

Hình 4.14: Tín hiệu thu khi có nhiễu 60

Hình 4.15: Tín hiệu thu có và không có nhiễu 60

Hình 4.16: Sai pha dạng phức có nhiễu 61

Hình 4.17: Tập tin dạng sóng thu được với SNR bằng 18dB 62

Hình 4.18: Tỷ lệ lỗi bit theo SNR 62

Hình 4.19: Lỗi pha theo thời gian 63

Hình 4.20: Sai pha dạng phức khi có lỗi pha 64

Hình 4.21: Tập tin dạng sóng thu được khi có lỗi pha 64

Hình 4.22: Tỷ lệ lỗi bit theo SNR 65

Hình 4.23: Đáp ứng xung kênh truyền 66

Hình 4.24: Tín hiệu phát và tín hiệu thu 66

Hình 4.25: Sai pha khi có đa đường 67

Hình 4.26: Tập tin dạng sóng với hiện tượng đa đường 68

Hình 4.27: Tỷ lệ bit lỗi theo SNR 68

Hình 4.28: Các sai pha khi bị dịch vị cửa sổ FFT 69

Hình 4.29: Tỷ lệ lỗi bit theo thời gian dịch vị 70

Hình 4.30: Tỷ số BER theo khoảng cách truyền tin tương ứng với nhiệt độ nước 72

Hình 4.31: Tỷ lệ BER khi xét hệ số suy hao của sóng âm dưới nước 72

Hình 4.32: Tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi kênh truyền 73

Hình 4.33: Các sai pha bị ảnh hưởng bởi kênh truyền 74

Hình 4.34: Tập tin dạng sóng tái tạo được ở máy thu 74

Hình 4.35: Tỷ lệ lỗi bit trong kênh truyền tổng quát 75

Hình 4.36: So sánh phương pháp OFDM có và không có mã hóa LDPC 76

Hình 4.37: So sánh tỷ lệ BER của hệ thống OFDM mã hóa LDPC của tác giả Hyeong-Won Jeon và cộng sự và phương pháp được xem xét 77

Hình 4.38: So sánh tỷ lệ BER của Phương pháp CI-OFDM của Fang Xu và Ru xu với phương pháp được xem xét 78

Hình 4.39: So sánh tỷ lệ BER của Phương pháp Turbo dùng điều chế 8PSK và 16QAM của Yuri Lab Và cộng sự với phương pháp được xem xét 79

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC

Như chúng ta biết, nước chiếm hơn 70% diện tích vỏ trái đất Tuy nhiên, con người vẫn chưa thể khai thác được hết giá trị của nó bởi vì rất nhiều hạn chế về kỹ thuật, trong đó phải kể đến kỹ thuật truyền thông tin ở dưới nước

Nhu cầu của liên lạc không dây dưới nước tồn tại trong các ứng dụng như điều khiển từ xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu, theo dõi độ ô nhiễm trong môi trường hệ thống, thu thập các dữ liệu khoa học ở các trạm đáy biển và các phương tiện không người lái dưới biển, truyền lời nói giữa các thợ lặn, giữa thợ lặn với tàu thuyền và tàu thuyền với nhau, và tìm ra các tài nguyên mới Ngoài ra, hệ thống thông tin dưới nước còn được áp dụng rất nhiều trong việc thông tin liên lạc giữa các tàu ngầm quân sự, phát hiện tàu ngầm, ngư lôi, và nhiều mục đích về tính báo khác…

Ý tưởng truyền và nhận thông tin dưới nước xuất hiện từ thời của Leonardo Da Vinci, người mà đã khám phá khả năng theo dõi các tàu từ xa bằng cách nghe các ống dài được nhúng xuống biển như hình 1.1 Ông nhận ra rằng: nếu đặt từ con tàu một ống dài trong nước và phía còn lại đặt 1 ống dài 2 đầu, 1 đầu đặt trong nước và đầu còn lại được đặt lên tai, thì ta có thể nghe tiếng con tàu từ khoảng cách rất xa” Ông đã nhận ra âm thanh truyền tốt dưới nước, nó được nhận và chuyển thành các dạng có ích với các thiết bị phù hợp

Việc sử dụng âm thanh echo để xác định vị trí dưới nước với nguyên tắc giống như dơi sử dụng âm thanh để điều hướng trên không Bằng sáng chế đầu tiên trên thế giới về thông tin dưới nước đã được cấp cho một nhà khí tượng học người Anh- Lewis Richardson, một tháng sau khi vụ đắm tàu Titanic (1912) Sau đó một nhà vật

lý người Đức- Alexander Behm cũng nhận được một bằng sáng chế về tiếng vang

âm echo vào năm 1913

Hình 1.1: Sự đo đạc vận tốc âm thanh bằng hệ thống đơn giản

Trong thời kỳ hiện đại, thông tin liên lạc dưới nước bắt đầu phát triển từ Thế chiến thứ hai nhằm phục vụ cho nhu cầu quân sự Một trong những hệ thống liên lạc dưới nước đầu tiên là hệ thống điện thoại dưới nước, được phát triển vào năm 1945 ở Mỹ cho việc liên lạc với tàu ngầm Thiết bị này sử dụng điều chế biên độ sóng mang dải tần đơn (SSB) trong khoảng tần số 8 kHz-11 kHz, và nó có khả năng gửi tín hiệu

âm thanh trong phạm vi vài kilomet Tuy nhiên, cho đến khi sự phát triển của công nghệ vi mạch mới, một loạt hệ thống liên lạc dưới nước mới bắt đầu nổi lên Cùng với sự phát triển của các vi xử lý tín hiệu nén với nhu cầu năng lượng ít, người ta mới có thể thực thi được các giải thuật xử lý tín hiệu và nén dữ liệu phức tạp tại các các đầu cuối liên lạc dưới nước

Hai hệ thống thông tin liên lạc dưới nước tiêu biểu là hệ thống Seafarer của US Navy dùng sóng mang 75Hz, và hệ thống ZEVS của Russian Navy dùng sóng mang 82Hz

Một vài năm gần đây, hệ thống liên lạc dưới nước đã có những sự tiến bộ đáng kể

về tầm hoạt động và thông lượng Các rô-bốt điều khiển bằng sóng âm đã được sử dụng để thay thế các thợ lặn bảo trì các hệ thống; sự truyền hình ảnh chất lượng cao

từ đáy hào biển sâu nhất (6500km) lên tàu được thiết lập; và việc truyền dữ liệu đo đạc ở các khoảng cách chân trời vượt quá 200km được thực hiện

Trong các hệ thống hiện thời, thường có bốn loại dữ liệu được truyền: điều khiển,

đo đạc, lời nói và hình ảnh

 Tín hiệu điều khiển gồm định vị, thông tin trạng thái, và các lệnh điều khiển cho rô-bốt dưới nước, các phương tiện và dụng cụ dưới nước như các đường ống dẫn Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 1 Kbps là hiệu quả cho các hoạt động này, nhưng yêu cầu tỷ lệ bit lỗi thấp

 Tín hiệu đo đạc từ xa được thu thập từ các dụng cụ sóng âm dưới nước như ống nghe dưới nước (hydrophone), máy đo địa chấn, hệ thống định vị bằng sóng âm (sonar), cảm biến đo nồng độ hóa chất, và các dữ liệu ảnh tốc độ thấp Tốc độ dữ liệu khoảng 10 Kbps, và tỷ lệ bit lỗi khoảng 10-3 đến 10-4

 Tín hiệu hình ảnh thì được truyền giữa các thợ lặn và trạm mặt đất hoặc giữa các thợ lặn Hầu hết các hệ thống liên lạc thương mại sử dụng tín hiệu liên lạc tương tự, dựa trên điều chế biên tần đơn của tín hiệu âm thanh 3 kHz Truyền tín hiệu hình ảnh trong kênh truyền sóng âm dưới nước yêu cầu tỷ lệ nén tín hiệu rất cao Một điểm thuận lợi là hình ảnh dưới nước thể hiện sự tương phản và chi tiết thấp, và lưu giữ chất lượng nếu nén đến 2 bits cho mỗi pixel

 Tín hiệu thoại được định hướng truyền nhận giữa các thợ lặn, giữa thợ lặn và tàu thuyền, và giữa các tàu thuyền với nhau Hiện tại, hệ thống thông tin thoại này vẫn chưa cho chất lượng tốt so với hệ thống trên mật đất Các

nghiên cứu hiện đại trong lĩnh vực phân tích lời nói cho các thợ lặn hy vọng rằng việc truyền dữ liệu bằng số có thể đạt được chất lượng tốt hơn

Liên lạc không dây dưới nước có thể được thiết lập bởi sự truyền sóng âm học Tuy nhiên, các kênh truyền sóng âm học dưới nước có băng thông giới hạn, và thường gây méo tín hiệu trong thời gian lẫn tần số Mặc dù vậy, liên lạc dưới nước bằng sóng âm vẫn là một mảng nghiên cứu khoa học rất phát triển hiện nay

1.2 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển khá dài, hiện nay hệ thống thông tin không dây dưới nước được thực hiện bằng rất nhiều phương pháp khác nhau Các phương pháp không dây này được chia thành 3 loại chính: hệ thống thông tin quang dưới nước, hệ thống thông tin sóng điện từ (LF, RF…) dưới nước và hệ thống thông tin sóng âm dưới nước

1.2.1 Hệ thống quang dưới nước

Hình 1.2: Mô hình kênh truyền ánh sáng dưới nước

Hệ thống thông tin quang (không dây) dưới nước (UOC) được nghiên cứu từ những năm cuối thế kỷ XX Hệ thống này cho phép truyền tải với tốc độ bit cao, băng thông lớn Cochenour và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu hệ thống của họ có thể đạt được băng thông 5GHz với khoảng cách 64m trong môi trường nước biển hoàn toàn sạch và còn 1GHz với khoảng cách 8m trong môi trường có nhiều nguồn nhiễu Tuy nhiên, những ứng dụng thực tế của hệ thống quang không dây trong môi trường nước thường chỉ đạt tốc độ chỉ khoảng 156kbps trong tầm hoạt động dưới 100m

Hình 1.3: Mô hình kênh truyền ánh sáng dưới nước theo đường truyền:

(a) nhìn thẳng, (b) phản xạ toàn phần, (c) phản xạ mặt nước biển

Hình 1.2 bên trên thể hiện mô hình kênh truyền quang dưới nước Hệ thống bao gồm các cảm biến thu phát, các phương tiện dưới nước và thợ lặn Hệ thống này có

3 dạng đường truyền chính là truyền thẳng, đường truyền phản xạ toàn phần và đường truyền phản xạ mặt nước biển như trong hình 1.3

Hệ thống thông tin quang dưới nước cho thấy được khả năng ứng dụng cao trong các vấn đề đòi hỏi băng thông và tốc độ truyền tải dữ liệu lớn Tuy nhiên, phương pháp này bị hạn chế vì hệ thống quang dưới nước bị ảnh hưởng bởi tán xạ, phản xạ… trong môi trường nước Ngoài ra, nó còn bị ảnh hưởng bởi các vật thể che chắn cố định và di động trong môi trường biển Điều này làm cho tầm hoạt động của hệ thống rất ngắn

Không chỉ vậy, hệ thống quang đòi hỏi các bộ thu phát phải có độ chính xác cao trong việc định hướng chùm tia hẹp Việc này khiến giá thành của hệ thống rất cao Đây là một trong nhưng hạn chế rất lớn của hệ thống thông tin quang không dây khi đưa vào ứng dụng thực tiễn

1.2.2 Hệ thống sóng điện từ dưới nước

Hệ thống sóng điện từ dưới nước được nghiên cứu từ thế kỷ XIX và lần đầu tiên được sử dụng vào thế kỷ XX Các ứng dụng dưới nước của sóng điện từ giúp cho chúng có thể giao tiếp trên không khí lẫn dưới nước Như chúng ta biết, tín hiệu điện từ tần số cao bị hấp thụ rất lớn trong môi trường nước, đặc biệt là nước biển ở mức dB/km Do đặc tính này mà hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng điện từ (UEC) thường chỉ có tầm hoạt động rất ngắn nhưng yêu cầu phải có hệ thống anten rất lớn để đảm bảo công suất tín hiệu đủ lớn

Trong thực tế, hệ thống này thường chỉ được ứng dụng trong các trường hợp cần liên lạc liên tục bằng sóng điện từ trên mặt đất lẫn dưới nước như hình 1.4

Hình 1.4: Hệ thống thông tin hỗn hợp sử dụng sóng điện từ

1.2.3 Hệ thống sóng âm dưới nước

Như đã trình bày ở phần đầu, hệ thống sóng âm dưới nước được phát triển từ rất sớm với rất nhiều ứng dụng thực tiễn Cùng với sự phát triển của khoa học, hệ thống cảm biến và vi mạch, và đặc biệt là các kỹ thuật điều chế, mã hóa tiên tiến, hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm thanh đang ngày càng được phát triển

Các nghiên cứu gần đây cho phép hệ thống sóng âm dưới nước đạt được tốc độ từ vài kbps đến vài chục Mbps trong khoảng cách vài km Trong khi đó, hệ thống này không yêu cầu phần cứng anten thu phát quá lớn như việc sử dụng sóng điện từ, cũng không đòi hỏi độ chính xác, độ phức tạp cao như hệ thống quang

Hình 1.5 thể hiện một hệ thống thông tin sóng âm dưới nước sử dụng các hệ thống cảm biến dẫn đường và đo vị trí bằng sóng âm thanh SONAR Các cảm biến này được rải trong môi trường nước biển để đóng vai trò các anten phát sóng

Bộ thu phát mặt đất

Bộ thu phát dưới nước

Bộ thu phát dưới nước

Đáy biển

Hình 1.5: Hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm

Với mô hình này, hệ thống có thể được trải rất rộng trong phạm vi nước biển, đảm bảo khả năng liên lạc của các tàu ngầm ở khoảng cách rất xa Đây là một trong nhưng ưu điểm rất lớn của hệ thống so với các phương pháp khác

Ngoài ra, hệ thống này còn có thể kết hợp với hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất như mô hình hệ thống sóng điện từ dưới nước được trình bày ở trên Khi đó, con người có thể thực hiện trao đổi thông tin mà không bị giới hạn về môi trường không khí hay trong lòng đại dương

 Sóng điện từ bị ảnh hưởng rất nặng trong môi trường nước biển Nó khiến cho việc hiện thực hệ thống gặp khó khăn do phải cung cấp nguồn phát, hệ

thống anten rất lớn để đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu Tuy vậy, nó cũng chỉ có thể hoạt động trong khoảng cách rất ngắn

 Sóng âm tuy bị ảnh hưởng bởi nước biển nhưng có thể truyền nhận thông tin

ở khoảng cách vài km với tốc độ vài trăm kbps đến vài Mbps Hệ thống này không yêu cầu anten thu phát lớn như hệ thống sử dụng sóng điện từ, và cũng không đòi hỏi tính phức tạp cao như hệ thống quang, mà vẫn đảm bảo khoảng cách thu phát lớn đến vài km so với các phương pháp còn lại

Bởi vì những phân tích ở trên, sóng âm vẫn là giải pháp tối ưu cho liên lạc dưới nước, trong các ứng dụng mà việc dùng dây dẫn là không thể đáp ứng được Tuy nhiên, sự truyền âm thanh dưới nước bằng sóng âm cũng bị ảnh hưởng lớn bởi sự mất mát truyền dẫn, nhiễu, tiếng vang, và tính biến thiên theo không gian và thời gian của kênh truyền Sự mất mát kênh truyền và nhiễu là hai yếu tố chính quyết định băng thông, và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu Ngoài ra, sự biến thiên theo thời gian của tín hiệu đa đường ảnh hưởng đến việc thiết kế và xử lý hệ thống, thông qua đó quyết định thông lượng và sự thực thi của hệ thống

Trong kênh truyền thông tin dưới nước, các thành phần can nhiễu này còn gây ra ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với kênh truyền mặt đất Chính vì vậy, điều chế và mã hóa kênh truyền là hai khâu cực kỳ quan trọng trong hệ thống thông tin dưới nước Việc nghiên cứu đầy đủ các thành phần này sẽ giúp kênh truyền dưới nước bằng sóng âm có thể phát triển rất nhiều trong tương lai

Hiểu được tầm quan trọng này, hiện nay có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được

áp dụng trong hệ thống kênh truyền dưới nước sử dụng sóng âm Trong đó, nổi bật nhất là điều chế tần số trực giao - OFDM và mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp - LDPC, bởi vì những ưu điểm của chúng đối với kênh truyền không dây dưới nước

Kỹ thuật điều chế OFDM cho phép tiết kiệm băng thông, một điều tối quan trọng trong hệ thống kênh truyền dưới nước, đồng thời cho phép gia tăng tốc độ kênh truyền, giảm các ảnh hưởng, can nhiễu trong môi trường nước Kỹ thuật mã hóa LDPC là một trong những kỹ thuật có chất lượng tốt nhất, cho phép thiết kế đạt chất

lượng tiệm cận với phương pháp Shannon Việc kết hợp hai kỹ thuật tiên tiến này trong kênh truyền phức tạp như kênh truyền dưới nước hứa hẹn sẽ cho một kết quả tốt so với các phương pháp khác

Chính vì những ưu điểm vượt trội của chúng, nên phương pháp này có thể là một trong những giải pháp tốt nhất cho kênh truyền không dây dưới nước và sẽ còn phát triển rất nhiều sau này Đó chính là lý do để tôi thực hiện đề tài này

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là kênh truyền không dây dưới nước với các đặc tính trong môi trường biển và hệ thống thông tin dưới nước bằng sóng âm sử dụng

kỹ thuật OFDM và mã hóa LDPC

Luận văn này sẽ chỉ tập trung việc mô hình hóa hệ thống thông tin sóng âm dưới nước bằng phần mềm MATLAB để đánh giá khả năng áp dụng thực tiễn của phương pháp trong tương lai

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Luận văn này sẽ tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật OFDM và mã hóa LDPC cho

hệ thống kênh truyền không dây dưới nước dùng sóng âm Bằng cách áp dụng điều chế QPSK, và giải mã LDPC bằng phương pháp SPA, hệ thống được xem xét trong luận văn cho kết quả cải tiến hơn so với nhiều phương pháp nghiên cứu trước đó Việc cải thiện được chất lượng của hệ thống giúp tăng khả năng áp dụng thực tiễn trong một hệ thống kênh truyền phức tạp như kênh truyền dưới nước Hệ thống thông tin sóng âm dưới nước dùng kỹ thuật OFDM mã hóa LDPC hoàn toàn có thể

áp dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tầm hoạt động lớn (khoảng vài km), tỷ lệ lỗi bit không quá thấp như các ứng dụng đo đạc, định vị, và thoại dưới nước

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC DÙNG SÓNG ÂM

Liên lạc không dây dưới nước có thể được thiết lập bởi sự truyền sóng âm học (acoustic) Tuy nhiên, các kênh truyền sóng âm học dưới nước (UAC) có băng thông giới hạn, và thường gây méo tín hiệu trong thời gian lẫn tần số Mặc dù vậy, liên lạc dưới nước bằng sóng âm vẫn là một mảng nghiên cứu khoa học rất phát triển hiện nay

UAC đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng (khám phá đại dương, thu thập dữ liệu, theo dõi mức độ ô nhiễm ở đại dương, đề phòng sự cố, điều hướng…) và mở rộng các nghiên cứu vào lĩnh vực liên lạc tàu ngầm, giám sát quốc phòng, quân sự…

UAC vẫn được xem là một kênh truyền phức tạp và bị ảnh hưởng nhiều khi các điều kiện kênh truyền (như nhiệt độ nước, gió trên mặt nước biển và độ mặn nước biển…) thay đổi Đặc biệt, trải trễ đa đường do phản xạ gây ra nhiễu liên ký tự (ISI)

và fading chọn lựa tần số, làm suy giảm chất lượng của hệ thống Hơn nữa, fading chọn lựa thời gian và trải Doppler gây ra do gió trên mặt nước biển thay đổi và sự dịch chuyển dòng nước cũng làm giảm chất lượng của hệ thống

Trong trường hợp đặc biệt là sự biến thiên thời gian của kênh là đủ chậm hơn tốc độ

ký tự, fading chọn lựa tần số có thể khắc phục bằng hệ thống OFDM Trong hệ thống OFDM, fading sâu tại các sóng mang con tập trung gây tác động xấu đến chất lượng hệ thống Để giảm nhẹ ảnh hưởng tiêu cực này, các mã sửa sai như mã chập,

mã Reed- Solomon, mã turbo và mã LDPC thường được sử dụng

Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung vào việc mô hình hóa kênh truyền dưới nước để thiết kế hệ thống OFDM sử dụng mã hóa LDPC tin cậy

2.2 ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN UAC

2.2.1 Tầm truyền đạt và băng thông

Sự mất mát truyền dẫn chủ yếu gây ra bởi sự dàn trải năng lượng và sự hấp thu âm thanh Trong khi sự mất mát năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách truyền, sự hấp thụ không chỉ phụ thuộc vào tầm tryền đạt mà còn phụ thuộc vào tần số, do đó đặt

ra một giới hạn cho băng thông Nhiễu trong kênh truyền dưới nước bao gồm nhiễu hỗn loạn trong vùng nước, nhiễu do tàu thuyền, sóng và nhiệt Hình 2.1 mô tả mật

độ công suất nhiễu theo tần số:

Hình 2.1: Mật độ công suất nhiễu xung quanh theo tần số

Sự mất mát và nhiễu trong truyền dẫn quyết định sự quan hệ giữa tầm hoạt động, băng thông và tỷ lệ SNR tại đầu thu Mối phụ thuộc này được biểu diễn trong hình 2.2

Hiển nhiên sự phụ thuộc này ảnh hưởng đến việc lựa chọn tần số sóng mang cho tầm hoạt động mong muốn Hơn nữa, nó còn quyết định sự quan hệ giữa tầm hoạt động và băng tần Sự liên lạc dưới nước có thể chia ra làm các tầm: dài, trung bình,

và ngắn Ở tầm dài, hệ thống hoạt động trong khoảng 10-100 km, băng tần giới hạn

trong khoảng vài kHz (tầm rất dài thì khoảng cách cỡ 1000km và băng thông dưới 1 kHz) Tầm trung hoạt động từ 1-10 km có băng thông khoảng 10 kHz, trong khi tầm rất ngắn thì dưới 100m, băng thông sẽ lớn hơn 100 kHz

Hình 2.2: Mối liên hệ giữa SNR, tần số và khoảng cách truyền của UAC

2.2.2 Trải Doppler

Sự tán sắc bề mặt của UAC phụ thuộc vào điều kiện bề mặt biển Với điều kiện bề mặt phẳng lý tưởng, các sóng tới được phản xạ gần như hoàn toàn với độ dịch pha

Tuy nhiên, với điều kiện thực tế, các sóng lừng (ở biển) dẫn tới việc thay đổi điểm phản xạ và tạo ra tán sắc năng lượng Trải Doppler với tần số sóng mang kHz được viết theo công thức sau:

Trong đó c, w và lần lượt là tốc độ âm thanh, tốc độ gió mặt biển và góc là (grazing) Tốc độ sóng âm bị ảnh hưởng bởi độ mặn của nước biển, nhiệt độ nước,

áp suất… nhưng đạt được 1500m/s trong điều kiện bình thường

Hình 2.3: Trải Doppler gây ra bởi phản xạ ở bề mặt

Hình 2.3 [1] cho thấy trải Doppler theo tần số sóng mang và tốc độ gió mặt biển khi giả sử rằng Hình này thể hiện việc tăng trải Doppler khi sử dụng tần số sóng mang cao hơn Mặc dù việc sử dụng tần số sóng mang cao hơn có một ưu điểm là tăng băng thông truyền dẫn khả dụng, nó cũng có một nhược điểm là việc tăng độ dốc của trải Doppler

 Nếu mực nước sâu, kênh truyền sẽ hình thành các tia bị bẻ cong, các tia này

có thể truyền lên bề mặt tập trung vào một điểm

Các sóng âm thanh trong UAC được phản xạ trên bề mặt biển và dưới đáy đại dương cũng như đa đường theo tạo hình như trong hình 2.4 Hàm truyền của đường phản xạ với khoảng cách , trong đó p=0,1,2… là

Trong đó là suy hao trên 1 đường với khoảng cách và tần số sóng mang

f Hz Bên cạnh đó, là hệ số phản xạ được xác định bởi số phản xạ trên mặt biển

và bên dưới đáy biển

Hình 2.4: Mô hình đa đường trong UAC

Trong công thứ (2.2), mất mát trên 1 đường truyền là

Trong đó là hằng số, và k là thông số trải nằm giữa 1 và 2, tùy theo loại trải Trong luận văn này, tôi thiết lập và k=2 với việc xem xét trải hình cầu Và a(f) là hệ số hấp thụ được tính như sau:

Trong công thức 2.4, được định nghĩa bởi thực nghiệm của Thorp

Trong công thức 2.2, hệ số phản xạ là

Trong đó, và c lần lượt là mật độ nước và tốc độ âm thanh tổng quát còn và

là mật độ và tốc độ âm thanh ở đáy biển Thông thường, các giá trị này lần lượt là

1000 , 1500 , 1800 , 1300

Đáp ứng xung khi xét đặc tính phản xạ trong UAC là

Trong đó là kết quả biến đổi Fourier ngược (IFFT) của mỗi hàm truyền và

là khoảng thời gian đến giữa đường đi trực tiếp và mỗi đường phản xạ

2.2.4.1 Nhiễu nhiệt

Nhìn chung như bất kỳ hệ thống máy thu tín hiệu điện nào, một máy thu dưới nước cũng cộng thêm nhiễu nội vào tín hiệu nó nhận được Nhà thiết kế phải đảm bảo rằng nhiễu cộng thêm này không đáng kể so với nhiễu từ chính môi trường nước biển Với một điện trở R gây ra nhiễu nhiệt kết quả từ dao động nhiệt của các điện

tử trong chúng Giá trị của nhiễu nhiệt được cho bởi [6]:

Với:

Tương tự, đối với một bộ thu phát dưới nước, năng lượng trao đổi diễn ra với môi trường nước biển thông qua các điện trở động Rm của các bộ thu phát, tạo ra một thành phần nhiễu nhiệt cho bởi công thức trêntrong đó R được thay thế bằng Rm Ở đây, nhiễu nhiệt này không sinh ra bởi một chuyển động nhiệt của các điện tử Tuy nhiên, từ các chuyển động nhiệt của các phân tử nước sẽ tạo áp lực lên bề mặt của hydrophone

Nhiễu nhiệt này là sẽ được giảm tối đa nếu không có nguồn nhiễu khác Với điều kiện nước không có dao động, trừ trường hợp dao động nhiệt và môi trường hoàn toàn bị cô lập với tất cả các nguồn âm thanh khác (như biển chết) Ngoài ra môi

trường được cho là hoàn hảo và không có nhiễu (các yếu tố gây nhiễu trên máy thu

là NFr= 0 dB)

Khi đó nhiễu nhiệt được tính bởi công thức sau:

Với tính theo đơn vị dB, f tính theo kHz

2.2.4.2 Nhiễu từ môi trường biển:

Nhiễu nhiệt trong môi trường biển chỉ có thể là ở mức nền đối với sóng âm ở tần số cao - ít nhất là 30kHz hoặc với các ứng dụng thực tế ít nhất là 100 kHz, tại tần số

mà nhiễu nhiệt được cho là tương đương với các loại nhiễu khác trong biển được dự kiến

Khi biển không ở trạng thái “chết” (nghĩa là hoàn toàn bị cô lập từ mọi nguồn âm thanh và chỉ bị kích động nhiệt), kể cả khi môi trường là bình lặng thì các kích thích trong biển vẫn lớn hơn nhiều so với nhiễu nhiệt, đặc biệt là khi tần số sóng thấp hơn 30kHz

2.2.4.3 Nhiễu do tàu thuyền:

Có ba nguồn chính gây ra nhiễu này:

 Động cơ đẩy và máy phụ

 Cánh quạt của tàu

 Nhiễu do dòng chảy nước tạo ra

2.2.3.4 Nhiễu cộng

Cường độ nhiễu tổng từ nhiều nguồn nhiễu được tính bằng cách cộng các thành phần rời rạc theo công thức sau:

Với là công suất nhiễu tổng, , là công suất nhiễu của các nguồn thành phần Tất cả đều tính theo đơn vị dB

Nếu một một nguồn nhiễu vượt nguồn khác ít nhất là 6 dB thì nguồn nhiễu yếu hơn

sẽ không ảnh hưởng khi tính PT

2.3 GIỚI THIỆU SONAR:

SONAR là từ viết tắt của SOund Navigation And Ranging, có nghĩa là dẫn đường

và đo cự ly bằng sóng âm thanh Thiết bị Sonar dùng sóng âm thanh dội lại để tìm

và xác định vị trí của một vật thể dưới nước

Hình 2.5: Mô hình hệ thống thông tin dưới nước dùng SONAR

So với âm thanh bình thường thì tín hiệu âm thanh của thiết bị sonar mạnh hơn rất nhiều Phần lớn những thiết bị âm thanh của sonar có thể phát ra tín hiệu mạnh gấp hàng triệu lần tiếng gào thét của con người Tín hiệu do sonar phát ra là một tín hiệu xung, cứ cách một khoảng thời gian gián cách (khoảng 1 phần mấy của giây), sonar lại phát đi một xung

Một số thiết bị sonar phát ra tín hiệu có thể nghe thấy Một số khác lại phát ra tín hiệu tần số cao trong dải tần số âm thanh mà con người không nghe được Trong thiết bị sonar có một máy thu đặc biệt, có thể nhận được âm thanh phản xạ của loại

âm thanh tần số cao đó Người ta có thể ứng dụng sonar trong việc truyền nhận tín hiệu trong hệ thống thông tin dưới nước Có hai loại Sonar:

 Sonar thụ động (Pasive Sonar): chủ yếu lắng nghe những âm thanh được các sonar khác phát ra

 Sonar chủ động (Active Sonar): phát ra các xung âm thanh và lắng nghe âm thanh phản xạ

2.3.1 SONAR thụ động (Passive SONAR)

2.3.1.1 Đặc điểm âm trong SONAR thụ động:

Các đặc tính chủ yếu của tai con người là như sau:

 Dải động 120 dB

 Rộng dải tần số: 20 đến 15 000 Hz

Về mặt tần số, tai ngườicó thể nhận biết được hai âm thanh khác nhau ít nhất là

50-100 Hz Vì đặc điểm này, tai người vẫn rất quan trọng đối với Sonar thụ động Tai người không chỉ là một kênh nghe băng thông rộng đơn giản, mà còn có thể được coi là một bộ lọc băng hẹp bao gồm toàn bộ quang phổ âm thanh Các băng thông của từng bộ lọc giả định được gọi là “critical bandwidth” (Δfc) và có độ rộng

từ 50 đến100 Hz cho các tần số từ 300 đến 2000Hz và sẽ rộng hơn nếu âm thanh nhận được nằm ngoài khoảng này

Giá trị Δfc là khoảng băng thông mà sự gia tăng phổ (trong giới hạn hợp lý) không gây ảnh hưởng đến tín hiệu Do đó, mặt nạ che nhiễu được tính như sau:

Với Ns(f) là mức phổ nhiễu tại tần số tín hiệu f

Các thử nghiệm xác minh rằng mức độ nhận biết của tai người gần với C(f) Khi cường độ tín hiệu tăng lên, ngay sau khi đạt tới mức độ nhiễu tại bất kỳ tần số trong băng thông nhận, ta xác nhận có tín hiệu ở tần số đó Tần số này được gọi là tần số ngưỡng

Giảm băng thông nghe có thể loại bỏ tần số ngưỡng (hoặc chuyển nó đến một giá trị mới có mức nhiễu cao hơn) và do đó băng thông âm thanh sẽ bao toàn bộ phổ tần số của tín hiệu mong đợi

Hình 2.6: So sánh giữa tín hiệu và nhiễu

Tai có thể phát hiện được tín hiệu ở cấp độ như hình (b) Nhưng một máy thu băng rộng đơn giản sẽ không phát hiện tín hiệu cho đến khi mức độ tín hiệu được tăng lên đến mức như hình (c)

Khi một sonar thụ động phát hiện một tín hiệu từ mục tiêu, nó sẽ tính toán khoảng cách đến mục tiêu Tuy nhiên, khoảng cách đến mục tiêu không trực tiếp biết được,

mà ta phải so sánh tín hiệu tại các dãy

Có nhiều ứng dụng khai thác từ Sonar thụ động để ước tính phạm vi của mục tiêu Các ứng dụng này đặc biệt thích hợp cho các tàu ngầm có cánh cung Tàu ngầm là một mục tiêu rất khó phát hiện và do đó nó bắt buộc phải sử dụng Sonar chủ động,

để xác định tầm của một tàu khác khi nó bắt được tín hiệu phát hiện

2.3.1.2 Sonar băng rộng và băng hẹp

Hệ thống Sonar thụ động tính toán tổng phổ của nhiễu ngõ ra từ mục tiêu bằng cách dùng kỹ thuật băng thông rộng và hẹp Sonar kiểm tra băng thông rộng tổng năng lượng trên một dải tần số rộng, mà thường được chia thành các quãng octave

Các phương trình sóng âm băng rộng, thu được sau đó chỉ ra rằng hiệu quả được cải thiện nếu tăng băng thông Tuy nhiên, điều này chỉ đúng nếu băng thông không vượt quá phổ của nhiễu phát xạ

Sonar hẹp phân chia tổng năng lượng thành các khoảng tần hẹp rồi phân tích để tìm kiếm các bức xạ rời rạc Việc phân tích sonar thụ động được cải thiện bằng cách giảm băng thông phân tích (cho đến khi tín hiệu được trên xử lý xong)

Nhiễu băng thông rộng từ chân vịt, bánh lái có thể cũng bị điều chế biên độ ở tần số

cơ bản Một kỹ thuật được gọi là giải điều chế (demodulation) có thể gải quyết điểm yếu này bằng cách phân tích trong khoảng hẹp nơi chứa các tần số điều chế

Sonar băng hẹp phát hiện và có khả năng phân loại nhiễu bức xạ tốt Vì các âm chính là bức xạ ở tần số tương đối thấp, đặc biệt là với tàu ngầm, nên tính chính xác

bị giới hạn khi so với Sonar băng thông rộng hoạt động ở tần số cao hơn Ở các tần

số cao, các chùm tia hẹp hơn cải thiện độ chính xác của sóng mang

Các sóng âm băng rộng sẽ phân tích tín hiệu từ các tia (beamformer) bằng cách sử dụng năng lượng hoặc các kỹ thuật tương quan chéo Sau đó sẽ tích hợp (tính tổng năng lượng không tương quan trong băng tần chứa tín hiệu) và hiển thị chúng theo thời gian Việc tăng tính tích hợp để bắt tín hiệu năng lượng là 5log(BTe), và cho tương quan chéo là 5log(2BTe) Với B là băng thông tín hiệu, Te là thời gian tích hợp (thời gian một tín hiệu có khả năng vẫn còn trong một chùm)

Sonar băng hẹp sẽ tính phổ tần số để chuyển đổi chuỗi tuần tự beamformer ở ngõ ra theo thời gian thành dữ liệu phổ công suất nhờ hai bước Đầu tiên, theo dõi toàn bộ các chùm tia dữ liệu để tạo ra một khả năng giám sát Sau đó, bước thứ hai cho phép

người vận hành có thể tăng độ phân giải tần số vào một phần nào đó của phổ tổng Bước này được gọi là xử lý Vernier

Độ lợi của toàn quá trình là 10logB Với B là băng thông phân tích cuối cùng Nếu băng thông tín hiệu là Bs lớn hơn B, thì tín hiệu sẽ bị xử lý quá mức yêu cầu Khi

đó, độ lợi sẽ bị giảm một lượng 10log(B/Bs)

2.3.1.3 Mảng Sonar thụ động

Để giảm nhiễu liên tục băng rộng và giảm hoặc loại bỏ các âm phát xạ tần số cao trong các thiết kế trước đây của tàu ngầm và ngư lôi, người ta sử dụng mảng sonar thụ động Việc kết hợp các sonar thụ động thành mảng lớn giúp đạt được độ lợi và định hướng mong muốn ở các tần số thấp để phát hiện và phân loại kịp thời các loại tàu ngầm và ngư lôi

 Mảng gắn trên bề mặt thân tàu: Bề mặt vỏ tàu, các mảng lắp nói chung sẽ có dạng mảng hình trụ gắn trongmái vòm cung hoặc sườn tàu Tần số hoạt động của hệ thống có thể mở rộng xuống khoảng 100Hz cho các âm băng hẹp và lên đến khoảng 10kHz cho âm băng thông rộng Hiệu suất trong trường hợp này đối với các tàu ngầm sẽ không hiệu quả Tuy nhiên đối với ngư lôi, ngư lôi sẽ được phát hiện ở phạm vi đủ để triển khai các biện pháp đối phó

 Mảng gắn trên thân tàu ngầm: Mảng gắn trên thân tàu ngầm có thể là hình trụ, ta có thể thiết lập một mảng phẳng lớn hoặc các mảng bảo giác Nhiễu nội sẽ ít hơn đáng kể so với các tàu nổi trên mặt nước

 Mảng thẳng: Mảng thẳng thường dùng với tần số thấp trên tàu ngầm hoặc tàu nổi có chiều dài là 32 hoặc 64 lần bước sóng Điểm này rất thuận lợi cho cả hai tàu ngầm và ngư lôi

Ngoài ra, sự cách ly với bánh lái của tàu giúp giảm nhiễu nội, đặc biệt là khi máy thu bị nhiễu bức xạ lớn từ chùm tia chính

2.3.1.4 Kỹ thuật tam giác

Với hai mảng tách biệt, khoảng cách có thể được ước tính bằng cách sử dụng các phép tính lượng giác đơn giản Kỹ thuật này được gọi là “Triangulation” hay kỹ thuật tam giác

Ví dụ: một tàu ngầm tiếp xúc với một mục tiêu hướng R từ một mảng sườn và từ một mảng kéo có khoảng cách là S = 1000 m phía sau mảng sườn Các góc độ đáp ứng tối đa được thể hiện trong hình sau:

Hình 2.7: Đo khoảng cách dùng kỹ thuật tam giác-“triangulation”

Sonar chủ động sử dụng hai loại xung:

 Sóng liên tục (CW): một xung có tần số không đổi và có chu kỳ T giây Băng thông của xung, và của bộ lọc matched filter để phát hiện tối ưu của xung này, là 1/T (Hz)

 Điều tần (FM): tần số củaxung thay đổi mỗi khoảng thời gian T giây của chiều dài xung Băng thông bây giờ không phải là nghịch đảo của độ dàixung, mà là một giá trị khác

a Xử lý với sóng liên tục (CW)

Điều chế liên tục CW cũng tương tự như việc xử lý tín hiều Sonar thụ động băng hẹp Sau khi chùm dữ liệuhình thành, chúng được phân tích bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) và sau đó hiển thị lên màn hình hoặc chúng sẽ là đầu vào của hệ thống phân loại, phát hiện tự động Thông thường, việc xử lý Sonar chủ động liên tục sử dụng một dãy bộ lọc tương tự, mỗi bộ lọc ứng với một băng thông của xung CW

Các bộ lọc này được cung cấp đầy đủ để bao toàn bộ vùng tần số dự kiến sẽ thay đổi do Doppler Trong Sonar hiện đại, các bộ lọc tương tự được thay thế bởi một bộ

xử lý FFT

b Xử lý tín hiệu FM

Quá trình xử lý tín hiệu FM thay cho FFT nhờ một quá trình mà đầu ra của chùm tín hiệu tương quan với một bản sao củaxung được truyền Việc xử lý tín hiệucho cả hai loại xung trên đơn giản là cho qua bộ lọc thích nghi

Giá trị tín hiệu/nhiễu tăng nhờ trung bình nhiễu giảm so với tín hiệu Nguyên nhân

là do nhiễu không tương quan với các xung được truyền và do đó công suất nhiễu bị giảm khi kết hợp các mẫu độc lập trong quá trình tương quan

2.3.2.2 Chỉ số phản âm

Chỉ số phản xạ âm là một thước đo thể hiện hiệu quả của hệ thống Sonar trong việc làm giảm ảnh hưởng của âm thanh phản xạ (tiếng vang) Ta có thể tăng chỉ số phản

âm bằng cách giảm độ rộng chùm tia theo phương ngang

Sonar hiện đại sử dụng hai tiêu chuẩn thiết kế xung cách tiếp cận để cải thiện hiệu suất đối với vang:

 Băng thông B Khi tín hiệu được tương quan với một bản sao của xung được truyền (điều này có lợi cho việc xử lýdựa trên bộ lọc matched filter), xung sẽ được nén vào một thời gian tương đương với chiều dài xung đã giải mãTr , bằng nghịch đảo của B Từ đó, ta có thể giảm bớt tiếng vang Hiệu suất sẽ tăng nếu băng thông B tăng lên Hơn nữa, việc dùng các xung băng rộng còn giúp takhông phụ thuộc vào hiện tượng Doppler từ mục tiêu

 Xung liên tục CW được sử dụng để tạo ra một phổ tiếng vang với một đỉnh thu hẹp tại phần trung tâm, và biên độ điểm zero Doppler không giảm đột ngột khi tăng độ lớn của Doppler Việc này nhằm đảm bảo rằng tiếng vang từ mục tiêu nằm trong khu vực của phổ tiếng vang có công suất thấp và tự chúng trở thành nhiễu vốn đã bị gới hạn từ trước

2.5 CÔNG CỤ TRUYỀN SÓNG ÂM DƯỚI NƯỚC UNDERWATER TRANSDUCER

Sự phát triển của các bộ chuyển đổi điện thanh dưới nước được đẩy nhanh trong thế

kỷ 20, và tiếp tục là nột ngành khoa học phát triển, với nhiều ứng dụng quan trọng, trong đó kết hợp cơ khí, điện trường, từ trường, các tính chất vật lý của sóng âm và vật liệu Theo nghĩa tổng quát, chuyển đổi là quá trình hay một thiết bị chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác Do đó, một máy biến năng điện âm học chuyển năng lượng điện sang năng lượng âm học hoặc ngược lại Những quá trình và thiết

bị như thế rất phổ biến Ví dụ, sấm sét là quá trình tự nhiên trong đó năng lượng điện được chuyển một phần sang âm thanh của sét Mặt khác âm thanh phát ra từ loa sử dụng trong radio, tivi và các hệ thống âm thanh khác là các máy biến năng quen thuộc do con người làm ra Thuật ngữ quen thuộc loudspeaker và microphone của máy biến năng sử dụng như là nguồn phát và thu trong không khí trở thành projector và hydrophone cho nguồn phát và thu dưới nước

Mọi việc sử dụng âm thanh trong nước đều đòi hỏi phải có máy biến năng cho việc phát và nhận âm thanh, và hầu hết các máy biến năng là dựa trên điện âm học

Điện âm học bắt đầu phát triển cách đây hơn 200 năm với sự xác định của các hiện tượng cơ học liên quan đến điện trường và từ trường Daniel Colladon và Charles Sturm hợp tác nhau năm 1826 trong lần đầu tiên đo đạc vận tốc của âm thanh trong môi trường nước sạch ở hồ Geneva Thụy Sĩ Họ không có các máy chuyển đổi điện thanh để tạo ra âm thanh trong môi trường nước; thay vào đó máy phát của họ là máy biến năng cơ âm học, sự đánh chuông của một cái chuông dưới nước Tại một điểm trên hồ, cái chuông được đánh cùng lúc với một tia sáng, trong khi người quan sát cách 13 km đo đạc khoảng thời gian đến của âm thanh và ánh sáng Đầu thu cũng không có máy chuyển đổi điện thanh để phát hiện âm thanh đến; hydrophone của họ chỉ bao gồm tai đặt vào một đầu ống, đầu còn lại đặt trong nước Giá trị đo đạc của họ tại nhiệt độ 8OC được đưa ra bởi Beyer là 1438 m/s, và Rayleigh là 1435 m/s Giá trị đo đạc hiện đại ở nhiệt độ 8OC là 1439 m/s Đây là sự chính xác đáng kinh ngạc cho lần đầu tiên đo đạc với các dụng cụ thô sơ

2.5.1 Máy chuyển đổi áp điện

Mặc dù phần này đề cập đến máy chuyển đổi áp điện, sẽ rất có ích nếu chúng ta phân biệt sự khác nhau giữa áp điện và điện giảo Áp điện thể hiện sự quan hệ tuyến tính giữa biến dạng cơ học và trường điện, trong khi đó điện giảo thể hiện quan hệ phi tuyến giữa các biến trên Điều này được thể hiện trong hình 5.2

Mặc dù các vật liệu áp điện tự nhiên có phản ứng tuyến tính đến trường điện nhỏ, chúng vẫn thể hiện sự phi tuyến nếu trường điện là đủ lớn Giải thích cho sự phi tuyến này là, ít nhất trong một phần nào đó, các điện giảo yếu diễn ra trong các vật liệu và có quan hệ quan trọng tới áp điện trong trường điện cao

Áp điện học chỉ diễn ra trong cấu trúc tinh thể mà thiếu trung tâm đối xứng Nếu trường điện được áp lên song song với chiều dài của một thanh tinh thể áp điện theo một chiều, thanh này sẽ dài ra, còn nếu trường điện được áp lên theo chiều ngược lại thì nó sẽ ngắn lại Sự thay đổi chiều dài trong trường điện được gọi là hiệu ứng điện áp ngược, trong khi sự xuất hiện của điện tích gây ra bởi sự nén cơ học được gọi là hiện ứng điện áp trực tiếp Các vật liệu giảo điện có thể chialàm hai nhóm: