Luận Văn Tốt Nghiệp
..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM ANH TUẤN

MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN DƢỚI NƢỚC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGUYỄN VĂN ĐỨC

HÀ NỘI – 2015
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 1


Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Trên thế giới hiện nay, truyền thông dưới nước đang ngày càng
được nghiên cứu sâu hơn để áp dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau

trong thực tế, như trong thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên
biển, cho liên lạc quân sự trên biển …. Trên thế giới là như vậy, còn tại
Việt Nam chúng ta với đường bờ biển trải dài vài nghìn ki lơ mét, dù
mục đích có là thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên biển hay
mục đích quân sự cũng đều rất đáng quan tâm.
Khi nghiên cứu, xem xét về các mơ hình kênh truyền thơng tin dưới
nước, tuy có rất nhiều đặc tính, thơng số môi trường đặc thù, ảnh hưởng
lên kênh truyền khác hẳn với mơi trường khơng gian tự do. Thế nhưng
nhìn chung, từ những kiến thức về thông tin vô tuyến rất đồ sộ và dựa
vào đó ta có cơ để xác định phương pháp nghiên cứu, xác định tiêu chí
đánh giá, áp dụng vào phân tích các đặc tính kênh truyền dưới nước, ta
cũng có thể đưa ra được những mơ hình kênh truyền phục vụ cho khảo
sát, nghiên cứu, tính tốn để tiến gần hơn đến mơ hình thực tế.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Văn Đức – là
người đã có rất nhiều năm nghiên cứu về lĩnh vực này. Em đã được cung
cấp những điều kiện và cơ sở nhất định, để tự tin bước vào thực hiện luận
văn. Mặc dù tính mới ln là vấn đề được nhắc đến trong những nghiên
cứu theo thiên hướng khoa học, thế nhưng nhìn chung luận văn của em
mới chỉ dừng lại ở sự tìm tịi, liệt kê và tìm hiểu những gì mà trên thế
giới đã và đang làm khi nghiên cứu về lĩnh vực này, sau đó tóm lược lại,
rồi xây dựng những mơ hình cụ thể, mơ phỏng và tính tốn bằng phần
mềm Matlab. Em rất biết ơn những công lao chỉ dạy, hướng dẫn của
PGS.TS Nguyễn Văn Đức, qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lý
thuyết, tiếp cận vấn đề, xác định ý tưởng và thực hiện ý tưởng. Em cũng
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 2



Luận Văn Tốt Nghiệp

rất biết ơn những công lao chỉ dạy của tất cả các thầy, các cơ trong q
trình tham gia học tập Thạc Sỹ tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,
các thầy, các cô vừa trực tiếp và vừa gián tiếp tạo điều kiện giúp đỡ em
trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày tháng 3 năm 2015
Học viên:

Phạm Anh Tuấn

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 3


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA….…………………………………………………………...…1
LỜI NĨI ĐẦU ...........................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................4
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................7
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................8
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................10
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................11
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................14
+


Lý do chọn đề tài..........................................................................................14

+

Lịch sử nghiên cứu ......................................................................................14

+

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu......14

+

Mục tiêu của đề tài ......................................................................................15

+

Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................15

+

Nội dung của luận văn.................................................................................15

CHƢƠNG 1. NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH KÊNH
TRUYỀN DƢỚI NƢỚC .........................................................................................17
1.1.

Lựa chọn sóng mang cho kênh truyền dƣới nƣớc ..................................17

1.1.1. Sóng điện từ nói chung ........................................................................ 17
1.1.2. Sóng âm thanh ..................................................................................... 17

1.1.3. Kết luận ................................................................................................ 19
1.2.

Kênh nƣớc nông. ........................................................................................19

1.3.

Kênh nƣớc sâu............................................................................................19

1.3.1. Kênh âm ngầm .................................................................................... 19
1.3.2. Kênh âm mặt ....................................................................................... 24
1.3.3. Kênh âm ngầm với 2 trục ................................................................... 25
1.4. Mơ hình kênh OFDM băng rộng................................................................26
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TUYẾN TRUYỀN DẪN........................28
2.1.

Đặc tuyến suy hao theo tần số, khoảng cách ...........................................28

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 4


Luận Văn Tốt Nghiệp

2.1.1. Suy hao trong kênh truyền dƣới nƣớc .............................................. 28
2.1.2. Suy hao trong kênh truyền dựa trên mơ hình cơ sở hình học ........ 29
2.2.


Đặc tuyến hàm công suất trễ ....................................................................31

2.2.1. Hàm tự tƣơng quan của đáp ứng xung của kênh vô tuyến ............ 31
2.2.2. Hàm công suất trễ của kênh (Power delay profile of the channel) . 31
2.2.3. Xác định hàm công suất trễ của kênh truyền âm thanh dƣới nƣớc
cho mơ hình thí nghiệm.................................................................................. 32
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TUYẾN NHIỄU .....................................35
3.1 Nhiễu màu trong kênh truyền âm thanh dƣới nƣớc ...............................35
3.2. Mơ hình 1/fβ .................................................................................................35
3.3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại bộ thu ................................................39
CHƢƠNG 4. MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ....................................43
4.1. Hàm tƣơng quan thời gian, tần số của mơ hình kênh ..............................43
4.1.1. Hàm tƣơng quan thời gian, tần số của mơ hình mơ phỏng (mơ hình
kênh OFDM băng rộng dựa trên mơ hình tán xạ hình học) ........................ 43
4.1.2. Hàm tƣơng quan thời gian, tần số của mô hình thí nghiệm ........... 44
4.1.3. Ƣớc lƣợng tham số của mơ hình mơ phỏng bằng phƣơng pháp LpNorm cải tiến….... ........................................................................................... 46
4.2.

Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh. ..........................................................48

4.2.1. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng bình phƣơng tối thiểu (LSE) ................... 48
4.2.2. Phƣơng pháp ƣớc kênh thƣa (SCE) .................................................. 50
4.3. Hệ thống thông tin liên lạc dƣới nƣớc OFDM băng rộng dùng cho mô
phỏng. ....................................................................................................................52
CHƢƠNG 5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ....................................................................55
5.1. Kết quả đã đạt đƣợc: .................................................................................55
5.1.1. Xác định PDP và hàm mật độ phổ cơng xuất Doppler từ mơ hình
thực nghiệm. .................................................................................................... 55
5.1.2. Xác định hàm tƣơng quan thời gian, tần số của mơ hình mơ phỏng
và mơ hình thí nghiệm.................................................................................... 56


Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 5


Luận Văn Tốt Nghiệp

5.1.3. Xác định mật độ phổ công xuất nhiễu. .............................................. 58
5.1.4. Xác định tỉ lệ lỗi khung SER theo 2 phƣơng pháp ƣớc lƣợng LSE
và SCE. ............................................................................................................ 59
a.

So sánh ƣớc lƣợng LSE và SCE đối với điều chế BPSK và QPSK 61

b. So sánh ƣớc lƣợng LSE và SCE đối với điều chế 8QAM và 8PSK 62
c.

So sánh ƣớc lƣợng LSE và SCE đối với điều chế 16QAM và 16PSK63

d. So sánh ƣớc lƣợng LSE đối với điều chế BPSK, QPSK, 8PSK và
16PSK .......................................................................................................... 64
e.

So sánh ƣớc lƣợng SCE đối với điều chế BPSK, QPSK, 8PSK và

16PSK .......................................................................................................... 65
f.


So sánh ƣớc lƣợng LSE đối với điều chế 4QAM, 8QAM và 16QAM66

g.

So sánh ƣớc lƣợng SCE đối với điều chế 4QAM, 8QAM và

16QAM. ....................................................................................................... 67
5.1.5. Đánh giá băng thông phù hợp, theo 2 phƣơng pháp ƣớc lƣợng LSE
và SCE. ............................................................................................................ 68
a. So sánh ƣớc lƣợng LSE và SCE đối với điều chế BPSK với băng
thông B = 1kHz, B = 2kHz và B = 3kHz................................................. 68
b.

So sánh ƣớc lƣợng LSE và SCE đối với điều chế QPSK với băng

thông B = 1kHz, B = 2kHz và B = 3kHz................................................ 69
c. Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ƣớc lƣợng LSE và
SCE, đối với điều chế BPSK và với một giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR =
5dB. .............................................................................................................. 70
d. Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ƣớc lƣợng LSE và
SCE, đối với điều chế QPSK và với một giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR =
5dB. .............................................................................................................. 71
5.2.

Hƣớng phát triển cho tƣơng lai ................................................................71

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

Phạm Anh Tuấn


12B_KTTT.KH
Trang: 6


Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. 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 mơ phỏng bằng phần mềm Matlab.

Học viên:

Phạm Anh Tuấn

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 7


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

Dịch nghĩa


UAC

Underwater Acoustic Channel

Kênh thông tin dưới nước

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng góc

Orthogonal Frequency Division


Điều chế đa sóng mang con

Multiplexing

trực giao

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi khung

BER

Bit error rate or bit error ratio

Tỉ lệ lỗi bít


FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

LSE

Least Square Estimation

SCE

Sparse Channel Estimation

Ước lượng kênh thưa

CS

Compressive Sensing

Lây mẫu nén

OFDM

Phạm Anh Tuấn


12B_KTTT.KH
Trang: 8

Điều chế khóa dịch pha
vng góc

Biến đổi ngược Fourier
nhanh
Ước lượng bình phương tối
thiểu


Luận Văn Tốt Nghiệp

OMP

CoSaMP

Orthogonal matching Pursuit

Thuật toán tối ưu đuổi khớp

Compressive Sampling Matched

Thuật toán tối ưu đuổi khớp

Pursuit

lấy mẫu nén

Phần mềm tối ưu hóa hàm

CVX

Convex optimization

PDP

Power Delay Profile

LPNM

Lp-Norm Method

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

TCF

Time Correlation Functions

Hàm tương quan thời gian

FCF

Frequency Correlation Functions


Hàm tương quan tần số

T-FCF
AN factor

Phạm Anh Tuấn

lồi
Hàm công xuất trễ
Phương pháp tối ưu LpNorm

Time And Frequency Correlation Hàm tương quan thời gian
Functions

tần số

Attenuation Noise factor

Hệ số nhiễu suy hao

12B_KTTT.KH
Trang: 9


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Hệ thống và các thông số kênh. [5], [14]................................................33
Bảng 5.1. Thông số hệ thống OFDM băng rộng dùng cho mô phỏng.....................60


Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 10


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự hình thành vùng tối hình học khi tốc độ âm giảm đơn điệu theo độ
sâu. [2], [13] .............................................................................................................18
Hình 1.2. Truyền âm ở kênh nước nơng: [2], [13] ...................................................19
Hình 1.3. Kênh âm ngầm loại 1 (c0 < ch ). [2], [13] ................................................20
Hình 1.4. Kênh âm ngầm loại 2 (c0 > ch ). [2], [13] ..................................................21
Hình 1.5. Cấu trúc vùng điển hình của trường âm trong kênh âm ngầm. [2], [13] ..23
Hình 1.6. Tổn thất phát xạ theo biên độ ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương. [2], [13]
...................................................................................................................................23
Hình 1.7. Kênh âm mặt: [2], [13] ..............................................................................24
Hình 1.8. Hình dạng của tốc độ âm điển hình đối với Bắc Băng Dương [2], [13]
...................................................................................................................................25
Hình 1.9. Kênh âm hai trục: [2], [13]........................................................................26
Hình 1.10. Mơ hình kênh dựa trên cơ sở hình học. [4], [5] ....................................27
Hình 2.1. Hệ số suy hao do hấp thụ a(f) [dB/km]. [6] ..............................................29
Hình 2.2. Mơ hình kênh dựa trên cơ sở hình học. [4], [5] .......................................30
Hình 2.3. Ví dụ về hàm cơng suất trễ của kênh .......................................................32
Hình 2.4. Kiến trúc hệ thống thí nghiệm [5] , [14] ..................................................33
Hình 2.5. PDP đo được ở kênh với khoảng cách 100m. [5] .......................................34
Hình 3.1. PSD của nhiễu xung quanh thực tế và dạng K*1/f β .................................36
Hình 3.2. Bộ lọc tạo nhiễu màu.................................................................................37
Hình 3.3. Đáp ứng tần số của bộ lọc tạo nhiễu màu .................................................37

Hình 3.4. PSD của nhiễu dạng K*1/f β (Giá trị tối ưu: K = 47.3719 và β = 0.2177)
và chuỗi nhiễu trắng qua bộ lọc. ...............................................................................39
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của 1/AN vào khoảng cách truyền và tần số. [6] ................40
Hình 3.6. Giá trị của tần số tối ưu tương ứng với khoảng cách. [6] .........................41
Hình 3.7. Đặc tuyến 1/AN (l=100m, 500m) phụ thuộc tần số ................................42
Hình 4.1. Mơ hình kênh dựa trên cơ sở hình học. [4], [5] .......................................44
Hình 4.2. Hệ thống đo phổ công xuất Doppler. [5].................................................45
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 11


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 4.3. Phổ cơng xuất Doppler. [5] ......................................................................46
Hình 4.4. Hình vẽ biểu thị FCF giữa mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm. [5]
...................................................................................................................................47
Hình 4.5. Hình vẽ biểu thị TCF giữa mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm.
[5] ..............................................................................................................................48
Hình 4.6. Hệ thống thơng tin liên lạc dưới nước OFDM băng rộng dùng cho
mô phỏng. ..................................................................................................................53
Hình 5.1. PDP đo được ở kênh truyền âm thanh dưới nước với khoảng cách 100m
...................................................................................................................................55
Hình 5.2. Phổ cơng xuất Doppler. .............................................................................56
Hình 5.3. Hình vẽ biểu thị FCF giữa mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm ...57
Hình 5.4. Hình vẽ biểu thị TCF giữa mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm. ..57
Hình 5.5. PSD của nhiễu xung quanh thực tế và dạng K*1/f β (Giá trị tối ưu: K =
47.3719 và β = 0.2177) ...........................................................................................58
Hình 5.6. PSD của nhiễu dạng K*1/f β (Giá trị tối ưu: K = 47.3719 và β = 0.2177)

và chuỗi nhiễu trắng qua bộ lọc. ...............................................................................59
Hình 5.7. Ước lượng LSE và SCE đối với điều chế BPSK và QPSK ......................61
Hình 5.8. Ước lượng LSE và SCE đối với điều chế 8QAM và 8PSK .....................62
Hình 5.9. Ước lượng LSE và SCE đối với điều chế 16QAM và 16PSK .................63
Hình 5.10. Ước lượng LSE đối với điều chế BPSK, QPSK, 8PSK và 16PSK.......64
Hình 5.11. Ước lượng SCE đối với điều chế BPSK, QPSK, 8PSK và 16PSK .......65
Hình 5.12. Ước lượng LSE đối với điều chế 4QAM, 8QAM và 16QAM ............66
Hình 5.13. Ước lượng SCE đối với điều chế 4QAM, 8QAM và 16QAM ............67
Hình 5.14. So sánh ước lượng LSE và SCE đối với điều chế BPSK với băng thông
B = 1kHz, B = 2kHz và B = 3kHz ..........................................................................68
Hình 5.15. So sánh ước lượng LSE và SCE đối với điều chế QPSK với băng thông
B = 1kHz, B = 2kHz và B = 3kHz ..........................................................................69
Hình 5.16. Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thơng, với ước lượng LSE và SCE,
đối với điều chế BPSK và SNR = 5dB. ...................................................................70
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 12


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 5.17. Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ước lượng LSE và SCE,
đối với điều chế QPSK và SNR = 5dB. ...................................................................71

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 13



Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU
+

Lý do chọn đề tài
Hiện nay trên thế giới, việc nghiên cứu truyền thông dưới nước ngày càng

được tiếp cận sâu hơn, để áp dụng vào thực tế với những mục đích như trong thăm
dị tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên biển, liên lạc trên biển …. Tại Việt Nam
chúng ta với đường bờ biển trải dài vài nghìn ki lơ mét và có rất nhiều sông, suối,
hồ, nên vấn đề này là rất đáng quan tâm.
Bên cạnh đó, tài ngun nước cịn đưa ra chúng ta rất nhiều nỗi lo mỗi khi
mưa lũ về. Với việc nghiên cứu truyền thông dưới nước, chúng ta cũng có thể thực
hiện được các mục đích như thăm dị, đo đạc thơng số … để tiến đến làm chủ tốt
hơn các nguồn lợi thủy, hải sản và giảm thiểu tác hại của thiên tai.
+

Lịch sử nghiên cứu
Các mơ hình kênh truyền thơng tin dưới nước có rất nhiều đặc tính, thơng số

mơi trường đặc thù, ảnh hưởng lên kênh truyền khác hẳn với môi trường không gian
tự do. Dựa vào những kiến thức về thông tin vô tuyến, để từ đó xác định phương
pháp nghiên cứu, xác định tiêu chí đánh giá, áp dụng vào phân tích các đặc tính
kênh truyền dưới nước, ta cũng có thể đưa ra được những mơ hình kênh truyền phục
vụ cho khảo sát, nghiên cứu, tính tốn để so sánh với mơ hình thực tế và tiến tới áp
dụng vào thực tế.
Trong truyền thơng trên cạn, sóng điện từ được sử dụng rộng rãi nhất, nhưng
nó lại khơng phù hợp để truyền thơng dưới nước. Người ta thường sử dụng sóng

âm thanh cho truyền thơng dưới nước vì sóng âm thanh có khả năng truyền đi xa tốt
hơn và nó địi hỏi cơng xuất truyền thấp hơn so với sóng điện từ. Tuy vậy vẫn tồn
tại nhiều bất lợi đối với sóng âm trong truyền thơng dưới nước, đó là sự ảnh hưởng
của rất nhiều tham số môi trường lên chất lượng kênh truyền.
+

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn này đã áp dụng mơ hình kênh truyền OFDM băng rộng dưới nước

dựa trên mơ hình tán xạ hình học, nhằm mục đích đánh giá băng thông phù hợp và
tỉ lệ lỗi khung SER (Symbol Error Rate), trong đó có sử dụng 2 phương pháp ước
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 14


Luận Văn Tốt Nghiệp

lượng kênh truyền là phương pháp ước lượng bình phương tối thiểu LSE (Least
Square Estimation) và phương pháp ước lượng kênh thưa SCE (Sparse Channel
Estimation).
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các mơ hình kênh truyền dưới nước và
từ đó tiếp cận hệ thống kênh truyền trong thực tế.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là các ứng dụng truyền thông dưới biển,
dưới hồ hay sông, suối, như là thăm dò tài nguyên dưới nước, định vị dẫn đường
dưới nước, cho thông tin liên lạc dưới nước, liên lạc giữa các thiết bị dưới nước,
liên lạc giữa các tàu ngầm, thợ lặn …. Mỗi ứng dụng lại có một phạm vi khác nhau
dẫn tới các thơng số ảnh hưởng tới kênh truyền cũng khác nhau.
+


Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các mơ hình kênh truyền dưới nước, sử dụng

ước lượng kênh, đánh giá băng thông phù hợp và tỉ lệ lỗi khung SER, từ đó tiếp cận
hệ thống kênh truyền trong thực tế.
Thông qua những tài liệu tham khảo, tác giả đã tiến hành việc nghiên cứu các
mơ hình kênh truyền và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng. Tác giả đã cố
gắng áp dụng những lý thuyết đã phân tích vào mơ hình mơ phỏng của kênh và đưa
ra những đánh giá.
+

Phƣơng pháp nghiên cứu
Như trình bầy trong luận văn thì phương pháp nghiên cứu của tác giả là tiến

hành việc nghiên cứu lý thuyết về các mô hình kênh truyền, nghiên cứu sự ảnh
hưởng của các thơng số mơi trường lên các đặc tính của kênh truyền, đánh giá ảnh
hưởng của nhiễu, ảnh hưởng của hiện tượng truyền đa đường, đánh giá băng thông
phù hợp và tỉ lệ lỗi khung SER, trong đó có sử dụng 2 phương pháp ước lượng kênh
truyền LSE và SCE và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng.
+

Nội dung của luận văn
Phần nội dung chính của luận văn gồm 5 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Nghiên cứu và khảo sát các mơ hình kênh truyền dưới nước
Chương 2: Xây dựng các đặc tuyến truyền dẫn
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 15



Luận Văn Tốt Nghiệp

Chương 3: Xây dựng các đặc tuyến nhiễu
Chương 4: Mơ hình và mơ phỏng hệ thống
Chương 5: Đánh giá kết quả

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 16


Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƢƠNG 1. NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH KÊNH
TRUYỀN DƢỚI NƢỚC
1.1. Lựa chọn sóng mang cho kênh truyền dƣới nƣớc
Trước khi đi vào khảo sát mơ hình kênh truyền dưới nước, có một vấn đề được
đặt ra là loại sóng mang nào có thể sử dụng được cho thơng tin dưới nước và loại
sóng nào là thích hợp nhất để sử dụng cho thơng tin dưới nước.
1.1.1. Sóng điện từ nói chung
Với sóng điện từ thì có ưu điểm là tốc độ truyền tin nhanh và truyền dẫn
khơng cần một mơi trường sóng mang hay trường điện từ. [1]
Trong mơi trường nước, phương trình Maxwell cho ta thấy được sự truyền
sóng điện từ của một sóng phẳng phân cực theo phương z. [1]

Ở đây: Ex là năng lượng điện trường, Hy là năng lượng từ trường,


và

là

biên độ của trường điện và trường từ. Ta có: [1]

Với: γ là hằng số truyền sóng, ε là hằng số điện mơi, µ là độ từ thấm và σ là
độ dẫn, α là hệ số suy giảm và β là hệ số pha của sóng.
Hệ số suy giảm α là rất lớn, nhất là trong môi trường nước biển và do đó sóng
điện từ bị suy giảm rất mạnh. Vì vậy cơng suất truyền là phải lớn và chỉ có khả năng
thơng tin trong phạm vi nhỏ khi sử dụng sóng điện từ dưới nước. [1]
1.1.2. Sóng âm thanh
Sóng âm thanh có thể truyền đi xa trong mơi trường nước, xa hơn so với
những sóng khác khi phát đi với cùng một cơng suất. Tuy nhiên cũng có những vấn
đề, cụ thể như sau: [1]
Sự truyền đa đường:

Sóng âm thanh khi truyền từ bộ phát tới bộ thu gặp

phản xạ và đến bộ thu với nhiều đường khác nhau, với trễ riêng của chúng, do đó
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 17


Luận Văn Tốt Nghiệp

chúng gây nên sự chồng âm làm giảm năng lượng tín hiệu và đặc biệt là gây ra
nhiễu xun ký tự ISI. [1]

Sự hình thành vùng bóng râm:

Đây là hiện tượng sóng âm thanh bị uốn

cong theo một hướng nào đó, dẫn tới sự hình thành vùng bóng râm, âm thanh khơng
thể truyền tới được. [1]
Sơ đồ tia được biểu diễn trên hình 1.1. Tất cả các tia bị khúc xạ xuống phía
dưới. Tia tiếp tuyến với bề mặt là tia giới hạn. Khu vực gạch chéo biểu diễn vùng
bóng râm hình học (vùng tối – shadow zone). Với những điều kiện tiêu biểu trong
đại dương, thì khoảng cách từ nguồn đến vùng bóng râm chỉ bằng một số km.

Hình 1.1. Sự hình thành vùng tối hình học khi tốc độ âm giảm đơn điệu
theo độ sâu. [2], [13]
Vùng bóng râm hình học khơng phải là một vùng cường độ âm bằng không.
Trong trường hợp lý tưởng biểu diễn trên hình 1.1, năng lượng âm xâm nhập vào
vùng bóng râm nhờ sự tán xạ. Trong những trường hợp thực tế, các sóng âm bị phản
xạ từ đáy và bị tản mát bởi những bất đồng nhất ngẫu nhiên của mơi trường cũng
tạo ra vùng bóng râm của sóng âm thanh. [1], [2], [13]
Tốc độ truyền nhỏ: Tốc độ truyền trung bình của sóng âm thanh là 1500m/s
là rất nhỏ so với tốc độ truyền của sóng điện từ, do đó trễ truyền là rất lớn. [1]
Nhiễu: Nhiễu mơi trường ảnh hưởng lên sóng âm thanh là rất lớn. Nhiễu này
do thường là do tàu thuyền di chuyển và các loài động vật biển… gây nên. [1]
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 18


Luận Văn Tốt Nghiệp


1.1.3. Kết luận
Như vậy sóng điện từ nói chung và sóng âm thanh là có khả năng sử dụng để
truyền tín hiệu dưới nước. Tuy nhiên sóng âm thanh là được sử dụng phổ biến hơn
vì nó có khả năng truyền đi xa tốt hơn và nó địi hỏi cơng xuất truyền thấp hơn so
với sóng điện từ.
1.2. Kênh nƣớc nông.
Trong kênh truyền thông tin dưới nước thì có chia ra 2 loại là kênh nước nơng
và kênh nước sâu. Đối với kênh nước nông, khi mỗi tia sóng âm từ nguồn đi được
khoảng cách đủ dài thì sẽ bị phản xạ tại đáy. Hình dạng của hàm tốc độ âm thanh
phụ thuộc biến z của độ sâu gọi là c(z) có dạng như được thể hiện trên hình 1.2a.
Nó được quan sát thấy ở các biển nông và thềm đại dương, đặc biệt trong thời kỳ
hè, thu, khi các lớp nước phía trên được nung nóng nhiều. Sơ đồ tia lý tưởng được
trích dẫn trên hình 1.2b. Vì mỗi lần tia sóng âm bị phản xạ từ đáy sẽ làm suy yếu
sóng âm một cách đáng kể, cho nên nếu truyền âm trên những khoảng cách lớn sẽ
làm tổn thất lớn năng lượng âm. [2], [13]

Hình 1.2. Truyền âm ở kênh nước nơng: [2], [13]
a) Hình dạng của hàm tốc độ âm thanh phụ thuộc độ sâu c(z),
1.3.

(b) sơ đồ tia

Kênh nƣớc sâu

1.3.1. Kênh âm ngầm
Ở những khu vực nước sâu, hình dạng của hàm tốc độ âm thanh phụ thuộc độ
sâu c(z) có dạng như trên hình 1.3a, với tốc độ âm cực tiểu ở một độ sâu nhất định
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH

Trang: 19


Luận Văn Tốt Nghiệp

là zm, ta xem xét độ sâu là trục của kênh âm ngầm. Bên trên trục đó tốc độ âm tăng
chủ yếu do tăng nhiệt độ, còn bên dưới tốc độ âm tăng chủ yếu do tăng áp suất thủy
tĩnh. Nếu nguồn âm nằm ở trục của kênh âm ngầm hoặc lân cận đó, thì một phần
năng lượng âm bị bẫy trong kênh âm ngầm và truyền trong phạm vi kênh, không đi
tới đáy hay mặt đại dương, do đó khơng bị tản mát và hấp thụ tại các biên ấy. Sơ đồ
tia trong kênh âm ngầm được dẫn trên hình 1.3b. Các tia đi ra từ nguồn với góc mở
nhỏ (góc giữa tia và mặt phẳng ngang) sẽ quay lại trục kênh nhiều lần. Đây là một
kiểu truyền sóng bị dẫn. Kênh âm ngầm là một trường hợp đặc biệt của ống dẫn
sóng tự nhiên. Trong khí quyển cũng có ống dẫn sóng âm tương tự. [2], [13]
Sự truyền sóng bị dẫn đối với trường hợp trên hình 1.3, được quan sát thấy
trong khoảng độ sâu 0 < z < zc . Các độ sâu z = 0 và z = zc là những biên của kênh
âm ngầm. Kênh bẫy tất cả những tia âm đi ra từ nguồn (đặt tại trục) với góc mở
χ < χ max , trong đó: [2], [13]
χmax=[200(C0 - Cm)/Cm]1/2 (1.4)
Cịn cm và c0

là các tốc độ âm tuần tự tại trục và tại biên của kênh. Do đó,

hiệu c0 − cm càng lớn thì khoảng góc mở mà các tia bị bẫy càng lớn.

Hình 1.3. Kênh âm ngầm loại 1 (c0 < ch ). [2], [13]
(a) Hình dạng của hàm tốc độ âm thanh phụ thuộc độ sâu c(z), (b) sơ đồ tia
Độ sâu trục kênh âm ngầm thường bằng 1000 - 1200m. Ở vùng nhiệt đới nó
hạ thấp tới 2000m và nâng lên gần tới mặt tại các vĩ độ cao. Tại các vĩ độ trung
bình (từ 60oS đến 60oN) tốc độ âm tại trục kênh âm ngầm biến thiên từ 1450 đến

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 20


Luận Văn Tốt Nghiệp

1485m/s ở Thái Bình Dương và từ 1450 đến 1500 m/s ở Đại Tây Dương. [2], [13]
Nếu tốc độ âm bên dưới trục kênh âm chỉ tăng theo áp suất thủy tĩnh, thì ta nói
rằng kênh âm đó là kênh âm thủy tĩnh. Tuy nhiên, trong một số trường hợp ở đại
dương kênh âm ngầm sinh ra do sự hiện diện của các khối nước ấm với độ muối cao
ở bên dưới trục kênh. Kiểu kênh âm ngầm này gọi là kênh nhiệt. Ví dụ, các kênh âm
nhiệt điển hình có ở biển Baltic và Hắc Hải. [2], [13]
Có hai loại kênh âm ngầm tùy thuộc vào tỷ số c0/ch . Trường hợp c0 < ch biểu
diễn trên hình 1.3a. Với những khu vực nơng hơn ứng với trường hợp ngược lại
c0 > ch (hình 1.4). Ở đây kênh âm ngầm mở rộng từ đáy cho tới độ sâu zc , nơi tốc
độ âm bằng ch . Hai tia giới hạn được biểu diễn trên hình 1.4b cho trường hợp này.
Các tia bị bẫy không vượt lên khỏi độ sâu zc . Chỉ những tia phản xạ từ đáy mới đạt
tới vùng đó. [2], [13]
Khoảng cách truyền âm cực đại trong kênh âm ngầm bị giới hạn chủ yếu bởi
sự hấp thụ trong nước biển. Âm tần số đủ thấp bị hấp thụ tương đối ít, có thể truyền
đi những khoảng cách hàng trăm và hàng nghìn km. Ví dụ, các tín hiệu âm phát sinh
từ một nguồn 57 Hz đặt ở vị trí gần đảo Heard (Ấn Độ Dương) tại độ sâu 157 m
(trục kênh âm địa phương) đã được phát hiện bởi một số điểm thu ở Ấn Độ Dương,
Đại Tây Dương và Thái Bình Dương cách xa 18000 km. Sự truyền âm như thế gọi
là truyền âm đường dài. [2], [13]

Hình 1.4. Kênh âm ngầm loại 2 (c0 > ch ). [2], [13]
(a) Hình dạng của hàm tốc độ âm thanh phụ thuộc độ sâu c(z), (b) sơ đồ tia

Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 21


Luận Văn Tốt Nghiệp

Có những đặc điểm rất lý thú đối với trường hợp nguồn nằm gần mặt đại
dương. Trường hợp điển hình đối với kênh âm ngầm là “cấu trúc vùng” của trường
âm, sự xen kẽ giữa các vùng sáng và vùng tối âm được thể hiện rõ trên sơ đồ tia
(hình 1.5). Các vùng tối được ký hiệu bằng A1, A2, ..., B1, B2, ... Các tia âm bị bẫy
khơng xâm nhập được vào những vùng đó. Khi nguồn tiến dần tới trục kênh âm, thì
độ rộng của các vùng tối giảm đi và độ rộng của các vùng sáng tăng lên. Nếu độ sâu
của nguồn và trục kênh âm trùng nhau, thì các vùng tối biến mất tại độ sâu đó. Sẽ có
một số tia âm đạt tới máy thu trong trường hợp này nếu như máy thu nằm không xa
trục kênh âm. Sự truyền âm nhiều đường như thế là một trong những đặc điểm đặc
trưng nhất của trường âm trong kênh âm ngầm. [2], [13]
Sự xuất hiện lần thứ hai của các tia âm tại các độ sâu nhỏ sau khi chúng bị
phản xạ ở các lớp sâu thường là do sự hội tụ các tia đó và tạo thành cái gọi là các
điểm tụ âm (các đường đậm trên hình 1.6b). Những vùng đó gọi là các vùng hội tụ.
Nơi đó có mức cường độ âm cao. [2], [13]
Cấu trúc vùng rất khác biệt đôi khi được quan sát thấy ở những khoảng cách
rất xa. Ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương, giữa các khoảng cách 400 và 2300 km có
tới 37 vùng hội tụ được phát hiện (tần số: 13,89 Hz). Tại những khoảng cách lớn
hơn, cấu trúc vùng bị mờ nhạt đi do những biến thiên của c(z) dọc đường truyền
âm. Tổn thất truyền của trường âm tại những khoảng cách từ 400 đến 1000km được
biểu diễn trên hình 1.6. Hai băng ghi ở phía trên tương ứng với tần số âm 111.1 Hz
(độ sâu nguồn là 21m). Băng ghi ở trên cùng thể hiện cường độ âm như một hàm
của khoảng cách sau khi lấy trung bình trên các khoảng cách 7km, còn băng ghi thứ

hai kể từ trên - sau khi lấy trung bình trên khoảng cách 215m. Các vị trí của những
vùng hội tụ (các cực đại của cường độ âm) với số hiệu từ 7 đến 15 được thể hiện
bằng những đường thẳng đứng. Khoảng cách giữa các vùng hội tụ là 65 km. Hai
băng ghi ở phía dưới nhận được tại tần số 13,89 Hz (độ sâu nguồn là 104 m) bằng
cách lấy trung bình trên các khoảng cách tuần tự 7 km và 400 m. Các vùng hội tụ
cách nhau 61,7 km. Sự khác nhau về khoảng cách giữa các vùng hội tụ tại những
tần số khác nhau là do những hiệu ứng sóng. [2], [13]
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 22


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 1.5. Cấu trúc vùng điển hình của trường âm trong kênh âm ngầm. [2], [13]
( A1, A2, ..., B1, B2, ... là những vùng tối).

Hình 1.6. Tổn thất phát xạ theo biên độ ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương. [2], [13]
( Các mũi tên biểu diễn sự chuyển biên độ giữa các vùng hội tụ ứng với tần số cao
và thấp)
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 23


Luận Văn Tốt Nghiệp

1.3.2. Kênh âm mặt

Kênh này được hình thành khi trục kênh nằm ở bề mặt. Hình dạng của c(z)
điển hình cho trường hợp này được biểu diễn trên hình 1.7a. Tốc độ âm tăng đến
độ sâu z = h rồi bắt đầu giảm. Sơ đồ tia âm tương ứng được thể hiện trên hình
1.7b. Những tia đi ra từ nguồn với góc mở χ < χ b (ở đây χ b là góc trượt của tia âm
ở biên tiếp tuyến với biên phía dưới của kênh) truyền đi với nhiều lần phản xạ từ bề
mặt. Nếu mặt đại dương là phẳng trơn, thì những tia này ở lại trong kênh âm bất kể
khoảng cách từ nguồn bằng bao nhiêu và tạo nên sự truyền sóng bị dẫn. Nếu mặt đại
dương gồ ghề, thì một phần năng lượng âm bị tản mát theo các góc χ > χ b tại mỗi
lần tiếp xúc với bề mặt và do đó đi ra khỏi kênh âm. Kết cục của trường hợp này là
trường âm suy yếu trong kênh âm, nhưng ở vùng phía dưới kênh thì mức âm của nó
tăng lên. [2], [13]

Hình 1.7. Kênh âm mặt: [2], [13]
(a) Hình dạng của c(z) , (b) sơ đồ tia
Trường hợp được biểu diễn trên hình

1.7 thường xảy ra ở lớp trên của các

vùng đại dương nhiệt đới và ôn đới, nơi nhiệt độ và độ muối trong lớp gần mặt gần
như khơng đổi do xáo trộn gió. Trong trường hợp đó, tốc độ âm tăng theo độ sâu do
građien áp suất thủy tĩnh. [2], [13]
Có thể quan trắc thấy trường hợp tốc độ âm tăng từ mặt tới tận đáy ở các khu
vực Bắc Băng Dương và Nam Cực, ở các biển nội địa vùng nhiệt đới và ở các biển
nông trong thời kỳ mùa thu và mùa đơng. Hình dạng của c(z) điển hình đối với Bắc
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 24



Luận Văn Tốt Nghiệp

Băng Dương được biểu diễn khái quát trên hình 1.8. Nét đặc trưng ở đây là sự tồn
tại của một lớp mặt mỏng với tốc độ âm rất thấp và građien tốc độ âm lớn
( a ≈ 4 − 5 (10-5 m-1) ). [2], [13]

Hình 1.8. Hình dạng của tốc độ âm điển hình đối với Bắc Băng Dương [2], [13]

1.3.3. Kênh âm ngầm với 2 trục
Trường hợp này thường hay xảy ra khi các kênh âm mặt và dưới sâu đồng thời
tồn tại. Hình dạng của c(z) điển hình được thể hiện trên hình 1.9a. Trục của kênh
phía trên nằm ở bề mặt, cịn trục của kênh phía dưới ở độ sâu zm . Sơ đồ tia tương
ứng cho trường hợp nguồn nằm trong kênh phía trên được biểu diễn trên hình 1.9b.
Ở đây tia 1 truyền trong kênh trên, còn tia 2 chủ yếu truyền trong kênh dưới. Một số
tia lúc đầu thuộc kênh trên cũng có thể xâm nhập xuống kênh dưới do sự tản mát tại
bề mặt gồ ghề (ví dụ tia 3). Những tia đó gọi là các tia thất thốt. Biến thiên của c(z)
dọc đường truyền cũng có thể tạo nên những tia thất thoát. [2], [13]
Kênh âm hai trục được thông báo quan sát thấy ở Bắc Đại Tây Dương, ngồi
khơi bán đảo Bồ Đào Nha. Trục kênh phía trên ở độ sâu 450-500 m, còn trục dưới ở
độ sâu khoảng 2000 m. Có phân bố tốc độ âm theo độ sâu như thế là do khối nước
Địa Trung Hải ấm và mặn hơn xâm nhập vào các lớp nước sâu (∼1200 m) của Đại
Tây Dương [2], [13].
Phạm Anh Tuấn

12B_KTTT.KH
Trang: 25