Tài liệu ứng dụng kỹ thuật ofdm mã hóa ldpc trong hệ thống thông tin dưới nước

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 Mã số: 605270 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 Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................ Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 11 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. TS. Hoàng Trang 2. TS. Trương Quang Vinh 3. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo 4. TS. Chế Viết Nhật Anh 5. ......................................................................................... Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. TS. Lê Tiến Thường TRƯỞNG KHOA TS. Đỗ Hồng Tuấn Trang ii 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. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 02/07/2012 21/06/2013 PGS. TS. LÊ TIẾN THƯỜNG Tp. HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS. TS. Lê Tiến Thường TS. Huỳnh Phú Minh Cường TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. Đỗ Hồng Tuấn Trang ii 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 Trang iii 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. Trang iv 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. Trang v CÁC TỪ VIẾT TẮT 1. BPSK Binary Phase Shift Keying 2. CI Carrier Interferometry 3. ICI Inter-channel Interference 4. ISI Inter-symbol Interference 5. LDPC Low-Density Parity-Check 6. LF Low Frequency 7. LLR Log Likelihood Ratio 8. MMSEC Minimum Mean Square Error Combining 9. OFDM Orthogonal Frequency - Division Multiplexing 10. ORC Orthogonal Restoration Combining 11. QPSK Quadrature Phase Shift Keying 12. RF Radio Frequency 13. SNR Signal to Noise 14. SONAR SOund Navigation And Ranging 15. SPA Sum – Product Algorithm 16. UAC Underwater Acoustic Communication 17. UEC Underwater Electromagnetic Communication 18. UOC Underwater Optical Communication Trang vi 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 Trang vii 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 Trang viii 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 Trang ix 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 Trang x 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 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 .................................44 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 Trang xi 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 Luận văn Thạc sĩ Trang 1 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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 AnhLewis Richardson, một tháng sau khi vụ đắm tàu Titanic (1912). Sau đó một nhà vật MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 2 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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. MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 3 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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 MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 4 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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: MỞ ĐẦU Mô hình kênh truyền ánh sáng dưới nước HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 5 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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 MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 6 GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường 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. MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung Luận văn Thạc sĩ Trang 7 Antenna GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường Bộ thu phát mặt đất Không khí Nước biển Cáp kết nối Nút trung gian trên mặt nước Bộ thu phát dưới nước Hình 1.4: Bộ thu phát dưới nước Đáy biển 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. MỞ ĐẦU HVTH: Trần Hiếu Trung