Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ ĐÌNH HƢNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM Ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số : 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN QUỐC KHƢƠNG 2. HÀ DUYÊN TRUNG Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chƣa xuất hiện trong các công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt đƣợc là chính xác, trung thực và không trùng lặp với các kết quả đƣợc công bố trƣớc đó.

Tập thể hƣớng dẫn Tác giả luận án TS. Nguyễn Quốc Khƣơng PGS. Hà Duyên Trung Đỗ Đình Hƣng i LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Khƣơng và PGS.

Hà Duyên Trung là Thầy giáo đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học và hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án Tiến sĩ này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy giáo PGS. Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ tận tình trong quá trình đăng các nghiên cứu khoa học. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.

Nguyễn Hữu Thanh-Hiệu trƣởng Trƣờng Điện-Điện tử, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi đƣợc học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình. Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học, các Thầy cô đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm Nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn trân trọng đến gia đình tôi. Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này.

Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 7 tháng 11 năm 2022 Tác giả luận án Đỗ Đình Hƣng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………………………….vi DANH MỤC BẢNG BIỂU. viii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT. ix CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN………………………….xi LỜI MỞ ĐẦU. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.

NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

NHỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN.

7 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC. GIỚI THIỆU CHƢƠNG……………………………………………………………. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC.

Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm…………………………. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc. Nhiễu môi trƣờng.

Hiệu ứng Doppler. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƢỜNG DƢỚI NƢỚC. Giới thiệu kỹ thuật OFDM. Tính trực giao.

Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM. SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƢƠNG ĐƢƠNG KỸ THUẬT OFDM. Mô hình so sánh OFDMA và SC-FDMA………………………………….

Kết quả mô phỏng…………………………………………………………. Kết quả thực nghiệm. KẾT LUẬN CHƢƠNG. 28 CHƢƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC.

GIỚI THIỆU CHƢƠNG. ĐỒNG BỘ THỜI GIAN. Một số phƣơng pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay. Nhận xét chung.

THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI. Mô tả hệ thống. Kết quả thực nghiệm. KẾT LUẬN CHƢƠNG.

43 CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC. GIỚI THIỆU CHƢƠNG. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER…………………………………………. Mô hình tín hiệu.

Đồng bộ thô tần số. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp giám sát công suất trễ. Bù dịch tần Doppler. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN.

Mô tả hệ thống. Kết quả thực nghiệm. Giao diện hệ thống. Kết quả thu đƣợc.

PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SÓNG MANG DẪN ĐƢỜNG (CARRIER FREQUENCY PILOT- CFP). Mô tả hệ thống. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MÃ TRỰC TIẾP (DIRECT DECODE).

Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp. Giải thích nguyên lý. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện. Thực nghiệm và kết quả.

KẾT LUẬN CHƢƠNG. 76 CHƢƠNG 4 TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG MÔ HÌNH SISO ( ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO. GIỚI THIỆU CHƢƠNG. MÔ HÌNH HỆ THỐNG.

CAC KỸ THUẬT PHAN TẬP. Phân tập thời gian. Phân tập tần số. Phân tập không gian.

DUNG LƢỢNG HỆ THỐNG MIMO. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC CHỈ SỬ DỤNG MỘT CẶP ANTEN THU PHÁT (SISO). Giải mã N tín hiệu phân tập không gian thời gian. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả.

KẾT LUẬN CHƢƠNG. 93 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN.

97 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM .Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang. Phổ của các sóng mang trực giao.

Phổ của bốn sóng mang trực giao. Phổ của bốn sóng mang không trực giao. Ảnh hƣởng của ISI. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống.

Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5]. Mô hình chèn pilot.

Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trƣờng hợp điều chế BPSK, NFFT=2048, GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vƣợt ngƣỡng. So sánh kết quả mô phỏng. Chòm sao OFDMA thu đƣợc SER=0.

Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM…………………………………………………………. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Minn. Sơ đồ hệ thống OFDM.

Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI. Hệ thống OFDM thực nghiệm. Tín hiệu OFDM thu đƣợc trên hệ thống tại Hồ Tiền.

Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu đƣợc. So sánh độ ổn định tín hiệu giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất. So sánh SNR giữa hai phƣơng pháp. Chòm sao tín hiệu thu đƣợc sau giải mã của 2 phƣơng pháp.

Cấu trúc khung dữ liệu. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian. Sơ đồ hệ thống thu – phát.

Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM. Khung tín hiệu phát. Chòm sao tín hiệu thu (b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền.

Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin. Giao diện bên phát. Giao diện bên thu. Chòm sao tín hiệu thu sau khi xoay pha.

Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát và máy thu. Phổ công suất trung bình tín hiệu. Mô hình hệ thống giải mã trực tiếp. Mô hình thực nghiệm.

Tín hiệu OFDM thu đƣợc trong miền thời gian b. Phổ của tín hiệu với sóng mang CFP ở trung tâm. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tƣơng đối giữa bên phát và bên thu. So sánh SER của phƣơng pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bƣớc.

Mô hình hệ thống MIMO. Từ mã đƣợc phát có xen và không xen. Các loại phân tập không gian. Mỗi khung tín hiệu đƣợc phát lặp N lần .5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO).

Lƣu đồ thuật toán giải mã N khung tín hiệu. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chòm sao M-QAM. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần. So sánh các trƣờng hợp.

Mô hình thực nghiệm tại Hồ Tiền .11: Hệ thống OFDM thử nghiệm. 92 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian.

Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng chuỗi hình sin. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP. SNR của các khung truyền dữ liệu. Các tham số của hệ thống OFDM-SISO.

SER của mỗi khung và khi kết hợp các khung .