Nghiên cứu truyền tin dưới nước bằng thủy âm

Theo nhóm nghiên cứu, thông tin dưới nước cùng với các ứng dụng của nó là một lĩnh vực nghiên cứu đã và đang được phát triển nhanh chóng, mở rộng trong nhiều lĩnh vực như: điều khiển xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ ở ngoài biển; tính toán ô nhiễm môi trường trong các hệ thống thuộc về môi trường; truyền tiếng nói giữa các người nhái; vẽ đáy đại dương để tìm ra các nguồn tài nguyên mới; thông tin liên lạc giữa các thiết bị ngầm;…

Có hai cách thiết lập việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị dưới nước: cách thứ nhất là kết nối bằng cáp giữa máy phát và máy thu, cách này bảo đảm chất lượng tín hiệu tốt và giảm thiểu những tác động không mong muốn của môi trường. Tuy nhiên, chi phí cho việc triển khai bảo đảm liên lạc cao, công tác bảo quản và bảo dưỡng khó khăn, đặc biệt nếu việc trao đổi thông tin diễn ra ở độ sâu lớn, trong điều kiện cơ động thì đảm bảo thông tin theo kiểu này rất phức tạp.

Cách thứ hai là thiết lập thông tin giữa các thiết bị bằng cách sử dụng nước như một môi trường truyền dẫn tín hiệu và kênh thông tin vô tuyến dưới nước như vậy được gọi là kênh thủy âm.

Nhóm nghiên cứu tìm hiểu những vấn đề cơ bản để thực hiện truyền tin dưới nước bằng thủy âm, trong đó trình bày cơ sở chung để thực hiện thông tin dưới nước, mô phỏng hệ thống thông tin thủy âm sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), kết luận đánh giá và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Thống kê các tham số cho thấy sóng âm là tín hiệu thuận lợi nhất để truyền tin trong môi trường nước (suy hao truyền dẫn nhỏ, cự ly liên lạc xa). Đại dương là một môi trường vô cùng phức tạp, tất cả đặc trưng riêng biệt của môi trường đại dương là tính tự nhiên không đồng nhất của nó. Có hai loại không đồng nhất: thông thường và ngẫu nhiên. Cùng với ảnh hưởng mạnh mẽ của trường sóng âm trong đại dương, sự thay đổi thông thường của tốc độ sóng âm so với các tham số của đại dương (nhiệt độ, độ sâu, độ mặn) đã dẫn tới hình thành “kênh sóng âm dưới nước” và điều đó là một hệ quả để truyền lan âm sóng đi xa. Sự không đồng nhất ngẫu nhiên của môi trường đại dương làm gia tăng sự tán xạ của sóng âm, do đó tạo ra những thay đổi thất thường trong trường sóng âm.

Chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng kênh truyền do hiệu ứng Doppler. Do vận tốc của âm thanh trong nước là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của sóng điện từ trên không trung nên ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn. Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi không có những chuyển động có mục đích thì những ảnh hưởng như sự trôi dạt gây nên bởi sóng, thủy triều cũng luôn tồn tại. Nói cách khác, luôn có chuyển động tương đối giữa máy thu và phát, hệ thống thông tin thủy âm cần được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tương đồng với kênh vô tuyến truyền dẫn qua vệ tinh. Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán đồng bộ và ước lượng kênh truyền.

Hệ thống mô phỏng bao gồm một nguồn bit, máy phát, kênh truyền, máy thu và một bộ tính tỷ số lỗi bit. Nguồn bit tạo ra các bit nhị phân tuần tự ngẫu nhiên và nó được phát đi bởi máy phát. Thông thường một nguồn bit ngẫu nhiên được dùng trong các mô phỏng và được sử dụng trong mô phỏng. Máy phát chuyển các bit sang ký hiệu QPSK, đưa qua bộ tạo dạng xung và chuyển đổi đường lên được thực hiện để đưa đến tần số sóng mang yêu cầu. Tín hiệu đầu ra của máy phát được phát đi qua kênh thủy âm. Máy thu nhận tín hiệu này từ kênh truyền, ước lượng pha và định thời, giải điều chế các tín hiệu QPSK nhận được thành các bit tin và cung cấp cho khối tính toán tỉ số lỗi bit. Ở đây việc tính số lượng các bit lỗi xuất hiện để khảo sát hiệu năng của hệ thống.

Thủy âm ngày càng được ứng dụng mạnh mẽ và đạt hiệu quả cao trong phát triển kinh tế cũng như bảo vệ chủ quyền lãnh thổ quốc gia. Những kết quả nghiên cứu trên của các nhà khoa học đã đưa ra kết quả về những tác động của các yếu tố đến quá trình truyền tin trong môi trường nước biển. Mô phỏng đưa ra kết quả cụ thể cho một mô hình hệ thống thông tin thủy âm sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK. Kết quả có thể được ứng dụng trong việc chế tạo các thiết bị truyền tin dưới nước, trên cơ sở đó tổ chức xây dựng hệ thống thông tin trên biển ngày càng hoàn thiện phục vụ cho các mục đích của quốc gia.