Giới thiệu dự án

Bối cảnh và thực trạng công nghệ

Biển và đại dương bao phủ hơn 71% diện tích bề mặt Trái Đất, nắm giữ nguồn tài nguyên sinh học, khoáng sản và năng lượng khổng lồ. Tuy nhiên, việc khai thác và bảo vệ chủ quyền biển phụ thuộc sống còn vào hạ tầng thông tin liên lạc dưới nước (Underwater Acoustic Communication - UAC). Trong môi trường nước biển với tính dẫn điện cao, sóng điện từ (Radio Frequency - RF) bị suy hao cực lớn do độ dẫn điện của muối ($\sigma \approx 4\text{ S/m}$), chỉ truyền được cự ly cực ngắn ($<1\text{ m}$ ở tần số cao, $<100\text{ m}$ ở tần số cực thấp VLF nhưng đòi hỏi anten khổng lồ). Sóng ánh sáng (quang học) chịu ảnh hưởng nặng nề bởi độ đục, sự tán xạ của sinh vật phù du và ánh sáng nền.

Do đó, sóng âm thanh với tốc độ truyền lan trung bình $c \approx 1500\text{ m/s}$ và độ suy hao tương đối thấp trở thành phương tiện vật lý khả thi duy nhất để thiết lập liên lạc không dây tầm xa dưới nước.

Vấn đề kỹ thuật đặt ra (Problem Statement)

Truyền thông thủy âm đối mặt với các thách thức vật lý khắc nghiệt:

  • Băng thông cực kỳ hạn hẹp: Suy hao hấp thụ tăng theo bình phương tần số theo công thức Thorp, giới hạn dải tần hoạt động hữu ích ở mức vài chục kHz.
  • Hiện tượng truyền đa đường (Multipath Propagation): Do phản xạ bề mặt nước và đáy biển tạo ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) và phân tán thời gian lớn (trễ từ vài chục đến hàng trăm mili-giây).
  • Tạp âm môi trường phức tạp: Gồm nhiễu nhiệt ($f > 100\text{ kHz}$), nhiễu động học của sóng gió ($100\text{ Hz} - 30\text{ kHz}$), nhiễu giao thông tàu thuyền và nhiễu sinh học.
  • Tiêu hao năng lượng: Thiết bị lặn, tàu ngầm mini hoặc người nhái bị giới hạn nghiêm ngặt về dung lượng pin, đòi hỏi kỹ thuật điều chế tiết kiệm năng lượng tối đa.

Mục tiêu dự án

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mẫu thử nghiệm bộ đàm thủy âm bán song công (Half-Duplex) truyền giọng nói thời gian thực (Real-time Voice Walkie-Talkie).
  2. Ứng dụng kỹ thuật điều chế đơn biên (Single Sideband - SSB) băng dưới (LSB) kết hợp lọc số IIR nhằm tiết kiệm 50% băng thông và giảm công suất phát so với AM/DSB truyền thống.
  3. Xây dựng cấu trúc xử lý tín hiệu số hoàn chỉnh trên vi điều khiển ARM Cortex-M7 (STM32H750VB) với tần số lấy mẫu $F_s = 96\text{ ksps}$.
  4. Thiết kế các mạch analog ngoại vi chuyên dụng gồm tiền khuếch đại thu (Low-Noise RX Amp), khuếch đại công suất phát (TX Power Amp), và chuyển mạch PTT (Push-To-Talk).
  5. Thực nghiệm đánh giá hệ thống tại các môi trường nước tĩnh (bể thử nghiệm C9), hồ nước nông (Hồ C1 ĐHBK Hà Nội, Hồ Linh Đàm).

Giải pháp kỹ thuật và kết quả kỳ vọng

Giải pháp tiếp cận cốt lõi là số hóa quy trình điều chế SSB bằng phương pháp lọc (Filter Method) trực tiếp trên chip xử lý tín hiệu số:

  • Tín hiệu thoại băng tần hẹp: Giới hạn dải tần tiếng nói trong khoảng $300\text{ Hz} - 1700\text{ Hz}$ (đáp ứng trọn vẹn dải năng lượng chính của giọng nói người từ $512\text{ Hz} - 2048\text{ Hz}$).
  • Đa kênh tần số linh hoạt: Thiết lập 7 kênh truyền với tần số sóng mang từ $12\text{ kHz}$ đến $24\text{ kHz}$ (bước chuyển $2\text{ kHz}$), mỗi kênh chiếm độ rộng dải thông chỉ $2\text{ kHz}$.
  • Chỉ số đo lường kỳ vọng:
    • Tần số lấy mẫu bộ chuyển đổi: $\text{ADC} = 96\text{ ksps}$, $\text{DAC} = 96\text{ ksps}$.
    • Độ nhạy mạch thu: Khuếch đại tín hiệu cảm biến từ $5\text{ mV}$ lên $2.0\text{ V}_{\text{peak-to-peak}}$.
    • Biên độ phát: Tối thiểu $6.0\text{ V}_{\text{p-p}}$ cấp trực tiếp cho đầu dò gốm áp điện (Transducer BII-7560).
    • Độ trễ xử lý thuật toán: $< 10.4\text{ }\mu\text{s}$ (tương đương 1 chu kỳ lấy mẫu ở $96\text{ kHz}$).

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi: Hệ thống bộ đàm thoại tương tự số hóa (Digital Analog Voice) bán song công cự ly gần - trung bình phục vụ liên lạc người nhái, thợ lặn hoặc tàu ngầm mini.
  • Giới hạn: Công suất phát định mức sử dụng nguồn pin LiPo 12V di động; chưa tích hợp bộ cân bằng kênh tự thích ứng (Adaptive Equalizer) để khử hoàn toàn hiệu ứng Doppler khi các nút mạng di chuyển tốc độ cao.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương thức truyền thông Băng thông khả dụng Cự ly liên lạc thực tế Suy hao trong nước biển Chi phí triển khai Tính cơ động
Cáp quang/Đồng trục Rất cao ($>1\text{ Gbps}$) Dài ($>10\text{ km}$) Không đáng kể trong lõi cáp Rất cao, khó bảo trì Rất kém, vướng víu
Sóng vô tuyến (RF) Cao ($>10\text{ MHz}$) Cực ngắn ($<1\text{ m}$) Cực lớn ($>45\text{ dB/m}$ tại $1\text{ MHz}$) Trung bình Tốt
Quang không dây (UOWC) Rất cao ($>100\text{ Mbps}$) Ngắn ($<50\text{ m}$) Rất cao do tán xạ/độ đục Cao Trung bình (cần bám tia)
Thủy âm DSB-AM Hẹp ($<5\text{ kHz}$) Trung bình ($1-5\text{ km}$) Tăng theo $f^2$, tốn công suất sóng mang Thấp Rất cao
Thủy âm SSB-IIR (Đề tài) Tối ưu ($2\text{ kHz/kênh}$) Trung bình ($1-3\text{ km}$) Thấp, triệt sóng mang, tiết kiệm $50%$ công suất Thấp (Sử dụng MCU nhúng) Rất cao, gọn nhẹ

Phân tích yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must have: Bộ lọc dải âm tần $300\text{ Hz} - 1.7\text{ kHz}$; điều chế/giải điều chế SSB-LSB thời gian thực; giao tiếp ADC/DAC 96 ksps; chuyển mạch thu/phát PTT tự động cách ly đường tín hiệu.
  • Should have: Chuyển đổi linh hoạt 7 kênh tần số ($12 - 24\text{ kHz}$) qua biến trở; LED chỉ báo trạng thái đa màu (Green: RX, Red: TX); mạch triệt thành phần 1 chiều DC Offset.
  • Could have: Thuật toán tự động căn chỉnh biên độ chống cắt méo tín hiệu (Anti-Clipping / AGC); bộ tiền khuếch đại có thể chỉnh gain linh hoạt.
  • Won't have (phiên bản này): Mã hóa giọng nói số chuẩn nén quân sự AES-256; truyền dữ liệu gói tốc độ cao OFDM.

Thiết kế hệ thống

graph TD
    subgraph "Khối Phát (Transmitter Path)"
        MIC[Microphone MAX4466] -->|0-3.3V Analog| ADC_IN[ADC1 96 ksps]
        ADC_IN --> HPF1[HPF IIR 0.3 kHz]
        HPF1 --> LPF1[LPF IIR 1.7 kHz]
        LPF1 --> MULT1[Bộ nhân Sóng mang fc]
        CAR1[Carrier Gen sin/cos 12-24kHz] --> MULT1
        MULT1 --> BPF1[BPF IIR fc-1.7k to fc-0.3k]
        BPF1 --> DAC_OUT[DAC1 96 ksps]
        DAC_OUT --> TX_AMP[TX Power Amp 3V to 6V]
        TX_AMP --> SWITCH_TX[PTT Switch Switch-Relay]
    end

    subgraph "Khối Thu (Receiver Path)"
        SWITCH_RX[PTT Switch Switch-Relay] --> RX_AMP[Low Noise RX Amp 5mV to 2V]
        RX_AMP --> ADC_RX[ADC2 96 ksps]
        ADC_RX --> MULT2[Bộ nhân Sóng mang fc]
        CAR2[Carrier Gen fc] --> MULT2
        MULT2 --> LPF2[LPF IIR 1.7 kHz]
        LPF2 --> HPF2[HPF IIR 0.3 kHz]
        HPF2 --> DAC_AUDIO[DAC2 96 ksps]
        DAC_AUDIO --> SPK_AMP[Audio Amp 3W]
        SPK_AMP --> SPEAKER[Loa 5V 3W]
    end

    SWITCH_TX --> TRANSDUCER[Transducer Thủy âm BII-7560]
    TRANSDUCER --> SWITCH_RX

    classDef mcu fill:#e1f5fe,stroke:#01579b,stroke-width:2px;
    class ADC_IN,HPF1,LPF1,MULT1,BPF1,DAC_OUT,ADC_RX,MULT2,LPF2,HPF2,DAC_AUDIO,CAR1,CAR2 mcu;

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Xử lý trung tâm: Vi điều khiển STMicroelectronics STM32H750VBT6 (32-bit ARM Cortex-M7 @ 480 MHz, 1MB RAM, 128KB Flash, Hardware FPU, DSP Instructions).
  • Môi trường phát triển: STM32CubeIDE v1.6.0, STM32CubeMX v6.2.1, CMSIS-DSP Library v1.8.0.
  • Phần mềm thiết kế & mô phỏng: MATLAB R2020b (Filter Designer, Signal Processing Toolbox), Altium Designer 20.0 cho PCB.
  • Đầu dò thủy âm (Transducer): BII-7560 Piezoelectric Hydrophone/Projector, dải tần đáp ứng $10\text{ kHz} - 30\text{ kHz}$, TVR $140\text{ dB}$, RVR $-175\text{ dB re } 1\text{V}/\mu\text{Pa}$.

Cơ sở toán học và thuật toán xử lý tín hiệu

  1. Mô hình suy hao truyền sóng thủy âm (Thorp's Model): $$TL(r, f) = k \cdot 10\log_{10}(r) + \alpha(f) \cdot r \cdot 10^{-3}$$ Trong đó hệ số hấp thụ $\alpha(f)$ ($\text{dB/km}$) cho tần số $f \ge 0.4\text{ kHz}$: $$\alpha(f) = \frac{0.11 f^2}{1 + f^2} + \frac{44 f^2}{4100 + f^2} + 2.75 \cdot 10^{-4} f^2 + 0.003$$

  2. Cấu trúc bộ lọc số IIR Direct Form: Phương trình sai phân tuyến tính bậc $N$: $$y[n] = \sum_{r=0}^{M} b_r x[n-r] - \sum_{k=1}^{N} a_k y[n-k]$$ Lựa chọn bộ lọc IIR Butterworth bậc 4 giúp giảm số lượng phép tính nhân/cộng đến 70% so với bộ lọc FIR cùng độ dốc chuyển tiếp dải thông ($0.3\text{ kHz}$ transition band).

  3. Điều chế đơn biên băng dưới (SSB Lower Sideband - SSB-LSB): Tín hiệu tiếng nói $v_m(t) = V_m \cos(\omega_m t)$ sau khi nhân với sóng mang $v_c(t) = V_c \cos(\omega_c t)$: $$v_{\text{mult}}(t) = \frac{V_m V_c}{2} [\cos((\omega_c - \omega_m)t) + \cos((\omega_c + \omega_m)t)]$$ Đưa qua bộ lọc thông dải $\text{BPF}$ có tần số cắt $[\omega_c - 1.7\text{ kHz}, \omega_c - 0.3\text{ kHz}]$ để loại bỏ biên trên $(\omega_c + \omega_m)$, thu được tín hiệu SSB: $$v_{\text{SSB}}(t) = \frac{V_m V_c}{2} \cos((\omega_c - \omega_m)t)$$

  4. Giải điều chế kết hợp (Coherent Demodulation): Tín hiệu thu $v_{\text{SSB}}(t)$ nhân với sóng mang đồng pha $V_c \cos(\omega_c t)$: $$v_{\text{demod}}(t) = \frac{V_m V_c^2}{4} [\cos(\omega_m t) + \cos((2\omega_c - \omega_m)t)]$$ Đưa qua bộ lọc $\text{LPF } (1.7\text{ kHz})$ để triệt tiêu thành phần tần số cao $(2\omega_c - \omega_m)$, khôi phục hoàn chỉnh tín hiệu tiếng nói nguyên bản $v_m(t)$.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển phần cứng và firmware

Hệ thống được phát triển theo 4 giai đoạn nghiêm ngặt:

  • Giai đoạn 1 (Thuật toán & Mô phỏng): Thiết kế bộ lọc IIR trên MATLAB Filter Designer, kiểm tra đáp ứng biên độ - pha, mô phỏng quá trình điều chế/giải điều chế SSB với tín hiệu audio .wav mẫu.
  • Giai đoạn 2 (Thiết kế phần cứng tương tự): Thiết kế mạch tiền khuếch đại vi sai OPAMP rail-to-rail chống nhiễu nguồn; mạch khuếch đại công suất đẩy kéo Class-AB cho transducer; mạch nguồn lọc nhiễu LC độc lập cho Analog/Digital.
  • Giai đoạn 3 (Firmware nhúng STM32): Cấu hình Timer kích hoạt ADC/DAC qua DMA vòng đệm đôi (Ping-Pong Buffer) để đảm bảo không mất mẫu (Zero Latency Jitter) tại $F_s = 96\text{ ksps}$.
  • Giai đoạn 4 (Tích hợp & Thực nghiệm): Đóng gói phần cứng chuẩn chống nước IP68 cho đầu dò, đo kiểm phổ trên máy hiện sóng tử DSO và thực địa hồ nước.

Hiện thực mã nguồn thuật toán (Core Firmware C Code)

Đoạn mã C xử lý thời gian thực bên trong ngắt DMA của STM32H750:

#include "arm_math.h"
#define BUFFER_SIZE 128

// Khai báo hệ số bộ lọc IIR Biquad (Cascaded Direct Form II)
arm_biquad_cascade_df2T_instance_f32 S_HPF, S_LPF, S_BPF;
float32_t carrier_lut[BUFFER_SIZE]; // Look-up Table cho sóng mang sin/cos
float32_t tx_buffer[BUFFER_SIZE], rx_buffer[BUFFER_SIZE];
float32_t dsp_temp1[BUFFER_SIZE], dsp_temp2[BUFFER_SIZE];

// Xử lý khối tín hiệu phát (TX Signal Processing Stream)
void Process_SSB_Transmit(float32_t* pIn, float32_t* pOut, uint16_t size, float32_t carrier_freq) {
    // 1. Lọc thông cao 300Hz triệt tiêu thành phần DC Offset từ micro
    arm_biquad_cascade_df2T_f32(&S_HPF, pIn, dsp_temp1, size);
    
    // 2. Lọc thông thấp 1.7kHz giới hạn băng thông tiếng nói
    arm_biquad_cascade_df2T_f32(&S_LPF, dsp_temp1, dsp_temp2, size);
    
    // 3. Điều chế nhân với sóng mang tần số fc
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
        dsp_temp1[i] = dsp_temp2[i] * carrier_lut[i];
    }
    
    // 4. Lọc thông dải (BPF) trích xuất biên dưới LSB (fc - 1.7kHz đến fc - 0.3kHz)
    arm_biquad_cascade_df2T_f32(&S_BPF, dsp_temp1, pOut, size);
}

// Xử lý khối tín hiệu thu (RX Signal Demodulation Stream)
void Process_SSB_Receive(float32_t* pIn, float32_t* pOut, uint16_t size) {
    // 1. Nhân tín hiệu thu với sóng mang đồng pha fc
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
        dsp_temp1[i] = pIn[i] * carrier_lut[i];
    }
    
    // 2. Lọc thông thấp 1.7kHz loại bỏ thành phần tích chập 2*fc
    arm_biquad_cascade_df2T_f32(&S_LPF, dsp_temp1, dsp_temp2, size);
    
    // 3. Lọc thông cao 300Hz khử nhiễu tần số thấp, đưa ra DAC ra loa
    arm_biquad_cascade_df2T_f32(&S_HPF, dsp_temp2, pOut, size);
}

Thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm

Kịch bản thực nghiệm

  1. Đo kiểm tham số điện trên Lab: Sử dụng máy phát hàm tạo sóng sin quét $100\text{ Hz} - 30\text{ kHz}$, máy phân tích phổ Rigol DSA815 đo đáp ứng tần số mạch lọc và độ tuyến tính của bộ điều chế SSB.
  2. Thực nghiệm bể kính C9 (Kích thước $2\text{m} \times 1\text{m} \times 1\text{m}$): Kiểm tra khả năng đồng bộ thu phát, méo tín hiệu do phản xạ thành bể cực ngắn.
  3. Thực nghiệm hồ C1 (ĐHBK Hà Nội - Cự ly $15\text{m} - 30\text{m}$): Nước nông có bùn, kiểm tra độ suy giảm tín hiệu và tính ổn định của mạch khuếch đại.
  4. Thực nghiệm hồ Linh Đàm (Cự ly $50\text{m} - 150\text{m}$): Môi trường nước hở tự nhiên, đánh giá độ rõ tiếng nói (Voice Intelligibility) khi có sóng gió và nhiễu xung quanh.

Kết quả đạt được

Tiêu chí kỹ thuật Chỉ tiêu thiết kế Kết quả đo thực nghiệm Đánh giá
Băng thông kênh truyền $2.0\text{ kHz}$ $1.4\text{ kHz}$ ($300\text{ Hz} - 1.7\text{ kHz}$) Đạt ($100%$ trong dải cho phép)
Dải kênh tần số $12\text{ kHz} - 24\text{ kHz}$ 7 kênh: 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 kHz Đạt chính xác, không lấn kênh
Độ suy giảm dải chặn lọc IIR $> 40\text{ dB}$ $46.2\text{ dB}$ Triệt tiêu hoàn toàn biên tần trên (USB)
Độ nhạy khối thu $< 10\text{ mV}$ Nhận diện tốt tín hiệu $5\text{ mV}_{\text{p-p}}$ Tỉ số SNR đầu ra âm thanh $> 18\text{ dB}$
Tốc độ tính toán MCU $< 10.4\text{ }\mu\text{s/sample}$ $3.2\text{ }\mu\text{s/sample}$ (MCU load $31%$) Hoạt động mượt mà thời gian thực
Chất lượng thoại (MOS) $\ge 3.0 / 5.0$ $3.8 / 5.0$ (Nghe rõ ràng, không méo tiếng) Đạt chuẩn đàm thoại chiến thuật

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng thành công vi điều khiển đa năng STM32H7 thay thế chip DSP chuyên dụng: Trước đây, các hệ thống UAC thường đòi hỏi các dòng chip DSP đắt đỏ và phức tạp như TI TMS320C67xx. Đề tài đã tối ưu hóa kiến trúc CMSIS-DSP trên ARM Cortex-M7 giá thành thấp, giảm $60%$ chi phí phần cứng xử lý.
  2. Kỹ thuật điều chế SSB-LSB tối ưu tài nguyên tính toán: Khắc phục nhược điểm xoay pha $90^\circ$ Hilbert biến đổi Fourier phức tạp bằng cách kết hợp bộ lọc số IIR Butterworth đa tầng và phép nhân sóng mang trực tiếp, giảm độ phức tạp thuật toán từ $O(N \log N)$ xuống $O(N)$.
  3. Tiết kiệm 50% băng thông kênh truyền: Cho phép ghép kênh phân chia theo tần số (FDMA) dày đặc hơn trong dải siêu âm hạn hẹp dưới nước ($12 - 24\text{ kHz}$ chứa được 7 kênh đàm thoại độc lập không can nhiễu).
  4. Kiến trúc phần cứng module hóa: Khối tiền khuếch đại và công suất phát thiết kế dạng module cắm rời, cho phép dễ dàng nâng cấp công suất phát từ cự ly ngắn (vài chục mét) lên cự ly lớn (hàng kilomet) bằng cách thay đổi module mà không cần thiết kế lại bo mạch chủ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống sử dụng thực tế (Use Cases)

  • Liên lạc thợ lặn quân sự và dân sự: Đảm bảo đàm thoại thông suốt giữa đội thợ lặn cứu nạn cứu hộ hoặc đặc công nước với nhau và với xuồng chỉ huy trên mặt nước.
  • Thông tin liên lạc tàu ngầm cứu nạn / Tàu ngầm mini: Thiết lập kênh liên lạc khẩn cấp khi tàu ngầm gặp nạn nằm im dưới đáy biển, duy trì thông tin mà không cần phóng phao vô tuyến lộ vị trí.
  • Kênh điều khiển & giám sát phương tiện ngầm UUV/AUV: Đóng vai trò kênh dự phòng truyền lệnh âm thanh khẩn cấp cho các thiết bị tự hành dưới nước.

Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư (Cost-Benefit Analysis)

Ước tính giá thành sản xuất (BOM Cost) cho 01 bộ đàm thủy âm:

Hiệu quả kinh tế: Tiết kiệm hơn $90%$ chi phí đầu tư so với các thiết bị nhập ngoại chuyên dụng (như dòng thuỷ âm của Kongsberg hay Teledyne Marine), mở ra tiềm năng trang bị hàng loạt cho lực lượng cứu hộ bờ biển và ngư dân lặn biển.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Mạch khuếch đại phát dùng pin 12V chỉ đạt biên độ ra $6\text{V}_{\text{p-p}}$, giới hạn cự ly liên lạc thực tế trong khoảng $150\text{m} - 300\text{m}$.
  • Chế độ hoạt động mới dừng ở bán song công (Half-duplex) dùng công tắc cơ khí hoặc tín hiệu chuyển mạch, chưa thể đồng thời vừa nói vừa nghe (Full-duplex).
  • Chưa tích hợp cơ chế tự động bù trừ tần số Doppler khi các đối tượng chuyển động tương đối với vận tốc lớn ($v > 5\text{ m/s}$).

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp tầng khuếch đại phát công suất cao Class-D sử dụng biến áp xung phối hợp trở kháng với gốm áp điện để nâng điện áp phát lên $100\text{V} - 200\text{V}_{\text{p-p}}$, nâng cự ly liên lạc đạt $> 2\text{ km}$.
  • Bổ sung bộ nén dải động âm thanh (Dynamic Range Compressor - DRC) và thuật toán khử tiếng vọng âm học (Acoustic Echo Cancellation - AEC) để hỗ trợ Full-Duplex.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm modem truyền dữ liệu số tốc độ thấp (FSK/BPSK telemetry) song song trên cùng kênh thoại để gửi tọa độ định vị GPS/độ sâu thợ lặn.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Y sinh, Tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tế về thiết kế hệ thống xử lý tín hiệu số DSP nhúng, kỹ thuật lọc số IIR và thiết kế phần cứng tương tự chuyên sâu.
  • Kỹ sư nhúng & R&D phần cứng: Mẫu thiết kế tham khảo hoàn chỉnh từ khâu mô phỏng MATLAB đến hiện thực hóa mã nguồn C sử dụng thư viện CMSIS-DSP trên chip ARM Cortex-M7.
  • Các đơn vị quốc phòng, an ninh biển và cứu nạn hàng hải: Tiếp cận giải pháp công nghệ làm chủ trong nước với giá thành tối ưu, chủ động bảo trì thay thế.
  • Các nhà nghiên cứu hải dương học: Cơ sở nền tảng để phát triển các mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater Wireless Sensor Networks - UWSN).

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai thuật toán điều chế SSB là gì?

Hệ thống yêu cầu vi điều khiển có nhân ARM Cortex-M4 hoặc Cortex-M7 có hỗ trợ tập lệnh DSP và đơn vị tính toán số thực FPU phần cứng, xung nhịp tối thiểu $120\text{ MHz}$, tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC 12-bit và DAC 12-bit với tốc độ lấy mẫu $\ge 96\text{ ksps}$, RAM tối thiểu $64\text{ KB}$ để cấp phát bộ đệm DMA.

2. Tại sao lại chọn dải tần $12\text{ kHz} - 24\text{ kHz}$ cho hệ thống bộ đàm thủy âm?

Dải tần $12 - 24\text{ kHz}$ là điểm cân bằng tối ưu (Sweet Spot) trong truyền thông thủy âm: Tần số dưới $10\text{ kHz}$ chịu ảnh hưởng cực lớn bởi tạp âm nền tàu thuyền và tiếng ồn sinh học; tần số trên $30\text{ kHz}$ lại bị suy hao hấp thụ môi trường tăng theo hàm mũ. Đồng thời, dải tần này nằm trên ngưỡng nghe của tai người ($> 20\text{ kHz}$ ở các kênh cao) và phù hợp với kích thước đầu dò gốm áp điện nhỏ gọn.

3. Làm thế nào để giải quyết trôi pha và lệch tần số sóng mang giữa bên thu và bên phát?

Hệ thống sử dụng bộ dao động thạch anh bù nhiệt độ chính xác cao (TCXO $\pm 0.5\text{ ppm}$) để tạo sóng mang đồng bộ. Ở cự ly gần và vận tốc di chuyển thấp, độ lệch tần số do Doppler là rất nhỏ ($< 5\text{ Hz}$), tai người có khả năng tự thích ứng và giải mã tốt giọng nói dù có độ dịch tần nhẹ.

4. Hệ thống tiêu thụ công suất bao nhiêu và thời lượng pin như thế nào?

Ở chế độ chờ và nhận (RX Mode), toàn bộ hệ thống tiêu thụ khoảng $180\text{ mA} @ 12\text{V}$ ($\approx 2.16\text{ W}$). Ở chế độ phát (TX Mode) công suất đỉnh tiêu thụ khoảng $650\text{ mA} @ 12\text{V}$ ($\approx 7.8\text{ W}$). Với khối pin LiPo dung lượng $2200\text{ mAh}$, thiết bị có thể đàm thoại liên tục (tỉ lệ 80% RX, 20% TX) trong hơn 8 giờ.

5. Tại sao phải sử dụng kết hợp bộ lọc HPF và LPF thay vì một bộ BPF duy nhất ở đầu vào tiếng nói?

Do tần số lấy mẫu rất cao ($96\text{ kHz}$) so với dải thông hẹp của giọng nói ($300\text{ Hz} - 1.7\text{ kHz}$), việc thiết kế một bộ lọc dải thông BPF duy nhất với dải chuyển tiếp dốc đòi hỏi bậc bộ lọc rất cao, dẫn đến độ nhạy hệ số lớn và dễ gây mất ổn định số (Numerical Instability). Việc tách thành chuỗi nối tiếp HPF 300Hz và LPF 1.7kHz giúp tối ưu bậc lọc, đảm bảo độ ổn định và giảm tải tính toán cho MCU.

Kết luận

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế bộ đàm thủy âm sử dụng kĩ thuật điều chế đơn biên SSB" đã giải quyết trọn vẹn bài toán truyền thông tiếng nói không dây dưới nước – một trong những lĩnh vực kỹ thuật phức tạp nhất của ngành thông tin liên lạc. Thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết xử lý tín hiệu số hiện đại, mô phỏng chuyên sâu trên MATLAB và chế tạo phần cứng thực tế trên vi điều khiển hiệu năng cao STM32H750, dự án đã chứng minh tính khả thi vượt trội của phương pháp điều chế đơn biên SSB: tiết kiệm $50%$ băng thông, nâng cao hiệu suất công suất phát và chất lượng thoại đạt $3.8/5.0$ điểm MOS. Thành công của đồ án đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển các thiết bị liên lạc lặn biển nội địa hóa, phục vụ đắc lực cho an ninh quốc phòng biển đảo và phát triển kinh tế biển bền vững.