Modem acústico subaquático a 1 Mbit/s

Abstract

O objetivo desta dissertação é a implementação de um modem de comunicação acústica subaquática com alto débito binário de baixo consumo. Este modem é constituído por um módulo emissor e um módulo recetor que permite comunicar num ambiente subaquático em tempo real através de sinais acústicos. As principais dificuldades neste tipo de comunicação são as características do ambiente subaquático que atenuam e degradam bastante o sinal ao longo da sua propagação. Após o desenvolvimento do modem, foram feitos vários testes em cenário real aos diferentes módulos e em diferentes condições. O modem acústico é constituído por dois módulos (emissor e recetor) e vários blocos associados. Em relação ao módulo emissor, fazem parte os seguintes blocos: interface do utilizador, modulador baseado em FPGA, conversor digital-analógico, amplificador de sinal e transdutor acústico. O módulo recetor é constituído por um hidrofone, amplificador/filtro, desmodulador baseado também em FPGA e finalmente, a interface com o utilizador. O principal fator que permitiu ao modem atingir elevados débitos, foi a técnica de modulação implementada. O modulador OOK de dois canais, possui duas ondas portadoras de 1 MHz e 0.5 MHz que permitem uma transmissão com um débito máximo de 1 Mbps. O ambiente aquático acrescentou bastantes dificuldades a este trabalho devido às suas características: elevadas atenuações a longas distâncias, existência de grande diversidade de ruído, fenómeno do multi-percurso, reduzida velocidade de propagação acústica na água (cerca de 1500 m/s) e o efeito de Doppler. Por fim, os testes realizados após o desenvolvimento do modem, revelaram que os objetivos iniciais foram cumpridos. O sistema foi capaz de transmitir sinais modulados e proceder à sua desmodulação de forma a serem corretamente interpretados pelo recetor.

The goal of this thesis is the development of a high data rate and low power ultrasonic wireless broadband communication system. This system is composed by a transmitter and a receiver module that enable underwater communication in real time through acoustic waves. The main difficulties to develop this type of system are: the features of the underwater environment that attenuate and degrade the signal along its spread. Once developed, tests were made in a real scenario with different modules and under different conditions. The system is divided in two main modules (transmitter and receiver). The transmitter module, is composed by the following blocks: a user interface, a modulator implemented in FPGA, a digital to analog converter, a signal amplifier and a transducer. On the other hand, the receiver module is formed by a hydrophone, an amplifier / filter, a demodulator also implemented in a FPGA and, finally, a user interface. The factor that allowed this system to achieve high data rate, was the selected modulation scheme. The OOK modulator with two data channels, has two carriers of 1 MHz and 0.5 MHz that allows to achieve a maximum bitrate of 1Mbps. The aquatic environment increased the level of difficulty on this work due its characteristics, which includes factors such as: large attenuation in long distances, the existence of great diversity of noise, the multipath phenomenon, the low speed of acoustic propagation in water (about 1500 m/s) and the Doppler effect. Finally, the tests carried out after the development of the system revealed that the initial objectives were accomplished. The system is capable of transmitting modulated signals and perform their demodulation in order to be correctly interpreted by the receiver.