Underwater acoustic communication system : performance evaluation of digital modulation techniques

Abstract

This dissertation aims to describe all the research work performed to study binary digital modulations in the aquatic environment using acoustic waves. The underwater environment is considered an unreliable communication system due to countless factors affecting the propagation of the acoustic waves such as: high attenuation at long distances, low sound speed, existence of great noise diversity, multipath and Doppler effect. These features make it extremely difficult to establish any kind of underwater communication. Thus, initially it is necessary to perform an exhaustive survey of all the research in this area in order to understand how these characteristics may affect communication in underwater environments and subsequently identify the key concepts to future specify this type of communication systems. After that, a study about digital modulations was done in order to identify those that could be possible to conduct on this type of system. After perform an intensive research about this subject it was developed an underwater communication system using MatLab/Simulink tool with specific Xilinx blockset to verify and allow a theoretical study about the behaviour of digital modulations in underwater environment. In order to verify the system performance and the efficiency of the performed study, a comparison between the results obtained in the theoretical system and the results obtained through practical tests was done. Through these practical tests it was possible to observe the influence of the above factors affecting the propagation of acoustic waves in underwater environments. As was initially expected, the obtained results validate and demonstrate the effectiveness of the studies that were performed. Finally, it was still possible to identify some issues that could be addressed later, in the developing of future work in this area of research.

Esta dissertação tem como objetivo descrever todo o trabalho de pesquisa realizado para estudar as modulações binárias digitais em ambientes subaquáticos usando ondas acústicas. O ambiente subaquático é considerado um sistema de comunicações instável, devido a inúmeros factores que afectam a propagação das ondas acústicas tais como: alta atenuação em longas distâncias, a baixa velocidade de som, a existência de uma grande diversidade de ruído, o fenómeno de multipercurso e o efeito de Doppler. Estas características fazem com que seja extremamente difícil estabelecer qualquer tipo de comunicação subaquática. Assim, inicialmente, foi necessário realizar um levantamento exaustivo de todas as pesquisas nesta área, a fim de entender como essas características podem afetar a comunicação em ambientes subaquáticos e, posteriormente, identificar os conceitos-chave para uma futura especificação deste tipo de sistemas de comunicação. Depois disso, foi realizado um estudo sobre modulações digitais a fim de identificar as candidatas a serem usadas neste tipo de sistemas. Depois de realizar uma intensa pesquisa sobre este assunto, foi desenvolvido um sistema de comunicação subaquático usando a ferramenta MatLab/Simulink com blocos específicos Xilinx para verificar e permitir um estudo teórico sobre o comportamento das modulações digitais em ambiente subaquático. De modo a verificar o desempenho do sistema e da e ciência da pesquisa realizada, foi feita uma comparação entre os resultados obtidos no sistema teórico e os resultados obtidos por meio de testes práticos. Através destes testes práticos, foi possível observar a influência dos fatores anteriormente mencionados que afetam a propagação de ondas acústicas em ambientes subaquáticos. Como era inicialmente esperado, os resultados obtidos validam e demonstram a eficácia dos estudos que foram realizados anteriormente. Finalmente, foi ainda possível identificar algumas questões que podem ser abordadas mais tarde, no desenvolvimento de trabalhos futuros nesta área de pesquisa.