FPGA based ultrasound wireless communication system

Abstract

This work focus on the development of a platform for an underwater wireless communication system. The system to be developed is based on acoustic transducers that are projected to emit sound waves at frequencies between 100 kHz and 4 MHz in an underwater environment. The same sensors are capable of being polarized with voltage signals of different amplitudes and, for instance, being used in different modulations. The underwater environment is considered an unreliable communication medium due to countless factors acting in the propagation of the acoustic waves such as: high attenuation at long distances, low sound speed, and existence of effects like multipath and Doppler Effect. Those features make it extremely difficult to predict a satisfactory underwater wireless communication condition and enhance the need for the design of a system flexible enough to work in different conditions counteracting different water channel effects. Therefore, the system could not be projected to work at a certain frequency or with a specific modulation technique. This way, the system must work as a high power signal generator. To successful accomplish this work’s goal an exhaustive survey of all the research in this area were carried out in order to understand how these characteristics may affect the acoustic signals and those effect’s influence on the overall system requirements. Then, the project has been divided in parts such as: FPGA based modulator, digital to analog conversion unit, power amplifier, analog signal input instrumentation, analog to digital conversion unit, FPGA based demodulator and host computer user interface. After the system being developed, several practical use cases were tested to confirm its functionality and accordance with the initial requirements. Several modular tests were also made to test specific functionalities and ate the end, a on the field test was performed with a PZT ultrasound transducer. After all the testing it was concluded that the initial goals were meet and the project was concluded with success. The final system was able to polarize an ultrasonic emitter with 60 Vpp and output current greater than 3 A at frequencies superiors to 2 MHz. The same system was also able to receive signals as low as 14 μV from a hydrophone at frequencies above 1 MHz.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma plataforma para comunicações subaquáticas sem fios. O sistema a ser desenvolvido baseia-se em transdutores acústicos que são projetados para emitir ondas sonoras em ambiente subaquático, com frequências entre os 100 kHz e os 4 MHz. Os respetivos sensores são também capazes de serem polarizados com sinais de tensão de variadas amplitudes podendo, portanto, serem utilizados para emitir sinais em diferentes modulações. O ambiente subaquático é considerado um meio de comunicação problemático devido a inúmeros fatores que afetam a propagação das ondas acústicas no mesmo, tais como: alta atenuação a longas distâncias, a baixa velocidade do som, e a existência de efeitos como o multipath e o Efeito Doppler. Essas características fazem com que seja extremamente difícil prever as condições de operação naquele meio. Em consequência, há a necessidade de projetar um sistema suficientemente flexível para que o mesmo possa operar em diferentes condições e não ser afetado pelos efeitos do canal aquático. Como tal, o sistema não pode ser projetado para trabalhar a uma determinada frequência ou com uma determinada técnica de modulação. O que implica que o mesmo deve funcionar como um gerador de sinal de alta potência. Este projeto foi dividido em partes, tais como: modulador baseado em FPGA, a unidade de conversão analógico para digital, amplificador de potência, a unidade de conversão digital para analógico, a instrumentação do sinal analógico, o desmodulador, também baseado em FPGA e a interface de utilizador. Depois de o sistema ter sido desenvolvido, vários casos de uso prático foram testados para confirmar a sua funcionalidade e verificar se estavam de acordo com os requisitos iniciais. Vários testes modulares foram também feitos para testar funcionalidades específicas bem como testes em ambiente real com um transdutor de ultra-sons PZT. Após todos os testes concluiu-se que os objetivos iniciais foram cumpridos e o projeto foi concluído com sucesso. O sistema final foi capaz de polarizar um emissor de ultra-som com 60 Vpp e corrente de saída superior a 3 A e a frequências superiores a 2 MHz. O mesmo sistema também foi capaz de receber sinais de amplitude igual a 14 μV a 1 Hz.