Comunicação subaquática: modem acústico de comunicação de banda larga sem fios

Abstract

Com o aumento da exploração das áreas submarinas cresce a necessidade de haver sistemas de comunicação subaquática rápidos e eficazes. Até ao momento, apenas existem três tipos de comunicações sem fios para ambientes subaquáticos: Rádio Frequência, Óticas e Acústicas. Hoje em dia, as comunicações sem fios são um meio de comunicação indispensável, não só pela ausência de cabelagem, mas também pela redução da manutenção das redes fixas, sendo assim possível uma redução de custos significativa, principalmente em zonas mais remotas, onde a instalação de uma rede fixa pode tornar-se inviável. Os principais problemas nas comunicações subaquáticas são os fatores que afetam a propagação das ondas acústicas no meio, como por exemplo: a atenuação do sinal ao longo do percurso, a reduzida velocidade do som (1500 m/s), efeitos por multipath e o efeito Doppler. A escolha da comunicação acústica deveu-se ao facto de ser a mais robusta para longas distâncias, uma vez que o principal objetivo deste trabalho passa pela criação de um modem acústico para comunicação de banda larga sem fios em ambientes subaquáticos. O instrumento a desenvolver deve ser de fácil utilização e ter um consumo energético reduzido, pois o fornecimento de energia dos sistemas subaquáticos normalmente depende de baterias. O sistema desenvolvido pode ser dividido em dois subsistemas: o emissor e o recetor. O subsistema do emissor contém a FPGA, o DAC, o amplificador de saída e o transdutor de emissão, ao passo que o subsistema do recetor inclui o transdutor de receção, o filtro, o ADC e a FPGA. Apesar destes dois subsistemas estarem interligados entre si, eles podem trabalhar separadamente. Na FPGA foi desenvolvida uma modulação e desmodulação. A modulação para a qual foram feitos os testes, foi baseada na técnica de modulação QFSK, usando as frequências portadoras de 100 kHz, de 400 kHz, 700 kHz e 1 MHz. Foram realizados testes em laboratório, num aquário de 100*50*40 cm, e numa piscina de 10*5 metros para uma aproximação de uma situação real, conseguindo que o sistema fosse capaz de imitir sinais modulados e, processar a desmodulação dos mesmos a uma distância de 10 metros.

With the increasing exploitation of undersea areas there is a need for fast and effective underwater communication systems. Until now, only three types of wireless communications are used for underwater environments: Radio Frequency, Optic and Acoustic. The selection of acoustic communications was supported in the fact of the performance for over long distances. Nowadays, wireless communications are an indispensable mean of communication, not only due to the absence of cables, but also through the reduction of maintenance, thus making possible a significant cost reduction especially in remote areas where the installation of a fixed network may become impracticable. The main problem in underwater communications is the factors that affect the acoustic wave’s propagation in the water, such as: signal attenuation along the path, low sound velocity (1500 m/s), multipath effects and Doppler Effect. The main objective of this work is to create an acoustic modem for wireless broadband communications to underwater environments. The device must be user friendly and reduced energy consumption, since the power supply of this system usually depends on batteries. The developed system can be divided in two subsystems, the emitter and the receiver. The emitter subsystem includes the FPGA, DAC, Power Amplifier and the emitter transductor. The receiver subsystem includes the receiver transductor, filter, ADC and FPGA. Although these two subsystems are interconnected, they can work separately. The modulation and demodulation were developed in the FPGA. The modulation for which the tests were performed was based on QFSQ technique using the 100 kHz, 400 kHz, 700 kHz and 1 MHz. Laboratory tests were performed in a 100*500*40cm aquarium and in a 10*5m pool to approximate a real situation. The system was able to emit modulated signals and process its demodulation to a distance of 10 meters.