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Ultrasonic wireless broadband communication system for underwater applications
Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Engenharia Eletrónica e de ComputadoresUnderwater wireless communication systems are becoming a priority in terms of research and
technological development due to the increasing demand for exploring the oceans’ potential in
areas such as pharmaceutical, oil, minerals, environmental and biodiversity. This demand is
increasing exponentially with the need for high data rate and near-real-time communications
between submerged mobile and static agents.
The existing wireless communication technologies using electromagnetic waves or lasers are not
very efficient due to the large attenuation in aquatic environment. Ultrasound reveals a lower
attenuation, and thus has been used in underwater long-distance communications. But the
underwater acoustic medium is one of the less reliable communication channels which
represent major challenges for communications. With relatively slow sound speed propagation
(~1500 m/s) the delay may represent a problem for communications with real-time
applications.
A theoretical model of an underwater communication system was also developed. The model
allows to emulate the emitter, the hydrophone and the underwater acoustic channel, which
includes attenuation, environmental noise, Doppler Effect, multipath and propagation delay. This
model supported the study of wireless communications by emulating the transmission of
acoustic signals using different types of digital modulations. The acoustic signal attenuation,
multipath, ambient noise in several environments theoretical results were compared to those
obtained experimentally. Allowing to conclude that the model represents a suitable
approximation to the real subaquatic communication channel for the evaluation of digital
acoustic communications.
An optimization study of ultrasound transducers for underwater communications was addressed,
focusing on a piston type emitter operating in the thickness mode (d33). It was discussed how
the acoustic impedance, thickness, resonance frequency and structure affect the transducer
performance. This work allowed a better understanding of the emitter transducer characteristics
allowing reaching the optimum point of operation for specific applications. Focusing on
underwater communication, the transducer was optimized by finite element computer
simulations. The results were compared with experimental tests and show that four-layer
structures increase up to 16 dB in performance when compared to single-layer transducer disks. For high data-rates and real-time applications it was necessary to develop ultrasound transducers
able to work at high frequencies and wideband, with suitable responses to digital modulations. It
was thus also included a comparison study that shows how the acoustic impedance influences
the performance of an ultrasonic emitter when using different digital modulations and operating
at frequencies between 100 kHz and 1 MHz and some tens of meters of distance. It is presented
a Finite Element Method (FEM) and a MATLAB/Simulink simulation with an experimental
validation to evaluate two types of piezoelectric materials: one based in ceramics (high acoustic
impedance) with a resonance design and a polymer based (low acoustic impedance) system,
designed to optimize the performance when using digital modulations. The transducers
performance for Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift
Keying (BPSK) and Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulations with a 1 MHz carrier at
125 kbps baud rate were compared. The transducers materials used were the ceramics PZT-5H
and the polymer PVDF. The results show that PVDF transducer has a better performance to
digital modulations than PZT-5H transducer, providing the signal full demodulation for all digital
modulations tested. On the other hand, the PZT-5H transducer showed a higher output, but fails
to perform accurate modulated signals.
Finally, the system was validated by the implementation of a full duplex point-to-point
communication at 1 Mbps using OOK modulation with a 1 MHz single carrier. The system was
successfully tested in a swimming pool at a distance of 6 meters with a 1 Mbps rate, achieving a
3x10-3 Bit Error Rate (BER) using just 1.4 W of power consumption. These results represent an
advance in underwater acoustic communications, being the first practical system to achieve data
rates up to 1 Mbps.O desenvolvimento de sistemas de comunicação subaquáticos sem fios está a tornar-se uma
prioridade na comunidade científica no sentido de aumentar o desenvolvimento tecnológico.
Este facto deve-se à crescente necessidade de exploração do potencial dos oceanos em áreas
científicas diversas como farmacêutica, petrolífera, mineral, ambiental e até do próprio estudo
da biodiversidade. Essa necessidade aumenta exponencialmente com a necessidade de
comunicações de alto débito e em tempo real entre agentes submersos móveis e estáticos.
As tecnologias de comunicações sem fios existentes, nomeadamente as que utilizam ondas
eletromagnéticas ou lasers não são muito eficientes, devido, em grande parte, à atenuação no
ambiente subaquático. Os ultrassons revelam uma menor atenuação tendo sido, por isso,
utilizados em comunicações subaquáticas em longas distâncias. Contudo o canal acústico
subaquático definisse como um dos mais difíceis, devido em parte as suas características
únicas, o que apresenta ser um enorme desafio. Como a velocidade de propagação do som é
relativamente lenta (~1500 m/s), o atraso pode representar um problema para as aplicações
em tempo real.
Foi desenvolvido um modelo teórico do sistema de comunicações subaquáticos que permite
emular o emissor, o hidrofone e o canal acústico subaquático. No canal acústico subaquático foi
simulado o efeito da atenuação, ruído ambiente, efeito de Doppler, multipath e atraso de
propagação. Este modelo é indicado para o estudo das comunicações subaquáticas, emulando
a transmissão de sinais acústicos utilizando diferentes tipos de modulações digitais. Neste
estudo foram testados, a atenuação do sinal acústico, multipath, ruído em diversos ambientes e
os resultados teóricos foram comparados com os obtidos experimentalmente. Permitindo
concluir que o modelo representa uma aproximação adequada do canal de comunicação,
permitindo a avaliação das comunicações digitais acústicas.
Inclui ainda um estudo de otimização de transdutores de ultrassons para comunicações
subaquáticos, tendo como base o emissor do tipo pistão, operando ao longo da espessura
(d33). Foi analisada ainda a forma como a impedância, espessura, frequência de ressonância
acústica e estrutura afetam o desempenho do transdutor. Este trabalho permitiu uma melhor
compreensão das características do transdutor emissor que permitem atingir o ponto ótimo de
operação para aplicações específicas. Tendo como base a comunicação subaquática, o
transdutor foi otimizado usando os resultados de simulações pelo Método dos Elementos Finitos. Os resultados foram comparados com os testes experimentais, onde se mostra que as
estruturas de quatro camadas podem aumentar até 16dB no desempenho quando comparados
com discos de transdutor de única camada.
Para aplicações em tempo real e de elevado debito, foi necessário desenvolver transdutores de
ultrassons capazes de operar em banda larga a altas frequências, com resposta adequada às
modulações digitais. Foi, portanto, incluído também um estudo comparativo que mostra como a
impedância acústica influencia o desempenho do emissor de ultrassons quando se utilizam
modulações digitais a operar com frequências entre 100 kHz e 1 MHz abrangendo distâncias de
algumas dezenas de metros. São apresentadas simulações por Método de Elementos Finitos
(MEF) e MATLAB/Simulink com validação experimental de modo a avaliar dois tipos de
materiais piezoelétricos: um com base cerâmica PZT-5H (alta impedância acústica) com um
design de ressonância e outro de base de polimérica PVDF (baixa impedância acústica),
otimizado para modulações digitais. O desempenho dos transdutores foi comparado para as
modulações: Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift
Keying (BPSK) e Binary Frequency Shift Keying (BFSK) com uma portadora de 1 MHz a 125
kbps. Os resultados mostram que o transdutor de PVDF tem um melhor desempenho do que
transdutor PZT-5H, proporcionando a desmodulação completa do sinal para todas as
modulações digitais testadas. Por outro lado, o transdutor de PZT-5H mostrou uma potência
acústica mais elevada, embora não consiga produzir sinais modulados precisos.
Finalmente, o sistema foi validado através da implementação de uma comunicação ponto-aponto
bidirecional de 1 Mbps utilizando uma modulação OOK com uma portadora de 1 MHz. O
sistema foi testado com sucesso numa piscina a uma distância de 6 metros com uma taxa de 1
Mbps, com um BER (Bit Error Rate) de 3x10-3, utilizando apenas 1,4 W de consumo de potência.
Estes resultados representam um avanço nas comunicações acústicas subaquáticas, sendo o
primeiro sistema prático de atingir velocidades até 1 Mbps