Modem de ultrassons para comunicação subaquática a 1 Mbit/s

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de ComunicaçõesEsta dissertação tem como objetivo descrever todo o trabalho de pesquisa realizado para a implementação de um modem acústico subaquático de alto débito e baixo consumo. O ambiente subaquático é considerado um meio instável para as comunicações, devido a inúmeros fatores que afetam a propagação das ondas acústicas. Assim, inicialmente, foi necessário realizar um levantamento, a fim de entender como estes fatores podem afetar a comunicação em ambientes subaquáticos, e posteriormente, efetuar um estudo sobre técnicas de modulações digitais usadas neste tipo de sistemas. De seguida, elaborou-se uma pesquisa dos modems acústicos subaquáticos existentes tendo em atenção as suas características e finalidades. Depois de realizar uma pesquisa aprofundada sobre este assunto, foi desenvolvido um modem acústico subaquático recorrendo a vários componentes de Hardware e Software de forma a atingir os objetivos propostos. Inicialmente foi desenvolvido um modem acústico subaquático usando a ferramenta MatLab/Simulink com blocos específicos do Xilinx, para simular e permitir uma análise teórica sobre o seu comportamento. De modo a verificar o funcionamento do modem acústico subaquático foram realizados testes práticos numa piscina com 11 m (metros) de comprimento, 3 m de largura dianteira, 6 m de largura traseira e 1,5 m de profundidade. Com os transdutores, emissor e recetor colocados a 6 m de distância um do outro, foi possível verificar uma taxa de transmissão de 1 Mbps, usando apenas 1.4 W de consumo de energia, atingindo uma taxa de erro de bit (BER) de 3×10-3.This dissertation aims to describe all the study conducted to the implementation of an underwater acoustic modem of high data rate and low consumption. The underwater environment is highly unstable for the communication systems due to numerous factors affecting the acoustic wave’s propagation such as: high attenuation for long distances, low velocity of sound, existence of big diversity of noise, multipath phenomenon and the Doppler Effect. These characteristics imply an extreme difficulty to establish any kind of underwater communication. Therefore, initially, it was necessary to make an exhaustive survey of all researches in this area, in order to understand how these features can affect communication in underwater environment, and posteriorly, elaborate a study about digital modulations technics used in this kind of systems. Then, a research about all the existent acoustic modems was accomplished, taking attention to theirs features and purposes. After an intense research about this matter, it was developed an underwater acoustic modem appealing to several Hardware and Software components, so that it can achieve all the purpose objectives. The first modem created was made using the MatLab/Simulink tool, with specific Xilinx blocks to simulate and allow a theoretical analysis about its behavior. In order to verify the underwater acoustic modem operation, tests were performed in a pool with 11 m length, 3 m wide front, 6 m wide back and 1,5 to 1,8 m depth. With transducers emitter and receiver, placed in a distance 6 m far from one another, it was possible to verify a Data Rate of 1 Mbps, only using 1.4 W of power consumption, reaching a Bit Error Rate (BER) of 3×10-3