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Comunicación Acústica Inalámbrica entre Robots

Submarinos y Boyas de Superficie

Parte I

Julián Juan Manuel, Mateo Samuel, Quinteros Darío, Peláez Pablo Jalil Simón, Saldívar Leandro

Cátedra: Aplicaciones Industriales del Ultrasonido Curso: 2018

Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de San Juan

Av. Lib. San Martin (Oeste)1109, San Juan J5400ARL, Argentina +54 264 4440962

Resumen Se presenta el estudio, desarrollo e implementación de un sistema en tiempo real por ondas acústicas, para transmisión de datos entre dos transductores usando modulación en amplitud, orientado a la comunicación entre robots submarinos. El principio de funcionamiento desarrollado en este proyecto, es fácilmente adaptable a la transmisión por ondas ultrasónicas. Los valores de ganancias, alimentación y amplificación se obtienen a partir de ensayos experimentales con los transductores para determinar las características de éstos, ya que no existe mucha información disponible. Se desarrolla un sistema de comunicación entre dos puntos compuesto por un transductor piezoeléctrico como emisor, un micrófono electrodinámico como receptor, circuitos de acondicionamiento de la señal tales como un rectificador, filtrado, modulación y amplificación que se detallan más adelante. Finalmente, se plantea una mejora del proyecto, la cual consiste en lograr la comunicación bidireccional entre ambos submarinos.

1. Introducción Se vive en una sociedad ligada al conocimiento y la información. Todo a nuestro alrededor está relacionado con dispositivos electrónicos que permiten mejorar la calidad de vida de las personas.

Estas facilidades con las que contamos actualmente tienen mucho que ver con el avance tecnológico producido en el campo de las telecomunicaciones. Hoy en día ya somos capaces de realizar comunicaciones por voz, imágenes y datos desde, prácticamente, cualquier lugar de la Tierra sin que sea indispensable la conexión mediante cables.

En las últimas décadas las comunicaciones submarinas han ganado importancia. Estas han estado presentes en la monitorización de diversos parámetros medioambientales, transmisión de voz entre submarinistas, análisis del fondo marino, SONAR, o control de vehículos submarinos. Como las comunicaciones por cables son caras y resultan pocas prácticas en la mayoría de los casos, la solución a ello ha sido la implementación de comunicaciones inalámbricas. Existe una gran actividad de investigación relacionadas con las comunicaciones subacuáticas ya que el sonido tiene muchas propiedades deseables bajo el agua.

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Se propaga a grandes distancias (hasta varios miles kilómetros) debido a que su atenuación en este medio ronda el orden de +-1dB/km para bajas frecuencias. Esto proporciona fuertes indicios de que el sonido es un medio físico viable para las comunicaciones submarinas.

El campo de las comunicaciones debajo del agua es algo que existe y se utiliza a nivel mundial, como es el caso de transpondedores subacuáticos, pero en Argentina no está muy difundido por lo que contar con un conocimiento completo del tema se torna un poco dificultoso.

Las características del medio subacuático y el uso de ondas acústicas restringen las comunicaciones, pues establecen limitaciones en lo que se refiere a distancias y tasa binaria de transmisión. Este canal tiene dos grandes problemas: por un lado, la velocidad de propagación del sonido en el agua no es constante y hace que la trayectoria de los rayos sonoros no sea curva; y, por otra parte, las ondas acústicas se encuentran encerradas entre el fondo marino y la superficie, lo que se traduce en una reflexión prácticamente total a causa del fuerte cambio de impedancia. Estos inconvenientes hacen que al receptor lleguen ecos con diferentes retardos y atenuaciones, afectando seriamente a la calidad de las comunicaciones.

La motivación para el desarrollo de esta investigación nace a partir de las limitaciones en las comunicaciones subacuáticas e induce a optar por la comunicación por ondas acústicas, principalmente las ultrasónicas como la mejor opción dentro de la corta lista de alternativas. Aunque la implementación del proyecto se lleva a cabo con ondas acústicas en el espectro audible, el principio de funcionamiento se puede expandir para ultrasonido. Por todo esto, de manera de solventar los inconvenientes existentes, se desarrollará un sistema de comunicación entre submarinos utilizando ondas acústicas.

La implementación se llevó a cabo con ondas acústicas dentro del espectro de audio, con una frecuencia menor a 20kHz; debido a la atenuación que estas presentan en el medio. Por lo tanto, los transductores usados para la realización de la practica trabajan a frecuencias aproximadas de 5KHz. Sin embargo, la aplicación puede extenderse para frecuencias superiores a los 20KHz siendo el principio de funcionamiento muy similar a lo aplicado.

2. Antecedentes – Búsqueda – Estado del Arte La historia de la acústica submarina se remonta hasta hace dos mil años atrás. Aristóteles (384-322 a.c.), fue el primero que descubrió que el sonido puede ser oído en el agua de la misma forma que en el aire. No obstante, no fue hasta el siglo XV cuando Leonardo da Vinci observó que los barcos pueden ser oídos a grandes distancias por debajo del agua. Aproximadamente 200 años más tarde se descubrieron los principios de la acústica submarina gracias a las leyes de vibración en cuerdas por Martin Mersenne y Galileo. En 1687, Isaac Newton estudio la propagación en el aire, descubriendo que dichos principios son aplicables al sonido en el agua, al tratarse también de un medio elástico, aunque con diferentes características.

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Las primeras medidas de la velocidad del sonido en el agua se realizaron a principios del siglo XIX. Usando un tubo para poder escuchar en el agua, como ya había sugerido da Vinci, científicos lograron calcular en 1826 la velocidad del sonido en este medio. Este experimento fue realizado en el lago Geneva por Jean-Daniel Colladon y Charles-Francois Sturn usando una campana que era golpeada a la vez que se encendía un explosivo con pólvora, y un receptor situado a 10 millas. El tiempo entre la luz emitida por la explosión y el sonido llegado al barco por el agua fue usado para el cálculo de la velocidad del sonido. La velocidad resulto ser 1435 m/s (muy próximo a los resultados actuales, 1500 m/s en el medio liquido).

Definido el primer parámetro más básico para la caracterización del canal submarino, que es la velocidad del sonido, se empezaron a desarrollar aplicaciones prácticas del uso del sonido en el agua. Una primera aplicación fue la de medir la profundidad del mar mediante la medición del tiempo que tardaba en ir y volver una onda emitida (principio del pulso Eco). En 1877, el científico John William Strut, más conocido como Lord Rayleigh publico The Theory of Sound, dos volúmenes considerados los principios de la acústica moderna.

Las primeras aplicaciones prácticas modernas se realizaron a principios de 1900. Debido al aumento del tráfico marítimo, se idearon sistemas que permitieron elevar la seguridad. Un ejemplo fue el de las campanas colocadas debajo de los barcos, de manera que su sonido pudiera ser detectado por receptores instalados en otros barcos. Estos receptores fueron diseñados por Thomas Edison y sus colaboradores para el teléfono, que introducido en una cápsula sumergible se convirtió en el primer hidrófono. Más adelante, se sustituyeron dichas campanas por generadores eléctricos que reproducían tonos y permitían transmitir en código Morse.

En 1912, tras el hundimiento del Titanic, L.R. Richardson desarrollo un sistema capaz de detectar objetos en el aire mediante ondas acústicas. Esto se convirtió poco después en otra patente que hacía uso de la misma técnica, pero en el medio submarino. Sin embargo, a pesar de los buenos resultados que se obtuvieron con dicho sistema nunca se decidió comercializar el dispositivo.

En la Primera Guerra Mundial surgió la necesidad de mejorar la acústica submarina para la detección tanto de minas como submarinos y barcos. Para detectar submarinos se utilizó un dispositivo que permitía localizar un submarino gracias al sonido de su motor. Con el final de la I Guerra mundial, se comenzó a entender los principios fundamentales de la propagación del sonido. H. Liechte descubrió la refracción de las ondas acústicas en el agua, debido a la variación de la velocidad del sonido con la profundidad. Así, las ondas comenzaron a comercializarse, siendo utilizados para evitar que los buques llegaran a zonas poco profundas (aplicación de Sonar).

En la Segunda Guerra Mundial se incrementaron las investigaciones en el campo de la acústica submarina. Durante esta época se comenzó a emplear el termino de SONAR (Sound Navigation And Ranging). Además, se instauraron redes de hidrófonos sobre grandes distancias marítimas con el fin de controlar el tráfico de navíos de guerra y posteriormente para estudios científicos. (red de escucha SOSUS).

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En la actualidad, se ha comenzado a analizar las características de transmisión de información bajo el mar mediante ondas acústicas ultrasónicas. Con los datos obtenidos, los expertos han profundizado en el conocimiento del mar como canal para la transmisión de información para diseñar sistemas de comunicación subacuáticos más eficientes. Han logrado detectar y solventar los problemas que afectan a las comunicaciones submarinas, aplicable en campos tan variados como las misiones de búsqueda y rescate, el mantenimiento de plataformas petrolíferas o la monitorización de granjas de peces haciendo uso de robots o vehículos no tripulados. Las aplicaciones de las comunicaciones submarinas son infinitas, aunque presentan un gran reto a causa de las características del canal submarino. No obstante, en los últimos años se han conseguido grandes avances como un mayor rango y velocidad de envío de datos, transmisiones de vídeo a grandes profundidades (6500km), telemetría horizontal en distancias de hasta 200 km y uso de robots inalámbricos para tareas peligrosas. El avance es claro y se tiende a configuraciones de red en las comunicaciones en sustitución de las tradicionales comunicaciones punto a punto, acercándose cada vez más hacia la implementación de un Internet Submarino. Las comunicaciones submarinas evolucionan cada vez más hacia una red formada por nodos fijos y estacionarios cuya función será la de realizar las tareas de enrutamiento de los datos o información. Todos estos nodos serán accesibles mediante un radioenlace que conecta con un primer nodo en la superficie marina.

No obstante, el desarrollo de nodos submarinos que permitan construir una red de comunicaciones no es nada sencillo, debido a los múltiples problemas con los que se cuenta a la hora de implementar esta idea:

• Coste: La complejidad y la necesidad de una protección adecuada que soporte las condiciones existentes en un medio subacuático aumentan el precio de estos nodos submarinos.

• Despliegue: A diferencia que en el ámbito terrestre en el medio marino aumenta la dificultad a la hora de distribuir un número elevado de sensores.

• Potencia: Al aumentar la distancia, la complejidad del proceso se incrementa debido a las técnicas de procesado necesarias para compensar la señal, aumentando así la potencia requerida, que será mayor que en las radiocomunicaciones.

Por otra parte, en función de las características del canal se suman problemas como los siguientes: pérdidas de transmisión, ruido, multi-trayecto, retardo y efecto Doppler [3]. Sin embargo, estos temas no se desarrollan en este trabajo.

3. Fundamentos de la propagación acústica en el medio subacuático La acústica es la “parte de la Física que estudia las ondas mecánicas que se propagan a través de la materia, estas son el sonido, infrasonido y ultrasonido”. Por otra parte, desde el punto de vista de la ingeniería, los sonidos se toman como formaciones de ondas longitudinales de presión, en el caso de que estos se den en fluidos. La frecuencia de las ondas acústicas se encuentra en el rango de algunos Hz hasta los 20KHz aproximadamente. Los ultrasonidos son de mayor frecuencia y no existe una convención que establezca un límite superior o frecuencia máxima, ya que este depende de la tecnología.

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La velocidad del sonido y las pérdidas de transmisión, son los dos parámetros fundamentales en lo que respecta a la propagación de una onda acústica en un medio subacuático. La variación de la velocidad del sonido con la profundidad determinará lo que se conoce como “perfil de la velocidad del sonido”, que según su forma favorecerá la propagación de la onda acústica de una manera particular. Las pérdidas de transmisión vienen dadas por los distintos factores que atenúan la onda acústica en su recorrido por el medio subacuático. El medio subacuático presenta unas propiedades que favorecen especialmente el empleo de ondas acústicas en lugar de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas experimentan una atenuación muy elevada en el agua, del orden de 1dB/m para una frecuencia de 30kHz, mientras que una onda acústica a esa misma frecuencia, presenta una atenuación del orden de 1dB/km. La propagación acústica submarina se caracteriza por cambios importantes dependientes de la frecuencia y la baja velocidad de propagación, en comparación a la propagación electromagnética en la atmosfera. Las pérdidas de transmisión y ruido son los principales factores que determinan el ancho de banda disponible, distancia y relación señal/ruido para el funcionamiento de un sistema de comunicaciones. Además, la baja velocidad de propagación de las ondas acústicas conlleva a la aparición del fenómeno multi-trayecto que varía en el tiempo e influye en el diseño y procesamiento de la señal, suponiendo limitaciones severas en la realización del sistema. Las pérdidas de transmisión engloban tres mecanismos de atenuación que afectan a las ondas acústicas submarinas: radiación de energía, absorción y reflexión del sonido. Mientras que las pérdidas por radiación de energía dependen solo de la distancia de propagación, las pérdidas por absorción aumentan no solo con la distancia sino también con la frecuencia, fijando el límite en el ancho de banda disponible. El ruido ambiente sumado a las pérdidas de transmisión dependientes de la frecuencia, determinan la relación entre la distancia, el ancho de banda y la relación señal/ruido disponible a la entrada del receptor.

Fig. 1. Representación de la propagación multi-camino para el caso de la

transmisión en el eje de las distancias.

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4. Comunicación acústica subacuática. A continuación, se describirán los aspectos técnicos referidos a la implementación de la comunicación tales como: modulación, filtrado, amplificación, sincronismo, y demás acondicionamientos de la señal acústica para una correcta recepción de la información trasmitida. 4.1 Modulación La modulación a emplear para la comunicación debe escogerse minuciosamente, a fin de conseguir la máxima eficiencia espectral, al mismo tiempo que se explotan las capacidades del canal sub-acuático.

Los esquemas de modulación se pueden clasificar en función de si poseen sincronismo de fase con la portadora o no, como modulaciones coherentes o no coherentes.

Los receptores no coherentes fueron los primeros en utilizarse en las comunicaciones acústicas. Las posibles modulaciones que encontramos son:

• Modulación en Amplitud (AM): Se describe mediante la ecuación 4.1. Para los sistemas digitales, este esquema ha sido aplicado en su versión binaria basada en el On/off.

R(S) = U ∗ W(S) ∗ sin(2X ∗ YZ ∗ S) 4.1

• Modulación de Frecuencia (FM): Se describe en la ecuación 4.2. La principal ventaja es su simplicidad y factibilidad, por lo que no requieren de grandes procesamientos de cálculo ni consumen demasiada potencia. La interferencia intersimbolica (ISI) puede provocar una baja eficiencia espectral.

R(S) = U ∗ sin[2X ∗ YZ ∗ S + \ ∗ W(S)] 4.2

Estos métodos requieren de una ecualización de la señal trasmitida para contrarrestar la respuesta del canal de comunicación, disminuyendo así los efectos causados por la dispersión de la señal con su respectiva perdida de eficiencia espectral. Estos métodos conllevan una mayor dificultad y consumo de energía. La profundización teórica de estas técnicas se encuentra en un trabajo final de la Cátedra realizado en años anteriores [4].

Para la implementación de la solución de comunicación en el presente trabajo se propone emplear una Modulación en Amplitud (AM), decisión que es respaldada por los buenos resultados obtenidos en trabajos similares que se realizaron anteriormente en la Cátedra, al emplear este tipo de modulación [2].

La señal de salida modulada en amplitud se logra a partir de múltiples etapas o circuitos. Entre todas las alternativas que se tienen se escoge aquella que presenta menor complejidad y demanda una cantidad menor de circuitería y componentes.

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4.2 Emisor En la Fig.2 se expone el diagrama de bloques que detalla, de forma básica, los diferentes circuitos o etapas que se diseñaron o emplearon para obtener la señal de excitación de los transductores.

Fig.2 – Diagrama de bloques del Emisor diseñado.

A continuación, se describe cada una de las etapas del extremo trasmisor en mayor detalle y teniendo en cuenta los circuitos o métodos empleados.

ETAPA I: Generacion de Portadora Unipolar de 5KHz con Microcontrolador

Con un microcontrolador de bajo costo se genera por medio de una interrupción, una señal unipolar con una frecuencia de 5KHz y amplitud de 5v. En la Fig.3 se aprecia la señal en un Osciloscopio. El empleo del microcontrolador Arduino plantea una herramienta sencilla y económica para generar esta señal, evitando construir osciladores en base a componentes discretos.

Fig.3 – Señal unipolar de 5KHz generada por el microcontrolador Arduino

ETAPA II: Obtención de la señal portadora Bipolar de 5KHz con un comparador. La señal Unipolar proveniente de la etapa anterior se compara frente a una referencia de 2.7V, con lo que se obtiene una señal bipolar con la misma frecuencia de 5KHz. En la Fig.4 se observa por osciloscopio la salida del comparador, la cual se encuentra entre ±5v de amplitud.

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Fig.4 – Señal bipolar de 5KHz a la salida del comparador.

El circuito comparador de tensión empleado se presenta en la Fig.5. El diodo zener de 2.7 volt aporta la referencia de comparación.

Fig.5 – Comparador de tensión con referencia de 2.7v.

ETAPA III: Filtrado de la señal portadora bipolar con Filtros Pasa banda. Al aplicarle a la señal portadora bipolar (señal cuadrada) proveniente del comparador, un filtrado pasa banda de segundo orden centrado a la frecuencia fc=5KHz, se obtiene la componente fundamental, la cual es una señal sinodal de la misma frecuencia. A la izquierda de la Fig.6 se presentan los diferentes armónicos que componen una señal cuadrada y la componente fundamental que consiste en la señal senoidal a obtener. A la derecha se observa el espectro de la señal, donde el pico central representa la componente fundamental.

Fig.6 – Componentes de Fourier y Espectro de la portadora cuadrada bipolar

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Como salida del primer filtrado pasa banda se logra recuperar una aproximación de la componente fundamental sinodal de 5Khz, la misma se expone en la Fig.7.

Fig.7 – Salida del primer filtro Pasa banda

Para lograr una salida de mayor fidelidad a una senoide pura se aplica un segundo filtrado pasa banda de segundo orden, obteniéndose la salida mostrada en la Fig.8. Esta señal ya es apta para realizar la modulación de amplitud AM que se requiere en la comunicación.

Fig. 8 – Salida del segundo filtro pasa banda.

El circuito empleado consiste en dos filtros pasa banda de segundo orden, conectados en cascada, tal cual se observa en la Fig.9.

Fig. 9 – Filtros pasa banda Sallen Key de 2° orden en cascada.

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ETAPA IV: Modulación de la señal Generación de la Señal moduladora (información).

Una señal modulada se encuentra conformada por una señal portadora de alta frecuencia y otra señal de baja frecuencia que es la señal mensaje o información. La moduladora debe tener una frecuencia al menos 10 veces menor a la portadora para lograr una modulación exitosa. En la Fig.10 se aprecian ambas señales y la aparente diferencia frecuencial entre ellas. La señal portadora se muestra en color rojo y la moduladora en color amarillo.

La señal modulante se obtienene a traves del microcontrolador Arduino y un sencillo programa.

Fig.10 – Señal moduladora (amarillo) y portadora (rojo) observadas por osciloscopio.

Señal modulada Esta señal es la resultante del producto entre la moduladora y la portadora, por lo que se obtiene una señal modulada en amplitud (AM), tal cual se aprecia con color rojo en la Fig.11. En color amarillo se tiene la moduladora, la cual determina el tiempo o ancho en el cual se permite el paso de la portadora hacia la salida.

Fig.11– Señal moduladora (amarillo) y portadora modulada (rojo) observadas por osciloscopio.

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El circuito empleado Fig.12 para obtener la señal modulada consiste en un multiplexor analógico que funciona de forma análoga a una llave selectora o interruptor, permitiendo o no el paso de la señal portadora hacia la salida durante el tiempo en alto de la moduladora.

Fig.12 – Circuito de Modulación – Multiplexor.

ETAPA V: Amplificación de la señal y trasmisión Como última etapa del proceso de modulación se amplifica la señal y luego se aplica a un disco transductor del tipo piezoeléctrico brindado por la Cátedra [https://www.murata.com/products/sound/diaphragm#technical]. El transductor debe ser adaptado para su empleo debajo del agua y es capaz de operar a una frecuencia de 5Khz aproximadamente.

4.4 RECEPTOR: En la Fig.13, se expone el diagrama de bloques del receptor que detalla de forma básica, los diferentes circuitos o etapas que se diseñaron o emplearon para la recepción de la señal desde el medio.

Fig.13 – Diagrama de bloques del Receptor diseñado.

ETAPA I: Recepción de la señal desde el medio con Transductor y amplificador de bajo ruido El dispositivo que se emplea para captar la señal desde el medio líquido es un transductor capacitivo, del mismo tipo que los micrófonos que se encuentran en múltiples dispositivos. Luego de impermeabilizarlo se verifica que el mismo funcione

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de manera correcta. Debido a que este dispositivo no ha sido concebido para este tipo de aplicaciones su rendimiento no es óptimo, presentando importantes limitaciones en la distancia máxima con respecto al emisor.

La señal obtenida por el micrófono de condensador, es desacoplada y amplificada por un amplificador de bajo ruido con ganancia ajustable. La señal obtenida se aprecia en la Fig.14. Es evidente que la señal requiere procesamiento de filtrado en etapas posteriores.

Fig.14 – Señal obtenida por el micrófono desde el medio en color rojo.

El circuito utilizado es un amplificador con ganancia ajustable y con un desacople de continua, tal cual se aprecia en la Fig.15:

Fig.15 – Circuito amplificador de entrada al Receptor.

ETAPA II: Filtrado pasa banda de la señal proveniente del micrófono capacitivo. Luego de la amplificación, se coloca un filtro pasa banda (configuración Sallen Key) para eliminar componentes de alta y baja frecuencia, acondicionando la señal para su posterior rectificación. La señal filtrada adquiere mejoras notables, tal cual se aprecia en la Fig.16 obtenida desde el osciloscopio digital a la salida del filtro.

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Fig.16 – Salida del filtro pasabanda del receptor (rojo).

El circuito empleado para realizar este filtrado se presenta en la Fig.17.

Fig.17 – Filtro pasa banda del receptor

ETAPA III: Rectificador de precisión. Para lograr obtener la envolvente de la señal recibida (Fig.18) es necesario una rectificación de la misma, utilizando para ello un rectificador de precisión (Fig.19). Mediante este circuito logramos una rectificación sin la caída de tensión de 0,7v típica de los diodos rectificadores en conducción. Utiliza además diodos rectificadores de alta velocidad.

Fig.18 – Salida del rectificador de precisión (rojo).

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Fig.19 – Circuito rectificador de precisión.

ETAPA IV: Detector de envolvente. Para obtener la envolvente de la señal ya rectificada (Fig.20), se utiliza un Filtro pasa bajos Sallen Key de segundo orden (Fig.21), con una frecuencia de corte cercana a los 5KHz.

Fig.20 – Señal a la salida del circuito detector de envolvente.

Fig.21 – Circuito detector de Envolvente

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ETAPA V: Comparador de tensión. En la última etapa, es necesario recuperar la onda cuadrada con niveles de tensión TTL para poder ingresar al microcontrolador Arduino. Para lograr esto se utiliza un comparador con umbral ajustable [Fig.22]. El nivel de umbral es lo que discrimina entre un ALTO (uno) o BAJO (cero) en la señal recibida tal cual se observa en la Fig.23.

Fig.22 – Circuito Comparador con umbral ajustable.

Fig.23 – Decisión tomada (Amarillo) – Entrada al comparador (Rojo).

5. Comunicación Bidireccional (principio de funcionamiento) Como una posible mejora de este proyecto, se propone ahora establecer una comunicación bidireccional entre los submarinos. Debido a que no se utilizaron transductores que funcionen como emisor-receptor, resulta evidente la necesidad de contar con una etapa emisora y otra receptora en ambos extremos del canal, como se observa en la Fig 24.

Fig 24 – Esquema de la etapa de Emisión y recepción de cada submarino

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La emisión de un mensaje perturba el medio o canal de transmisión, con lo cual, la transmisión de múltiples mensajes al mismo tiempo perturbaría el medio de forma tal, que ninguno de los mensajes emitidos sería recibido correctamente. Por ende, se concluye que la comunicación bidireccional entre los submarinos que se puede lograr en principio es Half-Duplex. Debido a ello, se debe establecer un método de comunicación para lograr que ésta sea efectiva, es decir, sin pérdida de información. 5.1 Método de comunicación Dentro de las distintas posibilidades existentes nos concentramos en una transmisión bidireccional adaptada, con cotas de tiempo para la emisión y recepción en ambos submarinos. Se plantea en la Fig. 25 un esquema en el cual vemos los distintos límites de tiempo de ambos extremos para lograr que no se produzcan interferencias en el medio. En este análisis, se supone que la distancia entre los puntos que se comunican es tal, que el retardo del mensaje es despreciable.

Fig. 25 – Diagrama temporal de emisión y recepción de cada extremo

Durante el intervalo de 0s y t1, el submarino 1 se encuentra en modo emisor y por ende tiene permitido usar el canal para transmitir un mensaje si así lo quisiese. A su vez, el submarino 2 se encuentra en modo receptor y no tiene permitido el uso del canal.

Luego, en el intervalo t1-t2, cada nodo cambia su estado y de esa manera, el submarino 2 puede usar el medio para transmitir mientras el submarino 1 “escucha”.

Previamente, es necesaria una sincronización de los relojes en cada submarino, de forma tal que los intervalos de acceso al medio y de escucha no se superpongan pudiéndose producir de esa manera, la interferencia de los mensajes.

Esto se soluciona estableciendo que, al principio de la comunicación, uno de los nodos comunicantes debe emitir un bit de “inicio de la comunicación” y de esa manera sincronizar a los respectivos relojes.

Debe aclararse que los esquemas de tiempo deben estar precargados en cada nodo, para de esa forma establecer uno en receptor y otro en emisor.

Si se tuviese en cuenta el retardo en función de la distancia, los intervalos no serían fijos y estos deberían recalcularse en todo momento (si los submarinos estuviesen en movimiento), para ello, sería necesario enviar junto con el mensaje, la ubicación del

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emisor. De esta forma, el receptor podría calcular la distancia a la que se encuentra el emisor y ajustar sus intervalos.

6. Imágenes del proyecto

Fig 26 – Maqueta del proyecto

Fig 27 – Emisor y receptor

Emisor Receptor

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7. Conclusiones A lo largo de este trabajo se han presentado algunos fundamentos técnicos para llevar a cabo la propagación de ondas acústicas en un medio sub-acuático logrando así, la comunicación entre dos submarinos. A partir de éstos se consideró que lo mas conveniente era trabajar con frecuencias del orden del espectro audible, aunque la aplicación puede expandirse e implementarse con ondas ultrasónicas. Actualmente la tecnología de comunicación submarina, se basa en el uso de ondas acústicas para la transmisión de datos. El proyecto desarrollado tiene como objetivo, servirse de la tecnología acústica de comunicación submarina, para desplegar una red de nodos bajo el agua y, mediante equipos RF especiales ubicados en superficie (boyas o similar), realizar una conversión de los datos para adaptarlos a las bandas de radiofrecuencia para transmisión de datos de manera “aérea”. Una vez convertidos, se realizaría la transmisión de los datos a la estación base más cercana mediante el uso de antenas o vía satélite. Al momento de comenzar un proyecto que involucre la comunicación subacuática, se deberá tener presente en todo momento el objetivo del mismo, ya que de esta forma se podrá decidir efectivamente la mejor metodología a emplear, ya sea en la selección de la tecnología, el consumo energético o de recursos, alcance del enlace, potencia y técnica de modulación, que garanticen una comunicación segura y eficiente para la aplicación planteada.

Referencias [1]- Veca, A., Accolti, E. Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería.

Primera Edición, 2016. http://dea.unsj.edu.ar/ultrasonido . [2]- Control de Comunicación Inalámbrica por ultrasonido_2017.

http://dea.unsj.edu.ar/ultrasonido. [3]- Propagación de ondas acústicas en espacios subacuáticos UNSJ. [4]- Transmisión de datos mediante conexión por ultrasonidos en medio sub-

acuatico_2015. http://dea.unsj.edu.ar/ultrasonido.