SISTEMA DIGITAL DE TELEFONIA ACÚSTICA SUBMARINA. Stilson Veras Cardoso

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1 SISTEMA DIGITAL DE TELEFONIA ACÚSTICA SUBMARINA Silon Vera Cardoo Dieração de Merado apreenada ao Programa de Pó-graduação em Engenharia Oceânica, COPPE, da Univeridade Federal do Rio de Janeiro, como pare do requiio neceário à obenção do íulo de Mere em Engenharia Oceânica. Orienador: Carlo Eduardo Parene Ribeiro Rio de Janeiro Junho de 2014

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3 Vera Cardoo, Silon Siema Digial de Telefonia Acúica Submarina / Silon Vera Cardoo Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, XII, 105 p.: il.; 29,7 cm. Orienador: Carlo Eduardo Parene Ribeiro Dieração merado UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Oceânica, Referência Bibliográfica: p Hidrofone. 2. Tranduore Hidroacúico. 3. Comunicação. 4. Modulação. 5. OFDM. I. Ribeiro, Carlo Eduardo Parene II. Univeridade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Tíulo. iii

4 À minha abençoada família. iv

5 AGRADECIMENTOS A minha mãe, Lourde, ia-avó Henriquea, io-pai João, ia-mãe Ana e irmã Nádia e Liú, que oraram por mim a Deu e N. Senhora. Ele me deram muia força nee longo período e ainda e privaram de me viiar no Rio com maior frequência, para que me dedicae odo o empo livre a ee rabalho. Ao meu orienador, Profeor Carlo Eduardo Parene Ribeiro, pela oporunidade de ouro, incenivo e confiança em meu rabalho, que me eforcei ao máximo para honrar. À D.Sc. Cleide e ao M.Sc. Carlo Correa, colega do IPqM, ao Prof. D.Sc. Paulo Ramalho, da UFPI, colega do empo de gináio, e ao Prof. D.Sc. Edgardo Garcia, da UnB, colega da Química, que foram o primeiro a me incenivar a curar o Merado, apó longo ano ao largo do banco acadêmico. Ao D.Sc. William, que ao longo do rabalho me deu precioo conelho e ugeõe, inalizando empre que me deviava do méodo cienífico, levanando queionameno inigane e ecendo críica conruiva para rever conceio e penar de forma diferene; e por ua paricipação no experimeno. Ao M.Sc. Orlando, pelo ineimável apoio écnico no planejameno, monagem, logíica e condução do experimeno, em o qual não eriam ido poívei. Ao M.Sc. Galane, que indireamene muio auxiliou nee rabalho, pelo paciene reinameno na análie de arquivo de áudio, em projeo anerior do IPqM. Ao colega do IPqM, M.Sc. Marco Dama, D.Sc. Fernando, Izabel, Ivan, Jacqueline, Márcio, Alexander, 1T Bozzi e Suboficiai Edilon, Cabral e Baia, pelo penameno poiivo. Paricularmene à M.Sc. Cáia, pela primoroa revião gramaical. À Tenene Renaa, do Depóio de Combuívei da Marinha, que genilmene inercedeu por mim juno ao Direor dea Organização Miliar na obenção de auorização para a realização do experimeno, preando odo apoio neceário. Ao Comandane Eduardo Rodrigue, Sineiro, Fernando Rocha, Felzky, Márcio Rodrigue e Carlo Marin e ao Tenene Golz, por me apoiarem de forma deciiva na realização do curo e do experimeno. Enfim, ao meu mere de odo o empo: meu pai, Anônio de Pádua e meu irmão Wellingon, inpirado em Júlio Verne, Pe. Florêncio Lecchi, do Colégio Dioceano de Tereina, e Prof. Clauiu G. de Lima, da Univeridade de Braília. v

6 Reumo da Dieração apreenada à COPPE/UFRJ como pare do requiio neceário para a obenção do grau de Mere em Ciência M.Sc. SISTEMA DIGITAL DE TELEFONIA ACÚSTICA SUBMARINA Silon Vera Cardoo Junho / 2014 Orienador: Carlo Eduardo Parene Ribeiro Programa: Engenharia Oceânica Ee rabalho em por objeo implemenar e avaliar um iema acúico ubmarino para ranmião implex de voz, deenvolvido na plaaforma MATLAB /SIMULINK, com bae no conceio de RDS - Rádio Definido por Sofware e empregando écnica de proceameno de inai. O iema faz uo de muliplexação por divião de frequência orogonai OFDM Orhogonal Frequency Diviion Muliplexing em conjuno com modulação de ampliude em quadraura QAM Quadraure Ampliude Modulaion, e ranmie um inal de voz comprimido por codificação ilbc Inerne Low Birae Codec. A plaaforma de RDS proporcionou coniderável flexibilidade no deenvolvimeno, ajue e imulaçõe do iema. Comprovou-e, em ambiene de imulação, a viabilidade de ranmião de voz empregando modulação OFDM. vi

7 Abrac of Dieraion preened o COPPE/UFRJ a a parial fulfillmen of he requiremen for he degree of Maer of Science M.Sc. UNDERWATER ACOUSTICAL DIGITAL TELEPHONY SYSTEM Silon Vera Cardoo June/2014 Advior: Carlo Eduardo Parene Ribeiro Deparmen: Oceanic Engineering Thi work aim o implemen and evaluae an underwaer acouical yem for voice implex ranmiion, developed on MATLAB/SIMULINK plaform, baed on SDR Sofware Defined Radio concep, applied o he underwaer environmen. Employing OFDM Orhogonal Frequency Diviion Muliplexing combined wih QAM Quadraure Ampliude Modulaion, he yem ranmi a compreed peech ignal uing ilbc - Inerne Low Birae Codec. The SDR plaform provided a remarkable flexibiliy of implemenaion, reconfiguraion, uning and imulaion of he developed yem, and i ha proven o be feaible, wihin a imulaed environmen, voice ranmiion over OFDM. vii

8 ÍNDICE LISTA DE FIGURAS... x LISTA DE TABELAS... xii 1. INTRODUÇÃO Moivação PROSUB - Programa de Deenvolvimeno de Submarino Amazônia Azul Hiórico Objeivo Organização do Texo CONCEITOS DE COMUNICAÇÃO CANAL DE COMUNICAÇÃO SUBMARINO Perda Geomérica de Propagação Perda por Aborção Ruído Trandução Eleroacúica e Balanço de Energia Mulipercuro MODULAÇÃO MULTIPORTADORA E MULTIPLEXAÇÃO OFDM Modulação Muliporadora Muliplexação por Divião de Frequência Orogonai SISTEMA DIGITAL DE TELEFONIA ACÚSTICA SUBMARINA Rádio Definido por Sofware Siema Digial de Telefonia Acúica Submarina METODOLOGIA Meodologia Geral Tee no Tanque Experimeno no Mar APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DE RESULTADOS Experimeno no Mar Repoa ao Impulo - Epalhameno Temporal Banda de Coerência Relação Sinal/Ruído Simulação Experimeno no Mar Repoa ao Impulo - Epalhameno Temporal Relação Sinal/Ruído Demodulação do Sinal OFDM viii

9 8. CONCLUSÃO Concluão Sugeõe para Fuuro Trabalho Apêndice A Repoa ao Impulo Apêndice B Experimeno no Mar Apêndice C Repoa ao Impulo Experimeno no Mar Apêndice D Perda de Propagação Experimeno no Mar Apêndice E Repoa ao Impulo Experimeno no Mar REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ix

10 LISTA DE FIGURAS Figura 2-1: Siema de comunicação acúica ubmarina... 8 Figura 2-2: Modulação em banda-bae... 9 Figura 2-3: Conelação de ímbolo 4-QAM... 9 Figura 2-4: Pulo 4-QAM Figura 2-5: Modulador Figura 2-6: Epecro de ampliude do inal QAM banda-bae e banda paane Figura 2-7: Modulador em quadraura eixo poiivo de frequência Figura 3-1: Perda geomérica de propagação Figura 3-2: Perda por aborção Figura 3-3: Denidade epecral de poência do ruído N Figura 3-4: BER em função de Eb/N0, para AWGN Figura 3-5: Gráfico de diperão de conelação caer plo Figura 3-6: Gráfico de diperão de modulação 4-QAM em função de Eb/N Figura 3-7: Definição do limiar de deecção WAITE, 2002 modificado Figura 3-8: Ruído amb. em função do eado do mar e freq. WAITE, 2002 modif Figura 3-9: Efeio combinado da aenuação e ruído AHMED, 2010 modif Figura 3-10: Repoa em frequência de ranmião TT Figura 3-11: Repoa em frequência de recepção RT Figura 3-12: Trandução eleroacúica Figura 3-13: Diagrama de irradiação do randuor TT Nepune Sonar Ld Figura 3-14: Perfil de emperaura Figura 3-15: Denidade da água do mar em função da emperaura Figura 3-16: Refração da frene de onda Figura 3-17: Camada de uperfície Figura 3-18: Traçado de raio PREISIG, 2006, modificado Figura 3-19: Epalhameno emporal e inerferência inerimbólica Figura 3-20: Modelo do canal de comunicação Figura 3-21: Repoa ao impulo uniário do canal de comunicação Figura 3-22: Repoa em magniude do canal de comunicação Figura 3-23: Devanecimeno eleivo em frequência Figura 3-24: Efeio Doppler Figura 4-1: Repoa em magniude do canal de comunicação Figura 4-2: Muliplexação por divião de frequência FDM Figura 4-3: Modulador FDM Figura 4-4: Tranmuliplexer VAIDYANATHAN, 2011, modificado Figura 4-5: Filro de ínee Figura 4-6: FDM com banda de guarda Figura 4-7: FDM com poradora orogonai OFDM Figura 4-8: Mapeameno OFDM Figura 4-9: Mono veru muliporadora OFDM Figura 4-10: Prefixo cíclico CP Figura 4-11: Prefixo cíclico e ISI Figura 4-12: Diorçõe do inal OFDM Figura 4-13: TMUX com banco de filro DFT WALDHAUSER, 2006 modificado 55 Figura 5-1: RDS ideal Figura 5-2: RDS ideal em uma ranmião implex Figura 5-3: RDS real em uma ranmião implex BARROS, 2007, modificado Figura 5-4: Siema Digial de Telefonia Acúica Submarina Figura 5-5: Siema TX x

11 Figura 5-6: Inerleaving Enrelaçameno Figura 5-7: Siema RX Figura 5-8: Preâmbulo longo Figura 5-9: Sincronizaçõe brua coare e fina Figura 6-1: Modelo de imulação Figura 6-2: Dealhe do canal de comunicação Figura 6-3: Meodologia de operação e proceameno Figura 6-4: Diagrama de ee no anque hidroacúico do IPqM Figura 6-5: Pone Principal do DPCMRJ Figura 6-6: Diagrama de equipameno do ranmior Figura 6-7: Diagrama de equipameno do recepor Figura 6-8: Chirp khz Figura 6-9: Mulipercuro Figura 7-1: Chirp gravado na recepção Figura 7-2: Repoa ao impulo do canal emião Figura 7-3: Repoa em frequência do canal emião Figura 7-4: Repoa em frequência do canal emião 1 - dealhe Figura 7-5: Emião de inal OFDM Figura 7-6: Tranmião QAM com canal AWGN Figura 7-7: Epecro de ampliude do inai de voz e OFDM Figura 7-8: Tolerância ao epalhameno emporal Figura 7-9: Variação do canal imulado Figura 7-10: Repoa ao impulo emião 7/equência Figura 7-11: Simulaçõe de mulipercuro Figura 7-12: Repoa ao impulo em V emião 8/equência Figura 7-13: Repoa ao impulo dbv emião 8/equência xi

12 LISTA DE TABELAS Tabela 2-1: Símbolo 4-QAM... 9 Tabela 7-1: Máximo epalhameno emporai m Tabela 7-2: Relação Sinal/Ruído db Tabela 7-3: Parâmero do canal de comunicação Tabela 7-4: BER veru SNR Tabela 7-5: Máximo epalhameno emporai m Tabela 7-6: Relação Sinal/Ruído db xii

13 1. INTRODUÇÃO A comunicação ubmarina vem deperando ineree coniderável no úlimo ano, como reulado da crecene aividade de exploração cienífica e econômica do oceano. Tai domínio, por muio empo rerio a operaçõe miliare e pequia oceanográfica e biológica, êm recebido grande inalaçõe induriai e eaçõe de pequia, demandando para ua operação uma melhoria do ainda limiado meio de comunicação, ano em ermo de deempenho quano de funcionalidade. Dada a ala aborção de onda eleromagnéica no mar, a ecnologia diponívei reringem eu uo a diância de pouco mero e em eu lugar empregam-e preferencialmene inai acúico, cujo alcance pode chegar a dezena de quilômero na verical, com prejuízo, porém, na laência e na axa de ranmião LIU e al., Em levanameno apreenado por MASIERO e al. 2011, velocidade da ordem de 125 kbp foram coneguida experimenalmene com ranmião acúica em ambiene conrolado de anque de ee, ma o modem comerciai operam em limie mai modeo, em geral na faixa de 0,1 a 5 kbp para diância horizonai de, no máximo, alguma dezena de mero. Aualmene, aplicaçõe cienífica e induriai em ambiene ubmarino que requerem elevado hroughpu, como ranmião de vídeo em ala definição, normalmene fazem uo de cabo ópico FARR e al., 2010, o que reringe a mobilidade. Veículo operado remoamene ROV Remoely Operaed Vehicle a parir de navio ou plaaforma fundeado diminuem em pare al limiação, com alcance da ordem de quilômero HEIDEMANN e al., Enquano avançam a pequia para deenvolvimeno de ecnologia de comunicação acúica em fio de ala velocidade, a endência aual, a exemplo do iema de elecomunicação errere, vem endo o uo combinado de diferene ecnologia acúica para ranmião em longa diância, e demai radiofrequência, ranmião ópica direa ou em fibra ópica, ec., para inerligaçõe ou ramificaçõe de cura diância que exijam ala axa de ranmião FARR e al., Divera iniciaiva de âmbio cienífico e indurial êm conribuído para o deenvolvimeno de iema digiai de comunicação acúica ubmarina CHITRE e al., 2008, empregado em enlace pono a pono ou em rede, para ranmião de dado enre bae fixa, navio e veículo auônomo ubmarino, obreudo para elemeria, conrole e 1

14 videomoniorameno. Siema dedicado para ranmião de voz, no enano, ão meno frequene na lieraura, e equipameno de fonia comerciai, como o UT 3000 L3 ELAC Nauik, 2013, ainda operam com modulação em ampliude, inroduzida em 1945 no elefone ubmarino nore-americano. Muia da queõe de propagação deparada pelo projeia de iema móvei na década de 1990 volaram à paua no deenvolvimeno de modem acúico, por cona do aumeno da complexidade na implemenação de enlace de ala velocidade em canai acúico ubmarino. Alguma ecnologia deenvolvida para iema errere, como modulaçõe analógica e digiai, foram adapada ao meio ubmarino, apreenando, porém, limiaçõe inerene à naureza do inal e à caraceríica de propagação nee ambiene. A modulação OFDM proporciona maior eficiência epecral e eá preene em inúmera ecnologia de comunicação em fio, incluive na rede móvei de quara geração. Tal modulação em ido aplicada a modem acúico ubmarino em experimeno de enlace pono a pono, apreenando axa de ranmião uperiore a do modem acúico comerciai MASIERO e al., Ee rabalho propõe uma olução de emprego de modulação OFDM em ranmião de voz, quando o eforço de pequia com ea écnica de modulação êm ido focado, obreudo, em ranpore de vídeo. 2

15 Trie do bicho que o ouro engolir provérbio preferido do meu avô Quinino 1.1 Moivação Denre o moivadore dee rabalho eão, principalmene: PROSUB - Programa de Deenvolvimeno de Submarino Fruo de um acordo enre o Brail e a França, em por objeivo a produção do primeiro ubmarino de propulão nuclear da Marinha do Brail, além de quaro novo ubmarino convencionai, uma nova bae de ubmarino e eu ealeiro MARINHA DO BRASIL, O PROSUB raz conigo, direa ou indireamene, o deenvolvimeno de ecnologia de upore ao programa, e erve de incenivo à pequia de oluçõe nacionai para dipoiivo que poderão vir a er empregado no novo ubmarino, como o onar em linha rebocado e o elefone ubmarino UT Underwaer Telephone, coniuine de eu iema de combae Amazônia Azul O Brail pleieia juno à Convenção da Naçõe Unida obre o Direio do Mar CNUDM, a exenão do limie de ua plaaforma coninenal além da auai 200 milha náuica, correpondene a uma área de 963 mil km². A área maríima do Brail iria, dee modo, aingir aproximadamene 4,5 milhõe de km² cerca de meade de eu erriório errere, a mema proporção erriorial da Amazônia endo, por ee moivo, denominada de Amazônia Azul MARINHA DO BRASIL, Para defea dea exena área, em cujo olo enconram-e riqueza minerai já explorada e ainda por propecar, juifica-e, além do aumeno do efeivo de navio a er reforçado deciivamene pelo PROSUB o deenvolvimeno de rede de enore de vigilância ubaquáica. A ecnologia de comunicação acúica ubmarina pono a pono, reria nea dieração à camada fíica do Modelo OSI TANENBAUM & WETHERAL, 2011, coniui a bae para a demai componene da pilha de proocolo viando à formação de rede de moniorameno. 3

16 1.2 Hiórico A comunicação acúica ubmarina remona à Segunda Guerra Mundial, com o deenvolvimeno pela marinha nore-americana do Gerrude, um elefone ubmarino UWT ou UT Underwaer Telephone para comunicação enre navio de uperfície e ubmarino. O UT uilizava uma poradora acúica na banda de 8 11 khz modulada em AM Ampliude Modulaion para ranmião de voz, e pulo CW Coninuou Wave para menagen em código More, com alcance de vário quilômero STOJANOVIC, Tal iema evoluiu para o auai modem acúico com modulação digial, que podem ranporar inai de diferene naureza. O novo UT empregam modulação digial e codificadore para roca de menagen cifrada, inalização com oura embarcaçõe e deerminação de diância e profundidade ecobaimeria, ma coninuam a operar em AM para ranmião de voz. Ee dipoiivo ão implemenado em DSP Digial Signal Proceor e pouem inerface gráfica amigávei, como o UT 5400 ITT EXCELIS, Inicialmene o modem acúico eram implemenado baicamene com modulação por chaveameno de frequência, FSK Frequency Shif Keying, a qual começou a er adapada para comunicação acúica ubmarina a parir da década de 1980 CHITRE, SHAHABUDEEN, FREITAG, STOJANOVIC, Ee ipo de modulação normalmene é uilizado com deecção não coerene para a qual não é neceária a informação da fae o que orna o circuio meno complexo que o do modem com deecore coerene, reduzindo o cuo do projeo. Para aumenar a axa de ranmião e ua FSK mulinível - com múlipla poradora denominada MFSK Muliple Frequency-Shif Keying, na qual cada ímbolo valor diino de frequência da poradora repreena doi ou mai bi, em vez de um bi por ímbolo, como na modulação FSK monoporadora. Aim, quano maior o número de poradora, maior o volume de informação ranporada. No enano, como erá eudado adiane, o canal de comunicação limia a banda diponível para ranmião, reringindo o número de poradora MFSK. Por ouro lado, e faz neceário uma eparação mínima, ou banda de guarda, enre a frequência ub-banda dea poradora, a fim de eviar inerferência. Ee inervalo enre a poradora, no quai nenhuma informação úil é ranporada, repreenam um deperdício de banda, com correpondene redução de eficiência epecral razão bi//hz e conequene diminuição da axa de ranmião. 4

17 A depeio da conideraçõe aneriore, em função da implicidade, menor cuo e robuez, o modem FSK ão baane difundido em rede acúica de enore, por apreenarem axa de ranmião compaívei com elemeria medição à diância, em que a informação é ranmiida de forma inermiene e conie de pouca dezena ou cenena de caracere bye por emião. O modem acúico AquaNode, por exemplo, projeado pelo MIT Maachue Iniue of Technology, opera em FSK com poradora de 30 khz e birae de 330 bp a 400 m de diância;. Já o modelo Teleonar", érie "ATM 900, da Teledyne Benho, emprega MFSK na faixa de 11,5 khz, com axa máxima de 1,2 kbp, que reduz para 140 bp em orno de 10 km MASIERO e al., Modem dee ipo eão preene em divero equipameno, dede nó de inalaçõe ubaquáica de moniorameno ímico, eaçõe ubmarina de exração de óleo e gá, a veículo auônomo ubmarino comerciai e de pequia. O deenvolvimeno de circuio de deecção coerene com canai acúico viabilizou o emprego de écnica mai eficiene epecralmene, como a modulaçõe por chaveameno de fae, PSK Phae Shif Keying, e de ampliude em quadraura, QAM Quadraure Ampliude Modulaion, que permiem ober axa de ranmião mai elevada, endo, porém, mai uceívei a variaçõe do canal SINGER e al., 2009, demandando o uo de equalizadore. A exemplo da modulação FSK, amba evoluíram para implemenaçõe mulinível, de forma a uilizar conjuno de frequência M-FSK, fae M- PSK ou combinaçõe de ampliude e fae M-QAM da poradora, para repreenação de múliplo bi em um memo ímbolo. Algun modem acúico comerciai operam com doi ou mai ipo de modulação, como o Micro-Modem II do WHOI Wood Whole Oceanographic Iniuion, que poui doi modo de operação FSK e PSK na faixa de 3-30 khz, e com birae de 80 a 5400 bp. Em uma avaliação como backup do cabo de comunicação de fibra ópica, durane a decida do veículo ubmarino híbrido NEREUS, do WHOI, à Foa da Mariana, em 2009, ee modem alcançou 200 bp à diância de m, e 5 kbp a m, amba vericai BOWEN e al., Uma écnica muliporadora ciada com frequência no arigo recene de comunicação acúica é a muliplexação OFDM Orhogonal Frequency Diviion Muliplexing. Como e dealhará poeriormene, ea écnica e diferencia do MFSK por empregar uma mariz orogonal de poradora, que aumena a eficiência epecral e implifica a equalização. Um grupo de pequiadore da Univeridade de Connecicu em e 5

18 dedicado a experimeno com OFDM, empregando modulaçõe QAM e QPSK e diveridade epacial uo de mai de um randuor no ranmior e/ou recepor, reduzindo a influência do mulipercuro, endo obido uma axa de 10,7 kbp com QPSK e quaro ranmiore ZHOU e al., Volando ao iema de voz, a elefonia ubmarina baeada em modulação analógica é empregada ambém para comunicação enre mergulhadore, eando diponível comercialmene em iema como o Aquacom Bell 200, que poibilia converaçõe a diância de aé 12 km SMP, Denre a iniciaiva de deenvolvimeno de modem acúico digial para ranmião epecífica de voz eá o proóipo de elefone ubmarino da École Naionale Supérieure de Télécommunicaion da Breanha, apreenado em meado de Ee dipoiivo evoluiu para o iema TRIDENT, de ranmião de dado, voz e imagem, empregando modulação QPSK Quadraure Phae Shif Keying GOALIE e al., Uma da queõe principai na adapação do modem digiai para aplicaçõe de voz é a ala e variável laência do inal acúico. O proocolo de rede epecífico para ambiene com ala laência e inerrupçõe frequene, uado como camada de adapação em rede TCP/IP ubmarina, podem apreenar reulado razoávei para elemeria e memo ranmião de imagen e arquivo de vídeo. Para comunicaçõe de voz e vídeo em empo real a longa diância, no enano, memo coneguindo-e ober um fluxo conínuo no recepor, pela compenação da inerrupçõe e uo de buffer, rea, ainda aim, o deconforo decorrene de reardo, percebido pelo inerlocuore, que pode er mai acenuado que na ligaçõe por aélie. Nee ipo de comunicação a laência ípica de ubida e decida do link aélie varia de 250 a 540 m, memo com o inal propagando-e à velocidade da luz, devido à aliude do aélie, que pode aingir km TANENBAUM & WETHERAL, Em comunicação acúica ubmarina, enlace em viada direa de pouco quilômero apreenam laência dea ordem de grandeza, em conequência da baixa velocidade de propagação. Coniderando-e 1500 m/ a velocidade do om na água do mar, um enlace acúico de rê quilômero, por exemplo, apreena laência de doi egundo. Dea feia, um emior deverá aguardar cerca de quaro egundo para ouvir a repoa a indagação feia a eu inerlocuor, aumindo que ee e manifee de imediao. 6

19 1.3 Objeivo O objeivo dee rabalho é a aplicação do eudo de acúica ubmarina, proceameno de inai e rádio definido por ofware no projeo, monagem e avaliação de um iema de comunicação acúica ubmarina para ranmião de voz. A avaliação é realizada aravé de imulação na própria plaaforma de deenvolvimeno MATLAB/Simulink, por meio de modelo diponívei, uilizando parâmero reai de propagação obido em campo. Em eguida, aravé de experimeno efeuado em anque de ee hidroacúico e no mar. 1.4 Organização do Texo A dieração é dividida em oio capíulo. O Capíulo 2 inroduz princípio báico de comunicação, dealhado em eguida no Capíulo 3, que aborda o meio de ranmião ubmarino, e no Capíulo 4, que fundamena a modulação do iema de comunicação deenvolvido nee rabalho, apreenado no Capíulo 5. A meodologia de deenvolvimeno e ee é decria no Capíulo 6. Seguem-e o reulado, no Capíulo 7, e a concluão da dieração e ugeõe de evolução do iema, apreenado no Capíulo 8. 7

20 2. CONCEITOS DE COMUNICAÇÃO Nee capíulo, ão apreenado o componene báico de um iema de comunicação acúica ubmarina e inroduzido ermo e parâmero que erão empregado ao longo do exo. A Figura 2.1 mora o diagrama báico de uma comunicação implex em um único enido, compoo por ranmior, canal de comunicação e recepor. No ranmior, o inal digial de enrada modula uma poradora analógica e, apó converão D/A, a poradora modulada é randuzida para um inal acúico e em eguida amplificada. O recepor randuz de vola para elérico, amplifica, convere A/D e equaliza ee inal, compenando a aleraçõe impoa pelo canal, para em eguida demodulá-lo, reconruindo o inal de enrada original. Figura 2-1: Siema de comunicação acúica ubmarina A modulação pode er dividida em rê eapa: codificação em ímbolo, modulação em banda-bae e modulação em banda paane JOHNSON Jr, e al., Na primeira eapa, a equência de bi do inal é mapeada em ímbolo a[n], definido a parir de um conjuno alfabeo ou conelação, onde cada elemeno repreena doi ou mai bi. O ímbolo, epaçado pelo inervalo de empo T, irão modular em ampliude e fae um rem de pulo f de igual período e ampliude uniária, como ilurado na Figura 2-2, reulando no inal modulado em banda-bae BB: BB a[ n] f nt I[ n] n n jq[ n] f nt 2.1 8

21 a[n] BB π/4-3π/4 f π/4-3π/4 -π/4 -π/4 -π/4 -π/4 T Símbolo Pulo Figura 2-2: Modulação em banda-bae Na modulação 4-QAM, por exemplo, cada doi bi do inal de enrada ão codificado em um ímbolo, pouindo uma da configuraçõe da Tabela 2-1. YOUNG, Bi S í m b o l o a [n] φ I, Q 1 1 π/4 1, π/4 1, π/4 1, π/4 1, 1 Tabela 2-1: Símbolo 4-QAM Traa-e de um cao paricular da modulação M-QAM, onde M é o número de ímbolo neceário para repreenar palavra binária de amanho Nb = log 2 M. A conelação de ímbolo da Figura 2-3 é a repreenação no plano complexo do ímbolo da Tabela 2-1, com o eixo real denominado I In-phae e o imaginário Q in- Quadraure. Figura 2-3: Conelação de ímbolo 4-QAM A erceira eapa conie em modular o inal complexo em banda-bae em um inal real em banda paane, para ranmião no canal de comunicação. Ea operação é 9

22 implemenada pela modulação em quadraura, que conie em muliplicar a componene real e imaginária de BB por dua poradora carrier em quadraura defaada de 90º - coeno e eno, repecivamene, de frequência fc: QAM 2e{ }co2 f 2m{ } en2 f BP BB c BB c 2.2 Coniderando que a componene real e imaginária de a[n] na Equação 2.1, ão iguai a coφ e enφ, repecivamene, a equação anerior pode er reecria como: QAM 2 n f nt 2 n {co [ n] co 2 f f nt co 2 f c c en [ n] en2 f [ n] c } 2.3 Aim, a modulação em quadraura equivale ao janelameno do coeno de frequência fc e fae φn pelo rem de pulo f de período T. A Figura 2-4 ilura um inal QAM, coniindo de doi pulo formado por cinco ciclo da poradora co2πfc + φn, com φn igual a π/4, que correponde ao ímbolo da palavra binária 11. QAM T Figura 2-4: Pulo 4-QAM O diagrama da Figura 2-5 reúne a rê eapa de modulação apreenada. Nea implemenação, o converor S/P erial/paralelo é um buffer que armazena doi bi por vez do inal binário de enrada, para proceá-lo em paralelo, enconrando numa abela de mapeameno a correpondência enre ea palavra de doi bi e o ímbolo. No modulador em quadraura, um ocilador gera a poradora co2πfc e a parir dea é obida a poradora em quadraura -en2πfc, por delocameno de fae de +π/2: co 2 f c 2 co2 f c co 2 en2 f c en 2 en2 f c

23 11 Bi I, Q 1 1 1, , , , 1 Figura 2-5: Modulador Empregando-e a noação de Euler, a Equação 2.3 pode er reecria em ermo de exponenciai complexa: 2.5 ] [ 2 ] [ co2 2 ] [ 2 ] [ 2 n n f j n f j n c QAM c c e e nt f n f nt f 2.6 ] [ ] [ * 2 2 ] [ 2 ] [ n f j f j n f j n j f j n j QAM c c c c e n a e n a nt f e e e e nt f * 2 f j BB f j BB QAM c c e e Na recepção, o inal em banda-bae pode er reaurado pela modulação de QAM pelo inal e -j2πfc e aplicação de um filro paa-baixa ao inal reulane, dado por: * 2 f j BB BB f j QAM c c e e Tomando-e a componene I do inal em banda-bae BB obido a parir do rem de pulo reangulare f de largura e período T, o epecro de ampliude do inai em banda-bae e em banda paane ão eboçada na Figura 2-6. A largura de banda B do inal em banda-bae pode er aproximada para o inervalo epecral de meia poência 3 db, adoada a convenção de conar como largura de banda omene o inervalo poiivo da banda de paagem: T B

24 Para o inal em banda paane QAM, a largura de banda W é o dobro de B, ocupando o inervalo [Fc -B, Fc +B], e a hachura em vermelho e verde de eu epecro na Figura 2-6 deacam a componene em frequência negaiva e poiiva, repecivamene, relaiva ao inal em banda-bae. A axa de inalização de ímbolo F ímbolo/ ou baud é igual a B. BB I T SBB I 2 F SBP I 2 F T 1 1 T 2 B 1 T 2T 1 3T F Fc B F c Fc B Fc B F c W 2B Fc B F Figura 2-6: Epecro de ampliude do inal QAM banda-bae e banda paane Com bae na Equação 2.6, a modulação em quadraura pode er implificada pelo circuio da Figura 2-7, que conidera omene o eixo poiivo de frequência. O pulo reangular f de largura T correponde a um filro paa-baixa Fz, de frequência de core B, correpondene à banda do inal. Em vez de reangular, o filro poderia er do ipo inc ou coeno levanado, por exemplo GIRALDO, 2008, de modo a concenrar ainda mai a energia do epecro no lóbulo principal em derimeno do ecundário, e aim minimizar a diorção do inal. A fim de eviar aliaing, deve-e previamene obreamorar o inal em banda-bae para uma axa pelo meno o dobro de Fc +B, o que é implemenado pelo bloco de inerpolação L, que fora omiido na Figura 2-5. j fc e 2 a[n] Figura 2-7: Modulador em quadraura eixo poiivo de frequência 12

25 A faixa de frequência para ranmião, no meio de comunicação, de um inal limiado à largura de banda B correponde ao canal de comunicação, repreenado pela repoa em frequência de Fz, com banda de paagem B racejada em laranja na Figura 2-6. A capacidade dee canal, exprea em bi/ bp, é função da largura de banda e do número de bi por ímbolo Nb empregado na modulação, de acordo a equação de Nyqui, que não leva em cona o ruído adiivo do canal YOUNG, 2006: C 2B N b 2.10 Por exemplo, um inal de voz limiado a 4 khz e amorado 8 khz, com 8 bi/amora, requer um canal com capacidade C igual a 64 kbp. Supondo um canal diponível para ranmião com 10 khz de largura de banda, erá neceário o eguine número mínimo de bi/ímbolo: N b C 2B 64k 20k 3,2 bi / ímbolo 2.11 Arredondando para o ineiro uperior mai próximo, reula em 4 bi/ímbolo, que correponde à modulação 16-QAM, compondo uma conelação de 2 N b = 16 ímbolo. Como vio no início dee capíulo, o proceameno do inal conie em modular e condicionar uma informação de enrada digial, obendo-e uma poradora modulada. Tal poradora, de naureza eleromagnéica, eria, porém, rapidamene aenuada no meio alamene conduivo da água do mar, reringindo o alcance do enlace de comunicação. Dado que onda acúica ofrem menor aenuação nee meio, conforme expoição de LIU e al. 2008, permiindo alcance uperior, em geral randuz-e o inal modulado de elérico para acúico, por meio de dipoiivo piezoelérico. O randuor piezoelérico deempenha a função da anena do iema de comunicação por radiofrequência. Nee, o inal elérico dicreo gerado no modulador é converido pelo dipoiivo de converão digial-analógica DAC em um inal conínuo analógico uma correne elérica que, amplificada, egue para a anena, dimenionada para reonar em modo de vibração correpondene à faixa de frequência da poradora. Origina-e uma perurbação eleromagnéica que e propaga no epaço aé a anena 13

26 recepora, a qual, exciada por ee campo, enra em reonância e gera uma correne em eu erminai MIGUENS, No cao do randuor piezoelérico, a perurbação conie em onda acúica equência periódica de compreõe e expanõe no meio líquido cauada pela vibração dilaação e conração do maerial cerâmico do randuor, como reulado da correne elérica aplicada em eu erminai. Como na anena, a dimenõe dee randuor ão proporcionai ao comprimeno de onda do inai para o quai ee foi projeado. O grau de fidelidade do inal randuzido, em comparação ao inal elérico original em ermo de frequência, fae e largura de pulo dependerá da função de ranferência do randuor, a er abordada mai adiane. No próximo capíulo, que raa do canal de comunicação, erão inroduzido parâmero e relaçõe empregado no dimenionameno de poência do iema de comunicação. A axa de inalização de ímbolo baud paa a er abreviada por F no reane dee exo. Por enquano é referida ao ímbolo QAM, porém, ao er apreenada a ua muliplexação em um ímbolo OFDM no Capíulo 4, indicará o valor da axa de inalização dee ímbolo. 14

27 3. CANAL DE COMUNICAÇÃO SUBMARINO Nee capíulo erá eudado o canal de comunicação e eu efeio obre o inal ranmiido, que ão deerminane no projeo e dimenionameno do iema de comunicação acúica, bem como na avaliação de eu deempenho e na inerpreação do reulado experimenai. O eudo e concenra na aenuação, cauada por perda geomérica e aborção, no ruído e no mulipercuro. Tai faore ão preponderane na axa de erro de bi e na limiação do alcance, banda de operação e axa de ranmião. A laência, decorrene da velocidade relaivamene baixa de propagação do inal, foi abordada ucinamene no Capíulo 1. A dicuão obre a aenuação e ruído é eguida por uma eção com princípio báico de randução eleroacúica e balanço de energia do iema de comunicação, neceário para o ajue de poência na ranmião e recepção. O capíulo é concluído com uma abordagem dealhada do mulipercuro, que embaa o capíulo eguine Perda Geomérica de Propagação Numa aproximação inicial, deconiderando aborção ou quaiquer oura perda, a poência P emiida por uma fone onora omnidirecional diribui-e uniformemene em área eférica de crecene raio r, cenrado na fone, e eu valor permanece conane, Pi,= P, onde Pi é a poência da efera de raio ri CLAY, Aim, a inenidade do inal acúico I, dada pela razão enre a poência e a área, reduz-e à medida que aumena o raio da área da efera, ou eja, a diância em relação à fone onora. Coniderando uma ranmião em linha rea, o inal emiido por um modem acúico chega ao recepor com uma inenidade progreivamene menor, à medida que aumena a diância enre ele. Tomando-e dua diância r, e abendo que a área da efera é igual a 4πr 2, a redução de inenidade do inal é proporcional à razão do quadrado da diância, de acordo com a expreão abaixo CLAY, 1977, em db, da perda de propagação geomérica PL Propagaion Lo : PL geom I 1 I 2 I1 P / A1 4 r2 r2 PL db 10 log 10 log 10 log 10 log 2 2 I P / A 4 r r

28 Para diância raio de efera enre fone e recepor muio grande normalmene acima da profundidade do mar onde a propagação na verical paa a er limiada pela uperfície e pelo fundo, ocorre a chamada propagação em duo. Nea iuação a uperfície podem er aproximada por cilindro, de modo que o inal aravea círculo paralelo, e a expreão da perda de propagação, em db, pode er reecria como: PL geom 2 r2h r 10 log 10 log 2 r h r Dado que, em geral, ai diância eão acima do limie de alcance da comunicaçõe ubmarina, normalmene é aumida a propagação eférica do inal PREISIG, Tomando r1 como o raio de referência, igual à diância de 1 m do ranmior, e renomeando r2 para r, chega-e à Equação 3.3, ploada na Figura 3-1 para r variando aé 5 km, que é um alcance ípico de comunicação acúica. Oberva-e que no primeiro 250 m de diância do ranmior a aenuação do inal crece abrupamene, aingindo 45 db, que correponde à redução de poência por um faor uperior a 30 mil. PL geom 10 log r log r 20 log r 3.3 Figura 3-1: Perda geomérica de propagação 3.2. Perda por Aborção A aborção do inal onoro ocorre, egundo CLAY 1977, pela converão da energia acúica em calor, devido à vicoidade do meio, ou eja, pela força de fricção 16

29 ario, e ambém pela relaxação rearranjo molecular redução de molécula a íon durane o movimeno relaivo da camada adjacene de líquido, cauado pela uceiva onda de expanão e compreão que caracerizam a propagação do om. A perda por aborção ão repreenada pelo produo da diância em mero pelo coeficiene de aenuação por aborção α em db/km, conforme a Equação 3.4a. O coeficiene α pode er obido aravé de fórmula empírica, como a Equação 3.4b, que é uma aproximação válida para a banda de 0,5 a 100 khz, cobrindo a faixa normalmene empregada em comunicaçõe acúica. Nea expreão, a unidade da frequência f é khz. Tai fórmula levam em cona a dependência da aborção com a frequência, a preão profundidade, a emperaura e a alinidade. A conribuição da vicoidade no coeficiene é aproximadamene proporcional ao quadrado da frequência. A relaxação molecular é ignificaiva aé o limie de 500 khz, acima do qual al fenômeno não conegue mai acompanhar a rapidez na variação de preão WAITE, PL aborç r a 0,05 f 1,4 3.4b Na Equação 3.4a, o coeficiene αf correponde à inclinação de uma rea de aenuação veru diância. Ea rea é raçada na Figura 3-2, para diância aé 3 km, e com a eguine frequência: 10, 26 fc empregada no iema de comunicação deenvolvido nea dieração, 50, 75 e 100 khz. Comparando-e com a perda geomérica, noa-e que, para diância cura, o efeio dea é preponderane. Coniderando-e a diância de 250 m, na qual a perda geomérica era de 45 db, o valore de aenuação por aborção ficam abaixo de 10 db. Acima dea diância, o aumeno da perda geomérica orna-e cada vez mai amorecido, enquano a perda por aborção egue aumenando linearmene. Para a frequência de 100 khz e a uma diância de 2,5 km, a perda por aborção já é uperior e a dua omam quae 150 db. Ee omaório repreena o oal da perda de propagação ofrida pelo inal ao aravear o canal de comunicação, abreviado por PL Propagaion Lo: PL PL geom PLaborç 20 logr r

30 Figura 3-2: Perda por aborção A aborção limia a banda diponível para comunicação e, conequenemene a axa de ranmião. Como vio acima, uma poradora de 100 khz já é paível de ala aenuação a algun quilômero de diância. No projeo do iema deve-e chegar a uma olução de compromio enre a axa de ranmião, a qual depende da banda requerida pela aplicação, e o alcance. Uma olução adoada quando há conflio enre ee requiio, ou eja, há neceidade de que ambo enham valor elevado, é a divião do enlace de comunicação em múliplo link de curo alcance e ala velocidade, formando uma rede, como no iema de moniorameno apreenado por RIBEIRO e al Dado que o uo de comunicação acúica ubmarina é relaivamene recene, ainda não há regulamenação de alocação do epecro de frequência no mar, como exie na comunicaçõe errere. No enano, com a inenificação crecene da inalação de eaçõe de exploração e pequia no fundo do mar, é provável que fuuramene o epecro diponível enha que er dividido em banda, e regulamenada a ua alocação e uilização, a fim de e eviar inerferência e organizar a ua uilização. Também devem er levada em conideração no projeo a repoa de ranmião e recepção do randuore, poi nem empre há coincidência da banda eórica projeada com a banda óima de operação do randuore comerciai, ou memo diponibilidade por moivo operacionai ou financeiro do randuore mai apropriado. No cao dee rabalho, havia diponível para ee em campo um par de randuore Nepune Sonar, modelo TT e RT48-651, cuja repoa em frequência de ranmião e recepção ão morada na Figura 3-10 e 3-11, repecivamene, da eção 3.4, obre randução eleroacúica. Na região de máxima enibilidade da curva de repoa de ranmião, foi ecolhida uma banda W de 10 khz cenrada em 26 khz frequência 18

31 definida como a poradora fc do iema onde apreena perda por aborção inferior a 5 db na diância máxima coniderada para o ee em campo, cerca de 150 m. Deve-e noar que ea repoa em frequência repreenam filro adicionai ao iema, uma vez que o inal, já endo alerado pela função de ranferência do canal de comunicação, erá adicionalmene janelado pela repoa do randuore Ruído Em conjuno com a perda por aborção, o ruído deermina o alcance do enlace de comunicação, a largura de banda diponível e a deecção do inal no recepor. A fone de ruído podem er agrupada baicamene em ruído do mar e ruído próprio, egundo CLAY O primeiro grupo ubdivide-e em ruído érmico do mar e ruído ambiene ubmarino, endo ee coniuído de: ruído hidrodinâmico do mar, decorrene de maré, veno, correne, chuva e empeade; ruído ímico; ruído biológico; e ruído hidrodinâmico de delocameno, de maquinário geradore, compreore, urbina, engrenagen, ec., eruural e de caviação produzido por embarcaçõe. Do egundo grupo fazem pare o ruído érmico produzido pelo componene elerônico do rancepore, o ruído mecânico cauado pela urbulência do mar em orno da carcaça do randuor e adicionalmene, no cao de iema embarcado, o ruído próprio de delocameno, maquinário e caviação. De acordo com STOJANOVIC 2003, a maioria da fone de ruído no ambiene ubmarino apreena comporameno eaíico gauiano, com denidade epecral de poência epecro conínua, ilurada na Figura 3-3 em ermo da denidade epecral de poência do ruído érmico, N0. N e 0 j2 F N 0 2 F Figura 3-3: Denidade epecral de poência do ruído N0 A poência de ruído érmico N é dada pelo produo de N0 pela largura de banda do inal em banda-bae YOUNG 2006, a qual correponde à largura epecral do pulo, como vio no Capíulo 2: N N 0 B

32 Tomando-e, na recepção, um pulo individual do inal, repreenando um ímbolo complexo, ua energia é dada pela área definida pelo pulo, no domínio do empo e da frequência LATHI, 2007: E 2 2 d SF df 3.7 Muliplicando-e E pela axa de inalização F baud ou ímbolo/, obém-e a poência do inal S no recepor: S E F 3.8 Em YOUNG 2006 a relação inal/ruído SNR Signal o Noie Rae é definida como a razão enre a poência média do inal e a poência média do ruído: SNR S N E F N B Em deenvolvimeno do memo auor, a Equação 3.9 pode er reecria em ermo de energia por bi, Eb, a parir do número de bi por ímbolo, Nb, : SNR E / N N N F E N F b b b b 0 B N 0B 3.10 Aproximando F para a largura de banda B, e uando a definição de Nb, obém-e a expreão da relação inal/ruído em função de Eb/N0 e da ordem da modulação: SNR E N b 0 log 2 M 3.11 A Figura 3-4 mora a axa de erro de bi BER Bi Error Rae em função da relação Eb/N0 para a modulaçõe QAM de orden 4, 16 e 32, em curva eórica obida com a ferramena berool do MATLAB, coniderando que o ruído adicionado ao inal pelo canal de comunicação é gauiano de banda larga AWGN Addiive Whie Gauian Noie. A axa de erro decrece com o aumeno da relação inal/ruído decorrene do aumeno de Eb/N0. Para um valor fixo de SNR, a axa de erro aumena com a elevação da ordem da modulação. 20

33 Figura 3-4: BER em função de Eb/N0, para AWGN Ee aumeno de BER com a ordem de modulação pode er compreendido aravé do gráfico de diperão de conelação caer plo, ilurado na Fig. 3-5 para a modulaçõe 4-QAM e 16-QAM, repecivamene, onde o círculo vermelho repreenam a poição eórica ampliude e fae φ do ímbolo da conelação, e o círculo menore exemplificam a poiçõe de uma equência de ímbolo ranmiido, limiado a círculo de indecião de deecção, ponilhado YOUNG, No primeiro gráfico, o egmeno azul repreena o ruído adiivo do canal, e Δφ o erro de fae. A maior proximidade do círculo de indecião na modulação 16-QAM implica no aumeno da probabilidade de erro na deecção, quando comparado à modulação 4-QAM. Figura 3-5: Gráfico de diperão de conelação caer plo O gráfico de diperão ão uma forma complemenar de avaliar o comporameno da axa de erro de bi em função de Eb/N0, como a érie de imulaçõe da Fig. 3-6, onde e verifica que, com Eb apena 7 db acima de N0, o ímbolo da conelação deixam de er 21

34 dicernívei. O diagrama foram obido a parir do modelo Simulink da Fig. 7-5, com uma fone de número binário aleaório a 10 khz, um modulador 4-QAM e um canal com ruído adiivo gauiano branco e Eb/N0 reconfigurável. Figura 3-6: Gráfico de diperão de modulação 4-QAM em função de Eb/N0 Dada a naureza não deerminíica do ruído e, conequenemene, da diperão da conelação, no projeo do deecor ão eabelecido parâmero eaíico para definição da ampliude mínima do inal na recepção, al que o pulo recebido eja coniderado um ímbolo pelo deecor, ou ignorado como ruído. O limiar de deecção DT Deecion Threhold correponde ao valor mínimo da SNR requerido na recepção para a deecção do inal, endo deerminado pela largura de banda B do inal e pelo índice de deecção d, conforme WAITE 2002: DT 5log d 10 log B 3.12 Ee auor define o índice de deecção como a razão S+N/N no pono correpondene a DT da curva de denidade de probabilidade de ruído N e de inal mai ruído S+N da Fig O limiar de deecção delineia a regiõe de probabilidade de deecção Pd e de probabilidade de falo alarme Pfa ob ea curva. Um valor de SNR acima de DT é denominado inal em exceo, SE, expreo em ermo da grandeza S e N na ecala em db por: SE SNR DT S N DT 3.13 Quando SE é feio nulo, io é, não é aplicado um ganho adicional além do limiar DT, SNR é igual a DT e a probabilidade de deecção e de falo alarme ão iguai a 50%. Um inal em exceo poiivo SNR > DT implica em Pd uperior a 50%. À medida que e aumena SE, Pd aumena e Pfa decrece. 22

35 Denidade de Probabilidade Figura 3-7: Definição do limiar de deecção WAITE, 2002 modificado Ao e eudar a capacidade C do canal no Capíulo 2, foi vio que ela dependia da largura de banda B e do número de bi por ímbolo Nb, de acordo com a equação de Nyqui, repeida abaixo, com a realva de que não levava em cona o efeio do ruído. C 2B N b 3.14 De fao, com bae nea equação, C poderia er ampliada indefinidamene, baando aumenar a banda e/ou a ordem da modulação. No enano, o ruído adiivo preene no meio de comunicação impõe um limie na capacidade do canal, eabelecido por Shannon em ermo da relação inal/ruído YOUNG, 2006: C B log 2 1 SNR 3.15 Tal dependência pode er compreendida recordando-e o efeio do aumeno de Nb no gráfico de diperão da Fig. 3-5, e à luz da dicuão obre deecção. À medida que aumena a proximidade do círculo de indecião, pelo adenameno da conelação, crece a enibilidade do iema ao ruído. Aim, para uma deerminada banda B, a capacidade do canal pode er elevada pelo aumeno da ordem de modulação, conforme a Equação 3.14, conudo aé o limie permiido pela relação inal/ruído do enlace de comunicação. Na eçõe aneriore foi eudada a aenuação do inal durane o percuro do inal aravé do mar, e vio que a perda eram função da diância e da frequência da poradora. A eguir erá examinada a dependência de frequência do ruído adiivo, e na equência a ação combinada da aenuação e do ruído obre a comunicação ubmarina. 23

36 A definição da relação inal/ruído, exprea na Equação 3.9, coniderava como ruído adiivo N o ruído érmico N, endo dado pelo produo da denidade epecral de poência N0 pela largura de banda B. De acordo com WAITE 2002, ea premia é válida para ala frequência, a parir de 30 khz, ma obreudo acima de 100 khz, quando N iguala o ruído ambiene ubmarino correpondene ao eado do mar 2 encrepado na ecala DSS Dougla Sea Scale. A dependência do ruído érmico com a frequência em khz é dada pela eguine expreão, em db, egundo o memo auor: N log f db re 1Pa 3.16 O ruído érmico é o mínimo aboluo, reulane unicamene do ario aociado à agiação érmica da molécula do meio, na auência de qualquer oura fone de ruído incluive o ruído ambiene ubmarino. Em baixa frequência, paricularmene inferiore a 30 khz, memo em mare calmo, o ruído ambiene é preponderane obre o ruído érmico, como morado no diagrama de ruído ambiene em função do eado do mar e da frequência, na Fig Em água raa, o ruído ambiene pode er aumenado pela chuva, endo o grau de variação dependene do eado do mar e da inenidade da chuva. Figura 3-8: Ruído amb. em função do eado do mar e freq. WAITE, 2002 modif. O efeio conjuno da perda de propagação, PLf, r, denominada aqui de Af, r, e do ruído adiivo, Nf, pode er avaliado aravé da curva de 1/AN0 em função de f frequência e r diância da Fig. 3-9a, repeida na Fig. 3-9b. O quociene 1/AN0 correponde à parcela da SNR dependene da frequência, conforme deenvolvimeno algébrico apreenado por AHMED 2010, onde S' é o inal ranmiido e S o inal de recepção: S db ' S PL f, r ' S A f, r S W ' S A f, r

37 SNR ' S ' S A f, r S 1 1 SNR SNR N f N0 f B B A f, r N0 f B A f, r N0 f 3.18 Na Fig. 3-9a, para uma mema diminuição da SNR, indicada pela linha verde, oberva-e uma maior redução da largura de banda diponível e, por coneguine, da axa de ranmião quando a diância enre TX e RX aumena de 10 para 100 km. E para cada diância há um valor óimo de frequência da poradora, para o qual a SNR é máxima, e ee valor reduz à medida que a diância é aumenada. Coniderando a diância de 10 km, indicada pela linha verde na Fig. 3-9b, verifica-e que a redução da SNR é bem mai elevada para a mema largura de banda, quando ea e iua numa faixa de frequência uperior, reforçando a concluão do parágrafo anerior, de um inervalo óimo de operação para cada diância. o a Largura de banda veru diância b SNR veru faixa de frequência Figura 3-9: Efeio combinado da aenuação e ruído AHMED, 2010 modif. Com ea eção, complea-e a apreenação do fundameno báico neceário para melhor compreenão da dicuão a eguir, que apreena o equacionameno de energia do iema de comunicação inroduzido no Capíulo 2. 25

38 3.4. Trandução Eleroacúica e Balanço de Energia Na definição da banda de operação do iema de comunicação, além do hroughpu requerido pela aplicação voz, imagem, vídeo, elemeria e da limiaçõe impoa pelo canal de comunicação via na eçõe aneriore, deve-e levar em cona ambém a epecificaçõe do randuore de ranmião e recepção, que podem vir a demandar ajue no dimenionameno original do projeo. A epecificaçõe do randuore, em conjuno com a propriedade do canal, ão eenciai no ajue de poência do amplificadore do ranmior e recepor do iema, o qual e baeia em eu equacionameno de energia. Ea eção apreena o ermo dee balanço e como ão aplicado no ajue do equipameno. A Fig e 3-11 moram a repoa em frequência de ranmião e recepção do randuore Nepune Sonar modelo TT e RT48-651, repecivamene, empregado nee rabalho. Tai curva foram levanada no Laboraório de Tee Hidroacúico do Grupo de Siema Acúico Submarino do IPqM. Figura 3-10: Repoa em frequência de ranmião TT

39 Figura 3-11: Repoa em frequência de recepção RT Para inerprear adequadamene ea curva, faz-e neceário inroduzir previamene algun conceio relaivo à randução eleroacúica MAGALHÃES, 2011, a aber: o faor de converão eleroacúica de um randuor projeor, Sv, dado pela Equação 3.19; e o faor de converão acúico-elérica de um randuor, M, definido na Equação O faor de converão Sv, ou repoa de ranmião, relaciona a enão elérica de exciação no erminai de enrada V do projeor com a preão acúica radiada p ao meio. O faor de converão M, ou repoa de recepção ambém denominado enibilidade, relaciona a preão acúica p na face efeiva do randuor com a enão V gerada em eu erminai de enrada. S v p/v 3.19 M V / p 3.20 A aplicação de uma ddp v ao erminai de um randuor reula em uma preão acúica p irradiada na face do randuor e vice vera. O nível de preão onora SPL Sound Preure Level em um pono qualquer ao longo do canal de ranmião é definido com o valor relaivo à preão de referência pref, igual a 1 μpa: SPL 20log p / pref 20log p re1 Pa 3.21 Por definição, o SPL à diância de 1 m do projeor randuor irradiando o inal, é denominado nível de preão onora da fone, SL Source Level, indicado na Fig