UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU

CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS ENGENHARIA DE TELECOMUNICAES

PROJETO DE UM MODEM UTILIZANDO SINAIS ACSTICOS

VICTOR HUGO DICKOW

BLUMENAU

2008

VICTOR HUGO DICKOW

PROJETO DE UM MODEM UTILIZANDO SINAIS ACSTICOS

Trabalho de concluso de curso apresentado ao Programa de Graduao em Engenharia de Telecomunicaes do Centro de Cincias Tecnolgicas da Universidade Regional de Blumenau, como requisito parcial para a obteno do grau de Engenheiro de Telecomunicaes.

Prof. Jose Gil Fausto Zipf Orientador

BLUMENAU

2008

PROJETO DE UM MODEM UTILIZANDO SINAIS ACSTICOS

Por

VICTOR HUGO DICKOW

Trabalho de concluso de curso aprovado para obteno do grau de Engenheiro de Telecomunicaes, pela Banca examinadora formada por:

Presidente: ________________________________________ Prof. Marcelo Grafulha Vanti, Dr. FURB

Membro: ________________________________________ Prof. Jose Gil Fausto Zipf, Orientador, FURB

Membro: ________________________________________ Prof. Sergio Vidal Garcia Oliveira, Dr. FURB

Membro: ________________________________________ Prof. Orlando Jose Tobias, Dr. FURB

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar aos meus pais Joo Darlei Dickow e Adelina Fragoso Dickow por todo esforo e dedicao que tiveram para que eu chegasse at aqui e a minha irm Gabrielle Fragoso Dickow.

Agradeo a minha namorada Tatiane Martins Machado pelo apoio incondicional, dedicao e ajuda em todos os momentos.

Ao meu professor Dr. Orlando Jose Tobias, pelos conselhos e sugestes para a melhora do trabalho.

Aos meus colegas Juliano Picolli, Giancarlo Scolaro, Henrique Laufer Barcellos e Matthias Peiker pelo apoio e ajuda, e a todos outros que de maneira direta ou indireta contriburam para a realizao do presente trabalho.

O maior prazer de um homem inteligente bancar o idiota diante de um idiota que banca o inteligente.

[Confcio]

RESUMO

O presente trabalho apresenta a implementao por software de um modem utilizando sinais acsticos, sendo que para sua realizao foi feito um estudo terico sobre a propagao desses sinais e das tcnicas de modulao digital. Tambm so apresentados os resultados experimentais em diversos modos de utilizao do modem e suas caractersticas quanto taxa de transferncia.

Palavras-chave: Modem acstico, FSK, PSK.

ABSTRACT

This paper presents the software implementation of modem using acoustic signals, and for his achievement was made a theoretical study on the spread of such signs and techniques of digital modulation. Also presented are the experimental results in different ways to use the modem and its characteristics about rate of transfer.

KEY-WORDS: Acoustic Modem, FSK, PSK.

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 2.1 Dispositivos subaquticos........................................................................... 15 FIGURA 2.2 Rede acstica para telemetria...................................................................... 16 FIGURA 2.3 Rede acstica para monitoramento de robs autnomos (AUV)................. 17 FIGURA 3.1 Faixa de freqncias das ondas acsticas.................................................... 19 FIGURA 4.1 Modulao Digital, ASK, PSK, FSK........................................................... 21 FIGURA 4.2 Constelaes usualmente usadas em QPSK................................................ 22 FIGURA 4.3 Diagrama de blocos do transmissor QPSK................................................. 22 FIGURA 4.4 Diagrama de blocos do receptor QPSK....................................................... 25 FIGURA 4.5 Diagrama de blocos do transmissor 4-FSK................................................. 26 FIGURA 4.6 Diagrama de blocos do receptor coerente 4-FSK........................................ 27 FIGURA 4.7 Diagrama de blocos do receptor no coerente 4-FSK................................. 27 FIGURA 4.8 Diagrama de blocos do receptor no coerente BFSK.................................. 28 FIGURA 4.9 Eficincia de banda em sinais M-PSK e M-FSK......................................... 29 FIGURA 5.1 Faixa de freqncia do microfone............................................................... 30 FIGURA 5.2 Freqncias para cada smbolo................................................................... 31 FIGURA 5.3 Microfone CLONE...................................................................................... 32 FIGURA 5.4 Caixas acsticas CLONE............................................................................ 32 FIGURA 6.1 Diagrama de blocos do modem acstico em mtodo off-line em condies ideais...................................................................................................................

33 FIGURA 6.2 Sinal gravado............................................................................................... 34 FIGURA 6.3 Espectro do sinal gravado........................................................................... 34 FIGURA 6.4 Cem primeiras amostras do sinal................................................................ 35 FIGURA 6.5 Mapeamento dos smbolos do sinal............................................................ 35 FIGURA 6.6 Comparao das cem primeiras amostras do sinal TX x RX...................... 36 FIGURA 6.7 Comparao do sinal original com o recebido............................................ 36 FIGURA 6.8 Comparao das amostras do sinal original com o recebido...................... 37 FIGURA 6.9 Comparao do sinal original com o recebido............................................ 37 FIGURA 6.10 Taxa de erro de smbolo e BER................................................................ 38 FIGURA 6.11 Diagrama de blocos do modem acstico em mtodo off-line com rudo.....................................................................................................................................

38 FIGURA 6.12 Sinal gravado............................................................................................. 39 FIGURA 6.13 Espectro do sinal gravado......................................................................... 39 FIGURA 6.14 Comparao do sinal original com o recebido e seus erros...................... 40 FIGURA 6.15 Detalhes dos erros das amostras................................................................ 40 FIGURA 6.16 Taxa de erro de smbolo e BER................................................................. 41 FIGURA 6.17 Detalhe dos erros de regenerao do sinal original................................... 41 FIGURA 7.1 Diagrama de blocos do MODEM ACSTICO no modo TRANSMISSOR-RECEPTOR............................................................................................

42 FIGURA 7.2 Sinal da mensagem original........................................................................ 43 FIGURA 7.3 Seqncia de nmeros a ser transmitido..................................................... 43 FIGURA 7.4 Sinal original em sua forma binria............................................................ 44 FIGURA 7.5 Seqncia dos dibit do sinal binrio original e seus smbolos.................... 44 FIGURA 7.6 Dibit associado ao smbolo e sua freqncia.............................................. 44 FIGURA 7.7 Menu do transmissor................................................................................... 45 FIGURA 7.8 Espera do pulso de sincronizao............................................................... 46 FIGURA 7.9 Pulso de sincronizao................................................................................ 46

FIGURA 7.10 Filtro passa-faixa 5500 Hz para sincronismo............................................ 47 FIGURA 7.11 Sinal gravado pelo receptor....................................................................... 47 FIGURA 7.12 Freqncias detectadas no receptor........................................................... 48 FIGURA 7.13 Filtro passa-faixa 2000 Hz e Sinal aps o filtro........................................ 49 FIGURA 7.14 Filtro passa-faixa 3000 Hz e Sinal aps o filtro........................................ 50 FIGURA 7.15 Filtro passa-faixa 4000 Hz e Sinal aps o filtro........................................ 51 FIGURA 7.16 Filtro passa-faixa 5000 Hz e Sinal aps o filtro........................................ 52 FIGURA 7.17 Funcionamento de um detector de envoltria........................................... 53 FIGURA 7.18 Sada do detector de envoltria da freqncia de 2000 Hz....................... 53 FIGURA 7.19 Sada do detector de envoltria da freqncia de 3000 Hz....................... 54 FIGURA 7.20 Sada do detector de envoltria da freqncia de 4000 Hz....................... 54 FIGURA 7.21 Sada do detector de envoltria da freqncia de 5000 Hz....................... 55 FIGURA 8.1 Mtodo TRANSMISSOR-RECEPTOR do Modem Acstico.................... 56 FIGURA 8.2 Seqncia de smbolos transmitidos e recebidos........................................ 57 FIGURA 8.3 Efeito Doppler em um smbolo de 0,5 segundos........................................ 58 FIGURA 8.4 Anteparo utilizado....................................................................................... 59 FIGURA 8.5 Resposta em freqncia do sinal recebido atravs de multipercursos........ 60

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1 Velocidade do som em diferentes meios a 15C....................................... 18 TABELA 3.2 Aplicao, excitao das ondas acsticas em faixa de freqncia............ 19 TABELA 4.1 Caracterizao do espao do sinal QPSK.................................................. 24 TABELA 4.2 Eficincia de largura de faixa em M-PSK e M-FSK.................................. 29 TABELA 5.1 Freqncias utilizadas e seu smbolo correspondente............................... 31 TABELA 5.2 Especificaes tcnicas do microfone CLONE........................................ 32 TABELA 5.3 Especificaes tcnicas das caixas acsticas CLONE.............................. 32

SUMRIO

1 INTRODUO ...................................................................................................................................12 1.1 OBJETIVOS..........................................................................................................................................12 1.1.1 Gerais .........................................................................................................................................12 1.1.2 Especficos .................................................................................................................................12

1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO ....................................................................................................13 2 MODEM ACSTICO E SUAS APLICAES...............................................................................14 4.1 MODEM ACSTICO...........................................................................................................................14 4.2 APLICAES.......................................................................................................................................15 3 SINAIS ACSTICOS..........................................................................................................................18 3.1 PROPAGAO DOS SINAIS ACSTICOS ......................................................................................18 3.2 TIPOS DE SINAIS ACSTICOS.........................................................................................................19 3.3 O SINAL ACSTICO E ELETROMAGNTICO NA GUA............................................................20 4 MODULAO DE SINAIS DIGITAIS ...........................................................................................21 4.1 PSK - MODULAO POR CHAVEAMENTO DE FASE .................................................................22 4.1.1 QPSK - Modulao por chaveamento de fase em quadratura ....................................................22 4.2 FSK - MODULAO POR CHAVEAMENTO DE FREQNCIA..................................................25 4.2.1 4-FSK - Modulao por chaveamento de freqncia quaternrio..............................................25 4.2.2 Receptor Coerente ......................................................................................................................26 4.2.3 Receptor no coerente ................................................................................................................27 4.3 LARGURA DE BANDA ......................................................................................................................28

5 PROJETO DO MODEM ACSTICO .............................................................................................30 5.1 MODULAO UTILIZADA...............................................................................................................31 5.2 DISPOSITIVOS UTILIZADOS............................................................................................................32 6 PROJETO EM MODO OFF-LINE ..................................................................................................33 6.1 MODO OFF-LINE EM CONDIES IDEAIS ...................................................................................33 6.2 MODO OFF-LINE COM RUDO.........................................................................................................38 7 PROJETO EM MODO TRANSMISSOR-RECEPTOR ................................................................42 7.1 BLOCOS DO TRANSMISSOR............................................................................................................42 7.2 BLOCOS DO RECEPTOR ...................................................................................................................45 8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................................................................56 9 CONSIDERAES FINAIS .............................................................................................................61 REFERNCIAS ........................................................................................................................................62

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1 INTRODUO

Com os constantes avanos tecnolgicos na rea de comunicao, tm sido cada vez mais explorados tcnicas de transmisso de udio, dados e vdeo em canais com diferentes caractersticas. Em ambientes subaquticos as comunicaes tm se tornado cada vez mais utilizadas para diversas aplicaes, entre elas as comunicaes entre submarinos, comunicao com robs autnomos na explorao de petrleo em regies profundas, levantamento de dados oceanogrficos e muito outros.

Ao se transmitir ondas que transportam energia nos oceanos, as ondas acsticas tm se mostrado muito mais convenientes para a transmisso, devido s ondas eletromagnticas possurem alto ndice de atenuao em meios aquticos.

A fim de entender e estudar esse tipo de comunicao que o presente trabalho tem o objetivo de implementar um modem acstico com um transmissor e um receptor que transfiram determinada informao atravs das ondas mecnicas.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Gerais

Implementao prtica de um modem utilizando sinais acsticos, no qual os dispositivos de transmisso e recepo so um auto-falante e um microfone respectivamente, sendo que o sinal modulado na forma digital.

1.1.2 Especficos

a) Estudo dos sinais acsticos; b) Estudo dos mtodos de modulao digital PSK e FSK; c) Desenvolvimento de algoritmos no software MATLAB para processamento

dos sinais; d) Implementao dos algoritmos por meio do mtodo off-line: o sinal gerado e

processado em um mesmo computador; e) Implementao dos algoritmos por meio do mtodo TRANSMISSOR-

RECEPTOR: o sinal gerado e transmitido de um computador para outro, sendo que o ltimo realiza o processamento e regenerao do sinal original;

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f) Realizao de testes prticos, submetendo os sinais aos efeitos de multipercurso, efeito Doppler e variao na taxa de transmisso.

1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO

A estrutura do presente trabalho se divide em 9 captulos. No segundo captulo aps os objetivos apresentada a definio dos modems acsticos e suas aplicaes nos diversos campos da engenharia. Logo aps no capitulo 3 relatado a teoria bsica dos sinais acsticos que foi estudado para uma maior entendimento das ondas que foi utilizado para o transporte da informao, e no captulo 4 apresentado o estudo das tcnicas de modulao digital utilizada nas aplicaes dos sinais sonoros.

No captulo 5 so relatadas as consideraes iniciais para o projeto do modem acstico, como os dispositivos utilizados, a modulao escolhida e outros aspectos. Nos captulos 6 e 7 so apresentados os modos que o modem acstico foi programado para sua utilizao, em ambientes ideais e em ambientes com rudos.

Com o modem j programado, o captulo 8 mostra os resultados experimentais que foram encontrados modificando a taxa de transmisso dos bits e submetendo o sinal aos efeitos de multipercurso e Doppler. Por final o capitulo 9 trs as consideraes finais sobre o sistema e sua implementao.

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2 MODEM ACSTICO E SUAS APLICAES

Modems so dispositivos que convertem o sinal original em um sinal adaptado s caractersticas do canal de transmisso. Os principais objetivos da modulao de sinais so:

Deslocar a freqncia do sinal a ser transmitido para a banda de freqncia mais apropriada ou disponvel;

Criar um sinal modulado com um espectro mais estreito (ou mais largo) que o sinal original;

Construir um sistema de transmisso mais robusto a rudos ou interferncias; Adaptar a sensibilidade do receptor s caractersticas do canal.

2.1 MODEM ACSTICO

No meio subaqutico, existem situaes em que necessria a transmisso de dados atravs da gua do mar a fim de evitar a utilizao de cabos eltricos e ticos, pois esses encarecem os custos ou no so viveis fisicamente, e so nessas situaes que so

utilizados os modems acsticos. Algumas tcnicas para transmisso de sinais acsticos vm sendo utilizadas,

podendo ser destacadas as modulaes digitais, conhecidas como FSK M-rio (Frequency Shift Keying) e PSK M-rio (Phase Shift Keying), onde M o nmero de smbolos. Tais tcnicas sero abordadas no decorrer do presente trabalho.

A gua, mesmo sendo um bom meio para a propagao das ondas mecnicas, produz distores nos sinais, isto , produz variao do ndice de refrao (velocidade de propagao), reflexo das ondas mecnicas na superfcie e no fundo do mar, e zonas de sombra. Outro problema so os rudos gerados quando uma outra fonte estiver oscilando na freqncia de transmisso dos modems, como por exemplo, os rudos dos navios, dos submarinos e dos prprios sons dos animais aquticos.

Todas essas questes relacionadas degradao do sinal limitam a taxa de transmisso dos dados digitais, e para conseguir aumentar essa taxa preciso utilizar tcnicas de comunicao especiais, equalizadores adaptativos, cdigos corretores de erros, entre outros. Alguns dispositivos utilizados em ambientes subaquticos so ilustrados na FIGURA 2.1.

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FIGURA 2.1 Dispositivos subaquticos Fonte: [1]

A FIGURA 2.1-A consiste no SQ26-MT, um sistema de gravao com um dispositivo de captao de sinal conhecido como Sensor Technology SQ26-08 hidrofone e um gravador de sinais chamado de M-Audio MicroTrack II, o hidrofone deste sistema consegue gravar sons de at 40 kHz. A FIGURA 2.1-B ilustra o RUDAR (Remote Digital Underwater Acoustic Recorder), um dispositivo porttil e remoto, que possui um hidrofone com at quatro canais, amostrados com resoluo de 24 bits e que faz uso do sistema operacional GNU/LINUX, podendo operar em profundidades de 1500 m a 3500 m. O CR1-hidrofone mostrado na FIGURA 2.1-C, sendo um exemplo de hidrofone utilizado para detectar e registrar sinais muito fortes.

Todos esses dispositivos so usados geralmente para estudos de animais marinhos, mas tambm esto sendo aplicados na recepo e gravao de sinais nos projetos de modems acsticos.

2.2 APLICAES

Os modems acsticos j esto sendo colocados em prtica nos ambientes subaquticos, entretanto h muitas pesquisas para uma melhor eficincia referentes taxa de transmisso, largura de banda e outros recursos de comunicaes. Algumas aplicaes so:

Telemetria: Transmisso de dados para controle e monitorao de equipamentos submarinos de produo de petrleo;

Equipamentos submarinos de segurana;

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Controle e monitoramento de robs autnomos (AUV Autonomus Underwater Vehicles);

Sonografia: Transmisso de imagens acsticas do fundo do mar, semelhante a uma fotografia area;

Levantamento de dados oceanogrficos,

Empresas como a Petrobrs, em parceria com a PUC/RJ e a UFRJ/COPPE, j desenvolveram modems hidroacsticos com tecnologia nacional para distancias de at 10 km. O sistema empregado possui uma transmisso na faixa de 10 bps, o que inviabiliza o controle de robs submarinos e a transmisso de imagens. Para tentar melhorar o desempenho desses sistemas muitas universidades brasileiras esto desenvolvendo pesquisas em parceria com grandes empresas interessadas nesse tipo de equipamento para comunicao. A FIGURA 2.2 ilustra uma rede acstica para telemetria, na qual um operador manda comandos atravs de um link de rdio que est ligado a um transdutor acstico. Esse transdutor transmite e recebe informaes referentes aos aparelhos que esto no fundo do oceano, no caso um termmetro acstico e um sismgrafo.

FIGURA 2.2 Rede acstica para telemetria Fonte: [2]

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A FIGURA 2.3 ilustra uma rede acstica para monitoramento de robs autnomos, esses robs possuem inteligncia artificial na qual escolhem seus respectivos caminhos para monitoramento. Eles so muito teis para empresas de petrleo, pois conseguem fazer um levantamento do leito ocenico podendo reduzir custos na parte de implementao de uma infra-estrutura submarina. Esses veculos operam a base de combustvel como a gasolina, ou tambm a base de baterias especiais, e junto consigo levam bssolas, sensores, cmeras, e outros dispositivos muito teis para bilogos e pesquisadores com interesse em dados e imagens de regies profundas do mar.

FIGURA 2.3 Rede acstica para monitoramento de robs autnomos (AUV) Fonte: [3]

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3 SINAIS ACSTICOS

As ondas so fenmenos que ocorrem devido a perturbaes que se propagam em algum tipo de meio. Para ondas eletromagnticas (luz, ondas de rdio) no necessrio um meio material para a propagao, nesse caso a perturbao ocorre devido criao de campos eltricos e magnticos atravs da vibrao das cargas eltricas. As ondas mecnicas que sero utilizadas neste trabalho precisam de um meio para se propagar, na qual pode ocorrer em meios slidos, lquidos ou gasosos devido a perturbaes de diversas maneiras dependendo da aplicao. [4]

Audio humana a mais importante modalidade sensorial em intercomunicao

individual. Consequentemente, a acstica sempre foi tratada como comunicao.

Ainda recentemente, devido ao grande avano da computao, a comunicao

acstica se torna cada vez mais um sistema complexo e sofisticado. (BLAUERT. J, 2005, p. 1)

3.1 PROPAGAO DOS SINAIS ACSTICOS

O som que transmitido pelo ar, ocorre devido ao choque entre as molculas gasosas que criam energia para o sinal de propagar. Pode-se afirmar que nas altitudes o som se propaga com menos intensidade, pois o ar rarefeito, ou seja, menos denso. Isso ocasionado devido a uma maior distncia entre as molculas, logo a energia cintica se perde mais facilmente. [6]

No vcuo o som no se propaga devido no haver um meio para a transmisso dos sinais sonoros. Na TABELA 3.1 tem-se a velocidade do som em diversos meios e nota-se que o som propagado mais facilmente em slidos, em seguida nos lquidos e por ltimo nos gases.

TABELA 3.1 Velocidade do som em diferentes meios a 15C

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A citao da temperatura importante, porque uma maior ou menor agitao trmica

das molculas altera o valor da velocidade do som no meio. A velocidade de

propagao do som no ar (346 m/s a 15C) muito pequena se comparada com a da luz, cujo valor de aproximadamente 300.000 Km/s. Por essa razo, o som de um trovo ouvido alguns segundos aps a visualizao do relmpago. (NICOLAU e SOARES, 1998, p.467)

3.2 TIPOS DE SINAIS ACSTICOS

A acstica o estudo da propagao de fontes sonoras e fenmenos sofridos pela onda mecnica. O som para ser audvel ao ouvido humano se limita a certa faixa de freqncia que vai de aproximadamente 20 Hz a 20 kHz como mostrado na FIGURA 3.1. Ondas abaixo de 20 Hz e acima dos 20 kHz so inaudveis para os humanos e so conhecidas como Infra-sons e Ultra-sons respectivamente. H ainda as freqncias na ordem dos 1011 Hz que so chamadas de Hiper-sons, segue na TABELA 3.2 um resumo das faixas de freqncias acsticas e algumas de suas aplicaes. [7]

FIGURA 3.1 Faixa de freqncias das ondas acsticas

TABELA 3.2 Aplicao, excitao das ondas acsticas em faixa de freqncia

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3.3 O SINAL ACSTICO E ELETROMAGNTICO NA GUA

Na gua do mar as ondas acsticas se propagam com uma velocidade de aproximadamente 1500 m/s, essa velocidade cinco vezes maior que no ar (346 m/s) pode ser alterada dependendo da salinidade, temperatura e profundidade da gua. J as ondas eletromagnticas sofrem elevadas perdas na gua em relao ao ar, e so devido a essa grande atenuao que so usadas ondas acsticas para a transmisso em ambientes subaquticos. As ondas acsticas so geradas com facilidade e pouco absorvidas pela gua do mar, permitindo a realizao de levantamentos nas regies profundas dos oceanos, investigao das camadas geolgicas e comunicaes submarinas. [8]

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4 MODULAO DE SINAIS DIGITAIS

Um sinal a ser transmitido na forma digital, ou seja, em bits, deve-se modula-lo em uma moduladora digital, esse tipo de transmisso conhecido como transmisso em banda passante. Para esses sistemas digitais, tm-se trs tipos de modulao conforme a FIGURA 4.1.

ASK Amplitude Shift Keying, (Modulao por chaveamento de amplitude); PSK Phase Shift Keying, (Modulao por chaveamento de fase); FSK Frequency Shift Keying, (Modulao por chaveamento de freqncia).

FIGURA 4.1 Modulao Digital, ASK, PSK, FSK

Conforme a figura acima, a modulao digital modifica alguma caracterstica da onda senoidal, no caso da ASK a amplitude que variada, na PSK a fase e na FSK a freqncia. Na FIGURA 4.1, o Tb a durao de cada smbolo, sendo esse smbolo uma notao para representar vrios bits em conjunto, ou seja, possvel dois ou mais bits associados a um smbolo (nmero). Mltiplas amplitudes, fases e freqncias podem ser utilizadas para formar modulaes com qualquer nmero de smbolos, essas tcnicas de modulao so conhecidas como modulaes M-rias.

No presente trabalho, para a realizao das simulaes em MATLAB, foi estudado os modos PSK M-rio e FSK M-rio com um nmero de smbolos igual a quatro.

Atravs da equao )(log 2 Mk = , onde k = nmero de bits por smbolos, nota-se que para cada smbolo se tem dois bits associado a ele quando se utiliza quatro smbolos.

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4.1 PSK MODULACO POR CHAVEAMENTO DE FASE

Como dito anteriormente, na modulao por chaveamento de fase a caracterstica que se altera durante a transmisso a fase de acordo com o nvel do sinal original. Como no projeto foram utilizados quatro smbolos, ser abordada somente a modulao 4-PSK ou tambm conhecido como QPSK.

4.1.1 QPSK Modulao por chaveamento de fase em quadratura

Na modulao em quadratura, a vantagem que se conserva mais a largura de banda devido utilizao de duas portadoras defasadas, por isso um exemplo de multiplexao da portadora em quadratura, assim se consegue transmitir as duas portadoras ao mesmo tempo devido ortogonalidade entre as mesmas. Nesta tcnica de modulao a informao que transmitida est contida na fase, que pode assumir valores igualmente defasados entre si, no caso de quatro smbolos o usual utilizar /4, 3/4, 5/4 e 7/4, ou tambm utilizar 0, /2, e 3/2, como mostrado na FIGURA 4.2. [9]

FIGURA 4.2 Constelaes usualmente usadas em QPSK

O esquema para gerar um sinal modulado em fase e em quadratura mostrado na FIGURA 4.3.

FIGURA 4.3 Diagrama de blocos do transmissor QPSK

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Na FIGURA 4.3 temos duas portadoras na mesma freqncia, mas deslocada 90 uma da outra. Primeiramente os sinais so transformados do sinal analgico para bits, aps esses bits vo para forma polar por meio de um codificador no retorna a zero (NRZ). Em seguida h uma separao dos sinais aonde os bits com entrada de numerao mpar vo para uma portadora e os de entrada par vo para outra portadora, e por final acontecem multiplicao pela portadora correspondente. As notaes de I e Q significam In-phase (em fase) e Quadrature (quadratura), que apenas indicam que h dois smbolos que esto em fase entre si e outros dois em fase tambm, entretanto ortogonais aos dois anteriores. No ltimo bloco h um somatrio dos sinais na qual origina o sinal modulado em fase. [10]

Para gerar o sinal com o offset de /4 [rad] se utiliza seguinte expresso:

contrriocasoTtitf

TE

ts ci

0

0

]4

)12(2cos[2)(

+

=

pipi

(4.1)

Para se gerar um sinal com o offset de zero [rad], se expresso seguinte:

contrriocasoTtitf

TE

ts ci

0

0

)]12(2cos[2)(

+

=pi

(4.2)

Nas equaes acima, i = 1, 2, 3, 4 (smbolos usados para M = 4), E a energia do sinal transmitido por smbolo e T, a durao de cada smbolo. A freqncia da portadora

dada por fc. Como visto na FIGURA 4.3, feito a diviso do sinal para a multiplicao de duas portadoras, simplificando a equao 4.1 se tem duas frmulas para representar cada

smbolo, ou seja, cada portadora modula as duas equaes constituindo um smbolo que representa um dibit. O sinal si(t) fica sendo:

( )( )

1,2,3,4 i ,

412

412cos

=

=

pi

pi

isenE

iEsi

(4.3)

(4.4)

Se a modulao no possuir offset, o elemento /4 [rad] apenas sai da equao. J as portadoras em quadraturas so definidas por:

( )( ) T t 0 , 22

T t 0 , 2cos2

2

1

=

=

tfsenT

tfT

c

c

pi

pi

(4.5)

(4.6)

As equaes ento caracterizam o espao do sinal do QPSK como mostrado j na FIGURA 4.2. Na TABELA 4.1 segue cada dibit relacionado ao seu smbolo, sua fase e suas

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coordenadas dos pontos de mensagem que so deduzidas das frmulas das portadoras e dos smbolos.

TABELA 4.1 Caracterizao do espao do sinal QPSK Smbolo Dibit de entrada Fase do sinal [rad] Si1 Si2

1

10

/4 2E

+ 2E

2

00

3/4 2E

2E

3

01

5/4 2E

2E

+

4

11

7/4 2E

+ 2E

+

Para a demodulao de um sinal em QPSK se utilizam detectores conhecidos como detectores coerentes. Esses tipos de receptores so mais complexos de se implementar, pois para operarem corretamente necessrio a sincronizao de fase para garantir que a portadora na recepo esteja em fase com a portadora do transmissor, e a sincronizao de relgio, que garante que o instante de tempo para a realizao da deciso dos smbolos no receptor esteja sincronizado com o modulador do transmissor. [11]

Na deteco do sinal QPSK utiliza-se um receptor como na FIGURA 4.4, o sinal chega ao receptor e em seguida divido novamente de acordo com a portadora que foi modulada no transmissor. Devido o sinal ser modulado com portadoras defasadas 90 a deteco pode ser independente, pois o par de sinais ortogonal simplificando o processo de deteco. Aps a multiplicao pela portadora o sinal entra em um correlacionador que integra o sinal at o tempo j conhecido de cada smbolo, ou seja, o receptor deve conhecer a durao de cada smbolo que foi enviada pelo transmissor. Logo em seguida o sinal entra em um dispositivo de deciso, que se esse sinal da sada do correlacionador for maior que 0, ser tomada a deciso para o smbolo 1, se for menor que 0, a deciso vai para o smbolo 2.

Isso tudo feito na parte de cima do receptor, como mostrado na FIGURA 4.4, ou seja, para o canal Q. Para o canal I, acontece o mesmo processo, s que o smbolo que ser decido ser o 3 ou o 4. Isso responsabilidade do projetista do sistema que deve saber qual smbolo que foi modulado em cada portadora no transmissor, para acontecer o mesmo processo inverso no receptor. Aps a deciso, os smbolos entram em um multiplexador e so

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organizados com a seqncia original de smbolos, e assim transformados em bits que geraro o sinal original.

FIGURA 4.4 Diagrama de blocos do receptor QPSK

4.2 FSK MODULAO POR CHAVEAMENTO DE FREQNCIA

Na modulao por chaveamento de freqncia, a caracterstica que se altera durante a transmisso a freqncia de acordo com o nvel do sinal original. Como no projeto foram utilizados quatro smbolos, ser abordada somente a modulao 4-FSK.

4.2.1 4-FSK Modulao por chaveamento de freqncia quaternrio

A modulao com quatro smbolos consiste em variar a freqncia da portadora em quatro freqncias diferentes. Algumas caractersticas da modulao em FSK so:

A probabilidade de erro igual para todos os smbolos recebidos; Possui boa imunidade a rudos e interferncias; Os equipamentos so mais simples de ser implementados.

Nesta tcnica de modulao a informao esta contida na freqncia do sinal transmitido e para se gerar um sinal modulado na freqncia utilizamos o diagrama de blocos ilustrado na FIGURA 4.5.

26

FIGURA 4.5 Diagrama de blocos do transmissor 4-FSK

Para a gerao do sinal 4-FSK, os bits so transformados em quatro smbolos nos quais sero divididos em freqncias diferentes conforme a FIGURA 4.5. Para a gerao dessas freqncias so utilizadas as seguintes equaes para as portadoras:

( )( )

( )( )

2cos2

2cos2

2cos2

2cos2

44

33

22

11

tfT

tfT

tfT

tfT

pi

pi

pi

pi

=

=

=

=

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

Cada portadora possui uma freqncia espaada por no mnimo ][21 HzT

e

mantm a amplitude constante conforme a FIGURA 4.1 j ilustrada. Aps a multiplicao pela portadora o sinal entra em um multiplexador que coloca as freqncias na seqncia original dos smbolos de entrada e transmite para o receptor. Para a deteco de sinais M-FSK so utilizados dois tipos de receptores, que so:

Receptor coerente;

Receptor no coerente.

4.2.2 Receptor Coerente

Este tipo de receptor o mesmo tipo que utilizado para modulao em QPSK, precisa-se de sincronismo de fase e temporizao dos smbolos. A FIGURA 4.6 seguinte mostra um receptor coerente para detectar sinais FSK.

27

FIGURA 4.6 Diagrama de blocos do receptor coerente 4-FSK

O sinal modulado em FSK chega ao receptor e dividido conforme a sua freqncia, aps o sinal entra em um correlacionador que integra o sinal at o perodo do smbolo que conhecido, esse sinal vai para um bloco de deciso de smbolos na qual decide em favor do smbolo 1, 2, 3 ou 4. O sinal j sai na seqncia original conforme a deciso de smbolos for gerando a seqncia. Aps isso o sinal transformado em bit que reconstitui o sinal original.

4.2.3 Receptor no coerente

Os detectores no coerentes possuem a vantagem de serem mais simples de serem implementados por no precisarem possuir sincronismo de fase que a principal diferena entre coerentes e no coerentes, mas necessitam de temporizao de smbolos. Segue na FIGURA 4.7 o diagrama de blocos para um receptor no coerente para 4-FSK.

FIGURA 4.7 Diagrama de blocos do receptor no coerente 4-FSK

28

Nesse tipo de receptor, o sinal FSK recebido passado por um filtro passa-faixa, na qual somente a freqncia desejada passa para o prximo bloco e as outras so cortadas. Essas freqncias j so conhecidas pelo receptor que so as mesmas que foram usadas na transmisso. Aps o filtro o sinal entra em um detector de envoltria no qual totalmente insensvel a variaes de fase, por isso a no utilizao de sincronismo de fase. [10] Esse detector segue a envoltria do sinal at o perodo do smbolo, e constri um pulso retangular conforme mostrado na FIGURA 5.8.

FIGURA 4.8 Diagrama de blocos do receptor no coerente BFSK

4.3 LARGURA DE BANDA

Largura de banda a faixa de freqncia que o canal pode utilizar para trafegar uma informao. Junto com a potncia transmitida, a largura de banda constitui os dois recursos de comunicao principais cuja utilizao eficiente prov a motivao para a busca de esquemas espectralmente eficiente. O principal objetivo de uma modulao maximizar a eficincia de largura de banda de canal definido como a relao da taxa de dados em bits por segundo pela largura de banda de canal efetivamente utilizada. Outro objetivo obter essa eficincia de banda com um desperdcio mnimo da potncia de sinal em um canal perturbado por AWGN Noise Gaussian White Aditive, (Rudo Branco Gaussiano Aditivo). [9]

Para uma modulao em FSK quanto maior o nmero de freqncias utilizadas, maior ser a taxa de transmisso, mas a eficincia da largura de banda ser menor. Logo se deve ter um compromisso entre a largura de banda que ser ocupada com a taxa de

29

transmisso do sinal e ao contrrio, o PSK quanto maior for o nmero de smbolos, maior ser a eficincia da largura de banda do sinal ocupado, entretanto os receptores devem ser mais sensveis as variaes de fase aumentando a complexidade dos mesmos. Atravs dessas afirmaes, dito que sinais PSK M-rios so espectralmente eficientes, ao passo que os sinais FSK M-rios so espectralmente ineficientes. [10] Segue na TABELA 4.2 a probabilidade de eficincia de largura de banda em relao ao nmero de smbolos da modulao e na FIGURA 4.9 o grfico da eficincia de banda versus a SNR (Relao Sinal-Rudo).

TABELA 4.2 Eficincia de largura de faixa em M-PSK e M-FSK

FIGURA 4.9 Eficincia de banda em sinais M-PSK e M-FSK

Nota-se na FIGURA 4.9 que para o presente trabalho em que M = 4 a eficincia espectral igual para os dois tipos de modulao, seja PSK ou FSK.

30

5 PROJETO DO MODEM ACSTICO

O projeto do modem acstico tem por objetivo definir as principais caractersticas na qual o sinal ir se propagar por um meio qualquer. O primeiro e essencial objetivo foi definir em qual faixa de freqncia o sinal ir ser transmitido, atravs dessa faixa que foi determinado outros requisitos para a transmisso digital da informao.

Como o modem acstico projetado em cima de um software [12, 13, 14], e seu dispositivo de recepo para anlise do sinal o microfone, foi determinado em qual faixa que esse dispositivo opera com melhor eficincia. Para se determinar essa faixa, h no prprio MATLAB um recurso que nos faz gerar um sinal digital aleatrio branco com distribuio uniforme, e que faz a transformada discreta de Fourier desse sinal. Devido o sinal gerado ser um sinal branco, sua a densidade espectral de potencia aproximadamente o mesmo para o meio de transmisso.

Segue na FIGURA 5.1 o grfico gerado no MATLAB, nota-se que o sinal foi amostrado automaticamente em uma freqncia de 44,1 kHz, pois seu grfico est limitado uma freqncia mxima de 22,05 kHz seguindo o teorema de Nyquist.

FIGURA 5.1 Faixa de freqncia do microfone

No grfico foi destacada a faixa que ser utilizada para a realizao da transmisso do sinal acstico. Observa-se que a partir dos 6 kHz o sinal sofre forte atenuao caindo em mais de 50 dB entre 6 a 10 kHz, e antes da freqncia de 1 kHz foi descartado seu uso devido a no-linearidade causada pelas harmnicas do sinal. A faixa entre 1 e 6 kHz foi escolhida

31

por sua estabilidade e linearidade entre as harmnicas, logo o sinal ir se propagar dentro dessa faixa. As freqncias e a banda do sinal podem ser facilmente alteradas no algoritmo, devido que cada placa de som e microfone possui respostas diferentes ao sinal digital aleatrio branco.

5.1 MODULAO UTILIZADA

A modulao utilizada aps os estudos das modulaes digitais foi a FSK M-ria devido complexidade do receptor utilizado em modulaes em fase, pois necessrio tcnicas de sincronizao apuradas para sincronizar tanto o tempo dos smbolos quanto a fase do sinal recebido com a portadora gerada localmente.

A partir que foi escolhida a modulao FSK, foi necessrio atribuir freqncias diferentes para cada smbolo utilizado, e atravs da faixa de freqncia destacada na FIGURA 5.1 que se atribuiu freqncias para os quatro smbolos. Segue na TABELA 5.1, cada smbolo com sua respectiva freqncia e suas ilustraes na FIGURA 5.2.

TABELA 5.1 Freqncias utilizadas e seu smbolo correspondente

0 50 100-10

-5

0

5

10FREQUENCIA 0, Fp0 = 2000 Hz

0 50 100-10

-5

0

5

10FREQUENCIA 1, Fp1 = 3000 Hz

0 50 100-10

-5

0

5

10FREQUENCIA 2, Fp2 = 4000 Hz

0 50 100-10

-5

0

5

10FREQUENCIA 3, Fp3 = 5000 Hz

FIGURA 5.2 Freqncias para cada smbolo

32

5.2 DISPOSITIVOS UTILIZADOS

Os dispositivos utilizados para transmisso e recepo dos sinais foi respectivamente um alto-falante e um microfone. Segue abaixo na figura os prprios e suas respectivas especificaes tcnicas nas tabelas.

TABELA 5.2 Especificaes tcnicas do microfone

CLONE

FIGURA 5.3 Microfone CLONE

Microfone CLONE

Padro polar Multi-direo Impedncia de Sada 1,4 k ohms 30%

Freqncia de Resposta 100 Hz a 15 kHz

Sensibilidade -54dB 3dB Tenso de Operao 1V ~ 10V

Consumo de Corrente 350mA

Conector 3,5mm estreo mini-plugue

Peso 118 g

TABELA 5.3 Especificaes tcnicas das caixas acsticas CLONE

FIGURA 5.4 Caixas acsticas CLONE

Caixa acstica CLONE

Potncia 1,5 W (RMS)

Potncia total de Sada 0,75W + 0,75W (RMS)

Impedncia 8 Ohms

Freqncia de Resposta 100Hz ~ 20KHz

Alimentao 5 Vdc (USB)

Conexo de udio Mini-plugue 3,5mm estreo

Alimentao USB

33

6 PROJETO EM MODO OFF-LINE

Aps os estudos e a definio da tcnica de modulao que seria utilizado para transmitir atravs do modem acstico, foi feita a primeira simulao no ambiente MATLAB do projeto. Primeiramente foi simulado em mtodo off-line, que significa que o sinal gerado, processado e regenerado no mesmo programa e no mesmo computador. Esse mtodo tem a finalidade de entender os processos de digitalizao e processamento de sinais em um ambiente de condies ideais, em condies com rudos e sem a preciso de sincronismo. Foi til a realizao nesse mtodo para conhecer passo a passo o processo de cada bloco do diagrama, sua utilidade dentro do sistema, periodicidade da transmisso e o tamanho dos smbolos.

6.1 MODO OFF-LINE EM CONDIES IDEAIS

Na FIGURA 6.1 segue o diagrama de blocos que foi utilizado para programar o sistema no mtodo off-line em condies ideais. A tarja azul significa que todos os blocos foram tratados via software.

FIGURA 6.1 Diagrama de blocos do modem acstico em mtodo off-line em condies ideais

A mensagem original foi uma informao de udio (sinal de voz) gravada por 10 segundos no programa a uma taxa de amostragem de 8.000 Hz, suficiente para amostrar todo espectro da fala humana. A FIGURA 6.2 ilustra o sinal gravado.

34

FIGURA 6.2 Sinal gravado

FIGURA 6.3 Espectro do sinal gravado

Acima na FIGURA 6.3 est a ilustrao do espectro do sinal gravado centralizado em 0 Hz. Nota-se que a faixa de freqncia vai at 4 kHz devido a amostragem de 8 kHz seguindo o teorema de Nyquist. Atravs da ilustrao possvel observar que a partir de 1,5 kHz o sinal praticamente no possui nenhuma componente espectral, afirmando que a taxa de amostragem de 8.000 Hz suficiente para voz humana.

Para observar os instantes de amostragem do sinal original, a FIGURA 6.4 mostra as primeiras cem amostras que foram amostrados do sinal.

35

FIGURA 6.4 Cem primeiras amostras do sinal

Atravs do diagrama de blocos da FIGURA 6.1, o prximo objetivo aps gerar um sinal para ser processado, transformar os bits desse sinal em smbolos. A converso A/D feita pela placa de som no instante da gravao do sinal, j que os computadores trabalham apenas com bits. Seguem na FIGURA 6.5 os primeiros smbolos que sero transmitidos.

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3Mapeamentos dos simbolos

Instantes de Amostragem

Valo

r de

ca

da si

mbo

lo

FIGURA 6.5 Mapeamento dos smbolos do sinal

36

Cada smbolo possui uma freqncia pr-determinada que ser transmitida atravs do canal, assim o receptor reconhecer a freqncia detectada e a transformar para smbolo reconstituindo o sinal. Segue a seguir as ilustraes do sinal regenerado junto com o sinal original para verificar se houve alguma distoro durante o processamento do mesmo.

FIGURA 6.6 Comparao das cem primeiras amostras do sinal TX x RX.

FIGURA 6.7 Comparao do sinal original com o recebido

37

A FIGURA 6.6 mostra quem em condies ideais o sinal recuperado com uma pequena distoro conhecida como rudo de quantizao. Esse rudo to pequeno que na FIGURA 6.7 nota-se que o sinal regenerado o prprio original.

Quando se converte um sinal analgico para o digital, preciso fazer o processo de quantizao, e para quantizar determinado sinal sempre se ter amostras que ficaro dentro do intervalo de dois nveis, logo o quantizador ter que fazer uma aproximao e colocar a amostra para o nvel mais prximo. Portanto no tem como retirar esse rudo, mas pode-se diminuir com quantizadores no uniformes, entretanto o rudo to pequeno que para o trabalho presente no afeta o sistema. Uma aproximao feita nas FIGURAS 6.6 e 6.7 para se observar a baixa distoro que provocada.

FIGURA 6.8 Comparao das amostras do sinal original com o recebido

FIGURA 6.9 Comparao do sinal original com o recebido

38

FIGURA 6.10 Taxa de erro de smbolo e BER

Acima se tem as taxas de erros, tanto de smbolos como de bit, e como o sistema foi simulado em condies ideais, no foi encontrado erros, mesmo com o rudo de quantizao.

6.2 MODO OFF-LINE COM RUDO

Para simular o sistema em um modo com rudo, foi utilizado o diagrama de blocos da FIGURA 6.11, a tarja azul significa que os blocos foram tratados via software.

FIGURA 6.11 Diagrama de blocos do modem acstico em mtodo off-line com rudo

39

A mensagem original foi uma nova informao de udio (sinal de voz) gravada por 10 segundos no programa a uma taxa de amostragem de 8.000 Hz, o mesmo processamento da simulao no mtodo em condies ideais. Nessa simulao foi adicionado um rudo branco que ocorre em comunicaes reais devido ao canal de comunicao. As figuras abaixo ilustram o sinal gravado e seu respectivo espectro.

FIGURA 6.12 Sinal gravado

FIGURA 6.13 Espectro do sinal gravado

40

Os smbolos do sinal original foram transmitidos da mesma forma que a simulao anterior sendo adicionado o rudo gaussiano branco, a seguir a FIGURA 6.14 mostra a comparao entre as amostras dos sinais.

FIGURA 6.14 Comparao do sinal original com o recebido e seus erros

No grfico acima, foi comparada s mil amostras iniciais do sinal, observa-se que ocorreram alguns erros na determinao de cada amostra, isso acarreta em erros na determinao dos smbolos que o receptor executa. Uma aproximao dos erros nas amostras segue na figura abaixo com destaque para os mesmos.

FIGURA 6.15 Detalhes dos erros das amostras

41

Com o rudo branco adicionado, visto que em apenas mil amostras j se teve muitos erros, e como a taxa de amostragem de 8000 Hz e o sinal gravado em 10 segundos, h muito mais erros no sinal conforme mostra a FIGURA 6.16.

FIGURA 6.16 Taxa de erro de smbolo e BER

A comparao do sinal original com o regenerado mostrada a seguir, e pode-se notar que as distores causadas pelo rudo no so considerveis para o sistema que foi implementado, tanto que na audio do sinal regenerado, o ouvido humano no percebe os erros causados. Um zoom na comparao do sinal original com o regenerado possvel verificar em detalhes as distores.

FIGURA 6.17 Detalhe dos erros de regenerao do sinal original

42

7 PROJETO EM MODO TRANSMISSOR-RECEPTOR

Aps a simulao do modem acstico em modo off-line, onde ficou conhecida a durao de cada smbolo transmitido, o tamanho de cada um e outros parmetros importantes, os programas foram modificados um pouco em seus algoritmos para podermos fazer a transmisso e recepo de um sinal atravs de dois computadores diferentes usando um canal de comunicao real. Abaixo na FIGURA 7.1 segue o diagrama de blocos do sistema usado neste mtodo, os filtros de transmisso e recepo no precisaram ser produzidos, pois a prpria placa de som faz a filtragem dos sinais de entrada e de sada. A tarja em azul so os blocos implementados via software, e as tarjas em vermelho e laranja so o transmissor e o receptor respectivamente.

FIGURA 7.1 Diagrama de blocos do MODEM ACSTICO no modo TRANSMISSOR-RECEPTOR

7.1 BLOCOS DO TRANSMISSOR

Seguindo o diagrama acima, a FIGURA 7.2 ilustra o sinal original que ser transmitido atravs do canal.

43

0 2 4 6 8 10 120

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200Sinal gerado original

Tempo

Valo

r de

ca

da am

ostra

FIGURA 7.2 Sinal da mensagem original

A seqncia de nmeros a ser transmitida conforme a FIGURA 7.2 ilustrada abaixo na FIGURA 7.3

FIGURA 7.3 Seqncia de nmeros a ser transmitido

Conforme a FIGURA 7.1, aps a gerao do sinal a ser transmitido preciso transformar os bits de cada nmero da seqncia em uma seqncia de dibit para a associao de cada dibit a um smbolo. Segue na FIGURA 7.4 e na FIGURA 7.5, o sinal original em binrio e os primeiros dibit do sinal com seu smbolo correspondente atravs do cdigo Gray.

44

FIGURA 7.4 Sinal original em sua forma binria

FIGURA 7.5 Seqncia dos dibit do sinal binrio original e seus smbolos

No mapeamento dos bits para smbolos, cada dibit foi associado a um smbolo e uma respectiva freqncia. A FIGURA 7.6 mostra a relao dos dibits, dos smbolos e de suas freqncias.

FIGURA 7.6 Dibit associado ao smbolo e sua freqncia

45

Aps a associao dos smbolos com a freqncia, o sinal transmitido para o canal de comunicao atravs das caixas acsticas. Abaixo segue a FIGURA 7.7 com o menu que foi feito para se utilizar o transmissor.

FIGURA 7.7 Menu do transmissor

7.2 BLOCOS DO RECEPTOR

No presente trabalho a modulao utilizada para a transmisso foi o FSK-4, portanto possvel utilizar tanto receptores coerentes ou no coerentes. No projeto do modem foi utilizado um receptor no coerente como o ilustrado nas FIGURAS 4.7 e 4.8 anteriormente, na qual se utiliza filtros passa-faixas na entrada do demodulador e detectores de envoltria para se reconstruir o sinal original.

Para comear a gravao do sinal, o receptor fica esperando um pulso de sincronizao de 5,5 kHz. H um filtro inicial que deixa passar apenas a freqncia de 5,5 kHz, pois assim que ela detectada o receptor comea a gravao. Na FIGURA 7.8 se tem a tela do receptor quando fica no aguardo do pulso.

46

FIGURA 7.8 Espera do pulso de sincronizao

Quando o receptor fica no aguardo do pulso, ele fica em loop de 0,3 segundos a todo o momento e filtra o sinal gravado, tira a transformada de Fourier, e se no for detectada nenhuma componente espectral na freqncia de 5,5 kHz com amplitude suficientemente grande para que o receptor reconhea que o pulso de sincronismo, ele descarta e grava outro sinal e fica dando loop at detectar o pulso original.

O pulso para a sincronizao mostrado na FIGURA 7.9 e o filtro para detectar o pulso ilustrado na FIGURA 7.10.

FIGURA 7.9 Pulso de sincronizao

47

FIGURA 7.10 Filtro passa-faixa 5500 Hz para sincronismo

Assim que o pulso detectado, o receptor comea a gravar o sinal por um tempo j conhecido, pois como o modem no acontece em tempo real mensagem precisa ser gravada antes para a reconstruo do sinal, logo para se gravar um sinal no MATLAB preciso especificar um tempo para o trmino na respectiva gravao.

O sinal detectado ilustrado na FIGURA 7.11 e os smbolos transmitidos nas freqncias de 2, 3, 4 e 5 kHz so os respectivos pulsos com durao constante.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Tempo [seg]

Am

plitu

de [V

]

Sinal Gravado

FIGURA 7.11 Sinal gravado pelo receptor

48

FIGURA 7.12 Freqncias detectadas no receptor

Na FIGURA 7.12 se tem o espectro do sinal terminado em 6 kHz, isso acontece pois para a gravao do sinal foi utilizado uma freqncia de amostragem de 12 kHz. Foi escolhida essa freqncia pois a maior freqncia que foi transmitida para o receptor foi de 5 kHz, e seguindo o teorema de Nyquist, devemos ter no mnimo o dobro da maior freqncia do sinal original para que no haja erros como a ISI (Interferncia Inter-simblica) na recepo.

Observa-se tambm que o sinal foi detectado eficientemente em suas freqncias transmitidas, algumas componentes de freqncia em torno de 100 Hz aconteceram devido aos rudos do ambiente.

Seguindo o detector no coerente, o prximo passo foi separar as amostras conforme sua freqncia detectada. Para a separao das mesmas, se utilizou filtros passa-faixa deixando passar apenas a freqncia desejada, o restante das freqncias so atenuadas. Seguem nas FIGURAS 7.13, 7.14, 7.15 e 7.16 os filtros que foram programados para a filtragem de cada componente conforme a freqncia desejada e o sinal aps a filtragem.

49

0 1 2 3 4 5 6-120

-100

-80

-60

-40

-20

0FILTRO PASSA-FAIXA, F1 = 2000 [Hz]

Freqncia [Hz]

Ampl

itude

[dB

]

FIGURA 7.13 Filtro passa-faixa 2000 Hz e Sinal aps o filtro

50

0 1 2 3 4 5 6-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Ampl

itude

[dB

]

Freqncia [Hz]

FILTRO PASSA-FAIXA, F2 = 3000 [Hz]

FIGURA 7.14 Filtro passa-faixa 3000 Hz e Sinal aps o filtro

51

0 1 2 3 4 5 6-120

-100

-80

-60

-40

-20

0FILTRO PASSA-FAIXA, F3 = 4000 [Hz]

Freqncia [Hz]

Ampl

itude

[dB

]

FIGURA 7.15 Filtro passa-faixa 4000 Hz e Sinal aps o filtro

52

0 1 2 3 4 5 6-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Freqncia [Hz]

Ampl

itude

[dB

]

FILTRO PASSA-FAIXA, F4 = 5000 [Hz]

FIGURA 7.16 Filtro passa-faixa 5000 Hz e Sinal aps o filtro

53

Aps o banco de filtros o sinal j filtrado passado por um detector de envoltria, na qual segue a amplitude do sinal de entrada. A envoltria a informao transmitida e est presente nos ciclos positivos e negativos do sinal modulado. Um detector de envoltria corresponde a um retificador que consiste em pegar a parte positiva do sinal de entrada e transforma-lo em um pulso constante, a FIGURA 7.17 ilustra o funcionamento do mesmo.

FIGURA 7.17 Funcionamento de um detector de envoltria

As FIGURAS 7.18, 7.19, 7.20 e 7.21 so as sadas dos detectores de envoltrias.

FIGURA 7.18 Sada do detector de envoltria da freqncia de 2000 Hz

54

FIGURA 7.19 Sada do detector de envoltria da freqncia de 3000 Hz

FIGURA 7.20 Sada do detector de envoltria da freqncia de 4000 Hz

55

FIGURA 7.21 Sada do detector de envoltria da freqncia de 5000 Hz

Aps os detectores de envoltrias, os quatro sinais vo para um decisor de smbolo na qual faz uma comparao entre as amostras de cada sinal. Como o decisor sabe qual a durao de cada smbolo, ele pega o valor desse e faz uma comparao: se nesse intervalo o sinal que saiu do detector que veio do filtro de 2000 Hz for maior que os outros, ele seta o smbolo 0, se o sinal maior for o que saiu do detector que veio do filtro de 3000 Hz, ele seta o smbolo 1, e assim para as outras sadas conforme a FIGURA 7.6 j ilustrada anteriormente.

56

8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Nas experincias foram utilizados dois computadores conforme a FIGURA 8.1, e foi sendo alterada a taxa de transmisso para verificar como o receptor iria se adaptar a essas mudanas, podendo ter ou no erros de smbolos e bits. As transmisses e recepes dos experimentos foram feitos todos no modo TRANSMISSOR-RECEPTOR usando um canal de comunicao real na presena de rudo e com a mesma mensagem que foi transmitida nesse modo explicado anteriormente.

FIGURA 8.1 Mtodo TRANSMISSOR-RECEPTOR do Modem Acstico

Inicialmente foi transmitido os smbolos a uma taxa de 1 smbolo/seg ou 2 bps. Nessa transmisso o microfone ficou bem prximo das caixas acsticas permitindo um instante timo de amostragem, pois a aproximao do microfone ocasiona uma compresso do sinal e assim fazendo a durao dos pulsos terem menor durao. A FIGURA 8.2 ilustra a seqncia de smbolos transmitida e a seqncia recebida na transmisso de 2 bps.

57

FIGURA 8.2 Seqncia de smbolos transmitidos e recebidos

Observa-se que houve uma tima recepo sem nenhum erro, a mensagem foi regenerada com seus respectivos bits em ordem. Aps foi sendo aumentada a taxa de transmisso do sistema ficando limitado a uma taxa de 4,5 smbolos/seg ou 9 bps, pois a placa de som do computador utilizado no consegue reproduzir os tons do smbolos acima dessa velocidade.

58

Nos testes o receptor conseguiu recuperar os dados de forma correta at a taxa de 4 bps, acima dessa taxa o receptor comeou a se mostrar ineficiente devido ao pulso de sincronismo ser de 0,3 segundos. Esse tempo da gravao do sincronismo foi o mximo conseguido, pois diminuindo sua durao o receptor no consegue detectar o pulso para iniciar a gravao do sinal, isso ocorre devido aos dispositivos utilizados como o microfone e as caixas acsticas no serem de alta qualidade.

Outro teste foi feito colocando o sinal a uma taxa de 1 bps aos efeitos Doppler e de multipercurso. Para a realizao da transmisso sobre os efeitos Doppler, necessrio que algum dos dispositivos esteja em movimento, isso se consegue com um simples deslocamento do microfone em relao s caixas acsticas. Segue abaixo na FIGURA 8.3 as ilustraes de um smbolo na freqncia de 3000 Hz em um intervalo de 0,5 seg. sofrendo efeito Doppler.

FIGURA 8.3 Efeito Doppler em um smbolo de 0,5 segundos

59

A FIGURA 8.3 demonstra que para um objeto em movimento se afastando, o comprimento da onda se torna maior diminuindo a freqncia do sinal e o som fica mais grave. J para um objeto que est se aproximando, o comprimento de onda diminui e em conseqncia a freqncia aumenta e o som se torna mais agudo. Essa freqncia que altera a freqncia original de uma fonte chama de Freqncia Doppler e proporcional a velocidade entre a fonte e o objeto em movimento. [4]

Para se verificar o sinal sofrendo os efeitos de multipercurso um anteparo foi colocado dentro da linha de visada do microfone e das caixas acsticas e os mesmos permaneceram fixos. O anteparo utilizado foi uma placa metlica circular de 30 cm de dimetro conforme a FIGURA 8.4.

FIGURA 8.4 Anteparo utilizado

Na FIGURA 8.5 ilustrado os grficos de resposta em freqncia do sinal. Na primeira ilustrao se tem o canal sem nenhuma obstruo tendo o transmissor e o receptor uma linha de visada direta. Na ilustrao posterior se tem a resposta em freqncia do sinal recebido com o anteparo colocado bem no meio da distncia entre o microfone e as caixas acsticas, observa-se que as amplitudes correspondentes aos smbolos tm uma pequena atenuao aumentando medida que o anteparo aproximado do microfone. A ltima ilustrao tem-se o anteparo muito prximo ao microfone e uma atenuao significativa das componentes de amplitude correspondente aos smbolos.

60

Atravs desse teste foi possvel observar que o receptor consegue captar o sinal mesmo com obstculos obstruindo, e isso se deve exatamente a propagao por multipercurso que existe devido s reflexes do sinal.

FIGURA 8.5 Resposta em freqncia do sinal recebido atravs de multipercursos

61

9 CONSIDERAES FINAIS

Com o objetivo de produzir um sistema de modulao com sada em forma de sinais acsticos, o trabalho mostrou-se abrangente e extenso. A dificuldade de sua implementao foi a realizao do receptor, na qual foi necessrio um estudo aprofundado em teoria de receptores timos e ainda mais em comandos para o ambiente de programao em MATLAB.

O sistema desenvolvido se mostrou eficiente para taxas de transferncia de at 4 bps, acima dessa taxa a implementao se tornou vulnervel a erros em smbolos devido a tcnica de sincronismo no ser a mais eficaz para esse tipo de sistema. Os dispositivos utilizados da marca CLONE tambm se mostraram ineficientes devido baixa qualidade tanto das caixas acsticas quanto do microfone. Para um futuro trabalho no aprimoramento deste aconselhvel utilizar dispositivos de maior qualidade para assim obter resultados mais eficientes. Apesar desses problemas o objetivo principal do trabalho foi concludo com xito na qual era transmitir qualquer tipo de informao por meio de ondas acsticas no importando largura de banda e taxa de transferncia, e sim apenas a perfeita recepo do sinal original.

A partir dos resultados prticos verificou-se que o mtodo de sincronizao utilizado foi pouco eficiente quando se elevava a taxa de transmisso, sendo a substituio desse tipo de sincronismo de tempo uma sugesto para a extenso do presente trabalho. Outras sugestes para futuras modificaes o desenvolvimento de um compressor de voz para transmisso de udio e rotinas de programao para um sistema em modo online, na qual enquanto se transmite um sinal o receptor j o processa e reproduz em tempo real.

Atravs deste estudo foi possvel verificar como funciona um sistema de modulao digital, as condies necessrias para sua aplicao e a sua implementao na prtica. O presente trabalho tambm esclareceu o passo a passo de um sistema de transmisso digital, suas vantagens, dificuldades de implementao e outros aspectos relativos ao funcionamento dos modems.

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REFERNCIAS

[1] CETACEAN RESEARCH TECHNOLOGY, Underwater and Bioacoustics Instrumentation & Consultation. Disponvel em < http://www.cetaceanresearch.com>. Acessado em: 12 abr. 2008

[2] FREITAG, Lee et al. The WHOI Micro-Modem: An Acoustics Communications and Navigation System for Multiple Platforms. Woods Hole Oceanographic Institution.

[3] STOJANOVIC, Milica. Wireless Underwater Communications and Network: Current Achievements and Future Research Challenges. Massachusetts Institute of Technology.

[4] NICOLAU, Gilberto; SOARES, Paulo Antonio. A. Fsica Bsica: Volume nico. So Paulo: Atual Editora LTDA, 1998.

[5] BLAUERT, Jens (Ed.). Communication acoustics. Berlin: Springer, c2005. 379p.

[6] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de fsica. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 2v.

[7] NETTO, Luiz Ferraz. Ondas e Acsticas. Disponvel em . Acesso em: 24 mar. 2008.

[8] NETO, Arthur Ayres. Uso da ssmica de reflexo de alta resoluo e da sonografia na explorao mineral submarina. Revista Brasileira de Geofsica. So Paulo, v.18, n.3, mar. 2000.

[9] BENEDETTO, Sergio; BIGLIERI, Ezio. Principles of digital transmission: with wireless applications. New York: Kluwer Academic/Plenum Press, 1999. 855p. (Information technology: transmission, processing, and storage).

[10] HAYKIN, Simon S. Sistemas de comunicao: analgicos e digitais. 4.ed. Porto Alegre: Bookman, 2004. 837p, Traduo de: Communication systems.

[11] DECOM-FEEC-UNICAMP. Receptores timos e Modulao Digital, Princpios de Comunicaes I.

[12] PROAKIS, John G; MANOLAKIS, Dimitris G. Digital signal processing: principles, algorithms, and applications. 3rd ed. Upper Saddle River, N. J : Prentice-Hall, c1996. xv, 968p, il.

[13] INGLE, Vinay K; PROAKIS, John G. Digital signal processing Using MATLAB. Pacific Growe : Brooks-Cole, 2000. xiv, 418p, il. (BookWare Companion series).

[14] CHAPMAN, Stephen J. Programao em MATLAB para engenheiros. So Paulo : Pioneira Thomson Learning, 2003. xix, 477 p, il. Traduo de: MATLAB programming for engineers.