sistema de comunicación acústica

7/21/2019 Sistema de Comunicación Acústica

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µ



·

µ

·

·



·



µ



µ

k = 1,5

w = 3m/s

s = 0,5



S 11



I cc

V CA

P mp

V mp

I mp

∆

∆

∆

∆



ms



V binmax

Dmax

P TXmax P RXmax

P inactivo

V binmax

Dmax

P TXmax

P RXmax P inactivo P espera

V binmax

Dmax

f c

V cc



SINCRONIZACIÓN

SENSORES

INTERFAZ

INALÁMBRICA

GESTIÓNDE

ENERGÍA

SISTEMA

CONTROL(µcontrolador)

- Red Asíncrona

- Red Síncrona

1500 m

s

3 · 108 ms



σ

α

α = 0,0173

f σ



V binmax

Dmax

P TXmax

P RXmax

P inactivo

V binmax

P TXmax

P RXmax

P inactivo

Dmax

m2

λ

I

I 0

I (λ) = I 0(λ)e−κ(λ)d



κ(λ)

α(λ)

ζ (λ)

κ(λ) = α(λ) + ζ (λ)

α(λ)

H 2O

NaCl MgCl2 Na2SO4 CaCl2 KCl



ms

T

D S

c = 1448,96 + 4,591T − 5,304 × 10−2T 2 + 2,374 × 10−4T 3

+1,340(S − 35) + 1,630 × 10−2D + 1,675 × 10−7D2

−1,025 × 10−2T (S − 35) − 7,139 × 10−13D3



f

a

10log(a(f )) = 0,11f 2

(1 + f 2) +

44f 2

(4100 + f 2) + 0,000275f 2 + 0,0003



0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Frecuencia [kHz]

A t e n u a c i ó

n [ d B / m ]

Ondas Acústicas

Ondas de Radiofrecuencia

Comunicaciones Ópticas (independiente de la frecuencia)



A(l, f ) = lka(f )l

lk l

k

N

N t

N s

N w

N th

10log N t(f ) = 17 − 30logf 10 log N s(f ) = 40 + 20(s − 0,5) + 26 log(f ) − 60 log(f + 0,03)

10log N w(f ) = 50 + 7,5w1/2 + 20 log f − 40 log(f + 0,4)10log N th(f ) = −15 + 20log f

N (f ) = N t(f ) + N s(f ) + N w(f ) + N th(f )

µ f

s

w

m/s



10−3

10−2

10−1

100

101

102

1030

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Turbulencias

Frecuencia [kHz]

R u i d o [ d B

r e u P

a ]

Térmico

Tráfico Marítimo

Viento

Medio (s=0.5)

Bajo (s=0)

w=10 m/s

w=5 m/s

w=1 m/s

Intenso (s=1)

µ



A(l, f )

N (f )

SL

BW

SN R(dB) = SL − T L − N L = SL − 10log(A(f )) − 10log(N (f )) · BW



20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

−160

−140

−120

−100

−80

−60

−40

Frequency [kHz]

T r a n s m i s s i o n L o s s a n d N

o i s e 1 / ( A ( d , f ) N

( f ) ) [ d B ]

d=50km

d=10km

d=5km

d=1km

d=500m

d=100m

d=50m

k = 1,5 w = 3m/s

s = 0,5



y(t) = A · x(t) · sin(2πf ct)

y(t) = A · sin(2π[f c + B · x(t)]t)

y(t) = A · sin(2πf ct + B · x(t))



L = W B



ηespectral



ηespectral = V binaria(bps)

AnchoBanda(Hz)

µA



V b i n m a x

D m a x

P TX m a x

P RX m a x

P i n a c t i v o

P e

s p e r a

V b i n m a x

P T X m a x

P RX m a x

P i n a c t i v o

P e s p e r a

D m a x



P Normalizada

P Normalizada =P nodo(W )

Alcance(m) · Eficienciaespectral(bps/Hz)

P nodo

ATX ARX

Aespera



ηespectral

P nodo(W ) = ATX · P TX + ARX · P RX + Aespera · P espera(W )ATX + ARX + Aespera = 1

0 ≤ ATX , ARX , Aespera ≤ 1

P espera(sin modulo espera) = 25 % · P RX + 75 % · P inactivo



TX RX

Espera

P Normalizada(dB) = 10log10

P Normalizada(W

mHzbps)

1(W m

Hzbps )



bpsHz

Aespera ATX ARX

Aespera = 1

ATX = ARX = 0



−60 −50 −40 −30 −20 −10 0

AQUAModem 1000

AquaComm Marlin

AquaComm Mako

AquaComm Orca

MicronModem

MicroModem (FSK)

MicroModem (PSK)

ATM9XX (PSK)

ATM9XX (MFSK)

ATM88X (PSK)

ATM885 (MFSK)

S2CR 48/78

S2CR 40/80

S2CR 18/34

S2CR 12/24

S2CR 7/17

UWM1000

UWM2000

UWM2000H

UWM2200

UWM3000

UWM3000H

UWM4000

UWM10000

SAM−1

Potencia Normalizada [dB re 1 (W*Hz)/(m*bps)]

Espera

Recepción

Transmisión



Aespera = 0,98

ATX = ARX = 0,01

Aespera = 0,90

ATX = ARX = 0,05

Aespera = 0,8

ATX = ARX = 0,1

Aespera = 0,6

ATX = ARX = 0,2

Aespera = ATX = ARX = 13

Aespera = 0

ATX = ARX = 1

2

Aespera = ARX = 0 ATX = 1



Aespera

ATX ARX

ATX ARX



V b i n m a x

D m a x

D m

a x

V b i n m a x



T RA N S D U C T

OR

E L E C T R O

-

A C Ú S T I C O

GE S T I Ó N

DE

E NE R GÍ A

A C ONDI C I ONA MI E NT O

DE L A S E Ñ A L

P RE -

A MP L I F I C A D OR

RE C E P C I Ó N

A MP L I F I C A D OR

P OT E N C I A

T RA N S MI S I Ó N

UNI DA D

D

E

P R O C E S A MI E

NT O

Y C ONT R O

L

I NT E RF A C E S DE C OM UNI C A C I Ó N

UNI DA D

E S P E C Í F I C A

P

R O C E S A MI E NT O

N Ú C L E O

N Ú C L E O

N Ú C L E O

T E MP ORI Z A D ORE S

UNI DA D

M UL T I P L I C A C I Ó N

Y

A C UM UL A C I Ó N

C ONV E RT I D ORE S

DI GI T A L / A NA L Ó GI C O

A NA L Ó GI C O / DI GI T A L

UA RT

...

S P I

U S B

E T HRNT

( e t h er n e t )

I 2 C

P R O

GRA MA C I Ó N

DE

P URA C I Ó N

E / S

DI GI T A L

UNI DA D

GE S T I Ó N

E NE R GÍ A

E X P A N S I Ó N

S E N S ORE S

A NA L Ó GI C O S

S E N S ORE S

DI GI T A L E S

...

A C T UA D ORE S

S I N

C R ONI Z A C I Ó N

P C

P UE RT A DE

E NL A C E

I NT E RF A Z C A B L E A D

A



µ



3 · 108



Trazas

Sintéticas

Trazas

Reales

Entorno de computación

numérica (Octave,

MATLAB…)

Núcleo de procesamiento

del módem

Código Fuente de los

Algoritmos de

Comunicaciones

(C/C++, Python…)

Código Fuente de los

Algoritmos de

Comunicaciones

(C/C++, Python…)

Modelos

Simulación Electrónica

SPICE

AMPL

Potencia

CAG

Filtros

MAR

Modelo de rayos del

canal: BELLHOP

Software de

Modelado y

Simulación

Módulos

Físicos

Hardware



drds = cξ (s) , dξ

ds = − 1c2

dcdr

dzds

= cζ (s) , dζ ds

= − 1c2

dcdz

ξ (s), ζ (s)



Traducción

Asistida

Traducción

Asistida

PROPUESTA

EXPERIMENTACIÓN

BANCO DEPRUEBAS

MODELO DESIMULACIÓN

TrazasReales

TrazasSintéticas

¿LA PROPUESTAES UN ÉXITO?

Simulación Despliegue

SÍ

COMPARACIÓNSIMULACIÓN/PROTOTIPO

MEJORA DELMODELO DESIMULACIÓN

FIN

ANÁLISIS DERESULTADOS

NO

DETECCIÓN DEERRORES DE

LA PROPUESTA

PROPUESTA DE

MEJORA DE LAPROPUESTA

código CScript

...DiagramaBloques

HWSPICE

...DiagramaBloques

IMPLEMENTACIÓN(* puede ser usada cualquier tipo de descripción)

Descripción SW * Descripción HW *



µ



FILTROCAG

Amplificador

Potencia

ADC

Generador

de Onda

Digital

Algoritmos de

Transmisión

Algoritmos

Recepción/

Decodificación

Grabaciones

Externas

Generador Externo

SARAMotor del

SARA

STM32F4X

Bloques del núcleo de procesamiento

C h e a p - D A Q

Compresión/

Almacenamiento de

Ondas

Repr.

Onda

Buffer



A

0 ≤ A ≤ 1 C

V

f

P = AC V 2f



P espera



µ

µ

f c

V cc

f c V cc µ

µ



µ

µ



MÓDEM

ACÚSTICO

MÓDEM

ACÚSTICO

DETECTOR

SEÑAL

ACTIVACIÓN

REMOTA

DATOS

SEÑAL DE ACTIVACIÓN

REMOTA



µ



AS3933

PORTADORA

PREÁMBULO

Portadora Detectada

PRIMER PATRÓN

Preámbulo Detectado

PATRÓN MCU

Ausencia dePortadora

Detección de 1r Patrón

Patrón MCU Detectado(ACTIVACIÓN)

Fallo en el Preámbulo

Fallo en Detección 1r Patrón

Fallo en Detección PatrónMCU



µ

µ

µ



RECEPTOR

DATOS

TRANSMISOR

R

E D

A D A P A

T A C I Ó N

P A S I V A

TANSDUCTOR

ÚNICO

LÓGICA

DE

CONTROL

DATOS

DATOS

O

ACTIVACIÓN

ACTIVACIÓNRECEPTOR

SARA



RED DE ADAPATACIÓN EN RECEPCIÓN

TRANSDUCTOR

ÚNICO

RECEPTOR

DATOS

RECEPTOR

SARA

T R A N S F O R M A D O R

I M P E D A N C I A

T R A N S F O R M .

I M P E D A N C I A

T R A N S F O R M .

I M P E D A N C I A

DIVISOR

POTENCIA

L I M I T A D O R

V O L T A J E

L I M I T A D O R

V O L T A J E

T 1l T 2l

Z entrada = Z salida1 = Z salida2 = Z 0



Z T 1

= Z T 2

= Z 0

√ 2

T 1l = T 2l = λ/4R1 = 2Z 0

λ

C 1 = C 2 = 12πf 0Z T

L1 = Z T 2πf 0



Z 0

Z entrada

Z salida



Z 0

Z salida = Z entrada

1 +

C 2C 1

2



S 11

S 11



Z 0

Ω

S 11 = Z − Z 0Z + Z 0

f r f a

π



f a = f r

C 1

C 2 + 1

wr = 2πf r = 1√ L1 · C 1

µ

µ



Ω

Ω



Ω

Ω

Ω

Ω



•

•



µ

µ

µ

µ

µ



P TX

P RX

µ



µ

µ



3 · 108



r(t) = s((1 + ∆)t)

f r = (1 + ∆)f s



‘0'

‘1’

Inicio

Trama

ESTIMADOR

DOPPLER DEMODULADOR

PLL

FILTRO ADAPTATIVO

Estimador

Velocidad

Nodo

Frecuencia

señal

x

Señal entrada

u(n)

h(n): alg. actualización

Tabla de entrenamiento

Sec. entrenamiento v1Sec. entrenamiento v2

...Sec. entrenamiento vn

Filtered

Signal

y(n)

Sincronismo

de Símbolo:

Umbral Decisión

+ Periodo

Frecuencia

señal

h(n)

y(n)

f0

Df

Velocidad

Del

Nodo

filtro

h(n)

(N coef.)

CORRELADOR

y(n)



∆ ·f ∆

∆

Delta

∆ = vs,r

c

h(n + 1) = h(n) + µu(n)e

∗

(n)



Tabla de entrenamiento

Sec. entrenamiento v1

Sec. entrenamiento v2

...

Sec. entrenamiento vn

filtro

h(n)

(N coefs.)

Señal entrada

u(n)

v(k)

d(n)

-

Ecuaciones

De

Velocidad

y(n)=hH(n)·u(n)

Señal filtrada

Algoritmo de

Mínimos

Cuadrados

e(n)=d(n)-y(n)

h(n)

Velocidad

Nodo

f0, Df

Umbral de decisión y tasa de símbolo

muestrabit muestreo N bpsvtx

f n /

)(



Entrenamiento

Doppler +

Multi-camino S I N C R .

B I T

I N I C I O

T R A M A

L O N G I T U D

T R A M A

DATOS

TRAMA C R C

F I N A L

T R A M A

Bits: 31 8 8 8 64 * 8 (MAX) 8(min) 8

n



θx(l) =

N,

0,

∈



perror

vnodo



∆E R(t, ∆t) P R(t)∆t = V 2R(t)

R ∆t

I R(t) = V R(t)

R

∆E sumidero(t) V sumidero(t)I sumidero(t)∆t



I sumidero(t) = f (Hoja − Especificaciones)

ef DC −DC

E salida

∆E DC −DC (t) = E salida(t)

ef DC −DC

V entrada

V salida

I salida

ef DC −DC

I entrada(t) = V salida(t)

V entrada(t)

I salida(t)

ef DC −DC



∆E linear(t) V entrada(t)I salida(t)∆t

I linear

I salida

I linear(t) = I salida(t)

V scond

E scond(t) = 1

2C (V scond(t))2

E scap

∆

E scond(t + ∆t) = E scond(t) − ∆E consumida(t) + ∆E recolectada(t)

I scond



I consumida

I recolectada

V scond(t) = 1

C

I scond(t)dt

I scond(t) = I consumida(t) − I recolectada(t)

I consumida(t) =

I R(t)+

I sumidero(t)+

I DC −DC (t)+

I linear(t)

∆

∆

V scond(t + ∆t) V scond(t) − 1

C I scond(t)∆t



0 = 1

C

i(t)dt + R · i(t)

vc(t + ∆t) = vc(t)∆e−∆tRC

vc(t+∆t) = vc(t)∆e−∆tRC = vc(t)

∞n=0

(−∆tRC )

n

n! = vc(t)(1−

∆tRC

1 +

( ∆tRC )

2

2! −...)

vc(t + ∆t) = vc(t) − vc(t) ∆t

RC + Error(∆t)

Error(∆t) ≤ R2(∆t) = vc(t)( ∆tRC )

2

2



vc(t + ∆t) = − 1

C

i(t)dt = − 1

C

I salida(t)

V salida(t)

vc(t)

1

ef DC −DC dt

vc(t + ∆t) =

v2c (t) − 2

C I salida(t)

1

ef DC −DC V salida(t)∆t

vc(t + ∆t) = vc(t)∞n=0

(−1)n−

1(2n − 1)!!2nn!

(−2 · I salida(t)C · ef DC −DC

V salida(t)vc(t)

∆t)n

vc(t + ∆t) = vc(t) − 1

C

V salida(t)

vc(t)

I salida(t)

ef DC −DC + Error(∆t)

Error(∆t) ≤ R2(∆t) = vc(t)1

8(− 2

C I salida(t)

1

ef DC −DC

V salida(t)

vc(t) ∆t)2

∆E (∆t) =

t+∆t t

P (t)dt =

t+∆t t

i(t)v(t)dt



∆E (∆t) =

t+∆t t

vc(t)vc(t)

R dt

∆E (t + ∆t) = E (t)(1− e−2∆tRC ) = E (t)(1−

∞

n=0

(−2∆tRC )n

n! ) =

vc(t)2

R ∆t + Error(∆t)

Error(∆t) ≤ R2(∆t) = vc(t)2∆t2

R2C

∆E (∆t) =t+∆t t

(vc(t) − I sumidero(t)

C t)I sumidero(t)dt

∆E (∆t) = vc(t)I sumidero(t)∆t − I sumidero(t)2∆t2

2C

Error(∆t) = I sumidero(t)2∆t2

2C

Error(∆t) = I salida(t)2∆t2

2C



V R(t)R

V 2R(t)R ∆t

vc(t)

( ∆tRC

)2

2vc(t)

2∆t2

R2C

f (V,...) V sumidero(t)I sumidero(t)∆t

I sumidero(t)2∆t2

2C

V salida(t)V entrada(t)

I salida(t)ef DC−DC

E salida(t)ef DC−DC

12vc

( I salidaV salida∆tCef DC−DC

)2

I salida(t) V entrada(t)I salida(t)∆t

I salida(t)2∆t2

2C

Ω

I sumidero

∆

V scond



J m2

W m2



I cc

V CA

P mp

V mp

I mp



I cc

P solar

I panel = I panelmax

P solar( W m2 )

1000( W m2 )

P panelmax

P panel(t) = P panelmax

P solar(t)( W m2 )

1000( W m2 )

P solar(t) =E solar(horaria)(t)( J

m2 )

3600(s)



ε

ε = −δ Φ

δt



kvf

f generador(Hz) = kvf (Hzms

)vcorriente(m

s )

Rg

Rg

Ω

kfe

V CA(V ) = kfe ( V

Hz)f generador(Hz)



Rg

V CA(V ) = kfe ( V

Hz)kvf (

Hzms

)vcorriente(m

s ) = K gen(

(V )ms

)vcorriente(m

s )

P max(W ) = V 2CA

4Rg=

K 2genv2corriente4Rg



V ca

I cc

P mp

• V mp

•

I mp

µ

µ

V mp

I cc



µ

Ω

I recarga

I recarga(t) =P solar(t)

V scond(t)ef BQ25504



µ



I recarga

I recarga(t) = V CAgenerador

(t) − V scond(t)

Rg=

K genvcorriente(t) − V scond(t)

Rg

I generador

I recarga(t) = P generador(t)

V scond(t)ef BQ25504=

K 2genv2

corriente

4Rg

V scond(t)ef BQ25504



P generada

V scond

I salidascond I bat

I entradascond



I recarga

I r

I sumidero I recarga

I entradascond

V bat

I bat

∆



∆



µ

µ

µ



µ



∆



∆

T espera

T RX T TX



∆

I nodo = I TXT TX + I RXT RX + I esperaT espera

T TX + T RX + T espera

E recolectada ≥ E consumida

P recolectada ≥ P consumida



1,8V ≤ V scond ≤ 3,3V

P recolectada = P generada · ef BLOQUEA1

P consumida

P nodoef

P generada · ef BLOQUEA1 ≥V nodo

ef BLOQUEB1

I TXT TX + I RXT RX + I esperaT esperaT TX + T RX + T espera

V scap

ms

T inactmin

T inactmax

ms



ms

T inactivo/ciclo T inactivo/ciclo M inTeorico

T inactivo/ciclo MinTeorico



0 5 10 15 204.495

4.5

4.505

4.51

4.515

4.52

4.525

4.53

4.535

4.54

4.545

Tiempo (h)

V s c o n

d

( V )

ms



I panel

ρ

T inactmin

T inactmax



ρ



µ



S TX

µPaV

S RX

V µPa

f c



f c

S TX

S RX



µ



NODO

INALÁMBRICO

NODO

INALÁMBRICO

DETECTOR

SEÑAL

ACTIVACIÓN

REMOTA

D A T O S S E Ñ A L D

E A C T I V A C I Ó N

R E M O T A



µ



µV rms



INICIO

CONFIGURACIONINTERFAZ DE RADIO

CONFIGURACIONCONTADOR 1(Velocidad de

transmisión del patrón)

POTENCIATRANSMITIDA =

PMAX

POTENCIATRANSMITIDA =

0

DESBORDAMIENTOCONTADOR 2

NO

POTENCIATRANSMITIDA NULA

SI

SI NO

CONFIGURACIONCONTADOR 2(Doble de frecuenciagenerada en OOK)

DESBORDAMIENTOCONTADOR 1

BIT A TRANSMITIR =PRIMER BIT DEL

PATRÓN

BIT A TRANSMITIR =SIGUIENTE BIT DEL

PATRÓN

BIT A TRANSMITIR = 1

PMAX = POTENCIAMAXIMA DE

TRANSMISIONCC1110

PMAX = 0POTENCIAMAXIMA DE

TRANSMISIONCC1110

SI NO

SI

NO



http://dx.doi.org/10.1109/TCSI.2008.922023

http://dx.doi.org/10.1109/TCSI.2008.922023

http://dx.doi.org/10.1109/MASS.2011.105



http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2004.834449

http://dx.doi.org/10.1007/s10776-009-0100-6

http://dx.doi.org/10.1016/j.adhoc.2005.01.004

http://dx.doi.org/10.1016/j.adhoc.2005.01.004

http://dx.doi.org/10.1109/OCEANS.2008.5152044

http://dx.doi.org/10.1109/MWC.2007.4407225


http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2010.2051539

http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2010.2051539



http://dx.doi.org/10.1109/OCEANSSYD.2010.5603816

http://dx.doi.org/10.1109/OCEANSSYD.2010.5603816

http://dx.doi.org/10.1145/1161039.1161054

http://dx.doi.org/10.1002/9781118511305

http://dx.doi.org/10.1002/9781118511305



http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2003.814918

http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2003.814918


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