Acoustic communications in water pipes

Abstract

Este documento apresenta uma abordagem experimental da implementação de comunicação digital entre dois pontos usando tubos com água como infraestrutura e transdutores piezoelétricos de baixo custo. Este documento explica o procedimento, passo a passo, dos conceitos necessários para a análise do tubo como canal de comunicação de dados e a implementação e avaliação de um sistema de comunicação digital usando modulações ASK e BPSK. Os transdutores foram fabricados para operar no ar com uma frequência central de 40 kHz, mas o meio água alterou a sua frequência operacional central para aproximadamente 63.7 kHz e 69 kHz e é mostrado que, sem a presença de bolhas, é possível estabelecer uma comunicação confiável e, portanto, transmitir dados. O objetivo deste documento é também introduzir, ao leitor não especializado, conceitos de correlação, canal como filtro e modulações ASK e BPSK, o que permitirá compreender as discussões relacionadas com este estudo. Para realizar os testes, foi montado um sistema com computador portátil, placa de som, amplificador, dois transdutores e vários tipos de montagem de tubos. Após a introdução do Capítulo 1, o Capítulo 2 apresenta o estado da arte dos sistemas de comunicação em tubos. O Capítulo 3 expõe o software e o hardware utilizados. O Capítulo 4 caracteriza o tubo como um canal, onde são obtidas as suas respostas ao impulso e em frequência e cada componente da montagem do tubo é analisada quanto à atenuação que causa. O Capítulo 5 apresenta as modulações ASK e BPSK seguidas pelas experiências de transmissão de dados usando as mesmas. O Capítulo 6 oferece as conclusões finais e dicas para trabalho futuro. Finalmente, o Capítulo 7 fornece as referências que apoiam este documento.

This document presents an experimental approach of implementing a digital communication between two points using water pipes as infrastructure and low-cost piezoelectric based transducers. It explains the procedure, step by step, of the concepts required for the analysis of the pipe as a data communication channel and the implementation and evaluation of a digital communication system using ASK and BPSK modulations. The transducers were manufactured to operate in air with a centre frequency of 40 kHz, but the water medium changed its operating centre frequency to approximately 63.7 kHz and 69 kHz and it is shown that without the presence of bubbles, it is possible to establish a reliable communication and therefore, transmit data. The objective of this thesis is also to introduce a non-expert reader into concepts of correlation, channel as a filter and ASK and BPSK modulations, which will allow to understand the discussions related to this study. To perform the tests, a system was assembled with laptop, sound board, amplifier, two transducers and various type of pipe setups. Following the introduction of Chapter 1, Chapter 2 presents the state of the art of in-pipe communications systems. Chapter 3 exposes the software and hardware used. Chapter 4 characterizes the pipe as a channel, where is it obtained its impulse and frequency responses and each component of the pipe channel is analysed regarding the attenuation that causes. Chapter 5 introduces ASK and BPSK modulations followed by the data transmission experiments using the same. Chapter 6 offers the final conclusions and future work tips. Finally, Chapter 7 provides the references that support this document.