TRANSMISSÃO DE DADOS POR ONDAS ULTRASSÔNICAS EM BARRA METÁLICA CIRCULAR USANDO MULTIPLEXAÇÃO OFDM

Abstract

This work proposes the transmission of data by ultrasonic waves in a metallic cylindrical bar using OFDM multiplexing. A piezoelectric emitting transducer transforms electrical signals into mechanical waves, which propagate through the bar. Another receiver piezoelectric transducer converts the mechanical waves that propagated through the bar into electrical signals. OFDM multiplexing was chosen as baseband modulation due to spectral efficiency and immunity to interference. An AM-SSB modulation was imposed on the OFDM signal to convert the signal, in base band, to a 500 kHz pass band so that the transmitted signal is within the operating frequency of the transducers. The data transmission using the proposed system reached a transmission rate of 345 kb / s, with a spectral efficiency of 4 bits / s / Hz using a 2 m x 40 mm cylindrical metal bar as the transmission channel. x Figuras Figura 1.1: Primeiro experimento para determinar a velocidade do som. Fonte (CORREA, 2008)................................................................................................................... 2 Figura 1.2: Diagrama esquemático do equipamento de detecção do efeito piezoelétrico reverso de Pierre e ............................................................................................... 3 Figura 2.1: Constelação 16-QAM......................................................................................... 13 Figura 2.2: Modulador QAM. Fonte (WIKIWAND, 2019)................................................... 14 Figura 2.3: Demodulador QAM. Fonte (WIKIWAND, 2019)............................................... 15 Figura 2.4: Separação das portadoras no FDM e no OFDM. Fonte (NETO, 2009)................ 16 Figura 2.5: Diagrama em blocos da multiplexação OFDM. .................................................. 17 Figura 2.6: Transmissão sem e com o intervalo de guarda. Fonte (NETO, 2009).................. 19 Figura 2.7: Sinal OFDM no domínio do tempo e o seu histograma. Fonte (NETO, 2012)..... 21 Figura 2.8: Compromisso entre o ruído de clliping e a potência de saída do DAC. Fonte (NETO,2012)..................................................................................................... 21 Figura 2.9: multiplexador OFDM, incluindo o bloco de pre-codificação com simetria hermitiana.......................................................................................................... 22 Figura 2.10: Sinal OFDM com pré-codificação DFT. Fonte (NETO, 2012).......................... 23 Figura 2.11: Diagrama em blocos do Receptor OFDM......................................................... 26 Figura 2.12: (a) Exemplos de vetor de erro. (b) Evolução do BER com o SNR para constelação quadrada codificada em Gray. Fonte (NETO, 2012)........................ 31 Figura 2.13: Espectro do sinal modulado AM DSB. (a) Sinal modulante. (b) Sinal modulado AM DSB............................................................................................................ 33 Figura 2.14: Espectro do sinal modulado AM DSB/SC. (a) Sinal modulante. (b) Sinal modulado AM DSB/SC. .................................................................................... 33 Figura 2.15: Modulador AM-SSB. ....................................................................................... 34 Figura 2.16: Demodulador AM-SSB. ................................................................................... 35 Figura 2.17: Escala de frequência do som. Fonte (SOFISICA, 2019).................................... 36 Figura 2.18: Ondas longitudinais. Fonte (ANDREUCCI, 2002) ........................................... 37 Figura 2.19: Ondas transversais. Fonte (ANDREUCCI, 2002) ............................................. 38 Figura 2.20: Modos longitudinais em uma barra cilíndrica. .................................................. 42 Figura 2.21: Curvas de dispersão de velocidade de fase em uma barra circular. Fonte (ROSE, 1999)................................................................................................................. 46 Figura 3.1: Tela principal do OFDM SIMULAÇÃO. ........................................................... 48 Figura 3.2: Modulação e Demodulação OFDM.................................................................... 50 Figura 3.3: Bloco IDFT com a simetria Hermitiana. Fonte (NETO, 2009)............................ 52 Figura 3.4: IFFT com simetria Hermitiana e zero padding. Fonte (NETO, 2009) ................. 52 Figura 3.5: Correlação. (a) Sinal Transmitido; (b) Sinal aquisitado; (c) Gráfico de correlação. .......................................................................................................................... 57 Figura 3.6: Costelação 16-QAM........................................................................................... 59 Figura 4.1: Diagrama em blocos do desenvolvimento experimental. .................................... 60 Figura 4.2: Setup experimental I. ......................................................................................... 61 xi Figura 4.3: Constelação para transmissão back-to-back elétrico. (a) 4-QAM com 4 portadoras. (b) 16-QAM com 4 portadoras. (c) 64-QAM com 4 portadoras. (d) 128-QAM com 4 portadoras....................................................................................................... 62 Figura 4.4: Transdutor Normal ou Reto. Fonte (ANDRADE, 2012) ..................................... 64 Figura 4.5: Transdutor Angular. Fonte (ANDRADE, 2012) ................................................. 64 Figura 4.6: Transdutor Duplo- Cristal. Fonte (ANDRADE, 2012)........................................ 65 Figura 4.7:Transdutores Piezelétricos Olimpus, modelo harisonic18-0018-s, de 500 kHz. ... 65 Figura 4.8: Conexão back-to-back dos transdutores piezoelétricos. ...................................... 65 Figura 4.9: Pulso chirp utilizado para a caracterização dos transdutores piezoelétricos. (a) sinal no domínio do tempo(b) sinal no domínio da frequência............................ 66 Figura 4.10: Resposta dos transdutores piezoelétricos ao pulso chirp. (a) no domínio do tempo. (b) no domínio da frequência.................................................................. 67 Figura 4.11: Constelação para transmissão com os transdutores piezelétricos conectados emback-to-back, com 4 portadoras com 4QAM, 16QAM, 64QAM e 128QAM. 68 Figura 4.12: Setup experimental III...................................................................................... 70 Figura 4.13: Resposta do canal a três pulsos chirp sequenciais no domínio do tempo........... 71 Figura 4.14: Resposta do canal a um pulso chirp.................................................................. 71 Figura 4.15: Resposta em frequência dos transdutores piezoelétricos (back-to-back) e do canal, em dB...................................................................................................... 72 Figura 4.16: Constelação com as melhores taxas de transmissão: (a) taxa de 225 kbps, (b) taxa de transmissão de 240 kbps................................................................................ 73 Figura 4.18: Configuração experimental IV.......................................................................... 74 Figura 4.19: Espectro em frequência da resposta ao pulso chirp da barra de aço de 2 m. ...... 75 Figura 4.20: Constelação com as melhores taxas de transmissão: (a) taxa de 230 kbps, (b) taxa de transmissão de 300 kbps................................................................................ 76 Figura 4.21: Equipamento de inspeção................................................................................. 76 Figura 4.22: Transdutor RX. ................................................................................................ 77 Figura 4.23: Transdutores do equipamento de inspeção conectados à barra cilíndrica........... 77 Figura 4.24: Transdutores conectados em back-to-back........................................................ 78 Figura 4.25: Resposta dos transdutores conectados em back-to-back, no domínio do tempo. 78 Figura 4.26: Espectro de frequências da resposta ao pulso chirp dos transdutores conectados em back-to-back. ............................................................................................... 79 Figura 4.27: Constelação OFDM de 4-QAM, cinco subportadoras e 4 kHz de banda............ 79 Figura 4.28: Espectro de frequências da resposta ao pulso chirp da barra metálica cilíndrica.80 Figura 4.29: Constelação OFDM de 4-QAM na barra, cinco subportadoras e 4 kHz de banda. .......................................................................................................................... 80

Este trabalho propõe a transmissão de dados por ondas ultrassônicas em barra metálica cilíndrica utilizando a multiplexação OFDM. Um transdutor piezelétrico emissor transforma sinais elétricos em ondas mecânicas, as quais se propagam pela barra. Outro transdutor piezelétrico receptor converte as ondas mecânicas que se propagaram pela barra em sinais elétricos. A multiplexação OFDM foi a escolhida como modulação em banda base devido a eficiência espectral e imunidade a interferências. Uma modulação AM-SSB foi imposta ao sinal OFDM para converter o sinal, em banda base, para banda passante de 500 kHz para que o sinal transmitido esteja dentro da frequência de operação dos transdutores. A transmissão de dados utilizando o sistema proposto alcançou uma taxa de transmissão 345 kb/s, com uma eficiência espectral de 4 bits/s/Hz utilizando uma barra metálica cilíndrica de 2 m x 40 mm como canal de transmissão. ix Abstract This work proposes the transmission of data by ultrasonic waves in a metallic cylindrical bar using OFDM multiplexing. A piezoelectric emitting transducer transforms electrical signals into mechanical waves, which propagate through the bar. Another receiver piezoelectric transducer converts the mechanical waves that propagated through the bar into electrical signals. OFDM multiplexing was chosen as baseband modulation due to spectral efficiency and immunity to interference. An AM-SSB modulation was imposed on the OFDM signal to convert the signal, in base band, to a 500 kHz pass band so that the transmitted signal is within the operating frequency of the transducers. The data transmission using the proposed system reached a transmission rate of 345 kb / s, with a spectral efficiency of 4 bits / s / Hz using a 2 m x 40 mm cylindrical metal bar as the transmission channel. x Figuras Figura 1.1: Primeiro experimento para determinar a velocidade do som. Fonte (CORREA, 2008)................................................................................................................... 2 Figura 1.2: Diagrama esquemático do equipamento de detecção do efeito piezoelétrico reverso de Pierre e ............................................................................................... 3 Figura 2.1: Constelação 16-QAM......................................................................................... 13 Figura 2.2: Modulador QAM. Fonte (WIKIWAND, 2019)................................................... 14 Figura 2.3: Demodulador QAM. Fonte (WIKIWAND, 2019)............................................... 15 Figura 2.4: Separação das portadoras no FDM e no OFDM. Fonte (NETO, 2009)................ 16 Figura 2.5: Diagrama em blocos da multiplexação OFDM. .................................................. 17 Figura 2.6: Transmissão sem e com o intervalo de guarda. Fonte (NETO, 2009).................. 19 Figura 2.7: Sinal OFDM no domínio do tempo e o seu histograma. Fonte (NETO, 2012)..... 21 Figura 2.8: Compromisso entre o ruído de clliping e a potência de saída do DAC. Fonte (NETO,2012)..................................................................................................... 21 Figura 2.9: multiplexador OFDM, incluindo o bloco de pre-codificação com simetria hermitiana.......................................................................................................... 22 Figura 2.10: Sinal OFDM com pré-codificação DFT. Fonte (NETO, 2012).......................... 23 Figura 2.11: Diagrama em blocos do Receptor OFDM......................................................... 26 Figura 2.12: (a) Exemplos de vetor de erro. (b) Evolução do BER com o SNR para constelação quadrada codificada em Gray. Fonte (NETO, 2012)........................ 31 Figura 2.13: Espectro do sinal modulado AM DSB. (a) Sinal modulante. (b) Sinal modulado AM DSB............................................................................................................ 33 Figura 2.14: Espectro do sinal modulado AM DSB/SC. (a) Sinal modulante. (b) Sinal modulado AM DSB/SC. .................................................................................... 33 Figura 2.15: Modulador AM-SSB. ....................................................................................... 34 Figura 2.16: Demodulador AM-SSB. ................................................................................... 35 Figura 2.17: Escala de frequência do som. Fonte (SOFISICA, 2019).................................... 36 Figura 2.18: Ondas longitudinais. Fonte (ANDREUCCI, 2002) ........................................... 37 Figura 2.19: Ondas transversais. Fonte (ANDREUCCI, 2002) ............................................. 38 Figura 2.20: Modos longitudinais em uma barra cilíndrica. .................................................. 42 Figura 2.21: Curvas de dispersão de velocidade de fase em uma barra circular. Fonte (ROSE, 1999)................................................................................................................. 46 Figura 3.1: Tela principal do OFDM SIMULAÇÃO. ........................................................... 48 Figura 3.2: Modulação e Demodulação OFDM.................................................................... 50 Figura 3.3: Bloco IDFT com a simetria Hermitiana. Fonte (NETO, 2009)............................ 52 Figura 3.4: IFFT com simetria Hermitiana e zero padding. Fonte (NETO, 2009) ................. 52 Figura 3.5: Correlação. (a) Sinal Transmitido; (b) Sinal aquisitado; (c) Gráfico de correlação. .......................................................................................................................... 57 Figura 3.6: Costelação 16-QAM........................................................................................... 59 Figura 4.1: Diagrama em blocos do desenvolvimento experimental. .................................... 60 Figura 4.2: Setup experimental I. ......................................................................................... 61