Comunicaciones acústicas subacuáticas
¿Cómo se comunican los equipos bajo el agua?
En nuestra vida cotidiana utilizamos Wi-Fi, Bluetooth, telefonía celular y otras tecnologías inalámbricas para comunicarnos. Pero ¿qué ocurre cuando queremos comunicarnos debajo del agua?
En el medio acuático, y especialmente en el agua de mar, las ondas electromagnéticas utilizadas habitualmente para las comunicaciones inalámbricas se atenúan rápidamente.
Una de las principales alternativas para transmitir información a distancia en ambientes subacuáticos es utilizar ondas acústicas.
En esta experiencia vas a descubrir cómo podemos transformar un mensaje digital en una señal acústica, transmitirlo y recuperar nuevamente la información.
satellite_alt ¿Por qué no usamos Wi-Fi bajo el agua?
Las tecnologías inalámbricas que utilizamos habitualmente emplean ondas electromagnéticas. En el agua, especialmente en agua de mar, estas señales se atenúan fuertemente y su alcance se reduce.
El sonido puede propagarse a distancias considerablemente mayores. Por esta razón, las ondas acústicas constituyen una de las principales alternativas para establecer comunicaciones subacuáticas.
air En el aire
- settings_input_antennaOndas electromagnéticas
- wifiWi-Fi / Bluetooth / LoRa
- cell_towerAntena
- computerInformación digital
water Bajo el agua
- graphic_eqOndas acústicas
- wavesComunicación acústica
- speakerTransductor acústico
- airwaveInformación transportada mediante sonido
graphic_eq ¿Qué es una onda acústica?
El sonido es una onda mecánica y necesita un medio material para propagarse, como el aire o el agua.
En el agua de mar, el sonido se propaga aproximadamente a 1500 metros por segundo, aunque su velocidad depende de factores como la temperatura, la salinidad y la presión.
El transmisor genera una onda acústica que se propaga por el agua hasta el receptor, a ~1500 m/s.
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Algunas magnitudes que caracterizan a una onda acústica y a su propagación en el agua:
- Frecuencia: cantidad de oscilaciones por segundo, medida en hertz (Hz).
- Longitud de onda: distancia entre dos crestas consecutivas de la onda.
- Velocidad de propagación: en el mar, cercana a 1500 m/s; varía con la temperatura, la salinidad y la presión.
- Atenuación: pérdida de energía de la señal a medida que se propaga.
- Ruido: sonidos del ambiente (olas, embarcaciones, fauna marina) que se mezclan con la señal.
- Reflexiones: rebotes de la señal en la superficie y el fondo del mar.
- Propagación multicamino: la señal llega al receptor por varios caminos a la vez, con distintos retardos.
chat_bubble ¿Cómo convertimos una palabra en sonido?
Para transmitir información, primero convertimos el mensaje en datos digitales.
Esos datos pueden utilizarse para modificar una señal mediante un proceso denominado modulación.
La señal resultante se transmite a través del agua. En el receptor se realiza el proceso inverso para recuperar la información enviada.
El ejemplo con la letra H (01001000): cada bit modifica la frecuencia de la onda — eso es la modulación, y así la información viaja en el sonido.
shield ¿Cómo hacemos la comunicación más robusta?
Para aumentar la robustez frente al ruido y a las perturbaciones del canal utilizamos espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). Cada dato se representa mediante una secuencia conocida de elementos más cortos, llamados chips.
El receptor conoce esa misma secuencia y utiliza un correlador para buscarla dentro de la señal recibida.
El receptor busca una secuencia conocida
La ventana representa el correlador desplazándose sobre la señal recibida.
Resultado de la correlación
Cuando la referencia se alinea con la secuencia recibida aparece un pico.
Correlación en la posición actual: 0
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El diseño de secuencias es una parte importante de los sistemas de espectro ensanchado. Se buscan secuencias con buenas propiedades de autocorrelación, para reconocer con claridad cuándo una señal está correctamente alineada, y de correlación cruzada, para poder distinguir distintas secuencias entre sí. Algunas son:
- Barker: son secuencias binarias cortas caracterizadas por tener lóbulos laterales de autocorrelación muy bajos. Esto genera un pico de correlación claramente distinguible y las hace especialmente útiles para detección, sincronización y estimación del instante de llegada de una señal. Sólo existen para determinadas longitudes cortas.
- Pares de secuencias complementarias (Golay): están formados por dos secuencias cuyas autocorrelaciones aperiódicas se complementan. Al sumar los resultados de correlación de ambas, sus lóbulos laterales se cancelan idealmente y queda un único pico central. Son particularmente interesantes en sistemas de medición, estimación de canal y detección.
- Zadoff–Chu: son secuencias complejas de amplitud constante que presentan autocorrelación periódica ideal. Diferentes desplazamientos cíclicos pueden conservar muy buenas propiedades de separación, lo que permite utilizarlas para sincronización, identificación y acceso de múltiples usuarios. Además, su envolvente constante resulta atractiva para sistemas de transmisión.
- Kasami: constituyen familias de secuencias binarias diseñadas para presentar valores reducidos y controlados de correlación cruzada. Esto permite asignar distintas secuencias a diferentes transmisores o señales y luego distinguirlas en el receptor. Son de interés en sistemas de espectro ensanchado y acceso múltiple.
- Gold: son familias extensas de secuencias binarias que ofrecen un buen compromiso entre cantidad de códigos disponibles y propiedades de correlación cruzada. Pueden generarse de manera eficiente mediante registros de desplazamiento y permiten identificar numerosos usuarios utilizando secuencias diferentes. Por este motivo han sido ampliamente utilizadas en sistemas de espectro ensanchado.
- Secuencias de máxima longitud (m-sequences): son secuencias pseudoaleatorias binarias generadas mediante registros de desplazamiento con realimentación lineal. Poseen una autocorrelación periódica muy favorable y pueden generarse con circuitos o algoritmos relativamente simples. Además, sirven como base para construir otras familias de secuencias, como Gold y Kasami.
science Del concepto a una experiencia real
En GIPIS desarrollamos un demostrador que permite observar de manera sencilla cómo funciona una comunicación acústica.
Un microcontrolador recibe una palabra ingresada desde una interfaz web, la codifica y genera la señal correspondiente para realizar la transmisión acústica. En el otro extremo, el sistema receptor procesa la señal para recuperar la información transmitida.
El viaje de la información en el demostrador: el mensaje se codifica, se transmite como sonido a través del agua y se decodifica en el receptor.
En una misma experiencia intervienen electrónica, programación, sistemas digitales, telecomunicaciones y procesamiento de señales.
¿Estás en una muestra? Probá nuestro demostrador
Si estás participando de una muestra o actividad de GIPIS y tenés el demostrador frente a vos, podés probarlo.
Escribí una palabra, transmitila y observá cómo la información se transforma en una señal acústica y llega al receptor.
¿Cómo participar?
- Conectate a la red indicada en el demostrador.
- Accedé a la interfaz mediante el código QR.
- Escribí una palabra.
- Presioná «Transmitir».
- Observá qué sucede durante la transmisión y qué información llega al receptor.
info Esta función requiere estar presencialmente junto al demostrador y conectado a su red local.
public ¿Para qué sirven las comunicaciones acústicas subacuáticas?
Vehículos submarinos
Permiten intercambiar información con robots y vehículos utilizados para explorar ambientes subacuáticos.
Oceanografía
Permiten comunicar instrumentos y sensores utilizados para estudiar el océano.
Posicionamiento y navegación
Las señales satelitales de posicionamiento no están disponibles normalmente bajo el agua. Las señales acústicas pueden utilizarse para desarrollar sistemas de localización y navegación subacuática.
Monitoreo ambiental
Permiten obtener y transmitir información proveniente de sensores instalados en ambientes acuáticos.
Infraestructura submarina
Pueden utilizarse para comunicación y supervisión de dispositivos e instalaciones ubicados bajo el agua.
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Detrás de una comunicación acústica subacuática hay una cadena de conceptos que podés seguir profundizando:
Propagación → Frecuencia → Atenuación → Ruido → Multicamino → Codificación → Modulación → Detección → Procesamiento digital
Este material también puede servir de apoyo para estudiantes universitarios de ingeniería.
psychology_alt ¿Sabías que el GPS tampoco funciona normalmente debajo del agua?
Las señales provenientes de los satélites de posicionamiento no penetran suficientemente en el agua como para permitir el funcionamiento convencional de un receptor sumergido.
Entonces aparece otro desafío:
¿Podemos utilizar el sonido para localizar un dispositivo bajo el agua?
Próxima experiencia
Posicionamiento acústico subacuático
¿Podemos utilizar el sonido para localizar un dispositivo bajo el agua?
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