UN SISTEMA DE ALTO RENDIMIENTO PARA LA TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE ENERGÍA Y DATOS A TRAVÉS DE CAJAS DE METÁLICO SÓLIDO

Tradicionalmene, cuando es necesario transmitir señales eléctricas a través de carcasas metálicas selladas, se introducen penetraciones para permitir el paso de cables. Estas penetraciones pueden comprometer la integridad estructural y el aislamiento ambiental proporcionado por el recinto. Esta tesis presenta un sistema inalámbrico de alto rendimiento capaz de transmitir energía y datos a través de una barrera metálica simultáneamente, utilizando únicamente ultrasonido, eliminando así la necesidad de penetraciones en la barrera. 

Primero, se discuten los principios y fenómenos subyacentes que gobiernan el comportamiento de un canal de transmisión acústico-eléctrico inalámbrico basado en un transductor piezoeléctrico, y las consideraciones generales de diseño del canal.

 En segundo lugar, se presenta una metodología de diseño para optimizar la eficiencia de transferencia de energía de un canal de transmisión de energía acústico-eléctrica utilizando una adaptación de impedancia conjugada de dos puertos simultánea, se propone una arquitectura de hardware para la entrega de energía de onda continua y las capacidades medidas de transmisión de energía de dos Se informan enlaces de energía separados. 

En tercer lugar, se presenta una arquitectura de enlace de transmisión de datos que utiliza multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para lograr una alta eficiencia espectral en presencia de un canal acústico-eléctrico muy selectivo en frecuencia. El enlace de datos se optimiza utilizando un esquema de carga de bits con modulación por desplazamiento de fase (PSK), y la adopción de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y un esquema de carga de energía se consideran métodos para mejorar el rendimiento general del enlace.

En cuarto lugar, se presenta un sistema que utiliza un enlace de transmisión de datos y energía muy cerca de una única barrera metálica, y utiliza un filtrado nítido y una técnica de sincronización del enlace de datos y energía para eliminar por completo la interferencia en el enlace de datos causada por la conexión de energía a datos. fuga de señal del canal. Las mediciones de este sistema muestran que puede transferir simultáneamente 32,5 W de potencia de CA y transmitir datos a 12,4 Mbps a través de un bloque de acero submarino de 63,5 mm de espesor. 

Finalmente, se presenta un modelo matemático unidimensional mejorado y preciso del canal acústico-eléctrico que permite al diseñador predecir rápida y fácilmente las capacidades de rendimiento de un enlace de transmisión de energía o datos y explorar los impactos de muchos parámetros de diseño en la respuesta de un canal sin necesidad de construir o probar físicamente el canal. Este trabajo ilustra que los sistemas de transmisión ultrasónica a través de metal pueden lograr eficiencias de transferencia de energía y rendimientos de datos mucho mayores de lo que antes se creía posible, y también que tanto los enlaces de energía como los de datos se pueden implementar en una carcasa metálica simultáneamente, sin afectar significativamente el rendimiento de los demás.

CONTENIDO

LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi

LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

RECONOCIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

ABSTRACTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

1. INTRODUCCIÓN Y RESEÑA HISTÓRICA. . . . . . . . . . . . . . 1

2. EL CANAL ACÚSTICO-ELÉCTRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1 Consideraciones de diseño de canales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Caracterización de Canales Eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3 Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3. ENLACE DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1 Canal Acústico-Eléctrico para Transmisión de Potencia. . . . . . . . . . . 33

3.2 Adaptación simultánea de impedancias conjugadas. . . . . . . . . . . . . 40

3.2.1 Mejoras teóricas del conjugado simultáneo Coincidencia de poder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3 Hardware de transmisión de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3.1 Desarrollo de redes coincidentes de alta potencia. . . . . . . . 48

3.3.2 Implementación de la red de coincidencia de canales específicos. . . . . . 53

3.4 Resultados experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.1 Red de carga de CA alternativa: bombilla de 25 W. . . . . . . . 57

3.4.2 Creación de una fuente de CC utilizable. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.5 Resumen de logros en transmisión de energía. . . . . . . . . . 59

4. ENLACE DE TRANSMISIÓN DE DATOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1 Canal Acústico-Eléctrico para Transmisión de Datos. . . . . . . . . . . 60

4.2 Arquitectura del sistema OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . sesenta y cinco

4.2.1 Configuración OFDM específica. . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.2 Arquitectura y hardware del sistema específico. . . . . . . . . . . . 71

4.3 Medidas de rendimiento del enlace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.4 Enlace de audio digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

III

4.5 Extrapolación de capacidades de transmisión de datos. . . . . . . . . . . . 81

4.5.1 Configuraciones alternativas de carga de bits. . . . . . . . . . . . . 82

4.5.2 Carga de potencia total y parcial con m2QAM. . . . . . . . . . 87

4.5.3 Comparación de técnicas de mejora del rendimiento. . . . . 88

4.6 Resumen de logros en comunicación. . . . . . . . . . . . . 88

5. TRANSMISIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA Y DATOS. . . . . . . . . 90

5.1 Mitigación de la interferencia del enlace de energía a datos. . . . . . . . . . . . . 90

5.2 Medidas de desempeño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.3 Potencial de miniaturización del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.4 Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6. MODELADO DE CANALES ACÚSTICO-ELÉCTRICOS. . . . . . . . . . . . . 101

6.1 Ondas acústicas masivas unidimensionales en un medio elástico. . . . . 101

6.1.1 Ecuación de la onda acústica y sus soluciones armónicas. . . . . 102

6.2 Propagación de ondas en una losa semiinfinita. . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.2.1 Representación de parámetros ABCD de una red acústica de dos puertos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.2.2 Soluciones acotadas a la ecuación de onda. . . . . . . . . . . . 108

6.2.3 Contabilización de las pérdidas por difracción en la barrera metálica. . . . 110

6.3 Propagación de ondas en una losa piezoeléctrica semiinfinita. . . . . . . . 111

6.3.1 Losa piezoeléctrica transmisora (TX). . . . . . . . . . . . . . 111

6.3.2 Losa piezoeléctrica receptora (RX). . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.3.3 Modelado de mecanismos de pérdida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.4 Modelado de canales de transmisión de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.4.1 Modelado de transductor piezoeléctrico de 4 MHz. . . . . . . . . . . 122

6.4.2 Modelado de transformadores de red de adaptación de banda ancha. . . . . 126

6.4.3 Modelado de canales de transmisión de datos de 4 MHz. . . . . . . . . 129

6.5 Análisis del sistema utilizando el modelo de canal de transmisión de datos de 4 MHz 133

6.5.1 Ruido y distorsión del enlace de transmisión de datos. . . . . . . . . 133

6.5.2 Impactos del espesor del epoxi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.5.3 Impactos del espesor de la barrera de acero. . . . . . . . . . . . . . . 147

6.6 Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

IV

7. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

7.1 Contribuciones Técnicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

7.2 Trabajo futuro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

LITERATURA CITADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

CAPÍTULO 2 EL CANAL ACÚSTICO-ELÉCTRICO

 Un canal acústico-eléctrico para la transmisión de señales se forma alineando coaxialmente y acoplando acústicamente un par de transductores de disco piezoeléctricos a lados opuestos de una barrera metálica.

La Figura 2.1a ilustra un esquema mecánico simple de este tipo de canal, que es idéntico a la estructura del transformador piezoeléctrico de placa intercalada analizada en el Capítulo 1. Si se aplica una señal eléctrica de onda continua (CW) a los cables del transductor del puerto 1 con Con una frecuencia cercana a la resonancia longitudinal natural del transductor, induce vibraciones mecánicas similares a las de un pistón a través del efecto piezoeléctrico que, a su vez, crea una onda de presión acústica dentro del material del transductor. Esta onda luego se propaga a lo largo de la dirección axial hacia la barrera metálica y finalmente llega al transductor opuesto. La onda acústica en el transductor del puerto  induce entonces un potencial eléctrico CW a través de sus conductores. Esta secuencia de eventos permite la transmisión "inalámbrica" de señales CW a través de la barrera metálica, donde el término "inalámbrico" indica el hecho de que no se requieren cables para atravesar la barrera metálica. El objetivo de este capítulo es discutir muchos mecanismos y fenómenos subyacentes que gobiernan las características críticas de estos tipos de canales acústico-eléctricos, y evaluar una variedad de compensaciones que deben considerarse al diseñarlos para una aplicación particular. 

2.1 Consideraciones de diseño de canales 

Los objetivos principales de este esfuerzo de investigación son transferir grandes cantidades de energía y datos a través de estos tipos de canales acústico-eléctricos. Es fundamental maximizar las eficiencias de transferencia de potencia de los canales que soportan la transmisión de alta potencia para facilitar las especificaciones requeridas de la electrónica de soporte en las interfaces del canal. También es fundamental maximizar el ancho de banda de transmisión útil de los canales que soportan la transmisión de datos de alta velocidad para lograr la mayor capacidad de canal posible. Sin embargo, las altas eficiencias de transferencia de potencia suelen ser características de sistemas de baja pérdida o de alto factor de calidad (Q), y los anchos de banda de transmisión amplios suelen ser característicos de sistemas de alta pérdida o bajo Q. Claramente, es difícil lograr un equilibrio sólido entre la eficiencia de la transferencia de energía y el ancho de banda modificando únicamente la pérdida. Si bien existen algunos mecanismos mecánicos que se pueden utilizar para crear canales de banda ancha eficientes, por ejemplo mediante el uso de transductores compuestos con múltiples resonancias compensadas de alta Q, estos enfoques tienden a ser mucho más costosos y requieren redes eléctricas interfaciales complejas. Por lo tanto, se utilizan canales separados para los sistemas de transmisión de energía y datos de esta tecnología, de modo que cada canal pueda optimizarse mejor para su propósito individual. Como aproximación de primer orden, se puede suponer que las superficies de todas las capas acústicas en un canal acústico-eléctrico son perfectamente paralelas con una rugosidad muy baja, la mayor parte de la energía acústica se propaga como una onda longitudinal perfectamente plana a lo largo de la dirección axial de los transductores. , y las propiedades mecánicas de cada capa acústica no varían a lo largo de esa misma dirección axial. Utilizando esta aproximación, las capas acústicas intercaladas del canal se comportan como una serie de líneas de transmisión acústica (retardo) con diferentes impedancias acústicas características Zc. Por lo tanto, si el espesor de una capa acústica es del orden de la longitud de onda acústica (λ) de la señal que se propaga a través de ella, o si su impedancia acústica no coincide significativamente con la de una capa adyacente, tendrá un impacto significativo en la eficiencia de transferencia y dependencia de la frecuencia de la función de transferencia de potencia del canal general. Cuando una onda acústica tiene una incidencia normal en la interfaz entre dos capas de canales adyacentes, cada una con diferentes impedancias acústicas características Zc 1 y Zc 2, una fracción de la energía de la onda se transmite a través de la interfaz y el resto se refleja hacia su superficie. fuente. El coeficiente de reflexión de campo Γ asociado con esa interfaz está dado por

Se determina la fracción de la potencia acústica total reflejada desde la interfaz R. directamente de Γ como

y la fracción de potencia acústica transmitida a través de la interfaz T está, por tanto, dada por

T = 1 − R .

Cabe señalar que también es común representar R en una escala logarítmica como una pérdida de retorno RL, dada por RL = −10 log10 R = −20 log10 |Γ| .

Para estimar la severidad de estas reflexiones interfaciales en un canal acústico-eléctrico se debe considerar la impedancia acústica característica de cada una de sus capas. Las impedancias acústicas características de las capas mecánicas presentadas en la Figura 2.1b se identifican entre paréntesis. Cabe señalar que la impedancia acústica característica de un material Z c viene dada por el producto de su densidad ρ y 22 la velocidad longitudinal del sonido en el material cs 

La Tabla 2.1 presenta los valores de ρ, cs y Zc para diversos materiales potenciales de transductor, acoplador, barrera metálica y soporte de transductor a temperatura ambiente (25 ◦ C). Aunque la mayoría de los materiales metálicos y piezoeléctricos enumerados en la Tabla 2.1 tienen impedancias características similares (es decir, están razonablemente bien emparejados), son dramáticamente diferentes de la mayoría de los acopladores y materiales de respaldo enumerados. De hecho, si alguno de los materiales piezoeléctricos está respaldado por una región semiinfinita de aire, la interfaz piezoeléctrica-aire se comporta casi como un reflector perfecto, con R ≈ 1. En general, el resto de posibles acopladores y acopladores piezoeléctricos -las interfaces metálicas no coincidirán bien y actuarán como reflectores importantes. El canal ilustrado en la Figura 2.1b es esencialmente una cascada de múltiples interfaces parcialmente reflectantes intercaladas entre dos reflectores perfectos, con las capas del transductor piezoeléctrico convirtiendo parte de su energía acústica en energía eléctrica a través de sus electrodos. El efecto de esta configuración reflectante es crear un canal muy reverberante y selectivo en frecuencia. La energía de una señal acústica en un canal se divide en cada interfaz, con diferentes porciones de la señal viajando a través del canal a través de muchos caminos reflectantes diferentes, cada uno con diferentes longitudes acústicas totales. Este fenómeno se conoce como propagación de señales por trayectos múltiples y hace que las señales insertadas en el canal lleguen a la salida del canal como una colección de ecos retardados en el tiempo con diferentes amplitudes y fases. El eco en el dominio del tiempo produce una distorsión lineal que se manifiesta como selectividad de frecuencia (distorsión de amplitud) y distorsión de retardo de grupo (distorsión de fase) en el canal. A medida que aumenta la selectividad de frecuencia de un canal, disminuye el ancho de banda de media potencia asociado con los modos propios dominantes del canal (es decir, sus resonancias naturales más fuertes). Este efecto también tiene el potencial de alejar los modos propios del canal de la frecuencia óptima de conversión de energía electromecánica de los transductores (es decir, su frecuencia resonante), reduciendo así la eficiencia de transferencia de potencia del modo propio dominante del canal. Por lo tanto, al construir un canal de transmisión de datos o energía, es importante seleccionar materiales con características muy parecidas.

Tabla 2.1: Diversas propiedades de materiales acústicos a 25 ◦ C (Datos de [61] Apéndice B y [62])

impedancias características y mantener las capas no coincidentes lo más delgadas posible para minimizar tanto las pérdidas por reflexión como la propagación por trayectos múltiples. Cualquier energía de señal que finalmente no se transmita a través de un canal se refleja hacia la fuente de la señal (como se mencionó anteriormente), se disipa en forma de calor a través de pérdidas en las capas acústicas o diverge radialmente lejos del canal en la barrera metálica. Este mecanismo de pérdida final, la fuga de energía radial, también se denomina divergencia del haz acústico y es el resultado de la difracción. Si se supone que una onda acústica longitudinal perfectamente plana (por ejemplo, como la generada por un transductor de modo longitudinal ideal) pasa a través de un área finita en la superficie de un medio semiinfinito (por ejemplo, una barrera metálica con un área de superficie mucho mayor que el transductor), hará que cada átomo dentro del área de la superficie interfacial se comporte como un isoradiador que vibra a la frecuencia de excitación. Esto hace que una fracción de la energía de la onda plana se descolime y diverja de su eje de propagación dentro del medio semiinfinito. La Figura 2.2 presenta resultados de simulación FEM simétrica del eje que muestran la distribución en estado estacionario de la presión acústica absoluta dentro de varios modelos FEM bidimensionales que resaltan el escenario de divergencia del haz discutido anteriormente [63]. Cada modelo incluye una barrera de acero semiinfinita con una fuente acústica plana ideal impulsada de forma sinusoidal de varios anchos unida a su cara inferior. Cabe señalar que las fuentes de los 3 modelos funcionan exactamente con la misma frecuencia. Las líneas negras verticales indican el ancho de la fuente acústica, así como los límites dentro de los cuales estaría contenida la energía en un haz perfectamente colimado. Las líneas negras horizontales en cada modelo representan dos distancias de referencia arbitrarias desde la fuente, donde se podrían colocar los transductores para recibir la energía acústica transmitida. La divergencia del haz acústico se identifica fácilmente por el patrón de radiación en expansión en la Figura 2.2a, y una comparación de las intensidades de la señal acústica en las distancias de referencia cercanas y lejanas en este gráfico revela una clara pérdida de la energía acústica contenida dentro de la ruta de transmisión idealmente colimada. Al comparar los resultados de la simulación en las Figuras 2.2a-2.2c, queda claro que menos energía acústica diverge de la ruta de transmisión idealmente colimada a medida que aumenta el ancho de la fuente acústica. Esta tendencia también se puede deducir de una evaluación intuitiva del sistema. Si el ancho de la fuente acústica se reduce hasta que sea infinitamente pequeño, se comportará como un radiador puntual que emite energía por igual en todas las direcciones, lo que dará como resultado la mayor divergencia del haz acústico posible (sin colimación ni direccionalidad). Si el ancho de la fuente acústica aumenta hasta que sea infinitamente grande, la región de excitación acústica en la barrera no tendrá límites. Sin límites, la difracción no es posible y el haz acústico permanecerá perfectamente colimado sin pérdidas por divergencia.

2.3 Resumen 

Se deben considerar muchas compensaciones al construir un canal de transmisión acústico-eléctrico. La frecuencia de resonancia y el diámetro de los transductores del canal deben seleccionarse cuidadosamente para equilibrar la detectabilidad del canal, la resistencia del transductor, las pérdidas por dispersión en los límites de grano y las pérdidas por difracción en la barrera metálica. Además, los materiales del transductor piezoeléctrico y del acoplador acústico deben seleccionarse cuidadosamente de modo que sus impedancias acústicas características coincidan lo más posible para minimizar las pérdidas por reflexión y la propagación excesiva por trayectos múltiples.

 Al diseñar un canal para una transmisión de potencia óptima, se debe seleccionar un material de transductor piezoeléctrico con un Q alto, de modo que se minimicen las pérdidas internas. Sin embargo, siempre que se diseñe un canal para una transmisión de datos óptima, se debe seleccionar un material piezoeléctrico con un Q bajo para que los transductores tengan una respuesta de banda tan ancha como sea posible. Esto ayudará a maximizar el ancho de banda utilizable del canal de transmisión de datos. Los parámetros S lineales de dos puertos de ambos tipos de canales de transmisión se pueden medir utilizando un analizador de redes vectorial. Con los parámetros S de un canal, un diseñador de sistemas puede optimizar cómo interactúa el canal con la electrónica interfacial mediante cálculos matemáticos o simulaciones SPICE. Estos parámetros S se utilizarán en capítulos posteriores para ayudar a evaluar y optimizar el comportamiento tanto de los canales de transmisión de energía como de los canales de transmisión de datos.

CAPÍTULO 3 ENLACE DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA

 Como se describe en el Capítulo 2, la transmisión de energía y datos se logra usando canales acústico-eléctricos separados que están construidos de manera similar, usando transductores piezoeléctricos, pero cada uno de ellos está optimizado de maneras muy diferentes. Este capítulo se centra en la transmisión de energía y primero describe la construcción y caracterización de dos canales de transmisión de energía diferentes construidos sobre barreras de acero separadas. Luego se presenta una metodología de optimización eléctrica que utiliza adaptación de impedancia conjugada simultánea para maximizar la eficiencia de transferencia de energía de cada canal. A continuación, se presenta una arquitectura de sistema eléctrico para un enlace de transmisión de energía basada en la transmisión de una señal de energía de onda continua a través de estos canales. Se analiza el diseño de redes de adaptación de impedancia de elementos mínimos de alta potencia para ambos canales. Finalmente, se presentan mediciones de la eficiencia de transferencia de potencia coincidente simultáneamente de cada canal, así como el rendimiento general de cada enlace de potencia.

 3.1 Canal acústico-eléctrico

 para transmisión de energía Se construyen dos canales acústico-eléctricos separados para probar las capacidades y limitaciones de un enlace de transmisión de energía. El canal 1 está formado sobre un bloque de acero submarino de 304,8 mm x 304,8 mm x 63,5 mm (12,0 x 12,0 x 2,5 pulgadas) con una ligera curvatura en sus caras más grandes. El canal 2 se forma sobre una placa de acero HY-80 de 304,8 mm x 304,8 mm x 9,53 mm (12,0 x 12,0 x 0,375 pulgadas) sin ninguna curvatura. Ambos canales utilizan pares de transductores de disco piezoeléctricos de 66,68 mm (2,625 pulgadas) de diámetro fabricados con material APC850 de American Piezoelectric Corp. El grosor de estos transductores se selecciona para darles una resonancia en modo de espesor nominal (longitudinal) a 1 MHz para limitar de forma segura la detectabilidad. y lograr un equilibrio razonable de los diversos mecanismos de pérdida de canal discutidos en el Capítulo 2. Además, la cara frontal de cada transductor está cubierta por una película aislante muy delgada de Ultem (polieterimida) de G.E. Plásticos, que proporcionan aislamiento eléctrico entre el transductor y la barrera. Los pares de transductores están alineados coaxialmente en lados opuestos de la barrera metálica de cada canal y unidos a sus caras utilizando el epoxi Araldite 2014 de Huntsman International LLC. Los transductores se pegaron con epoxi a las caras más grandes de cada barrera, lo que produjo espesores de canal nominales de 63,5 mm (2,5 pulgadas) y 9,53 mm (0,375 pulgadas) para los canales 1 y 2, respectivamente. Las fotografías de los canales 1 y 2 se presentan en la Figura 3.1 y la Figura 3.2, respectivamente.

3.2 Coincidencia de impedancia conjugada simultánea

 Proporcionar una coincidencia de impedancia conjugada simultánea a ambos puertos de un canal acústico-eléctrico (o cualquier red de dos puertos) maximiza la potencia entregada y extraída del canal. Esto mejora la eficiencia de transferencia de energía del sistema y ayuda a reducir el estrés térmico en los transductores del canal, así como el estrés eléctrico en la electrónica del sistema. Las técnicas descritas a lo largo de esta sección han sido implementadas, probadas y verificadas en una amplia variedad de diferentes canales acústico-eléctricos similares al canal de potencia descrito anteriormente [34]. La Figura 3.5 representa un canal acústico-eléctrico, donde el puerto 1 es accionado por una fuente de voltaje con una impedancia ZS y el puerto 2 termina en una impedancia de carga ZL. Aquí, ΓS y ΓL representan los coeficientes de reflexión mirando hacia la fuente y la carga, respectivamente. De manera similar, Γ1 y Γ2 representan los coeficientes de reflexión mirando hacia los puertos 1 y 2 del canal, respectivamente, en relación con una impedancia característica Z0. Para maximizar la transferencia de potencia a través del canal acústico-eléctrico, los coeficientes de reflexión deben combinarse simultáneamente, de modo que

donde el subíndice * indica el operador conjugado complejo. Utilizando el trabajo presentado por Rahola sobre ondas de potencia y coincidencia conjugada simultánea [68], se pueden calcular las impedancias ZS y ZL óptimas que garantizan la condición de coincidencia simultánea. Estos cálculos son convenientes si un canal está representado por una matriz de sus parámetros Z de dos puertos, Z, que se puede calcular directamente a partir de la matriz de parámetros S del canal y la impedancia de referenciaa.

3.5 Resumen de los logros en transmisión de energía 

Se han evaluado las capacidades de los enlaces de transmisión de energía a través de dos canales acústico-eléctricos separados. Mediante el uso de redes de coincidencia conjugadas simultáneas, las pérdidas debidas a reflexiones eléctricas en los puertos de cada canal casi se eliminan. Las mediciones de ambos sistemas han demostrado que se pueden transmitir 32,5 W a través de una barrera metálica ligeramente curvada de 63,5 mm (2,5 pulgadas) de espesor hecha de acero submarino con una eficiencia de transferencia de energía del 40,9 %, y se pueden transmitir 56,2 W a través de una barrera de 9,53 mm (0,375 pulgadas). pulg) placa de espesor de acero HY-80 con una eficiencia de transferencia de potencia del 70,8 %. Además, los resultados de las mediciones de barrido de potencia presentados en este capítulo sugieren que los kilovatios de potencia deberían poder transmitirse eficientemente a través de canales de potencia acústico-eléctricos con el uso de transductores de mayor diámetro y un PA más potente. Por lo tanto, esta tecnología inalámbrica de transmisión de energía a través de metal tiene el potencial de admitir una gama muy diversa de aplicaciones de baja y alta potencia.

CAPÍTULO 4 ENLACE DE TRANSMISIÓN DE DATOS 

El bloque de acero submarino ligeramente curvado de 63,5 mm (2,5 pulgadas) de espesor, sobre el cual se desarrolló el canal de transmisión de energía de 1 MHz (canal 1) en el Capítulo 3, también se utiliza como barrera metálica en un canal separado para Desarrollar y probar un enlace de transmisión de datos. Este capítulo analiza primero la respuesta medida y las limitaciones clave de este canal de comunicación con respecto a los esquemas de comunicación tradicionales de una sola portadora, y el uso de un esquema de comunicación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) multiportadora que supera estas limitaciones para lograr una alta densidad espectral. Eficiencia y alta velocidad de datos. 

En segundo lugar, se analiza la arquitectura del sistema y el hardware para un enlace de transmisión OFDM en tiempo real a través del canal. Finalmente, se presentan y discuten tanto el rendimiento medido del enlace como la capacidad proyectada del enlace para evaluar los límites teóricos de la transmisión de datos en canales acústico-eléctricos. 

4.1 Canal acústico-eléctrico para transmisión de datos

 El canal de transmisión de datos utiliza un par de transductores de disco piezoeléctricos de 25,4 mm (1 pulgada) de diámetro fabricados con el mismo material APC850 que los transductores de transmisión de energía descritos anteriormente. El espesor de estos transductores se selecciona para darles una resonancia en modo espesor nominal a 4 MHz. Los transductores están alineados coaxialmente en lados opuestos del bloque de acero submarino de 63,5 mm (2,5 pulgadas) de espesor y están unidos al acero usando el mismo epoxi Araldite 2014 que se usó para unir los transductores de potencia en el Capítulo 3. Los parámetros S del canal de comunicación resultante se miden de 2,08 MHz a 6,25 MHz utilizando un analizador de redes vectoriales TAPR de Ten-Tec, y la función de transferencia de potencia GP de esas mediciones se presenta en la Figura 4.1. Está claro que la respuesta del canal de datos es muy selectiva en frecuencia, es decir, tiene muchos modos constructivos y destructivos, con hasta 60 dB de variación de transmisión en todo el ancho de banda caracterizado. La respuesta del canal de datos comparte muchas características similares con la respuesta del canal de potencia del Capítulo 3. Los modos propios periódicos ocurren aproximadamente cada 47 kHz y son causados predominantemente por los modos naturales de la barrera metálica. Además, se puede ver un modo propio amplio entre 4 MHz y 5 MHz que corresponde a las resonancias naturales del modo de espesor de los transductores. Gran parte de la selectividad de frecuencia del canal surge de los desajustes de impedancia acústica inherentes entre los transductores piezoeléctricos, las capas acoplantes y la barrera metálica, como se analiza en el Capítulo 2. Esta selectividad de frecuencia da lugar a un canal de comunicación reverberante con una importante propagación de señal por trayectos múltiples. Una transformada de Fourier inversa del s21 medida desde 2,08 MHz a 6,25 MHz produce la respuesta de impulso de banda limitada del canal. La respuesta al impulso normalizada (es decir, unitaria) para el canal, incluida la adaptación de banda ancha, se presenta en la Figura 4.2. El primer impulso que llega a la salida del canal se retrasa el tiempo de tránsito por el canal (aproximadamente 11 µs). La llegada de todos los ecos restantes está espaciada por el tiempo de tránsito dual (aproximadamente 22 µs), ya que tienen que viajar de regreso a través del canal y reflejarse en el límite posterior del transductor-aire antes de llegar a la salida del canal. Es interesante observar que la dispersión de cada eco posterior crece debido a la distorsión de retardo de grupo compuesta introducida por cada paso que realiza la señal acústica a través del canal selectivo de frecuencia. Es necesario considerar dos características críticas de los canales de comunicación cuando existe una fuerte propagación por trayectos múltiples. Estos son el retardo del canal D y su ancho de banda de coherencia Fc [9]. La dispersión del retardo de un canal se define en términos generales como la diferencia de tiempo entre la llegada del primer componente multitrayecto de una señal y la disipación de su último componente multitrayecto significativo en la salida del canal. El ancho de banda de coherencia de un canal se define como el ancho de banda máximo sobre el cual una señal en el canal experimentará un desvanecimiento plano, donde todos los componentes de frecuencia de una señal experimentan aproximadamente la misma escala de amplitud (es decir,

4.2 Arquitectura del sistema OFDM 

Como se mencionó anteriormente, OFDM utiliza muchas subportadoras espaciadas uniformemente en frecuencia. Los algoritmos de transformada de Fourier rápida discreta (FFT) y transformada de Fourier rápida inversa discreta (IFFT) también operan con información de dominio de frecuencia uniformemente espaciada y ambos pueden usarse para implementar eficientemente arquitecturas de transmisor y receptor OFDM utilizando procesamiento de señales digitales (DSP). La Figura 4.3 ilustra la arquitectura fundamental de un transmisor y receptor OFDM basado en DSP. En la arquitectura del transmisor de la Figura 4.3a, primero se divide un flujo de bits en serie de datos digitales en secuencias finitas de bits que se codifican en símbolos complejos mediante un codificador de símbolos. La magnitud y fase de estos símbolos complejos están determinadas por la técnica de modulación de subportadora digital seleccionada para el sistema. Luego, estos símbolos pasan a través de un demultiplexor por división de tiempo para completar un rango designado de contenedores de frecuencia para una IFFT. Los valores de símbolos complejos en cada intervalo de frecuencia representan las magnitudes y fases de varias subportadoras (exponenciales complejas) en frecuencias espaciadas uniformemente. Una vez que se llenan todos los contenedores de frecuencia deseados, se ejecuta una IFFT utilizando la matriz de símbolos complejos como entrada. Esto produce una secuencia de muestras complejas en el dominio del tiempo, es decir, una forma de onda OFDM discreta, que representa la suma de cada subportadora en su magnitud especificada.

4.2.1 Configuración OFDM específica

 El enlace de transmisión de datos OFDM está diseñado para utilizar todo el ancho de banda caracterizado de 4,167 MHz del canal de datos (de 2,083 MHz a 6,25 MHz) presentado anteriormente en la Figura 4.1. Para garantizar que el ancho de banda modulado de cada subportadora se mantenga por debajo del Fc del canal de 5,4 kHz, se utilizan 4096 subportadoras para dividir la banda de transmisión completa en subbandas de 1,01725 kHz espaciadas uniformemente. Esta separación entre subportadoras es igual a la velocidad de símbolo OFDM sin procesar, lo que produce un tiempo de símbolo OFDM de Ts = 983 µs antes de la adición de un prefijo cíclico. Se selecciona de forma pesimista un prefijo cíclico de Ts/4 = 245,8 µs para protegerse de forma segura contra la dispersión de retardo estimada de 185 µs del canal, lo que da como resultado un factor de escala de rendimiento del 80 % (una reducción del 20 %). Finalmente, se selecciona la manipulación por desplazamiento de fase M-aria discreta (MPSK) para el esquema de modulación de subportadora digital, que codifica secuencias de datos binarios en fases discretas de cada subportadora del sistema. Por lo tanto, el escalado de amplitud debido a una excesiva selectividad de frecuencia en el canal no es un problema y el uso de PSK simplifica enormemente la estructura del decodificador de símbolos en el receptor. Se consideran cuatro niveles diferentes de PSK para el sistema: PSK binario (2PSK o BPSK), PSK cuaternario (4PSK o QPSK), PSK 8-ario (8PSK) y PSK 16-ario (16PSK) donde 1, 2, 3 y 4 Los bits se codifican por símbolo, respectivamente. Las constelaciones de símbolos para cada uno de estos niveles de modulación PSK se ilustran en la Figura 4.5. Estas constelaciones representan el plano complejo a través del cual pasa el fasor exponencial complejo asociado con una subportadora. El eje horizontal representa la proyección en fase (I) o coseno del fasor, y el eje vertical representa la proyección en cuadratura (Q) o seno de la subportadora. El mapeo entre los diversos símbolos de la constelación y las secuencias de bits que representan utiliza un esquema de codificación Gray [9], que organiza la constelación de tal manera que las secuencias de bits asociadas con símbolos adyacentes solo difieren en un bit. Si la relación señal-ruido (SNR) de cada subportadora se mantiene lo suficientemente alta, durante las pocas veces que se detecta erróneamente un símbolo, este esquema de codificación Gray garantiza que existe una gran probabilidad de que ese error de símbolo solo se produzca. corresponden a un solo error de bit. Por lo tanto, el límite inferior para la tasa de errores de bits (BER) asociada con una subportadora codificada en Gray debería ser la tasa de errores de símbolos (SER) de la subportadora reducida por el número de

4.2.2 Arquitectura y hardware específicos del sistema

 La arquitectura DSP específica diseñada para el transmisor se presenta en la Figura 4.6. Esta arquitectura es muy similar a la arquitectura fundamental presentada anteriormente en la Figura 4.3a, excepto que utiliza específicamente un codificador de símbolos PSK y elimina la necesidad de un modulador complejo al sintetizar una señal OFDM directamente en RF. Esto se logra implementando una IFFT de 32768 puntos que opera a una frecuencia de muestreo de 33,333 MSps y utilizando solo los 4096 contenedores de frecuencia que se encuentran dentro del ancho de banda de transmisión de 2,083 MHz a 6,25 MHz. Debido a que el complejo IFFT produce una señal OFDM en RF, sus salidas real e imaginaria contienen la misma información y solo se necesita una. Por lo tanto, la producción real se mantiene y la producción imaginaria no se utiliza. Se agrega un prefijo cíclico a la salida IFFT real, que luego se pasa a un DAC para generar una palabra OFDM de tiempo continuo. Cabe señalar que todos los símbolos complejos generados por el codificador de símbolos PSK tienen magnitudes idénticas, de modo que cada subportadora tiene la misma potencia asociada a ella en la salida del DSP del transmisor. La arquitectura de hardware específica implementada para el enlace de transmisión de datos completo se presenta en la Figura 4.7. El transmisor utiliza un DAC de 14 bits para sintetizar señales OFDM en tiempo continuo desde el DSP del transmisor, que se ejecuta a una frecuencia de muestreo de 33,333 MSps (la misma velocidad que el IFFT del DSP). Con un ancho de banda de señal OFDM agregado de 4,167 MHz, la frecuencia de muestreo Nyquist de la señal sería de 8,333 MHz, lo que significa que el DAC está configurado con una relación de sobremuestreo (OSR) de 4. Luego, la salida del DAC pasa a través de un paso bajo. Filtro de reconstrucción para suavizar la señal OFDM y rechazar las imágenes de alias del DAC. Luego, la señal OFDM suave pasa a través de un controlador de transductor diseñado a medida que amplifica la señal y tiene la capacidad de controlar la carga de baja impedancia.

4.4 Enlace de audio digital 

Para probar una aplicación en el mundo real del sistema de transmisión de datos optimizado, está configurado para transmitir audio digitalizado a través de la barrera submarina de acero de 63,5 mm (2,5 pulgadas) de espesor. Una configuración de sistema como esta podría usarse para el monitoreo en tiempo real de un sensor vectorial submarino en el exterior de un barco de superficie o del casco de un submarino. Primero, una señal de audio mono analógica se digitaliza mediante un ADC de 16 bits a 200 kSps y se serializa, produciendo un flujo de datos binarios a 3,2 Mbps que se pasa al enlace optimizado como datos de entrada. El rendimiento requerido de 3,2 Mbps está muy por debajo de los 12,4 Mbps disponibles que proporciona el sistema optimizado. A continuación, el flujo de bits recuperado en la salida del receptor del enlace se deserializa en muestras de 16 bits y se pasa a un DAC de 16 bits que recrea una estimación cercana de la señal de audio analógica original a una frecuencia de muestreo de 200 kSps. Finalmente, la señal de audio reconstruida pasa a través de un PA y un altavoz de alta calidad para que un operador del sistema pueda monitorear la señal en busca de problemas de fidelidad o irregularidades. Tanto el ADC de audio como el DAC de audio se implementan mediante placas de evaluación de Analog Devices. Dada la BER objetivo del sistema optimizado de 10-6 y la velocidad de 3,2 Mbps a la que se transmite la señal de audio, se producen errores de bits con un espaciado temporal promedio de 0,3125 s. Cuando se produce un error de bit, puede dañar cualquier bit de una muestra de audio de 16 bits. El impacto que tiene cada error de bit en la fidelidad de la señal de audio depende de cuánta energía errónea inyecta en el flujo de audio. Se genera más energía cuando se produce un error de bit más cerca del bit más significativo (MSB) de una muestra de audio que del bit menos significativo (LSB). Afortunadamente, incluso en los peores casos, los errores de bits en el sistema optimizado no produjeron ninguna distorsión reconocible por el oído humano. Sin embargo, en sistemas donde se utilizan detectores más sensibles (por ejemplo, unidades DSP de audio), estos errores pueden ser perceptibles e incluso problemáticos. En estos casos, se puede sacrificar una fracción del rendimiento del enlace para agregar codificación de corrección de errores (por ejemplo, codificación de paridad, codificación de bloques, codificación convolucional o codificación turbo) que puede reducir drásticamente la BER del enlace para que los errores de bits ocurran con mucha menos frecuencia.

4.6 Resumen de los logros en comunicación 

Se ha diseñado y optimizado un enlace de transmisión de datos basado en OFDM para transmitir datos digitales de manera confiable a altas velocidades a través de un canal acústico-eléctrico de frecuencia selectiva construido sobre un bloque de acero submarino de 63,5 mm (2,5 pulgadas). El canal de transmisión de datos se forma utilizando transductores piezoeléctricos de 25,4 mm (1 pulgada) de diámetro fabricados con un material APC850. Al utilizar un esquema de optimización de carga de bits que utiliza los cuatro niveles más bajos de MPSK y apunta a una BER máxima de 10-6, el enlace puede alcanzar un rendimiento de datos máximo de 12,40 Mbps. Este enlace también se amplía para crear un sistema capaz de transmitir audio digital de 16 bits, muestreado a 200 kSps, a través de la barrera de acero. Se muestra que el rendimiento alcanzable del enlace existente podría mejorarse enormemente a 33,33 Mbps si se reconfigura para utilizar un esquema de optimización de carga de energía con modulación de subportadora m2QAM.

5.4 Resumen

 Con la adición de un filtro de supresión de armónicos al transmisor del enlace de energía, un filtro de rechazo de energía fundamental al receptor del enlace de datos y la sincronización entre los enlaces de energía y de datos, se minimizó el impacto de la fuga del canal de energía en el enlace de datos y todos Los productos de fuga solo corrompieron 4 de las 4096 subportadoras del sistema. Al dejar sin utilizar esas cuatro subportadoras afectadas, se eliminó toda la interferencia entre los dos enlaces y el rendimiento del enlace de datos se redujo sólo marginalmente. Las mediciones han demostrado que el sistema es capaz de transmitir simultáneamente 32,5 W de potencia de CA y datos a una velocidad de 12,4 Mbps a través del canal de acero submarino de 63,5 mm (2,5 pulgadas) de espesor. A pesar de que el prototipo de hardware consume toda una mesa, la complejidad del hardware es relativamente baja y los elementos del sistema a ambos lados de la barrera de acero podrían condensarse muy fácilmente para caber dentro de pequeños paquetes portátiles.

6.6 Resumen

 Se presentó un modelo analítico que predice con mucha precisión el comportamiento lineal de un canal de transmisión acústico-eléctrico. Este modelo se ajustó sistemáticamente para adaptarse a la respuesta medida del canal de transmisión de datos de 4 MHz y mostró una excelente correlación con las mediciones. Utilizando un análisis simplificado de ruido y distorsión de la arquitectura del enlace de transmisión de datos, se mejoró el modelo de canal para poder predecir características críticas de rendimiento de un enlace basado en OFDM (por ejemplo, capacidad máxima del canal y ancho de banda de coherencia) que interactuaría con el canal modelado. Este modelo mejorado se utilizó luego para evaluar el impacto de una variedad de espesores de capas de barrera de acero y epoxi en el rendimiento del enlace de transmisión de datos existente. Estos análisis revelaron que las barreras de espesor moderado a grande tienden a producir capacidades de canal casi máximas y razonablemente insensibles. Además, resaltaron que la capacidad del enlace de transmisión de datos es muy insensible al espesor de la capa de epoxi, lo que implica directamente una insensibilidad a la calidad y control del procedimiento de fijación del transductor. Esta insensibilidad es un resultado directo del uso de un esquema de comunicación basado en OFDM que utiliza eficientemente canales muy selectivos en frecuencia, y proporciona una tremenda ventaja sobre las técnicas de comunicación de un solo portador predominantemente utilizadas en la literatura publicada analizada en el Capítulo 1.

CAPÍTULO 7 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

 Este capítulo presenta las principales contribuciones que este conjunto de trabajos ha hecho al campo científico, así como posibles áreas focales para trabajos futuros. 

7.1 Contribuciones técnicas

 La siguiente lista describe brevemente cada una de las principales contribuciones que el trabajo presentado en esta tesis ha hecho al área de la transmisión inalámbrica de datos y energía a través de metales: 

• Una discusión de los principios y fenómenos subyacentes que gobiernan las características de un piezoeléctrico. Se presentan el canal de transmisión acústico-eléctrico basado en transductor, así como las consideraciones generales de diseño del canal y sus compensaciones.

 • Se presenta una arquitectura de hardware para la entrega de energía de onda continua y una metodología de diseño para optimizar la eficiencia de transferencia de energía de un canal de transmisión de energía acústico-eléctrica, que utiliza adaptación simultánea de impedancia conjugada de dos puertos. Se construyen dos enlaces de energía separados utilizando esta arquitectura y metodología de diseño.

 El primer enlace está implementado sobre una placa de acero HY-80 de 9,53 mm de espesor y las mediciones muestran que es capaz de transmitir 56,2 W a través de la barrera con una eficiencia de transferencia del 70,8%. 

El segundo enlace está implementado sobre un bloque de acero submarino de 63,5 mm de espesor y las mediciones muestran que es capaz de transmitir 32,5 W a través de la barrera con una eficiencia de transferencia del 40,9%. 

• Los esquemas de modulación multiportadora, específicamente la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), se reconocen como métodos poderosos para superar la fuerte selectividad de frecuencia de los canales acústico-eléctricos y lograr eficiencias espectrales y rendimientos agregados mucho más altos que los esquemas de modulación de una sola portadora más tradicionales. homólogos. Se presenta un enlace de transmisión de datos basado en OFDM 160, 161, junto con un esquema de optimización del rendimiento basado en un algoritmo de carga de bits que utiliza codificación por desplazamiento de fase (PSK). Alternativamente, el uso de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y un algoritmo de carga de energía también han demostrado ser métodos eficaces para mejorar aún más la capacidad de datos del enlace. 

• También se presenta un sistema que utiliza un enlace de transmisión de energía y de datos muy próximos sobre una única barrera metálica. Se demuestra que, mediante el uso de un filtrado nítido y una técnica de sincronización del enlace de datos de potencia, el sistema completo puede mitigar completamente los efectos de la interferencia de la fuga de señal del canal de datos de potencia y, al mismo tiempo, tiene un impacto insignificante en el rendimiento de cualquiera de los enlaces. . Las mediciones de este sistema muestran que puede transferir simultáneamente 32,5 W de potencia de CA y transmitir datos de manera confiable a 12,4 Mbps y una tasa de error de bits de 10-6, a través de un bloque de acero submarino de 63,5 mm de espesor. •

 Se presenta un modelo matemático de alta precisión del canal acústico-eléctrico que permite al diseñador de sistemas predecir rápida y fácilmente las capacidades de rendimiento de un enlace de transmisión de energía o datos, y también explorar los impactos de las propiedades del material y las geometrías de las capas en la respuesta de un canal sin necesidad de construir o probar físicamente el canal. 

7.2 Trabajo futuro

 La siguiente lista describe brevemente una serie de posibles trabajos futuros y temas de investigación relacionados con el material presentado en esta tesis. 

• Implementar codificación de corrección de errores en el enlace de datos para mejorar la confiabilidad del enlace de datos o lograr un mayor rendimiento con el mismo nivel de confiabilidad. 

• Explorar el uso de múltiples canales de transmisión de datos y diversas técnicas convencionales de comunicación con múltiples antenas (por ejemplo, cancelación de interferencias, detección conjunta, mínimos cuadrados medios o esquemas de forzamiento cero) para mejorar aún más los rendimientos de datos alcanzables. 

• Determinar las limitaciones operativas lineales para una variedad de materiales, geometrías y configuraciones de transductores de potencia para permitir niveles de potencia muy altos (kilovatios) con un mínimo calentamiento del transductor y tensión mecánica del sistema. 

• Explorar múltiples algoritmos mixtos de carga de bits y carga de energía para el enlace de datos a fin de lograr un rendimiento de datos global máximo que sea lo más cercano posible a la capacidad del canal de datos.

 • Desarrollar un modelo analítico para predecir la interferencia entre dos canales acústicoeléctricos construidos sobre la misma barrera metálica.

 • Considerar el uso de capas piezoeléctricas adicionales que estén cargadas pasiva o activamente como capas absorbentes de ultrasonidos, para reducir la selectividad de frecuencia de los canales de transmisión de datos acústico-eléctricos.