receptor satelital sdr

125 Pages·2017·22.91 MB·Spanish

by  Gómez, Lucas A.

PROYECTO INTEGRADOR DE LA CARRERA DE
INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
RECEPTOR SATELITAL SDR
Lucas Alberto Gómez
Estudiante
Ing. Nicolás Catalano Ing. Cristian Roddick
Director Co-director
Miembros del Jurado
Dr. Jorge O. Lugo (Instituto Balseiro, INVAP S.E.)
M.Sc. Luciano Stancato (Instituto Balseiro, INVAP S.E.)
Diciembre de 2017
Laboratorio de Ingeniería - Centro Atómico Bariloche
Instituto Balseiro
Universidad Nacional de Cuyo
Comisión Nacional de Energía Atómica
Argentina

A mi madre Edith y mi padre Julio
A mis hermanos Martín y María Pía
A mi novia Giselle
A mis ángeles Ciro y Luisin

Lista de abreviaturas
ADC Analog-to-Digital Converter
ADS Advanced Design System
AGC Automatic Gain Control
AMSAT World-wide Amateur Satellite union
AWGN Additive White Gaussian Noise
BER Bit Error Rate
BPSK Binary Phase-Shift Keying
COTS Commercial Off-The-Shelf
CW Continuous Wave
DAC Digital-to-Analog Converter
DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial
ET Estación Terrena
FIR Finite Impulse Response
GENSO Global Educational Network for Satellite Operations
GMSK Gaussian Minimun Shift Keying
IARU International Amateur Radio Union
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IF Intermediate Frequency
IIR Infinite Impulse Response
ISI Intersymbol Interference
ITU International Telecommunication Union
LEO Low Earth Orbit
LNA Low Noise Amplifier
LOS Line-Of-Sight
LPF Low Pass Filter
MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit
NCO Numerically Controlled Oscillator
NRZ Non-Return-to-Zero
PCB Printed Circuit Board
PLL Phase-Locked Loop
v
vi Lista de abreviaturas
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying
SDR Software-Defined Radio
SMD Surface Mounted Device
SNR Signal-to-Noise Ratio
UHF Ultra High Frequency
VCO Voltage Controlled Oscillator
VHF Very High Frequency
vi
Índice de contenidos
Lista de abreviaturas v
Índice de contenidos vii
Índice de figuras xi
Índice de tablas xv
Resumen xvii
Abstract xix
1. Introducción 1
2. Diseño del sistema de comunicaciones 5
2.1. Requerimientos del sistema de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Frecuencias de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3. Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4. Front-end de RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.1. Filtro de RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.2. LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5. Receptor USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6. Procesamiento SDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6.1. Modulación QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6.2. Demodulación QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6.3. Sincronismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7. Desempeño del receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.1. Canal AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.2. Relación señal a ruido - SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.3. Tasa de error de bit - BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3. Enlace satelital 15
3.1. Satélites en órbitas LEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
vii
viii Índice de contenidos
3.1.1. Estándar de descripción de órbita: TLE . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2. Efecto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3. Consideraciones del medio de propagación y el sistema de recepción . . 19
3.3.1. Pérdidas por espacio libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2. Pérdidas por polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3. Pérdidas por apuntamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4. Pérdidas en los conectores y líneas de trasmisión . . . . . . . . . 21
3.4. Parámetros del radioenlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.1. Potencia recibida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.2. Potencia Isotrópica Radiada Efectiva: PIRE . . . . . . . . . . . 22
3.4.3. Ruido en el receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.4. Figura de mérito G/T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.5. Desempeño del enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5. Cálculo del radioenlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.1. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4. Front end de RF 29
4.1. Metodología de construcción y medición . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2. Filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.1. Diseño del filtro pasa alto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.2. Optimización utilizando el método de Monte Carlo . . . . . . . 32
4.2.3. Construcción y medición del filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3. LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1. Elección del LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.2. Construcción y medición del LNA SPF5189Z (RFMD) . . . . . 40
4.3.3. Medición del LNA INA-02186 (HP) . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4. Cálculo del radioenlace satelital para valores medidos del front-end . . 43
5. Procesamiento SDR 45
5.1. Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.1. Errores en la estimación de la frecuencia de portadora recibida . 48
5.2. Recuperación de portadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1. Algoritmo del lazo de Costas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3. Demodulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.1. Filtro adaptado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4. Sincronismo de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.1. Algoritmo Early-Late . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6. Ensayos y resultados 63
6.1. Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
viii
Índice de contenidos ix
6.1.1. Generación de señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1.2. Recuperación de portadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1.3. Sincronismo de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1.4. BER del sistema de recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2. Adquisición de datos de satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.1. EstimacióndeórbitaycorrimientoenfrecuenciaporefectoDoppler 76
6.2.2. Adquisición de señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.3. Uso del SDR# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3. Procesamiento de datos del satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.1. Decimación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.2. Corrección en frecuencia y filtrado pasa banda . . . . . . . . . . 84
6.3.3. Estimación de E /N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
b o
6.3.4. Obtención de señales en banda base . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.5. Demodulación GMSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.6. Decisión de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.7. Protocolo AX.25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7. Conclusiones 93
A. Transmisión de BPSK en canal AWGN 97
ix