Detetor digital síncrono de sinal CW baseado em FPGA

Abstract

A propagação de sinais acima de 10 GHz na atmosfera sofre de atenuação e despolarização devido à presença de hidrometeoros. A caracterização e o modelamento destas contrariedades exige longas campanhas de medição as quais são efectuados usando receptores dedicados que monitorizam o sinal CW de elevada pureza espectral radiado por satélites geo-estacionário. Os sinais a medir são habitualmente dois, o denominado copolar (recebido com polarização original) e o crosspolar (polarização ortogonal). A medição da amplitude permite obter a magnitude de atenuação atmosférica, a qual é importante para saber durante quanto tempo do ano uma ligação de satélite estará indisponível. A medição do tipo de sinais aqui pretendido é sempre problemático pois o sinal recebido apresenta um valor de CNR muito reduzido, algum espalhamento espectral e deriva de frequência. Os métodos de deteção coerente por PLL ou FLL são preferidos neste tipo de aplicações e apresentam uma gama dinâmica superior mas por outro lado a sua implementação no domínio analógico pode ser bastante díficil. De modo a contornar a inflexibilidade dos métodos analógicos recorreu-se ao conceito de Software Defined Radio (SDR) que procura tratar os sinais de rádio, tanto quanto possível, no domínio digital. Deste modo resultou a ideia para o trabalho desta dissertação, que consistiu na elaboração de um pequeno módulo capaz de detectar digitalmente o sinal proveniente de satélite a uma frequência intermédia (IF) e com recurso a uma FPGA, adicionalmente os resultados da detecção são enviados para um computador hospedeiro. Com vista à conceptualização do projecto é feita uma caracterização do sinal a detectar e são apresentados alguns métodos de detecção dando-se enfâse aos que fazem uso de malhas de sincronização. Seguidamente é feita uma descrição da placa de conversão analógico-digital construída e da arquitectura do detector síncrono realizado na FPGA: etapas de filtragem, decimação e especificação dos parâmetros de loop. É ainda descrito o processo de transferência de dados para o PC via controlador USB. Por fim alguns resultados utilizando um gerador RF para sintetizar o sinal de entrada são apresentados e analisados. Foi concluído que o detector adquire o sincronismo para sinais acima de -60 dBm, o que apesar de ser uma situação onde o ruído é muito reduzido, deixa boas indicações para testes efetuados em ambiente real.

Earth-Satellite propagation channel modeling requires extensive measurement campaigns at as many sites, frequencies and link parameters as possible. The campaigns are made by estimating the received amplitude of a beacon CW signal radiated from a satellite using beacon receivers. The receiver measures the signal with the same polarization as the radiated one (copolar) and often the orthogonal (crosspolar) that carries additional information on the channel. As the carrier to noise ratio (CNR) is low a coherent detection is often used and requires the use of tracking loops whose implementation in the analogue domain is harsh. The use of digital radio hardware and/or software defined radio techniques to handle the tracking and detection is now being used: the down conversion is made within a FPGA, processed, and the data is moved to a host computer for further software processing. A stand-alone detector unit combining the frequency down conversion and detection in a single board and delivering the Cartesian two channel detected amplitudes to a host PC is described. The advantages would be a general purpose board that could handle, with no more hardware or software developments, measurement of beacon signals in a wide IF input range making also easier the analogue design of the preceding beacon receiver hardware. Some preliminar results of the developed detector with a clean signal provided by a waveform generator are presented and analysed. It was concluded that the detector can achieve lock with signals as low as -60 dBm in absense of phase noise, which leaves good indications to a real world detection scenario. The dissertation ends with some ideas for improvement and future work such as the utilization of frequency locked loops.