máster en electrónica, tratamiento de la señal y...

Máster en Electrónica, Tratamiento de la Señal y Comunicaciones 2012/2013

1 Introducción.

Miguel Cordero Limón 11


1.1 Introducción.

El presente trabajo aborda el diseño y la implementación de un sistema de conformado digital del

diagrama de radiación de un sistema de array de antenas que será embarcado en un UAV

(Unmanned Aerial Vehicle) para mejorar la comunicación de este con la estación de control en

tierra o GCS (Ground Control Station). Los sistemas de conformado de diagrama de radiación

también se pueden emplear para mejorar las comunicaciones por satélite o mejorar la recepción

de señales procedentes de sistemas de navegación por satélite.

Un array de antenas es un conjunto de antenas distribuidas en el espacio de acuerdo a una cierta

configuración. Cuando se emplea en transmisión, los campos electromagnéticos emitidos por el

array interfieren de forma constructiva en ciertas direcciones y de forma destructiva en otras

dando lugar a un diagrama de radiación distinto al de los elementos individuales (cuando se usa en

recepción son las corrientes inducidas en las antenas individuales las que se suman constructiva o

destructivamente en función de la dirección de incidencia de la onda electromagnética que las

produce). El patrón de radiación conjunto depende del patrón de radiación de los elementos

individuales, de la distribución espacial de los mismos y de los desfases relativos introducidos en

los trayectos de señal de cada uno de los elementos del array. Son precisamente estos procesos de

desfase de las señales los que permiten controlar la conformación de haz para una distribución

espacial y unas antenas dadas. La idea que hay detrás de este trabajo se representa en la figura 1.

Los sistemas de array de antenas también permiten estimar la dirección de incidencia de una señal

(cuando se emplean en recepción) con distintas aplicaciones relacionadas con este uso como son:

• Estimación de la dirección de llegada de una señal interferente, para posteriormente

realizar la conformación para mitigar su efecto en un receptor (lo que se conoce como null-

steering o apuntamiento de nulo).

• Estimación de la dirección de llegada de una señal para localización del emisor, con usos

principalmente militares (por ejemplo, la localización de blancos) pero también civiles.



El trabajo aquí recogido es parte de un proyecto cuyo objetivo es el desarrollo de un sistema de

array de antenas con conformación digital para ser embarcado en un vehículo aéreo no tripulado y

ser empleado para el envío de datos recogidos por los sensores que conforman la carga útil

(cámaras en rango visual e infrarrojo, cámaras multiespectrales, radares de tipo SAR, etc) a una

estación de tierra. El sistema desarrollado se trata pues de un sistema en transmisión y consta del

array de antenas propiamente dicho, una cadena de RF en transmisión por cada elemento del

array y un bloque de conversión digital/analógico (un DAC por cada elemento del array) y un

sistema de procesado de señal en banda base basado en un FPGA. El sistema permitirá mejorar las

prestaciones del enlace entre el UAV y la estación de control en tierra mejorando el balance de


Figura 1. Concepto del sistema de apuntamiento de haz digital aplicado a UAVs.


potencia del mismo. Esto permitirá aumentar el alcance del enlace para una misma potencia de

transmisión y tasa de datos, aumentar la tasa de datos para un mismo alcance y potencia de

transmisión o disminuir la potencia de transmisión para un alcance y tasa de datos dados. El

esquema del sistema completo se ha representado en la figura 2.

Figura 2. Esquema de los elementos del sistema de array de antenas con conformación digital.

1.2 Motivación.

Como se ha comentado en el apartado 1.1, el uso de sistemas de array permiten conformar el

patrón de radiación aumentando la ganancia en unas direcciones y disminuyéndola en otras. Las

ventajas que esto aporta a las comunicaciones son las siguientes:

• Mejora del balance de potencia del enlace (lo que se conoce como link budget) en la

dirección de interés (donde se encuentra el emisor o el receptor dependiendo de si el array

se emplean en recepción o transmisión respectivamente) al aumentar la ganancia del array

en esa dirección de forma que la SNR mejora.

• Reducción de la potencia recibida de señales interferentes (ya sean intencionadas o no

intencionadas) incidentes en direcciones distintas a la dirección de interés lo que se traduce

en una mejora del SINAD (SIgnal to interference, Noise and Distortion) en el receptor.

Como acabamos de ver, la principal mejora que se consigue es la de aumentar la SINAD del sistema

lo que permite aumentar el alcance del enlace para una potencia de transmisión y régimen binario

determinados, reducir la potencia de transmisión necesaria para un alcance y régimen binario

dados o aumentar el régimen binario para una potencia de transmisión y alcance determinados.

Por medio de la fórmula de propagación de Friis podemos estimar la mejora del enlace en función

del aumento de la ganancia del patrón en la dirección de interés. La fórmula de Friis se puede

expresar como Pdr [dBm ]=Pet [dBm]− Ltt+G t− Lb+G r − L tr , donde Pdr [dBm ] es la potencia


Procesado de señal enBanda Base digital

Cadenadigital/analógica

BB/RFArray de antenas


disponible en el receptor, Pet [dBm] es la potencia entregada por el transmisor, Ltt y Ltr son

las pérdidas en el transmisor y receptor provocadas por los cables y conectores, Gt y Gr son

las ganancias de las antenas del transmisor y receptor en la dirección en la que ambos están

contenidos y finalmente Lb son las pérdidas básicas de propagación.

Cuando se emplea un sistema conformador con un array de antenas, la potencia de transmisión

necesaria para conseguir el mismo alcance y régimen binario que empleando una única antena se

reduce un número de dB igual a Ga−G e con respecto a la potencia transmitida necesaria

cuando se emplea una única antena, donde Ga es la ganancia del array en la dirección de interés

y Ge es la ganancia de una única antena (un único elemento) en dicha dirección. Por otro lado,

cuando se mantiene la potencia de transmisión y el régimen binario objetivo el alcance del enlace

se mejora empleando un sistema de array de antenas. Para analizar el aumento del alcance en

función del aumento de la ganancia del array con respecto a una única antena en la dirección

deseada es necesario analizar la relación existente entre la pérdida de propagación y el enlace. La

pérdida de propagación depende del entorno en el que se encuentran el transmisor y receptor. En

el caso de espacio libre, la pérdida básica de propagación viene dada por Lb=20log10(4 πd /λ) .

Si se considera un modelo de propagación de dos rayos y se supone que la distancia entre el

transmisor y receptor es mucho mayor a la altura de las antenas, la pérdida básica de propagación

presenta la forma Lb=20log10(d2/ht hr) [1]. En la tabla 1 se muestran las mejoras en el alcance

de los enlaces considerando una frecuencia de operación del enlace de 2,4 GHz (frecuencia

comúnmente empleada en el enlace de datos de los sistemas UAS civiles) y alturas de las antenas

hr=1 (estación de tierra) y h t=300 (altura de vuelo nominal del UAV civil X-Vision fabricado

por la empresa española Elimco).

Ga−G e [dB] 1 3 5 7 9

Mejora en alcance, espacio libre

112.7976 m 142.0038 m 178.7721 m 225.0608 m 283.3348 m

Mejora en alcance, 2 rayos

18.3468 m 20.5855 m 23.0973 m 25.9156 m 29.0777 m

Tabla 1. Mejora en el alcance del enlace para distintos incrementos de las ganancias.



Las estaciones de control de tierra normalmente hacen uso de sistemas de apuntamiento

mecánico con antenas directivas (como el mostrado en la figura 3) ya que no aplican las

restricciones de tamaño y peso. La estación de control de tierra conoce la posición del UAV (y por

tanto la dirección en la que debe apuntar) gracias a que este la envía constantemente por el enlace

de telemetría (enlace de bajada). Es importante notar que si el enlace de telemetría se pierde la

estación de control deja de conocer la posición del UAV y por tanto la dirección en la que debe

apuntar por lo pasaría a modo búsqueda para tratar de recuperar el enlace.


Figura 3. Sistema de seguimiento de antena en tierra.

Figura 4. Ejemplo de antenas de cuchilla del fabricante Haigh-Farr.


Los vehículos aéreos no tripulados o UAVs por su parte emplean antenas de tipo cuchilla o blade

(como las mostradas en la figura 4) o monopolo (actuando el fuselaje como plano de tierra) para la

comunicación con la estación de tierra, las cuales presentan patrones de radiación

omnidireccionales en el plano horizontal y con un ancho de haz a 3 dB grande de forma que la

ganancia de la antena se mantenga para las distintas actitudes (es decir, inclinaciones) de la

aeronave por lo que la ganancia de las mismas suelen ser de unos 3 dBi. Estas antenas se colocan

en la parte baja del fuselaje y/o alas para tener visión directa con tierra durante la operación

normal de la aeronave. En ocasiones se hace uso por redundancia de dos antenas conmutables

ubicadas en distintas partes de la aeronave (por ejemplo una en cada ala) para prevenir que el

bloqueo de la linea de vista con la estación de tierra de una de ellas que se puede producir durante

las maniobras de la aeronave interrumpa el enlace de comunicaciones. En el caso de UAVs de gran

tamaño (los cuales se usan casi exclusivamente en el ámbito militar) se hace uso de sistemas de

apuntamiento mecánico de antenas directivas (generalmente parabólicas) para mejorar la

capacidad del enlace. Sin embargo, en los UAVs de pequeño tamaño más adecuados para

aplicaciones civiles, las restricciones de peso y volumen hacen que estos sistemas de

apuntamiento mecánico no se puedan emplear. Es por ello que los sistemas de conformado de haz

de radiación se presenten como una solución atractiva para aumentar las prestaciones de los

enlaces de comunicaciones empleados por este tipo de vehículos. Al igual que la estación de tierra

necesita conocer su posición y la del UAV para poder apuntar su antena, el sistema conformador

de la antena en el UAV necesita también conocer estos dos datos. El UAV envía sus datos a una

estación de control en tierra determinada cuya posición es fija por lo que esta puede ser medida

mediante un receptor GPS antes de comenzar la misión y configurada en el sistema. El UAV

dispone además en todo momento de su posición y actitud (o lo que se lo mismo, su orientación)

gracias al sistema de navegación de la aeronave que procesa los datos procedentes de un receptor

GPS, IMU (Inertial Measurement Unit) y opcionalmente otros sensores como altímetros

barométricos o por láser, magnetómetros... El conocimiento de la posición y actitud del UAV junto

con el conocimiento de la posición de la estación de tierra permite al sistema de conformado de

haz determinar la dirección en la que debe apuntar. Es importante resaltar que en este caso, a

diferencia del sistema de apuntamiento de la estación de tierra, el conocimiento de la dirección de

apuntamiento no depende del estado del enlace ya que el UAV no depende de datos enviados



desde la estación de tierra para conocer la posición de esta. En el caso de que la estación en tierra

estuviera en movimiento (por ejemplo ubicada en un automóvil o en un barco), la posición de esta

se podría enviar por el enlace de subida. Otra opción que podría emplearse consistiría en emplear

algoritmos de estimación de la DOA (Direction of Arrival) o AOA (Angle of Arrival) para determinar

la dirección de recepción de la señal de subida desde la estación de tierra y determinar así la

dirección en la que se debe apuntar y posteriormente llevar a cabo la conformación del haz en esa

dirección.

En la aplicación que se contempla en este trabajo, la GCS se ubicará en una posición fija cuyas

coordenadas podrán ser recogidas empleando un receptor GNSS (Global Navigation Satellite

System) (actualmente en la práctica se emplea un receptor GPS) y configuradas en el sistema de

conformación de haz. La posición y actitud del UAV será asimismo conocida con bastante precisión

gracias al sistema de navegación de la aeronave que cuenta con un receptor GNSS embarcado y

una IMU (Inertial Measurement Unit). Con esta información el sistema de conformación de haz

podrá calcular en todo momento la dirección de apuntamiento requerida.

1.3 Alcance del trabajo.

El presente trabajo aborda el diseño e implementación en una plataforma basada en una FPGA del

sistema de conformación de patrón de radiación con un array de antena.

En primer lugar, en el capítulo 2 se analizarán los fundamentos teóricos de los sistemas de array de

antenas y se realizará un estudio del estado del arte de sistemas de conformado digital de haz

existentes.

En el capítulo 3 se estudiarán diversas configuraciones mediante simulaciones llevadas a cabo en

MATLAB empleando un toolbox libre llamado ArrayCalc que se encuentra disponible en el sitio

web File Exchange de TheMathWorks [2].

En el capítulo 4 se implementará el algoritmo de conformado de haz empleando la herramienta

System Generator for DSP de Xilinx, la cual se integra con el entorno Simulink de TheMathWorks

permitiendo el desarrollo basado en modelos de diseños para FPGAs. El algoritmo de cálculo de la

dirección de apuntamiento también será analizado en este capítulo.



En el capítulo 5 se exponen los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con el algoritmo

corriendo sobre una FPGA real. Las pruebas han sido realziadas en modo co-simulación hardware y

con la herramienta ChipScope de Xilinx.

Finalmente, en el capítulo 6 se recogerán las conclusiones obtenidas del trabajo y se expondrán las

líneas de trabajo futuras necesarias para la implementación operativa del sistema completo así

como mejoras que puedan acometerse en el sistema.


máster en electrónica, tratamiento de la señal y...

Documents