PROPAGAÇÃO EM SHF E TÉCNICAS

RADIO-DIGITAL E SOFTWARE RADIO

Armando RochaUniversidade de Aveiro

DETI/IT19 de Abril de 2011

Resumo

• Propagação em SHF– Bandas de frequência – Fenómenos de propagação mais relevantes– Técnicas de medição do canal de propagação

• Campanhas de Medição em Aveiro– Satélite Olympus– Satélite HotBird-6– Futuro Alpha-Sat

• Rádio Digital (aplicado a propagação)– Blocos principais– Circuitos rádio digital e software desenvolvido– Utilização de soluções no mercado

SHF• Banda entre os 3 e 30 GHz

• Comprimento de onda: 10 cm a 1 cm

– Aplicações• Links de microondas• Comunicações por satélite• Detecção remota

– Activa» Altimetria, radares de abertura sintética

– Passiva» Detecção de perfis de vapor de água e temperatura com a altitude

• Vantagens– Enorme largura de banda, maior facilidade em formatar os feixes,

menor interferência

• Desvantagens– Tecnologia mais dispendiosa: antenas, electrónica, etc– Propagação restringida a linha de vista– Sinal sujeito a atenuação devido a factores climáticos

Ligação Terra-Satélite

• Factores meteo

– Gases

– Nuvens

– Nuvens de Gelo

– Chuva

• Efeitos na onda

– Atenuação

– Despolarização

– Cintilação

Factores atmosféricos que afectam a propagação em SHF: Troposfera

• Densidade de vapor de água (g/m3)– À superfície terrestre: valor standard 7.5 g/m3

– Decresce exponencialmente em altura

– Maior tipicamente no Verão!!

• Pressão– Decresce com a altitude

• Temperatura– Decresce com a altitude a 6.5 ºC/km

Atenuação zenital (sem precipitação)

0 6 7 6 - 0 6

1 0 – 1

1 0 – 2

1

1 0

1 0 3

1 0 2

2

5

2

5

2

5

2

5

2

5

H 2 O

H 2 O

F I G U R E 6

T o t a l , d r y a i r a n d w a t e r v a p o u r a t t e n u a t i o n a t t h e z e n i t h f r o m s e a l e v e l

Zen

ith a

ttenuat

ion (dB)

F r e q u e n c y , f ( G H z )

S u r f a c e p r e s s u r e : 1 0 1 3 h P a

S u r f a c e t e m p e r a t u r e : 1 5 ° C

D r y a i rD r y a i r

T o t a l

R a n g e o f v a l u e s

25 5 2 3 . 52

1 0 21 01

0 6 7 6 - 0 6

1 0 – 1

1 0 – 2

1

1 0

1 0 3

1 0 2

2

5

2

5

2

5

2

5

2

5

H 2 O

H 2 O

F I G U R E 6

T o t a l , d r y a i r a n d w a t e r v a p o u r a t t e n u a t i o n a t t h e z e n i t h f r o m s e a l e v e l

Zen

ith a

ttenuat

ion (dB)

F r e q u e n c y , f ( G H z )

S u r f a c e p r e s s u r e : 1 0 1 3 h P a

S u r f a c e t e m p e r a t u r e : 1 5 ° C

D r y a i rD r y a i r

T o t a l

R a n g e o f v a l u e s

25 5 2 3 . 52

1 0 21 01

Oxigénio

Vapor de água

1 dB

10 dB

100 dB

Soma

0.1 dB

10 GHz 10 GHz100 GHz

Caracterização da precipitação • Chuva (atenuação e despolarização)

– Gotas de água em queda (raio desde µm a 4.5 mm)– Tem origem a cerca de 2 km de altura– Medida pela taxa de precipitação (mm/h) com

pluviómetros

• Nuvens e nevoeiros (atenuação)– Gotas muito pequenas que flutuam (raio de alguns µm)– Pequeníssimo conteúdo de água (<0.8 g/m3)– Pouca espessura dos nevoeiros e nuvens (dezenas a

centenas de metros)

• Gelo – Cristais de gelo em nuvens na denominada melting layer(despolarização)

– Granizo, neve (atenuação e despolarização insignificante)

Gotas de chuva e gelo: formas

http://www.cs.cmu.edu/~byl/publications/raindrop.pdf

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/morphologydiagram.jpg

Atenuação e despolarização• Fenómeno causado pela:

– Absorção (energia é dissipada nas gotas)

– Scattering (energia é desviada das gotas)

• Despolarização– Alguma energia é

transferida para polarização

ortogonal (V�H ou PCD � PCE)• Acontece se as partículas não forem esféricas e

tiverem alinhamento preferencial

E Egotas

Copolar

CopolarCxpolar

XPD � 20.∗ �10 ���

������

Como ocorre a chuva e combate à atenuação• Em células de 2 a 10km de diâmetro que nascem, crescem e morrem

sendo arrastadas pelo vento dominante

• Combate à atenuação– Diversidade

• Local

• Temporal

– Controlo de potência

– Distribuição inteligente

de potência

– Ajustar tipo de modulação

e codificação

Exemplos: atenuação, despolarização e cintilação

Medidas do canal necessárias• Pouco conhecimento do meio de

propagação– Estrutura do meio (chuva? chuva+gelo?, etc) :

Tamanho de gotas, temperatura, homogeneidade do meio, etc

– Altura da chuva– Dinâmica dos fenómenos

• Taxa de variação da atenuação e duração da atenuação

– Dependência da elevação, polarização, clima, etc?

• Importante para:– Prever a degradação do sinal

• Atenuação � Imagem desaparece ou fica com “quadrados”, velocidade de transmissão diminui, etc

• Despolarização � interferência na polarização ortogonal

– Testar desempenho de mecanismos de combate a estes efeitos

• Envolvimento: várias experiências com os satélites– Olympus (ESA 12, 20 e 30 GHz), HotBird-6 : 20

GHz, Futuro? AlphaSat: 40 GHz

Atenuação

Como prever a atenuação usando as Recomendações ITU

• Deve-se:– Medir a precipitação e em

especial a • Taxa de precipitação excedida

0.01% do tempo de um ano médio (R0.01%) ou seja (52.56 minutos num ano)

• …ou usar a Rec ITU 837-5

– Aplicar a Rec ITU-618-10• Altitude do local

• Elevação da antena

• Etc

Estatísticas de taxa de precipitação medida em Aveiro (6 anos)

• Tempo de integração de 1 minuto

0 20 40 60 80 100 12010

-6

10-4

10-2

100

102

RainDC [mm/h]

Tim

e [%

]

2005

2006

2007

2008

2009

2010

All Years

2005 2006 2007 2008 2009 20100

200

400

600

800

1000

1200

Years

Yearly

Accu

mula

ted R

ain

[m

m]

15

Atenuação medida com o HotBird-6 a 19.7 GHz (6 anos de medições)• ITU Attenuation Model

0 5 10 15 20 25

10-2

10-1

100

Attenuation (dB)

Per

cen

tage

of tim

e a

bcissa

is exce

eded

ITU-Rec. P.618

At0.01% ~17 dB

Medindo o canal: Receptores de padrão (beacon) de frequência

VCXOPLO 1X N96.91369 MHz

Copolar

Ref

f=802.2 MHz

PLO

7dBm

7dBm

Isolador

B0 12501.866 MHz

B1 19770.393 MHz

B2 29665.589 MHz

Amplificador de Baixo Ruído

Polarizaçãocruzada

X 9

FI = 872 MHz FI = 70 MHz

2

89.135912 MHz

Saídas para a

Unidade Interior

N= 195120

297{

UNIDADE EXTERIOR

Divisor de Potência

LB = 10 MHz LB = 2 MHz

UNIDADE INTERIOR

-36 dBm

LB = 1 MHz

-27 dBm

7 dBm

LB = 10 kHz

-14 dBm

LB = 5 kHz

11.5 dBm

59.3 MHz

11.5 dBm

10.675 MHz

7 dBm

7 dBm 7 dBm

FI = 10.7 MHz FI = 25 kHz

1 Vpp

CL =7 dB CL = 7 dB

FI = 70 MHz

90o

VIN=

VQU=

ARcosωt

VQU

VIN

α

KAo cosα

KAo senα

Vi=KAo cos(ωt+ α)

Detector Síncrono

Problemas e dificuldade da solução analógica

• Sinal muito fraco embora com potência concentrada numa risca estreita– Convertido para uma IF de alguns MHz

• Varia de frequência lentamente– Deve ser estabilizado em frequência e filtrado em banda

estreita– Solução

• Uso de PLLs ou AFC• Detecção coerente

• Problemas– Manter o sinal constante no circuito da PLL– Sinal pode atenuar-se muito e a PLL não consegue

manter o sincronismo• Tem que ser ajudada a re-adquirir o que pode demorar algum

tempo reduzindo o tempo de medição

– Enorme complexidade do hardware– Pouca versatilidade caso mudem as FI

• Radio Digital?

Aquisição

Auxiliada

AGC

25 kHz

25 kHz QuadFiltro de Malha

Detector de Fase

25 kHz In

VCXOCopolar

Lock/Unlock

Rádio Digital e Software Rádio• Grandes avanços na electrónica digital trouxeram:

– ADCs muito baratas (alguns dólares):• Dezenas de Ms/s e 12 bits são quase o ponto de partida

– NCO (numerically controled oscilator) e DDS• Programáveis (VCO)

– Filtros digitais• Decimadores

– DRSP (Digital Receiver

Signal Processors)

• Combinam multiplicador digital (mixer), filtros de decimação e interface série e/ou paralelo com DSP

– São interfaced com ADC

• Uma vez os dados na DSP ou PC– Usam-se programas para imitar funções de circuitos analógicos:

• PLLs, desmodulação, controlo automático de ganho, codificação, etc

Uma solução para o receptor• Amostrar a FI de, por exemplo 10.7 MHz, a 50 Ms/s

– Reduzir taxa de dados– Mover amostras para DSP ou PC– Estimar a amplitude do sinal

• Análise espectral ou ..• Detecção síncrona

– Implementar seguimento usando NCO• Avaliação em tempo real das condições de funcionamento e proceder de

acordo

• Vantagens– Menos H/W analógico, menor manutenção e menos custos de

desenvolvimento e de hardware– Maior estabilidade e reprodutibilidade– Maior flexibilidade: uso de outras FIs– Introduzida Inteligência–

1º Desenho• Um canal PLL digital

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-2

-1

0

1

2x 10

4

Tempo (seg)

Amostras I

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-2

0

2x 10

4

Tempo (seg)

Amostras Q

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-2

0

2x 10

4

Tempo (seg)

Interface de Porta sériecom o Kit

Interface para leitura/escrita da DRSPcom o Kit

Dados das componentes cartesianas do sinal recebidas no Kit DSP

Software: C-Code composer

1z−

Filtro de malha por software da DSP “equivalente ao analógico

Software: implementação de PLL por software na DSP

Exemplos: Processo de aquisição da PLL por software digital para distintas diferenças de frequência ∆f

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-20000

-10000

0

10000

20000

Tempo (seg)

Am

plit

ude

Amostras I

Amostras Q

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.410.699990

10.700000

10.700010

10.700020

10.700030

Tempo (seg)

Fre

quência

(M

Hz)

Frequência do NCO

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-20000

-10000

0

10000

2 0000

Tempo (seg)

Am

plit

ude

Amostras I

Amostras Q

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.410.699960

10.699980

10.700000

10.700020

Tempo (seg)

Fre

quência

(M

Hz)

Frequência do NCO

∆∆∆∆f~ 5 Hz ∆∆∆∆f ~ 20 Hz

∆∆∆∆f ~100 Hz0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-20000

-10000

0

10000

20000

Tempo (seg)

Am

plit

ude

Amostras I

Amostras Q

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

10.699900

10.699950

10.700000

10.700050

Tempo (seg)

Fre

quência

(M

Hz)

Frequência do NCO

Exemplos de AFC tracking• Implementado um AFC com o detector de frequência do

tipo cross correlator

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8-4

-2

0

2

4x 10

4

Time(sec)

Amplitude

I component

Q component

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8-10

-5

0

5

10

15

Time(sec)

Frequency(Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8-4

-2

0

2

4x 10

4

Time(sec)

Amplitude

I component

Q component

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8-20

0

20

40

60

Time(sec)

Frequency(Hz)

∆∆∆∆f=7 Hz

∆∆∆∆f=40 Hz

Frequência estabiliza

Protótipo de dois canais e teste de DDS

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

50

100

150

200

frequencia (Hz)

dB

Isolamento do canal Copolar

Canal Co - Sem sinal

Canal Cx - Com sinal

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

50

100

150

200

frequencia (Hz)

dB

Isolamento do canal Crosspolar

Canal Co - Com sinal

Canal Cx - Sem sinal

Isolamento entre os dois canais >90 dB

DDS

Espectro do oscilador da DDS

Administração inteligente da PLL:• Condições avaliadas em tempo real

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1000

0

1000

2000

Amostras I e Q na saida dos filtros FIR

Am

plit

ude

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-200

2040

Amostras I actuadas pelo AGC

Am

plit

ude

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-100

0

100

Diferenca de Frequencia

Hz

20

30

40Average CNR

dB

/Hz

NCO congelado SNR baixo

NCO recomeçado SNR recuperou

Porquê ir para soluções no mercado• Desenvolvimento de H/W “em casa”

– Vantagens• Conhecimento de todo o hardware

– Desvantagens• Requer algumas competências transversais

– RF e Electrónica digital, Arquitectura de computadores, Programação e optimização

• Elevado custo de desenvolvimento (uma ou duas unidades não se pagam)

• Dificuldade de diagnosticar os problemas de Hardware

• Soluções no Mercado– Vantagens

• Preço acessível e produto comprovado

• Algum software de apoio com ajuda disponível

• Facilidades adicionais

– Desvantagens• Exige também conhecimentos de sistemas operativos

• Algo incerto –se possível- como trabalhar em real time

Soluções no Mercado• SDR I/Q da http://www.rfspace.com/RFSPACE/SDR-IQ.html ~600

– Baseado no DRSP: memória interna, controlador e USB– Apenas 1 canal– Software básico e aplicações

• Etus Research kit (700 Euros)– Baseado em FPGAs– Sistema modular

• Várias placas filho para recepção e emissão

– ADC (4) e DACs (2) e de elevada velocidade– ADC de baixa velocidade– Interfaces muito úteis: SPI, I2C e série– Linhas I/O: controlo

• Software Livre GNU Radio para Ettus Research• Pode tornar-se complexo

– Algum para aplicações genéricas – Possível desenvolvimento de módulos em C/C++

• Ligáveis pela linguagem Python

Sistema receptor (IF + Radio Digital)

Sintetizador programado por SPI

Ettus KIT Radio Digital

Oscilador a Cristal

19-04-2011 DETI - UA 29

Software GNU Radio para estimação espectral do sinal

• Sintonia do sinal:

� Aquisição e análise:

� Seguimento de frequência:

19-04-2011 DETI - UA 30

Resultados: interface e linearidade

Linearidade excelente em 35 dB de gama