Estudio y diseño de dos placas de intercambio de datos de inclinación y posición entre dos cubesats

El grupo de investigación DISEN con sede en el Campus de Terrassa de la UPC está intentando impulsar el proyecto de la implementación de una infraestructura de comunicaciones basada en el enlace óptico de CubeSats. Mediante este tipo de comunicación, se podría obtener un mayor data-rate y un menor consumo de potencia que en los actuales sistemas de radiofrecuencia. Para poder realizar este enlace óptico, es necesario que el rayo láser proveniente de uno de los satélites se centre de forma muy precisa en el foto-detector del otro satélite. Para realizar dicho centrado, ambos satélites deberán conocer a priori la posición e inclinación de ambos, información que deberán intercambiarse mediante radiofrecuencia. El presente TFG versa sobre el diseño del subsistema de intercambio de datos de posición e inclinación entre dos CubeSats. Concretamente, el diseño de dos placas PCB formadas por un módulo GPS, para obtener la posición de los CubeSats; un módulo IMU, para obtener sus actitudes; un módulo de radio UHF, para enviar datos entre los dos CubeSats por radiofrecuencia; y un módulo Bluetooth para poder enlazar el sistema con el ordenador de base. Además, las placas cuentan con un microcontrolador para procesar y almacenar la información de dichos módulos

A Low Area, Switched-Resistor Based Fractional-N Synthesizer Applied to a MEMS-Based Programmable Oscillator

Abstract-MEMS-based oscillators have recently become a topic of interest as integrated alternatives are sought for quartz-based frequency references. When seeking a programmable solution, a key component of such systems is a low power, low area fractional-N synthesizer, which also provides a convenient path for compensating changes in the MEMS resonant frequency with temperature and process. We present several techniques enabling efficient implementation of this synthesizer, including a switched-resistor loop filter topology that avoids a charge pump and boosts effective resistance to save area, a high gain phase detector that lowers the impact of loop filter noise, and a switched capacitor frequency detector that provides initial frequency acquisition. The entire synthesizer with LC VCO occupies less than 0.36 sq. mm in 0.18 m CMOS. Chip power consumption is 3.7 mA at 3.3 V supply (20 MHz output, no load). Index Terms-MEMS, fractional-N synthesizer, reference frequency, phase-locked loop (PLL), loop filter, high gain phase detector, switched resistor, switched capacitor, frequency acquisition, frequency detection, phase detection, oscillator, temperature stable

Efficient and Interference-Resilient Wireless Connectivity for IoT Applications

With the coming of age of the Internet of Things (IoT), demand on ultra-low power (ULP) and low-cost radios will continue to boost tremendously. The Bluetooth-Low-energy (BLE) standard provides a low power solution to connect IoT nodes with mobile devices, however, the power of maintaining a connection with a reasonable latency remains the limiting factor in defining the lifetime of event-driven BLE devices. BLE radio power consumption is in the milliwatt range and can be duty cycled for average powers around 30μW, but at the expense of long latency. Furthermore, wireless transceivers traditionally perform local oscillator (LO) calibration using an external crystal oscillator (XTAL) that adds significant size and cost to a system. Removing the XTAL enables a true single-chip radio, but an alternate means for calibrating the LO is required. Innovations in both the system architecture and circuits implementation are essential for the design of truly ubiquitous receivers for IoT applications. This research presents two porotypes as back-channel BLE receivers, which have lower power consumption while still being robust in the presents of interference and able to receive back-channel message from BLE compliant transmitters. In addition, the first crystal-less transmitter with symmetric over-the-air clock recovery compliant with the BLE standard using a GFSK-Modulated BLE Packet is presented.PHDElectrical and Computer EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/162942/1/abdulalg_1.pd

Doctor of Philosophy

dissertationSince the late 1950s, scientists have been working toward realizing implantable devices that would directly monitor or even control the human body's internal activities. Sophisticated microsystems are used to improve our understanding of internal biological processes in animals and humans. The diversity of biomedical research dictates that microsystems must be developed and customized specifically for each new application. For advanced long-term experiments, a custom designed system-on-chip (SoC) is usually necessary to meet desired specifications. Custom SoCs, however, are often prohibitively expensive, preventing many new ideas from being explored. In this work, we have identified a set of sensors that are frequently used in biomedical research and developed a single-chip integrated microsystem that offers the most commonly used sensor interfaces, high computational power, and which requires minimum external components to operate. Included peripherals can also drive chemical reactions by setting the appropriate voltages or currents across electrodes. The SoC is highly modular and well suited for prototyping in and ex vivo experimental devices. The system runs from a primary or secondary battery that can be recharged via two inductively coupled coils. The SoC includes a 16-bit microprocessor with 32 kB of on chip SRAM. The digital core consumes 350 μW at 10 MHz and is capable of running at frequencies up to 200 MHz. The integrated microsystem has been fabricated in a 65 nm CMOS technology and the silicon has been fully tested. Integrated peripherals include two sigma-delta analog-to-digital converters, two 10-bit digital-to-analog converters, and a sleep mode timer. The system also includes a wireless ultra-wideband (UWB) transmitter. The fullydigital transmitter implementation occupies 68 x 68 μm2 of silicon area, consumes 0.72 μW static power, and achieves an energy efficiency of 19 pJ/pulse at 200 MHz pulse repetition frequency. An investigation of the suitability of the UWB technology for neural recording systems is also presented. Experimental data capturing the UWB signal transmission through an animal head are presented and a statistical model for large-scale signal fading is developed

Software defined radio for GPS

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)This project describes the implementation of a software defined radio (SDR) Global Navigation Satellite System (GNSS) receiver completely real-time. The receiver is based on Global Positioning System (GPS) L1 C/A receiver. Also, the project describes the implementation and shows the improvement of a Double Delta Correlator (DDDLL) respect a typical Delay Locked Loop (DLL) of a real-time software defined Global Positioning System (GPS) receiver on a multipath environment.A theoretical analysis of the DLL and DDDLL has been done, and compared their performance over a simulated multipath scenario at radiofrequency. Then the same simulation but in a experimental mode is done with a channel emulator. The double delta correlator exploits the Single Input Multiple Data (SIMD) instructions to achieve real-time performance. The GPS software receiver uses open source libraries including GNURadio, and is capable of running in real-time on standard PC. In another hand, the receiver has been equipped with toolkit positioning system to compute the user position by different algorithms. This is done thanks to the open source GPS toolkit (GPStk). To be able to connect the receiver with the GPStk, a module with a Receiver Independent Exchange Format (RINEX) output has been adde

GNSS array-based acquisition: theory and implementation

This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2

NASA Tech Briefs, October 2000

Topics include: special coverage sections on CAD, CAE, and PDM, and, Composites and Plastics, and sections on electronic components and systems, software, test and measurement, mechanics, manufacturing/fabrication, physical sciences, information sciences, book and reports, and special sections of Electronics Tech Briefs and Motion Control Tech Brief