SITE project. Phase 1: Continuous data bit-error-rate testing

The Systems Integration, Test, and Evaluation (SITE) Project at NASA LeRC encompasses a number of research and technology areas of satellite communications systems. Phase 1 of this project established a complete satellite link simulator system. The evaluation of proof-of-concept microwave devices, radiofrequency (RF) and bit-error-rate (BER) testing of hardware, testing of remote airlinks, and other tests were performed as part of this first testing phase. This final report covers the test results produced in phase 1 of the SITE Project. The data presented include 20-GHz high-power-amplifier testing, 30-GHz low-noise-receiver testing, amplitude equalization, transponder baseline testing, switch matrix tests, and continuous-wave and modulated interference tests. The report also presents the methods used to measure the RF and BER performance of the complete system. Correlations of the RF and BER data are summarized to note the effects of the RF responses on the BER

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Rate 3/4 coded 16-QAM for uplink applications

First phase development of an advanced modulation technology which synergistically combines coding and modulation to achieve 2 bits per second per Hertz bandwidth efficiency in satellite demodulators is nearing completion. A proof-of-concept model is being developed to demonstrate technology feasibility, establish practical bandwidth efficiency limitations, and provide a data base for the design and development of engineering model satellite demodulators. The basic considerations leading to the choice of 4 x 4 quadrature amplitude modulation (16-QAM) and its associated coding format are discussed, along with the basic implementation of the carrier and clock recovery, automatic gain control, and decoding process. Preliminary performance results are presented. Spectra for the modulated signal shows the effects of the square root Nyquist filters in the modulation. Bit error rate (BER) results for the encoder/decoder subsystem show near ideal results, although power consumption is high and baseband BER performance of the Nyquist filter set is poor. Recommendations regarding the present system to improve BER performance and acquisition speed are given

Ku-band system design study and TDRSS interface analysis

The capabilities of the Shuttle/TDRSS link simulation program (LinCsim) were expanded to account for radio frequency interference (RFI) effects on the Shuttle S-band links, the channel models were updated to reflect the RFI related hardware changes, the ESTL hardware modeling of the TDRS communication payload was reviewed and evaluated, in LinCsim the Shuttle/TDRSS signal acquisition was modeled, LinCsim was upgraded, and possible Shuttle on-orbit navigation techniques was evaluated

Advanced modulation technology development for earth station demodulator applications. Coded modulation system development

A jointly optimized coded modulation system is described which was designed, built, and tested by COMSAT Laboratories for NASA LeRC which provides a bandwidth efficiency of 2 bits/s/Hz at an information rate of 160 Mbit/s. A high speed rate 8/9 encoder with a Viterbi decoder and an Octal PSK modem are used to achieve this. The BER performance is approximately 1 dB from the theoretically calculated value for this system at a BER of 5 E-7 under nominal conditions. The system operates in burst mode for downlink applications and tests have demonstrated very little degradation in performance with frequency and level offset. Unique word miss rate measurements were conducted which demonstrate reliable acquisition at low values of Eb/No. Codec self tests have verified the performance of this subsystem in a stand alone mode. The codec is capable of operation at a 200 Mbit/s information rate as demonstrated using a codec test set which introduces noise digitally. The measured performance is within 0.2 dB of the computer simulated predictions. A gate array implementation of the most time critical element of the high speed Viterbi decoder was completed. This gate array add-compare-select chip significantly reduces the power consumption and improves the manufacturability of the decoder. This chip has general application in the implementation of high speed Viterbi decoders

Performance measurements for a laboratory-simulated 30/20 GHz communication satellite transponder

NASA has developed a digital satellite communications system simulator and test bed facility, known as the Systems Integration, Test and Evaluation (SITE) Project. The purpose of the facility is to evaluate satellite system components, develop and verify system concepts, and perform satellite system experiments. A recently completed set of experiments measured the performance of the 30/20 GHz satellite transponder portion of the system in terms of RF parameters and high rate digital data transmission. The results of these tests indicate the quality of data transmission which can be obtained under various transponder conditions, as well as the relative effects of degraded RF performance on the bit-error rate (BER) of transmitted data

ATDRSS 300 MB/S modem program

The 300 Mbps modem was developed for direct application to the next generation high data rate Time Division Multiple Access (TDMA) communication system. This modem utilizes continuous phase modulation combined with a restricted range Reed-Solomon Codec to achieve a bandwidth efficiency of 3 bits/sec/hz. The constant envelope amplitude signal allows one to operate the power amplifier in its saturation mode without significant spectral regrowth or bit error rate degradation

Quaternary pulse position modulation electronics for free-space laser communications

The development of a high data-rate communications electronic subsystem for future application in free-space, direct-detection laser communications is described. The dual channel subsystem uses quaternary pulse position modulation (QPPM) and operates at a throughput of 650 megabits per second. Transmitting functions described include source data multiplexing, channel data multiplexing, and QPPM symbol encoding. Implementation of a prototype version in discrete gallium arsenide logic, radiofrequency components, and microstrip circuitry is presented