Analysis of Doppler Effect on the Pulse Compression of Different Codes Emitted by an Ultrasonic LPS

This work analyses the effect of the receiver movement on the detection by pulse compression of different families of codes characterizing the emissions of an Ultrasonic Local Positioning System. Three families of codes have been compared: Kasami, Complementary Sets of Sequences and Loosely Synchronous, considering in all cases three different lengths close to 64, 256 and 1,024 bits. This comparison is first carried out by using a system model in order to obtain a set of results that are then experimentally validated with the help of an electric slider that provides radial speeds up to 2 m/s. The performance of the codes under analysis has been characterized by means of the auto-correlation and cross-correlation bounds. The results derived from this study should be of interest to anyone performing matched filtering of ultrasonic signals with a moving emitter/receiver

Diseño de un simulador para sistemas de localización acústicos subacuáticos basados en secuencias de espectro ensanchado

Las señales acústicas en entornos subacuáticos cada vez tienen más relevancia debido a la necesidad de localizar vehículos submarinos o redes de sensores en el fondo marino. Para desplegar cualquier sistema de posicionamiento, el primer paso es la realización de pruebas simuladas con objeto de conocer las necesidades y restricciones impuestas por el medio. Además, debido a la dificultad y al coste asociado a desplegar demostradores prácticos en entornos subacuáticos, resulta de especial utilidad disponer de modelos de simulación que permitan generar un amplio banco de pruebas, como paso previo a la realización de pruebas experimentales. La herramienta de simulación presentada en este trabajo permite el diseño de las señales emitidas por los transductores, la configuración de la emisión, la batimetría y los diferentes parámetros que caracterizan el entorno, así como la selección y ubicación del hidrófono receptor. Se utilizará un modelo de trazado de rayos para la simulación de la propagación de señales acústicas y se mostrarán los resultados en diferentes etapas del procesamiento: banda base, señal modulada, señal recibida y estimación de la posición.Acoustic signals for positioning systems in underwater environments have become particularly relevant, due to the need of locating underwater vehicles and sensor networks. To successfully deploy these positioning systems, a first common step is to carry out simulated studies to determine the requirements and restrictions imposed by the environment. Furthermore, since the underwater environment involves an additional difficulty and cost when deploying prototypes, it is particularly useful to have computer models available that allow the generation of a wide range of tests, as a previous step to the implementation of any experimental test. For that purpose, this work focuses on the design of a simulation tool for researchers in the field of acoustic localization systems. The proposed tool deals with key parameters and features, such as the generation of the signals emitted by the acoustic transducers (encoding techniques, modulations schemes, etc.), the frequency response and location of emitters and hydrophones, the bathymetry of the seabed, and the channel effects on the ultrasonic signal propagation. A ray tracing model has been applied to model the propagation of acoustic signals. The simulation tool has been successfully validated as a useful asset for this type of positioning systems, by means of a complete set of tests, considering different configurations and situations, and also analyzing the signals involved at different processing stages: baseband, modulated signals, received signals and final estimated positions.Máster Universitario en Ingeniería Industrial (M141

Arquitectura eficiente para el procesamiento de un array ultrasónico basado en técnicas de codificación

En este trabajo se presenta una implementación basada en SoC (System on Chip), para un sistema de generación de imágenes de ultrasonidos en aire mediante el uso de macro-secuencias, derivadas de conjuntos de secuencias complementarias (CSS), con el fin de realizar la exploración de varios sectores simultáneamente. Mediante la concatenación de secuencias CSS interpoladas con ceros se obtienen macrosecuencias cuyas funciones de auto-correlación y correlación cruzada presentan una zona de correlación cero (ZCZ), la cual puede ser ajustada para lograr una ventana libre de interferencias en el área a analizar. Los resultados de correlación obtenidos a partir de los ecos de las macro-secuencias recibidas proporcionan las líneas A-scan de la imagen B-scan final. En comparación con otros esquemas de codificación, que también proporcionan ZCZ, esta solución permite reducir la carga computacional y por lo tanto el número de recursos hardware necesarios, lo que facilita un procesado en tiempo real. Se presenta la implementación hardware sobre una plataforma FPGA de Xilinx de los bloques de emisión y recepción del sistema de generación de imágenes de ultrasonidos, para un array US de 8 elementos y la exploración simultánea de hasta 32 sectores diferentes, con una profundidad de 1.5 m y una apertura de ±64º.This work presents a SoC-based implementation for ultrasonic imaging systems in airborne transmission which uses macro-sequences derived from complementary set of sequences (CSS) to achieve simultaneous beam steering in several directions. By means of CSS concatenation and zero padding a new macro-sequence can be obtained which achieves zero auto- and crosscorrelation zone (ZCZ) characteristics that can be adjusted to provide interference-free CDMA within the scanning area. The correlation results with the emitted macro-sequences provide the A-scan lines of the final B-scan image. In contrast to other encoding schemes with similar ZCZ size, the one proposed here allows a hardware design that further minimizes the computational load to make real-time processing more feasible. The hardware implementation in a Xilinx FPGA of all the stages forming the emission and reception modules of the imaging ultrasonic system is presented. The array has 8 elements and permits the simultaneous analysis of 32 different sectors, with a 1.5m depth and ±64°aperture.Máster Universitario en Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (M128

Efficient complementary sequences-based architectures and their application to ranging measurements

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2015En las últimas décadas, los sistemas de medición de distancias se han beneficiado de los avances en el área de las comunicaciones inalámbricas. En los sistemas basados en CDMA (Code-Division Multiple-Access), las propiedades de correlación de las secuencias empleadas juegan un papel fundamental en el desarrollo de dispositivos de medición de altas prestaciones. Debido a las sumas ideales de correlaciones aperiódicas, los conjuntos de secuencias complementarias, CSS (Complementary Sets of Sequences), son ampliamente utilizados en sistemas CDMA. En ellos, es deseable el uso de arquitecturas eficientes que permitan generar y correlar CSS del mayor número de secuencias y longitudes posibles. Por el término eficiente se hace referencia a aquellas arquitecturas que requieren menos operaciones por muestra de entrada que con una arquitectura directa. Esta tesis contribuye al desarrollo de arquitecturas eficientes de generación/correlación de CSS y derivadas, como son las secuencias LS (Loosely Synchronized) y GPC (Generalized Pairwise Complementary), que permitan aumentar el número de longitudes y/o de secuencias disponibles. Las contribuciones de la tesis pueden dividirse en dos bloques: En primer lugar, las arquitecturas eficientes de generación/correlación para CSS binarios, derivadas en trabajos previos, son generalizadas al alfabeto multinivel (secuencias con valores reales) mediante el uso de matrices de Hadamard multinivel. Este planteamiento tiene dos ventajas: por un lado el aumento del número de longitudes que pueden generarse/correlarse y la eliminación de las limitaciones de las arquitecturas previas en el número de secuencias en el conjunto. Por otro lado, bajo ciertas condiciones, los parámetros de las arquitecturas generalizadas pueden ajustarse para generar/correlar eficientemente CSS binarios de mayor número de longitudes que con las arquitecturas eficientes previas. En segundo lugar, las arquitecturas propuestas son usadas para el desarrollo de nuevos algoritmos de generación/correlación de secuencias derivadas de CSS que reducen el número de operaciones por muestra de entrada. Finalmente, se presenta la aplicación de las secuencias estudiadas en un nuevo sistema de posicionamiento local basado en Ultra-Wideband y en un sistema de posicionamiento local basado en ultrasonidos