Demodulador BPSK completamente digital para telecomando em satélites artificiais

• Main Author: Diego Dutra Viot
• Other Authors: Ana Maria Ambrosio
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2015
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/07.01.16.25

A troca de informações entre um satélite artificial e os sistemas de solo requer um canal eficiente de comunicação. Esta dissertação propõe uma arquitetura de um demodulador Binary Phase-Shift Keying (BPSK) completamente digital para o canal de telecomando de missões espaciais, focando no contexto das missões do INPE. A proposta é baseada em um demodulador desenvolvido na década de 80 e proporciona uma melhoria no seu desempenho através da aplicação de técnicas de processamento digital de sinais para a recuperação do sincronismo tanto de portadora como de símbolo. Além dos telecomandos modulados em BPSK a serem demodulados, a portadora ascendente carrega tons de localização para realizar medidas de \emph{range e range rate} do satélite. Assim, as estimativas dos parâmetros de sincronização são tomadas a partir de amostras do sinal recebido e filtrado. Discussões sobre as técnicas adotadas são apresentadas, levando-se em consideração o compromisso entre desempenho e complexidade. O modelo do sistema do demodulador proposto é detalhado em termos das equações e estatísticas dos sinais. Dentre as soluções adotadas, destacamos: (i) a estrutura não-linear dobradora de frequência em conjunto com um \emph{All-Digital Phase-Locked} Loop (ADPLL), usada para a recuperação da subportadora BPSK, ou seja, do desvio de fase e de frequência; (ii) a estrutura não-linear atrasa-e-multiplica seguida de um filtro de banda estreita, para a recuperação do atraso de símbolo; e (iii) o filtro casado, para a detecção de dados. Os estimadores usados são do tipo feedfoward e operam em paralelo, minimizando o tempo de aquisição do sincronismo. Os resultados da proposta constaram da avaliação dos estimadores, feita em termos da variância de suas estimativas, e da medida do desempenho da configuração final, em termos da taxa de erro de bits (BER). Esta última alcançou um resultado muito bom, apresentando perda de aproximadamente 0,5 dB em comparação ao resultado teórico. Detalhes dos principais resultados são apresentados, bem como algumas perspectivas de estudos futuros. === The information exchange between a satellite and the ground systems requires an efficient channel of communication. This work presents the architecture of an all-digital Binary Phase-Shift Keying (BPSK) demodulator developed to be applied in the telecommand link of space applications, especially for INPEs satellites. The proposed demodulator is based on a demodulator developed 30 years ago and brings performance enhancement by the application of digital signal processing techniques to accomplish the carrier and clock synchronism. Besides the BPSK modulated telecommand information to be demodulated, the ascending carrier bears the tracking tones. The estimates of the synchronization parameters are then taken from samples of the received and filtered signal. Discussions on the adopted techniques are shown, where the trade-off between performance and complexity is observed. The proposed system model is detailed by means of block diagrams, and of signals equations and statistics. The adopted solutions are: (i) the frequency doubler non-linear structure used along with an All-Digital Phase-Locked Loop (ADPLL) in order to recover the BPSK subcarrier, i.e. the phase and frequency offsets; (ii) the delay-and-multiply non-linear structure followed by a narrowband filter to recover the symbol delay; and (iii) the matched filter to perform data detection. The employed estimators are feedfoward, and they operate in parallel, diminishing the acquisition time of synchronization. The used estimators are evaluated in terms of the variance of its estimates and the performance of the final configuration is assessed in terms of bit error rate (BER). The latter has shown a very good result, with losses of 0.5 dB approximately for comparison to the theoretical result. Details of the main results are presented as well as some study perspectives for future applications.