Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Formador digital de múltiples diagramas simultáneos basado en FPGA y el transceptor AD9361

RESUMEN El presente trabajo muestra el proceso de obtención de un formador digital de múltiples diagramas direccionales simultáneos para la recepción de señales utilizando la tarjeta de evaluación ARRadio. La tarjeta se basa en el transceptor integrado AD9361 y garantiza la recepción, digitalización y envío hacia un FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) de las ondas de radio recibidas por cada canal de radio frecuencia. El FPGA se encuentra ubicado en la tarjeta de desarrollo TR4. La comunicación entre el FPGA y cada ARRadio se realiza a través de un conector de alta velocidad. En el dispositivo programable se efectúan la configuración y control del AD9361, el proceso de calibración multicanal basado en Transformada de Fourier (como método de medición del retardo entre canales) y la formación de múltiples diagramas direccionales simultáneos de manera digital. Simulink es usado como herramienta de diseño para el desarrollo del sistema digital. Finalmente se realiza la implementación y verificación experimental del sistema formador de múltiples diagramas direccionales simultáneos.

ABSTRACT This paper shows the obtaining process of a digital beamformer of multiple simultaneous directional patterns for signals reception using the ARRadio evaluation board. The board is based on the integrated transceiver AD9361 and guarantees the reception, digitization and seending to an FPGA (Field Programmable Gate Array) of the received radio waves by each radiofrequency channel. The FPGA is located on the TR4 Development Board. Communication between FPGA and ARRadio is realized through a high speed connector. On the programmable device are performed AD9361’s configuration and control, multichannel calibration process based on Fourier Transform (as method of measuring the delay between channels) and beamforming of multiple simultaneous directional patterns digitally. Simulink is used as design tool for digital system develop. Finally is realized the implementation and experimental verification of multiple digital beamforming system.

Implementación Hardware-Software de un Sistema de Estimación de DOA con Súper Resolución

RESUMEN En este artículo se presenta una implementación combinada hardware-software de un sistema de estimación de la dirección de arribo (DOA, por sus siglas en inglés) con súper resolución de señales de radiofrecuencia. Luego de la simulación computacional del método escogido, se diseña e implementa el sistema con empleo de dos transceptores de microondas de banda ancha. Los transceptores se controlan por un kit de FPGA conectado a través de un adaptador PCI Express a una computadora de escritorio. Una interfaz gráfica se desarrolla para visualizar el espectro espacial y validar el correcto funcionamiento del sistema. El procedimiento seguido muestra las principales cuestiones, criterios de diseño y requerimientos a la hora de implementar este tipo de métodos. Además, se propone una solución de hardware modular genérica y flexible sin la necesidad de diseño y fabricación de placas de circuito impreso personalizadas.

ABSTRACT This paper presents a super resolution Direction of Arrival (DOA) estimation system based on a combined hardware-software implementation for radio frequency signals. After computational simulation of the chosen method, the system is designed and implemented using two multichannel wideband microwave transceivers controlled by a FPGA board connected to a host computer with a PCI Express adapter. A graphic interface is developed to visualize the spatial spectrum and validate the right system performance. The followed procedure shows up the main issues and requirements when this kind of method is implemented. Moreover, a generic modular and flexible hardware solution is proposed where no custom printed circuit board design and fabrication is needed.

Diseño del módulo de generación y el filtro adaptado para radar de compresión de pulso

RESUMEN El presente artículo aborda el empleo de código bifásico para su aplicación como señal excitadora en radares de compresión de pulso. Se exponen sus características principales y se describe el diseño digital de secciones para la modulación, recepción y compresión. Fue empleado el lenguaje de descripción de hardware de circuitos integrados de muy alta velocidad (VHDL) para su implementación y MATLAB® para la simulación, modelación y síntesis en VHDL de bloques funcionales. Se emplea un código de 32 bits con el que se garantiza 20.56 dB de relación PSR (Peak to Sidelobe Level Ratio, por sus siglas en inglés). El aporte de la propuesta radica en la demostración de dos métodos de síntesis de la convolución para una señal BPSK. Los cuales son descritos, en conjunto con las ecuaciones de diferencias finitas que los definen y se presentan los principales recursos empleados para su síntesis en el kit de desarrollo DE10-Standard.

ABSTRACT The present work deals with the use of biphasic codes for their application as an exciting signal in pulse compression radars. Its main characteristics are exposed and the digital design of sections for modulation, reception and compression is described. Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) was used for its implementation and MATLAB® for simulation, modelling and synthesis in VHDL of functional blocks. A 32-bits code is used with witch a 20.56 dB Peak to Sidelobe Level Ratio (PSR) is guaranteed. The contribution of the proposal lies in the demonstration of two convolution synthesis methods for the BPSK signal. Is presented and described its finite difference equation that define both of the convolution methods and also presented main resources used for their synthesis on DE10-Standard Development Kit.

Algoritmo para detección de roturas en tuberías de agua para implementación en dispositivos de bajo consumo

RESUMEN En este trabajo se presenta un nuevo algoritmo de detección automática de rupturas súbitas orientado a su implementación en dispositivos embebidos de bajo consumo de potencia. El algoritmo fue implementado en un microcontrolador MSP430FR5994 y no necesita dispositivos con suficiente capacidad de procesamiento para ejecutar operaciones matemáticas complejas, contrario a la mayoría de los algoritmos existentes. El algoritmo desarrollado emplea el enfoque de detectar rupturas súbitas mediante la acentuación de las singularidades que ellas crean y tomando decisiones basadas en la aplicación de umbrales. En lugar de aplicar un solo umbral que fuera matemáticamente complejo, se usaron dos umbrales más simples que fueran compatibles con la capacidad de procesamiento de dispositivos embebidos de bajo consumo de potencia. Se probaron dos implementaciones de la operación de convolución usando el módulo Acelerador de Baja Energía del microcontrolador; se obtuvo que la convolución en el dominio del tiempo se ejecuta, en promedio, un 65.3% más rápido que la basada en el uso de la Transformada rápida de Fourier. El algoritmo es capaz de detectar rupturas súbitas con una probabilidad de detección del 100% y una probabilidad de falsos positivos del 0.13% para las pruebas realizadas.

ABSTRACT The current work presents a new algorithm to detect bursts in water pipes automatically, focused on its implementation in low-power embedded devices. The algorithm was implemented in an MSP430FR5994 microcontroller and it does not require computer devices with the processing capability to execute high-complexity mathematical operations, unlike most of the existing algorithms. The developed algorithm uses the approach of detecting bursts by enhancing the singularities they create and making decisions based on the application of thresholds. Instead of applying a single mathematically-complex threshold, two simpler ones are used that are compatible with the processing capability of low-power embedded devices. Two implementations for the convolution operation were tested using the microcontroller’s Low Energy Accelerator module; it was found that the convolution in the time domain is faster than the FFT-based method in an average of 65.3%. The algorithm detects bursts with a detection probability of 100% and a probability of false positives of 0.13% on the performed tests.

Antena de Microcinta Doble Banda con Supresión de Armónicos para Aplicaciones WLAN

RESUMEN El presente artículo propone el diseño y simulación de una antena de microcinta con polarización circular en dos bandas de frecuencias 2.4 GHz y 5.2 GHz, supresora del segundo y tercer armónico de las frecuencias fundamentales mediante el empleo de metamateriales, a través de una línea de alimentación de microcinta y el plano tierra ranurado. Se realizó un estudio de las principales técnicas para suprimir armónicos. Entre las más novedosas se encuentran la inserción de metamateriales, estas estructuras presentan novedosas propiedades en el área del electromagnetismo tradicional. Tales propiedades han permitido el diseño de antenas de microondas con nuevas características de radiación que han servido como principal estímulo para desarrollar esta investigación. La polarización circular es lograda en ambas bandas de frecuencia a través de ranuras asimétricas y optimizada, introduciendo perturbaciones en la estructura radiante. Con el diseño propuesto se obtiene una miniaturización de las dimensiones de la antena, ganancias de aproximadamente 3.00 dB en las dos frecuencias de interés, anchos de banda de acoplamiento y de polarización circular de 364 MHz en 2.4 GHz y 602 MHz en 5.2 GHz, lo que representa un 15.16 % y 11.57 % respectivamente, suficientes para cubrir los requerimientos de aplicaciones WLAN. Todo el proceso de diseño, simulación y optimización se realizó en el software CST Studio Suite 2017.

ABSTRACT This article proposes the design and simulation of a microstrip antenna with circular polarization in two frequency bands 2.4GHz and 5.2GHz, suppressor of the second and third harmonics of the fundamental frequencies through the use of metamaterials, using a microstrip power line and the grooved ground plane. A study of the main techniques to suppress harmonics was carried out. Among the most innovative are the insertion of metamaterials, these structures present novel properties in the area of traditional electromagnetism. Such properties have allowed the design of microwave antennas with new radiation characteristics that have served as the main stimulus to develop this research. Circular polarization is achieved in both frequency bands throught asymmetric slots and optimized by introducing disturbances in the radiating structure. With the proposed design, a miniturization of the dimensions of the antenna is obtained, gains of approximately 3.00dB in the two frequencies of interest, coupling bandwidths and circular polarization of 364 MHz in 5.2GHz, which represents 15%, 16 % and 11.57% respectively, enough to cover the requirements of WLAN applications. The entire design, simulation and optimization process was carried out in the CST Studio Suite 2017 software.