| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| IMPLEMENTACIÓN DE TÉCNICAS DE BEAMFORMING DIGITAL ORIENTADA A SU APLICACIÓN EN PROYECTOS ESPACIALES | | Autor/a | Ortega Sánchez, Eduardo | | Departamento | Automática | | Director/a | Martínez Hellín, Agustín | | Fecha de defensa | 22-07-2025 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Investigación Espacial y Astrobiología (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | El beamforming digital (DBF) es una técnica avanzada de procesamiento digital de señales que permite modificar el diagrama de radiación de un conjunto de antenas o sensores. Este método ha captado la atención de la comunidad espacial en los últimos años debido a la flexibilidad y adaptabilidad que ofrece a los satélites equipados con antenas activas, lo que permite mejoras significativas en servicios de comunicaciones y sistemas de radar de apertura sintética (SAR). Gracias a los avances recientes en tecnología digital, así como en los conversores analógico-digitales (ADC) y digital-analógicos (DAC), es posible operar completamente en el dominio digital con señales de alta frecuencia captadas o emitidas por agrupaciones de antenas. Esta capacidad de procesamiento digital presenta numerosas ventajas, como una mayor eficiencia energética y la posibilidad de reconfigurar los sistemas mediante software en tiempo real, lo cual es crucial para las misiones espaciales.
Este trabajo aborda el análisis y la propuesta de arquitecturas de DBF innovadoras que respondan a aspectos críticos de las agrupaciones de antenas en el contexto de las misiones espaciales, tales como la reducción de los recursos necesarios para el procesamiento digital de señales, el consumo de energía, el tiempo de procesamiento y la optimización en el uso de recursos hardware. El estudio incluye la implementación en hardware de los algoritmos de beamforming digital seleccionados, como el algoritmo adaptativo Minimum Variance Distortionless Response (MVDR), que permite mejorar la relación señal-interferencia más ruido (SINR) en comunicaciones por satélite, y optimizar la relación señal-ruido (SNR) en sistemas de radar de apertura sintética (SAR) en presencia de interferencias.
Para el desarrollo de este trabajo se han utilizado diversas plataformas hardware avanzadas, tales como las tarjetas de evaluación EV12AQ60X-ADX-EVM y EV12DS480DAC, de Teledyne e2v Semiconductors. Estas tarjetas contienen los conversores de alta velocidad ADC EV12AQ600 y DAC EV12DS480A, respectivamente, capaces de capturar y emitir señales de alta frecuencia mediante la técnica de undersampling. Para la implementación hardware de los algoritmos y de la arquitectura propuesta, se emplearon FPGAs de alto rendimiento, tales como la AMD-Xilinx Kintex UltraScale XCKU085 y la Intel Arria V, las cuales cuentan con los recursos necesarios para realizar las exigentes operaciones de procesamiento digital de señales necesarias en los sistemas de beamforming. Estas tecnologías de alto rendimiento han permitido desarrollar y validar los algoritmos y arquitecturas propuestas para la eliminación de interferencias y ruidos no deseados, mejorando la eficiencia operativa de los sistemas espaciales.
La metodología utilizada combina simulaciones y pruebas experimentales con hardware especializado, aprovechando las capacidades de reconfiguración y adaptación de los sistemas digitales modernos. Se aplicaron diferentes señales de radiofrecuencia (RF) a los sistemas de beamforming propuestos, implementados físicamente en las tarjetas de evaluación, para validar su comportamiento esperado. Los resultados experimentales obtenidos en esta investigación confirman la eficacia de los diseños propuestos, destacando su idoneidad para aplicaciones en el ámbito espacial, debido principalmente a la reducción en la utilización de recursos, carga computacional, y tiempo de procesamiento. |
|
