Mallerman, Santiago E. (2024) Implementación de etapas de procesamiento digital de señales para un radar pulsado / Implementation of digital signal processing stages for a pulsed radar. Maestría en Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 15Mb |
Resumen en español
Este trabajo implementa las etapas digitales de transmisión y recepción de un sistema de radar pulsado mono-estático mediante el uso de tecnología de arreglos de compuertas lógicas programables. En combinación con el uso de módulos comerciales que solucionan las etapas de radiofrecuencia, se convierte en una aplicación reconfigurable y adaptable a distintos requerimientos operacionales Se desarrolla la generación y procesamiento de diversas señales en banda base, incluyendo pulsos simples, pulsos con modulación lineal de frecuencia y pulsos codificados en fase binaria. Se diseña el control lógico integral que permite la sincronización de señales en distintos dominios de relojes, un requisito tanto de la aplicación como de las limitaciones propias del hardware utilizado. El sistema ofrece la posibilidad de modificar fácilmente la frecuencia de portadora y la potencia de transmisión, así como parámetros esenciales del modo de operación del radar, como la duración del pulso, el intervalo de guarda y el período de repetición de pulso. También se estudian e incluyen módulos de procesamiento digital de señales existentes que permiten la corrección de desajustes de la frecuencia de portadora entre transmisor y receptor, la compensación de fase inicial y los desequilibrios en las ramas en fase y en cuadratura del modulador y del demodulador en cuadratura, con el objetivo de mejorar la precisión y el desempeño de las estimaciones Doppler. La etapa de recepción implementa un banco de correladores con tasas de muestreo adaptables para escenarios de compresión de pulso y sobremuestreo. El desarrollo del circuito lógico, que se sintetiza y se configura en el chip, se valida funcionalmente mediante mediciones realizadas con equipos de RF. Además, se determina la utilización de recursos que ocupa. Adicionalmente, se estudian e implementan estrategias para estimar los momentos espectrales sobre datos adquiridos por radares meteorológicos. Las estrategias utilizadas operan sobre las muestras complejas de los ecos en rango, obtenidas a una frecuencia mayor que el ancho de banda del pulso transmitido, conocido como sobremuestreo. En conjunto con la aplicación de una transformación lineal, denominada de blanqueo, permiten descorrelacionar la señal sobremuestreada para cada celda de rango. Asimismo, se realiza un estudio del desempeño de las métricas raíz del error cuadrático medio y varianza de las estimaciones, a partir de las estrategias que utilizan los datos sobremuestrados, resultando en una mejora significativa cuando existe una buena relación señal a ruido. Estas técnicas se aplican a datos reales adquiridos por radares meteorológicos nacionales de la serie RMA, y se extiende su aplicación para incluir objetivos puntuales en un experimento simple con el sistema desarrollado, con el fin de analizar el desempeño y validar la implementación del sistema, mediante la obtención de los momentos espectrales: potencia, velocidad Doppler y ancho espectral.
Resumen en inglés
This work implements the digital stages of transmission and reception of a monostatic pulsed radar system using field programmable gate arrays technology. In combination with the use of commercial modules that solve the radiofrequency stages, it becomes a reconfigurable and adaptable application to different operational requirements. The generation and processing of various baseband signals are developed, including simple pulses, pulses with linear frequency modulation, and pulses encoded in binary phase keying. The integral logical control is designed to allow the synchronization of signals in different clock domains, a requirement of both the application and the limitations of the used hardware. The system offers the possibility of easily modifying the carrier frequency and transmission power, as well as essential parameters of the radar operational mode, such as pulse duration, guard interval, and pulse repetition period. Existing digital signal processing modules are also studied and included, allowing for the correction of carrier frequency mismatches between transmitter and receiver, initial phase compensation, and imbalances in the in-phase and quadrature branches of the quadrature modulator and demodulator, aiming to improve the accuracy and performance of Doppler estimates. The reception stage implements a bank of correlators with adaptable sampling rates for pulse compression and oversampling scenarios. The development of the logical circuit, which is synthesized and configured on the chip, is functionally validated through measurements performed with RF equipment. Additionally, the resources usage is determined. Furthermore, strategies are studied and implemented to estimate spectral moments from data acquired by weather radars. The used strategies work on the complex samples of range echoes, obtained at a frequency higher than the bandwidth of the transmitted pulse, known as oversampling. Together with the application of a linear transformation called whitening, they allow the decorrelation of the oversampled signal for each range cell. Additionally, a study of the performance of the root mean square error and variance metrics of the estimates from the strategies using oversampled data is conducted, resulting in significant improvement when there is a good signal-to-noise ratio. These techniques are applied to real data acquired by Argentine weather radars of the RMA series, and their application is extended to include point targets in a simple experiment with the developed system, in order to analyze performance and validate system implementation, by obtaining the spectral moments: power, Doppler velocity, and spectral width.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Radar; [Reconfigurable pulsed radar; Radar pulsado reconfigurable; Digital signal processing; Procesamiento digital de señales; Pulse compression; Compresion de pulso; Oversampling; Sobremuestreo; Doppler estimations; Estimaciones Doppler; Whitening; Blanqueo] |
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| Materias: | Ingeniería en telecomunicaciones > Procesamiento digital de señales |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Departamento Ingeniería en Telecomunicaciones |
| Código ID: | 1284 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 16 Sep 2024 10:39 |
| Última Modificación: | 16 Sep 2024 10:39 |
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