Se han obtenido resultados coherentes en las mediciones en comparación con el simulador ADS y sus métodos de simulación. Las dimensiones físicas son de fácil fabricación e implementación.
El comportamiento en la simulación del LNA exhibe una figura de ruido inferior a 1 dB cumpliendo con el objetivo de bajo ruido, una ganancia de 17 dB, estabilidad en un amplio espectro de frecuencias y presenta un acoplamiento de entrada y salida por debajo de los - 10 dB. A pesar de que en la mediciones los resultados cambian ligeramente, mantiene optimas prestaciones en el rango de 0.5 a 3.0 GHz, cubriendo ampliamente el espectro de
frecuencias de los GNSS’s. Todo esto manteniendo un tamaño reducido. Además existe la opción de hacerle modificaciones para reducirlo aún más.
El diseño del filtro se simplifica enormemente gracias a la ayuda del software ADS, el cual permite el cálculo de las estructuras de microcinta sobre los diferentes materiales a una velocidad aceptable con resultados acertados.
Notamos que las características de los materiales afectan de forma penetrante en los resultados finales a pesar de usar la misma configuración de línea. Por esto se recomienda realizar pruebas del sustrato antes de la construcción de los filtros puesto que los datos dados por el fabricante pueden tener variaciones no deseadas debidas a las condiciones ambientales, como humedad.
Otro punto importante es que para filtro pasivo de microondas es complicado de obtener anchos de banda muy angostos manteniendo un tamaño reducido. Sin embargo la topología de líneas paralelas acopladas tiene un ancho de banda del 2.6 % respecto a la frecuencia central.
El método de diseño es adecuado para el diseño de este tipo de dispositivos ya que es fácilmente aplicable a otras bandas de frecuencia y los resultados son repetibles.
Se tiene conciencia de los límites de las herramientas tecnológicas e infraestructura con la que cuenta la maestría. Se puede afirmar que mejorar aún más las características del diseño es permitido, reduciendo costos, tamaño y prestaciones tanto en frecuencia, ganancia y propiedades en ruido.
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6.2 Trabajos Futuros
Dentro de trabajos futuros se encuentra trabajar sobre materiales con constantes dieléctricas pequeñas con el objeto de alcanzar líneas de menor tamaño reduciendo el tamaño de los diseños finales. Asimismo aplicar alguna técnica de optimización a las líneas de micro cinta para aprovechar la superficie.
Otra idea es incluir un ADC para concluir con el front end con arquitectura de digitalización directa. Esto nos permitiría realizar una verificación más completa de las señales que el receptor es capaz de recibir tomando lecturas reales GPS.
Aplicar los conocimientos adquiridos y el método de diseño a fabricar un front end multi
56
Bibliografía
[1] David M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems, John Wiley & Sons INC
[2] Devendra K. Misra. Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits: Analysis and Design, John Wiley & Sons, EstadosUnidos de América, 2001.
[3] www.agilent.com.mx
[4] http://www.vectorsite.net/ttgps.html
[5] http://ncst-www.nrl.navy.mil/NCSTOrigin/Timation.html
[6] Xiaopeng Li and Mohammed Ismail, “Muti-Standard CMOS Wireless Receivers: Analysis and Design”, Kluwer Academic Publishers Group, pp 11-25, 2002.
[7] J.B. Tsui, Fundamentals of Global Position System Receivers: A Software Approach, 2nd ed., New York: Wiley& Sons Inc, 2005.
[8] http://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus,
[9] Alkan, R. M.; Karaman, H.; Sahin, M.; “GPS, GALILEO and GLONASS satellite navigation systems & GPS modernization”, Recent Advances in Space Technologies, 2005. RAST 2005. Proceedings of 2nd International Conference, June 2005.
[10] Referencia: GAL OS SIS ICD Issue 1.1; Septiembre 2010, European Space Agency. [11] Pekka Eskelinen, “Introduction to RF Equipment and System Design”, Artech House Inc,
2004
[12] www.gpsworld.com
[13] Jia-Sheng Hong & M. J. Lancaster, “Microstrip Filters for RF/Microwave Applications”, John Wiley & Sons Inc., 2001
[14] Qizheng Gu, Nokia Mobile Phones, “RF System Design of Transceivers for Wireless Communications”, Sprinter Science+Business Media, 2005
[15] Vaughan, R. G.; Scott N. L.; White, D. R.; “The Theory of Bandpass Sampling”,IEEE Transactions on Signal Processing, Vol 38, NO. 9, Septiembre 1991.
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Apéndice A
En el capítulo 3 se dio una breve explicación sobre como un receptor GPS determina la posición del usuario en tres dimensiones. Este conocimiento es fácil de entender teóricamente pero es difícil de entender figuradamente. En éste apéndice se trataran algunos conceptos teóricos de como un receptor de GPS establece su posición en 3D. Como se mencionó anteriormente en el capítulo tres, parecen suficientes tres pero se necesitan cuatro satélites para conocer la posición en 3D. Supóngase un eje en tres dimensiones como el que se muestra en la figura A1, donde S1. S2, S3 son satélites con posiciones conocidas y
U es el usuario cuya posición es desconocida.
Figura A.1 Posición tridimensional de un usuario usando la posición de tres satélites conocidos
Entonces tenemos tres incógnitas (pu, qu, ru) que podemos calcular usando las posiciones de
los satélites y las distancias (d1, d2, d3) para establecer un sistema de ecuaciones.
√ √ √
58
Al resolver el sistema de ecuaciones tendremos dos posibles soluciones. Sólo una de las dos soluciones, la que se encuentra cerca a la superficie de la tierra, es la posición correcta del usuario. Básicamente los datos de navegación proporcionan las efemérides y pseudorangos que son usados para determinar la posición de los satélites, estos a su vez la transmiten y junto con los pseudorangos la posición del usuario puede ser calculada.
Normalmente cada uno de los satélites transmite una señal en un momento específico y el receptor (usuario) recibe la señal tiempo más tarde. Es cierto que existen diferencias entre el reloj del receptor y del satélite por lo que siempre hay un error de desviación cambiante que no permitirá conocer la posición exacta del receptor. Para resolver este problema se deduce que en las tres ecuaciones anteriores se necesita de una variable ( ) que tome en cuenta este error de desviación. Entonces las ecuaciones quedan rescritas añadiendo y para resolverlas y conocer la posición del usuario se necesita una ecuación más quedando de la siguiente forma:
√
√
√
√
Del análisis anterior es claro entender como la posición tridimensional de un usuario puede ser determinada por el receptor GPS. Una explicación más detallada respecto a fundamentos de GPS se puede encontrar en la referencia [7].
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En el capítulo 2 y capítulo 4 se explica la técnica de muestreo pasa banda para la arquitectura de un receptor de digitalización directa. En este apéndice se examinan ejemplos para una y varias bandas.
Uno de los aspectos a considerar al diseñar un receptor de digitalización directa es escoger la frecuencia de muestreo. La solución sencilla para software de radio solo es incrementar la frecuencia de muestreo para captar múltiples señales. Pero se tiene que tener en cuenta que a mayor frecuencia de muestreo mayor intervalo dinámico del ADC y mayor desempeño del FPGA, lo que aumentaría el costo computacional. La técnica sencilla de escoger la frecuencia mínima de muestreo resulta en la suma del ancho de banda de la señal deseada. Sin embargo, en algunos casos se debe considerar un aumento en la frecuencia de muestreo en vez de usar la frecuencia de muestreo teórica. Para este proyecto, como se ilustra en la figura 3.2, la banda L1 se encuentra situada en 1.563-1.587 GHz, por lo tanto la frecuencia teórica mínima de muestreo será 24 MHz.
Figura B.1 Diagrama de escalera del ancho de banda de L1, frecuencia de muestro teorica para la señal GPS L1
En la figura B.1 se observa un diagrama de escalera para el receptor GPS en banda L1. Es claro observar que la frecuencia teórica mínima de muestreo no es aceptable, ya que tenemos solapamientos que causan interferencia.
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Figura B.2 Diagrama de escaleradel ancho de banda de L1, zonas marcadas para frecuencia de muestreo aceptable, frecuencia mínima de muestreo
Haciendo un análisis más completo sobre el diagrama de escalera (mirar figura B.2) encontramos zonas donde la frecuencia de muestreo es aceptable, donde no hay interferencia. Estas zonas se muestran en color rojo y magenta. A 44.7 MHz tenemos una frecuencia mínima de muestreo aceptable con una tolerancia nula. Localizamos una frecuencia de muestrea más cómoda hasta los 100MHz con una tolerancia de ±900 KHz y una frecuencia intermedia resultante de 50 MHz. Esto se ejemplifica en la figura B.3
Figura B.3 Diagrama de escalera del ancho de banda de L1, frecuencia de muestreo viable
Hasta ahora solo hemos analizado y localizado frecuencias de muestreo viables para un receptor de una sola banda, la L1 de GPS, pero este método es aplicable para la recepción de varias bandas simultáneamente. Tomando el plan de frecuencias de GPS/Galileo visto en la figura 3.2, se puede escoger una frecuencia de muestreo viable. Esto se observa en la figura B.4
61
Elegir la frecuencia de muestreo utilizando diagramas de escalera es un método que se explica con más detalle en las referencias [14] y [15]. El código para obtener estos diagramas se puede encontrar en el apéndice C.
62
Apéndice C
A continuación el código en Matlab utilizado para la obtención de los diagramas de escalera y las zonas de frecuencia mínima de muestreo y frecuencia de muestreo aceptable. Código para el diagrama en escalera de la Gráfica 4.6
clc
clear all
BW=24; %L1 BW 24MHz
fc=1575.42; %L1 Frec central en MHz
fs=(23:0.1:25); %Rango de frecuencia de análisis (23-25) MHz
figure
hold on
grid on
Nscan=10; % Número de líneas
f_scan=linspace(0,BW,Nscan); f_IF_t=zeros(Nscan,length(fs)); for i=1:Nscan, fc_scan=fc-BW/2+f_scan(i); f_IF=calculate_IF(fc_scan,fs,BW); plot(fs,f_IF,'b') f_IF_t(i,:)=f_IF; end
plot(fs,(fs)/2,'k') % linea horizontal señalando
%%% Linea 1 --- Frec Teorica
plot(24,0:15,'--.k') % linea vertical señalando
text(24,12,'(24,12) \rightarrow','HorizontalAlignment','right')
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for j=1:length(fs) if(f_IF_t(1,j)<f_IF_t(2,j) && ... f_IF_t(2,j)<f_IF_t(3,j) && ... f_IF_t(3,j)<f_IF_t(4,j) && ... f_IF_t(4,j)<f_IF_t(5,j) && ... f_IF_t(5,j)<f_IF_t(6,j) && ... f_IF_t(6,j)<f_IF_t(7,j) && ... f_IF_t(7,j)<f_IF_t(8,j) && ... f_IF_t(8,j)<f_IF_t(9,j) && ... f_IF_t(9,j)<f_IF_t(10,j)) punt=fs(j);
plot(punt,0:(17),'--.r') % linea vertical señalando
end
end
%%% Linea 2
63
ylabel('Frecuencia Intermedia Resultante [MHz]')
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
Código de la función calculate_IF(fc,fs,BW)
function [f_IF]=calculate_IF(fc,fs,BW)
slope=fix(fc./(fs/2)); %redondea
is_odd=rem(slope,2); %residuo de la division
N=length(is_odd); for i=1:N if is_odd(i) f_IF(i)=fs(i)-rem(fc,fs(i)); % disp('a') else f_IF(i)=rem(fc,fs(i)); % disp('b') end end
Código para el diagrama en escalera de las Gráficas 4.7 y 4.8
clc
clear all
BW=24; %L1 BW 24MHz
fc=1575.42; %L1 Frec central en MHz
fs=(70:0.1:108.5); %Rango de frecuencia de análisis (40-108.5)
MHz
% para una figura 40 -70
% para una figura 70 - 108.5
figure
hold on
grid on
Nscan=10; % Número de líneas
f_scan=linspace(0,BW,Nscan); f_IF_t=zeros(Nscan,length(fs)); for i=1:Nscan, fc_scan=fc-BW/2+f_scan(i); f_IF=calculate_IF(fc_scan,fs,BW); plot(fs,f_IF,'b') f_IF_t(i,:)=f_IF; end
xlabel('Frecuencia de Muestreo [MHz]')
ylabel('Frecuencia Intermedia Resultante [MHz]')
64 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% linea1=zeros(5,2); r=0; for j=1:length(fs) if(f_IF_t(1,j)<f_IF_t(2,j) && ... f_IF_t(2,j)<f_IF_t(3,j) && ... f_IF_t(3,j)<f_IF_t(4,j) && ... f_IF_t(4,j)<f_IF_t(5,j) && ... f_IF_t(5,j)<f_IF_t(6,j) && ... f_IF_t(6,j)<f_IF_t(7,j) && ... f_IF_t(7,j)<f_IF_t(8,j) && ... f_IF_t(8,j)<f_IF_t(9,j) && ... f_IF_t(9,j)<f_IF_t(10,j)) punt=fs(j); r=r+1; linea1(r,1)=punt;
plot(punt,0:(40),'--.r') % linea vertical señalando 1
end end linea2=zeros(5,2); r=0; for j=1:length(fs) if(f_IF_t(1,j)>f_IF_t(2,j) && ... f_IF_t(2,j)>f_IF_t(3,j) && ... f_IF_t(3,j)>f_IF_t(4,j) && ... f_IF_t(4,j)>f_IF_t(5,j) && ... f_IF_t(5,j)>f_IF_t(6,j) && ... f_IF_t(6,j)>f_IF_t(7,j) && ... f_IF_t(7,j)>f_IF_t(8,j) && ... f_IF_t(8,j)>f_IF_t(9,j) && ... f_IF_t(9,j)>f_IF_t(10,j)) punt=fs(j); r=r+1; linea2(r,1)=punt;
plot(punt,0:(40),'--.m') % linea vertical señalando 2
end
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
text(100,50.5,'(100, 50)
\rightarrow','HorizontalAlignment','right')
plot(100,0:(55),'--.k') % linea señalando 100MHz
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
text(44.7,22.45,'(44.7, 22.45)
65
Fichas completas de las características de los materiales usados.
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68
69
Publicaciones
Diseño de filtro y amplificador de bajo ruido para un receptor GPS, presentado en
el Sexto Congreso Internacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas. Noviembre 2011. México D.F.
70
Simulación de filtro y amplificador de bajo ruido para un receptor de GPS,
presentado en la Vigesimosegunda Reunión de Otoño de Comunicaciones, Computación, Electrónica, Automatización, Robótica y Exposición Industrial. Diciembre 2011. Acapulco, Guerrero.
71
GPS, presentado en la Vigesimotercera Reunión de Otoño de Comunicaciones,
Computación, Electrónica, Automatización, Robótica y Exposición Industrial. Noviembre 2012. Acapulco, Guerrero.
72
Diseño y construcción de un receptor front end con arquitectura de digitalización directa para GPS, presentado en el Octavo Congreso Nacional de Ingeniería