Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Calibration process on the study of new antenna array architectures for space communications

This paper introduces novel calibration processes applied to antenna arrays with new architectures and technologies designed to improve the performance of traditional earth stations for satellite communications due to the increasing requirement of data capacity during last decades. Besides, the Radiation Group from the Technical University of Madrid has been working on the development of new antenna arrays based on novel architecture and technologies along many projects as a solution for the ground segment in the early future. Nowadays, the calibration process is an interesting and cutting edge research field in a period of expansion with a lot of work to do for calibration in transmission and also for reception of these novel antennas under development.

An Implemented of a Real-Time Experimental Setup for Robotic Teleoperation System

The development of this work presents the implementation of an experimental platform, which will permit to investigate on a methodology for the design and analysis of a teleoperated system, considering the delay in the communication channel. The project has been developed in partnership with the laboratory of Automatic and Robotics of the Universidad Politécnica de Madrid and the Laboratory at the Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura at the Pontificia Universidad Católica del Perú. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement. The experimental test of the Teleoperation system has been developed. The PC104 card commands the power interface and sensors of the DC motor of each articulation of the arm. Has developed the drives for the management of the operations of the master and the slave: send/reception of position, speed, acceleration and current data through a CAN network. The programs for the interconnection through a LAN network, between the Windows Operating System and the Real-time Operating System (QNX), has been developed. The utility of the developed platform (hardware and software) has been demonstrated.

De la ciudad en vibración al ser resonante: Una investigación a propósito de los conciertos de campanas de Llorenç Barber

Este trabajo tiene la vocación de dibujar el mapa de los dominios de oportunidad que hay a disposición de un arquitecto, al imaginar el aspecto sonoro de la ciudad en relación con la campana. Muchas de las dimensiones señaladas, tanto conocidas como desconocidas, son sencillamente despertadas al estudio de lo que un diseñador del espacio sonoro, como Llorenç Barber, viene a decirnos, desde una disciplina aparentemente contactada, pero muchas veces paralela a la arquitectónica. Tomando los conciertos de campanas celebrados hasta la fecha como puestas en práctica real de la condición instrumental de más de doscientas ciudades de todo el mundo, el estudio analiza los hallazgos, éxitos y fracasos, obtenidos a lo largo de estos últimos veinticinco años de experiencia, como resultados explícitos de un trabajo sonoro en la ciudad, probado, contrastado y afinado, del que extraer indicaciones concretas susceptibles de ser aplicadas en el diseño del espacio urbano. Mediante un análisis triangular de vértices definidos: emisor-campana, medio-ciudad, receptor-ciudadano; la investigación aborda los aspectos relativos a la producción y recepción del fenómeno sonoro generado por la campana en la ciudad. En relación con la producción, una parte del trabajo se dedica al estudio de los efectos acústicos observados, ordenado por escalas graduales en las que se produce una distribución del sonido susceptible de diseño: el vaso de la campana, la sala de campanas, el campanario, el cuerpo del edificio, la ciudad y el territorio. A modo de cajas de resonancia y leídas como muñecas rusas, unas dentro de otras, los espacios identificados muestran cualidades sonoras específicas, definidas tanto por sus condiciones geométricas, formales, constructivas o de uso; como por las correspondientes a las subsiguientes cajas que alojan. A fin de esclarecer la influencia de tales cuestiones en el aspecto sonoro de la ciudad, se propone un modelo ordenado de conexión y desconexión de escalas, utilizando una paramétrica puramente técnica creada ex profeso, junto con variables metodológicas más tradicionales. Al mismo tiempo, y tratando de esclarecer cómo, al ser puesta en vibración, la ciudad es aprehendida, disfrutada y rememorada por el ciudadano-oyente, otra parte del trabajo se dedica al estudio de los aspectos relativos a su recepción aural en deambulación compartida. En este caso la investigación se propone reclamar otras dimensiones más subversivas que, si bien escapan a los modos habituales de trabajar del arquitecto, se revelan intensamente en la experiencia plurifocal, multiplicando los efectos a considerar: efectos funcionales y significativos, de reconocimiento, integración y pertenencia a un cuerpo territorial y social de coordenadas históricas y geográficas de nuevo significadas; efectos perceptuales de inmersión, ubicuidad, temporalidad o inestabilidad; efectos estéticos, de rememoración, interpretación simbólica y recreación poética; e incluso efectos políticos, descubriendo un espacio urbano en continua regeneración, lugar para la exposición en su doble acepción, para la exhibición y el peligro, o como contenedor situacional del más profundo sentido ciudadano. Para afinar la relevancia de lo obtenido en cada una de las dimensiones señaladas, el trabajo se articula en tres aproximaciones graduales: el corpus general de los conciertos celebrados hasta la fecha; los conciertos celebrados en España; los tres conciertos para Madrid: Magna Mater (1991), Festi Clamores (2000) y Aurea Catena (2007). Si bien el modelo propuesto nace a la luz de los conciertos de campanas de Llorenç Barber, a escala de una ciudad entera y con una intención compositiva individual, se entiende que sería útil para el uso ordenado de cualquier profesional interesado en el aspecto sonoro de la ciudad, faceta escasamente atendida, dicho sea de paso, desde la disciplina arquitectónica. ABSTRACT This work has the vocation of drawing out the numerous opportunities an architect has at his disposal, upon imagining the sonorous aspect of the city in relation to the bell. Many of the dimensions indicated, both known and unknown, are just awakened to the study of what a sound space designer, as Llorenç Barber, comes to tell us, from a discipline apparently contacted, but often parallel to the architecture. Taking the bell concerts held so far as actual implementation of the instrumental condition of over two hundred cities around the world, the study analyzes the findings, successes and failures, obtained over the last twenty years of experience, as explicit results of a sound work in the city, tested, verified and refined, from which to extract specific indications that can be applied in the design of urban space. By triangular analyzing of defined vertices: sender-bell, half-city, receptor-citizen; the research addresses issues relating to the production and reception of sound phenomenon generated by the bell in the city. In relation to production, part of the work is devoted to the study of observed acoustic effects, ordered gradual scale which produces a distribution of sound capable of design: the glass of the bell, the bell room, the bell tower and the body of the building, the city and territory. By way of sounding boards and read as if they were Russian dolls, one inside the other, the show spaces identified specific sound qualities, defined both for their geometric, formal, constructive use, such as those for hosting the subsequent boxes. In order to clarify the influence of such issues in the sound aspect of the city, we propose an ordered pattern of connection and disconnection of scales, using a purely parametric technique created on purpose, along with more traditional methodological variables. At the same time, and trying to clarify how, when set in vibration, the city is apprehended, enjoyed and remembered for the citizen-listener, another part of the work is devoted to the study of aspects of aural reception in shared ambulation. In this case the research aims to claim more subversive than other dimensions, but beyond the usual ways in which an architect works, the experience reveals intensely plurifocal multiplying effects to consider: functional effects and significant recognition and integration belonging to a body of territorial and social historical and geographical coordinates of new meaning and perceptual effects of immersion, ubiquity, timeliness or instability; aesthetic effects of recall, interpretation and recreation of symbolic poetic; and even political effects, revealing a continuous urban space regeneration site for the exhibition in its double meaning, for display and danger, or as a citizen sense container. To sharpen the relevance of what was obtained in each of the dimensions mentioned, the work is divided into three incremental approaches: the general corpus of the concerts held so far, the concerts in Spain, the three concerts for Madrid: Magna Mater (1991), Festi Clamores (2000) and Aurea Catena (2007). While the proposed model comes in the light of the bells concert Llorenç Barber, the scale of a whole city and individual compositional intent, it is understood that it would be useful for the orderly use of any professional interested in the sound aspect of the city, an aspect sparsely attended, incidentally, from the architectural discipline.

Synchronizing chaotic optically-programmable digital circuits

In this paper an approach to the synchronization of chaotic circuits has been reported. It is based on an optically programmable logic cell and the signals involved are fully digital. It is based on the reception of the same input signal on sender and receiver and from this approach, with a posterior correlation between both outputs, an identical chaotic output is obtained in both systems. No conversion from analog to digital signals is needed. The model here presented is based on a computer simulation.

Sistema de alarmas asistenciales para hospitales y residencias

En los hospitales y residencias geriátricas de hoy en día es necesario que tengan un sistema asistencial paciente-enfermera. Este sistema debe ser capaz de controlar y gestionar cada una de las alarmas que se puedan generar en el menor tiempo posible y con la mayor eficacia. Para ello se ha diseñado una solución completa llamada ConnectCare. La arquitectura modular del sistema y la utilización de comunicación IP permiten adaptar el sistema a cada situación proporcionando soluciones específicas a medida. Este sistema se compone de un software llamado Buslogic que gestiona las alarmas en un servidor y de unos dispositivos llamados Fonet Control TCP/IP que posee una doble función: por una parte, sirve como dispositivo intercomunicador telefónico y por otra parte, sirve como dispositivo de gestión de alarmas y control de otros dispositivos externos. Como dispositivo intercomunicador telefónico, se integra en la red telefónica como un terminal de extensión analógica permitiendo la intercomunicación entre el paciente y el personal sanitario. Se hará una breve descripción de la parte intercomunicadora pero no es el objeto de este proyecto. En cambio, en la parte de control se hará más hincapié del diseño y su funcionamiento ya que sí es el objeto de este proyecto. La placa de control permite la recepción de señales provenientes de dispositivos de llamadas cableados, como son pulsadores asistenciales tipo “pera” o tiradores de baño. También es posible recibir señales de alerta de dispositivos no estrictamente asistenciales como detectores de humo o detectores de presencia. Además, permite controlar las luces de las habitaciones de los residentes y actuar sobre otros dispositivos externos. A continuación se mostrará un presupuesto para tener una idea del coste que supone. El presupuesto se divide en dos partes, la primera corresponde en el diseño de la placa de control y la segunda corresponde a la fabricación en serie de la misma. Después hablaremos sobre las conclusiones que hemos sacado tras la realización de este proyecto y sobre las posibles mejoras, terminando con una demostración del funcionamiento del equipo en la vida real. ABSTRACT. Nowadays, in hospitals and nursing homes it is required to have a patient-nurse care system. This system must be able to control and manage each one of the alarms, in the shortest possible time and with maximum efficiency. For this, we have designed a complete solution called ConnectCare. The system architecture is modular and the communication is by IP protocol. This allows the system to adapt to each situation and providing specific solutions. This system is composed by a software, called Buslogic, which it manages the alarms in the PC server and a hardware, called Fonet Control TCP / IP, which it has a dual role: the first role, it is a telephone intercom device and second role, it is a system alarm manager and it can control some external devices. As telephone intercom device, it is integrated into the telephone network and also it is an analog extension terminal allowing intercommunication between the patient and the health personnel. A short description of this intercommunication system will be made, because it is not the subject of this project. Otherwise, the control system will be described with more emphasis on the design and operation point of view, because this is the subject of this project. The control board allows the reception of signals from wired devices, such as pushbutton handset or bathroom pullcord. It is also possible to receive warning signals of non nurse call devices such as smoke detectors or motion detectors. Moreover, it allows to control the lights of the patients’ rooms and to act on other external devices. Then, a budget will be showed. The budget is divided into two parts, the first one is related with the design of the control board and the second one corresponds to the serial production of it. Then, it is discussed the conclusions of this project and the possible improvements, ending with a demonstration of the equipment in real life.