Diseño y desarrollo de un receptor de radio definido por software CCSDS 131.2-B basado en aceleradores de unidades de procesamiento gráfico
Autores: Ciardi, Roberto; Giuffrida, Gianluca; Bertolucci, Matteo; Fanucci, Luca
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Diseño y desarrollo de un receptor de radio definido por software CCSDS 131.2-B basado en aceleradores de unidades de procesamiento gráfico
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Misiones de observación terrestre
CCSDS 131.2-B
Radio definida por software
Aplicaciones de telemetría
Códigos convolucionales
Unidades de Procesamiento de Gráficos NVIDIA
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 38
Citaciones: Sin citaciones
En los últimos años, el número de misiones de Observación de la Tierra ha aumentado exponencialmente. Los satélites dedicados a estas misiones suelen llevar cargas útiles que producen grandes cantidades de datos y que necesitan ser transmitidos hacia estaciones terrestres en ventanas de tiempo limitadas. Además, la naturaleza ruidosa de la conexión entre los satélites y las estaciones terrestres dificulta lograr una comunicación fiable. Para abordar estos problemas, se ha definido un estándar para un esquema flexible y avanzado de codificación y modulación para aplicaciones de telemetría de alta tasa por el Comité Consultivo de Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS). El estándar definido, conocido como CCSDS 131.2-B, utiliza Códigos de Convolución Concatenados en Serie (SCCC) basados en 27 ModCods para optimizar la calidad de transmisión. Un factor limitante en la adopción de este estándar es la complejidad y el costo del hardware necesario para desarrollar receptores de alto rendimiento. En la última década, el rendimiento del software ha crecido debido al avance del hardware de procesamiento de propósito general, lo que ha llevado al desarrollo de muchos sistemas de software de alto rendimiento incluso en el sector de las telecomunicaciones. Estos sistemas son comúnmente conocidos como Radio Definida por Software (SDR), indicando un sistema de comunicación de radio en el cual los componentes que normalmente se implementan en hardware, mediante FPGAs o ASICs, se implementan en software, ofreciendo muchas ventajas como flexibilidad, modularidad, extensibilidad, mantenimiento más económico y ahorro de costos. Este documento propone el desarrollo de un SDR basado en las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) de NVIDIA para implementar el extremo receptor del estándar CCSDS 131.2-B. En primer lugar, se da una breve descripción del estándar CCSDS 131.2-B, centrándose en la arquitectura de los lados transmisor y receptor. Luego, se muestra la arquitectura del receptor, dando una visión general de sus bloques funcionales y de las elecciones de implementación realizadas para optimizar el procesamiento de la señal, especialmente para el Decodificador SCCC. Finalmente, se analiza el rendimiento del sistema en términos de tasa de datos y corrección de errores, y se compara con otros sistemas de software para resaltar las mejoras logradas. El sistema presentado se ha demostrado ser una solución perfecta para las pruebas de dispositivos compatibles con CCSDS 131.2-B y para su uso en misiones científicas, proporcionando una alternativa válida de bajo costo en comparación con los receptores de HW de última generación.
Descripción
En los últimos años, el número de misiones de Observación de la Tierra ha aumentado exponencialmente. Los satélites dedicados a estas misiones suelen llevar cargas útiles que producen grandes cantidades de datos y que necesitan ser transmitidos hacia estaciones terrestres en ventanas de tiempo limitadas. Además, la naturaleza ruidosa de la conexión entre los satélites y las estaciones terrestres dificulta lograr una comunicación fiable. Para abordar estos problemas, se ha definido un estándar para un esquema flexible y avanzado de codificación y modulación para aplicaciones de telemetría de alta tasa por el Comité Consultivo de Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS). El estándar definido, conocido como CCSDS 131.2-B, utiliza Códigos de Convolución Concatenados en Serie (SCCC) basados en 27 ModCods para optimizar la calidad de transmisión. Un factor limitante en la adopción de este estándar es la complejidad y el costo del hardware necesario para desarrollar receptores de alto rendimiento. En la última década, el rendimiento del software ha crecido debido al avance del hardware de procesamiento de propósito general, lo que ha llevado al desarrollo de muchos sistemas de software de alto rendimiento incluso en el sector de las telecomunicaciones. Estos sistemas son comúnmente conocidos como Radio Definida por Software (SDR), indicando un sistema de comunicación de radio en el cual los componentes que normalmente se implementan en hardware, mediante FPGAs o ASICs, se implementan en software, ofreciendo muchas ventajas como flexibilidad, modularidad, extensibilidad, mantenimiento más económico y ahorro de costos. Este documento propone el desarrollo de un SDR basado en las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) de NVIDIA para implementar el extremo receptor del estándar CCSDS 131.2-B. En primer lugar, se da una breve descripción del estándar CCSDS 131.2-B, centrándose en la arquitectura de los lados transmisor y receptor. Luego, se muestra la arquitectura del receptor, dando una visión general de sus bloques funcionales y de las elecciones de implementación realizadas para optimizar el procesamiento de la señal, especialmente para el Decodificador SCCC. Finalmente, se analiza el rendimiento del sistema en términos de tasa de datos y corrección de errores, y se compara con otros sistemas de software para resaltar las mejoras logradas. El sistema presentado se ha demostrado ser una solución perfecta para las pruebas de dispositivos compatibles con CCSDS 131.2-B y para su uso en misiones científicas, proporcionando una alternativa válida de bajo costo en comparación con los receptores de HW de última generación.