Diseño de señal basado en códigos Zadoff-Chu para sistemas de posicionamiento aéreos y subacuáticos afectados por doppler

Resum

Esta tesis se enfoca al diseño de señal basado en códigos Zadoff-Chu para la mejora de las prestaciones y la robustez de sistemas de posicionamiento ultrasónicos basados en la medida de tiempos de vuelo, tanto en espacios interiores aéreos como en entornos subacuáticos. El uso de estos códigos resulta de especial interés en entornos perjudicados por el efecto Doppler, debido al movimiento relativo entre emisor y receptor, ya que la correlación con estas secuencias aporta mayor robustez a los desplazamientos en frecuencia que los esquemas tradicionales. El método empleado por este tipo de sistemas de posicionamiento, basados en la medida del tiempo de propagación de señales acústicas, resulta adecuado en entornos donde las señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sufren una mayor atenuación, como en el interior de edificios o en entornos subacuáticos. Así, el sistema aquí planteado da solución a varios tipos de aplicaciones, como el guiado de vehículos, drones o personas en espacios interiores; o vehículos subacuáticos, sensores o buzos debajo del agua. La mayoría de sistemas de posicionamiento en entornos subacuáticos, están basados en la emisión de señales ultrasónicas debido a la baja atenuación que presentan, en comparación con las ondas electromagnéticas. En entornos aéreos, el uso de señales acústicas permite obtener precisiones centimétricas a un bajo costo, aunque reduciendo el área de trabajo de los sistemas de posicionamiento. La codificación de estas señales, aporta además robustez frente al ruido, la multiemisión, y el incremento en la precisión en la medida de tiempos de vuelo. En este sentido, tras el análisis y comparación pormenorizado de los códigos más favorables para este tipo de aplicaciones, se ha enfocado el estudio en los códigos Zadoff-Chu por sus propiedades de autocorrelación (AC) y correlación cruzada (CC) y su robustez frente al Doppler. Para completar el diseño de la señal a transmitir, se requiere de un esquema de modulación que no degrade las propiedades de las secuencias, o bien que su combinación las mejore. En este sentido, se ha propuesto el uso de cuatro esquemas de modulación para permitir el acceso al medio de las secuencias: modulación por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying), por división de frecuencias ortogonales (OFDM), por saltos de frecuencia (FH) o incluso un novedoso esquema a partir de símbolos chirp ortogonales (OCDM). Para la evaluación del desempeño de los esquemas de codificación/modulación mencionados, se han utilizado modelos matemáticos que describen el comportamiento de diversos efectos en estos entornos de interés, lo que ha permitido simular las emisiones en diferentes situaciones, y comparar los resultados obtenidos en cada esquema a partir del análisis de métricas específicas. Además, se ha contribuido al desarrollo de dos aplicaciones con interfaz gráfica para el usuario, que facilitan las tareas de investigación en el uso de estos modelos de simulación, uno en espacios interiores, y otro considerando los efectos del entorno subacuático. Entre los aportes y/o contribuciones mas importantes de esta tesis se pueden enumerar: a) Estudio pormenorizado y clasificación de distintos esquemas de codificación y modulación, para el diseño de una señal robusta frente a las interferencias típicas que afectan los sistemas de posicionamiento basados en la medida de tiempos de vuelo. Así, se ha propuesto el uso de secuencias Zadoff-Chu por sus propiedades de AC, CC y robustez al Doppler, y se han analizado cuatro esquemas de modulación para su aplicación en estos sistemas. Finalmente, se ha podido comprobar y validar el comportamiento de los esquemas propuestos, tanto por los modelos de simulación, como por las pruebas experimentales realizadas en diferentes entornos, en estático y en movimiento.