Conception et mise en oeuvre de module de contrôle de puissance et de génération de bruit pour conditionner les signaux RF d'un simulateur de constellation GPS et Galileo

Loukil, Rami (2010). Conception et mise en oeuvre de module de contrôle de puissance et de génération de bruit pour conditionner les signaux RF d'un simulateur de constellation GPS et Galileo. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La radionavigation par satellite a reçu beaucoup d’intérêt pendant le 21e siècle. Les avènements les plus importants dans ce secteur sont le nouveau système de positionnement par satellite de l’Union européenne baptisé Galileo et la modernisation du système américain GPS (Global Positionning System). Le regroupement de ces différents systèmes sous l’acronyme GNSS (Global Navigation Satellite System) permettrait une fiabilité et un positionnement d’une très grande précision. Cette tendance pousse les industries à concevoir des récepteurs capables de gérer ce nombre croissant de signaux. Ces nouveaux produits nécessitent des procédures de validation avant même que le système européen Galileo ne soit opérationnel.

Dans ce contexte, le laboratoire LACIME développe un simulateur de signaux GPS et Galileo. Le présent mémoire traitera les différentes parties de ce simulateur ainsi qu’une étude détaillée la conception d’un système de contrôle de puissance des signaux piloté par logiciel ainsi qu’un système de contrôle du ratio C/N0 (Carrier to Noise Ratio).

Le système de contrôle de puissance a été développé afin d’offrir une précision de l’ordre de 0.1 dB sur une plage de 40 dB pour les signaux « GPS L1, Galileo E1 » à la fréquence de 1575.42 MHz, « GPS L5, Galileo E5a » à la fréquence 1176.45 MHz et le signal Galileo E5b à la fréquence 1207.14 MHz. Le système de contrôle de puissance a été mis en oeuvre par l’élaboration d’une carte à circuit imprimé et d’une communication bidirectionnelle avec le logiciel qui permet une gérance totale du système. L’architecture implémentée a été judicieusement étudiée afin de permettre une flexibilité et une extensibilité du système. Elle permet d’exécuter plusieurs modes de contrôle à savoir « contrôle de gain », « contrôle automatique de puissance », « calibration de puissance » et « variation de la puissance dans le temps ». Le système de contrôle de puissance a été testé et validé pour donner une précision inférieure à 0.1 dB sur 40 dB pour les deux modes de fonctionnement de base (contrôle de gain et contrôle automatique de puissance). Les deux autres modes découlent de ces derniers pour donner plus d’options à l’utilisateur du simulateur GPS et Galileo.

Afin de donner à l’utilisateur une maîtrise totale de la qualité des signaux, un générateur de bruit blanc gaussien a été mis en oeuvre. Il permet, en combinaison avec le système de contrôle de puissance, de contrôler le ratio C/N0. Une étude sur les méthodes de génération d’un tel bruit blanc a été faite. Le choix s’est établit sur une implémentation numérique au sein du FPGA qui présente une flexibilité et une complexité moindre par rapport à une approche analogique. Le générateur de bruit blanc a été développé par la méthode Box-Muller qui présente beaucoup d’avantages dans le cas d’une implémentation numérique. Son architecture a été optimisée pour rejoindre les contraintes des ressources matérielles du FPGA. Le bruit blanc gaussien est combiné aux signaux en analogique et sa puissance est contrôlable par le biais de la partie logicielle. Il a été testé et validé par un récepteur commercial et un récepteur développé au sein de l’école. L’augmentation linéaire du niveau du bruit dégrade la qualité des signaux et le rapport C/N0 diminue linéairement dans les deux récepteurs de test.

Titre traduit

Design and implementation of a power control module and noise generation for RF signals conditionning in a GPS and galileo constellation simulator

Résumé traduit

Satellite radio navigation has received considerable interest during the 21st century. The most important advents in this sector are the new satellite positioning system of the European Union called Galileo and the modernization of the Unites States’ Global Positionning System GPS. The combination of these different systems under the acronym GNSS (Global Navigation Satellite System) would allow reliable positioning and a high accuracy. This trend pushes the industry to design receivers able to handle the growing number of signals. These new products require validation procedures before the European system, Galileo becomes operational.

In this context, the laboratory LACIME is developing a GPS and Galileo signals simulator. This master’s thesis presents the different parts of the simulator and a detailed design study of a power control system driven by software for GPS and Galileo signals and a C/N0 ratio control system.

The power control system has been developed to provide an accuracy of about 0.1 dB over a range of 40 dB for signals "L1 GPS, Galileo E1" at a frequency of 1575.42 MHz, "GPS L5, Galileo E5a" at 1176.45 MHz and the Galileo signal E5b at 1207.14 MHz. The power control system has been implemented by developing a printed circuit board and a two-way communication with the software that allows complete system management. The architecture has been carefully studied and implemented to allow flexibility and scalability. It allows the user to run multiple control modes namely "gain control", "automatic power control, "power calibration" and "time varying power control". The power control system has been tested and validated to give an accuracy of less than 0.1 dB over 40 dB for both basic modes of operation (gain control and automatic power control). The other two modes resulting from the latter give more features to the user of the simulator.

To give the user a total control of signal quality, a white Gaussian noise generator has been implemented. It allows, in addition to the power control system, the ratio C/N0 control. A study on methods for generating such a white noise was made. The choice was a digital implementation in the FPGA which provides a flexibility and lower complexity compared to an analog approach. The white noise generator was developed with the Box-Muller method which has many advantages in the case of digital implementation. Its architecture has been optimized to reach the hardware resources constraints of FPGA. The white Gaussian noise is combined with the signals in the RF part and its power can be controlled by software. It has been tested and validated by a commercial receiver and receiver built within the school. The linear increase in the noise level degrades the signal quality and the C/N0 ratio decreases linearly in both test receivers.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique." Bibliogr. : f. [149]-151.
Mots-clés libres:	GPS Simulateurs. Galileo (Système de navigation) Simulateurs. contrôle de puissance, bruit blanc gaussien, FPGA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	18 nov. 2010 16:50
Dernière modification:	07 févr. 2017 22:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/307

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