Sistemas de monitorización de satélites para inteligencia de RF en tiempo real

La digitalización a alta velocidad y el procesamiento periférico de los sistemas de la compañía Teledyne SP Devices permiten la monitorización escalable de la señal del satélite en diversas bandas de frecuencia.

La monitorización de los satélites permite la observación continua de las comunicaciones del satélite y las señales de navegación para garantizar la calidad del enlace, detectar interferencias y comprobar el cumplimiento de la normativa aplicada al espectro. Estos sistemas proporcionan una visibilidad global y consistente del funcionamiento de los enlaces ascendente y descendente, un aspecto crítico para aplicaciones que van desde la integridad de GNSS y la vigilancia del espectro hasta la búsqueda de interferencias y la validación del sistema.

El principal objetivo de la monitorización del satélite es conservar la integridad de los enlaces espacio-tierra y tierra-espacio. Ello exige comprobar la calidad de los enlaces ascendente y descendente, detectar interferencias accidentales o maliciosas, y cumplir la normativa. Desde el punto de vista de su arquitectura, los sistemas de monitorización se suelen basar en tres elementos: el segmento del espacio, constituido por satélites con transpondedores y antenas que funcionan dentro de unas bandas de frecuencia definidas; el segmento de tierra, formado por estaciones de monitorización equipadas con grandes antenas, módulos frontales de RF y digitalizadores; y el segmento de usuario, donde software y hardware especializados analizan y visualizan los datos capturados.

Los servicios de satélite utilizan las bandas de radiofrecuencia designadas y cada una de ellas se divide en subbandas para los enlaces ascendentes y descendentes en sistemas bidireccionales con el fin de minimizar la interferencia mutua. Los enlaces descendentes se suelen hallar en la parte inferior de una a banda debido a su menor atenuación atmosférica, mientras que los enlaces ascendentes ocupan frecuencias más altas con el fin de alcanzar mayores velocidades de transmisión de los datos. Las definiciones de la subbanda varían dependiendo del sistema; por ejemplo, Galileo utiliza las designaciones ‘E’ dentro de la banda L en lugar de la nomenclatura ‘L’ utilizada por otras constelaciones de GNSS.

Desde el punto de vista de la monitorización, esta diversidad concede la máxima importancia a la planificación de la frecuencia y la estrategia de muestreo. La velocidad de muestreo debe garantizar que la señal en cuestión ocupe una sola zona de Nyquist sin componentes fuera de banda que han sido suprimidos mediante filtrado analógico. Para muestreo directo, esto se suele traducir en unas velocidades mínimas de aproximadamente 2 GSPS para la banda L, 4 GSPS para la banda S y 8 GSPS para la banda C, siempre que se apliquen los filtros de paso de banda apropiados.

Las modernas estaciones de monitorización recurren a digitalizadores de banda ancha para convertir las señales analógicas de RF en flujos de datos digitales. Dispositivos como el ADQ35-WB de Teledyne SP Devices permiten el muestreo directo de señales de banda L y S sin mezcladores de frecuencia, por lo que disminuyen la complejidad del sistema y facilitan la calibración. Con sus 12 bits de resolución y un ancho de banda de entrada útil de hasta 9 GHz, estos digitalizadores se pueden implementar de manera flexible en varias bandas de satélites. Los amplificadores externos de bajo ruido y los filtros anti-aliasing siguen siendo fundamentales para proteger la fidelidad de la señal y evitar el plegamiento espectral durante la conversión A/D.

La selección de la velocidad de muestreo afecta directamente a la integridad de los datos y a la eficiencia del procesamiento posterior. Por ejemplo, el muestreo de la banda L a 5 GSPS sitúa a la señal por completo dentro de la primera zona de Nyquist, mientras que el submuestreo de la banda S a 4 GSPS confina la señal a la segunda zona de Nyquist con bandas de protección suficientes. En cambio, las velocidades de muestreo incorrectas pueden dividir la señal en los límites de Nyquist y por tanto añadir aliasing.

Las velocidades de los datos en bruto a la salida de los digitalizadores de banda ancha pueden superar los límites prácticos de transferencia y almacenamiento. A 10.000 millones de muestras por segundo y dos bytes por muestra, un solo canal genera unos 20 GB/s. Para gestionar este volumen se recurre al procesamiento mediante FPGA con el fin de reducir las velocidades de los datos antes de transmitirlos por enlaces PCIe.

La monitorización del satélite se basa en dos técnicas principales. La compresión de bits reduce el número de bits por muestra y permite la transmisión continua dentro de las limitaciones impuestas por el ancho de banda de PCIe conservando la información en toda la banda. La conversión digital descendente, implementada en FPGA a través de osciladores controlados numéricamente, filtros y etapas de decimación, traduce los canales de RF seleccionados en frecuencias de banda base o intermedias. Esto no solo reduce las velocidades de los datos, sino que también mejora la relación entre señal y ruido por medio de filtrado y procesamiento coherente.

Para el análisis en tiempo real y cercano al tiempo real es preferible recurrir a arquitecturas basadas en PCIe. La transferencia de datos entre pares permite que los digitalizadores envíen los datos directamente a las GPU mediante DMA, obviando de este modo la CPU host y la memoria del sistema. Esto minimiza la latencia y logra que el rendimiento total se aproxime a los límites de PCIe Gen5 y admita varios flujos simultáneos procedentes de varios digitalizadores.

Las GPU complementan el procesamiento de la FPGA asumiendo tareas que exigen una elevada potencia de computación, pero cuya latencia es menos crítica, como canalización, demodulación y análisis estadístico a largo plazo. Por ejemplo, extraer cada subbanda de Galileo a partir de una captura de banda L en banda ancha puede disminuir las velocidades de los datos desde cientos de megahercios del espectro a unos pocos gigabytes por segundo que entran dentro de las prestaciones de las GPU modernas.

Cuando se requiere el un registro de larga duración, el ancho de banda de almacenamiento puede convertirse en un factor limitante. Las configuraciones RAID basadas en SSD NVMe y conectadas mediante tarjetas portadoras PCIe permiten escribir en paralelo en varias unidades. Las unidades SSD de grado empresarial mantienen unas velocidades de escritura elevadas durante largos períodos, ofreciendo de este modo la posibilidad de totalizar unas velocidades de registro del orden de decenas de gigabytes por segundo y sus capacidades totales llegan hasta la escala de un petabyte por ranura. Las unidades de consumo son apropiadas para tiempos de captura más cortos, pero experimentan una caída del rendimiento cuando las caches SLC internas están llenas.

La combinación de digitalización de banda ancha, preprocesamiento basado en FPGA, aceleración de GPU y almacenamiento escalable de PCIe, sistemas modernos de monitorización por satélite proporcionan una base económica y flexible para la inteligencia de RF. Esta arquitectura se adapta a requisitos cambiantes como monitorización multibanda, detección de interferencias en tiempo real y captura de datos a gran escala, de ahí que esté indicado tanto para redes de monitorización de las operaciones como para campañas de medida destinadas a investigación.