Wideband radio instrument for small satellite applications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
38
Series
Abstract
In this master's thesis, a wideband radio spectrometer for the 1-60 MHz radio frequency band was designed for use in small satellites. The thesis is part of the development of the HEARER-2 instrument, which is the next version of the HEARER instrument on the Suomi 100 satellite. HEARER is a narrowband radio spectrometer operating in the 5 - 10 MHz frequency range. As a narrowband instrument, it can measure only a small portion of its operational band at a time. Like HEARER, HEARER-2 is intended for geospace, space weather, and ionospheric research. The atmosphere of the Earth is transparent to certain parts of the electromagnetic spectrum while absorbing others. Radio waves below 30 MHz are part of the electromagnetic spectrum that is partially absorbed by the atmosphere and ionosphere. This absorption means that sources of electromagnetic radiation below 30 MHz in space cannot be measured from the Earth's surface without experiencing significant losses. Studying these sources requires instruments to be located outside the atmosphere, i.e. in space. The designed instrument consists of a direct sampling radio receiver combined with an FPGA chip. The direct-sampling receiver digitizes the radio signal directly, unlike the common superheterodyne receiver, where the signal is first converted to a lower intermediate frequency in a mixer before sampling. The instrument is built on an AMD Zynq Ultrascale+ MPSoC-based development board, Ultra96-V2, on top of which an extension board was designed. The extension board implements the direct sampling receiver and its required supporting components. The software for performing spectral analysis was designed to take advantage of the features of the chosen chip. The FPGA handles the reading of the analog-to-digital converter of the receiver and performing computationally intensive digital signal processing. Instrument control, data buffering, and generation of the final spectral analysis results are performed by the ARM cores of the chip. The next steps in developing a space-qualified HEARER-2 spectrometer will be further software development and complete testing of the designed and implemented circuit board.Tässä diplomityössä suunniteltiin laajakaistainen radiospektrometri 1–60 MHz radiotaajuuskaistalle pienoissatelliittikäyttöön. Diplomityö on osa HEARER-2 -instrumentin kehitystyötä, joka on seuraava versio Suomi 100 -satelliitissa olleesta HEARER-instrumentista. HEARER on kapeakaistainen radiospektrometri, joka toimii 5–10 MHz taajuusalueella. Kapeakaistaisena instrumenttina se pystyy mittaamaan vain pientä osaa toiminta-alueestaan kerrallaan. HEARER-2, kuten HEARER, on tarkoitettu geoavaruuden, avaruussään ja ionosfäärin tutkimukseen. Maan ilmakehä on läpinäkyvä osalle elektromagneettisesta spektristä ja osan se absorboi. Radioaallot, joiden taajuus on alle 30 MHz, kuuluvat spektrin osaan, jota ilmakehä ja ionosfääri osittain absorboivat. Tämä tarkoittaa sitä, että avaruudessa olevien alle 30 MHz:n sähkömagneettisen säteilyn lähteitä ei voida mitata Maan pinnalta ilman merkittäviä häviöitä. Kyseisten lähteiden tutkiminen edellyttää, että mittalaitteet sijaitsevat ilmakehän ulkopuolella eli avaruudessa. Suunnitellun instrumentin laitteistona on suoranäytteistävä radiovastaanotin yhdistettynä FPGA-piiriin. Suoranäytteistävä vastaanotin digitalisoi radiosignaalin suoraan, toisin kuin yleisessä superheterodyne-vastaanottimessa, jossa signaali muunnetaan sekoittimessa alemmalle välitaajuudelle ennen näytteistämistä. Instrumentin alustana käytetään AMD Zynq Ultrascale+ MPSoC -pohjaista kehityskorttia Ultra96-V2, jonka päälle suunniteltiin laajennuspiirilevy. Laajennuspiirilevylle toteutettiin suoranäytteistävä vastaanotin ja sen tarvitsemat tukikomponentit. Spektrianalyysin suorittava ohjelmisto suunniteltiin hyödyntämään valitun piirin ominaisuuksia. Vastaanottimen analogia-digitaalimuuntimen lukeminen ja laskennallisesti raskas digitaalinen signaalinkäsittely suoritetaan FPGA-piirillä. Instrumentin ohjaus, datan puskurointi ja lopullisen spektrianalyysituloksen tuottaminen toteutetaan piirin ARM-ytimillä. Avaruuskelpoisen HEARER-2 spektrometrin seuraavat työvaiheet tulevat olemaan ohjelmistojen lisäkehitys, sekä suunnitellun ja toteutetun piirilevyn täydellinen testaus.Description
Supervisor
Kallio, EsaThesis advisor
Niittyniemi, JoonasKnuuttila, Olli