Les transmissions numériques par satellite sont largement utilisées dans plusieurs domaines allant des applications commerciales en orbites terrestres aux missions d'exploration scientifiques en espace lointain (Deep Space). Ces systèmes de transmission fonctionnent sur des très grandes distances et ils disposent des ressources énergétiques très limitées. Cela se traduit par un très faible rapport signal à bruit au niveau de la station de réception terrestre. Une possibilité d'établir une liaison fiable dans ces conditions très défavorables, réside dans l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs puissants tels que les Turbo codes et le LDPC. Cependant, les gains de codage sont conditionnés par le bon fonctionnement des étages de la démodulation cohérente en amont, notamment l'étage de synchronisation. L'opération de synchronisation consiste à estimer et compenser le décalage en phase et en fréquence entre le signal reçu et l'oscillateur local du récepteur. Ces décalages sont généralement provoqués par des imperfections matérielles et le phénomène d'effet Doppler. A très faible rapport signal à bruit, les systèmes de synchronisation actuels se trouvent limités et incapables d'assurer les performances requises. Notre objectif est de fiabiliser l'étage de synchronisation du récepteur dans des conditions très difficiles de faible rapport signal sur bruit, d'effet Doppler conséquent avec prise en compte d'un phénomène d'accélération (Doppler rate) et d'une transmission sans pilote. Cette thèse CIFRE traite du problème de la synchronisation porteuse pour la voie descendante d'une transmission Deep Space. Après la réalisation d'une étude de l'état de l'art des techniques de synchronisation, nous avons retenu les boucles à verrouillage de phase (PLL: Phase Locked Loop). Dans un contexte industriel, les PLL offrent le meilleur compromis entre complexité d'implémentation et performances. Plusieurs détecteurs de phase basés le critère du maximum de vraisemblance ont été considérés et modélisés par leurs courbes caractéristiques. En se basant sur les modèles équivalents, nous avons développé une nouvelle étude de la phase d'acquisition non-linéaire d'une PLL du deuxième ordre avec un détecteur de phase semi-sinusoïdal. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l'étude des techniques de combinaison d'antennes. Ces méthodes visent à exploiter la diversité spatiale et améliorer le bilan de liaison de la chaîne de transmission tout en offrant une flexibilité de conception ainsi qu'une réduction considérable du coût d'installation. A l'issue de cette partie, nous avons proposé un nouveau schéma de combinaison d'antenne qui améliore le seuil de fonctionnement des systèmes existants. / In deep space communication systems, the long distance between the spacecraft and the ground station along with the limited capacity of the on-board power generator result a very low signal to noise ratio (SNR). However, such transmission still possible by using near Shannon limit error correction codes (Turbo code and LDPC code). Nevertheless, to take advantage of this coding gain, the coherent demodulation is mandatory, and the carrier phase synchronization must be reliable at more restrictive SNR. At very low SNR, current synchronization systems are limited and unable to provide the required performances. Our goal is to improve the reliability of the receiver synchronization stage under very difficult conditions of a very low SNR, a variable Doppler effect (Doppler rate) and a blind transmission. This thesis deals with the problem of carrier phase synchronization for the downlink of a Deep Space transmission. After the study of the existing solutions, we selected the phase locked loop (Phase Locked Loop: PLL). In an industrial context, PLL offers the best trade-off between complexity and performance. Several phase detectors based on the maximum likelihood criterion were considered and characterized by their S-curves. Based on the equivalent models, we have developed a new study of the non-linear acquisition phase of a second-order PLL with a semi-sinusoidal phase error detector. The second part of the thesis was dedicated to the antennas combining techniques. These methods aim to improve the link budget of the transmission and offer more flexibility. At the end of this part, we proposed a new antennas combining scheme that improves the operating threshold of existing systems.

La demande toujours croissante de connectivité et de débit de données requiert une rupture dans la conception des futurs réseaux de communication et systèmes radio. Plusieurs applications émergentes en bande millimétrique, notamment les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) et les communications satellites, exigent des antennes large bande qui assurent une grande couverture angulaire, tout en étant à la fois compactes, facilement intégrables et à bas coût.Cette thèse propose des systèmes antennaires multifaisceaux large bande et à très grande couverture angulaire, appelés «Continuous Transverse Stub Antenna» (CTS), pour réaliser un bon compromis de l’ensemble de ces objectifs. L’architecture de l’antenne comprend un réseau de fentes longues excitées par un réseau d’alimentation en chandelier, basé sur des guides d’onde à plans parallèles. Cette structure est excitée par un formateur de faisceaux quasi-optique co-intégré. La première partie du manuscrit présent des nouveaux modèles numériques qui facilitent la conception de chaque sous-système de l’antenne et permettent l’analyse des performances globales, soit en termes d’adaptation, soit en termes de diagrammes de rayonnement. Ces outils sont exploités pour la conception d’antenne et pour étudier les limites en balayage. La thèse se poursuit en présentant de nouvelles solutions technologiques et de nouveaux design pour intégrer les antennes CTS dans des modules multicouches planaires et à faible profil. La conception et la caractérisation de deux antennes intégrées en technologie LTCC pour des points d’accès 5G à 60 GHz sont discutées. L’une des deux est à faisceau fixe, l’autre est à balayage électronique, avec une couverture de ±40°, de faibles lobes secondaires et un niveau élevé de recoupement des faisceaux. Enfin, nous proposons l’association de radomes polarisants planaires à faible profil aux antennes CTS, pour réaliser des systèmes rayonnants en polarisation circulaire. Une méthodologie systématique pour la conception de polarisateurs à très large bande est présentée, ainsi qu’un design couvrant entièrement la bande Ka pour des applications satellites. / The ever-growing demand for fast and seamless connectivity shows the need of new wireless standards and technologies. Novel broadband, wide-angle scanning antennas achieving an optimal trade-off among size, gain, efficiency and costs are crucial to the development of emerging applications at millimeter waves, such as fifth-generation (5G) mobile networks and satellite communications. In this thesis, multibeam parallel-fed continuous transverse stub (CTS) array antennas are proposed as possible candidates for future mm-wave communications and are developed to tackle these requirements. The antenna architecture comprises an array of long slots, a corporate feed network based on parallel plate waveguides (PPWs) and an integrated quasi-optical beamformer. First, novel numerical models for the analysis of each subsystem and of the overall antenna, are presented, which enable an efficient and modular design of CTS antennas. These tools are exploited to derive design guidelines and assess the scanning performance. Then, novel design and technological solutions for the integration of CTS antennas in flat, low-profile multilayer modules are discussed. The design and characterization of two prototypes in LTCC technology, for 60-GHz mobile access points are presented: a fixed beam array and a switched-beam antenna with a field of view of ±40°, low SLLs and high beam overlap. Finally, planar linear-to-circular polarization converters are proposed to realize circularly polarized CTS antenna systems. A procedure to achieve an ultra-wideband, low-loss polarization conversion is outlined and a design for Ka-band satellite application is presented.

In recent years, there has been a huge increase in the use of satellite communications. This has led to a need for more capacity, which can be solved by moving towards higher frequency bands in search of higher bandwidths. However, the use of higher frequencies entails higher link losses, which makes it essential to use highly directional and steerable antennas. Traditionally, phased array antennas have been used for this kind of application. Nevertheless, they have a limitation in the maximum scan angle due to their effective aperture, which causes a gain reduction following the cosine of the scanning angle. A way of improving the scan range is to add a dielectric radome on top of the array. However, high computational times are needed to simulate this kind of structure using full-wave simulations. For this reason, the first part of this work is focused on adapting and improving an in-house Ray Tracing tool for the particular application under study. The tool computes the path the rays follow from the array to the aperture of the radome using geometric optics, then calculates the amplitude of the electric field at the aperture using ray tube theory, and finally determines the antenna’s radiation pattern using Kirchhoff’s diffraction formula. Moreover, some features have been added to the code to be able to compute the directivity, calculate the absorption and reflection losses, simulate multilayer radomes, and change the array elements’ radiation patterns. A model in Comsol has been developed to validate the results obtained using the Ray Tracing tool and all its added features. Finally, several optimizations have been carried out to increase the scanning range while maintaining a maximum height, and ensuring it complies with the regulatory masks for satellite communications. The optimizations have been performed both using a Particle Swarm Optimizer and manually. / Under de senaste åren har det skett en stor ökning av satellitkommunikations användning. Detta har lett till ett behov för högre kapacitet, vilket kan lösas genom att flytta till högre frekvensband på jakt efter högre bandbredder. Högre bandbredder innebär dock högre länkförluster som gör det oumbärligt att utnyttja rikt- och styrbara antenner. Ursprungligen har fasstyrda antenner använts för denna typ av tillämpning. Ändå finns en begränsning av den maximala skanningsvinkeln på grund av deras effektiva yta som leder till en minskning av förstärkning som är beroende på avsökningsvinkelns cosinus. För att kunna förbättra skanningsintervallen skulle man kunna lägga till en dielektrisk radom ovanpå arrayen. Höga beräkningstider krävs dock att simulera strukturen med helvågssimuleringar. Av denna anledning fokuserar den första delen av denna uppsats att anpassa och förbättra ett internt strålspårnings verktyg för den särskilda applikationen under studie. Verktyget beräknar vägen strålarna tar ifrån arrayen till radomens öppning med hjälp av geometrisk optik, därefter kalkyleras det elektriska fältets amplitud enligt strålrörsteori och till sist fastställs antennens strålningsmönster som definieras av Kirchhoffs diffraktionsformel. Dessutom har vissa funktioner lagts till i koden för att kunna beräkna riktningen, absorptions- och reflektionsförlusterna, simulera flerskiktsradomer och ändra arrayelementens strålningsmönster. En modell i Comsol har utvecklats för att validera resultaten som producerades av strålspårning verktyget och alla dess extra funktioner. Till sist, flera optimeringar har genomförts för att öka skanningsområdet som kan bibehålla en maximal höjd och säkerställa efterlevnaden med regleringsmaskerna för satellitkommunikationerna. Optimeringarna har utförts både manuellt och med hjälp av en partikelsvärmoptimerare. / En els últims anys hi ha hagut un increment majúscul en l’ús de les comunicacions per satèl·lit. Això s’ha traduït en la necessitat de més capacitat, la qual pot ser coberta si ens movem cap a bandes de freqüència més altes, buscant un major ample de banda. Tot i això, l’ús de freqüències més elevades comporta unes majors pèrdues en l’enllaç, les quals fan essencial l’ús d’antenes altament directives i amb capacitat d’escaneig. Tradicionalment, els arranjaments d’antenes de fase gradual han estat utilitzats per aquest tipus d’aplicacions. Tanmateix, tenen una limitació del màxim angle d’escaneig a causa de la seva obertura efectiva, la qual causa una reducció del guany seguint el cosinus de l’angle d’escaneig. Una manera de millorar el rang d’escaneig és afegint un radom dielèctric al damunt de l’arranjament d’antenes. No obstant això, es necessita un alt temps de computació per simular aquest tipus d’estructures amb simuladors d’ona completa. Per aquesta raó, la primera part d’aquest treball està enfocada a adaptar i perfeccionar una eina de traçat de rajos pròpia per l’aplicació en estudi. L’eina calcula el camí que els rajos segueixen des de l’arranjament d’antenes fins a l’obertura del radom utilitzant òptica geomètrica, a continuació computa l’amplitud del camp elèctric a l’obertura mitjançant la teoria del tub de rajos i finalment determina el patró de radiació de l’antena utilitzant la fórmula de difracció de Kirchhoff. Addicionalment, algunes funcions han estat afegides al codi per tal de poder computar la directivitat, calcular les pèrdues d’absorció i reflexió, simular radoms multicapa i canviar els patrons de radiació dels elements de l’arranjament. Un model en Comsol ha estat desenvolupat per tal de validar els resultats obtinguts emprant l’eina de traçat de rajos i totes les seves funcions. Finalment, vàries optimitzacions han estat dutes a terme per tal d’incrementar el rang d’escaneig mantenint una altura màxima i assegurant que es compleix amb les màscares reguladores de comunicacions per satèl·lit. Les optimitzacions han estat realitzades utilitzant tant un optimitzador per eixam de partícules com manualment.

Thesis (Master of Military Studies)-Marine Corps Command and Staff College, 2008. / Title from title page of PDF document (viewed on: Feb 2, 2010). Includes bibliographical references.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και ανάλυση των μηχανισμών συγχρονισμού που εφαρμόζονται σε ψηφιακούς δορυφορικούς δέκτες διαγραμμάτων αστερισμού πολλαπλών δακτυλίων με σκοπό την ανάπτυξη νέων τεχνικών που παρουσιάζουν βελτιωμένη απόδοση καθώς και μεθόδων αξιολόγησης της απόδοσής τους. Οι σύγχρονες τάσεις στον τομέα των ψηφιακών επικοινωνιών και συγκεκριμένα στο πεδίο των τεχνικών διαμόρφωσης και διόρθωσης σφαλμάτων, καθώς και η εντεινόμενη ανάγκη για πιο αποδοτικές εφαρμογές και υπηρεσίες μέσω δορυφορικών ζεύξεων οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων προτύπων δορυφορικών επικοινωνιών, όπως το DVB-S2, από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ΕΟΔ-ESA). Βάσει των προτύπων αυτών, απαιτούνται νέες προσεγγίσεις και τεχνικές στο σχεδιασμό δορυφορικών δεκτών. Παράλληλα, η προσέγγιση Software Defined Radio (SDR) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την απαιτούμενη προσαρμοστικότητα και ευελιξία για την υποστήριξη πολλαπλών τύπων λειτουργίας και ρυθμών συμβόλων στους σύγχρονους δέκτες. Ο συγχρονισμός σε ένα δορυφορικό δέκτη (μονού φορέα) αποτελεί μια πολύπλοκη και απαιτητική διαδικασία που αφορά την εκτίμηση των παραμέτρων της μετάδοσης, οι οποίες και ανταποκρίνονται στον πραγματικό ρυθμό συμβόλων, στη συχνότητα και φάση του φορέα μετάδοσης καθώς και στη γνώση των ορίων των πλαισίων φυσικού επιπέδου. Οι μηχανισμοί συγχρονισμού αποτελούν σημαντικό, από άποψη κρισιμότητας και απαιτήσεων σε επεξεργαστική ισχύ, τμήμα των αποδιαμορφωτών, οι οποίοι σε περίπτωση λειτουργικής αποτυχίας οδηγούν στην απώλεια της αξιοπιστίας του δέκτη. Εξαιτίας της σπουδαιότητας των μηχανισμών αυτών, η αναζήτηση αποδοτικών και υλοποιήσιμων αλγορίθμων συγχρονισμού αποτελεί σημαντική παράμετρο στον σχεδιασμό συστημάτων δεκτών. Ένα σημαντικό πρόβλημα που αρχικά αντιμετώπισε η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά την ανάπτυξη βέλτιστης αρχιτεκτονικής διαχείρισης του σήματος εισόδου IF σε ένα δέκτη SDR μέσω κατάλληλης ψηφιακής επεξεργασίας των δειγμάτων εισόδου. Σκοπός της βαθμίδας είναι να υποβιβάσει το φάσμα του ψηφιακού σήματος εισόδου IF στη βασική ζώνη, υπολογίζοντας τις αντίστοιχες συνιστώσες του σήματος βασικής ζώνης. Περιορισμό στο πρόβλημα, αποτελεί η μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας του κυκλώματος ψηφιοποίησης. Η λύση που προτείνεται αντιμετωπίζει τις παραπάνω συνθήκες με μια νέα αρχιτεκτονική που βασίζεται σε δύο βαθμίδες μετατόπισης συχνότητας, μια σταθερής και μια προγραμματιζόμενης συχνότητας. Η προγραμματιζόμενη οδηγείται από την εκτίμηση του σφάλματος μετατόπισης συχνότητας που πραγματοποιείται σε επόμενο στάδιο επεξεργασίας του σήματος βασικής ζώνης. Το πλεονέκτημα της αρχιτεκτονικής αυτής, είναι η διπλάσια ακρίβεια στη ρύθμιση της συχνότητας σε σχέση με την κλασική προσέγγιση για δεδομένη συχνότητα δειγματοληψίας και αριθμό bits στον καταχωρητή συσσώρευσης φάσης του ταλαντωτή. Τέλος, ο παραπάνω υποβιβαστής προορίζεται για χρήση σε δέκτες SDR με χρήση μετατροπέων σήματος (ADC) περιορισμένης συχνότητας δειγματοληψίας. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, μελετήθηκε ο μηχανισμός ανάκτησης χρονισμού συμβόλου (Symbol Timing Recovery - STR) που υλοποιείται με τη χρήση κλειστού βρόχου δεύτερης τάξης και βασίζεται στο σήμα ενός ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού (Timing Error Detector - TED). Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του βρόχου, όπως ο χρόνος και η ποιότητα σύγκλισης, καθορίζονται από τις τιμές του κέρδους των δύο κλάδων του φίλτρου του βρόχου πρώτης τάξης τύπου P-I (Proportional-Integral) που αποτελεί μια ευρέως διαδεδομένη λύση για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές συγχρονισμού. Αφού περιγράφηκε και αναλύθηκε η γενικευμένη μεθοδολογία παραμετροποίησης του βρόχου, στη συνέχεια δόθηκε έμφαση σε βρόχους που αξιοποιούν τον ανιχνευτή Gardner. Τα χαρακτηριστικά ανεξαρτησίας του από τις τιμές των συμβόλων που χρησιμοποιεί καθώς και του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας, τον καθιστούν μια αξιόπιστη λύση για τον συγχρονισμό συμβόλων πριν από το συγχρονισμό συχνότητας σε ψηφιακούς δέκτες. Κάνοντας χρήση της ανάλυσης αυτής και λόγω της υστέρησης των διαγραμμάτων πολλαπλών δακτυλίων τύπου M-APSK, ως προς την απόδοση του κλειστού βρόχου ανάκτησης χρονισμού συμβόλου, σε σχέση με τα διαγράμματα μονού δακτυλίου ίδιας μέσης ενέργειας, η διατριβή προτείνει μια παραλλαγή του τυπικού βρόχου για τη βελτίωση της συμπεριφοράς τους. Η αυξημένη διακύμανση στο σήμα εισόδου του ανιχνευτή λόγω της εναλλαγής των συμβόλων διαφορετικού πλάτους στην είσοδο του ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού αποτελεί την κύρια αιτία για την αυξημένη διακύμανση κατά την παρακολούθηση του σφάλματος χρονισμού από τις δομές τέτοιων βρόχων. Η προσέγγιση που προτείνεται, βασίζεται στην εισαγωγή μιας υπομονάδας στον τυπικό βρόχο που προσαρμόζει τα πλάτη των συμβόλων όλων των δακτυλίων σε ένα δακτύλιο αναφοράς πριν την εισαγωγή τους στον ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού. Επίσης κάνει χρήση του τοπικού ρολογιού του βρόχου με στόχο τη ρύθμιση του πλάτους συγκεκριμένων δειγμάτων του σήματος εισόδου και χωρίς να επηρεάζει τα πλάτη των συμβόλων που εισάγονται στο προσαρμοσμένο φίλτρο εξόδου. Η εφαρμογή της υπομονάδας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του θορύβου κατά την παρακολούθηση του σφάλματος μετά την αρχική σύγκλιση του βρόχου, γεγονός που μεταφράζεται στη μείωση της τυπικής απόκλισης του σφάλματος εκτίμησης του χρονισμού σε σύγκριση με τον τυπικό βρόχο. Η απόδοση των βαθμίδων συγχρονισμού καθορίζεται συνήθως με βάση εσωτερικές παραμέτρους οι οποίες και επηρεάζονται σημαντικά από την αρχιτεκτονική του εκάστοτε μηχανισμού, την παράμετρο εκτίμησης καθώς και την κατάσταση λειτουργίας του μηχανισμού. Η διατριβή αξιοποιώντας την ύπαρξη πολλαπλών δακτυλίων στα διαγράμματα αστερισμού της μεθόδου διαμόρφωσης προτείνει ένα νέο ενιαίο μέγεθος εκτίμησης της απόδοσης των βαθμίδων συγχρονισμού σε δέκτες διαγραμμάτων πολλαπλών δακτυλίων M-APSK. Σημαντικό πλεονέκτημα του μέγεθος αποτελεί η αποκλειστική χρήση του σήματος εξόδου των βαθμίδων συγχρονισμού μέσω κατάλληλης επεξεργασίας (των παραγόμενων τιμών συμβόλων), παρέχοντας τη δυνατότητα στο μέγεθος να χρησιμοποιηθεί σε συνθήκες μετατόπισης συχνότητας/φάσης φορέα και/ή σφάλματος στο χρονισμό συμβόλου. Ένα άλλο πλεονέκτημα του παραπάνω μεγέθους σχετίζεται με το γεγονός ότι δεν είναι αναγκαία η γνώση των μεταδιδόμενων συμβόλων, σε αντίθεση με αντίστοιχα μεγέθη απόδοσης που χρησιμοποιούνται στην έξοδο των αποδιαμορφωτών, όπως το Error Vector Magnitude (EVM). Η μαθηματική ανάλυση της μέσης τιμής του μεγέθους σε συνθήκες προσθετικού λευκού προσθετικού θορύβου (AWGN) που παρουσιάζεται στη διατριβή αυτή αφορά τόσο την περίπτωση όπου ο δέκτης γνωρίζει τον δακτύλιο προέλευσης των λαμβανομένων συμβόλων, όσο και την περίπτωση όπου ο δέκτης αγνοεί τον δακτύλιο προέλευσης των λαμβανομένων συμβόλων και υπολογίζει το μέγεθος σύμφωνα με τον πλησιέστερο σε αυτά δακτύλιο. Το δεύτερο από τα παραπάνω σενάρια αφορά ρεαλιστικά συστήματα δεκτών όπου η πληροφορία του δακτυλίου προέλευσης των συμβόλων λήψης δεν είναι διαθέσιμη. Και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις, αποδεικνύεται μια σταθερή σχέση του προτεινόμενου μεγέθους με το λόγο των ισχύων συμβόλου και θορύβου AWGN (Es/No). Βάσει των παραπάνω χαρακτηριστικών, το προτεινόμενο μέγεθος είναι σε θέση να αξιοποιηθεί για την εκτίμηση των συνθηκών στο κανάλι υπό συνθήκες λευκού Gaussian θορύβου μέσω επεξεργασίας του σήματος εξόδου από τον βρόχο STR ο οποίος αποτελεί συνήθως και τον πρώτο μηχανισμό συγχρονισμού σε ψηφιακούς δέκτες δορυφορικών επικοινωνιών. Αξίζει να σημειωθεί ότι η εκτίμηση των συνθηκών αυτών είναι εφικτή ακόμα και υπό συνθήκες σημαντικού παραμένοντος σφάλματος στη συχνότητα του φορέα. Η σπουδαιότητα της εκτίμησης αυτής έγκειται στο γεγονός ότι μπορεί να αξιοποιηθεί από τις ακόλουθες βαθμίδες συγχρονισμού (συχνότητας φορέα και φάσης) για την κατάλληλη προσαρμογή και επιτάχυνση των λειτουργιών τους. Μία δεύτερη μορφή αξιοποίησης του μεγέθους αποτελεί και η εκτίμηση-διόρθωση μεγάλων αποκλίσεων στη συχνότητα του φορέα κάνοντας χρήση προς επεξεργασία παραγόμενων, από το συγκεκριμένο βρόχο, σημάτων. Τα σήματα αυτά σχετίζονται με την είσοδο και την έξοδο του προσαρμοσμένου φίλτρου του βρόχου STR. Ο έλεγχος της απόκλισης στη συχνότητα του φορέα στο συγκεκριμένο σημείο επεξεργασίας των ψηφιακών δεκτών κάτω από συγκεκριμένα όρια, είναι ιδιαίτερα κρίσιμος καθώς επηρεάζει σημαντικά την απόδοση και αποτελεσματικότητα των ακόλουθων βαθμίδων συγχρονισμού. Στο τελικό στάδιό της, η διατριβή αναλύει και παρουσιάζει την υλοποίηση ενός πλήρους αποδιαμορφωτή SDR τεχνολογίας DVB-S2 σε πλατφόρμα επαναπρογραμματιζόμενης λογικής που συνδυάζει κυκλώματα υλικού και λογισμικού (FPGA, DSP). O αποδιαμορφωτής υποστηρίζει τα διαγράμματα μονού (QPSK/8PSK), διπλού (16APSK) και τριπλού (32APSK) δακτυλίου, ενώ αποτελεί τμήμα ενός συνολικού δέκτη DVB-S2 που υλοποιεί όλες τις λειτουργίες, από τη διαχείριση του σήματος εισόδου ΙF μέχρι την προώθηση της ανακτώμενης ψηφιακής πληροφορίας σε τοπικό δίκτυο GbE-LAN. Στην υλοποίηση του αποδιαμορφωτή περιλαμβάνεται η υλοποίηση σε κύκλωμα FPGA του προτεινόμενου υποβιβαστή συχνότητας IF, η υλοποίηση σε DSP του βρόχου STR (βάσει του ανιχνευτή Gardner) και όλων των υπόλοιπων μηχανισμών συγχρονισμού που είναι απαραίτητοι για τη σωστή αποδιαμόρφωση του σήματος εισόδου. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι: συγχρονισμός πλαισίου, συγχρονισμός συχνότητας και φάσης φορέα καθώς και κανονικοποίηση πλάτους πριν την αντιστοίχιση των bits. Επίσης δίνονται πληροφορίες για την υλοποίηση των μηχανισμών αντιστοίχισης (Demapping), διόρθωσης σφαλμάτων (FEC - LDPC/BCH) καθώς και του μηχανισμού διαχείρισης και προώθησης (BBFRAME Processing) της ανακτώμενης πληροφορίας προς τη διεπαφή τοπικού δικτύου του δέκτη DVB-S2. / The objective of this thesis is the analysis and study of the synchronization mechanisms performed by digital satellite terminal receivers when multiple ring constellation diagrams are used. The aim of this thesis is to develop new synchronization techniques that exhibit improved performance and to also propose new methods and ways for evaluating the effectiveness of such receiver submodules. The new trends in the field of digital communications systems and, especially, in modulation and error coding techniques, along with the increasing demand for more effective and interactive applications and services through limited satellite links, have initiated the development of new satellite communications standards. The newest standard is DVB-S2, by the European Space Agency (ESA), in which modern and up-to-date techniques for the design of satellite terminal receiver are required. Meanwhile, the Software Defined Radio (SDR) technology comprises a promising implementation approach as it incorporates the necessary flexibility and versatility for supporting various functionalities and rates into modern receiver structures. Synchronization functions of satellite receivers are complicated and demanding procedures that are related to the estimation of transmission parameters, which correspond to the nominal symbol rate, carrier frequency, phase and to the boundaries of the physical layer frames. These functions determine the complexity and performance of receiver realizations. Thus developing more efficient and simple, in terms of implementation complexity, algorithms and mechanisms is a key objective in such processing platforms. A significant problem that was encountered during the research for the present thesis, was the design and implementation of an efficient digital IF down-converter architecture that is able to manipulate the input IF signal of an SDR receiver through proper processing of its digital input sample stream. The objective of this unit is the shifting of the IF input signal to baseband and the generation of the corresponding baseband I, Q signals. A usual limitation in such realizations is the maximum sampling frequency of front-end ADC circuits. The presented solution addresses this constraint with an architecture that is based on two cascaded units of frequency down-conversion, one with fixed and one with programmable frequency. The programmable unit is driven by the frequency offset estimations of a following baseband processing stage. The advantage of this architecture is the double precision that is achieved compared to the typical approach and for a given sampling frequency. It is worth mentioning that the frequency converter is intended for use in SDR receivers utilizing ADC circuits of moderate sampling frequency. Additionally, in the framework of this thesis, the Symbol Timing Recovery (STR) mechanism based on a second order feedback loop driven by the signal of a timing error detector (TED), was studied and analyzed. The fundamental characteristics of such a control loop, mainly the duration and quality of the initial acquisition are defined through the gain value of the two paths included into the first order loop filter (Proportional-Integral, P-I). This structure comprises a usual approach for communications applications. Conforming to this general analysis for the configuration and the design of the feedback loop, the thesis focuses on the feedback loop incorporating the Non-Data-Aided (NDA) Gardner TED. Using the above analysis and due to the fact that multiple ring constellation diagrams exhibit insufficient performance in such closed loops in comparison to the single ring counterparts of the same mean energy, this thesis proposes a modification of the typical loop deploying the Gardner TED that improves its performance. The increased variance of the input signal of the TED that stems from the changes of symbols with variable magnitude comprises the main reason for the increased variance during the tracking of the timing error in such loop structures. The proposed approach is based on the insertion of a subunit inside the loop structure that adjusts the symbol magnitudes of all rings to a reference magnitude before they are fed into the Gardner TED logic. The above subunit makes use of the internally generated clock of the loop in order to control the magnitude of specific signal samples and does not affect the sample stream at the matched filter input. The application of the specific subunit has the advantage of minimizing the noise during the tracking operation of the loop, which leads to the decrease of the standard deviation of the estimation error when compared to the typical loop structure. The performance of synchronization mechanisms is usually evaluated based on internal parameters that are strongly related to the utilized architecture, the estimated parameter and the operational status of the specific mechanism. The present thesis exploits the use of multiple ring constellation diagrams in modulation process and proposes a generic and new `figure of merit' that is able to determine the performance of various synchronization mechanisms that are incorporated into multiple ring constellation (M-APSK) receivers. A significant advantage of this metric is that it solely based on the processing of the signal at the mechanism's output (extracted symbol values) which enables the utilization of this metric in the presence of frequency, phase and symbol rate offset errors. Another advantage of the proposed metric is that it does not require any knowledge on the transmitted symbols, in contrast to other widely used performance metrics that are applied at the demodulator output, such as the Error Vector Magnitude (EVM) e.t.c. The mathematical analysis of the mean value of the metric under additive white Gaussian noise (AWGN) that is exhibited in this document, includes the theoretical and practical cases. In the first, the receiver is aware of the ring derivation of received symbols, whereas in the second case this information is absent and the receiver determines the metric according to the nearest ring for each symbol. The second case corresponds to realistic receiver realizations. As is shown, in both cases there is a fixed relation between the proposed metric and the commonly used performance metric ratio Es/No for AWGN channels. According to the characteristics described above, the proposed metric can be utilized for the estimation of channel condition under additive white Gaussian noise. This is accomplished through the processing of the STR output signal (symbol values) which usually comprises the first synchronization mechanism in digital satellite terminal receivers. It is worth mentioning that the channel estimation is feasible even under significant carrier frequency offset errors. The significance of the above process is related to the fact that this estimation can be exploited by the following synchronization subunits (of carrier frequency and phase) of the receiver in order to properly adjust and make their operations faster. A second application of the proposed metric is the recovery of large frequency offset errors by processing the signal at the input and the output of the matched filter of the previously mentioned STR structure. The control of frequency offset errors at such point of the receiver processing chain under specific limits, is critical as it strongly affects the performance and efficiency of the following synchronization mechanisms. Finally, this thesis analyzes and presents the implementation of a complete SDR IF demodulator that is compliant to DVB-S2 technology and is based on a reconfigurable hardware platform. This platform incorporates hardware (FPGA) and software (DSP) circuits in a unified environment. The IF demodulator supports single (QPSK/8PSK), two (16APSK) and three (32APSK) ring constellations and comprises a significant part of a full receiver implementation that includes all the necessary functions ranging from the manipulation of the input IF signal to the forwarding of the recovered user information to a Gigabit Ethernet (GbE) LAN. In addition, the IF demodulator implementation includes the hardware realization of the IF digital down-converter into an FPGA device and the software realization of the remaining synchronization procedures starting from the STR into the available DSP processors of the reconfigurable platform. The other necessary procedures for the proper demodulation of the input signal, are: frame synchronization, carrier frequency/phase recovery and amplitude normalization. Furthermore, information is also given on the implementation of the corresponding demapping, error correction and LAN interfacing procedures that are performed in the following processing stages of the DVB-S2 receiver.

De nombreuses applications civiles et militaires (faisceaux hertziens, futurs réseaux mobiles, communications par satellite, radars automobiles, systèmes d’imagerie haute résolution) nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceaux multiples, faisceaux formés). Les antennes à réseaux transmetteurs apparaissent comme une alternative aux réseaux phasés classiques ou aux réseaux réflecteurs pour ces applications. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité de réseaux reconfigurables fabriqués avec des technologies standards en bande Ka (20-30 GHz). Divers cellules élémentaires utilisant des diodes p-i-n et fonctionnant en polarisation linéaire ou circulaire ont été conçues, optimisées et caractérisées. Les mesures en guide d’onde montrent des pertes minimales de 1,09 dB à 29,0 GHz et une bande passante à 3 dB de 14,7%. Une méthode de simulation hybride a été développée afin d’analyser efficacement des réseaux de grandes dimensions utilisant des rotations séquentielles d’éléments pour optimiser la qualité de polarisation et les diagrammes de rayonnement. Un réseau de 400 cellules élémentaires fonctionnant en polarisation circulaire a été réalisé et testé en chambre anéchoïque. Un dépointage électronique de ±60° et la possibilité de commuter entre les deux polarisations circulaires (droite/gauche) ont été démontrés. / Several civil and military applications (hertzian beams, satellite communications, automotive radars, high resolution imaging systems) require antennas with reconfigurable beam capabilities (beam-scanning, beamshaping, multiple beam generation). Transmitarray antennas are good candidates and represent an alternative to classical phased arrays or reflect-arrays for these applications. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of reconfigurable transmitarrays fabricated with standard technologies in Ka-band (20-30 GHz). Different unit-cell designs based on p-i-n diodes have been developed to work in linear and circular polarization. Their optimization and experimental characterization have been performed. Waveguide measurements show insertion losses of 1.09 dB at 29.0 GHz with a 3-dB bandwidth of 14.7%. A hybrid simulation technique has been developed in order to analyze efficiently large transmitarrays in which the sequential rotation technique has been applied to optimize the polarization quality and the radiation patterns. A 400-elements transmitarray operating in circular polarization has been realized and tested in anechoic chamber. A beam-scanning angular coverage of ±60° and circular polarization selection (left/right) have been demonstrated.