En els darrers quinze anys la velocitat de bit dels sistemes de comunicació ionosfèrica s'ha incrementat significativament, passant dels 75 bps als 14400 bps en un ample de banda de 3 KHz. Les millores experimentades en el modelatge i simulació de canal, el desenvolupament dels sistemes ALE i l'aplicació de tècniques digitals (software radio, modulacions de banda ampla, etc.) són, entre altres, alguns dels motius que han permès aquest increment en les prestacions dels equips, fent-los aptes per comunicacions de llarga distància amb requeriments de velocitat de bit moderada.En particular, la propagació ionosfèrica és una tècnica especialment interessant per enllaços des de l'Antàrtida, on la comunicació amb satèl·lits geostacionaris no és sempre possible.El Departament de Comunicacions i Teoria del Senyal de l'Escola d'Enginyeria La Salle (Universitat Ramon Llull) està involucrat, juntament amb l'Observatori de L'Ebre, en un projecte de recerca que té per objectiu l'estudi de l'enllaç ionosfèric que s'estableix entre la Base Antàrtica Espanyola i Roquetes. L'enllaç, que té una longitud de més de 12700 quilòmetres, ha de servir per transmetre les dades procedents d'un sensor geomagnètic situat a la Base, cap a l'Observatori.Aquesta tesi estudia diversos aspectes d'aquest projecte, principalment pel que fa a la caracterització de canal i al disseny de la capa física adaptada per transmissió eficient de dades.En referència a la caracterització de canal es mostren els resultats d'una campanya de 60 dies de sondeig duta a terme durant l'estiu austral 2006/07 en la que s'han realitzat proves de banda estreta i banda ampla per tal d'obtenir, entre altres, la disponibilitat de l'enllaç, relació senyal a soroll i dispersió temporal i freqüencial.En l'àmbit de la transmissió de dades es proposa, justifica i verifica experimentalment una part d'una capa física basada en espectre eixamplat per seqüència directa especialment adaptada a enllaços a llocs remots: (i) Sense atribució de freqüències; (ii) Amb potència de transmissió relativament baixa; (iii) Infraestructura de radiació limitada. La proposta contempla el funcionament amb relacions SNR negatives, dispersió temporal i freqüencial moderada, robustesa a la interferència i baixa densitat espectral de potència. / En los últimos quince años la velocidad de bit de los sistemas de comunicación ionosférica se ha incrementado significativamente, pasando de los 75 bps a los 14400 bps en un ancho de banda de 3 kHz. Las mejoras experimentadas en el modelado y simulación del canal, el desarrollo de los sistemas ALE y la aplicación de técnicas digitales (software radio, modulaciones de banda ancha, etc.) son, entre otros, algunos de los motivos que han permitido este incremento en las prestaciones de los equipos, haciéndolos aptos para comunicaciones de larga distancia con requerimientos de velocidad de bit moderada.En particular, la propagación ionosférica es una técnica especialmente interesante para enlaces desde la Antártida, donde la comunicación con satélites geostacionarios no es siempre posible.El Departamento de Comunicaciones y Teoría de la Señal de la Escuela de Ingeniería La Salle (Universidad Ramon Llull) está involucrado, junto al Observatorio del Ebro, en un proyecto de investigación que tiene por objetivo el estudio del enlace ionosférico que se establece entre la Base Antártica Española y Roquetes. El enlace, que tiene una longitud de más de 12700 kilómetros, debe servir para transmitir los datos procedentes de un sensor geomagnético situado en la Base, hacia el Observatorio.Esta tesis estudia varios aspectos de este proyecto, principalmente por lo que respecta a la caracterización del canal y al diseño de la capa física adaptada para la transmisión eficiente de datos.En lo referente a la caracterización del canal se muestran los resultados de una campaña de 60 días de sondeo llevada a cabo durante el verano austral 2006/07 en la que se han realizado pruebas de banda estrecha y banda ancha para obtener, entre otros, la disponibilidad del enlace, relación señal a ruido y dispersión temporal y frecuencial.En el ámbito de la transmisión de datos se propone, justifica y verifica experimentalmente una parte de una capa física basada en espectro ensanchado por secuencia directa especialmente adaptada a enlaces a lugares remotos: (i) Sin atribución de frecuencias; (ii) Con potencia de transmisión relativamente baja; (iii) Infraestructura de radiación limitada. La propuesta contempla el funcionamiento con relaciones SNR negativas, dispersión temporal y frecuencial moderada, robustez a la interferencia y baja densidad espectral de potencia. / In the last fifteen years the data rate of the ionospheric communication systems has increased significantly from 75 bps to 14400 bps in a 3 KHz bandwidth. The improvements achieved in the field of channel modeling and simulation, ALE systems and the application of digital techniques (e.g. software radio, wideband modulations, etc.) have permitted the design of new equipment with better performance. As a result, the establishment of low power, very long radio links with moderate data rate has become feasible.In special, the ionospheric propagation technique is very appropriate for radio links from the Antarctica, where the communication to geostationary satellites is not always possible.The Communications and Signal Theory Department of La Salle School of Engineering (Universitat Ramon Llull) and the Observatori de l'Ebre are involved in a research project dealing with the study of an ionospheric radio link between the Spanish Antarctic Base and Roquetes. The link is 12700 Km. long and is going to be used to transmit the low data rate information from a geomagnetic sensor installed in the Spanish Antarctic Base.This thesis has been carried out in the framework of this project, and its goals are related to the channel characterization and the partial design of a physical layer adapted to an efficient transmission of information over that link.Regarding the channel characterization, the results of a 60-days sounding survey corresponding to the 2006/07 southern summer are shown. These results include, among others, link availability, signal to noise ratio and delay and Doppler spread.In the field of data transmission a new physical layer is proposed and experimentally verified, on the basis of the channel measurements and adapted to the requirements and the special conditions in the Antarctica. This physical layer is based on direct sequence spread spectrum and his main characteristics are: (i) Intended for an HF communication without a fixed frequency allocation; (ii) Low emitted power; (iii) Simple radiation infrastructure. The proposal takes into account the operation with negative signal to noise ratios, moderate delay and Doppler spreads, robustness against interference and low power spectral density.

L'estructura multiresolutiva proposada per Moran [1] té com a objectiu obtenir l'equilibri entre el cost computacional de l'adquisició sèrie i l'eficiència de l'adquisició paral•lela en sistemes d'espectre eixamplat de seqüència directa. L'adquisició i el posterior tracking són dos processos clau en la desmodulació del senyal d'espectre eixamplat, puix que sense una correcta sincronització aquesta és inviable. L'estructura multiresolutiva mostrà en la seva primera proposta un bon comportament en un canal ionosfèric de 800km [2], però el problema al que s'enfronta ara és més complex. Un canal ionosfèric des de l'Antàrtida a Catalunya, d'una longitud de 12700km, amb unes condicions de canal més agreujades per la distància i la variabilitat horària de la ionosfera en el trajecte de les ones. És amb aquest objectiu que aquest treball de tesi presenta millores a aquest algorisme d'adquisició i de seguiment amb els ulls posats en el problema a resoldre. S'han dissenyat seqüències PN adaptades a les necessitats de l'estructura multiresolutiva usant estratègies evolutives [3,4] i algorismes genètics [5], demanant a les seqüències pseudoaleatòries l'acompliment de més requisits que els originals de les seqüències PN. D'altra banda, també s'ha dissenyat un sistema d'estimació de la qualitat de l'adquisició i de control basat en lògica difusa [6], que permeti donar garanties de la robustesa de l'adquisició i alhora, millorar les prestacions de l'estructura reduint-ne el cost computacional. Finalment, s'ha realitzat un refinament del funcionament de l'estructura multiresolutiva, ajustant-ne els paràmetres d'aprenentatge dels filtres adaptatius de la mateixa per al canal ionosfèric i afegint-li la prestació de funcionar com a detector RAKE, que millora la qualitat de les dades desmodulades. Aquests nous dissenys i millores han estat contrastats amb l'estructura multiresolutiva original [1] i amb d'altres algorismes d'adquisició adaptatius basats en filtres LMS [7,8] i s'ha demostrat que les aportacions realitzades en aquest treball permeten obtenir un millor rendiment en les condicions de transmissió abordades. [1] J. A. Morán. Sistema ràpid d’adquisició per transmissió DS-SS sobre canal ionosfèric. Tesi Doctoral, Enginyeria i Arquitectura La Salle. Universitat Ramon Llull, Barcelona (Espanya), 2001. [2] J.A. Morán, J.C. Socoró, X. Jové, J.L. Pijoan i F. Tarrés. Multiresolution Adaptive Structure for acquisition in DS-SS receivers. International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). Salt Lake City (EUA), 2001. [3] I. Rechenberg. Evolutionsstrategie: Optimierung technischer Systeme nach Prinzipiender biologischen Evolution. Frommann-Holzboog, Alemanya, 1973. [4] H.P. Schwefel. Evoluitonsstrategie und numerische Optimierung. Tesi Doctoral, Technische Universitat Berlin, Berlin (Alemanya), 1975. [5] D. E. Goldberg. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989. [6] L.A. Zadeh. Fuzzy Sets. IEEE Trans. on Information and Control, 8:338–353, 1965. [7] M.G. El-Tarhuni. Application of Adaptive Filtering to Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Synchronization. Tesi Doctoral, Carleton University, 1997. [8] M. Han, T. Yu, C. Kang i D. Hong. A New Adaptive Code-Acquisition Algorithm Using Parallel Subfilter Structure. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 55(6):1790–1796, Novembre 2006. / La estructura multiresolutiva propuesta por Moran [1] tiene como objetivo obtener el equilibrio entre el coste computacional de la adquisición serie y la eficiencia de la adquisición paralela en sistemas de espectro ensanchado de secuencia directa. La adquisición y el posterior tracking son dos procesos clave en la demodulación de la señal de espectro ensanchado, puesto que sin una correcta sincronización ésta es inviable. La estructura multiresolutiva mostró en su primera propuesta un buen comportamiento en un canal ionosférico de 800km [2], pero el problema al que se enfronta ahora es más complejo. Un canal ionosférico desde la Antártida a Catalunya, con una longitud de 12700km, con unas condiciones de canal más agravadas por la distancia y la variabilidad horaria de la ionosfera en el trayecto de las ondas. Con este objetivo, este trabajo de tesis presenta mejoras a este algoritmo de adquisición y de seguimiento con la mirada puesta en el problema a resolver. Se han diseñado secuencias PN adaptadas a las necesidades de la estructura multiresolutiva usando estrategias evolutivas [3,4] y algoritmos genéticos [5], pidiendo a las secuencias pseudoaleatorias más requisitos que los habituales en las secuencias PN. Por otro lado, también se ha diseñado un sistema de estimación de la calidad en la adquisición y de control basado en lógica difusa [6], que permita dar garantías de la robustez en la adquisición y a su vez, mejorar las prestaciones de la estructura reduciendo el coste computacional. Finalmente, se ha realizado un ajuste del funcionamiento de la estructura multiresolutiva, ajustándose los parámetros de aprendizaje de los filtros adaptativos para el canal ionosférico y añadiendo la prestación de funcionar como detector RAKE, que mejora la calidad de los datos demodulados. Estos nuevos diseños y mejoras se han contrastado con la estructura multiresolutiva original [1] y con otros algoritmos de adquisición adaptativos basados en filtros LMS [7,8] y se ha demostrado que las aportaciones realizadas en este trabajo permiten obtener un mejor rendimiento en las condiciones de transmisión abordadas. [1] J. A. Morán. Sistema ràpid d’adquisició per transmissió DS-SS sobre canal ionosfèric. Tesis Doctoral, Enginyeria i Arquitectura La Salle. Universitat Ramon Llull, Barcelona (España), 2001. [2] J.A. Morán, J.C. Socoró, X. Jové, J.L. Pijoan i F. Tarrés. Multiresolution Adaptive Structure for acquisition in DS-SS receivers. International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). Salt Lake City (EUA), 2001. [3] I. Rechenberg. Evolutionsstrategie: Optimierung technischer Systeme nach Prinzipiender biologischen Evolution. Frommann-Holzboog, Alemanya, 1973. [4] H.P. Schwefel. Evoluitonsstrategie und numerische Optimierung. Tesis Doctoral, Technische Universitat Berlin, Berlin (Alemanya), 1975. [5] D. E. Goldberg. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989. [6] L.A. Zadeh. Fuzzy Sets. IEEE Trans. on Information and Control, 8:338–353, 1965. [7] M.G. El-Tarhuni. Application of Adaptive Filtering to Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Synchronization. Tesis Doctoral, Carleton University, 1997. [8] M. Han, T. Yu, C. Kang i D. Hong. A New Adaptive Code-Acquisition Algorithm Using Parallel Subfilter Structure. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 55(6):1790–1796, Noviembre 2006. / The multiresolutive structure proposed by Moran [1] attempts to reach a compromise between the computational cost of serial acquisition schemes and acquisition efficiency of parallel systems in direct-sequence spread spectrum acquisition. Acquisition and subsequent tracking are two key processes in the signal demodulation, since without proper synchronization demodulation is impossible. The multiresolutive structure in Moran’s first proposal showed a good performance on an ionospheric channel of 800km [2], but the problem we face now is more complex. A ionospheric radio channel from the Antarctica to Catalonia, 12700km in length, with worsen channel conditions due to distance and time variability of the ionosphere along the paths of the radio waves. This thesis presents improvements to this algorithm acquisition and tracking system in the aim of facing those hard channel conditions. PN sequences are designed to satisfy the needs of the multiresolutive structure [ABM05, AFSB07] using evolutionary strategies [3, 4] and genetic algorithms [5], through adding more requirements than is usually demanded. On the other hand, a fuzzy logic [6] control block has been implemented to estimate the quality of acquisition and control, evaluate the robustness of the acquisition and improve the performance of the structure by reducing its computational load. Finally, the multiresolutive structure has been adjusted, setting new values for the adaptive filter convergence parameters that refer to the ionospheric radio channel and improving the demodulated data using a RAKE detector. The new multiresolutive structure has been compared to the original multiresolutive structure [1] and to other LMS-based adaptive acquisition algorithms [7,8]. The results show that the new multiresolutive structure is competitive when comparing the original structure and also in relation to other adaptive acquisition algorithms found in state-of-the-art. [1] J. A. Morán. Sistema ràpid d’adquisició per transmissió DS-SS sobre canal ionosfèric. PhD Thesis, Enginyeria i Arquitectura La Salle. Universitat Ramon Llull, Barcelona (Espanya), 2001. [2] J.A. Morán, J.C. Socoró, X. Jové, J.L. Pijoan i F. Tarrés. Multiresolution Adaptive Structure for acquisition in DS-SS receivers. International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). Salt Lake City (EUA), 2001. [3] I. Rechenberg. Evolutionsstrategie: Optimierung technischer Systeme nach Prinzipiender biologischen Evolution. Frommann-Holzboog, Alemanya, 1973. [4] H.P. Schwefel. Evoluitonsstrategie und numerische Optimierung. Tesi Doctoral, Technische Universitat Berlin, Berlin (Alemanya), 1975. [5] D. E. Goldberg. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989. [6] L.A. Zadeh. Fuzzy Sets. IEEE Trans. on Information and Control, 8:338–353, 1965. [7] M.G. El-Tarhuni. Application of Adaptive Filtering to Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Synchronization. PhD Thesis, Carleton University, 1997. [8] M. Han, T. Yu, C. Kang i D. Hong. A New Adaptive Code-Acquisition Algorithm Using Parallel Subfilter Structure. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 55(6):1790–1796, November 2006.