Red Pitaya trabalhando na Antártida

Existe algum lugar no mundo onde você possa ir sem se deparar com uma placa Red Pitaya? Alguém certamente começa a se perguntar, depois de ler o artigo Sensing System for Remote Areas in Antarctica (J. Porte et al., 2020). A Antártida é tão remota quanto possível, mas, apesar disso, o continente não tem falta de bases científicas e sondas de medição. E embora a transmissão de dados, junto com a Internet das Coisas em crescimento exponencial, tenha se tornado algo que tomamos como garantido em grande parte do mundo, a rede de fibra óptica no Polo Sul ainda precisa de algum trabalho.

A comunicação via satélite parece a solução óbvia quando não há linhas fixas disponíveis, embora seja bastante cara, mesmo sem mencionar a questão da dependência do operador. Uma abordagem mais barata e autônoma é a transmissão HF, onde as ondas de rádio são refletidas pela ionosfera — as camadas superiores da atmosfera, ionizadas pela radiação UV solar. Essa tecnologia permite a transmissão de sinais sem linha de visão em distâncias de até 3.000 km para ângulos de incidência menores que 70°. Se a geografia forçar você a transmitir com ângulos de incidência entre 70° e 90° (Near Vertical Incidence Skywave, ou NVIS), essa distância cai drasticamente para cerca de 250 km, levando em consideração uma altitude máxima da ionosfera de 350 km (veja a figura abaixo).

Mas a tecnologia usada não é o único desafio em regiões remotas. O fornecimento de energia é outro problema, pois dispositivos alimentados por bateria precisam ser usados, muitas vezes sem a possibilidade de incluir painéis solares para autonomia máxima. E assim que você começa a considerar baterias, você automaticamente pensa em reduzir o consumo de energia ao mínimo absoluto para estender o tempo de execução e minimizar o tamanho do equipamento. Além do consumo de energia, um

segundo parâmetro-chave na transmissão HF é o design e as dimensões da antena.

O artigo acima mencionado de J. Porte et al. descreve um experimento específico, retransmitindo um sinal HF na Ilha Livingston durante a campanha antártica espanhola de 2018-2019, onde um banco de testes NVIS foi criado entre a geleira Rockie e o acampamento base espanhol a uma distância de 5,7 km. O objetivo principal do experimento era testar a influência da potência de transmissão, frequência portadora, hora do dia, largura de banda e esquema de modulação no desempenho do link NVIS, exigindo uma plataforma SDR completamente configurável. A situação geográfica, incluindo as localizações dos nós e o perfil de elevação, pode ser vista nas figuras abaixo.

O layout do sistema, mostrado abaixo, revela um design de espelho com componentes COTS onde a configuração pode ser usada como um transmissor e receptor, com uma placa Red Pitaya bem no centro. Lá, ela cuida do oversampling de sinais de banda base no modo transmissor, bem como do downsampling do sinal portador de HF no modo receptor. O segundo componente principal é um microprocessador Raspberry Pi 3 para interação com todos os periféricos.

Conforme observado acima, o segundo parâmetro-chave na transmissão HF é o design da antena. Para este experimento, uma antena V invertida foi usada, incluindo um mastro central e um ganho de 2dB.

No modo de transmissão, o Raspberry envia quadros IQ para a placa Red Pitaya e notificações para o módulo Teensy (o microcontrolador responsável pelo amplificador de sinal de controle e relé de antena). Este sinal ativa o modo transmissor Teensy, ligando o amplificador e comutando o relé da antena para o amplificador de potência. Finalmente, o módulo GPS fornece sincronização de tempo entre o transmissor e o receptor para fins de sondagem. No modo receptor, o Red Pitaya reduz a amostragem do sinal de captação do amplificador de baixo ruído, após o qual o Raspberry Pi 3 armazena amostras IQ no disco rígido. O sistema foi otimizado para operação a 4.3 MHz durante o dia, uma vez que a ionosfera é mais eficaz entre 12:00 UTC e 19:00 UTC.

Os testes de transmissão de energia mostraram os resultados relatados nas figuras abaixo para modulações PSK, FSK e QAM de segunda ordem, com a taxa de erro de bit (BER) vs. densidade espectral de energia de bit para ruído (EB/N0), com o SNR recebido calculado durante o pós-processamento. QAM e PSK mostram claramente maior robustez do que a modulação FSK. A modulação de quarta ordem deu resultados semelhantes, enquanto para testes de ordem superior os sinais recebidos eram muito fracos para demodulação.

Em relação aos resultados absolutos, para uma potência de transmissão de 2 W, a probabilidade de atingir um BER abaixo de 0,004 com QAM de quarta ordem foi de 90%. Ao usar PSK de segunda ordem com a mesma potência, a probabilidade aumenta para 94%, mas com a taxa de bits reduzida pela metade. Aumentar a potência de transmissão para 24 W e usar uma modulação 2FSK mais simples obteve desempenhos semelhantes.

Os testes foram realizados inicialmente com uma largura de banda de 2.3 kHz. Valores mais altos (até 10 kHz) obtiveram probabilidades menores de manter o BER abaixo de um certo limite, mas permitiram melhor desempenho geral ao aumentar a taxa de bits em uma proporção maior.

Este experimento demonstrou que para baixa potência de transmissão (2 W), uma largura de banda padrão de 2.3 kHz e modulação 4QAM ou 2PSK é recomendada, resultando em 4.6 ou 2.3 kbps com 90% de probabilidade de manter o valor de BER abaixo de 0,004. Para sensores com maior consumo de energia (até 24 W), um amplificador mais simples pode ser usado com uma configuração incluindo largura de banda padrão e modulação 2FSK. Taxas de bits mais altas podem ser alcançadas sem aumentar a potência, definindo a largura de banda em 5 kHz.

Os resultados obtidos neste experimento foram então implementados na transmissão em tempo real de dados do sensor para a Base Antártica Espanhola com potência de transmissão de 24 W e largura de banda de 2.4 kHz, plantando oficialmente a bandeira da Red Pitaya na Antártida.