Design, implementation and characterization of a radio frecuency interference digital adaptive filter using a field-programmable gate array

Abstract

En las últimas décadas ha habido un crecimiento exponencial en el uso de sistemas de comunicación inalámbrica, tanto en el mercado del consumidor como en el empresarial. Esto ha tenido como efecto secundario el que muchos radio telescopios se ven afectados por interferencia en radio frecuencia. El nivel de daño que puede causar la interferencia va desde corromper un pequeño porcentaje de los datos, a imposibilitar completamente las observaciones astronómicas en ciertas bandas de frecuencia. A lo largo de los años, astrónomos e ingenieros han desarrollado varias técnicas de mitigación para combatir este tipo de interferencia, desde legislaciones para prohibir emisiones cerca del sitio del telescopio, a herramientas de software para etiquetar y borrar la interferencia en datos astronómicos. En este trabajo, un método de mitigación en tiempo real es desarrollado, basado en el concepto matemático del filtro adaptativo. Para usar un filtro adaptativo, se toma una segunda medida de la interferencia con una antena de referencia, y los parámetros del filtro se ajustan para cancelar ambas copias de la interferencia. Este método tiene la ventaja de ser capaz de eliminar la interferencia sin incurrir en pérdida de datos. El desarrollo matemático del filtro es estudiado, y se prueba que el filtro es capaz de eliminar cualquier tipo de interferencia, siempre y cuando los caminos que tome la interferencia hacia el telescopio y la antena de referencia cumplan la condición de linealidad e invariancia en el tiempo. Las limitaciones del filtro también son analizadas, y se concluye que el efecto que más daña el desempeño del filtro es la presencia de señales adicionales en la antena de referencia, no correlacionadas con la señal de interferencia. Estas señales pueden provenir del ruido de los componentes del receptor, de otras fuentes de interferencia, o de efectos de propagación multicamino. El filtro es implementado en una FPGA para alcanzar una alta velocidad y ancho de banda, y es probado tanto en un montaje de laboratorio, como en un telescopio. Se prueba que, a pesar de que el filtro funciona excelentemente bien en condiciones controladas de laboratorio, su desempeño se degrada significativamente en el escenario realista, específicamente porque todas las limitaciones prácticas son más predominantes en este caso. De todas maneras, el filtro es capaz de atenuar la interferencia con distintos grados de éxito dependiendo de las características de la señal, principalmente potencia y efectos de propagación. Para las mejores condiciones de interferencia (alta potencia, fuente localizada, y sin efectos de propagación multicamino), el filtro demostró ser capaz de eliminar señales de interferencia de 15~dB de potencia por sobre el piso de ruido.