Modelado Y Validación De Un Sistema Digital De Comunicaciones De Gran Ancho De Banda De Aplicación En Vehículos De Transporte
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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) (Instituto de Investigación Tecnológica) Modelado y validación de un sistema digital de comunicaciones de gran ancho de banda de aplicación en vehículos de transporte Tesis para la obtención del grado de Doctor Director: Prof. Dr. D. Sadot Alexandres Fernández Autor: Ing. D. Carlos Rodríguez-Morcillo García Madrid 2007 CONSTANCIA REGISTRAL DEL TRIBUNAL DEL ACTO DE LA DEFENSA DE TESIS DOCTORAL TÍTULO: Modelado y validación de un sistema digital de comunicaciones de gran ancho de banda de aplicación en vehículos de transporte AUTOR: D. Carlos Rodríguez-Morcillo García DIRECTOR: Dr. D. Sadot Alexandres Fernández TUTOR-PONENTE: -- DEPARTAMENTO: Instituto de Investigación Tecnológica FACULTAD O ESCUELA: Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI) Miembros del Tribunal Calificador: PRESIDENTE: Dr. D. Manuel Mazo Quintas Firma: ................................ VOCAL: Dr. D. José Luís Martín González Firma: ................................ VOCAL: Dr. D. César Sanz Álvaro Firma: ................................ VOCAL: Dr. D. Rafael Palacios Hielscher Firma: ................................ SECRETARIO: Dr. D. José Daniel Muñoz Frías Firma: ................................ Fecha de lectura: 19 de septiembre de 2007 Calificación: ……………………………………………………. A María, a mis padres y a mi hermano. A la memoria de Quique. Resumen En esta Tesis se propone un sistema digital de comunicaciones que per- mite transmitir una gran cantidad de información entre los equipos embar- cados en un vehículo de transporte, aumentando así la capacidad de trans- misión de los sistemas instalados actualmente. Además, el sistema propues- to es capaz de funcionar compartiendo el mismo medio físico que los siste- mas actuales, para minimizar el coste económico y de recursos que supone la instalación de un nuevo sistema en un vehículo ya fabricado. Para llevar a cabo el desarrollo del sistema digital propuesto se han rea- lizado un estudio teórico y un análisis experimental en varias fases. En pri- mer lugar, se ha obtenido el modelo electromagnético de una línea de transmisión de un vehículo de transporte, concretamente de un tren. Con ello se ha analizado la viabilidad de la Tesis. En segundo lugar, se ha desarrollado el sistema de comunicaciones pro- puesto basando su funcionamiento en la técnica Orthogonal Frequency Divi- sion Multiplexing (OFDM), por su capacidad de transmitir un gran caudal de información con poco ancho de banda. Esta técnica se utiliza en sistemas digitales como WLAN, DSL, PLC y DVB-T. En esta parte de la investigación se han definido todos los parámetros necesarios para el funcionamiento del sistema y se ha configurado con unos valores adecuados. A continuación, se ha realizado un simulador software del sistema desa- rrollado anteriormente, con el que se puede analizar el funcionamiento del mismo para obtener la configuración óptima. En este simulador se ha tenido en cuenta tanto el modelo de la línea de transmisión analizada en la prime- ra parte de la Tesis, como la posibilidad de funcionar simultáneamente con otros sistemas. Posteriormente, se ha construido una plataforma de pruebas basada en FPGA con la que se ha verificado el correcto funcionamiento del sistema di- gital desarrollado y con el que se ha validado el simulador anterior. Esto ha ii Resumen permitido transmitir, a lo largo de 30 metros de cable, un caudal de datos de 8 Mbps en un ancho de banda de 3 MHz. Por último, se ha realizado un banco de pruebas en laboratorio con el que se ha comparado el funcionamiento simultáneo del sistema desarrollado en la Tesis con otro sistema empleado actualmente en vehículos ferroviarios, concretamente con el estándar IEC 61375-1 relativo al Train Communica- tion Network (TCN). Esta prueba ha validado el trabajo realizado en la Te- sis y ha demostrado que, con el sistema desarrollado, se puede aumentar el caudal de información de un sistema de comunicaciones actualmente insta- lado en un vehículo de transporte, con un mínimo coste en equipos e instala- ción. Abstract This Thesis proposes a digital communications system that enables the transmission of huge amount of information, between equipment on board of a transport vehicle. This increases the transmission capacity of control and supervision systems currently installed. Moreover, the system is able to work simultaneously with other on-board systems sharing the same physi- cal medium. Therefore it reduces the economic and resources costs of a new system installation in the vehicle significantly. To carry out the development of the digital system proposed, the research work begins by studying the electromagnetic model of a transmission line in a railway vehicle. Such analysis has confirmed the viability of this Thesis. In a second stage, the research work was focused on the development of a communication system based on Orthogonal Frequency Division Multiplex- ing (OFDM) technique. That technique was chosen due to its bit rate capac- ity and bandwidth optimization. OFDM is used in other communication sys- tem such as WLAN, DSL, PLC or DVB-T. In this research stage we defined all configuration parameters according to transmission line model. In the third research stage, a software simulation tool of the developed system has been created. This simulator analyzes different vehicle configu- rations and calculates optimum parameters of the system by using the line transmission models obtained at the first stage. Besides, the simulator en- ables the study of the performance while sharing the same transmission channel for different services. A test platform, based on a FPGA technology, has been developed to vali- date the communication system and the simulator. This prototype is able to transmit 8 Mbps throughout using a 30 meters long cable in a 3 MHz band- width. Finally, a test bench has been developed in the laboratory. It was used to compare the performance of the developed system with another system cur- iv Abstract rently used in railway vehicles, specifically with the IEC 61375-1 standard for Train Communication Network (TCN). Both systems shared the trans- mission line. This final study validated the research work carried out in the Thesis and demonstrated that the bit rate in a transport vehicle can be in- creased with reduced costs and minimum installation problems. Agradecimientos En primer lugar quiero dar las gracias a mis padres y a mi hermano por el apoyo, la ayuda y el esfuerzo prestados a lo largo de toda mi vida. Sin ellos, el sueño que culmina con esta memoria de Tesis, no hubiese sido posi- ble. Muchas gracias. En segundo lugar, y por ello no menos importante que los anteriores, quiero agradecer a mi mujer, María, el apoyo diario y la ayuda prestada a lo largo de estos arduos años de trabajo. Y especialmente por el sacrificio que supone vivir y convivir con un doctorando. Ahora ha llegado el momento de recuperar todas esas sesiones de cine que no hemos podido disfrutar antes. Muchas gracias. En tercer lugar, a mi director de tesis, Sadot. No tengo palabras para agradecerle la confianza depositada en mí desde que me dirigiese el proyecto fin de carrera hace siete años. Por estar ahí cuando, desesperado, le buscaba porque no encontraba el camino a seguir y él, pacientemente, me reconducía; en definitiva, por esas largas conversaciones de tecnologías, comunicaciones y demás que hemos compartido en su despacho. Espero y deseo que el com- pañerismo y la amistad fraguada durante todos estos años perduren por siempre. Muchas gracias. En cuarto lugar, quiero dar las gracias a Dani, amigo y compañero, por la disposición que ha tenido siempre conmigo para ayudarme en todo lo posible y por los ánimos que me ha brindado a lo largo de estos años. Espero poder seguir trabajando con él y manteniendo esta amistad durante muchos años. Muchas gracias. En quinto lugar quiero recordar y agradecer a los profesores de la Uni- versidad, Begoña Vitoriano, Santiago Cano, Juan Luís Zamora, José Anto- nio Rodríguez Mondéjar y José Luís Rodríguez Marrero, el haber compartido conmigo sus conocimientos, haciéndome recordar “esas cosas tan raras que se ven durante la carrera y que nunca sirven para nada…”. Verdaderamente llegan a hacer falta algún día. Gracias por el interés prestado y gracias por vi Agradecimientos vuestro valiosísimo tiempo. No me quiero olvidar de José María Bautista ni de Antonio Martín, que tantas placas, cables y componentes me han facili- tado durante todo este tiempo; ni de Antonio Muñoz por su comprensión a la hora de “liberarme” de las clases. Muchas gracias. También quiero agradecer a los integrantes del Instituto de Investigación Tecnológica de la Universidad, investigadores en formación, contratados, secretarias, administradores… la ayuda prestada durante tantos años de convivencia y trabajo, y en especial a Isabel Tamudo y a Pilar Barrado, por su inestimable ayuda, y a la dirección por confiar en mí y otorgarme la Beca de Investigación del Colegio Nacional de Ingenieros del I.C.A.I. Sin duda ha sido un balón de oxígeno para el desarrollo de esta Tesis. Muchas gracias. No quiero dejarme en el tintero a Ulrich Hammes, alumno Erasmus de Alemania, que en chanclas y manga corta en pleno invierno, me ayudó en la toma de contacto de OFDM con su proyecto fin de carrera. Muchas gracias. Me gustaría dar las gracias a Luis Turrillo, Miguel Socías, Roberto Ra- mírez y Jaime Trainor, de SEPSA, por el cable, equipos y trenes facilitados para poder realizar las medidas necesarias. A Reyes Díez, de