conferencia sobre procesado de señal en aplicaciones espaciales


Hoy ha tenido lugar una conferencia de un investigador de la NASA, que ha venido invitado para asistir como miembro de tribunal de la lectura de una tesis doctoral de un compañero del departamento. Se trata de Michael K. Cheng, que pertenece al grupo de procesado de señal del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. La conferencia, que fue en inglés, con el acento especial del doctor Cheng, de origen chino se tituló: signal processing: from theory to implementation.

Yo la entendí bastante bien, dentro de la dificultad que supone el idioma y lo avanzado de los temas que se trataron.

El investigador y sus colegas del grupo de procesado de la señal han realizado numerosos proyectos relacionados con el procesado de señal en comunicaciones en el espacio profundo recogiendo datos científicos de las numerosas misiones realizadas en el JPL con su red de satélites. Las técnicas de modulación y de codificación de canal así como la implementación de los transmisores y receptores, tanto en el segmento espacial (en las propias sondas de las misiones, por ejemplo) como en el terreno, han supuesto numerosos retos tanto desde el punto de vista de la teoría de procesado de señal como en la microelectrónica embarcada en el espacio (con sus previsibles restricciones en tamaño, peso y potencia consumida y las exigencias propias de la transmisión de señales por el espacio)

La conferencia comenzó hablando de la relación especial que existe entre el centro de investigación JPL y la NASA, habida cuenta que el JPL es una institución creada por una universidad privada estadounidense, el CalTech (que se encuentra clasificada en séptimo lugar según la clasificación THES QS), y al mismo tiempo está asociada como centro de investigación público a una agencia del gobierno, la NASA (es uno de los diez centros que posee la agencia a lo largo y ancho del país)

Es de destacar que desde su fundación en los años 30 hasta hoy el JPL ha expandido su ámbito de investigación mucho más allá de la investigación original en propulsión de cohetes, diseñando numerosas sondas espaciales y otros aparatos originales. En la conferencia se citaron: Explorer 1, Mariner 2, Voyager 1 y 2, Mars Explorer Rovers (Spirit and Opportunity) y el muy reciente Phoenix Mars Lander.

El doctor Cheng indicó las principales áreas de investigación actual de su grupo con algunas destacables desde mi punto de vista por su interés: autonomous reception (en donde se trata de hacer más flexibles las interfaces radio de comunicaciones de los satélites que de comunican con las misiones en el espacio, de manera que se puedan configurar automáticamente para las características de cada comunicación, algo que se consigue con software-defined radio), channel coding (la introducción de redundancia en los datos a transmitir por un canal, en la que se extendió más adelante en la presentación), data compression (también bastante comentada) y modulation schemes (especialmente el diseño de esquemas de modulación eficientes para las comunicaciones en el espacio profundo)

En cuanto a la codificación de canal (channel coding) el trabajo del grupo de procesado de señal del JPL ha consistido en estudiar los códigos más avanzados, en especial los turbocódigos y los LDPC (Low-density parity-check), tanto desde el punto de vista teórico para acercarlos lo más posible al límite de shannon como desde el punto de vista de la implementación, ya que esos códigos han de ser implementados en hardware y embarcados en las sondas espaciales. El esfuerzo de co-diseño hardware/software de implementaciones eficientes en área y potencia ha sido importante. Las optimizaciones en dichos parámetros son fundamentales. El interés del JPL se ha centrado en obtener codificaciones sencillas (las embarcadas en el satélite con sus fuertes restricciones) y decodificaciones complejas (que se hacen en el segmento terreno donde en principio se puede disponer de más recursos) Entre los avances destacados está el protograph code design y los códigos especiales para enlaces ópticos en el espacio profundo.

En cuanto a la compresión de datos, el grupo del profesor Cheng fue pionero, con su sistema de compresión ICER para datos científicos, en la compresión progresiva y por bloques que permite dividir la imagen a transmitir en bloques no homogéneos y comprimirla de manera que la recuperación es progresiva en caso de pérdida de datos se obtiene la imagen con alguna pérdida de bloque y una resolución que depende de los datos que se han perdido. Esto contrasta con los sistemas tradicionales como el JPEG que quedaban con la imagen incompleta ya que la imagen se codificaba por líneas de forma secuencial y una pérdida de datos hacía que se perdiera el resto de la imagen a partir de la línea en que ocurría el error.

Finalmente se comentaron los trabajos punteros que se están llevando a cabo actualmente en el grupo, centrados en conceptos avanzados de codificación de canal con códigos LDPC que no entendí bien: (1) frame synchronization; (2) soft symbol LLRs calculations (log likelihood ratio); soft symbol scaling; rateless erasure (or fountain) codes; Luby-Transform (LT); … en fin, no tomé muchas notas sobre estos temas, que por otra parte fueron tocados muy por encima. Se mostraron implementaciones de sistemas embebidos y se mostraron gráficas de rendimiento respecto al límite teórico de shannon.

El tema más ineteresante que tocó es el Network Coding. Es un concepto iniciado por el investigador Ahlswede y colegas. Se trata de una técnica que permite reducir las transmisiones en un sistema de comunicaciones por relay. Por ejemplo un sistema de relay de satélite en el que dos puntos se comunican a través de un satélite en órbita. En la situación normal cada punto realiza una transmisión hacia el satélite y recibe de este la respuesta, con toda la parafernalia de modulaciones y redundancia por codificación de canal. En el nuevo esquema el satélite recibe las transmisiones desde los puntos de tierra y realiza una sola transmisión hacia tierra con un mix de modulación y codificación de canal hacia los dos destinatarios. Cada uno extrae la información que le corresponde del mix.

2 comentarios en “conferencia sobre procesado de señal en aplicaciones espaciales

  1. Repasando mis dispersas notas sobre la conferencia me he dado cuenta de que me he dejado algunos asuntos que se trataron en la misma.

    Entre los temas en los que está trabajando actualmente el grupo de procesado de señal del JPL de la NASA, me he dejado en el tintero el tema exótico de los trapping sets en códigos LDPC, que tiene que ver a grandes rasgos con el cálculo del suelo de error de esos importantísimos códigos inventados en los años 60 por el profesor Gallager y de los que solamente en tiempos recientes hemos sido capaces de implementar de forma eficiente.

    Otro tema muy interesante que acabo de recordar es el de el Quantum Error Detection, que solamente vi escrito en la transparencia donde se mostraban y del que no se comentó nada.

    Finalmente está el asunto del compressive sensing, una técnica que busca simplificar de manera importante el número de pixels necesarios para obtener imágenes de calidad en cámaras digitales y que son de indudable utilidad en los sistemas de captura de imágenes de sondas y robots espaciales ya que simplifica el procesado de señal y consumo de energía. Esta técnica tiene un proyecto de bandera llamado Single Pixel Camera desarrollado en la Universidad de Rice en EEUU. Se basa en realizar un muestreo aleatorio (estocástico) de los pixeles capturados por un complejo sistema óptico basado en microlentes y transmitirlos tal cual en lugar de analizar la imagen en busca de redundancias (con la consiguiente carga de procesado de señal) y su explotación en la compresión de la imagen antes de la transmisión para ahorrar ancho de banda y energía.

  2. En el periódico de hoy (El Diario Montañés) han aparecido dos noticias relacionadas con la conferencia del pasado miércoles.

    Cheng, «un lujo» para Pérez Llano

    23.06.08 – V. S.

    Michael Cheng aterrizó en la Universidad de Cantabria de la mano de uno de sus investigadores, Jesús M. Pérez Llano, quien el año pasado consiguió desarrollar parte de su tesis en el prestigioso JPL, en donde investigó durante tres meses. Pérez Llano leyó el martes su tesis y el tribunal -del que formaba parte el ingeniero americano-, le otorgó un sobresaliente cum laude. El cántabro estaba especialmente satisfecho de que Cheng, a quien conoció durante su estancia en Pasadena, hubiera podido formar parte del grupo que le calificó. «Ha sido un verdadero lujo», explicó.

    El ingeniero de telecomunicaciones por la UC tiene gran inquietud por animar a otros estudiantes a seguir sus pasos. «Es muy importante que vean que existe esta línea de investigación y que hay posibilidades en ella». Por este motivo, Pérez Llano impartirá en octubre una conferencia en la Escuela de Ingenieros Industriales y de Telecomunicaciones, en la que contará su experiencia americana, que para él ha resultado muy fructífera.

    «Se trabaja muy duro, pero la gente, que forma la élite de la investigación mundial, tiene los pies sobre la tierra y son muy cercanos. Impone mucho pensar que estás en el JPL, aunque los investigadores son estupendos: se comparte toda la información y, así, es posible avanzar muy deprisa». A él, en tres meses, le dio tiempo incluso a publicar. En la UC, ha contado con el respaldo y el sostén académico de Pablo Sánchez, Víctor Fernández y Eugenio Villar, del grupo de ingeniería microelectrónica.

    El hombre que se comunica con los límites del sistema solar

    Michael Cheng, investigador del Jet Propulsion Laboratory, que trabaja para la NASA, explicó en la UC los retos de las investigaciones futuras

    23.06.08 – VIOLETA SANTIAGO

    Michael Cheng se unió en 2004 al grupo de Procesos de la Información del JPL (Jet Propulsion Laboratory) de Pasadena. Y desde entonces, investiga y diseña fórmulas y códigos para las comunicaciones ópticas de lo que se llama ‘espacio profundo’. Traducido, Cheng crea métodos de comunicación y radios para satélites y naves espaciales que se encuentran al límite mismo del sistema solar. Las imágenes que todos hemos podido ver -captadas por los ‘mars rovers’- han llegado hasta nuestros ojos gracias a que su grupo ha sido capaz de corregir los errores, ruidos e interferencias que dañan los canales durante su largo viaje a la tierra.

    El doctor en ingeniería eléctrica e informática estuvo esta semana en la Universidad de Cantabria para hablar sobre su experiencia en el JPL, que trabaja bajo contratos de la NASA, con la intención de animar a estudiantes y profesores de la UC a a abrir los ojos a estas líneas de investigación, una salida como otra cualquiera para todo aquel que tenga inquietud por los astros, como la tuvo él desde niño.

    Cheng nunca pensó que participaría en este tipo de proyectos ni que sus números harían posible que se ‘hable’ con satélites como el ‘Voyager I’ y el ‘Voyager II’, al borde del espacio profundo, pero ahí está. Y le parece importante compartir su experiencia y, también, «pedir aportaciones, explicar los problemas que tiene abiertos ahora mismo la NASA. Cuantas más mentes haya pensando al tiempo, sobre lo mismo, más rápido llegarán las soluciones», comentó a este periódico con una sonrisa.

    Desde hace cuatro años, el investigador contribuye a que sus algoritmos decodifiquen la información que mandan estos sofisticadísimos artilugios espaciales. El próximo paso de la NASA en este campo, explicó en Santander, será retirar los viejos transbordadores espaciales, «porque ya estamos estudiando crear distintos vehículos de exploración tripulados». De hecho, su equipo ya trabaja en el sistema de comunicación de los nuevos aparatos, que «revolucionarán la industria espacial». El cambio podría realizarse para 2012, según los planes actuales.

    Corrección de errores

    Cheng contó a EL DIARIO que no le resultó especialmente difícil acceder al JPL, un laboratorio en el que se cuece la más alta tecnología planetaria. Quizá porque se había licenciado en el súper exigente universidad de Carnegie Mellon, también una referencia mundial, y porque consiguió su doctorado en la Universidad de California, de San Diego. Allí, el director de su investigación, le recomendó postularse para el Jet Propulsion Laboratory, donde buscaban investigadores de un perfil que él cumplía, ya que le interesaba el área de la corrección de los errores algebraicos.

    Una vez allí,«no piensas muy a menudo en lo que haces. Estás muy centrado en resolver los problemas que se te plantean y la forma de trabajar de un centro tecnológico de este tipo es bastante dura», indicó Cheng. Pero, cuando se para a pensar en lo que se consigue con sus fórmulas, «y en que mi trabajo está tan lejos.. en el espacio, en el límite mismo del sistema solar… entonces me parece sobrecogedor».

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s