LA STAZIONE DI TERRA DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE (DTS)

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1 LA STAZIONE DI TERRA DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE (DTS)

2 INDICE 1. Introduzione Le caratteristiche generali del sottosistema Lista delle abbreviazioni e unità di misura Le funzioni della stazione di terra L architettura della stazione di terra Descrizione dei blocchi funzionali Il blocco di alimentazione e regolazione Il blocco di logica ed elaborazione Il protocollo di comunicazione Il blocco della telemetria digitale (RSSI Received Signal Strenght Indicator) Il modulo RF Qualche richiamo di teoria sui ricevitori e trasmettitori Come è fatto un trasmettitore a Radio Frequenza Come è fatto un ricevitore a Radio Frequenza Il componente di base della stazione di terra, il CC Le caratteristiche del trasmettitore Le caratteristiche del ricevitore Le caratteristiche principali La frequenza intermedia (IF) La generazione della frequenza di riferimento Il sintetizzatore di frequenza L antenna della stazione di terra Il consumo di potenza elettrica della stazione di terra Le interfacce della stazione di terra Le interfacce elettriche Le interfacce meccaniche Requisiti particolari dovuti all ambiente di funzionamento Requisiti di interfaccia termica Interfacce di programmazione ad uso didattico La realizzazione della stazione di terra

3 1. Introduzione Questo documento descrive la stazione di terra attraverso la quale è possibile ricevere le telemetrie e inviare i comandi al dimostratore tecnologico satellitare (DTS). Lo schema che verrà seguito segue un approccio che in inglese viene definito top-down ovverosia dall alto verso il basso, cioè parte dalla descrizione generale per scendere via via nei particolari del progetto e quindi della realizzazione pratica. 2. Le caratteristiche generali del sottosistema La stazione di terra rappresenta un sistema di comunicazione in banda UHF che provvede allo scambio di dati tra la stazione di terra e il satellite. La stazione di terra è in grado di: ricevere segnali modulati in frequenza, inviati dal sottosistema COMMS ( downlink ) su una frequenza portante compresa nella banda denominata ISM UHF; demodulare e decodificare, secondo il protocollo standard AX.25 o quello sviluppato ad hoc, i segnali ricevuti, modulati in frequenza, per la successiva elaborazione da parte del software sul personal computer; codificare i dati da trasmettere utilizzando il protocollo standard AX.25 oppure il protocollo sviluppato ad hoc dalla IMT srl; trasmettere segnali modulati in frequenza su una frequenza portante anch essa in banda UHF; funzionare in modalità half-duplex, secondo la quale il ricevitore è spento quando il trasmettitore è acceso e viceversa; utilizzare due frequenze distinte, una per il collegamento uplink, cioè dalla stazione di terra al satellite e l altra per il downlink, cioè per il collegamento inverso. 3

4 La stazione di terra è un apparato interamente programmabile tramite il firmware presente in un microcontrollore, e questa caratteristica lo rende capace di soddisfare molti requisiti, a seconda delle esigenze di trasmissione e/o ricezione. Per effettuare le funzioni di cui sopra, la stazione di terra per il DTS di EduSAT trasmette e riceve segnali a distanza, modulati in frequenza, su frequenze ISM in banda UHF (da 433 MHZ a 434 MHz) con larghezza di canale di 12,5 KHz o 25 KHz. La massima potenza di trasmissione è pari a 10 mw, + 10 dbm. 3. Lista delle abbreviazioni e unità di misura La tabella che segue mostra il significato delle principali sigle usate in questo documento; altre sigle usate localmente vengono spiegate nel corpo del documento stesso. Abbreviazione Significato Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale C Gradi Centigradi, unità di misura della temperatura A ADC AFC Baud rate CPU db db dbm DTS EEPROM FM FSK Ampere, unità di misura della corrente elettrica nel Sistema Internazionale Analog to Digital Converter, Convertitore Analogico Digitale Automatic Frequency Control, Controllo Automatico di frequenza Numero di simboli trasmessi in un secondo Central Processing Unit, Unità Centrale di Elaborazione (di un computer) decibel, unità di misura che esprime, in forma logaritmica, il rapporto fra due grandezze fisiche, per esempio A1 ed A2, dello stesso tipo. Se a è il valore numerico di questo rapporto, cioè a = A1/A2, la sua misura in decibel si esprime come: 10 Log10 a In genere la grandezza A2 viene presa come riferimento per la misura. unità di misura logaritmica di un rapporto di potenza, riferito alla potenza di un milliwatt (un millesimo di Watt) Dimostratore Tecnologico Satellitare Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, Memoria a sola lettura elettricamente cancellabile e riprogrammabile Frequency Modulation, Modulazione di Frequenza Frequency-Shift Keying, una forma di codifica in forma binaria a modulazione di frequenza, in cui il segnale modulante sposta la frequenza della portante da uno all'altro di due valori predeterminati 4

5 GHz GigaHertz = Hz Hz Hz, unità di misura della frequenza nel Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1 ciclo al secondo IF ISM LDO LNA ma MHz mw PA PLL RAM RISC SPI SRD UHF V VCO W XOSC RSSI GS Intermediate Frequency, Frequenza Intermedia di un ricevitore radio Industrial, Scientific and Medical (Industriale, Scientifico e Medico) Low Drop-Out (bassa caduta, di tensione), caratteristica di un regolatore serie Low Noise Amplifier, Amplificatore a Basso Rumore milliampere: un millesimo di Ampere MegaHertz = Hz milliwatt, corrisponde ad un millesimo di Watt Power Amplifier, Amplificatore di Potenza Phase-Locked Loop, Anello ad Agganciamento di Fase Random Access Memory, Memoria ad Accesso Casuale Reduced Instruction Set Computer, Computer con Corredo Ridotto di Istruzioni Serial Peripheral Interface, Interfaccia Seriale con le Periferiche Short Range Device, Dispositivo a Bassa Portata Ultra-High Frequencies, Frequenze Ultra Alte Volt, unità di misura della tensione elettrica nel Sistema Internazionale Voltage Controlled Oscillator, Oscillatore Controllato in Tensione Watt, unità di misura della potenza, sviluppata o dissipata, secondo il Sistema Internazionale. Nelle misure elettriche, 1 W = 1 V x 1 A Crystal Oscillator, Oscillatore a Cristallo (Quarzo) Received Signal Strenght Indicator Livello del segnale ricevuto Ground Station stazione di terra 5

6 4. Le funzioni della stazione di terra La stazione di terra del DTS, spesso chiamata in modo abbreviato GS Ground Station nel resto di questo documento, deve permettere lo scambio dati tra il DTS ed il personal computer ad esso collegato. La stazione deve quindi essere in grado di codificare e quindi trasmettere i comandi al DTS, e di ricevere e decodificare le telemetrie trasmesse dal DTS. 5. L architettura della stazione di terra La stazione di terra del DTS è composto da quattro blocchi fondamentali, come mostrato nella Figura 1: Figura 1 - Blocchi che compongono la stazione di terra Il blocco di alimentazione e regolazione, la cui funzione è quella di fornire una tensione continua stabilizzata di 3,3 V ai blocchi di logica ed elaborazione e di radio frequenza. Il blocco di alimentazione e regolazione riceve in ingresso una tensione continua di 5 V che gli viene fornita attraverso la porta di comunicazione USB (modalità self-powered); Il blocco di logica ed elaborazione, la cui funzione è la gestione dell intera stazione di terra tramite l uso di un microcontrollore (cioè un microcomputer) controllato da un software dedicato (firmware); 6

7 Il blocco di telemetria digitale, che ha la funzione di monitorare il livello energetico del segnale RF ricevuto. Il valore dell RSSI viene letto da un registro interno al modulo RF; Il blocco di radiofrequenza, che ha la duplice funzione di: o raccogliere le informazioni da trasmettere, modulare una portante a radio frequenza ed inviarla all antenna trasmittente; o ricevere il segnale dall antenna ricevente, demodularlo ed inviare le informazioni che vi sono contenute al personal computer. I paragrafi che seguono descriveranno le caratteristiche di ciascuno dei blocchi funzionali. 6. Descrizione dei blocchi funzionali 6.1 Il blocco di alimentazione e regolazione Il blocco di alimentazione e regolazione è costituito da un regolatore di tipo lineare, che trasforma la tensione di 5 V fornita al suo ingresso attraverso la porta USB, in una tensione di 3,3 V necessaria per l alimentazione del blocco di logica ed elaborazione e di quello a radiofrequenza. La stabilità dell alimentazione in questa istanza è molto importante in quanto, eventuali variazioni delle caratteristiche di alimentazione potrebbero influire sul modulo di ricetrasmissione e quindi sull impossibilità di una corretta ricostruzione dell informazione ricevuta. I parametri che caratterizzano il progetto di un alimentatore sono: regolazione sul carico (tensione costante al variare della corrente di carico, tipicamente 0,01%/mA); regolazione di linea (insensibilità ai disturbi sull alimentazione primaria, tipicamente 0,02%/V); regolazione rispetto alle variazioni di temperatura; resistenza agli effetti dell invecchiamento. 7

8 L unico modo che ha un alimentatore lineare per stabilizzare una tensione o una corrente è di ridurla al disotto del minimo valore presente all ingresso: ciò comporta una perdita di potenza, tanto più marcata quanto maggiore è la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita. Il caso più evidente è quello dei regolatori di tensione denominati in serie, che per stabilizzare la tensione in uscita provocano una certa caduta interna di tensione poiché i circuiti di regolazione sono in serie all utilizzatore. Ne consegue che il regolatore è percorso dalla stessa corrente che va nel carico, quindi risulta una perdita di potenza, dissipata nel circuito di regolazione, quantificabile nel prodotto tra la differenza di potenziale ingresso/uscita (V dropout ) e la corrente erogata (I carico ). Per una migliore comprensione si veda la sottostante Figura 2. Figura 2 - La perdita di potenza in un regolatore serie, o lineare Il regolatore lineare tipico ha dunque un rendimento basso, tanto minore quanto più le tensioni in gioco sono comparabili con la minima caduta possibile fra ingresso e uscita. Ovviamente la corrente assorbita dalla stazione di terra è molto piccola e questa caratteristica ha permesso la scelta di un regolatore lineare a bassa caduta, in inglese lowdropout (LDO), ovvero un dispositivo che riesce a fornire una tensione regolata di uscita subendo una bassa caduta di tensione fra ingresso e uscita. 8

9 6.2 Il blocco di logica ed elaborazione Il blocco di logica e elaborazione gestisce tutto il flusso dati della stazione di terra ed implementa il protocollo di comunicazione, come descritto al paragrafo Il processore utilizzato per gestire l intero sistema è un microcontrollore tipo PIC16F689 a 20 piedini, realizzato in tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), al cui interno sono presenti anche una memoria flash, una memoria RAM e le periferiche di interfaccia. La CPU (Central Processing Unit) in esame è una RISC (Reduced Instruction Set Computer) in contenitore tipo SO (Small Out-line package) realizzata in tecnologia CMOS con istruzioni codificate a 14 bit. Il firmware è scritto in assembler basato su un insieme di 35 istruzioni (ISA Instruction Set Architecture). Il microcontrollore svolge i seguenti compiti: riceve le telemetrie dal satellite attraverso un link a radio frequenza in banda UHF e le memorizza in RAM; configura tutti i parametri essenziali del modulo a radio frequenza; prepara i dati per la trasmissione radio dei comandi da impartire al satellite attraverso il sottosistema ACS. Il microcontrollore ha le caratteristiche riassunte nella Tabella 1. 9

10 Architettura generale Corredo di istruzioni Frequenza operativa Parametro Durata di un ciclo di istruzione Reset e ritardi Memoria di programma (tipo Flash con lunghezza di parola di 14 bit) Memoria dati (RAM) Memoria dati (EEPROM) Interrupt di programma dall esterno Porte di I/O - Input/Output (Ingresso/uscita) Timer 3 Comunicazioni seriali Comunicazione parallela Modulo convertitore Analogico/Digitale Valore RISC - Reduced Instruction Set Computer (Computer con corredo ridotto di istruzioni) 35 (quasi tutte eseguite in un solo ciclo) fino a 20 MHz 200 ns (alla massima frequenza di clock) POR (Power-On), BOR (Brown-Out), PWRT (Power-up Timer), OST(Oscillator Startup) 4 KiloWord (4000 Parole) 368 Byte 256 Byte possibile A e C a 8 vie B a 4 vie EUSART No conversione a 10 bit, 12 canali di ingresso Durata delle Memorie Flash ed EEPROM memoria flash scrivibile fino a volte memoria EEPROM scrivibile fino a di volte conservazione dei dati: oltre 40 anni Tensione di alimentazione da 2,0 V a 5,5 V Corrente assorbita tipica (dipende dalla frequenza operativa e dalla tensione di alimentazione)) Gamma di temperatura operativa da - 40 C a + 85 C Produttore 220 A alla frequenza operativa di 4 MHz con una tensione di alimentazione di 2 V Microchip Technology Inc. USA Tabella 1 - Sommario della caratteristiche del microcontrollore Lo schema a blocchi del microcontrollore è mostrato nella Figura 3 seguente. 10

11 Figura 3 - Schema a blocchi del microcontrollore (fonte: Microchip) 11

12 6.2.1 Il protocollo di comunicazione La stazione di terra riceve un pacchetto dati di 30 byte che contiene tutte le telemetrie del DTS, attraverso un link seriale con il modulo a radio frequenza. La struttura del pacchetto è descritta nel documento dedicato alle telemetrie del DTS. La comunicazione tra il modulo RF (in banda UHF) ed il microcontrollore avviene mediante un collegamento seriale sincrono a due linee (Figura 4): linea di clock; linea dati. Il clock (2400bps) viene recuperato dall anello ad aggancio di fase (PLL Phase Locked Loop) presente nel circuito RF e fornito al microcontrollore per la sincronizzazione dei dati ricevuti. Per la ricezione dei dati, viene sfruttato il vettore di interrupt del microcontrollore. Figura 4 - Le comunicazioni fra il modulo RF e il microcontrollore Il modulo GS (Ground Station) riceve un pacchetto dati dal DTS mediante il sottosistema COMMS che prepara la trasmissione inserendo un byte di start all inizio del pacchetto dati, un byte di controllo d errore e un byte di fine trasmissione in coda al pacchetto dati. Il 12

13 protocollo di trasmissione (lato DTS) consiste nell aggiunta di 3 byte di controllo al pacchetto dati (Figura 5). 33 byte Byte di start Pacchetto dati Byte controllo errori Byte di fine 1 byte 30 byte 1 byte 1 byte Figura 5 - Il pacchetto ricevuto dalla stazione di terra Il byte di start è rappresentato da una sequenza di zeri che in codifica NRZ corrispondono a 8 transizioni (Figura 6). Questo permette un buon aggancio del PLL e quindi una buona sincronizzazione dei dati ricevuti (lato GS). clock t start Figura 6 - Forma d onda del byte di start, in formato NRZ t Ogni pacchetto viene trasmesso tre volte per evitare che venga perso a causa del rumore e disturbi presenti nell etere (Figura 7). Gli ultimi tre bit del trentesimo byte del pacchetto 13

14 dati vengono utilizzati per identificare quale dei tre pacchetti all interno del burst è stato ricevuto correttamente. Figura 7 - La ritrasmissione del pacchetto dati Il codice a controllo d errore è rappresentato da un singolo byte e basato sulla scansione dei singoli bit in trasmissione e ricezione, secondo il processo mostrato in Figura 8. Il byte di controllo (CRC_byte) viene inizializzato con una sequenza di uno (0xFF esadecimale), mentre il bit di riporto (carry) viene settato a zero. Si esegue una rotazione a destra del byte di controllo e si esegue un test sul bit di riporto. In questo modo si avrà che se il bit meno significativo del byte di controllo era zero, il riporto sarà zero, viceversa nel caso in cui il bit meno significativo era uno. Successivamente viene eseguito un confronto tra il bit trasmesso e il bit di riporto: se i due bit sono uguali il valore di CRC_byte viene modificato attraverso una operazione di OR esclusivo col valore 0x84 esadecimale altrimenti viene lasciato inalterato. Il calcolo viene eseguito per tutti i bit del pacchetto dati ovvero, per 30x8=240 bit. 14

15 CRC_byte=0xFF clear bit di carry ruota a destra CRC_byte NO (TX bit XOR carry)=1? CRC_byte=CRC_byte XOR 0x84 Figura 8 - Diagramma di flusso della generazione del codice di controllo errore La stazione di terra utilizza lo stesso protocollo per inviare i comandi al dimostratore tecnologico satellitare. Il pacchetto, in questo caso è di soli 10 byte come mostra la Figura 9. Figura 9 - Protocollo di trasmissione (lato GS) 15

16 Come nel caso della ricezione, il byte di start è costituito da una sequenza di zeri. I byte di informazione utile sono 7 seguiti dal byte di controllo d errore e il byte di stop. Per rendere più robusta e affidabile la trasmissione dei comandi il pacchetto viene inviato tre volte consecutivamente, dove il settimo byte dell informazione utile rappresenta il numero di pacchetto (Figura 10). Figura 10 - Burst del pacchetto dati relativo ai comandi 6.3 Il blocco della telemetria digitale (RSSI Received Signal Strenght Indicator) La potenza del segnale ricevuto è un indice del valore del livello di energia presente sul ricevitore. La condizione ottimale per la misura della potenza del segnale ricevuto è rappresentata dall assenza assenza di modulazione (senza ricevere dati). Nel caso della stazione di terra, la misura dell RSSI viene eseguita nel breve intervallo di tempo (circa 200ms) in cui il modulo RF si trova in ricezione. La misura viene effettuata solo dopo che si è verificato l aggancio alla frequenza selezionata (Lock indicator In lock: 0), aggancio che viene controllato continuamente dal microcontrollore. Il valore dell RSSI viene letto da un registro interno al modulo RF mediante BUS seriale (SPI). 6.4 Il modulo RF In questa sezione verrà descritta tutta la parte a radio frequenza della stazione di terra. 16

17 6.4.1 Qualche richiamo di teoria sui ricevitori e trasmettitori Prima di arrivare alla descrizione vera a propria del modulo RF, una breve introduzione sui ricetrasmettitori a radio frequenza Come è fatto un trasmettitore a Radio Frequenza Analizziamo lo schema a blocchi di un trasmettitore a radiofrequenza (Figura 11), dove è possibile notare la suddivisione del trasmettitore in tre macro-parti: il circuito di interfaccia di ingresso; il circuito di elaborazione; il circuito di interfaccia di uscita, comprensivo dell antenna. Elaboratore f P f P ±Δf Oscillatore locale Stadio separatore e moltiplicatore Modulatore Amplificatore RF ±Δf Circuito di interfaccia di uscita Circuito di interfaccia di ingresso Amplificatore in BB Antenna Rete adattatrice Figura 11 - Schema a blocchi di un trasmettitore RF Il circuito di interfaccia di ingresso provvede a raccogliere l informazione che si vuole trasmettere al fine di convertirla in una forma tale per cui possa essere elaborata dal blocco successivo. Se l informazione da trasmettere fosse di tipo analogico, il circuito di interfaccia dovrebbe operare una trasduzione del segnale di ingresso. Facciamo un esempio familiare: se, per esempio, l informazione da trasmettere fosse un segnale vocale, la trasduzione avverrebbe attraverso un microfono che convertirebbe il segnale sonoro in una tensione elettrica variabile nel tempo. 17

18 Nel nostro caso, l informazione da trasmettere è costituita da dati digitali che hanno già il formato di una tensione elettrica variabile nel tempo, e quindi il circuito di interfaccia in ingresso serve essenzialmente a garantire che il segnale in ingresso al trasmettitore abbia i livelli logici di tensione corretti. L Amplificatore in Banda Base opera sul segnale di ingresso aumentandone il valore di tensione, al fine di evitare che possa essere mascherato dal rumore, sia da quello presente nell etere e dovuto a interferenze di vario genere, sia dal rumore termico generato dai circuiti stessi del trasmettitore. Procedendo da sinistra verso destra nella parte di elaborazione dello schema della Figura 11, notiamo la presenza di un oscillatore locale che genera una frequenza f non molto elevata. In genere tale frequenza viene generata da un oscillatore a quarzo, che presenta un buon coefficiente di stabilità in frequenza e un buon fattore di merito Q dell ordine di Ricordiamo, senza entrare in dettagli, che un valore di Q più alto indica un minor tasso di dissipazione di energia rispetto alla frequenza di oscillazione, per cui le oscillazioni si smorzano più lentamente. Lo stadio separatore e moltiplicatore consente di moltiplicare la frequenza generata dall oscillatore al fine di ottenere la frequenza portante f p. Questo blocco introduce una perdita di conversione ed inoltre modifica la banda del segnale in ingresso, ma visto che si tratta di generare una portante, quello che interessa è la stabilità in frequenza. Il blocco successivo è un modulatore che può essere, in generale, di due tipi: modulatore in ampiezza (AM Amplitude Modulation); modulatore in frequenza (FM Frequency Modulation). Il modulatore presenta tre porte, due di ingresso per la portante e per il segnale in banda base da trasmettere e una di uscita sulla quale è presente la portante modulata. Nel caso di modulazione AM, il segnale modulante provoca variazioni nell ampiezza della portante. Nel caso di modulazione FM, il segnale modulante provoca variazioni di 18

19 frequenza della portante in maniera proporzionale al segnale modulante lasciandone inalterata l ampiezza. Il blocco successivo, denominato Amplificatore RF provvede ad amplificare il segnale che andrà in antenna per la trasmissione. Un parametro essenziale dell amplificatore a radio frequenza è il rendimento: maggiore è il rendimento, minore è il calore che si deve dissipare. La rete di adattamento serve ad assicurare il massimo trasferimento di potenza tra l amplificatore RF e l antenna. Per la stazione di terra il problema della dissipazione termica è comunque trascurabile in quanto le potenze in gioco sono dell ordine del milliwatt Come è fatto un ricevitore a Radio Frequenza Un ricevitore è costituito da quattro elementi fondamentali, come mostrato nella Figura 12: il circuito di interfaccia di ingresso, comprensivo dell antenna; il circuito di elaborazione; il circuito di sincronizzazione; il circuito di interfaccia di uscita. La rete di adattamento, come nel caso del trasmettitore discusso nel paragrafo precedente, assicura il massimo trasferimento di potenza tra antenna e amplificatore RF; quest ultimo è un circuito a tre porte, delle quali due di ingresso dedicate ai segnali f p ± f ed f LO, e una di uscita. Un parametro di progetto fondamentale dell amplificatore RF è il minimo segnale rivelabile in relazione al rumore termico generato dal ricevitore stesso nonché al rumore introdotto dal mezzo di trasmissione. E possibile notare che l operazione di sintonia agisce anche sull amplificatore RF: in pratica la frequenza dell oscillatore locale, f LO, centra la banda passante dell amplificatore 19

20 RF in modo che questo amplifichi solo il segnale che si vuole ricevere, eliminando tutti i canali adiacenti. Figura 12 - Schema a blocchi di un ricevitore a radio frequenza Il blocco successivo, denominato Mixer, riceve il segnale dall amplificatore RF su una porta, il segnale f LO sull altra e fornisce in uscita un segnale traslato ad una frequenza intermedia f IF (IF Intermediate Frequency) fissa e costante. Se, con qualche semplificazione, assumiamo che la portante f p e il segnale f LO dell oscillatore locale abbiano un ampiezza unitaria (cioè =1), il mixer non fa altro che un operazione di moltiplicazione che possiamo rappresentare con la formula che segue: 2 f f t cos f f t 1 v( t) cos(2f pt)cos(2f LOt ) cos p LO 2 2 dove φ rappresenta la differenza di fase fra il segnale dell oscillatore locale e la portante. Come si vede dalla formula, ottenuta sviluppando con una semplice operazione di trigonometria il prodotto di due coseni, il segnale è composto da una parte in cui compare la somma delle due frequenze cos[2π(f p + f LO )t + φ] 20 p LO

21 e da una parte in cui compare la differenza delle due frequenze cos[2π(f p - f LO )t + φ] La parte di segnale che ci interessa è il segnale differenza, che può essere recuperato attraverso un operazione di filtraggio. Quindi l operazione di sintonia oltre a centrare la banda dell amplificatore RF sul canale che vogliamo ricevere deve anche verificare la seguente relazione: f P f LO = f IF E chiaro che può esistere anche un segnale ad una frequenza f P tale per cui sia anche: f LO f P = f IF Tale frequenza è chiamata frequenza immagine poiché dista 2f IF da f P, cioè f p f p = 2f IF, interferisce con il segnale che vogliamo ricevere e quindi va eliminata. In genere, l eliminazione della frequenza immagine viene effettuata dalla rete adattatrice di ingresso che funge anche da filtro. Il segnale traslato alla frequenza f IF giunge così all amplificatore IF (amplificatore in frequenza intermedia) il quale provvede ad eliminare quanto più possibile il rumore fuori banda, ed è qui che si ha il maggior contributo all amplificazione complessiva del segnale ricevuto. E quindi molto importante la selettività di questo stadio. L amplificatore IF è dotato di un sottosistema per il controllo automatico di guadagno (AGC Automatic Gain Control). Questo dispositivo fa sì che il segnale in ingresso all amplificatore IF sia il più possibile indipendente dal livello del segnale ricevuto. Naturalmente, in assenza di segnale, l AGC tende a massimizzare il guadagno per cui viene amplificato solo il rumore, ma non appena il segnale ricevuto ha una potenza sufficientemente maggiore di quella del rumore, questo viene praticamente cancellato (fenomeno chiamato con il termine inglese di quieting ). 21

22 Il blocco successivo si occupa dell operazione di demodulazione, cioè cerca di ricostruire il messaggio originario al fine di inviarlo all amplificatore in banda base (BB) e quindi all utilizzatore. Il blocco di demodulazione rappresenta quindi il punto di separazione tra i sistemi a banda frazionale stretta e quelli a banda frazionale larga Il componente di base della stazione di terra, il CC1020 Il circuito integrato scelto come componente di base per la stazione di terra è il Chipcon CC1020, prodotto dalla società norvegese Chipcon AS, una sussidiaria dell americana Texas Instruments. Il CC1020 è un dispositivo che realizza le funzioni di un ricetrasmettitore in banda UHF a bassa potenza e a banda stretta. E un componente largamente usato nelle bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) e SRD (Short Range Device) con frequenze programmabili per operare nelle bande da 402 a 470 MHz e da 804 a 940 MHz, ed è particolarmente adatto per sistemi a banda stretta con separazione tra i canali di 12,5KHz e 25KHz. Il componente può essere facilmente programmato e riconfigurato attraverso un bus seriale (SPI) e ciò lo rende molto flessibile e facile da usare. Le sue caratteristiche principali sono: intervallo di frequenza da 402 MHz a 470 MHz; elevata sensibilità, fino a -118 dbm per canali di 12,5 KHz; potenza di uscita programmabile; basso consumo di corrente; bassa tensione di alimentazione; piccole dimensioni; indicatore digital RSSI e carrier sense; data rate fino a Kbaud; modulazione dati OOK, FSK e GFSK; 22

23 sincronizzazione bit integrata; mixer a reiezione di immagine; frequenza programmabile e controllo automatico della frequenza. Il componente scelto consente di soddisfare molti requisiti, principalmente quelli riguardanti dimensioni e consumi. Nella seguente Tabella 2 vengono riportate le condizioni operative del dispositivo. parametro Intervallo di frequenze Intervallo di temperatura di funzionamento Tensione di alimentazione valore minimo valore tipico valore massimo note 402 MHz 433 MHz 470 MHz programmabile con passo inferiore a 300 Hz -40 C +85 C 2.3 V 3.0 V 3.6 V Tabella 2 - Caratteristiche generali del CC1020 Lo schema a blocchi semplificato del CC1020 viene mostrato nella Figura 13, di fonte Chipcon, dove è possibile osservare tutte le funzioni base di un ricetrasmettitore, funzioni di cui abbiamo parlato nei due paragrafi precedenti. 23

24 Figura 13 - Schema a blocchi semplificato del circuito integrato CC1020 Il CC1020 è dotato di un ricevitore a bassa frequenza intermedia. Il segnale a radiofrequenza ricevuto viene amplificato da un amplificatore a basso rumore (LNA e LNA2) e convertito ad una frequenza intermedia più bassa (IF) in quadratura (I e Q). A frequenza intermedia i segnali I e Q vengono filtrati, amplificati e successivamente digitalizzati dai convertitori analogico-digitale (ADC). Il controllo automatico del guadagno, il filtraggio di canale, la demodulazione e la sincronizzazione dei bit vengono realizzate direttamente in digitale dal blocco denominato DIGITAL DEMODULATOR. I dati demodulati vengono forniti in uscita sul piedino DIO direttamente in digitale. Sul piedino DCLK viene fornito un segnale di clock sincrono con i dati. La modulazione utilizzata per la ricetrasmissione dei dati a radiofrequenza è di tipo FSK. La Figura 14 mostra un esempio di modulazione FSK binaria. 24

25 Figura 14 - Esempio di modulazione FSK binaria La traccia gialla rappresenta i dati (linea DIO) che, in questo caso, sono rappresentati da una semplice onda quadra. La traccia blu mostra, invece, la portante modulata. Si può notare che la modulazione FSK consiste essenzialmente nella variazione della portante fra due valori ben stabiliti. In corrispondenza di uno zero logico sulla linea dati, la frequenza della portante viene diminuita e aumentata nel caso sia presente un livello logico alto. Le due frequenze di transizione vengono generate dal sintetizzatore digitale e dai blocchi divisori e sfasatori. La frequenza sintetizzata e modulata viene inviata direttamente all amplificatore di potenza a radiofrequenza (PA). Qui è presente il circuito di interfaccia di uscita rappresentata da una rete LC esterna che ne assicura il massimo trasferimento di potenza tra amplificatore a radiofrequenza e antenna. 25

26 In trasmissione, la frequenza sintetizzata viene inviata direttamente all amplificatore di potenza, denominato PA nello schema della Figura 13. L uscita a radiofrequenza viene modulata digitalmente in frequenza dalla sequenza dati digitali che arrivano dal piedino DIO del blocco denominato DIGITAL MODULATOR. Opzionalmente può essere usato un filtro gaussiano per ottenere una modulazione GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying). Il sintetizzatore di frequenza include un LC VCO (LC Voltage Controlled Oscillator Oscillatore Controllato in Tensione e dotato di un circuito Induttanza Capacità, LC, per l immagazzinamento di energia) completamente integrato nel chip e uno sfasatore a 90 per generare i segnali LO_I e LO_Q per la conversione a una frequenza più bassa in modalità ricezione. Il VCO opera nell intervallo di frequenze da 1,608 GHz a 1,880 GHz. Il piedino CHP_OUT è l uscita charge pump (pompaggio di carica) e VC è il nodo di controllo del VCO integrato nel chip. Un filtro di anello (loop) esterno è messo tra questi due piedini. Un oscillatore a cristallo viene connesso tra i piedino XOSC_Q1 e XOSC_Q2. Il dispositivo in uscita fornisce un segnale che indica l aggancio del PLL (anello ad aggancio di fase). Per la configurazione del dispositivo viene utilizzata l interfaccia seriale SPI a quattro fili. La Figura 15 mostra lo schema elettrico semplificato di connessione del componente, senza i condensatori di disaccoppiamento dell alimentazione. 26

27 Figura 15 - Schema semplificato di interconnessione del CC1020 (fonte Chipcon AS) La stazione di terra richiede l uso di un microcontrollore, che si interfaccia con il CC1020 (vedi Figura 16), per effettuare le funzioni seguenti: programmare le funzioni del ricetrasmettitore attraverso una interfaccia di configurazione seriale a quattro fili (PDI, PDO, PCLK e PSEL); scambiare segnali digitali con l interfaccia dati sincrona bidirezionale (DIO e DCLK); codificare e decodificare dati; monitorare il piedino LOCK per lo stato dell aggancio della frequenza e lo stato del rivelatore di portante; poter eventualmente leggere la telemetria RSSI digitale e altre informazioni sullo stato del dispositivo attraverso l interfaccia seriale a quattro fili: questa funzione nel DTS non è attualmente utilizzata in quanto l RSSI viene rilevato sulla stazione di terra. 27

28 Figura 16 Interfaccia del microcontrollore con il CC1020 Il microcontrollore sfrutta i piedini di ingresso e di uscita (PDI, PDO, PCLK e PSEL) per l interfaccia di configurazione. PDO viene connesso ad un ingresso del microcontrollore mentre PDI, PCLK e PSEL sono connessi alle uscite del microcontrollore. Un piedino di ingresso o di uscita può essere non utilizzato se PDI e PDO sono connessi insieme e un piedino bidirezionale viene usato dal microcontrollore. I piedini del microcontrollore connessi a PDI, PDO e PCLK possono essere usati per altri propositi quando non viene utilizzata l interfaccia di configurazione. Per quanto riguarda l interfaccia del segnale digitale un piedino bidirezionale viene usato per i dati (DIO) che devono essere trasmessi e ricevuti. DCLK fornisce un segnale di temporizzazione dei dati al microcontrollore. Un altro piedino del microcontrollore può essere usato per monitorare il segnale di aggancio del PLL. Il modulo a radio frequenza, come evidenziato in precedenza, viene configurato attraverso una semplice interfaccia SPI compatibile a quattro fili. L interfaccia SPI (Serial Peripheral Interface, Interfaccia Seriale con le Periferiche) è un sistema di comunicazione tra un microcontrollore e altri circuiti integrati o tra più microcontrollori. SPI è un bus standard di comunicazione e la trasmissione avviene tra un dispositivo detto master (padrone) e uno o più dispositivi detti slave (schiavi o asserviti). Il master controlla il bus, emette il segnale di clock, decide quando iniziare e terminare la comunicazione. Il bus SPI è di tipo seriale, sincrono per la presenza di un clock che 28

29 coordina la trasmissione e la ricezione dei singoli bit e che determina la velocità di trasmissione ed è full-duplex in quanto il colloquio può avvenire contemporaneamente in trasmissione e ricezione. I valori dei parametri significativi vengono quindi scritti in registri di controllo interni al chip attraverso i quali è possibile variare la frequenza portante, la potenza di trasmissione, l adiacenza dei canali ecc. Esistono 40 registri di configurazione e 12 registri per il test di funzioni interne al chip. Il byte di indirizzamento viene utilizzato anche per specificare una lettura o una scrittura nel registro relativo. L indirizzo (Figura 17) è composto da 7 bit mentre l ultimo bit specifica il tipo di operazione (R=0, W=1). 8 bit Indirizzo registro R/W 7 bit 1 bit Figura 17 - Il byte di indirizzamento del registro del CC1020 Se viene scritto un registro, si invia l indirizzo con l ultimo bit pari a uno seguito dal valore da memorizzare. I dati vengono scritti sulla linea PDI del chip a radio frequenza. Il sistema è comunemente definito a quattro fili poiché le linee di connessione che portano i segnali sono in genere quattro. La trasmissione dei dati sul bus SPI si basa sul funzionamento dei registri a scorrimento. Ogni dispositivo, sia master che slave, è dotato di un registro a scorrimento interno i cui bit vengono emessi e, contemporaneamente, immessi, rispettivamente, tramite l uscita PDO e l ingresso PDI. Il dispositivo ricetrasmettitore CC1020 è lo slave mentre il microcontrollore è il master. 29

30 Le seguenti figure mostrano un esempio dei segnali di configurazione dei registri del CC1020 in fase di scrittura (Figura 18) e in fase di lettura (Figura 19). Le figure sono tratte dalla documentazione della Chipcon AS. Figura 18 - Configurazione in scrittura dei registri del CC1020 (fonte: Chipcon AS) Figura 19 - Configurazione in lettura dei registri del CC1020 (fonte: Chipcon AS) 30

31 La configurazione dei registri in lettura e in scrittura da parte del microcontrollore avviene attraverso la stessa interfaccia di configurazione. Figura 20 - Esempio di trasferimento di dati NRZ sincroni Figura 21 - Esempio di trasferimento di dati codificati Manchester sincroni 31

32 Il sottosistema di comunicazione è in grado di trasmettere dati NRZ (Non-Return-to-Zero) o dati codificati Manchester. La codifica Manchester assicura che il segnale abbia un componente in Corrente Continua (DC) costante. La Figura 20 e la Figura 21 mostrano esempi di dati NRZ e codificati Manchester trasmessi e ricevuti Le caratteristiche del trasmettitore Le caratteristiche principali del trasmettitore sono elencate nella seguente Tabella 3. parametro valore Note Data rate da 0,45 Kbaud a 153,6 KBaud Separazione in frequenza per FSK binaria 108 KHz massimo Il data rate è programmabile Potenza di uscita da -20 dbm a +10 dbm La potenza di uscita è programmabile Livello armoniche per segnale a 433MHz Emissione spurie -50 dbc (2 a armonica) -50 dbc (3 a armonica) -54 dbm Tabella 3 - Caratteristiche del trasmettitore per il sottosistema di comunicazione Le caratteristiche del ricevitore Le caratteristiche principali Le caratteristiche principali del ricevitore sono elencate nella seguente Tabella 4. parametro valore note Sensibilità per modulazione FSK (per canalizzazione a 12.5KHz e deviazione di frequenza di ±2.025KHz) Sensibilità per modulazione OOK (con codifica Manchester) -118dBm -114dBm (con codifica Manchester) -116dBm (con data rate 2.4Kbaud) -81dBm (con data rate 153.6KBaud) 32 Sensibilità misurata con sequenza PN9 con data rate 2.4KBaud per BER=10-3 Sensibilità misurata con sequenza PN9 per BER=10-3 Saturazione del ricevitore +10dBm Livello massimo di potenza del segnale di

33 Larghezza di banda di rumore del sistema Figura di rumore Selettività (per canalizzazione a 12.5KHz) Desensibilizzazione Reiezione del canale immagine Soppressione frequenza immagine LO leakage VCO leakage Emissione spurie Offset sincronizzazione bit Latenza dei dati da 9.6KHz a 307.2KHz +7dB +41dB +50dB (a ±1MHz) +64dB (a ±2MHz) +64dB (a ±5MHz) +75dB (a ±10MHz) +26dB (senza calibrazione) +49dB (con calibrazione) +36dB (senza calibrazione) +59dB (con calibrazione) < -80dBm -64dBm < -60dBm 8000ppm 4 Baud (con codifica NRZ) 8 Baud (con codifica Manchester) ingresso La larghezza di banda del filtro è programmabile Indica la reiezione delle spurie in banda Indica la reiezione delle spurie fuori banda Tabella 4 - Caratteristiche del ricevitore per il sottosistema di comunicazione La frequenza intermedia (IF) La scelta della frequenza intermedia è vincolata al fatto che il filtro analogico dopo il mixer, integrato nel chip, viene utilizzato per filtraggio a larga banda e anti-alias che è importante per bloccare segnali a 1 MHz e a distanze più ampie in frequenza. Questo filtro è centrato sulla frequenza intermedia nominale di 307,2 KHz. La larghezza di banda del filtro analogico è di circa 160 KHz. Il filtro analogico può essere anche bypassato programmando il chip ma in questo caso il filtraggio a 1 MHz e a offset maggiori sarà degradato. La Tabella 5 seguente descrive le caratteristiche principali della sezione a frequenza intermedia. 33

34 parametro valore note Frequenza intermedia 307,2KHz Larghezza di banda del da 9,6KHz a 307,2KHz La larghezza del filtro filtro di canale digitale digitale è programmabile Tabella 5 - Caratteristiche della sezione a frequenza intermedia del sottosistema di comunicazione Al fine di soddisfare i diversi requisiti di larghezza di canale, la larghezza di banda del filtro di canale, il ricevitore è programmabile. La larghezza di banda minima del filtro di canale del ricevitore dipende dal baud rate, dalla distanza tra le frequenze e dalla tolleranza dell oscillatore a cristallo. La larghezza di banda del segnale deve essere più piccola della larghezza del filtro di canale del ricevitore disponibile La generazione della frequenza di riferimento La frequenza di riferimento per il modulo RF è generata da un oscillatore al cristallo. Le caratteristiche principali dell oscillatore a cristallo sono descritte nella Tabella 6. parametro Frequenza dell oscillatore a cristallo valore 14,7456 MHz Accuratezza della frequenza di riferimento ±5,7 ppm Tabella 6 - Caratteristiche dell oscillatore a cristallo per il sottosistema di comunicazione L accuratezza della frequenza di riferimento dipende dalla tolleranza iniziale a dalle variazioni dovute alla dipendenza dal tempo e dalla temperatura. Questa accuratezza può essere migliorata sfruttando la programmabilità della frequenza PLL ad elevata agilità, a piccoli passi, e la funzione AFC (Automatic Frequency Control). La funzione di controllo automatico della frequenza è una funzione del componente che è in grado di compensare le variazioni della frequenza. Tale funzione memorizza l offset medio della frequenza e lo utilizza per compensare la variazione. 34

35 La frequenza del cristallo viene inoltre utilizzata come riferimento per il data rate (in italiano: la cadenza dei dati digitali) Il sintetizzatore di frequenza La Tabella 7 riporta le caratteristiche principali del sintetizzatore di frequenza. parametro valore note Rumore di fase (per canalizzazione a 12.5KHz) Larghezza di banda del filtro di loop (anello) del PLL (per canalizzazione a 12,5 KHz) Tempo di aggancio del PLL (da ricezione a trasmissione e viceversa, per canalizzazione a 12,5 KHz) Tempo di aggancio del PLL all accensione (per canalizzazione a 12,5KHz) -90 dbc/hz a 12,5 KHz -100 dbc/hz a 25 KHz -105 dbc/hz a 50 KHz -110 dbc/hz a 100 KHz -114 dbc/hz a 1 MHz Portante non modulata a 433 MHz 2,7 KHz Dopo calibrazione PLL e VCO. La larghezza di banda del filtro di loop del PLL è programmabile 900 µs 3,2 ms Tabella 7 - Caratteristiche del sintetizzatore di frequenza per il sottosistema di comunicazione 6.5 L antenna della stazione di terra L antenna della GS, montata direttamente sul modulo RF, è un antenna a monopolo (adattata a 50 Ohm) avente una lunghezza pari a 16,4 cm. 7. Il consumo di potenza elettrica della stazione di terra La stazione di terra in banda UHF è caratterizzato da un consumo di potenza molto basso che lo rende particolarmente adatto ad alimentarlo direttamente dalla porta USB, per la quale gli assorbimenti di corrente devono essere ridotti (fino a 500mA). Gli assorbimenti di corrente del modulo RF sono descritti nella Tabella 8. 35

36 parametro valore note Assorbimento di corrente in ricezione Assorbimento di corrente in trasmissione Assorbimento di corrente dell oscillatore a cristallo, del sintetizzatore di frequenza e resto del circuito 19,9 ma 12,3 ma 14,5 ma (P OUT =-20 dbm) 14,4 ma 17,0 ma (P OUT =-5dBm) 16,2 ma 20,5 ma (P OUT =0dBm) 20,5mA 25,1mA (P OUT =+5 dbm) 27,1 ma (P OUT =+10 dbm) 7,5 ma Utilizzando un oscillatore a cristallo a 14,7456 MHz Tabella 8 - Assorbimenti di corrente del sottosistema di comunicazione Il massimo assorbimento di corrente è circa 35 ma: alimentando il circuito con 3,3 V, il corrispondente consumo di potenza massimo risulta poco più di 100 mw. La tensione di alimentazione disponibile è di 5 V. Per ridurla al valore di 3,3 V si utilizza un regolatore serie, come già descritto nel paragrafo 5.1; questa configurazione comporta un aumento dei consumi di potenza che, nonostante tutto, continuano ad essere molto bassi. Il consumo di potenza massimo reale, includendo cioè le perdite nel regolatore serie, è inferiore ai 200 mw. 8. Le interfacce della stazione di terra Si riassumono in questo paragrafo tutte le interfacce della stazione di terra del DTS. 8.1 Le interfacce elettriche L interfaccia elettrica del sottosistema di comunicazione ha le seguenti caratteristiche: tensione di alimentazione: 5V, BUS USB regolato; corrente assorbita: 20mA; 36

37 tipo di interfaccia dati verso il modulo RF: SPI; tipo interfaccia dati verso il personal computer: USB; tipo di protocollo: standard AX.25 o proprietario IMT; telemetrie: corrente consumata, stato PLL, temperatura, potenza trasmessa; Le interfacce della stazione di terra sono quindi sia di tipo alimentazione che di tipo dati. 8.2 Le interfacce meccaniche La stazione di terra non necessita di fissaggio in quanto viene fornita con torrette di stanziatrici di 1,5 cm. 8.3 Requisiti particolari dovuti all ambiente di funzionamento La stazione di terra funziona all interno di un edificio scolastico e non vi sono particolari requisiti inerenti a vibrazioni, accelerazioni e radiazioni. 8.4 Requisiti di interfaccia termica La stazione di terra è progettata per funzionare nella gamma di temperatura da 40 C a + 85 C, e quindi dal punto di vista termico non pone problemi particolari. 8.5 Interfacce di programmazione ad uso didattico La stazione di terra è completamente interfacciabile con un PC attraverso il quale è possibile definire molte caratteristiche del DTS e controllare le prestazioni dell apparato stesso. La comunicazione con il computer avviene mediante porta USB con connettore standard micro USB. Il software utilizzato per la gestione e il controllo del dimostratore tecnologico satellitare funziona su sistemi operativi Windows XP e superiori. 37

38 9. La realizzazione della stazione di terra La stazione di terra è assiemata su di una scheda a circuito stampato, che comprende sia la parte di elaborazione che quella a radio frequenza. La sola parte che si trova al di fuori della scheda è l antenna, che viene montata sul modulo RF tramite connettore SMA. La Figura 22 mostra il lato superiore del circuito stampato, la Figura 23 mostra il lato inferiore. Figura 22 - Il lato superiore del circuito stampato Figura 23 - Il lato inferiore del circuito stampato Sulla scheda sono presenti inoltre quattro LED (diodi emettitori di luce): LED rosso che segnala quando è in corso una trasmissione sulla portante RF; LED giallo che segnala quando il modulo RF è in ricezione; LED rosso che segnala quando è in corso una trasmissione sulla porta USB; LED giallo che segnala quando la porta USB è in ricezione. 38

39 Sono presenti infine dei condensatori ceramici e al tantalio per il disaccoppiamento dell alimentazione. La scheda riceve quindi la tensione dalla porta USB a 5 V per poi convertirla a 3,3 V tramite un regolatore lineare LDO (Low Drop Out). 39

40 Documento: La stazione di terra del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS) Testi: Michele Marino Illustrazioni: Michele Marino 40