IL TEST JIG PER IL SOTTOSISTEMA COMMS DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

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1 IL TEST JIG PER IL SOTTOSISTEMA COMMS DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

2 INDICE 1. Introduzione Lista delle abbreviazioni Requisiti e architettura del test jig COMMS I compiti del test jig COMMS Le Interfacce del test jig COMMS Lo schema a blocchi del test jig COMMS I dettagli del progetto Il funzionamento Descrizione del software Descrizione della strumentazione Descrizione delle configurazioni di test Configurazione test trasmettitore Configurazione test ricevitore Test Test sul trasmettitore Potenza del segnale trasmesso Frequenza del segnale trasmesso Spettro del segnale trasmesso Livello delle spurie del segnale trasmesso Corrente assorbita in trasmissione Test sul ricevitore Potenza del segnale ricevuto Rivelazione di segnale Sequenza dati demodulati Valutazione del Bit Error Rate (BER) Corrente assorbita in ricezione

3 1. Introduzione Questo documento descrive l architettura, le caratteristiche di dettaglio, lo schema elettrico, la costruzione ed il montaggio del test jig per il sottosistema COMMS del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS). Il termine test jig è indica un apparato che esegue un test di funzionamento di un sottosistema. 2. Lista delle abbreviazioni RF RadioFrequenza A Unità di misura della intensità di corrente elettrica, secondo il Sistema Internazionale µa microampere, corrisponde ad un milionesimo di Ampere COMMS Sottosistema di comunicazione DUT Device Under Test dispositivo sotto misura ISM Industrial, Scientific and Medical - Banda di frequenza libera compresa tra MHz e MHz DC opp. dc Direct Current, Corrente Continua DTB Dimostratore Tecnologico di Base DTS Dimostratore Tecnologico Satellitare. Se ne parla in questo documento per quanto riguarda l OBDH UHF Ultra High Frequency Banda di frequenza compresa tra 300MHz e 3 GHz EB Evaluation Board scheda di valutazione Hz I/O Hertz, l unità di misura della frequenza di un segnale periodico, secondo il Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1 ciclo al secondo Input/Output, Ingresso/Uscita. La funzione ed i circuiti di un computer per gestire i dati in ingresso e in uscita MHz megahertz, 1 Milione di Hertz DIO Digital I/O ingresso/uscita digitale MW Momentum Wheel (Ruota di inerzia) OBDH On Board Data Handling, Elaborazione Dati a Bordo Ω RAM Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale Random Access Memory, Memoria ad Accesso Casuale. Indica la memoria accessibile in lettura e scrittura normalmente utilizzata nei computer DCLK Digital CLocK linea clock digitale SMA Connettore per trasmissioni a radiofrequenza 3

4 SPI Serial Peripheral Interface, Interfaccia Seriale con le Periferiche BNC Connettore per trasmissione a radiofrequenza V Volt: unità di misura della differenza di potenziale elettrico, secondo il Sistema Internazionale 3. Requisiti e architettura del test jig COMMS Il test jig COMMS realizza la funzione di testing del modulo RF e sfrutta solo la capacità e la flessibilità di due board collegate, attraverso interfaccia parallela, a due personal computer. Il sottosistema di comunicazione in banda ISM UHF (frequenza portante centrata intorno ai 433MHz) per il DTS EduSAT costituisce lo strumento di comunicazione tra il satellite e la stazione di terra. L apparato è in grado di ricevere e trasmettere segnali a distanza, utilizzando segnali a radiofrequenza, per scambiare informazioni riguardanti lo stato del dimostratore (telemetrie) e le operazioni da eseguire (comandi). Tutti i parametri significativi dei moduli RF possono essere visualizzati e modificati attraverso un software freeware della Texas Instruments: SmartRF Studio. 3.1 I compiti del test jig COMMS I compiti affidati al test jig COMMS sono i seguenti: valutare le prestazioni del dispositivo RF in trasmissione ed in ricezione; valutare le caratteristiche del segnale trasmesso in trasmissione; verificare la correttezza della sequenza dei dati demodulati in ricezione; valutazione dei parametri in trasmissione quali potenza del segnale trasmesso, frequenza del segnale trasmesso, spettro del segnale trasmesso, livello delle spurie del segnale trasmesso, corrente assorbita in trasmissione; valutazione dei parametri in ricezione quali Potenza del segnale ricevuto, Rivelazione di segnale, Sequenza dati demodulati, Calcolo Bit Error Rate (BER), Corrente assorbita in ricezione. 4

5 3.2 Le Interfacce del test jig COMMS Il termine interfaccia viene usato molto frequentemente, e non solo in ambito tecnico, per indicare le modalità di incontro e di scambio di informazioni fra due o più entità, in genere simili. Il test jig si interfaccia con il personal computer attraverso un cavo multipolo a 25 pin ovvero, tramite interfaccia parallela standard (Figura 1). Figura 1 - Le interfacce del test jig COMMS Analizziamo la figura: alla sinistra del test jig troviamo il personal computer, che, attraverso il programma SmartRF Studio, consente di monitorare e modificare tutti i parametri del modulo RF; in alto troviamo l alimentatore che alimenta direttamente la scheda a 3.3V oppure fornisce una tensione non regolata 4 10V al regolatore integrato sulla board di valutazione; infine è presente la strumentazione di laboratorio per la valutazione dei parametri elettrici caratteristici del modulo RF. 5

6 3.3 Lo schema a blocchi del test jig COMMS Nell architettura del test jig, riportata in Figura 2, si distinguono i seguenti blocchi funzionali: l interfaccia parallela verso il PC; il blocco di alimentazione della scheda di valutazione; la connessione del modulo a radio frequenza; l interfaccia digitale per la valutazione dei segnali di clock e dati mediante oscilloscopio o analizzatore logico; l interfaccia analogica (connettore SMA d antenna) per la connessione di un generatore di segnale o analizzatore di spettro. Figura 2 - Lo schema a blocchi del test jig COMMS La connessione al personal computer consente di avere un quadro completo di tutti i parametri digitali e analogici che caratterizzano il DUT (Device Under Test). Attraverso l applicazione SmartRF Studio è possibile visualizzare e modificare i parametri del modulo RF come la frequenza portante, la corrente assorbita, il livello di potenza del segnale ricevuto, etc. Il blocco di alimentazione fornisce la potenza al circuito: già regolata a 3.3V; compresa tra 4V e 10V, regolata a 3.3V dal regolatore presente sulla board. 6

7 L interfaccia digitale fornisce i dati demodulati sincronizzati dalla linea di clock, mentre l interfaccia analogica consente di analizzare lo spettro del segnale ricevuto nonché inviare un segnale RF modulato in frequenza per valutare la bontà della trasmissione. 4. I dettagli del progetto I test sul sottosistema di comunicazione vengono effettuati per valutare le prestazioni del dispositivo in trasmissione e in ricezione e si realizzano collocando il ricetrasmettitore in banda UHF, mostrato in Figura 3, sulla EB, rappresentativa del sottosistema che verrà integrato nel DTS e adatta al test. La Figura 4 mostra l immagine della EB del sottosistema di comunicazione in cui viene evidenziato l alloggiamento per il ricetrasmettitore. Figura 3 - Ricetrasmettitore in banda UHF Figura 4 - Alloggiamento ricetrasmettitore in banda UHF La EB dopo aver connesso il ricetrasmettitore in banda UHF in maniera opportuna, ossia con il connettore SMA rivolto verso il lato esterno, ha l aspetto mostrato in Figura 5. 7

8 Figura 5 - Evaluation board con il ricetrasmettitore installato La EB del sottosistema di comunicazione, oltre ad avere l alloggiamento per il ricetrasmettitore, è dotata di un connettore per l alimentazione, mostrato in Figura 6, che consente il collegamento del dispositivo alla sorgente di alimentazione. La EB può essere connessa direttamente ad un sorgente di tensione di +3V e massa oppure ad una compresa tra +4V e +10V e massa, come mostrato in Figura 7. Figura 6 - Posizione del connettore alimentazione 8

9 Figura 7 - Connettore alimentazione La EB è dotata anche di una porta parallela, connettore DB25 evidenziato in Figura 8, per il collegamento al PC e di due connettori SMA, DIO e DCLK evidenziati in Figura 9, per il collegamento ad un oscilloscopio o un analizzatore logico. I connettori DIO e DCLK sono necessari per effettuare i test e la loro presenza sulla EB semplifica notevolmente il test rendendolo adatto agli scopi didattici. Figura 8 - Posizione del connettore per il collegamento al PC DCLK DIO Figura 9 - Posizione dei connettori DIO e DCLK 9

10 Il ricetrasmettitore in banda UHF è provvisto di un connettore SMA, evidenziato in Figura 10, per il collegamento dell antenna a dipolo. 5. Il funzionamento Figura 10 - Posizione del connettore per l antenna In questa sezione verrà descritto il funzionamento e le procedure di test. 5.1 Descrizione del software Il ricetrasmettitore in banda UHF, prima di essere testato, deve essere opportunamente configurato attraverso il settaggio dei registri interni. Nel sottosistema di comunicazione integrato nel DTS tale compito è svolto da un microcontrollore mentre nell EB è necessario utilizzare un PC. La configurazione dell apparato avviene connettendo ad un PC la EB alimentata ed utilizzando il software SmartRF Studio. SmartRF Studio consente di impostare tutti i parametri del ricetrasmettitore e di effettuare, durante i test 1, alcune misure sulle prestazioni del dispositivo stesso. Il software è facile da utilizzare e ciò lo rende adatto, per scopi didattici, al test dell apparato. Inoltre è dotato, per ogni parametro, di un breve spiegazione in inglese, visibile premendo il tasto info, che consente una rapida comprensione delle azioni da eseguire. In Figura 11 viene mostrata la schermata generale del software. 1 I parametri di settaggio vengono automaticamente cancellati ogni volta che viene tolta l alimentazione, quindi è necessario effettuare questa procedura ad ogni inizio del test. 10

11 Figura 11 - Schermata generale del software 5.2 Descrizione della strumentazione Per effettuare i test sul ricetrasmettitore in banda UHF sono necessari i seguenti strumenti: PC; alimentatore; generatore di segnale; analizzatore di spettro; oscilloscopio. Il PC utilizzato per configurare il ricetrasmettitore deve avere la porta parallela, sistema operativo Windows e una memoria RAM da 128MB minimo. L alimentatore deve essere opportunamente connesso alla EB in base alla tensione fornita secondo la figura 6. 11

12 Il generatore di segnale, necessario per testare il ricetrasmettitore in modalità ricezione, deve essere in grado di fornire un segnale in banda UHF (433MHz 434MHz) con ampiezza inferiore a -10dBm modulato digitalmente di frequenza. L analizzatore di spettro, necessario per testare il ricetrasmettitore in modalità trasmissione, deve essere in grado di mostrare lo spettro di segnali in banda UHF (433MHz 434MHz). L oscilloscopio utilizzato durante i test deve analizzare segnali aventi frequenze inferiori a 200KHz. La strumentazione deve essere opportunamente collegata alla EB utilizzando gli appositi connettori, descritti in precedenza, secondo il diagramma a blocchi mostrato in Figura 12. Figura 12 - Schema a blocchi connessione strumentazione 5.3 Descrizione delle configurazioni di test Le configurazioni utilizzate per effettuare i test sul ricetrasmettitore, descritte nei prossimi paragrafi, sono due: configurazione test trasmettitore, per i test di trasmissione; configurazione test sul ricevitore, per i test di ricezione Configurazione test trasmettitore La configurazione test trasmettitore, mostrata in Figura 13, è la configurazione di test utilizzata per poter misurare le prestazioni del modulo RF in trasmissione. 12

13 Power Supply Antenna RF module Analizzatore di spettro Evaluation Board Figura 13 - Configurazione di test per il trasmettitore La configurazione test trasmettitore è composta dalla EB con il dispositivo RF montato, da un PC e da un analizzatore di spettro. Il PC deve essere connesso all apparato, mediante cavo a 25 poli, alla porta parallela mentre l analizzatore di spettro deve essere connesso al connettore dell antenna mediante un cavo SMA Configurazione test ricevitore La configurazione test ricevitore, mostrata in Figura 14, è la configurazione di test utilizzata per poter misurare le prestazioni del modulo RF in ricezione. Figura 14 - Configurazione di test per il ricevitore La configurazione test ricevitore è composta dalla EB con il dispositivo, da un PC, da un generatore di segnale e da un oscilloscopio. Il PC deve essere connesso alla EB, mediante cavo a 25 poli, alla porta parallela; il generatore di segnale deve essere connesso alla porta 13

14 dell antenna mediante un cavo SMA; l oscilloscopio deve essere connesso ai connettori DIO e DCLK mediante cavi SMA/BNC. 6. Test I test sul sottosistema di comunicazione si dividono in funzione della modalità di funzionamento dell apparato stesso. I test sono dunque suddivisi in: test sul trasmettitore; test sul ricevitore. 6.1 Test sul trasmettitore I test in trasmissione sul sottosistema di comunicazione consentono di valutare le prestazioni dell apparato quando viene inviato un segnale contenente informazioni. I test in trasmissione, che si basano sulla configurazione di test descritta precedentemente e il cui schema a blocchi viene mostrato in Figura 13, sono i seguenti: potenza del segnale trasmesso; frequenza del segnale trasmesso; spettro del segnale trasmesso; livello delle spurie del segnale trasmesso; corrente assorbita in trasmissione Potenza del segnale trasmesso La potenza del segnale trasmesso viene misurata dall analizzatore di spettro. Questa misura ci consente di valutare se la potenza del segnale trasmesso corrisponde al valore impostato con il PC, come mostrato nella Figura 15. Figura 15 - Selezione potenza del segnale trasmesso La potenza del segnale trasmesso viene misurata in assenza di modulazione (senza trasmissione dati), con modalità impostata come in Figura

15 Figura 16 - Selezione modalità di funzionamento La misura deve essere effettuata solo dopo che si è verificato l aggancio alla frequenza selezionata (Lock indicator In lock: 0), aggancio che deve essere controllato continuamente. Figura 17 - Selezione controllo aggancio Figura 18 - Indicatore di aggancio Frequenza del segnale trasmesso La frequenza del segnale trasmesso viene misurata dall analizzatore di spettro ed in assenza di modulazione, come la potenza trasmessa, e deve corrispondere a quella impostata utilizzando il software, come mostrato nella Figura 19. Figura 19 - Selezione frequenza del segnale trasmesso Spettro del segnale trasmesso Lo spettro del segnale trasmesso viene misurato dall analizzatore di spettro in modalità di trasmissione di una sequenza pseudorandom, come mostrato in Figura 20. Figura 20 - Selezione della modalità di funzionamento L analisi spettrale ci consente di valutare, a seconda del tipo di modulazione selezionato, l occupazione di banda del segnale e la separazione in frequenza. Figura 21 - Selezione della modulazione del segnale trasmesso 15

16 6.1.4 Livello delle spurie del segnale trasmesso Il livello delle spurie del segnale trasmesso viene misurato dall analizzatore di spettro in assenza di modulazione e consente di stabilire la potenza di segnali indesiderati in prossimità della frequenza di trasmissione Corrente assorbita in trasmissione La corrente assorbita in trasmissione viene misurata utilizzando un multimetro connesso ai terminali IIN e IOUT del connettore di alimentazione, come mostrato in Figura 7. Questa misura, il cui valore tipico viene indicato dal software, consente di stabilire la potenza assorbita dall apparato in trasmissione. Figura 22 - Indicatore corrente assorbita tipica 6.2 Test sul ricevitore I test in ricezione sul sottosistema di comunicazione consentono di valutare le prestazioni dell apparato quando viene ricevuto un segnale contenente informazioni. I test in ricezione, che si basano sulla configurazione di test descritta precedentemente e il cui schema a blocchi viene mostrato in Figura 14, sono i seguenti: potenza del segnale ricevuto; rivelazione di segnale; sequenza dati demodulati; valutazione del Bit Error Rate (BER); corrente assorbita in ricezione Potenza del segnale ricevuto La potenza del segnale ricevuto viene misurata utilizzando il software. Il valore del livello di energia del segnale ricevuto viene fornito nell apposita casella come mostrato in Figura 23. Figura 23 - Indicatore potenza segnale ricevuto 16

17 La potenza del segnale ricevuto viene misurata in assenza di modulazione (senza ricevere dati), con modalità impostata come in Figura 24. Figura 24 - Selezione modalità di funzionamento La misura deve essere effettuata solo dopo che si è verificato l aggancio alla frequenza selezionata (Lock indicator In lock: 0), aggancio che deve essere controllato continuamente. Figura 25 - Selezione controllo aggancio Figura 26 - Indicatore di aggancio Rivelazione di segnale La rivelazione di segnale avviene mediante il software SmartRF Studio. Questa misura avviene impostando di quanto il livello del segnale deve essere più grande della sensibilità del ricevitore (Figura 27). Figura 27 - Selezione livello del segnale da rivelare rispetto alla sensibilità del ricevitore La rivelazione del segnale viene data nella finestra Board Control Diagnose, mostrata in figura, in cui il valore dello status del Carrier Sense 1 indica l avvenuta rivelazione (Figura 28). 17

18 Figura 28 - Finestra di controllo Board Control Diagnose Sequenza dati demodulati La sequenza dati demodulati viene analizzata mediante l analizzatore di stadi logici. Il generatore di segnale fornisce, in ingresso al ricevitore, un segnale modulato di frequenza (FSK o GFSK), con opportuna distanza in frequenza, da una sequenza dati preimpostata. L analizzatore di stadi logici consente di osservare la sequenza demodulata dal ricevitore ed eventualmente confrontare con la sequenza dati modulante. Per poter effettuare questa misura è necessario impostare, attraverso il software, la frequenza di ricezione, la distanza in frequenza, il data rate, il data format e la modulazione, come mostrato nelle seguenti figure. Figura 29 - Selezione modalità di funzionamento Figura 30 - Selezione frequenza di ricezione Figura 31 - Selezione distanza in frequenza Figura 32 - Selezione data rate 18

19 Figura 33 - Selezione data format Figura 34 - Selezione della modulazione Valutazione del Bit Error Rate (BER) Tutte le misure finora descritte per il ricevitore posso essere ripetute utilizzando, al posto del generatore di segnale, un altra EB configurata in trasmissione come mostrato nella Figura 35 e Figura 36. Power Supply Evaluation Board RF module DCLK DIO Generatore onda quadra Figura 35 - Schema impostazione trasmettitore Figura 36 - Schema impostazione ricevitore 19

20 Il test consiste nell inviare una sequenza digitale in ingresso al trasmettitore e verificare sul ricevitore quanti bit sono stati persi durante la comunicazione. Se il generatore di forma d onda possiede un solo canale, si può pensare di pilotare le linee DCLK e DIO con la stessa forma d onda (quadra) per esempio a 2400 bps. Si trasmetterà una sequenza di 2400 bit ogni secondo composti da zero e uno adiacenti. Dal lato ricevitore si riceve la sequenza, per esempio su 1 secondo di acquisizione (2400 bit) e si contano il numero di bit ricevuti in modo errato. In questo caso il BER è dato appunto dal rapporto tra il numero di bit errati e il numero totale di bit ricevuti (2400) Corrente assorbita in ricezione La corrente assorbita in ricezione viene misurata utilizzando un multimetro connesso ai terminali IIN e IOUT del connettore di alimentazione, come mostrato in Figura 7. Questa misura, il cui valore tipico viene indicato dal software, consente di stabilire la potenza assorbita dall apparato in ricezione. Figura 37 - Indicatore corrente assorbita tipica 20

21 Documento: Il test jig per il sottosistema COMMS del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS) Testi: Michele Marino Illustrazioni: Michele Marino 21