EIRP (Effective Isotropic Radiating Power): consiste nel determinare la EIRP irradiata dal satellite nella direzione della stazione terrena quando,

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1 Telespazio In-Orbit Test Bench "L introduzione dell automazione in questa tipologia di misure, ha permesso migliorie importanti tra cui la riduzione al minimo gli errori di configurazione; minimizzazione dei tempi di realizzazione e, tramite la ripetitività di esecuzione automatica, l introduzione di un analisi statistica della misura stessa." - L. Latessa, TELESPAZIO ( La sfida: L inizio della vita operativa di un satellite per telecomunicazioni è preceduta da una fase di rilevante importanza chiamata In-Orbit-Testing (IOT). Telespazio è chiamata ad effettuare misure atte a certificare il funzionamento del payload. Per realizzare ciò, è stato ideato un sistema di misura composto da strumenti a radiofrequenza controllati con applicativo software realizzato con NI LabVIEW. La soluzione: Per la realizzazione del sistema IOT si utilizza un computer con scheda GPIB di National Instruments al quale vengono collegati tutti i strumenti che, in base alla tipologia di misura, si andranno ad utilizzare. Mediante l utilizzo di LabVIEW come linguaggio di programmazione, é stato realizzato un programma che permette di configurare opportunamente la misura, visualizzare le fasi intermedie, salvare automaticamente i risultati e ripetere il test. Autore (i): L. Latessa - TELESPAZIO ( Breve riassunto L'obiettivo della fase IOT è quello di provare al cliente che il satellite in orbita, confermi tutti i requisiti tecnici contrattualmente richiesti. L introduzione dell automazione in questa tipologia di misure, ha permesso migliorie importanti tra cui la riduzione al minimo gli errori di configurazione; minimizzazione dei tempi di realizzazione e, tramite la ripetitività di esecuzione automatica, l introduzione di un analisi statistica della misura stessa. Conoscendo a priori l affidabilità con cui vengono caratterizzate le grandezze fisiche tipiche di un segnale elettromagnetico come frequenza, potenza e fase, è stato possibile raggiungere per ogni test, la migliore attendibilità di misura. Articolo La realizzazione di un banco di misura automatico si articola in fasi: 1. Individuazione sul mercato degli strumenti adeguati alla tipologia di misura. 2. Realizzazione di un simulatore funzione satellite che riproduce le funzioni di transponder e beacon. 3. Procedurizzazione di tutti i test. Questa fase è funzionale alla trasformazione dei test in diagrammi di flusso per la successiva automazione della misura. 4. Realizzazione a software di tutte le misure. Prima di approfondire il funzionamento del sistema, faremo un breve cenno su due funzioni satellite: beacon e transponder. Il beacon è un segnale trasmesso la cui funzione principale e quella di permettere l inseguimento da terra del satellite. Il transponder è la funzione commerciale di un satellite per telecomunicazioni ovvero, la capacità di ricevere su canali in ingresso, delle portanti che vengono poi ritrasmesse su una vasta area geografica. Le misure da realizzare sono così di due tipi: per beacon e per transponder. Per il transponder è importante il rilevamento del punto di saturazione : il punto della catena di trasmissione da terra oltre il quale, incrementando la potenza in ingresso al satellite, non si ha un corrispondente incremento in uscita. Questa misura, con il satellite in orbita operativa, diventa delicata in quanto alla sua determinazione contribuiscono numerosi fattori tra cui quelli atmosferici: a tal proposito va ricordato che la distanza media di un satellite geostazionario con la terra è di circa km. Misure per beacon Frequenza: consiste nel rilevare la frequenza nominale downlink del beacon considerato, ricevuto direttamente in RF senza conversioni. Il front-end è lo Spectrum Analyzer posto in uscita dell'lna di stazione e agganciato ad un riferimento ad alta stabilità. EIRP (Effective Isotropic Radiating Power): consiste nel determinare la EIRP irradiata dal satellite nella direzione della stazione terrena dal complesso di bordo che svolge le funzioni di beacon. Stabilità di Frequenza: si svolge in due fasi: 1. Rilevamento della frequenza di Beacon. 2. Registrazione dell'andamento temporale della frequenza facendo eseguire allo Spectrum Analyzer misure in sequenza per tutto il tempo nel quale si desidera controllare la stabilità. Stabilità di Potenza: la misura si svolge in due fasi: 1. Rilevamento dell EIRP. 2. Rilevamento l andamento temporale della EIRP, ripetendo a intervalli regolari la misura di tale parametro durante il periodo di tempo dedicato alla prova. Rilievo dell indice di modulazione: consiste nel determinare l'indice di modulazione (di ampiezza AM, di frequenza FM, di fase PM) della modulazione relativa alla portante Beacon irradiata dal satellite nella direzione della stazione terrena. Rumore di fase: consiste nel verificare la capacità dell oscillatore locale di bordo a concentrare potenza su di intervallo di frequenze più stretto possibile: idealmente uno, quello nominale. Isolamento di Polarizzazione: è una delle caratteristiche dell antenna TX del satellite. Alla frequenza nominale downlink del beacon sotto misura, l isolamento in analisi è pari al rapporto, espresso in db, fra le potenze ricevute dalla stazione terrena, in polarizzazione copolare e crosspolare. Misure per transponder Per tutti i test bisogna trasmettere una portante in polarizzazione copolare al centro del canale considerato con un livello tale da portare alla saturazione il satellite. Ciò permette di avere un livello ricevuto dalla stazione di terra il più alto possibile. Per ottenere tali condizioni operative si raggiunge dapprima il punto di saturazione (vedasi misura di EIRP), di seguito, per operare in sicurezza, si riduce la potenza della stazione di terra e con essa l'ipfd di 3, 6, 8 db, a seconda del contesto di misura. Frequenza di Conversione: è il rilevamento della differenza tra la frequenza della portante ricevuta e la frequenza della portante trasmessa dal satellite. A terra il segnale deve essere ricevuto direttamente in RF senza conversioni. Lo Spectrum Analyzer viene collegato all'uscita del LNA di stazione e agganciato al riferimento ad alta stabilità. EIRP (Effective Isotropic Radiating Power): consiste nel determinare la EIRP irradiata dal satellite nella direzione della stazione terrena quando, trasmettendo da terra una portante al centro del transponder considerato, si aumenta il livello del flusso incidente sulla superficie della antenna ricevente del satellite fino a che non siano raggiunte le condizioni di saturazione dell'amplificatore di potenza in uscita. IPFD (Input Power Flux Density): consiste nel determinare, fissato il Gain Step del transponder, il valore del flusso di potenza incidente sulla superficie dell'antenna ricevente del satellite, quando l amplificatore di bordo è nella condizione di saturazione. Stabilità di Frequenza di Conversione: 1. Determinazione della frequenza di conversione del transponder che costituisce il valore iniziale al tempo zero del parametro di cui si vuol controllare la stabilità; 1/5

2 stabilità; 2. Registrazione dell'andamento temporale della frequenza di conversione mantenendo rigorosamente costante la frequenza di up link e facendo eseguire allo Spectrum Analyser misure in sequenza per tutto il tempo nel quale si desidera controllare la stabilità. Stabilità di EIRP: 1. Determinazione del EIRP del transponder che costituisce il valore iniziale al tempo zero di cui si vuol controllare la stabilità. 2. Registrazione dell'andamento temporale ripetendo a intervalli regolari la misura di tale parametro durante il periodo di tempo dedicato alla prova. Nota: durante il test si misura anche la stabilità della EIRP del beacon. Caratteristica di Trasferimento e Guadagno Input/Output (AM AM): determina il punto di saturazione del TWT di bordo applicando esattamente la procedura della misura di EIRP e ricavando in tal modo la coppia dei valori massimi di EIRP ed IPFD; si ripete quindi la misura riducendo la potenza della stazione di terra e quindi il valore di IPFD a passi definiti, fino a raggiungere le condizioni di linearità. Rilievo del fattore di conversione AM PM: consiste nel pilotare con due portanti (di ampiezza fortemente squilibrata) il transponder al punto di saturazione e successivamente eseguire la misura della ampiezza delle singole componenti del relativo spettro di uscita ricevuto a terra. Gli step di misura verranno ripetuti diminuendo a passi definiti la potenza in ingresso fino ai punti di Output Back Off richiesti. Intermodulazione: consiste nel pilotare il transponder satellitare alla saturazione con due portanti (C1 e C2) trasmesse da terra uguali in potenza e opportunamente spaziate in frequenza. Poi si analizza lo spettro d'uscita del TWT di bordo tramite lo Spectrum Analyser a valle del LNA di terra: oltre alle componenti fondamentali C1 e C2 ci saranno, per la particolare non linearità del tubo in saturazione, prodotti di intermodulazione di ordine dispari di cui i maggiori e più importanti sono quelli del terzo ordine. Isolamento di polarizzazione TX: 1. Trasmissione da terra di una portante copolare al centro del transponder considerato. Si prosegue allineando, sulla polarizzazione da satellite, la RX della stazione. In alternativa, se il feed dispone di porta crosspolare, dapprima si minimizza il livello ricevuto in crosspolare, e alla copolare il livello sarà massimo. Si fa quindi la misura della portante ricevuta in copolare come per la misura di EIRP. 2. Si commuta poi la catena ricevente della stazione sulla crosspolare mantenendo assolutamente invariata in trasmissione sia polarizzazione che potenza trasmessa nella fase precedente. Quindi si misura la potenza ricevuta da satellite in crosspolare. L'isolamento di polarizzazione dell antenna TX è pari al rapporto, espresso in db, delle due potenze rilevate. Isolamento di polarizzazione RX: 1. Trasmissione da terra di una portante in copolare al centro del transponder ad un livello di compromesso fra linearità in TX del satellite e la necessità di avere un livello ricevuto il più alto possibile. 2. Allineamento esatto, alla polarizzazione RX del satellite, della polarizzazione TX della stazione. In tali condizioni si misura la portante ricevuta in polarizzazione copolare. 3. Si commuta poi la catena trasmittente sulla polarizzazione crosspolare mantenendo invariata la potenza trasmessa nella fase precedente. Quindi si misura la potenza ricevuta nella copolare. L'isolamento di polarizzazione è pari al rapporto espresso in db delle due potenze ricevute. Variazione di Guadagno: consiste nel determinare la variazione del guadagno del transponder in "Fixed Gain Mode" al variare della posizione dell' attenuatore telecomandabile da terra. La misura viene eseguita in condizioni di saturazione del TWT di bordo. Tale condizione è facilmente determinabile e riproducibile (col metodo del nullo di modulazione) ed è indipendente dalle condizioni atmosferiche del down link. Fattore di Merito G/T: deriva da un calcolo applicato ai risultati di tre diverse misure di potenza ricevuta sulla catena ricevente: 1. Potenza cielo freddo: potenza rilevata spuntando l antenna di terra in azimuth di 10 deg rispetto alla posizione del satellite. 2. Potenza transponder senza portante: misurata puntando il satellite senza però trasmettere nulla dalla stazione di terra. 3. Potenza transponder con portante: misurata puntando il satellite e trasmettendo una portante che fissi il punto di lavoro in zona lineare. Queste misure devono essere eseguite nello stesso punto della catena di ricezione stessa per mezzo: A) Di una testina bolometrica a valle di un filtro di misura calibrato centrato sulla frequenza nominale del canale satellite e con banda di rumore equivalente nota (metodo classico). B) Di un tool specifico dell Analyser che da la possibilità di eseguire la stesse misure di potenza calibrate: il filtro con banda equivalente nota è quello interno dello strumento. La frequenza nominale e quella del canale in analisi (metodo innovativo). Una ulteriore misura deve essere eseguita sulla trasmissione della stazione di terra per rilevare il valore di EIRP di cui tener conto nel calcolo finale di G/T. Ampiezza Frequenza e Ritardo di Gruppo: si esegue utilizzando la capacità di uno strumento microwave analyser in grado di mettere in relazione la portante trasmessa dalla stazione terrena, opportunamente modulata, con la rispettiva portante ricevuta a frequenza diversa. Dalle modifiche in ampiezza e fase, che il transponder impone al segnale campione, si ricavano le due curve ampiezza-frequenza e ritardo di gruppo. Rilievo di Segnali Spuri: può essere eseguita con due modalità diverse: A) Misura in presenza di portante trasmessa da terra. B) Misura in assenza di portante trasmessa da terra. Dai dati di configurazione si sceglie una serie discreta di frequenze su cui fare la ricerca e per ognuna di queste, in successione, si attiva un loop di ricerca spurie. Anche in questo caso, si sfrutta un tool specifico dell analyser che permette la configurazione di una maschera di analisi. Tutti i segnali rilevati oltre la maschera, costituiranno le spurie ricercate. Informazioni sull'autore: L. Latessa TELESPAZIO ( luca.latessa@telespazio.com (mailto:luca.latessa@telespazio.com) 2/5

3 IOT Bench - Rack 01 e Rack 02 Main measure 3/5

4 Main measure Risultato ampiezza frequenza_ritardo di gruppo Trasponder EIRP Frequency e Frequency Conversion 4/5

5 Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 5/5