FACOLTÀ DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE, INFORMATICA E STATISTICA. TESI di LAUREA in PROPAGAZIONE ELETTROMAGNETICA

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1 FACOLTÀ DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE, INFORMATICA E STATISTICA Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica TESI di LAUREA in PROPAGAZIONE ELETTROMAGNETICA STAZIONE RICEVENTE DEL SATELLITE ALPHASAT IN BANDA Ka E Q: PROGETTO, REALIZZAZIONE E SPERIMENTAZIONE Laureando Augusto M. Marziani Relatore Prof. Frank S. Marzano Correlatori Ing. Elio R. Restuccia Fernando Consalvi Anno Accademico

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3 Indice Elenco delle figure 3 1 Introduzione Argomento ed obiettivi dell elaborato Sommario dei capitoli Descrizione della tematica Le comunicazioni satellitari Alphasat e il TDP La stazione ricevente Ricevitore in banda Ka Ricevitore in banda Q Sistemi ausiliari Cyber physical systems Stazione meteo Radiometro a 90 GHz Software di acquisizione dati Analisi dei dati acquisiti 36 6 Conclusioni e sviluppi futuri 40 7 Ringraziamenti 42 Appendice A Modelli ITU e attenuazione supplementare 44 Appendice B Codice Arduino termostato 52 Appendice C Codice Arduino inclinometro 58 Appendice D Codice C# software acquisizione dati (V1.0) 60 Bibliografia 72 2

4 Elenco delle figure 2.1 I vari tipi di orbite Il satellite Alphasat Alphasat TDP5 Aldo Paraboni" La stazione ricevente Front-end del ricevitore Cifra di rumore dell LNA e filtri Risposta in frequenza del filtro Risposta in frequenza dell LNA con filtri Schema a blocchi del downconverter Frequenze immagine del downconverter Stazione ricevente in banda Q[23] Particolare dell antenna con tubo per essiccatore e guarnizione di protezione della guida d onda Installazione della stazione in banda Q (a) Il ricevitore a vista (b) Il ricevitore con la copertura protettiva Architettura del controllo temperatura Shield controllo temperatura Test 4 ore LNA in camera climatica. Temperatura Ricevitore in banda Q: test in camera climatica Orbita del satellite Alphasat e antenna con HBW di Orbite del satellite Alphasat relative alla stazione di Roma ISCTI. 29 (a) Maggio (b) Settembre (c) Dicembre (d) Maggio (e) Settembre (f) Ottobre Protocollo di comunicazione dell inclinometro Schema funzionale del controllo di elevazione Il disdrometro e le sue funzioni (a) Il disdrometro

5 Elenco delle figure (b) Grafico dimensione-velocità Schema a blocchi di un radiometro di Hach Modello tridimensionale del radiometro a 90 GHz Scheda dual face per l acquisizione dei segnali (a) Progettazione della scheda (b) Scheda per la ricezione dei segnali GUI del software di aquisizione dati Esempio di acquisizione dati Ingrandimento del periodo affetto da pioggia Filtro di Chebyshev del primo ordine Data detrending Algoritmo di detrending Correlazione pioggia attenuazione Architettura dell acquisizione dei dati meteo Stazione ricevente del satellite Alphasat in banda Ka e Q A.1 Schematizzazione del segmento terra-spazio per il calcolo di A r [12] 45 A.2 Attenuazione dovuta a gas atmosferici [13] A.3 Andamento di γ C al variare della frequenza[9] A.4 Scintillazione ionosferica[3]

6 Capitolo 1 Introduzione 1.1 Argomento ed obiettivi dell elaborato Il continuo sviluppo tecnologico e l aumentata richiesta di banda per dispositivi di ogni genere ha portato la ricerca a spingersi su frequenze sempre più alte, onde evitare la saturazione delle bande fino ad ora utilizzate e garantire un bitrate sempre più elevato. In questo scenario si inserisce lo studio sviluppato in questa tesi. Il dipartimento di Ingegneria Elettronica e Telecomunicazioni della Sapienza", in collaborazione con l Istituto Superiore delle Comunicazioni e Tecnologie dell informazione" (ISCTI - Ministero dello Sviluppo Economico - Dipartimento per le Telecomunicazioni) e la Fondazione Ugo Bordoni" ha aderito ad un progetto dell Agenzia Spaziale Europea" (ESA) riguardo lo studio di propagazione atmosferica di segnali in banda Ka e Q. In particolare l esperimento in questione é il TDP5" (Technology Demonstration Payload 5) denominato Aldo Paraboni" in memoria del celebre professore che ha dato inizio a questi studi. Questo carico sperimentale è installato a bordo del satellite commerciale per telecomunicazioni Alphasat grazie ad un accordo tra Agenzia Spaziale Europea e la società INMARSAT e consiste di due trasmettitori di beacon alle frequenze rispettivamente di GHz per la banda Ka e di GHz per la banda Q. La partecipazione alla sperimentazione ha condotto alla progettazione, realizzazione e installazione di due ricevitori alle frequenze sopra citate. Si è poi realizzato un software per l acquisizione dei dati relativi alla potenza ricevuta e sviluppata una prima analisi combinando questi dati con quelli di una stazione meteo posizionata a pochi metri dai ricevitori. L obiettivo è quello di confrontare i dati sperimentali con quelli ottenuti tramite la simulazione dei modelli di propagazione forniti dall ITU-R ( International Telecommunication Union - Radiocommunication sector") per esaminare la possibilità di estendere alle comunicazioni consumer queste bande di frequenze. Come vedremo l utilizzo di bande a frequenze così elevate permette si di avere una maggiore larghezza di banda disponibile, ma al crescere della frequenza presenta sempre più forti problemi di propagazione dovuti alle 5

7 1.2. SOMMARIO DEI CAPITOLI condizioni meteorologiche del canale di trasmissione. Peculiarità della realizzazione delle due stazioni è l utilizzo di componenti di recupero provenienti da ricevitori oramai in disuso e quindi la loro natura low cost. Ogni singolo componente è stato ricondizionato, caratterizzato ed adattato alle frequenze del TDP5 presso i laboratori dell ISCTI per accertarsi del corretto funzionamento alle nuove frequenze. Questo studio è stato realizzato in due fasi. Nella prima sono state effettuate simulazioni di propagazione tramite modelli probabilistici in modo da poter caratterizzare la tratta nelle due bande di interesse e, di conseguenza, sono stati dimensionati i componenti dei ricevitori in modo da rispettare le specifiche ESA. La seconda parte, trattata in questa tesi, riguarda invece l implementazione dei ricevitori, la loro installazione, i sistemi di supporto, la ricezione dei dati ed una prima analisi. I dati relativi alle simulazioni, per brevità, possono essere trovati in appendice. 1.2 Sommario dei capitoli Nel primo capitolo saranno descritte in maniera generale le comunicazioni satellitari partendo da alcuni cenni storici. Sarà poi esaminato nel dettaglio il satellite Alphasat e le caratteristiche della stazione trasmittente. Si andrà poi con i due capitoli successivi a descrivere in maniera dettagliata rispettivamente la stazione ricevente in banda Ka e Q. Successivamente vedremo gli strumenti di supporto alle misure del segnale, in ordine la stazione meteo nella sua completezza e poi i Cyber Physical Systems utilizzati per il corretto funzionamento dei ricevitori. Proseguiremo con la descrizione del software di acquisizione dati realizzato appositamente per questo progetto e nel capitolo successivo verranno fatti un analisi qualitativa dei dati ricevuti e un confronto con i dati meteorologici acquisiti. Per concludere i risultati ottenuti per il ricevitore Alphasat verranno confrontati con le specifiche ESA, verranno sottoposti alcuni problemi e suggerite soluzioni e azioni future da intraprendere per continuare a partecipare attivamente a questa sperimentazione. 6

8 Capitolo 2 Descrizione della tematica 2.1 Le comunicazioni satellitari La necessità di raggiungere una maggiore quantità di utenti, di percorrere distanze maggiori e luoghi remoti ha trascinato il mondo delle telecomunicazioni nell era dello spazio. Nel 1945 lo scrittore di fantascienza Arthur C. Clarke ipotizzò la realizzazione di sistemi satellitari geostazionari, il lancio dello Sputnik da parte dell Unione Sovietica avvenne solo tredici anni dopo, nel 1957[4]. Lo Sputnik non era un satellite geostazionario, in quanto le tecnologie missilistiche dell epoca non permettevano il lancio di un satellite a distanze così elevate.il lancio di questi satelliti nei primi anni 60 catapultò l intera società in una nuova era di comunicazione globale che da quei giorni in poi ha segnato ogni comportamento umano. La ricerca militare in tale ambito permise uno sviluppo ancora più rapido di queste tecnologie. I satelliti a bassa orbita, infatti, permettevano comunicazioni rapide da e per qualsiasi parte del globo. Nel luglio 1963 la NASA (National Aeronautics and Space Administration) in collaborazione con il dipartimento della difesa effettuò il lancio del primo satellite geostazionario per scopi militari, appartenente alla famiglia Syncom. Solo nel 1965 il primo satellite geostazionario commerciale per telecomunicazioni raggiunse la sua orbita, Early Bird (noto anche come Intelsat I)[21]. La data di nascita delle comunicazioni satellitari commerciali è segnata dalle prime comunicazioni regolari avvenute tra Stati Uniti ed Europa, nel giugno del La rapidità dei progressi in questo ambito ha superato tutte le previsioni. Da allora le reti di comunicazioni terrestri in unione a quelle radiomobili e satellitari e alle nuove tecnologie wireless in simbiosi con le tecnologie informatiche hanno portato all era dell Information Technology in cui virtualmente chiunque può essere parte dell economia globale. Un sistema di comunicazione satellitare è costituito da due segmenti indipendenti, quello terrestre e quello spaziale (eventualmente costituito da più satelliti in comunicazione tra loro). Il segmento da terra verso il satellite viene chiamato UpLink mentre quello dal satellite verso il ricevitore terrestre Do- 7

9 2.1. LE COMUNICAZIONI SATELLITARI wnlink. Attravero l UpLink possono viaggiare dati che il satellite deve a sua volta trasmettere verso altre stazioni riceventi oppure segnali di controllo e interrogazione dei sensori del satellite. Naturalmente i due tipi di stazioni di trasmissione presentano caratteristiche molto diverse tra loro. Anche attraverso il DownLink possono essere trasmessi dati riguardanti il controllo del satellite. Il canale di trasmissione è l aria e le frequenze utilizzate sono nella fascia delle microonde. Nella tabella è visibile la suddivisione dello spettro elettromagnetico e il diverso utilizzo delle varie bande. Servizio Banda di frequenza tipica Sigla per il DownLink/UpLink FSS 4/6GHz Banda C (Fixed Satellite Service) 7/8GHz Banda X 12 11/14GHz Banda Ku 20/30GHz Banda Ka 40/50GHz Banda V MSS 1.5/1.6GHz Banda L (Mobile Satellite Service) 20/30GHz Banda Ka BSS 2.2/2GHz Banda S (Broadcasting Satellite Service) 12GHz Banda Ku 2.5/2.6GHz Banda S Tabella 2.1: Utilizzo dello spettro elettromagnetico[16] Le comunicazioni satellitari presentano ad oggi molti vantaggi rispetto a quelle terrestri e radiomobili, tra queste la più evidente è l area di copertura. Nessun altro sistema a terra infatti è equiparabile ad un sistema satellitare in quanto a superficie raggiunta e possibilità di raggiungere luoghi remoti. Questo, in aggiunta all assenza di costi di cablaggio e alla necessità di intervento minima del personale a terra, permette un rapporto costo/prestazioni altrimenti irraggiungibile. Il secondo indiscutibile vantaggio è la banda disponibile, un sistema in banda Ka, ad esempio, offre un bitrate nell ordine dei Gbs/s[22]. Esistono cinque tipologie di satelliti, quelli geostazionari (GEO - Geostationary Earth Orbit), quelli ad orbita intermedia (MEO - Middle Earth Orbit), quelli ad orbita bassa (LEO - Low Earth Orbit), quelli ad orbita ellittica e quelli ad orbita ibrida. I satelliti GEO sono situati all incirca a Km sopra l equatore e ruotano con velocità angolare pari a quella della terra.un singolo satellite GEO permette una copertura di circa un terzo della superficie terrestre, per questo motivo sono largamente utilizzati per comunicazioni internazionali e di tipo broadcasting. Tuttavia proprio la loro staticità impedisce 8

10 2.1. LE COMUNICAZIONI SATELLITARI di raggiungere zone a latitudini maggiori di 60, il che include molte delle capitali europee. Altri vantaggi offerti dai satelliti GEO sono l assenza di discontinuità del servizio e il minimo slittamento in frequenza dovuto all effetto Doppler[24]. Figura 2.1: I vari tipi di orbite Detta anche Intermediate Circular Orbit l orbita di tipo MEO ha un periodo di circa 6 ore e richiede una serie di satelliti ad una distanza di circa 10000Km per coprire l intero globo. L orbita di tipo LEO un orbita circolare ad un altitudine di diverse centinaia di chilometri. Il periodo di rivoluzione è nell ordine di un ora e mezza con un inclinazione di circa 90. Questo in aggiunta alla rotazione terrestre sull asse polare permette l illuminazione su lungo termine dell intera superficie terrestre. Per questo motivo questa tipologia di orbita viene spesso scelta per satelliti da osservazione, mentre per telecomunicazione sarebbe necessario l utilizzo di una costellazione di diverse decine di satelliti, come ad esempio il servizio IRIDIUM con 66 satelliti. L utilizzo di orbite ellittiche rappresenta la soluzione ai problemi di illuminazione a latitudini prossime ai poli. E stata utilizzata per la prima volta dall URSS per il sistema MOLNYA con un periodo di rivoluzione di 12 ore. I sistemi ad orbita mista invece adottano combinazioni di orbite circolari ed ellittiche per rispondere a particolari esigenze del committente. 9

11 2.2. ALPHASAT E IL TDP5 2.2 Alphasat e il TDP5 L ESA, in collaborazione con il CNES (Centre National d Ètudes Spaciales), per trovare una risposta alla crescente richiesta ha dato vita al progetto Alphabus. I satelliti di questa serie, che hanno orbita geostazionaria, prestazioni di livello altissimo e una grande capacità di carico, il che vuol dire maggiori servizi offerti agli utenti. Con una massa di carico di 15000Kg e una potenza dedicata agli strumenti di KW i satelliti della serie Alphabus rendono possibile il lancio di 190 transponder e fino a 12 antenne a riflettore. Per l occasione l ESA ha concesso agli operatori del settore l opportunità unica di lanciare i propri carichi già con il primo satellite della serie chiamato Alphasat. Questa offerta è stata raccolta da INMARSAT e il lancio del satellite tramite un razzo Ariane 5 è avvenuto il 25 luglio Figura 2.2: Il satellite Alphasat Alphasat è un satellite geostazionario. È il più grande satellite per telecomunicazioni europeo con una massa di 6650 Kg e 40 m di apertura alare con i pannelli solari spiegati. Incorpora la prima unità della piattaforma Alphabus e grazie alla partnership ESA-Inmarsat, ospita a bordo sia servizi per gli utenti che sistemi di sviluppo per nuove tecnologie. Infatti, oltre al ripetitore in banda L INMARSAT, Alphasat ospita a bordo quattro Tecnology Demonstration Payloads: TDP1: un terminale di comunicazione laser per dimostrare la possibilit di comunicazione tra satelliti in orbite GEO con satelliti in orbite LEO TDP5: esperimento di comunicazione in banda Ka e Q-V per testare il comportamento e ipotizzare un futuro utilizzo di queste frequenze a livello commerciale 10

12 2.2. ALPHASAT E IL TDP5 TDP6: un Advanced Star Tracker TDP8: un sensore ambientale per misurare le radiazioni ambientali che circondano il satellite e monitorarne gli effetti sui sistemi elettronici di comunicazione e sui sensori. Per quanto riguarda il TDP5, nominato Aldo Paraboni in onore dell omonimo professore, è suddiviso in tre parti. Un esperimento di comunicazione, un esperimento scientifico ed uno quello tecnologico. L esperimento di nostro interesse è quello scientifico il cui scopo è quello di ottenere dati di propagazione nelle bande Ka e Q-V che sono indispensabili nell ottimizzazione della progettazione dei moderni sistemi satellitari. I terminali sperimentali di ricezione sono disposti in varie zone del fascio di illuminazione (centrato in 35 deg N, 17 deg E) del satellite. Questo garantisce una maggiore varietà di dati acquisiti che riveleranno caratteristiche di propagazione relative alle varie latitudini e zone climatiche di appartenenza. Scopo finale di questo esperimento scientifico è infatti la stesura di modelli probabilistici che caratterizzino la propagazione atmosferica in zone differenti tra loro tramite la correlazione dei dati relativi alla potenza ricevuta e i dati meteo relativo al sito della stazione. L implementazione di tali modelli permette di confrontare i dati con i modelli ITU fino ad ora utilizzati e di poter convalidare o aggiornare tali modelli in base anche ai cambiamenti climatici più recenti.[19] Figura 2.3: Alphasat TDP5 Aldo Paraboni" 11

13 Capitolo 3 La stazione ricevente La stazione ricevente risulta composta da due ricevitori indipendenti, centrati rispettivamente ad una frequenza di GHz e GHz. La realizzazione è stata eseguita seguendo le linee guida dell ESA e rispettando pienamente le stringenti specifiche imposte. Queste sono giustificate dalla natura dell esperimento. Infatti trattandosi di un carico sperimentale a bordo di un satellite commerciale, le caratteristiche del trasmettitore rendono necessaria una progettazione del ricevitore molto accurata e con prestazioni molto alte. Inoltre essendo uno studio di propagazione si manifesta la necessità di avere in ricezione un ampia dinamica del segnale in modo da poter esaminare fenomeni meteorologici di vario tipo ed intensità. I trasmettitori installati a bordo del satellite per le due bande di frequenza presentano caratteristiche quasi identiche e sono riportate di seguito: Segnale inviato: f = GHz e f = GHz Punto di massima potenza dell antenna localizzato a 35 N, 17 E Diametro dell antenna D P L = 12 cm Massimo guadagno di antenna G P L = 26.7 dbi Efficienza d antenna η P L = 60% Temperatura di ground noise T GR = 30 K ϑ 3dB = 8.88 EIRP minima (EOC - Edge Of Coverage)19.5 dbw Perdite di antenna (depointing) 1 db EOC 23.4 dbi (incluse perdite di antenna) Potenza trasmessa P P L = 3.9 dbw 12

14 Le specifiche richieste per i due sistemi sono invece le seguenti: Temperatura di rumore del ricevitore: T sys < GHz (Banda Ka) T sys < GHz (Banda Q) Disponibilità del servizio > 99.9% del tempo ( annual time") Rapporto C/N 5 db Banda del ricevitore di beacon 1 khz Efficienza di antenna η RX 60% Diametro di antenna D RX 1.5 m Figura 3.1: La stazione ricevente La realizzazione delle stazioni riceventi ha seguito il seguente percorso. Per prima cosi sono state effettuate l analisi e la simulazione matematica, successivamente sono stati eseguiti l assemblaggio e le misurazione in laboratorio ed infine si è terminato la realizzazione delle piattaforme di supporto e con l installazione definitiva all esterno. L analisi matematica del modello è stata effettuata tramite il software MatLAb mentre per quanto riguarda le piattaforme di supporto al ricevitore (controllo temperatura e tracking) sono state scelte le piattaforma di sviluppo open-source Arduino e Raspberry. Lo sviluppo di un sistema di collegamento radio satellitare richiede il calcolo di parametri riguardanti le potenze trasferite e le attenuazioni che sopraggiungono nel percorso dal trasmettitore fino al ricevitore. Le specifiche devono poi 13

15 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA essere espresse in parametri di qualità e disponibilità. Per quanto riguarda la qualità, questa viene espressa tramite il fattore C/N cioè il rapporto tra la potenza della portante e quella del rumore. La disponibilità è un parametro che viene invece espresso in percentuale di tempo. Usualmente viene indicata la percentuale di fuori servizio, cioè la probabilità di mancata ricezione del segnale, in percentuale di tempo annua. L espressione di partenza per lo studio di una tratta deriva dall equzione di Friis in spazio libero: C = EIRP + G R A SL A S [db] dove con C viene indicata la potenza della portante ricevuta, EIRP db = W T +G T la potenza in uscita dall antenna in trasmissione, A SL l attenuazione di spazio libero ed A S l attenuazione supplementare. L attenuazione di spazio libero è stata calcolata utilizzando i dati forniti dall ESA riguardo la posizione del satellite per ottenere la distanza dalla stazione ricevente utilizzando la ben nota formula: ( ) λ A SL = [adim] 4πR Dove λ è la lunghezza d onda e R la distanza tra il trasmettitore e il ricevitore. Per il segnale in banda Ka si ottiene un attenuazione di circa 209 db mentre per quello in banda Q è di circa di db Il calcolo dell attenuazione totale invece è stato effettuato[18] tramite la simulazione al calcolatore dei modelli di propagazione atmosferica ITU-R specifici per le coordinate della stazione ricevente. Per il calcolo dell attenuazione vengono considerati diversi contributi: Attenuazione da pioggia (ITU-R P.618-9) Attenuazione dovuta a gas e vapore acqueo (ITU-R P.676-7) Attenuazioni da nubi e nebbia (ITU-R P.840-3) Effetti dovuti alle scintillazioni (ITU-R P.618-9) Nelle prossime sezioni vedremo la struttura dei due ricevitori e i risultati ottenuti tramite le simulazioni. Per maggiori informazioni riguardo il calcolo delle attenuazioni si fa riferimento all appendice. 3.1 Ricevitore in banda Ka l ricevitore, come precedentemente accennato, è stato realizzato a partire da componenti di un sistema oramai in disuso. In particolare da un ricevitore progettato per il satellite Italsat". La frequenza di centro banda di tale ricevitore risultava essere leggermente diversa rispetto a quella in banda Ka del T DP 5 di Alphasat. I singoli componenti sono stati quindi caratterizzati in laboratorio prima alla loro naturale frequenza di utilizzo e solo successivamente 14

16 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA si è studiata una soluzione alternativa per permetterne il funzionamento alla nuova frequenza. Dopo di questo il sistema ottenuto è stato nuovamente sottoposto a misurazioni di laboratorio per verificarne il corretto funzionamento e la rispondenza alle specifiche richieste dall ESA. La stazione sperimentale risulta composta da una unità esterna ed una unità interna. Quella esterna è costituita dall antenna, dall amplificatore a basso rumore, dagli stadi di conversione di frequenza e dai sistemi di controllo della temperatura e del tracking. L unità interna è costituita invece da un ricevitore di beacon a 69 MHz, e dal sistema di acquisizione dati, capace di acquisire e registrare la potenza del segnale ricevuto dal ricevitore di beacon. Per quanto riguarda l antenna si tratta di un paraboloide di 1, 5 m di diametro. Questa presenta un guadagno nominale di circa 47 db alla frequenza di GHz e un angolo a metà potenza di circa 0.7. Il guadagno di antenna molto elevato permette il raggiungimento di una dinamica molto estesa, ma, come vedremo in seguito, l angolo a metà potenza molto stretto rende necessario un sistema di tracking satellitare per poter evitare oscillazioni indesiderate del segnale ricevuto. Il front-end, come visibile in Figura 3.2, risulta composto da due componenti principali: l amplificatore a basso rumore (LNA) e il down-converter. Quest ultimo effettua una conversione in due stadi in modo da generare un uscita a 69 MHz che viene poi inviata all unità indoor. Figura 3.2: Front-end del ricevitore Il ricevitore di beacon è impostato per una larghezza di banda di 1 khz e fornisce tramite display numerico l indicazione in db del livello del segnale 15

17 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA ricevuto.è stato inoltre realizzato un circuito di condizionamento del segnale in modo da estrarre dal ricevitore un segnale di tensione continua proporzionale alla potenza del segnale ricevuto. Tale circuito isola il ricevitore di beacon dalla scheda di acquisizione e moltiplica il segnale di un valore tale da permettere successivamente l utilizzo della nostra scheda di acquisizione. Tale segnale viene acquisito da un calcolatore simultaneamente a dati relativi a sensori meteo localizzati in prossimità dell antenna ricevente. Il Low Noise Amplifier rappresenta l elemento più importante di tutta la catena di ricezione, dalle sue prestazioni, infatti, dipendono alcune importanti caratteristiche del ricevitore. La funzione di un LNA in un ricevitore è quella di amplificare il più possibile il segnale aggiungendo al sistema la minima quantità di rumore, mantenendo così il miglior rapporto segnale rumore all uscita del sistema. Il fattore di rumore totale F tot di un sistema risulta essere: F T OT = F 1 + F 2 1 G 1 + F 3 1 G 1 G F N 1 G 1... G N 1 dove G n e F n rappresentano rispettivamente il guadagno e il fattore di rumore dello stadio ennesimo. Nel nostro caso: F T OT = A filtro + (F LNA 1)A filtro + A filtro G LNA (F DC 1) dove F DC è il fattore di rumore del down converter. Dall esame della relazione risulta evidente l importanza del guadagno dell LNA riguardo alla mitigazione degli effetti della rumorosità degli stadi successivi. I risultati delle misurazioni, nonostante siano passati diversi anni dalla fabbricazione, si avvicinano molto ai dati dichiarati dal costruttore nel datasheet del componente. Il guadagno, misurato tramite l utilizzo del signal analyzer risulta stabile rispetto al livello del segnale in ingresso e si scosta di qualche db al di sopra del valore dichiarato; risulta infatti G LNA 30.5 db. Anche la risposta in frequenza dell amplificatore, misurata tramite analizzatore vettoriale di rete, mostra la qualità del componente e il mantenimento nel tempo delle sue caratteristiche. Per quanto riguarda la misura della cifra di rumore, avendo a disposizione un noise figure meter con frequenza massima limitata a 1500 MHz si è proceduto con una misura in singola banda tramite il seguente algoritmo: è stato impostato il noise figure meter per misurare la cifra di rumore intorno ad una f 0 = 751 MHz è stato impostato l ENR della sorgente relativo alla frequenza di GHz (frequenza originale del ricevitore) è stato collegato all ingresso del NF M, la porta IF di un mixer con un OL a f = GHz 16

18 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA si è collegato all ingresso RF del mixer un filtro per l eliminazione della banda laterale indesiderata all ingresso del filtro è stata collegata la sorgente di rumore è stato calibrato lo strumento è stata effettuata la misurazione sul DUT Figura 3.3: Cifra di rumore dell LNA e filtri Il filtro utilizzato ha caratteristiche simili a quello in ingresso all LNA, un filtro passa banda capace di eliminare la frequenza immagine della conversione. Una volta effettuata la calibrazione si è scollegata la sorgente di rumore dal filtro e si è messa in ingresso alla catena filtro-ln A-filtro. Il risultato ottenuto per la cifra di rumore dell LNA comprensivo del suo filtro di ingresso è di 3.3 db. L ENR della sorgente di rumore per la frequenza di GHz è stato ricavato tramite interpolazione dei valori forniti nella tabella di calibrazione della sorgente di rumore. I valori presenti su tale tabella sono in rapporto lineare con la frequenza, è possibile quindi tracciare un grafico ENR-frequenza e ricavare i dati: ( ) ENR19 ENR 20 ENR = ENR 19 = [db] Il filtro di ingresso all LN A, è stato caratterizzato anche singolarmente per quanto riguarda la sua risposta in frequenza tramite misurazioni con analizzatore vettoriale di rete. Lo strumento è stato calibrato tramite calibrazione 17

19 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA rapida includendo nel banco di misura i cavi e le transizioni guida-cavo, dopo di che è stata effettuata la misurazione. La figura mostra la risposta dell ampiezza al variare della frequenza in uno span di 200 MHz con f 1 = GHz ed f 2 = GHz con una scala di un 1dB per divisione. Figura 3.4: Risposta in frequenza del filtro Il marker 1 indica la frequenza f = GHz del trasmettitore in banda Ka del satellite Alphasat. L attenuazione introdotta dal filtro a f = GHz è di 0.7 db, valore che si ripercuoterà completamente sulla cifra di rumore totale del ricevitore. Sono state effettuate anche misurazioni su: LN A più filtro in ingresso; LNA più filtro di ingresso e di uscita (figura 3.5). Figura 3.5: Risposta in frequenza dell LNA con filtri 18

20 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA In figura 3.6 invece è visibile lo schema a blocchi del gruppo di conversione. Figura 3.6: Schema a blocchi del downconverter La conversione da GHz a 69 MHz avviene tramite due stadi di conversione successivi. Nel primo il segnale prelevato dall uscita dell LN A batte con l uscita del moltiplicatore a GHz in un mixer per generare la prima IF: f IF 1 = f RF f OL1 = = 751MHz Essendo il mixer non bilanciato abbiamo anche un altro segnale che viene convertito a F IF. Tale segnale si trova alla distanza f IF dalla frequenza di OL, sarà quindi: f IM1 = f OL1 f IF 1 = = 18199MHz Tale frequenza costituisce l immagine di prima conversione. Il secondo stadio effettua la conversione da 751 MHz a 69 MHz con un segnale di OL a 820 M Hz. Abbiamo quindi: f IF 2 = f OL2 f IF 1 = = 69 MHz e la frequenza immagine di seconda conversione sarà: f IM2 = f OL2 + f IF 2 = = 889 MHz La f IM2 potrebbe essere generata come prodotto dal primo stadio di conversione rispettivamente dai segnali a frequenza f OL1 f IM2 e f OL1 + f IM2. Chiamando le due frequenze f IM1 e f IM1, sarà dunque: f IM1 = f OL1 f IM2 = = MHz 19

21 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA f IM1 = f OL1 + f IM2 = = MHz Le frequenze immagine producono apporti indesiderati al segnale che si trasformano in interferenza di ricezione. Devono per questo motivo essere eliminati tramite apposito filtraggio. Il filtro in ingresso all LNA provvede ad eliminare gli eventuali segnali a frequenza immagine. Figura 3.7: Frequenze immagine del downconverter Il gruppo di conversione è fornito anche di due stadi di amplificazione disposti rispettivamente dopo il primo e dopo il secondo mixer. Il guadagno complessivo tra ingresso RF ed uscita a 69 MHz risulta di 55 db. Le perdite di conversione dei due mixer sono risultate ciascuna di 9 db. Una volta effettuate queste misurazioni, sono state utilizzate insieme ai risultati delle simulazioni statistiche per calcolare la probabilità di fuori servizio e il fattore C/N. I risultati raggiunti sono visibili in tabella 3.1. Osservando con attenzione e confrontando con le specifiche ESA si vede come per lo 0.1% di fuori servizio si ottiene un C/N di ben 21 db, 16 db al di sopra del valore richiesto. Il ricevitore ottenuto risulta così molto robusto nei confronti delle attenuazioni supplementari e, considerato che a questa probabilità di fuori servizio il contributo maggiore all attenuazione è dovuto agli effetti delle precipitazioni[18], questo permette la ricezione del segnale anche in caso di eventi meteorologici severi. Riassumendo, le specifiche ottenute per la stazione in banda Ka sono le seguenti: frequenza: GHz 20

22 3.1. RICEVITORE IN BANDA KA diametro di antenna: 1.5 m efficienza di antenna: 60 % guadagno di antenna: 47 dbi guadagno totale del ricevitore: 85.5 db figura di rumore del ricevitore: 3.3 db banda del ricevitore di beacon: 1 70 MHz Prob At Pr Tant Tsys G/T C/N0 C/N % [%] [db] [dbm] [K] [K] [db/k] [db/hz] [db] Tabella 3.1: Simulazione della tratta tramite MatLab 21

23 3.2. RICEVITORE IN BANDA Q 3.2 Ricevitore in banda Q La stazione ricevente in banda Q presenta una struttura simile rispetto a quella in banda Q. Abbiamo il front end costituito dall antenna e dal ricevitore collocati esternamente, e il back end con il ricevitore di beacon e il sistema di acquisizione dati posizionati all interno del Laboratorio Microonde ISCTI. La struttura interna del ricevitore, presenta solamente lievi differenze rispetto a quello in banda Ka come mostrato in figura 3.8, dovute semplicemente alla metodologia utilizzata per la conversione in frequenza. Anche in questo caso la IF inviata al termine delle conversione è di circa 70 MHz. Figura 3.8: Stazione ricevente in banda Q[23] L antenna utilizzata anche in questo caso è un paraboloide, questa volta del diametro di 46 cm e illuminatore prime focus. Il suo guadagno effettivo è di 42.7 db e l HBW (Half Beam Width) è di 1.4. In un primo momento era stata selezionata un antenna a tromba conica con un guadagno di 37.9 db, scelta modificata dopo aver effettuato la caratterizzazione della tratta. Infatti l angolo a metà potenza di circa 2 avrebbe permesso una ricezione del segnale ottimale anche in presenza di oscillazioni del satellite, ma, purtroppo, il guadagno presentava una limitazione rilevante riguardo la dinamica del segnale ricevuto[23]. Il segnale a MHz viene poi inviato ad un amplificatore a basso rumore 22

24 3.2. RICEVITORE IN BANDA Q con un guadagno di 50 db ed una cifra di rumore di 3.5 db. Figura 3.9: Particolare dell antenna con tubo per essiccatore e guarnizione di protezione della guida d onda La conversione in frequenza anche in questo caso avviene in due stadi, la prima che tramite un mixer trasporta il segnale ad una IF 1 = 3406 MHz e la seconda che tramite un convertitore di frequenza abbassa il segnale fino ad una frequenza di circa 70 M Hz. Nella segmento esterno, oltre alla parte di ricezione è collocata la sezione di alimentazione. Qui una scatola stagna ospita 7 alimentatori lineari stabilizzati, anche questi recuperati da una precedente installazione e ricondizionati in laboratorio. Dall esterno il segnale viene inviato al backend dove un SBR (Satellite Beacon Receiver) mostra la potenza del segnale ricevuto e genera un segnale DC da inviare alla scheda di acquisizione dati. Questa volta l SBR è impostato con una banda di 100 Hz in modo da aumentare ancora il guadagno sul segnale ricevuto di 10 db. Vista la delicatezza della componentistica, ogni componente a contatto con l esterno è stato dotato di guarnizioni, connettori stagni o ulteriori protezioni. Per evitare un eccessivo surriscaldamento la scatola stagna che ospita il ricevitore è stata dotata di una copertura metallica bianca per diminuire l esposizione ai raggi del sole. La guida d onda proveniente dall antenna, inoltre, è dotata di essiccatore e di una protezione in gomma che rende stagna la sezione tra antenna e box come visibile in figura 3.9. In definitiva il ricevitore ottenuto presenta le seguenti caratteristiche: frequenza: GHz diametro di antenna: 46 cm 23

25 3.2. RICEVITORE IN BANDA Q efficienza di antenna: 60 % guadagno di antenna: 42.7 dbi guadagno totale del ricevitore: 76 db figura di rumore del ricevitore: 3.5 db banda del ricevitore di beacon: MHz Anche in questo caso, utilizzando questi dati per il link budget, otteniamo dei valori di C/N per lo 0, 1% di fuori servizio maggiori di quelli richiesti dall ESA per il progetto (5 db). In particolare possiamo vedere alcuni valori in tabella 3.2. Potenza ricevuta Probabilità C/N (100 Hz BW) 114 dbm 90% 37 db dbm 10% 34 db dbm 3% 32 db dbm 0.1% 10 db Tabella 3.2: Simulazione della tratta tramite MatLab (a) Il ricevitore a vista (b) Il ricevitore con la copertura protettiva Figura 3.10: Installazione della stazione in banda Q 24

26 Capitolo 4 Sistemi ausiliari La stazione ricevente presenta una serie di sistemi ausiliari che garantiscono un funzionamento efficiente e permettono un acquisizione completa dei dati, in modo che questi possano assumere un maggior valore a livello scientifico. Tra questi abbiamo i Cyber Physical Systems che partecipano attivamente al funzionamento dei ricevitori, una stazione meteo completa per l acquisizione dei dati ambientali e un radiometro a 90 GHz. 4.1 Cyber physical systems Sotto il nome di Cyber-Physical Systems rientrano tutti quei dispositivi elettronici che interagiscono con l ambiente esterno prelevando informazioni tramite sensori, effettuando decisioni e reagendo poi tramite attuatori[15]. Si tratta prevalentemente di sistemi embedded che in genere non necessitano quindi di operazioni da parte dell utente finale, il quale, a volte, ne ignora addirittura la presenza. Caratteristiche fondamentali sono l analisi in tempo reale dei dati, la velocità di risposta (che deve essere adatta alle esigenze di applicazione) e la gestione di eventuali anomalie di funzionamento del sistema. Nel caso dei due ricevitori da noi realizzati, si è resa necessaria la realizzazione di due di questi sistemi uno di tipo esclusivamente elettrico ed uno elettromeccanico. Si tratta nel primo caso di un sistema di controllo della temperatura del low noise amplifier e nel secondo caso di un sistema di tracking satellitare per quanto riguarda l elevazione dell antenna Controllo della temperatura La frequenza di lavoro piuttosto elevata del ricevitore richiede la massima stabilità possibile dei componenti al variare delle condizioni ambientali. Parametro critico da questo punto di vista è la temperatura. Questa infatti può influire negativamente sul comportamento dei dispositivi più sensibili quali oscillatori e amplificatori a basso rumore. Per questo motivo le scatole che contengono 25

27 4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS i vari componenti sono state tutte termostatate. In particolare per quello che riguarda il low noise amplifier, questo è sempre localizzato all interno di un contenitore che consente il mantenimento della temperatura di lavoro costante in caso di ambienti anche proibitivi. Figura 4.1: Architettura del controllo temperatura La temperatura ottimale di funzionamento dell amplificatore dichiarata dal costruttore è di 35 C, che è stata quindi presa a riferimento per la relativa stabilizzazione. È stato ideato un sistema di controllo di temperatura che permette il monitoraggio sia in remoto che in locale, compatibile con i sistemi già presenti e per di più a basso consumo. Per raggiungere lo scopo si è deciso di utilizzare la piattaforma open-source Arduino, scelta per la sua versatilità e l ottimo rapporto prestazioni/costo. Dopo aver scelto la piattaforma di sviluppo si è passati a configurare l architettura del sistema di controllo. Questa è visibile in figura 4.1. Arduino legge il valore analogico di tensione del sensore di temperatura e lo converte prima in digitale e poi tramite un operazione di moltiplicazione e di eliminazione del bias lo trasforma in gradi centigradi. Questo valore, grazie ad uno shield ethernet,viene inviato su di un database dedicato tramite una query MySql e qui memorizzato e graficato. Un custom shield, disegnato e realizzato in laboratorio (figura 4.2), invece, permette di mostrare la temperatura attuale su un display led a due cifre. Qualora il valore di temperatura sia al di sotto della soglia stabilita, un pin digitale di Arduino diventa attivo e dalla custom shield il segnale attiva un dispositivo di potenza (sempre realizzato in laboratorio) che alimenta le resistenze corazzate del riscaldatore. Figura 4.2: Shield controllo temperatura 26

28 4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS Per la realizzazione della scheda di gestione della corrente per le resistenze corazzate sono stati scelti esclusivamente componenti allo stato solido, evitando l utilizzo di relè meccanici facilmente soggetti a rotture. Terminata la realizzazione, li due ricevitori sono stati testati entrambi in camera climatica. In figura 4.3 è mostrato l andamento della temperatura dell LNA del ricevitore in banda Ka nelle quattro ore successive all accensione con temperatura della camera impostata a -10. Guadagno [db] Tempo [m] Figura 4.3: Test 4 ore LNA in camera climatica. Temperatura 10 Inoltre l LNA è stato testato per un escursione da -15 a +40 rilevando variazioni del guadagno dell amplificatore non superiori a 0,5dB. Nell immagine 4.4 è visibile l intero ricevitore in banda Q in camera climatica, dove è stato sottoposto a test di temperatura da 10 a +40 sia a secco che con umidità del 90%. Figura 4.4: Ricevitore in banda Q: test in camera climatica 27

29 4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS Tracking satellitare Come già specificato in precedenza, il satellite Alphasat è un satellite stazionario. Come tale questo dovrebbe rimanere immobile nella sua posizione e ruotare in sincrono con la terra. Questa però è solo un idealità. Infatti a causa degli effetti gravitazionali dovuti alla presenza della terra e specialmente della luna, la proiezione a terra della traiettoria del satellite rappresenta un andamento simile ad un otto e non un singolo punto come ci si aspetterebbe. Sono presenti infatti sia oscillazioni di tipo nord-sud che est-ovest. Queste oscillazioni vengono corrette da razzi a bordo del satellite azionati da appositi sistemi di controllo. Il satellite Alphasat, in particolare presenta escursioni non trascurabili, in particolare se riferiti ai lobi primari delle antenne utilizzate per questo progetto. Sono infatti presenti oscillazioni superiori ai 2 mentre i lobi delle nostre antenne sono rispettivamente di 0.7 per il ricevitore in banda Ka e 0.7 per quello in banda Q. Questo crea delle oscillazioni e deformazioni nel segnale ricevuto che può quindi arrivare ad essere inutilizzabile per lo scopo previsto. Essendo Figura 4.5: Orbita del satellite Alphasat e antenna con HBW di 1.4 la nostra stazione localizzata a Roma, in figura 4.6 vediamo la traiettoria del satellite vista alle nostre coordinate e la sua variazione nel tempo. Come ben visibile, la variazione delle oscillazioni nel tempo è notevole, inoltre risulta previsto per data da definire un azzeramento della posizione del satellite in data da destinarsi. Questa situazione rende complessa l analisi dei dati ricevuti, in quanto il diagramma di radiazione dell antenna influisce sulla potenza del segnale ricevuto. Tale situazione è visibile in figura 4.5 dove sono sovrapposti il lobo principale di un antenna con HBW di 1.4 e l orbita del satellite, situazione compatibile con il nostro ricevitore in banda Ka. Questa problematica rende necessario l utiliz- 28

30 4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS (a) Maggio 2014 (b) Settembre 2014 (c) Dicembre 2014 (d) Maggio 2015 (e) Settembre 2015 (f) Ottobre 2015 Figura 4.6: Orbite del satellite Alphasat relative alla stazione di Roma ISCTI zo di un sistema di tracking satellitare per l inseguimento della traiettoria del satellite. Il sistema che descriviamo è in fase di implementazione e prevede la realizzazione di un sistema di tracking basato su effemeridi. Il sistema prevede un tracking esclusivamente in elevazione, in quanto in principio questa era la componente principale dell oscillazione del satellite. Tuttavia, viste le attuali condizioni, si sta considerando un sistema di tracking completo che comprenda anche il controllo in azimut. Il progetto prevede una piattaforma raspberry che si occupa della lettura tramite ftp dei dati relativi alle effemeridi. I dati così ottenuti vengono convertiti in angolo di elevazione ed azimut e li invia ad una piattaforma Arduino. Quest ultimo elabora i dati provenienti da un inclino- 29

31 4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS metro digitale a 16bit quale sensore della posizione dell antenna ed effettua la decisione sul movimento dei motori. L inclinometro presenta una risoluzione di circa un millesimo di grado e un range di ±60 rispetto all orizzontale. I dati vengono scambiati tramite uno specifico protocollo di comunicazione seriale (figura 4.7). Per questo motivo è stato necessario realizzare un algoritmo Figura 4.7: Protocollo di comunicazione dell inclinometro specifico per garantire la comunicazione tra la piattaforma ed il sensore. Terminata la ricezione la successione binaria, oramai salvata come unica stringa, viene convertita in decimale e riportata in gradi sessagesimali. Il valore così ottenuto viene confrontato con quello calcolato tramite le effemeridi fornite da Raspberry e viene così calcolato l aggiustamento per il riallineamento dell antenna. È qui che Arduino si interfaccia con una scheda di controllo per motori, anche questa seriale, collegata ad un pistone meccanico. Tramite questa scheda è possibile gestire motori di potenza considerevole privi di encoder e regolarne la velocità tramite un segnale a modulazione di impulso. Lo schema rappresentante questo sistema è visibile in figura 4.8. Il sistema costituito Figura 4.8: Schema funzionale del controllo di elevazione da Arduino ed inclinometro è installato in un contenitore stagno in materiale plastico in modo da renderlo compatibile con le funzionalità dell inclinometro senza interferenze. 30

32 4.2. STAZIONE METEO 4.2 Stazione meteo L esperimento TDP5 consiste nello studio di propagazione atmosferica e quindi nella correlazione tra i dati meteorologici e quelli ottenuti dai ricevitori. Per poter svolgere questa analisi, la stazione è dotata di sensori ambientali per le condizioni meteo. In particolare i sensori attualmente installati in prossimità della stazione ricevente sono: Barometro Igrometro Termometro Pluviometro a basculamento Anemometro Disdrometro Tra questi strumenti il disdrometro e il pluviometro rappresentano strumenti insostituibili e fondamentali ai nostri fini. Il disdrometro è uno strumento basato su di un sensore laser che permette di misurare la precipitazione e la visibilità. In particolare è capace di determinare dimensioni e velocità di una particella e addirittura la tipologia. Il disdrometro in uso può infatti distinguere tra pioggia, neve, grandine e vari gradi di acqua ghiacciata. Un esempio di grafico che può essere ottenuto tramite questo strumento è mostrato in figura 4.9b dove sono rappresentati dimensione e velocità delle particelle. Il colore indica la quantità. Il disdrometro offre indicazioni molto precise sui dati istan- (a) Il disdrometro (b) Grafico dimensione-velocità Figura 4.9: Il disdrometro e le sue funzioni tanei di pioggia e visibilità ma non sostituisce il pluviometro che presenta una maggiore affidabilità per quel che riguarda la pioggia accumulata. Una combinazione di dati ottenuti dai due strumenti rappresenta un ottima soluzione per uno studio accurato. I dati provenienti da questi strumenti sono attualmente 31

33 4.3. RADIOMETRO A 90 GHZ registrati solamente in parte. Infatti un datalogger invia periodicamente i dati provenienti da tutti i sensori, mentre il disdrometro non dispone attualmente di un software in grado di memorizzare i dati. I dati memorizzati dal datalogger hanno una cadenza di 5 minuti e vengono raccolti separatamente dai dati relativi all esperimento Alphasat. 4.3 Radiometro a 90 GHz Il telerilevamento sfrutta l interazione tra campo elettromagnetico e il mezzo sotto osservazione. A seconda della frequenza scelta per il sistema, possono essere esaminate caratteristiche diverse del mezzo. La frequenza da utilizzare dipende quindi dal mezzo e dalla caratteristica che si vuole esaminare. L allocazione delle bande di frequenza per diversi servizi e, naturalmente, i limiti tecnologici, sono ulteriori fattori che limitano la scelta delle lunghezze d onda. Una tecnica di telerilevamento volta alla misurazione dell energia elettromagnetica naturalmente emessa da tutti i mezzi materiali è la Radiometria a microonde. Tale tipo di emissioni si presenta come segnali incoerenti a larga banda simili, per ampiezza e proprietà, al rumore generato dal processo stesso di misurazione, per cui le misure radiometriche sono alquanto delicate in termini di accuratezza, richiedendo un elevata sensibilità[23]. L attenuazione introdotta Figura 4.10: Schema a blocchi di un radiometro di Hach dall atmosfera è un elemento critico nella scelta delle frequenze dei sistemi di 32