sottosistema Comms

IL SOTTOSISTEMA COMMS
DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE
(DTS)
www.edusat.it
INDICE
1.
Introduzione..................................................................................................................3
2.
Le caratteristiche generali del sottosistema...............................................................3
3.
Lista delle abbreviazioni e unità di misura.................................................................4
4.
Le funzioni del sottosistema Comms...........................................................................4
5.
L’architettura del sottosistema Comms.......................................................................4
6.
Descrizione dei blocchi funzionali................................................................................4
6.1
Il blocco di alimentazione e regolazione...............................................................4
6.2
Il blocco di logica ed elaborazione.........................................................................4
6.2.1
Il protocollo di comunicazione........................................................................4
6.3
Il Blocco delle telemetrie.......................................................................................4
6.4
Il modulo RF...........................................................................................................4
6.4.1
6.4.1.1
6.4.1.2
Qualche richiamo di teoria sui ricevitori e trasmettitori.............................4
Come è fatto un trasmettitore a Radio Frequenza.............................................4
Come è fatto un ricevitore a Radio Frequenza...................................................4
6.4.2
Il componente di base del sottosistema Comms, il CC1020.........................4
6.4.3
Le caratteristiche del trasmettitore..............................................................4
6.4.4
Le caratteristiche del ricevitore.....................................................................4
6.4.4.1
6.4.4.2
6.4.4.3
6.4.4.4
6.5
Le caratteristiche principali................................................................................4
La frequenza intermedia (IF)..............................................................................4
La generazione della frequenza di riferimento...................................................4
Il sintetizzatore di frequenza..............................................................................4
L’antenna del sottosistema Comms......................................................................4
7.
Il consumo di potenza elettrica del sottosistema Comms...........................................4
8.
Le interfacce del sottosistema Comms.........................................................................4
9.
8.1
Le interfacce elettriche..........................................................................................4
8.2
Le interfacce meccaniche.......................................................................................4
8.3
Requisiti particolari dovuti all’ambiente di funzionamento...............................4
8.4
Requisiti di interfaccia termica.............................................................................4
8.5
Interfacce di programmazione ad uso didattico...................................................4
La realizzazione meccanica del sottosistema Comms del DTS..................................4
2
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Introduzione
Questo documento descrive il Sottosistema Comms, cioè di comunicazioni del
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.
1. Le caratteristiche generali del sottosistema
Il sottosistema Comms del DTS è un sistema di comunicazione in banda UHF, che
provvede allo scambio di dati tra il “satellite” e il simulatore della stazione di terra.
Il sottosistema è in grado di:
•
ricevere segnali modulati in frequenza, inviati dal simulatore della stazione di
terra (canale di uplink), su una frequenza portante compresa nella banda
denominata ISM UHF1.
•
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 sottosistema OBDH.
•
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 ISM 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 dal
simulatore della stazione di terra al “satellite” e l’altra per il “down link”, cioè per il
collegamento inverso.
Il sottosistema di comunicazione è un apparato interamente programmabile tramite
un Personal Computer, 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, il sottosistema di comunicazione per il
DTStrasmette 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.
1
Il termine di “Banda ISM” (Industrial, Scientific and Medical) è il nome assegnato dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ad un
insieme di porzioni dello spettro elettromagnetico riservate alle applicazioni radio non commerciali, per uso industriale, scientifico e medico.
Si tratta di una banda di frequenze regolarmente assegnata dal piano di ripartizione nazionale (ed internazionale) ad altro servizio e lasciato di libero
impiego solo per le applicazioni che prevedono potenze EIRP (Massima Potenza Equivalente Irradiata da antenna Isotropica) estremamente limitate.
Le bande ISM sono state definite dal settore "Radiocommunication" dell'ITU nelle "Radio Regulations" 5.138 e 5.150. L'uso di queste bande può
differire da stato a stato a causa di specifiche regolamentazioni nazionali. In particolare, in Europa, la banda ISM UHF va da 433.05 a 434.79 MHz.
3
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
2. 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
Ω
°C
A
Significato
Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale
Gradi Centigradi, unità di misura della temperatura
Ampere, unità di misura della corrente elettrica nel Sistema Internazionale
ADC
Analog to Digital Converter, Convertitore Analogico Digitale
AFC
Automatic Frequency Control, Controllo Automatico di frequenza
Baud
CPU
Central Processing Unit, Unità Centrale di Elaborazione (di un computer)
dB
dB
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.
dBm
unità di misura logaritmica di un rapporto di potenza, riferito alla potenza di un
milliWatt (un millesimo di Watt)
DTS
Dimostratore Tecnologico Satellitare
EEPROM
FM
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, Memoria a sola lettura
elettricamente cancellabile e riprogrammabile
Frequency Modulation, Modulazione di Frequenza
FSK
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
GHz
GigaHertz = 1.000.000.000 Hz
Hz
Hz, unità di misura della frequenza nel Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1
ciclo al secondo
IF
Intermediate Frequency, Frequenza Intermedia di un ricevitore radio
ISM
Industrial, Scientific and Medical (Industriale, Scientifico e Medico)
LDO
Low Drop-Out (bassa caduta, di tensione), caratteristica di un regolatore serie
LNA
Low Noise Amplifier, Amplificatore a Basso Rumore
mA
MHz
milliAmpere: un millesimo di Ampere
MegaHertz = 1.000.000 Hz
4
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
mW
PA
milliWatt, corrisponde ad un millesimo di Watt
Power Amplifier, Amplificatore di Potenza
PLL
Phase-Locked Loop, Anello ad Agganciamento di Fase
RAM
Random Access Memory, Memoria ad Accesso Casuale
RISC
Reduced Instruction Set Computer, Computer con Corredo Ridotto di Istruzioni
SPI
Serial Peripheral Interface, Interfaccia Seriale con le Periferiche
SRD
Short Range Device, Dispositivo a Bassa Portata
UHF
Ultra-High Frequencies, Frequenze Ultra Alte
V
VCO
W
XOSC
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)
5
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Le funzioni del sottosistema Comms
Il sottosistema di comunicazione del DTS, spesso chiamato in modo abbreviato
“Comms” nel resto di questo documento, deve permettere lo scambio dati tra il DTS
ed il simulatore della stazione di terra. Il sottosistema deve quindi essere in grado di
codificare e quindi trasmettere le telemetrie del DTS al simulatore della stazione di
terra, e di ricevere e decodificare i comandi trasmessi al DTS dal simulatore della
stazione di terra.
3. L’architettura del sottosistema Comms
Il sottosistema di comunicazione del DTS è composto da quattro blocchi fondamentali,
come mostrato nella figura 1:
Fig. 1 – blocchi che compongono il sottosistema Comms
•
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 dal sottosistema Power.
6
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
•
Il blocco di logica ed elaborazione, la cui funzione è la gestione dell’intero
sottosistema tramite l’uso di un microcontrollore (cioè un microcomputer)
controllato da un software dedicato (firmware).
•
Il blocco delle telemetrie analogiche, che hanno la funzione di monitorare la
temperatura e la corrente assorbita dal sottosistema di comunicazione
•
Il blocco di radiofrequenza, che ha la duplice funzione di:
o raccogliere le informazioni da trasmettere, tramite un opportuno circuito
di interfaccia e adattamento, 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 ai sottosistemi di bordo.
I paragrafi che seguono descriveranno le caratteristiche di ciascuno dei blocchi
funzionali.
4. Descrizione dei blocchi funzionali
4.1
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 dal sottosistema power, in una
tensione di 3,3 V necessaria per l’alimentazione del blocco di logica ed elaborazione e
di quello di radiofrequenza; il blocco delle telemetrie analogiche viene invece
alimentato con la tensione di 5 V.
La stabilità dell’alimentazione in questa istanza è molto importante in quanto
eventuali variazioni delle caratteristiche di alimentazione potrebbero influire sui
moduli di ricetrasmissione e quindi sulla possibilità 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.
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.
7
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
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 (Vdrop-out) e la corrente erogata (Icarico). Per una
migliore comprensione si veda la sottostante figura 2.
Fig. 2 – la perdita di potenza in un regolatore serie, o lineare
Il regolatore lineare tipico ha dunque un rendimento relativamente basso, tanto più
basso quanto più la tensione Vout in uscita differisce da quella in ingresso Vin, e quindi
quanto più elevato è il valore di Vdrop-out.
La corrente assorbita dal sottosistema Comms è molto piccola e questa caratteristica
ha permesso la qui 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.
4.2
Il blocco di logica ed elaborazione
Il blocco di logica e elaborazione gestisce tutto il flusso dati del sottosistema Comms ed
implementa il protocollo di comunicazione, come descritto al paragrafo 6.2.1.
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 DIP (Dual In-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:
8
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
•
riceve le telemetrie dall’OBDH attraverso un link seriale sincrono e le memorizza
in RAM
•
configura tutti i parametri essenziali del modulo a radio frequenza
•
prepara i dati per la trasmissione radio
•
riceve i comandi da impartire al sottosistema di controllo d’assetto.
Il microcontrollore ha le caratteristiche riassunte nella tabella che segue
Parametro
Valore
Architettura generale
RISC - Reduced Instruction Set Computer
(Computer con corredo ridotto di istruzioni)
Corredo di istruzioni
35 (quasi tutte eseguite in un solo ciclo)
Frequenza operativa
fino a 20 MHz
Durata di un ciclo di istruzione
200 ns (alla massima frequenza di clock)
Reset e ritardi
POR (Power-On), BOR (Brown-Out), PWRT
(Power-up Timer), OST(Oscillator Startup)
Memoria di programma (tipo Flash con lunghezza
di parola di 14 bit)
4 KiloWord (4000 Parole)
Memoria dati (RAM)
368 Byte
Memoria dati (EEPROM)
256 Byte
Interrupt di programma dall’esterno
possibile
Porte di I/O - Input/Output (Ingresso/uscita)
A e C a 8 vie
B a 4 vie
Timer
3
Comunicazioni seriali
EUSART
Comunicazione parallela
No
Modulo convertitore Analogico/Digitale
conversione a 10 bit, 12 canali di ingresso
Durata delle Memorie Flash ed EEPROM
•
•
Tensione di alimentazione
memoria flash scrivibile fino a 100.000 volte
memoria EEPROM scrivibile fino a 1.000.000
di volte
• conservazione dei dati: oltre 40 anni
da 2,0 V a 5,5 V
Corrente assorbita tipica (dipende dalla frequenza
operativa e dalla tensione di alimentazione))
220 µA alla frequenza operativa di 4 MHz con una
tensione di alimentazione di 2 V
Gamma di temperatura operativa
da - 40 °C a + 85 °C
Produttore
Microchip Technology Inc. – USA
Tabella 1 – Sommario della caratteristiche del microcontrollore
Lo schema a blocchi del microcontrollore è mostrato nella figura 3 seguente.
9
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 3 – schema a blocchi del microcontrollore (fonte: Microchip)
10
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
4.2.1 Il protocollo di comunicazione
Il sottosistema COMMS riceve dall’OBDH un pacchetto di dati di 30 byte, che
contiene tutte le telemetrie del DTS. La struttura del pacchetto è descritta nel
documento dedicato alle telemetrie del DTS.
La comunicazione tra il sottosistema COMMS ed il sottosistema OBDH avviene
mediante un collegamento a tre linee (figura 6):
•
linea di clock
•
linea dati
•
linea di selezione (chip select)
Il clock viene recuperato dall’anello ad aggancio di fase (PLL – Phase Locked Loop)
presente nel circuito RF e fornito al microcontrollore dell’OBDH per la sincro­
nizzazione dei dati ricevuti. Anche in questo caso, per la ricezione dei dati, viene
sfruttato il vettore di interrupt del microcontrollore.
Fig. 6 – Le comunicazioni fra i sottosistemi COMMS e OBDH, con l’indicazione della
temporizzazione
11
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Il sottosistema COMMS 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 protocollo di trasmissione consiste nell’aggiunta di 3 byte di
controllo al pacchetto dati (figura 7).
Fig. 7 – Il pacchetto pronto per la trasmissione
Il byte di start è rappresentato da una sequenza di zeri che in codifica NRZ
corrispondono a 8 transizioni (figura 8). Questo permette un buon aggancio del PLL e
quindi una buona sincronizzazione dei dati ricevuti.
Fig .8 – forma d’onda del byte di start, in formato NRZ
12
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Ogni pacchetto viene trasmesso tre volte per evitare che venga perso a causa del
rumore e disturbi presenti nell’etere (figura 9). Gli ultimi tre bit del trentesimo byte
del pacchetto dati vengono utilizzati per identificare quale dei tre pacchetti all’interno
del burst è stato ricevuto correttamente.
Fig. 9 – La ritrasmissione del pacchetto dati
Il codice a controllo d’errore è rappresentato da un singolo byte, basato sulla scansione
dei singoli bit in trasmissione, secondo il processo mostrato in figura 10.
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
13
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 10 – diagramma di flusso della generazione del codice di controllo errore
4.3
Il Blocco delle telemetrie
Questo blocco funzionale è dedicato alla rilevazione della temperatura del sottosistema
e della corrente assorbita dal sottosistema.
Il rilevamento della temperatura si basa su un trasduttore temperatura/tensione, la
cui uscita è quindi analogica (figura 4). La tensione di uscita del sensore verrà quindi
inviata al multiplexer di telemetria, descritto nel documento dedicato alle telemetrie,
per esser quindi convertita in formato digitale da parte del sottosistema OBDH.
14
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 4 – Il circuito per la misura della temperatura
Il sensore vero e proprio è costituito dal trasduttore RT che varia la sua resistenza in
funzione della temperatura. Il generatore I è una sorgente di corrente che genera una
caduta di tensione sulla resistenza RT: questa tensione è quindi variabile con la
temperatura. La tensione generata ai capi di RT viene riportata sul piedino non
invertente del circuito di “condizionamento” che utilizza un amplificatore operazionale.
Le resistenze presenti tra V + e massa introducono un offset di 1,375 V, mentre le
resistenze presenti nel ramo compreso tra VOUT e massa stabiliscono il guadagno
dell’operazionale. Il sensore è un componente a tre piedini, con due piedini di
alimentazione e uno di uscita con il segnale utile (VOUT). La resistenza R2 serve per
limitare la corrente di alimentazione del sensore.
Il rilevamento della corrente assorbita dal sottosistema Comms si basa su un sensore
di corrente che legge la differenza di potenziale ai capi di una resistenza di basso
valore, detta di “sensing”, in serie al piedino di alimentazione del sottosistema. In
questo caso si ha una conversione di grandezza corrente/tensione (figura 5). Il segnale
del sensore di corrente viene inviato, anche in questo caso, al multiplexer delle
telemetrie analogiche.
15
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 5 – Il circuito per la misura della corrente assorbita dal sottosistema
I sensori che abbiamo descritto sono costituiti da elementi attivi che possono, durante
il funzionamento, introdurre un errore di offset (scostamento sistematico). Questo
errore, una volta misurato in laboratorio, dovrà essere tenuto in considerazione nella
lettura delle telemetrie per ottenere dei valori corretti, e quindi il suo valore dovrà
essere impostato manualmente nella opportuna finestra di dialogo del software del
simulatore della stazione di terra.
4.4
Il modulo RF
4.4.1 Qualche richiamo di teoria sui ricevitori e trasmettitori
4.4.1.1 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.
16
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 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 una trasduzione del segnale di ingresso. Facciamo un
esempio familiare: se 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.
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 da un lato che il segnale in
ingresso al trasmettitore abbia i valori di tensione corretti, e dall’altro lato che i
circuiti di uscita del sottosistema OBDH non vengano sovraccaricati dagli ingressi del
trasmettitore stesso.
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 9, 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 104 ÷ 106. 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.
17
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
In elettronica, se consideriamo un circuito risonante composto da un’induttanza di
valore L e da una capacità di valore C, in cui è presente una resistenza di valore R, la
frequenza di risonanza f0 vale:
f0 =
1
2π
LC
La formula di cui sopra è valida sia per un circuito serie che per un circuito parallelo:
gli schemi dei due circuiti sono mostrati nella figura 12.
Alla frequenza di risonanza l’impedenza di un circuito serie diviene minima, e se non
ci fosse la resistenza R varrebbe zero, quella di un circuito parallelo diviene massima e
se non ci fosse la resistenza R assumerebbe un valore infinito. La presenza della
resistenza R, sulla quale si dissipa energia, indica di quanto il circuito risonante si
discosta dall’ideale.
Il un circuito RLC in serie il fattore di merito vale:
Q=
1 L
R C
In un circuito RLC in parallelo il fattore di merito è il reciproco del precedente:
.
Q= R
C
L
18
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 12 – Schemi dei circuiti risonanti serie e parallelo (fonte Wikipedia)
Lo stadio separatore e moltiplicatore consente di moltiplicare la frequenza generata
dall’oscillatore al fine di ottenere la frequenza portante fp. 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.
19
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
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 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 quindi ad assicurare il massimo trasferimento di potenza
tra l’amplificatore RF e l’antenna. Per il sottosistema COMMS il problema della
dissipazione termico è comunque trascurabile in quanto le potenze in gioco sono
dell’ordine del milliwatt.
4.4.1.2 Come è fatto un ricevitore a Radio Frequenza
Un ricevitore è costituito da quattro elementi fondamentali, come mostrato nella
figura 13:
•
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 fp± ∆f ed fLO, 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, fLO, centra la banda passante
dell’amplificatore RF in modo che questo amplifichi solo il segnale che si vuole
ricevere, eliminando tutti i canali adiacenti.
20
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 13 – 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 fLO sull’altra e fornisce in uscita un segnale traslato ad una frequenza
intermedia fIF (IF – Intermediate Frequency) fissa e costante.
Se, con qualche semplificazione, assumiamo che la portante fp e il segnale fLO
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:
v(t ) = cos( 2π f p t ) cos( 2π f LO t + ϕ ) =
[
]
[
1
{cos 2π ( f p + f LO )t + ϕ + cos 2π ( f p − f LO )t + ϕ
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(fp + fLO)t + φ]
e da una parte in cui compare la differenza delle due frequenze
cos[2π(fp - fLO)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:
21
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
|fP – fLO |= fIF
E’ chiaro che può esistere anche un segnale ad una frequenza fP’ tale per cui sia anche:
|fLO – fP’| = fIF
Tale frequenza è chiamata frequenza immagine poiché dista 2fIF da fP,
cioè |fp – fp’|= 2fIF,
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 fIF giunge così
all’amplificatore IF (amplificatore alla 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”).
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.
4.4.2 Il componente di base del sottosistema Comms, il CC1020
Il circuito integrato scelto come componente di base per il sottosistema di
comunicazione 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.
Il CC1020 è un componente largamente usato nelle bande ISM (Industrial, Scientific
and Medical) e SRD (Short Range Device) con frequenze pari a 402, 424, 426, 429, 433,
447, 449, 469, 868 e 915 MHz, ma può essere facilmente programmato per operare
anche nelle bande da 402 a 470 MHz e da 804 a 940 MHz, ed è particolarmente adatto
per sistemi a banda stretta con canali di 12,5KHz e 25KHz.
Il componente può essere facilmente programmato e riconfigurato attraverso un bus
seriale e ciò lo rende molto flessibile e facile da usare. Le sue caratteristiche principali
sono:
•
Intervallo di frequenza da 402 MHz a 470 MHz
22
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
•
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 153.6 Kbaud
•
Modulazione dati OOK, FSK e GFSK
•
Sincronizzazione bit integrata
•
Mixer a reiezione di immagine
•
Frequenza programmabile e controllo automatico della frequenza
Il componente scelto per il progetto del sottosistema di comunicazione consente di
soddisfare molti requisiti, principalmente quelli riguardanti dimensioni e consumi.
Nella seguente tabella 2 vengono riportate le condizioni operative del dispositivo.
parametro
valore
valore
valore
minimo
tipico
massimo
note
Intervallo di frequenze
402 MHz 433 MHz 470 MHz programmabile con
passo inferiore a 300
Hz
Intervallo di
temperatura di
funzionamento
-40 °C
Tensione di
alimentazione
2.3 V
+85 °C
3.0 V
3.6 V
Tabella 2 – caratteristiche generali del CC1020
Lo schema a blocchi semplificato del CC1020 viene mostrato nella seguente figura 14,
di fonte Chipcon, dove è possibile osservare tutte le funzioni base di un
ricetrasmettitore, funzioni di cui abbiamo parlato nei due paragrafi precedenti.
23
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Figura 14 – Schema a blocchi semplificato del circuito integrato CC1020
(fonte Chipcon AS)
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 15 mostra un esempio di modulazione FSK binaria.
24
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Figura 15 – 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.
In trasmissione, la frequenza sintetizzata viene inviata direttamente all’amplificatore
di potenza, denominato PA nello schema della figura 12. 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).
25
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
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 piedini XOSC_Q1 e XOSC_Q2. Il
dispositivo in uscita fornisce un segnale che indica l’aggancio del PLL (anello ad
agganciamento di fase).
Per la configurazione del dispositivo viene utilizzata l’interfaccia seriale SPI a quattro
fili.
La figura successiva mostra lo schema elettrico semplificato di connessione del
componente, senza i condensatori di disaccoppiamento dell’alimentazione.
Figura 16 – Schema semplificato di interconnessione del CC1020 (fonte Chipcon AS)
Il sottosistema di comunicazione richiede l’uso di un microcontrollore, che si
interfaccia con il CC1020 (vedi figura 15), per effettuare le funzioni seguenti:
•
Programmare le funzioni del ricetrasmettitore attraverso una interfaccia di
configurazione seriale a quattro fili (PDI, PDO, PCLK e PSEL).
26
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
•
Scambiare segnali digitali con l’interfaccia dati sincrona bidirezionale (DIO e
DCLK).
•
Codificare e decodificare dati.
•
Monitorare il LOCK piedino 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.
Figura 17 – 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 sottosistema di comunicazione, 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
27
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
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 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. La differenza fra la trasmissione
full-duplex e le altre modalità possibili, half-duplex e simplex, è mostrata nelle figure
che seguono.
Nella trasmissione simplex (figura 18), i dati viaggiano in un solo verso, cioè dal
trasmettitore al ricevitore.
Figura 18 – trasmissione dati simplex
Nella trasmissione half-duplex (figura 19), la trasmissione dei dati può avvenire nei
due versi, ma in tempi diversi:
Figura 19 – trasmissione dati half-duplex
28
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Nella trasmissione full-duplex infine (figura 20), la trasmissione avviene nei due versi
ed anche contemporaneamente.
Figura 20 – trasmissione dati full-duplex
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 è composto da 7 bit mentre l’ultimo bit
specifica il tipo di operazione: R sta per read (Lettura), W sta per Write (scrittura)
(R=0, W=1).
Fig. 21 – 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.
29
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
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.
Le seguenti figure mostrano un esempio dei segnali di configurazione dei registri del
CC1020 in fase di scrittura (fig. 22) e in fase di lettura (fig. 23). Le figure sono tratte
dalla documentazione della Chipcon AS.
Figura 22 – configurazione in scrittura dei registri del CC1020 (fonte: Chipcon AS)
30
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Figura 23 – configurazione in lettura dei registri del CC1020 (fonte: Chipcon AS)
La configurazione dei registri in lettura e in scrittura da parte del microcontrollore
avviene attraverso la stessa interfaccia di configurazione.
Il sottosistema di comunicazione è in grado di trasmettere dati NRZ (Non-Return-toZero) o dati codificati Manchester. La codifica Manchester assicura che il segnale
abbia un componente in Corrente Continua (DC) costante. Le figure 24 e 25 seguenti
mostrano esempi di dati NRZ e codificati Manchester trasmessi e ricevuti.
31
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Figura 24 – Esempio di trasferimento di dati NRZ sincroni
32
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Figura 25 – Esempio di trasferimento di dati codificati Manchester sincroni
4.4.3 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
Il data rate è
programmabile
Separazione in frequenza per
FSK binaria
108 KHz massimo
Potenza di uscita
da -20 dBm a +10 dBm
Livello armoniche per segnale
a 433MHz
-50 dBc (2a armonica)
Emissione spurie
≤ -54 dBm
La potenza di uscita è
programmabile
-50 dBc (3a armonica)
Tabella 3 – Caratteristiche del trasmettitore per il sottosistema di comunicazione
33
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
4.4.4 Le caratteristiche del ricevitore
4.4.4.1 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)
-118dBm
Sensibilità misurata con
sequenza PN9 con data
rate 2.4KBaud per
BER=10-3
Sensibilità per modulazione
OOK (con codifica
Manchester)
-116dBm (con data rate
2.4Kbaud)
Saturazione del ricevitore
+10dBm
Larghezza di banda di
rumore del sistema
da 9.6KHz a 307.2KHz
Figura di rumore
+7dB
Selettività (per
canalizzazione a 12.5KHz)
+41dB
Indica la reiezione delle
spurie in banda
Desensibilizzazione
+50dB (a ±1MHz)
Indica la reiezione delle
spurie fuori banda
-114dBm (con codifica
Manchester)
-81dBm (con data rate
153.6KBaud)
+64dB (a ±2MHz)
Sensibilità misurata con
sequenza PN9 per
BER=10-3
Livello massimo di
potenza del segnale di
ingresso
La larghezza di banda del
filtro è programmabile
+64dB (a ±5MHz)
+75dB (a ±10MHz)
Reiezione del canale
immagine
+26dB (senza calibrazione)
Soppressione frequenza
immagine
+36dB (senza calibrazione)
LO leakage
< -80dBm
VCO leakage
-64dBm
Emissione spurie
< -60dBm
Offset sincronizzazione bit
8000ppm
Latenza dei dati
4 Baud (con codifica NRZ)
+49dB (con calibrazione)
+59dB (con calibrazione)
8 Baud (con codifica
Manchester)
Tabella 4 – Caratteristiche del ricevitore per il sottosistema di comunicazione
34
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
4.4.4.2 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.
parametro
valore
Frequenza intermedia
307,2KHz
note
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 del 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.
4.4.4.3 La generazione della frequenza di riferimento
La frequenza di riferimento per il sottosistema di comunicazione è generata da un
oscillatore al cristallo. Le caratteristiche principali dell’oscillatore a cristallo per il
sottosistema di comunicazione sono descritte nella seguente tabella 6.
parametro
valore
Frequenza dell’oscillatore a cristallo
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.
35
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
La frequenza del cristallo viene inoltre utilizzata come riferimento per il data rate (in
italiano: la cadenza dei dati digitali).
4.4.4.4 Il sintetizzatore di frequenza
La seguente tabella 7 riporta le caratteristiche principali del sintetizzatore di
frequenza.
parametro
valore
note
Rumore di fase (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
2,7 KHz
Portante non modulata
a 433 MHz
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)
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
4.5
L’antenna del sottosistema Comms
L’antenna del sottosistema di comunicazione, montata direttamente sulla struttura
del DTS, è un’antenna a monopolo (adattata a 50 Ohm) avente una lunghezza pari a
16,4 cm collocata il più vicino possibile al ricetrasmettitore.
5. Il consumo di potenza elettrica del sottosistema Comms
Il sottosistema di comunicazione in banda UHF è caratterizzato da un consumo di
potenza molto basso che lo rende particolarmente adatto per l’applicazione del DTS, in
cui gli assorbimenti di corrente devono essere ridotti. Gli assorbimenti di corrente del
sottosistema di comunicazione sono descritti nella seguente tabella 8.
36
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
parametro
valore
Assorbimento di
corrente in ricezione
Assorbimento di
corrente in
trasmissione
19,9 mA
Assorbimento di
corrente dell’oscillatore
a cristallo, del
sintetizzatore di
frequenza e resto del
circuito
note
12,3 mA ÷ 14,5 mA (POUT=-20
dBm)
14,4 mA ÷ 17,0 mA (POUT=-5dBm)
16,2 mA ÷ 20,5 mA (POUT=0dBm)
20,5mA ÷ 25,1mA (POUT=+5 dBm)
27,1 mA (POUT=+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.
6. Le interfacce del sottosistema Comms
Si riassumono in questo paragrafo tutte le interfacce del sottosistema di
comunicazione (Comms) del DTS.
6.1
Le interfacce elettriche
L’interfaccia elettrica del sottosistema di comunicazione ha le seguenti caratteristiche:
•
Tensione di alimentazione: 5V, bus regolato
•
Corrente assorbita: 20mA
•
Tipo di interfaccia dati: SPI
•
Tipo di protocollo: standard AX.25 o proprietario IMT
•
Telemetrie: Corrente consumata, stato PLL, temperatura, Potenza trasmessa
Le interfacce del sottosistema di comunicazione sono quindi sia di tipo alimentazione
che di tipo dati.
37
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
6.2
Le interfacce meccaniche
Il sottosistema di comunicazione deve essere fissato sul DTS mediante 4 viti M3.
L’antenna deve essere fissata sul DTS sempre mediante serraggio a vite con
connettore tipo SMA.
6.3
Requisiti particolari dovuti all’ambiente di funzionamento
Il sottosistema di comunicazione viene montato sul DTS, e dovendo funzionare
all’interno di un edificio scolastico non vi sono particolari requisiti inerenti a
vibrazioni, accelerazioni e radiazioni.
6.4
Requisiti di interfaccia termica
Il sottosistema di comunicazione è progettato per funzionare nella gamma di
temperatura da – 40°C a + 85°C, e quindi dal punto di vista termico non pone problemi
particolari.
6.5
Interfacce di programmazione ad uso didattico
Il sottosistema di comunicazione è completamente interfacciabile con un PC attraverso
il quale è possibile definire molte caratteristiche del dispositivo e controllare le
prestazioni dell’apparato stesso.
Le caratteristiche programmabili sono le seguenti:
•
Frequenza di trasmissione
•
Frequenza di ricezione
•
Livello del segnale di uscita
•
Larghezza di banda del filtro di ingresso/uscita
•
Tipo di modulazione
Le caratteristiche misurabili sono:
•
Livello del segnale in ingresso
•
Livello del segnale di uscita
•
Aggancio sintetizzatore di frequenza
La comunicazione con il computer avviene mediante porta seriale con connettore
standard tipo DB9, oppure mediante USB con apposito adattatore.
Il software utilizzato per la gestione e il controllo del sottosistema di comunicazione
funziona su sistemi operativi Windows XP e superiori.
38
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
7. La realizzazione meccanica del sottosistema Comms del DTS
Il sottosistema Comms è assiemato 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 pannello superiore
del DTS.
La figura 24 mostra il lato superiore del circuito stampato, la figura 25 mostra il lato
inferiore. La scheda è mostrata senza circuiti integrati e priva del connettore Molex.
Fig. 26 – il lato superiore del circuito stampato
39
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 27 – il lato inferiore del circuito stampato
Sulla scheda sono presenti inoltre due 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
Sono presenti infine dei condensatori ceramici e al tantalio per il disaccoppiamento
dell’alimentazione. La scheda riceve quindi la tensione dalla scheda Power a 5 V per
poi convertirla a 3,3 V tramite un regolatore lineare LDO (Low Drop Out).
I connettori ed i relativi piedini sono disposti nel modo seguente:
•
1 connettore Molex 1 mm a 30 vie, la cui piedinatura è mostrata nella figura 26
40
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 28 – piedinatura del connettore Molex a 30 vie
•
1 connettore a 4 vie conforme alle norme DIN 41651, con la piedinatura mostrata
nella figura 27
Fig. 29 – piedinatura del connettore DIN a 4 vie
•
1 connettore a 2 vie conforme alle norme DIN 41651, dedicato al collegamento con
il pannello solare dedicato al sottosistema Comms. I suoi piedini duplicano i piedini
1 e 2 del connettore a 4 piedini mostrato nella figura 29.
Per concludere, la figura 30 seguente mostra la realizzazione del sottosistema Comms
completo. Nella fotografia viene mostrato il lato superiore del circuito stampato.
In alto si vede l’integrato Chipcon CC1020 montato su di un circuitino ausiliario di
interconnessione (si veda lo schema della figura 16), che comprende anche un
oscillatore a quarzo e il connettore filettato per il collegamento dell’antenna. Il
circuitino ausiliario è a sua volta è innestato su di uno zoccolo (non visibile nella
fotografia).
In basso si vede il contenitore tipo DIP (Dual In-line Package) a 20 piedini del
microcontrollore PIC16F689.
41
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Fig. 30 – La realizzazione del sottosistema Comms del DTS
42
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati
Documento:
Il Sottosistema Comms del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS)
Testi:
Rodolfo Gamberale
Michele Marino
Illustrazioni:
Rodolfo Gamberale
Michele Marino
Altre fonti (vedere didascalie sotto le figure)
43
www.edusat.it
Questo documento contiene informazioni proprietarie IMT srl - Tutti i diritti riservati