L’Elettronica a bordo di un satellite

L'Elettronica a bordo di un satellite

Un satellite è un corpo artificiale che orbita attorno ad un corpo celeste descrivendo solitamente una traiettoria chiusa.
Il satellite deve poter trasmettere segnali verso terra e ricevere segnali da terra e, quindi, deve poter contare sull’assegnazione di apposite tratte radio. In particolare, le tratte radio che consentono a un terminale utente posto a terra di comunicare con il satellite sono dette di “uplink”, mentre quelle che consentono la comunicazione dal satellite al terminale utente sono dette di “downlink”. La banda maggiormente utilizzata è la cosiddetta “banda Ku” che coinvolge le seguenti gamme di frequenza: 12,75 – 14,70 GHz per l’uplink e 10,90 – 12,75 GHz per il down link oppure 17,2 – 18,2 GHz per l’uplink e 11,75 – 12,75 GHz per il downlink. Nonostante siano a disposizione del satellite le bande appena descritte, il satellite necessita di una banda complessiva di 500 MHz sia per l’uplink che per il downlink, suddivisa, a sua volta, in canali trasmissivi con bande di circa 20 o 50 MHz ciascuno. I segnali che pervengono al satellite tramite le suddette tratte radio possono essere rinviati a terra senza subire alcuna variazione o essere rielaborati prima di essere rispedite al terminale utente.
Nel primo caso si parla di satellite “trasparente”, mentre nel secondo caso di satellite “rigenerativo”. La differenza tra i due tipi di satellite si traduce in una differenza tra i sistemi elettronici a bordo degli stessi.

SATELLITE “TRASPARENTE”

Nel caso di un satellite trasparente l’elettronica di bordo deve poter ricevere i segnali provenienti da terra e inviarli nuovamente verso il terminale utente senza elaborarli.

Elettronica nel satellite

In figura 1 è riportato uno schema di principio degli apparati elettronici presenti a bordo di un satellite di questo tipo. Come si può notare, il segnale viene prelevato da un’antenna parabolica (A) e direttamente trasferito in una guida d’onda rettangolare (B), un mezzo propagativo formato da un unico metallo a sviluppo longitudinale e sezione rettangolare; le perdite connesse a un dispositivo di questo tipo possono essere dovute o al metallo o al dielettrico, ma solitamente una guida per applicazioni spaziali è realizzata con un metallo di ottima qualità ed è priva di dielettrico (il dielettrico sarebbe l’aria, ma nello spazio essa è molto rarefatta), garantendo livelli di perdite molto bassi. Il segnale che passa attraverso la guida d’onda presenta due tipi di polarizzazione, una orizzontale e una verticale, cioè il vettore campo elettrico ad esso associato, se proiettato su un piano ortogonale alla direzione di propagazione, varia lungo una certa direzione in maniera lineare e in senso orizzontale o verticale rispetto agli assi del piano di riferimento.

Per separare le due polarizzazioni il segnale viene trasferito al cosiddetto OMT (orthomode transducer) (C), un oggetto dotato di un ingresso adatto alla sezione della guida d’onda e due uscite a basse perdite; ad ogni uscita viene posto un isolatore, un dispositivo in grado di far passare il segnale in un unico verso (dalla guida d’onda ai dispositivi successivi) e di evitare che il segnale torni verso l’antenna e venga ritrasmesso a terra. Una volta attraversato l’OMT il segnale deve essere trasferito ai circuiti elettronici planari del satellite. Risulta necessaria, quindi, la presenza di un dispositivo che sia in grado di consentire il passaggio del segnale da una struttura tridimensionale a una struttura bidimensionale. A tal fine si può utilizzare il metodo presentato in figura 2.

Satellite-schema

Tale metodo consiste nell’inserire, lungo la direzione di propagazione della guida d’onda, una serie di denti metallici di dimensioni sempre crescenti, in modo da confinare il campo elettrico associato al segnale in una regione sempre più piccola della guida; in altre parole si schiaccia progressivamente la guida d’onda fino a farle raggiungere una dimensione tale da poter consentire l’inserimento della microstriscia. In questo modo, quindi, il segnale passa dalla guida d’onda ai circuiti elettronici che costituiscono il cosiddetto “downconverter”(D), un ricevitore di telecomunicazioni che ha il compito di amplificare e traslare in frequenza il segnale ricevuto.

Il ricevitore è costituito dai seguenti dispositivi:

– un amplificatore a basso rumore (E);

– un mixer(F);

– un amplificatore finale (G);

L’amplificatore a basso rumore (LNA, Low Noise Amplifier) ha il compito di amplificare il segnale d’ingresso introducendo il minor rumore possibile, al fine di evitare che il debole segnale proveniente dall’antenna venga sommerso dal rumore stesso. L’LNA, inoltre, deve funzionare in banda Ku, in modo da coprire l’intera gamma delle possibili frequenze del segnale d’ingresso.

Dopo essere stato amplificato dall’LNA, il segnale passa attraverso un mixer; tale dispositivo, prendendo come riferimento la frequenza generata da un oscillatore locale, fa variare la frequenza del segnale in ingresso portandola al valore della frequenza di downlink.

Uscito dal mixer, il segnale passa attraverso un amplificatore finale per evitare che eventuali successive perdite non consentano ad esso di raggiungere un livello sufficiente per essere rinviato a terra.

Dopo il ricevitore è presente un IMUX (Input Multiplexer) (H), un dispositivo atto a dividere la banda del segnale in tanti canali quanti sono i contenuti informativi da trasmettere. Il segnale proveniente da terra, infatti, può contenere informazioni relative a diverse applicazioni e, quindi, deve essere suddiviso in tanti segnali, viaggianti su bande di frequenza differenti. La figura 3 mostra lo schema di base di un IMUX.

Il segnale in ingresso entra in un primo circolatore, un dispositivo 3-porte in grado di consentire il passaggio del segnale da una porta all’altra in una direzione preferenziale. In uscita dal circolatore è posto un primo filtro passa-banda centrato sulla frequenza del primo canale. Nella banda passante il filtro lascia passare tutte le frequenze del segnale nell’intorno della sua frequenza centrale, mentre nella banda oscura il segnale viene totalmente riflesso. La parte di segnale rigettata dal primo filtro torna nel primo circolatore e, uscendo dalla terza porta di quest’ultimo, entra in un secondo circolatore. Questo dispositivo è collegato a un secondo filtro passa-banda centrato sul secondo canale, il quale fa passare le frequenze che rientrano nella sua banda e riflette quelle esterne. Il procedimento di suddivisione in canali continua fino a coprire l’intera banda del segnale in ingresso. Una volta separati, i segnali relativi ai vari canali passano attraverso un equalizzatore (I), un dispositivo in grado di consentire il recupero di eventuali perdite di potenza. La tratta radio di uplink, infatti, tende ad attenuare in maniera differente le diverse frequenze del segnale trasmesso e tale distorsione può essere recuperata solo dopo aver separato i vari canali. Per far ciò l’equalizzatore utilizza un amplificatore a guadagno variabile (L) e un predistorsore (M). L’amplificatore a guadagno variabile serve a recuperare la distorsione d’ampiezza introdotta dalla tratta radio ed è un oggetto che consente una variazione controllata di guadagno al variare della frequenza. Il predistorsore, invece, è un dispositivo che distorce il segnale prima di inviarlo al successivo amplificatore di potenza (N). Quest’ultimo, infatti, dovendo lavorare con elevata efficienza, introduce delle distorsioni non lineari che possono essere compensate solo dalla presenza del predistorsore. All’uscita dall’amplificatore di potenza i segnali relativi ai vari canali vengono ricombinati tramite un OMUX (Output Multiplexer) (O), praticamente identico all’IMUX in ingresso. Dopo esser passato attraverso l’OMUX il segnale entra in antenna (P) e viene ritrasmesso a terra. La frequenza del segnale di downlink è diversa da quella di uplink perché solitamente sul satellite vi è un’unica antenna che funziona sia da trasmittente che da ricevente; se le frequenze di uplink e downlink fossero le stesse l’antenna potrebbe non distinguere tra segnale ricevuto e segnale da trasmettere. A fronte di quanto appena esposto il satellite “trasparente” non è altro che una sorta di specchio, in quanto il segnale ricevuto viene semplicemente ritrasmesso a terra con un ritardo pari al tempo di attraversamento della catena di dispositivi elettronici. Di conseguenza, questo tipo di satellite è utile nel momento in cui rimane fermo su una determinata orbita e ha una sua zona di copertura fissa da cui riceve e verso cui ritrasmette i contenuti informativi delle applicazioni di interesse.

SATELLITE “RIGENERATIVO”

Satellite rigenerativo

La figura 4 riporta lo schema di principio relativo ad un satellite di tipo “rigenerativo”, cioè in grado di ricevere le informazioni da terra e di ritrasmetterle solo dopo averle elaborate. La parte compresa tra l’antenna ricevente e i dispositivi di canalizzazione funziona in modo analogo a quella del satellite “trasparente”; dopo la canalizzazione, invece, viene introdotto un mixer connesso ad un oscillatore locale (A) per portare in banda base le frequenze dei segnali nei canali. A seguito della traslazione in frequenza si effettua, per ogni canale, un’operazione di demodulazione (B), cioè si privano i segnali di tutte le informazioni servite per la trasmissione e se ne estrae l’informazione. Una volta effettuata la demodulazione è possibile immagazzinare in apposite memorie le informazioni raccolte, elaborarle in banda base (C), modularle in maniera diversa da come erano state modulate in trasmissione (D), amplificarle e ritrasmetterle verso terra. La differenza fondamentale tra questo tipo di satellite e un satellite “trasparente”, quindi, risiede nell’aggiunta della parte di elaborazione in banda base, cioè di una parte che lavora a bassa frequenza e che, quindi, è costituita da dispositivi completamente diversi da quelli che caratterizzano gli apparati del precedente tipo di satellite. Dal punto di vista esterno un satellite di questo tipo orbita generalmente su traiettorie molto basse, raccoglie le informazioni da terra, le immagazzina e poi, quando è in presenza di stazioni utente che possono riceverle, le ritrasmette verso terra. Questo processo consente modifiche del contenuto informativo e una maggior versatilità dal punto di vista applicativo rispetto al precedente tipo di satellite.

14 Comments

  1. Fabrizio87 4 febbraio 2011
  2. giuskina 12 febbraio 2011
  3. Pĩėr Fråñceşcö.F 23 maggio 2014
  4. mingoweb 10 febbraio 2011
  5. alfredpennarini 25 aprile 2011
  6. giuskina 4 febbraio 2011
  7. stewe 4 febbraio 2011
  8. Fabrizio87 4 febbraio 2011
  9. Fabrizio87 4 febbraio 2011
  10. stewe 4 febbraio 2011
  11. giuskina 4 febbraio 2011
  12. Fabrizio87 4 febbraio 2011
  13. giuskina 4 febbraio 2011
  14. Francesco12-92 4 febbraio 2011

Leave a Reply