FACOLTÀ DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE, INFORMATICA E … · 2016. 1. 14. · facoltÀ di ingegneria dell'informazione, informatica e statistica corso di laurea magistrale in ingegneria

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 Correlatori Prof. Frank S. Marzano Ing. Elio R. Restuccia

Fernando Consalvi

Anno Accademico 2014-2015

Indice

Elenco delle figure 3

1 Introduzione 51.1 Argomento ed obiettivi dell’elaborato . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Sommario dei capitoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Descrizione della tematica 72.1 Le comunicazioni satellitari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Alphasat e il TDP5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 La stazione ricevente 123.1 Ricevitore in banda Ka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Ricevitore in banda Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Sistemi ausiliari 254.1 Cyber physical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2 Stazione meteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3 Radiometro a 90 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.4 Software di acquisizione dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5 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

Elenco delle figure

2.1 I vari tipi di orbite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Il satellite Alphasat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Alphasat TDP5 “Aldo Paraboni" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 La stazione ricevente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Front-end del ricevitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Cifra di rumore dell’LNA e filtri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4 Risposta in frequenza del filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.5 Risposta in frequenza dell’LNA con filtri . . . . . . . . . . . . . . . 183.6 Schema a blocchi del downconverter . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.7 Frequenze immagine del downconverter . . . . . . . . . . . . . . . 203.8 Stazione ricevente in banda Q[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.9 Particolare dell’antenna con tubo per essiccatore e guarnizione di

protezione della guida d’onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.10 Installazione della stazione in banda Q . . . . . . . . . . . . . . . . 24

(a) Il ricevitore a vista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24(b) Il ricevitore con la copertura protettiva . . . . . . . . . . 24

4.1 Architettura del controllo temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 264.2 Shield controllo temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Test 4 ore LNA in camera climatica. Temperatura −10 . . . . . . . 274.4 Ricevitore in banda Q: test in camera climatica . . . . . . . . . . . 274.5 Orbita del satellite Alphasat e antenna con HBW di 1.4 . . . . . . 284.6 Orbite del satellite Alphasat relative alla stazione di Roma ISCTI . 29

(a) Maggio 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29(b) Settembre 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29(c) Dicembre 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29(d) Maggio 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29(e) Settembre 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29(f) Ottobre 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.7 Protocollo di comunicazione dell’inclinometro . . . . . . . . . . . . 304.8 Schema funzionale del controllo di elevazione . . . . . . . . . . . . 304.9 Il disdrometro e le sue funzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

(a) Il disdrometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3

Elenco delle figure

(b) Grafico dimensione-velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.10 Schema a blocchi di un radiometro di Hach . . . . . . . . . . . . . 324.11 Modello tridimensionale del radiometro a 90 GHz . . . . . . . . . 334.12 Scheda dual face per l’acquisizione dei segnali . . . . . . . . . . . . 34

(a) Progettazione della scheda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34(b) Scheda per la ricezione dei segnali . . . . . . . . . . . . . 34

4.13 GUI del software di aquisizione dati . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.1 Esempio di acquisizione dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.2 Ingrandimento del periodo affetto da pioggia . . . . . . . . . . . . 375.3 Filtro di Chebyshev del primo ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.4 Data detrending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.5 Algoritmo di detrending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.6 Correlazione pioggia attenuazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.1 Architettura dell’acquisizione dei dati meteo . . . . . . . . . . . . . 406.2 Stazione ricevente del satellite Alphasat in banda Ka e Q . . . . . 41

A.1 Schematizzazione del segmento terra-spazio per il calcolo di Ar[12] 45A.2 Attenuazione dovuta a gas atmosferici [13] . . . . . . . . . . . . . . 47A.3 Andamento di γC al variare della frequenza[9] . . . . . . . . . . . . 49A.4 Scintillazione ionosferica[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

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Capitolo 1

Introduzione

1.1 Argomento ed obiettivi dell’elaborato

Il continuo sviluppo tecnologico e l’aumentata richiesta di banda per dispositi-vi 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 bi-trate sempre più elevato. In questo scenario si inserisce lo studio sviluppato inquesta tesi. Il dipartimento di Ingegneria Elettronica e Telecomunicazioni del-la “Sapienza", in collaborazione con l’ “Istituto Superiore delle Comunicazionie Tecnologie dell’informazione" (ISCTI - Ministero dello Sviluppo Economico- Dipartimento per le Telecomunicazioni) e la “Fondazione Ugo Bordoni" haaderito ad un progetto dell’ “Agenzia Spaziale Europea" (ESA) riguardo lostudio di propagazione atmosferica di segnali in banda Ka e Q. In particolarel’esperimento in questione é il “TDP5" (Technology Demonstration Payload 5)denominato “Aldo Paraboni" in memoria del celebre professore che ha datoinizio a questi studi. Questo carico sperimentale è installato a bordo del sa-tellite commerciale per telecomunicazioni Alphasat grazie ad un accordo traAgenzia Spaziale Europea e la società INMARSAT e consiste di due trasmet-titori di beacon alle frequenze rispettivamente di 19.701 GHz per la bandaKa e di 39.402 GHz per la banda Q. La partecipazione alla sperimentazioneha condotto alla progettazione, realizzazione e installazione di due ricevitorialle frequenze sopra citate. Si è poi realizzato un software per l’acquisizionedei dati relativi alla potenza ricevuta e sviluppata una prima analisi combi-nando questi dati con quelli di una stazione meteo posizionata a pochi metridai ricevitori. L’obiettivo è quello di confrontare i dati sperimentali con quelliottenuti tramite la simulazione dei modelli di propagazione forniti dall’ITU-R(“International Telecommunication Union - Radiocommunication sector") peresaminare la possibilità di estendere alle comunicazioni consumer queste bandedi frequenze. Come vedremo l’utilizzo di bande a frequenze così elevate per-mette si di avere una maggiore larghezza di banda disponibile, ma al cresceredella frequenza presenta sempre più forti problemi di propagazione dovuti alle

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1.2. SOMMARIO DEI CAPITOLI

condizioni meteorologiche del canale di trasmissione. Peculiarità della realiz-zazione delle due stazioni è l’utilizzo di componenti di recupero provenienti daricevitori oramai in disuso e quindi la loro natura low cost. Ogni singolo com-ponente è stato ricondizionato, caratterizzato ed adattato alle frequenze delTDP5 presso i laboratori dell’ISCTI per accertarsi del corretto funzionamentoalle nuove frequenze.

Questo studio è stato realizzato in due fasi. Nella prima sono state ef-fettuate simulazioni di propagazione tramite modelli probabilistici in mododa poter caratterizzare la tratta nelle due bande di interesse e, di conseguen-za, sono stati dimensionati i componenti dei ricevitori in modo da rispettarele specifiche ESA. La seconda parte, trattata in questa tesi, riguarda invecel’implementazione dei ricevitori, la loro installazione, i sistemi di supporto, laricezione dei dati ed una prima analisi. I dati relativi alle simulazioni, perbrevità, possono essere trovati in appendice.

1.2 Sommario dei capitoli

Nel primo capitolo saranno descritte in maniera generale le comunicazioni sa-tellitari partendo da alcuni cenni storici. Sarà poi esaminato nel dettaglio ilsatellite Alphasat e le caratteristiche della stazione trasmittente. Si andrà poicon i due capitoli successivi a descrivere in maniera dettagliata rispettivamentela stazione ricevente in banda Ka e Q. Successivamente vedremo gli strumentidi supporto alle misure del segnale, in ordine la stazione meteo nella sua com-pletezza e poi i Cyber Physical Systems utilizzati per il corretto funzionamentodei ricevitori. Proseguiremo con la descrizione del software di acquisizionedati realizzato appositamente per questo progetto e nel capitolo successivoverranno fatti un’analisi qualitativa dei dati ricevuti e un confronto con i datimeteorologici acquisiti. Per concludere i risultati ottenuti per il ricevitore Al-phasat verranno confrontati con le specifiche ESA, verranno sottoposti alcuniproblemi e suggerite soluzioni e azioni future da intraprendere per continuarea partecipare attivamente a questa sperimentazione.

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Capitolo 2

Descrizione della tematica

2.1 Le comunicazioni satellitari

La necessità di raggiungere una maggiore quantità di utenti, di percorrere di-stanze maggiori e luoghi remoti ha trascinato il mondo delle telecomunicazioninell’era dello spazio. Nel 1945 lo scrittore di fantascienza Arthur C. Clarkeipotizzò la realizzazione di sistemi satellitari geostazionari, il lancio dello Sput-nik da parte dell’Unione Sovietica avvenne solo tredici anni dopo, nel 1957[4].Lo Sputnik non era un satellite geostazionario, in quanto le tecnologie mis-silistiche dell’epoca non permettevano il lancio di un satellite a distanze cosìelevate.Il lancio di questi satelliti nei primi anni ’60 catapultò l’intera societàin una nuova era di comunicazione globale che da quei giorni in poi ha segnatoogni comportamento umano. La ricerca militare in tale ambito permise unosviluppo ancora più rapido di queste tecnologie. I satelliti a bassa orbita, in-fatti, permettevano comunicazioni rapide da e per qualsiasi parte del globo.Nel luglio 1963 la NASA (National Aeronautics and Space Administration) incollaborazione con il dipartimento della difesa effettuò il lancio del primo satel-lite geostazionario per scopi militari, appartenente alla famiglia Syncom. Solonel 1965 il primo satellite geostazionario commerciale per telecomunicazioniraggiunse la sua orbita, Early Bird (noto anche come Intelsat I)[21]. La datadi nascita delle comunicazioni satellitari commerciali è segnata dalle prime co-municazioni regolari avvenute tra Stati Uniti ed Europa, nel giugno del 1965.La rapidità dei progressi in questo ambito ha superato tutte le previsioni. Daallora le reti di comunicazioni terrestri in unione a quelle radiomobili e satelli-tari e alle nuove tecnologie wireless in simbiosi con le tecnologie informatichehanno portato all’era dell’Information Technology in cui virtualmente chiunquepuò essere parte dell’economia globale.

Un sistema di comunicazione satellitare è costituito da due segmenti in-dipendenti, quello terrestre e quello spaziale (eventualmente costituito da piùsatelliti in comunicazione tra loro). Il segmento da terra verso il satellite vienechiamato UpLink mentre quello dal satellite verso il ricevitore terrestre Do-

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2.1. LE COMUNICAZIONI SATELLITARI

wnLink. Attravero l’UpLink possono viaggiare dati che il satellite deve a suavolta trasmettere verso altre stazioni riceventi oppure segnali di controllo einterrogazione dei sensori del satellite. Naturalmente i due tipi di stazioni ditrasmissione presentano caratteristiche molto diverse tra loro. Anche attra-verso il DownLink possono essere trasmessi dati riguardanti il controllo delsatellite. Il canale di trasmissione è l’aria e le frequenze utilizzate sono nellafascia delle microonde. Nella tabella è visibile la suddivisione dello spettroelettromagnetico e il diverso utilizzo delle varie bande.

Servizio Banda di frequenza tipica Siglaper il DownLink/UpLink

FSS 4/6GHz Banda C(Fixed Satellite Service) 7/8GHz Banda X

12− 11/14GHz Banda Ku20/30GHz Banda Ka40/50GHz Banda V

MSS 1.5/1.6GHz Banda L(Mobile Satellite Service) 20/30GHz Banda KaBSS 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 aquelle terrestri e radiomobili, tra queste la più evidente è l’area di copertura.Nessun altro sistema a terra infatti è equiparabile ad un sistema satellitarein quanto a superficie raggiunta e possibilità di raggiungere luoghi remoti.Questo, in aggiunta all’assenza di costi di cablaggio e alla necessità di inter-vento minima del personale a terra, permette un rapporto costo/prestazionialtrimenti irraggiungibile. Il secondo indiscutibile vantaggio è la banda dispo-nibile, un sistema in banda Ka, ad esempio, offre un bitrate nell’ordine deiGbs/s[22].

Esistono cinque tipologie di satelliti, quelli geostazionari (GEO - Geosta-tionary Earth Orbit), quelli ad orbita intermedia (MEO - Middle Earth Orbit),quelli ad orbita bassa (LEO - Low Earth Orbit), quelli ad orbita ellittica equelli ad orbita ibrida.

• I satelliti GEO sono situati all’incirca a 35786Km sopra l’equatore e ruo-tano con velocità angolare pari a quella della terra.Un singolo satelliteGEO permette una copertura di circa un terzo della superficie terrestre,per questo motivo sono largamente utilizzati per comunicazioni interna-zionali e di tipo broadcasting. Tuttavia proprio la loro staticità impedisce

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2.1. LE COMUNICAZIONI SATELLITARI

di raggiungere zone a latitudini maggiori di 60°, il che include molte dellecapitali europee. Altri vantaggi offerti dai satelliti GEO sono l’assenzadi discontinuità del servizio e il minimo slittamento in frequenza dovutoall’effetto Doppler[24].

Figura 2.1: I vari tipi di orbite

• Detta anche Intermediate Circular Orbit l’orbita di tipo MEO ha unperiodo di circa 6 ore e richiede una serie di 10-15 satelliti ad una distanzadi circa 10000Km per coprire l’intero globo.

• L’orbita di tipo LEO un’orbita circolare ad un’altitudine di diverse cen-tinaia di chilometri. Il periodo di rivoluzione è nell’ordine di un’ora emezza con un’inclinazione di circa 90°. Questo in aggiunta alla rotazioneterrestre sull’asse polare permette l’illuminazione su lungo termine del-l’intera superficie terrestre. Per questo motivo questa tipologia di orbitaviene spesso scelta per satelliti da osservazione, mentre per telecomuni-cazione sarebbe necessario l’utilizzo di una costellazione di diverse decinedi satelliti, come ad esempio il servizio IRIDIUM con 66 satelliti.

• L’utilizzo di orbite ellittiche rappresenta la soluzione ai problemi di illu-minazione a latitudini prossime ai poli. E’ stata utilizzata per la primavolta dall’ URSS per il sistema MOLNYA con un periodo di rivoluzionedi 12 ore.

• I sistemi ad orbita mista invece adottano combinazioni di orbite circolaried ellittiche per rispondere a particolari esigenze del committente.

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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 Al-phabus. I satelliti di questa serie, che hanno orbita geostazionaria, prestazionidi livello altissimo e una grande capacità di carico, il che vuol dire maggioriservizi offerti agli utenti. Con una massa di carico di 15000Kg e una potenzadedicata agli strumenti di 12-18 KW i satelliti della serie Alphabus rendonopossibile il lancio di 190 transponder e fino a 12 antenne a riflettore. Perl’occasione l’ESA ha concesso agli operatori del settore l’opportunità unica dilanciare i propri carichi già con il primo satellite della serie chiamato Alphasat.Questa offerta è stata raccolta da INMARSAT e il lancio del satellite tramiteun razzo Ariane 5 è avvenuto il 25 luglio 2013.

Figura 2.2: Il satellite Alphasat

Alphasat è un satellite geostazionario. È il più grande satellite per teleco-municazioni europeo con una massa di 6650 Kg e 40 m di apertura alare con ipannelli solari spiegati. Incorpora la prima unità della piattaforma Alphabus egrazie alla partnership ESA-Inmarsat, ospita a bordo sia servizi per gli utentiche sistemi di sviluppo per nuove tecnologie. Infatti, oltre al ripetitore in ban-da L INMARSAT, Alphasat ospita a bordo quattro Tecnology DemonstrationPayloads:

• TDP1: un terminale di comunicazione laser per dimostrare la possibilitdi comunicazione tra satelliti in orbite GEO con satelliti in orbite LEO

• TDP5: esperimento di comunicazione in banda Ka e Q-V per testareil comportamento e ipotizzare un futuro utilizzo di queste frequenze alivello commerciale

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2.2. ALPHASAT E IL TDP5

• TDP6: un Advanced Star Tracker

• TDP8: un sensore ambientale per misurare le radiazioni ambientali checircondano il satellite e monitorarne gli effetti sui sistemi elettronici dicomunicazione e sui sensori.

Per quanto riguarda il TDP5, nominato Aldo Paraboni in onore dell’omo-nimo professore, è suddiviso in tre parti. Un esperimento di comunicazione, unesperimento scientifico ed uno quello tecnologico. L’esperimento di nostro in-teresse è quello scientifico il cui scopo è quello di ottenere dati di propagazionenelle bande Ka e Q-V che sono indispensabili nell’ottimizzazione della proget-tazione dei moderni sistemi satellitari. I terminali sperimentali di ricezionesono disposti in varie zone del fascio di illuminazione (centrato in 35 deg N, 17deg E) del satellite. Questo garantisce una maggiore varietà di dati acquisitiche riveleranno caratteristiche di propagazione relative alle varie latitudini ezone climatiche di appartenenza. Scopo finale di questo esperimento scientificoè infatti la stesura di modelli probabilistici che caratterizzino la propagazioneatmosferica in zone differenti tra loro tramite la correlazione dei dati relativialla potenza ricevuta e i dati meteo relativo al sito della stazione. L’implemen-tazione di tali modelli permette di confrontare i dati con i modelli ITU fino adora utilizzati e di poter convalidare o aggiornare tali modelli in base anche aicambiamenti climatici più recenti.[19]

Figura 2.3: Alphasat TDP5 “Aldo Paraboni"

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Capitolo 3

La stazione ricevente

La stazione ricevente risulta composta da due ricevitori indipendenti, centratirispettivamente ad una frequenza di 19.701 GHz e 39.402 GHz. La realizza-zione è stata eseguita seguendo le linee guida dell’ESA e rispettando piena-mente le stringenti specifiche imposte. Queste sono giustificate dalla naturadell’esperimento. Infatti trattandosi di un carico sperimentale a bordo di unsatellite commerciale, le caratteristiche del trasmettitore rendono necessariauna progettazione del ricevitore molto accurata e con prestazioni molto alte.Inoltre essendo uno studio di propagazione si manifesta la necessità di avere inricezione un’ampia dinamica del segnale in modo da poter esaminare fenomenimeteorologici di vario tipo ed intensità.

I trasmettitori installati a bordo del satellite per le due bande di frequenzapresentano caratteristiche quasi identiche e sono riportate di seguito:

• Segnale inviato: CW @ f = 19.701GHz e CW @ f = 39.402GHz

• Punto di massima potenza dell’antenna localizzato a 35°N, 17°E

• Diametro dell’antenna DPL = 12 cm

• Massimo guadagno di antenna GPL = 26.7 dBi

• Efficienza d’antenna ηPL = 60%

• Temperatura di ground noise TGR = 30 K

• ϑ3dB = 8.88°

• EIRP minima (EOC - Edge Of Coverage)19.5 dBW

• Perdite di antenna (depointing) 1 dB

• Guadagno @ EOC 23.4 dBi (incluse perdite di antenna)

• Potenza trasmessa PPL = −3.9 dBW

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Le specifiche richieste per i due sistemi sono invece le seguenti:

• Temperatura di rumore del ricevitore:

– Tsys < 400 K @ 19.701 GHz (Banda Ka)

– Tsys < 600 K @ 39.402 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 ηRX60%

• Diametro di antenna DRX ≤ 1.5 m

Figura 3.1: La stazione ricevente

La realizzazione delle stazioni riceventi ha seguito il seguente percorso. Perprima cosi sono state effettuate l’analisi e la simulazione matematica, succes-sivamente sono stati eseguiti l’assemblaggio e le misurazione in laboratorioed infine si è terminato la realizzazione delle piattaforme di supporto e conl’installazione definitiva all’esterno. L’analisi matematica del modello è stataeffettuata tramite il software MatLAb© mentre per quanto riguarda le piatta-forme di supporto al ricevitore (controllo temperatura e tracking) sono statescelte le piattaforma di sviluppo open-source Arduino© e Raspberry©.

Lo sviluppo di un sistema di collegamento radio satellitare richiede il calcolodi parametri riguardanti le potenze trasferite e le attenuazioni che sopraggiun-gono nel percorso dal trasmettitore fino al ricevitore. Le specifiche devono poi

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3.1. RICEVITORE IN BANDA KA

essere espresse in parametri di “qualità” e disponibilità. Per quanto riguardala “qualità”, questa viene espressa tramite il fattore C/N cioè il rapporto tra lapotenza della portante e quella del rumore. La “disponibilità” è un parametroche viene invece espresso in percentuale di tempo. Usualmente viene indicatala percentuale di fuori servizio”, cioè la probabilità di mancata ricezione delsegnale, in percentuale di tempo annua. L’espressione di partenza per lo studiodi una tratta deriva dall’equzione di Friis in spazio libero:

C = EIRP +GR −ASL −AS [dB]

dove con C viene indicata la potenza della portante ricevuta, EIRPdB =WT+GT la potenza in uscita dall’antenna in trasmissione, ASL l’attenuazionedi spazio libero ed AS l’attenuazione supplementare. L’attenuazione di spaziolibero è stata calcolata utilizzando i dati forniti dall’ESA riguardo la posizionedel satellite per ottenere la distanza dalla stazione ricevente utilizzando la bennota formula:

ASL =

(λ

4πR

)[adim]

Dove λ è la lunghezza d’onda e R la distanza tra il trasmettitore e il ricevi-tore. Per il segnale in banda Ka si ottiene un’attenuazione di circa 209 dBmentre per quello in banda Q è di circa di 215.5 dB Il calcolo dell’attenua-zione totale invece è stato effettuato[18] tramite la simulazione al calcolatoredei modelli di propagazione atmosferica ITU-R specifici per le coordinate dellastazione ricevente. Per il calcolo dell’attenuazione vengono considerati diversicontributi:

• 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 otte-nuti tramite le simulazioni. Per maggiori informazioni riguardo il calcolo delleattenuazioni si fa riferimento all’appendice.

3.1 Ricevitore in banda Ka

l ricevitore, come precedentemente accennato, è stato realizzato a partire dacomponenti di un sistema oramai in disuso. In particolare da un ricevitoreprogettato per il satellite “Italsat". La frequenza di centro banda di tale rice-vitore risultava essere leggermente diversa rispetto a quella in banda Ka delTDP5 di Alphasat. I singoli componenti sono stati quindi caratterizzati in la-boratorio prima alla loro naturale frequenza di utilizzo e solo successivamente

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si è studiata una soluzione alternativa per permetterne il funzionamento allanuova frequenza. Dopo di questo il sistema ottenuto è stato nuovamente sot-toposto a misurazioni di laboratorio per verificarne il corretto funzionamentoe la rispondenza alle specifiche richieste dall’ESA.

La stazione sperimentale risulta composta da una unità esterna ed unaunità interna. Quella esterna è costituita dall’antenna, dall’amplificatore abasso rumore, dagli stadi di conversione di frequenza e dai sistemi di controllodella temperatura e del tracking . L’unità interna è costituita invece da unricevitore di beacon a 69 MHz, e dal sistema di acquisizione dati, capace diacquisire 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 diame-tro. Questa presenta un guadagno nominale di circa 47 dB alla frequenza di19.701 GHz e un angolo a metà potenza di circa 0.7. Il guadagno di antennamolto elevato permette il raggiungimento di una dinamica molto estesa, ma,come vedremo in seguito, l’angolo a metà potenza molto stretto rende necessa-rio un sistema di tracking satellitare per poter evitare oscillazioni indesideratedel segnale ricevuto. Il front-end, come visibile in Figura 3.2, risulta compo-sto da due componenti principali: l’amplificatore a basso rumore (LNA) e ildown-converter. Quest’ultimo effettua una conversione in due stadi in mododa 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 efornisce tramite display numerico l’indicazione in dB del livello del segnale

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ricevuto.È stato inoltre realizzato un circuito di condizionamento del segnalein modo da estrarre dal ricevitore un segnale di tensione continua proporzionalealla potenza del segnale ricevuto. Tale circuito isola il ricevitore di beacon dallascheda di acquisizione e moltiplica il segnale di un valore tale da permetteresuccessivamente l’utilizzo della nostra scheda di acquisizione. Tale segnaleviene acquisito da un calcolatore simultaneamente a dati relativi a sensorimeteo localizzati in prossimità dell’antenna ricevente.

Il Low Noise Amplifier rappresenta l’elemento più importante di tutta lacatena di ricezione, dalle sue prestazioni, infatti, dipendono alcune importanticaratteristiche del ricevitore. La funzione di un LNA in un ricevitore è quella diamplificare il più possibile il segnale aggiungendo al sistema la minima quantitàdi rumore, mantenendo così il miglior rapporto segnale rumore all’uscita delsistema. Il fattore di rumore totale Ftot di un sistema risulta essere:

FTOT = F1 +F2 − 1

G1+F3 − 1

G1G2+ . . .+

FN − 1

G1 . . . GN−1

dove Gn e Fn rappresentano rispettivamente il guadagno e il fattore di rumoredello stadio ennesimo. Nel nostro caso:

FTOT = Afiltro + (FLNA − 1)Afiltro +AfiltroGLNA

(FDC − 1)

dove FDC è il fattore di rumore del down converter.Dall’esame della relazione risulta evidente l’importanza del guadagno dell’LNAriguardo alla mitigazione degli effetti della rumorosità degli stadi successivi. Irisultati delle misurazioni, nonostante siano passati diversi anni dalla fabbri-cazione, si avvicinano molto ai dati dichiarati dal costruttore nel datasheetdel componente. Il guadagno, misurato tramite l’utilizzo del signal analyzerrisulta stabile rispetto al livello del segnale in ingresso e si scosta di qualchedB al di sopra del valore dichiarato; risulta infatti GLNA ≈ 30.5 dB. Anchela risposta in frequenza dell’amplificatore, misurata tramite analizzatore vet-toriale di rete, mostra la qualità del componente e il mantenimento nel tempodelle sue caratteristiche.Per quanto riguarda la misura della cifra di rumore, avendo a disposizione unnoise figure meter con frequenza massima limitata a 1500MHz si è procedutocon una misura in singola banda tramite il seguente algoritmo:

• è stato impostato il noise figure meter per misurare la cifra di rumoreintorno ad una f0 = 751 MHz

• è stato impostato l’ENR della sorgente relativo alla frequenza di 19.701GHz (frequenza originale del ricevitore)

• è stato collegato all’ingresso del NFM , la porta IF di un mixer con unOL a f = 18.950 GHz

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• si è collegato all’ingresso RF del mixer un filtro per l’eliminazione dellabanda 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 filtropassa banda capace di eliminare la frequenza immagine della conversione. Unavolta effettuata la calibrazione si è scollegata la sorgente di rumore dal filtroe si è messa in ingresso alla catena filtro-LNA-filtro. Il risultato ottenuto perla cifra di rumore dell’LNA comprensivo del suo filtro di ingresso è di 3.3dB. L’ENR della sorgente di rumore per la frequenza di 19.701 GHz è statoricavato tramite interpolazione dei valori forniti nella tabella di calibrazionedella sorgente di rumore. I valori presenti su tale tabella sono in rapportolineare con la frequenza, è possibile quindi tracciare un grafico ENR-frequenzae ricavare i dati:

ENR19.701 = ENR19 −(ENR19 − ENR20

20− 19

)= 14.11 [dB]

Il filtro di ingresso all’LNA, è stato caratterizzato anche singolarmente perquanto riguarda la sua risposta in frequenza tramite misurazioni con analiz-zatore vettoriale di rete. Lo strumento è stato calibrato tramite calibrazione

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rapida includendo nel banco di misura i cavi e le transizioni guida-cavo, dopodi che è stata effettuata la misurazione. La figura mostra la risposta dell’am-piezza al variare della frequenza in uno span di 200 MHz con f1 = 19.600GHz ed f2 = 19.800 GHz con una scala di un 1dB per divisione.

Figura 3.4: Risposta in frequenza del filtro

Il marker 1 indica la frequenza f = 19.701 GHz del trasmettitore in banda Kadel satellite Alphasat. L’attenuazione introdotta dal filtro a f = 19.701 GHz èdi 0.7 dB, valore che si ripercuoterà completamente sulla cifra di rumore totaledel ricevitore. Sono state effettuate anche misurazioni su: LNA più filtro iningresso; LNA più filtro di ingresso e di uscita (figura 3.5).

Figura 3.5: Risposta in frequenza dell’LNA con filtri

18


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 19.701 GHz a 69 MHz avviene tramite due stadi di con-versione successivi. Nel primo il segnale prelevato dall’uscita dell’LNA battecon l’uscita del moltiplicatore a 18.950 GHz in un mixer per generare la primaIF:

fIF1 = fRF − fOL1 = 19701− 18950 = 751MHz

Essendo il mixer non bilanciato abbiamo anche un altro segnale che vieneconvertito a FIF . Tale segnale si trova alla distanza fIF dalla frequenza diOL, sarà quindi:

fIM1 = fOL1 − fIF1 = 18950− 751 = 18199MHz

Tale frequenza costituisce l’immagine di prima conversione. Il secondo sta-dio effettua la conversione da 751 MHz a 69 MHz con un segnale di OL a820 MHz. Abbiamo quindi:

fIF2 = fOL2 − fIF1 = 820− 751 = 69MHz

e la frequenza immagine di seconda conversione sarà:

fIM2 = fOL2 + fIF2 = 820 + 69 = 889MHz

La fIM2 potrebbe essere generata come prodotto dal primo stadio di con-versione rispettivamente dai segnali a frequenza fOL1 − fIM2 e fOL1 + fIM2.Chiamando le due frequenze f ′IM1 e f ′′IM1, sarà dunque:

f ′IM1 = fOL1 − fIM2 = 18950− 889 = 18061MHz

19


f ′′IM1 = fOL1 + fIM2 = 18810 + 889 = 19699MHz

Le frequenze immagine producono apporti indesiderati al segnale che si trasfor-mano in interferenza di ricezione. Devono per questo motivo essere eliminatitramite apposito filtraggio. Il filtro in ingresso all’LNA provvede ad eliminaregli eventuali segnali a frequenza immagine.

Figura 3.7: Frequenze immagine del downconverter

Il gruppo di conversione è fornito anche di due stadi di amplificazione dispostirispettivamente dopo il primo e dopo il secondo mixer. Il guadagno com-plessivo tra ingresso RF ed uscita a 69 MHz risulta di 55 dB. Le perdite diconversione dei due mixer sono risultate ciascuna di 9 dB. Una volta effettuatequeste misurazioni, sono state utilizzate insieme ai risultati delle simulazionistatistiche per calcolare la probabilità di fuori servizio e il fattore C/N . Irisultati raggiunti sono visibili in tabella 3.1. Osservando con attenzione econfrontando con le specifiche ESA si vede come per lo 0.1% di fuori serviziosi ottiene un C/N di ben 21 dB, 16 dB al di sopra del valore richiesto. Ilricevitore ottenuto risulta così molto robusto nei confronti delle attenuazionisupplementari e, considerato che a questa probabilità di fuori servizio il con-tributo maggiore all’attenuazione è dovuto agli effetti delle precipitazioni[18],questo permette la ricezione del segnale anche in caso di eventi meteorologiciseveri. Riassumendo, le specifiche ottenute per la stazione in banda Ka sonole seguenti:

• frequenza: 19.701 GHz

20


• 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 kHz @ ≈ 70 MHz

Prob At Pr Tant Tsys G/T C/N0 C/N% [%] [dB] [dBm] [K] [K] [dB/K] [dB/Hz] [dB]0.0100 20.6407 -130.2983 307.6074 664.9126 17.2724 38.5732 8.57320.0500 10.9864 -120.6440 287.9042 647.3521 17.3886 48.3438 18.34380.1000 8.0892 -117.7467 266.9439 628.6712 17.5158 51.3682 21.36820.2000 5.7938 -115.4514 236.9583 601.9465 17.7044 53.8522 23.85220.3000 4.7801 -114.4377 217.7556 584.8321 17.8297 54.9912 24.99120.4000 4.1434 -113.8010 203.1912 571.8516 17.9272 55.7253 25.72530.5000 3.7065 -113.3641 191.8861 561.7759 18.0044 56.2395 26.23951.0000 2.6401 -112.2977 159.0142 532.4788 18.2370 57.5384 27.53845.0000 1.1951 -110.8527 99.4110 479.3573 18.6934 59.4398 29.43986.0000 1.0989 -110.7564 94.6899 475.1497 18.7317 59.5744 29.57447.0000 1.0231 -110.6807 90.9003 471.7722 18.7627 59.6812 29.68128.0000 0.9610 -110.6186 87.7447 468.9598 18.7886 59.7692 29.76929.0000 0.9085 -110.5661 85.0430 466.5519 18.8110 59.8441 29.844110.0000 0.8631 -110.5207 82.6790 464.4450 18.8307 59.9091 29.909120.0000 0.6462 -110.3038 71.0355 454.0676 18.9288 60.2242 30.224230.0000 0.5447 -110.2023 65.3882 449.0345 18.9772 60.3741 30.374140.0000 0.4789 -110.1365 61.6517 445.7044 19.0095 60.4722 30.472250.0000 0.4261 -110.0837 58.6130 442.9961 19.0360 60.5515 30.551560.0000 0.3491 -110.0066 54.1151 438.9873 19.0755 60.6680 30.668070.0000 0.3491 -110.0066 54.1151 438.9873 19.0755 60.6680 30.668080.0000 0.3491 -110.0066 54.1151 438.9873 19.0755 60.6680 30.668090.0000 0.3491 -110.0066 54.1151 438.9873 19.0755 60.6680 30.668099.0000 0.3491 -110.0066 54.1151 438.9873 19.0755 60.6680 30.6680

Tabella 3.1: Simulazione della tratta tramite MatLab©

21

3.2. RICEVITORE IN BANDA Q

3.2 Ricevitore in banda Q

La stazione ricevente in banda Q presenta una struttura simile rispetto a quel-la in banda Q. Abbiamo il front end costituito dall’antenna e dal ricevitorecollocati esternamente, e il back end con il ricevitore di beacon e il sistema diacquisizione dati posizionati all’interno del Laboratorio Microonde ISCTI. Lastruttura interna del ricevitore, presenta solamente lievi differenze rispetto aquello in banda Ka come mostrato in figura 3.8, dovute semplicemente allametodologia utilizzata per la conversione in frequenza. Anche in questo casola 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 voltadel diametro di 46 cm e illuminatore prime focus. Il suo guadagno effettivoè di 42.7 dB e l’HBW (Half Beam Width) è di 1.4. In un primo momentoera stata selezionata un’antenna a tromba conica con un guadagno di 37.9 dB,scelta modificata dopo aver effettuato la caratterizzazione della tratta. Infattil’angolo a metà potenza di circa 2 avrebbe permesso una ricezione del segnaleottimale anche in presenza di oscillazioni del satellite, ma, purtroppo, il gua-dagno presentava una limitazione rilevante riguardo la dinamica del segnalericevuto[23].Il segnale a 39.402 MHz viene poi inviato ad un amplificatore a basso rumore

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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 diprotezione della guida d’onda

La conversione in frequenza anche in questo caso avviene in due stadi, la pri-ma che tramite un mixer trasporta il segnale ad una IF1 = 3406 MHz e laseconda che tramite un convertitore di frequenza abbassa il segnale fino aduna frequenza di circa 70 MHz. Nella segmento esterno, oltre alla parte diricezione è collocata la sezione di alimentazione. Qui una scatola stagna ospita7 alimentatori lineari stabilizzati, anche questi recuperati da una precedenteinstallazione e ricondizionati in laboratorio. Dall’esterno il segnale viene invia-to al backend dove un SBR (Satellite Beacon Receiver) mostra la potenza delsegnale ricevuto e genera un segnale DC da inviare alla scheda di acquisizionedati. Questa volta l’SBR è impostato con una banda di 100 Hz in modo daaumentare ancora il guadagno sul segnale ricevuto di 10 dB. Vista la delica-tezza della componentistica, ogni componente a contatto con l’esterno è statodotato di guarnizioni, connettori stagni o ulteriori protezioni. Per evitare uneccessivo surriscaldamento la scatola stagna che ospita il ricevitore è stata do-tata di una copertura metallica bianca per diminuire l’esposizione ai raggi delsole. La guida d’onda proveniente dall’antenna, inoltre, è dotata di essiccatoree di una protezione in gomma che rende stagna la sezione tra antenna e boxcome visibile in figura 3.9.

In definitiva il ricevitore ottenuto presenta le seguenti caratteristiche:

• frequenza: 39.402 GHz

• diametro di antenna: 46 cm

23


• 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: 100 Hz @ ≈ 70 MHz

Anche in questo caso, utilizzando questi dati per il link budget, otteniamo deivalori di C/N per lo 0, 1% di fuori servizio maggiori di quelli richiesti dall’ESAper il progetto (5 dB). In particolare possiamo vedere alcuni valori in tabella3.2.

Potenza ricevuta Probabilità C/N (100 Hz BW)−114 dBm 90% 37 dB

−115.4 dBm 10% 34 dB

−117.7 dBm 3% 32 dB

−138.1 dBm 0.1% 10 dB

Tabella 3.2: Simulazione della tratta tramite MatLab©

(a) Il ricevitore a vista (b) Il ricevitore con la coperturaprotettiva

Figura 3.10: Installazione della stazione in banda Q

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Capitolo 4

Sistemi ausiliari

La stazione ricevente presenta una serie di sistemi ausiliari che garantisconoun 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 alfunzionamento dei ricevitori, una stazione meteo completa per l’acquisizionedei dati ambientali e un radiometro a 90 GHz.

4.1 Cyber physical systems

Sotto il nome di Cyber-Physical Systems rientrano tutti quei dispositivi elettro-nici che interagiscono con l’ambiente esterno prelevando informazioni tramitesensori, effettuando decisioni e reagendo poi tramite attuatori[15]. Si trattaprevalentemente di sistemi embedded che in genere non necessitano quindi dioperazioni da parte dell’utente finale, il quale, a volte, ne ignora addirittura lapresenza. Caratteristiche fondamentali sono l’analisi in tempo reale dei dati,la velocità di risposta (che deve essere adatta alle esigenze di applicazione) ela gestione di eventuali anomalie di funzionamento del sistema. Nel caso deidue ricevitori da noi realizzati, si è resa necessaria la realizzazione di due diquesti sistemi uno di tipo esclusivamente elettrico ed uno elettromeccanico. Sitratta nel primo caso di un sistema di controllo della temperatura del low noiseamplifier e nel secondo caso di un sistema di tracking satellitare per quantoriguarda l’elevazione dell’antenna.

4.1.1 Controllo della temperatura

La frequenza di lavoro piuttosto elevata del ricevitore richiede la massima stabi-lità possibile dei componenti al variare delle condizioni ambientali. Parametrocritico da questo punto di vista è la temperatura. Questa infatti può influirenegativamente sul comportamento dei dispositivi più sensibili quali oscillatorie amplificatori a basso rumore. Per questo motivo le scatole che contengono

25

4.1. CYBER PHYSICAL SYSTEMS

i vari componenti sono state tutte termostatate. In particolare per quello cheriguarda il low noise amplifier, questo è sempre localizzato all’interno di uncontenitore che consente il mantenimento della temperatura di lavoro costantein caso di ambienti anche proibitivi.

Figura 4.1: Architettura del controllo temperatura

La temperatura ottimale di funzionamento dell’amplificatore dichiarata dalcostruttore è di 35°C, che è stata quindi presa a riferimento per la relativastabilizzazione. È stato ideato un sistema di controllo di temperatura che per-mette il monitoraggio sia in remoto che in locale, compatibile con i sistemi giàpresenti e per di più a basso consumo. Per raggiungere lo scopo si è deciso diutilizzare la piattaforma open-source Arduino©, scelta per la sua versatilitàe l’ottimo rapporto prestazioni/costo. Dopo aver scelto la piattaforma di svi-luppo si è passati a configurare l’architettura del sistema di controllo. Questaè visibile in figura 4.1. Arduino legge il valore analogico di tensione del senso-re di temperatura e lo converte prima in digitale e poi tramite un’operazionedi moltiplicazione e di eliminazione del bias lo trasforma in gradi centigradi.Questo valore, grazie ad uno shield ethernet,viene inviato su di un databasededicato tramite una query MySql e qui memorizzato e graficato. Un customshield, disegnato e realizzato in laboratorio (figura 4.2), invece, permette dimostrare la temperatura attuale su un display led a due cifre. Qualora ilvalore di temperatura sia al di sotto della soglia stabilita, un pin digitale diArduino diventa attivo e dalla custom shield il segnale attiva un dispositivo dipotenza (sempre realizzato in laboratorio) che alimenta le resistenze corazzatedel riscaldatore.

Figura 4.2: Shield controllo temperatura

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Per la realizzazione della scheda di gestione della corrente per le resistenze co-razzate sono stati scelti esclusivamente componenti allo stato solido, evitandol’utilizzo di relè meccanici facilmente soggetti a rotture. Terminata la realiz-zazione, li due ricevitori sono stati testati entrambi in camera climatica. Infigura 4.3 è mostrato l’andamento della temperatura dell’LNA del ricevitorein banda Ka nelle quattro ore successive all’accensione con temperatura dellacamera impostata a -10°.

0 50 100 150 200

25

30

35

Tempo [m]

Gua

dagn

o[dB]

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 varia-zioni del guadagno dell’amplificatore non superiori a 0,5dB. Nell’immagine 4.4è visibile l’intero ricevitore in banda Q in camera climatica, dove è stato sot-toposto a test di temperatura da −10 a +40 sia a secco che con umidità del90%.

Figura 4.4: Ricevitore in banda Q: test in camera climatica

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4.1.2 Tracking satellitare

Come già specificato in precedenza, il satellite Alphasat è un satellite stazio-nario. Come tale questo dovrebbe rimanere immobile nella sua posizione eruotare in sincrono con la terra. Questa però è solo un’idealità. Infatti a cau-sa degli effetti gravitazionali dovuti alla presenza della terra e specialmentedella luna, la proiezione a terra della traiettoria del satellite rappresenta unandamento 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. Questeoscillazioni vengono corrette da razzi a bordo del satellite azionati da appositisistemi di controllo.Il satellite Alphasat, in particolare presenta escursioni non trascurabili, in par-ticolare se riferiti ai lobi primari delle antenne utilizzate per questo progetto.Sono infatti presenti oscillazioni superiori ai 2 mentre i lobi delle nostre anten-ne sono rispettivamente di 0.7 per il ricevitore in banda Ka e 0.7 per quelloin banda Q. Questo crea delle oscillazioni e deformazioni nel segnale ricevutoche 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 delsatellite vista alle nostre coordinate e la sua variazione nel tempo. Come benvisibile, la variazione delle oscillazioni nel tempo è notevole, inoltre risulta pre-visto per data da definire un azzeramento della posizione del satellite in datada destinarsi.Questa situazione rende complessa l’analisi dei dati ricevuti, in quanto il dia-gramma di radiazione dell’antenna influisce sulla potenza del segnale ricevuto.Tale situazione è visibile in figura 4.5 dove sono sovrapposti il lobo principale diun’antenna con HBW di 1.4 e l’orbita del satellite, situazione compatibile conil nostro ricevitore in banda Ka. Questa problematica rende necessario l’utiliz-

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(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 delsatellite. Il sistema che descriviamo è in fase di implementazione e prevede larealizzazione di un sistema di tracking basato su effemeridi. Il sistema prevedeun tracking esclusivamente in elevazione, in quanto in principio questa era lacomponente principale dell’oscillazione del satellite. Tuttavia, viste le attualicondizioni, si sta considerando un sistema di tracking completo che comprendaanche il controllo in azimut. Il progetto prevede una piattaforma raspberry©che si occupa della lettura tramite ftp dei dati relativi alle effemeridi. I dati cosìottenuti vengono convertiti in angolo di elevazione ed azimut e li invia ad unapiattaforma Arduino©. Quest’ultimo elabora i dati provenienti da un inclino-

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metro digitale a 16bit quale sensore della posizione dell’antenna ed effettua ladecisione sul movimento dei motori. L’inclinometro presenta una risoluzionedi circa un millesimo di grado e un range di ±60°rispetto all’orizzontale. Idati vengono scambiati tramite uno specifico protocollo di comunicazione se-riale (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. Ter-minata la ricezione la successione binaria, oramai salvata come unica stringa,viene convertita in decimale e riportata in gradi sessagesimali. Il valore cosìottenuto viene confrontato con quello calcolato tramite le effemeridi forniteda Raspberry e viene così calcolato l’aggiustamento per il riallineamento del-l’antenna. È qui che Arduino si interfaccia con una scheda di controllo permotori, anche questa seriale, collegata ad un pistone meccanico. Tramite que-sta scheda è possibile gestire motori di potenza considerevole privi di encodere regolarne la velocità tramite un segnale a modulazione di impulso. Lo sche-ma 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 materialeplastico in modo da renderlo compatibile con le funzionalità dell’inclinometrosenza interferenze.

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4.2. STAZIONE METEO

4.2 Stazione meteo

L’esperimento TDP5 consiste nello studio di propagazione atmosferica e quindinella correlazione tra i dati meteorologici e quelli ottenuti dai ricevitori. Perpoter svolgere questa analisi, la stazione è dotata di sensori ambientali per lecondizioni meteo. In particolare i sensori attualmente installati in prossimitàdella stazione ricevente sono:

• Barometro

• Igrometro

• Termometro

• Pluviometro a basculamento

• Anemometro

• Disdrometro

Tra questi strumenti il disdrometro e il pluviometro rappresentano strumen-ti insostituibili e fondamentali ai nostri fini. Il disdrometro è uno strumentobasato su di un sensore laser che permette di misurare la precipitazione e lavisibilità. In particolare è capace di determinare dimensioni e velocità di unaparticella e addirittura la tipologia. Il disdrometro in uso può infatti distingue-re tra pioggia, neve, grandine e vari gradi di acqua ghiacciata. Un esempio digrafico che può essere ottenuto tramite questo strumento è mostrato in figura4.9b dove sono rappresentati dimensione e velocità delle particelle. Il coloreindica 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 unamaggiore affidabilità per quel che riguarda la pioggia accumulata. Una combi-nazione di dati ottenuti dai due strumenti rappresenta un ottima soluzione peruno studio accurato. I dati provenienti da questi strumenti sono attualmente

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4.3. RADIOMETRO A 90 GHZ

registrati solamente in parte. Infatti un datalogger invia periodicamente i datiprovenienti da tutti i sensori, mentre il disdrometro non dispone attualmentedi un software in grado di memorizzare i dati. I dati memorizzati dal datalog-ger hanno una cadenza di 5 minuti e vengono raccolti separatamente dai datirelativi all’esperimento Alphasat.

4.3 Radiometro a 90 GHz

Il telerilevamento sfrutta l’interazione tra campo elettromagnetico e il mezzosotto osservazione. A seconda della frequenza scelta per il sistema, possonoessere esaminate caratteristiche diverse del mezzo. La frequenza da utilizzaredipende quindi dal mezzo e dalla caratteristica che si vuole esaminare. L’alloca-zione delle bande di frequenza per diversi servizi e, naturalmente, i limiti tecno-logici, sono ulteriori fattori che limitano la scelta delle lunghezze d’onda. Unatecnica di telerilevamento volta alla misurazione dell’energia elettromagneticanaturalmente emessa da tutti i mezzi materiali è la “Radiometria a microon-de”. Tale tipo di emissioni si presenta come segnali incoerenti a larga bandasimili, per ampiezza e proprietà, al rumore generato dal processo stesso di mi-surazione, per cui le misure radiometriche sono alquanto delicate in termini diaccuratezza, 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

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4.3. RADIOMETRO A 90 GHZ

telerilevamento. I meccanismi di interazione sono piuttosto complessi e diffi-cili da modellare, sia per la natura tridimensionale del mezzo propagativo cheper la molteplicità dei meccanismi stessi: assorbimento, emissione, rifrazione ediffusione. Si alternano intervalli di frequenza nei quali l’atmosfera è piuttostotrasparente (finestre, frequenze utili per il telerilevamento del terreno e delmare da piattaforma spaziale) a intervalli nei quali è particolarmente opaca(frequenze utili per il telerilevamento dei parametri propri dell’atmosfera). Letecniche di telerilevamento rientrano in due classi fondamentali: passive e atti-ve. Nella tecnica passiva viene misurata la radiazione elettromagnetica emessaspontaneamente (per effetto termico) dall’oggetto. Nel caso attivo, il sensoremisura la parte di radiazione elettromagnetica che esso stesso ha generato eche è stata riflessa o diffusa dall’oggetto. I sistemi passivi vengono definiti “ra-diometri” in qualsiasi banda di frequenza. E’ da tener presente la sostanzialedifferenza che esiste tra radiometri operanti a microonde e quelli nell’ottico.I primi, come si è detto, misurano la radiazione elettromagnetica emessa dalmezzo sotto osservazione nelle rispettive bande di frequenza, mentre i secondimisurano la frazione di radiazione solare riflessa dalla terra o quella assorbitadalla zona di atmosfera attraversata. A completare la serie di strumenti dellastazione ricevente del satellite Alphasat sarà a breve installato un radiometroa 90 GHz già realizzato che verrà posizionato nelle strette vicinanze dei duericevitori. Il radiometro realizzato è un radiometro di Hach con due carichidi riferimento a temperature note e due modalità di cross polarizzazione. Lascelta di questa configurazione va a discapito della semplicità di realizzazione,ma garantisce una maggior robustezza alle variazioni di temperatura internae di guadagno rispetto ad una classica configurazione total power. La frequen-za scelta permette di studiare il comportamento del mezzo tramite la misuradell’integrated ice water.

Figura 4.11: Modello tridimensionale del radiometro a 90 GHz

33

4.4. SOFTWARE DI ACQUISIZIONE DATI

4.4 Software di acquisizione dati

Come accennato in precedenza, il segnale ricevuto dal satellite viene convertitoin frequenza fino a raggiungere il Satellite Beacon Receiver. Grazie ad un’ap-posita scheda, che contiene un partitore di tensione ed un buffer di disaccop-piamento, viene estratta dall’SBR una tensione proporzionale alla potenza delsegnale ricevuto dal satellite. La tensione cosí ottenuto viene inviata ad unascheda di acquisizione PCI installata all’interno di un calcolatore dedicato al-l’acquisizione dei dati. La scheda impiegata permette l’acquisizione di segnalianalogici e digitali con rappresentazione a 16 bit e diverse possibilità di rangedi tensione selezionabili via software. Nella configurazione hardware attuale lascheda permette di acquisire fino ad 8 canali distinti in modalità differenziale.La scheda di acquisizione è dotata di connettore di tipo D a 37 pin. Per questomotivo è stata realizzata un apposito PCB dual face che permettesse l’inseri-mento di cavi provenienti rispettivamente dall’SBR del ricevitore in banda Kae Q direttamente sulla scheda (figura 4.12).

(a) Progettazione della scheda (b) Scheda per la ricezione dei segnali

Figura 4.12: Scheda dual face per l’acquisizione dei segnali

Tramite l’utilizzo di C# e universal library è stato realizzato un software ca-pace di visualizzare e memorizzare i dati provenienti dai vari canali per unmassimo di 8 canali differenziali (vedi appendice D per il codice integrale).Il grafico in tempo reale viene aggiornato una volta al secondo, mentre l’im-postazione dell’acquisizione su file può essere variata indipendentemente. Perla visualizzazione a schermo nel medesimo grafico possono essere visualizza-ti altri parametri, si può impostare il range ed un eventuale offset. Inoltrenella parte destra è possibile inserire un valore per l’intervallo della finestratemporale da visualizzare. Un’altra funzione permette, dopo aver compilato icampi, di impostare il valore massimo e minimo dell’asse delle y. Una legendacompleta il quadro di visualizzazione. Per quanto riguarda la registrazione deidati è possibile scegliere il rate di acquisizione da utilizzare (da un secondoin su). è possibile scegliere se effettuare il salvataggio dei valori espressi inpotenza (dBm) o in tensione (V ). Inoltre è possibile selezionare il periododopo il quale debba essere creato un nuovo file. Oltre alla selezione della du-rata in ore è stato inserita la possibilità di creazione di file giornalieri. Questiterminano alla mezzanotte del giorno di creazione per poi partire con il file

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4.4. SOFTWARE DI ACQUISIZIONE DATI

del giorno successivo. La conversione analogico digitale viene effettuata sullatensione di uscita del ricevitore. Il software mostra invece la potenza a 69MHzdirettamente in dBm. Questo avviene grazie ad una conversione dati inseritanell’esecutivo del programma. Il valore istantaneo in tensione di ciascun cana-le resta comunque accessibile come rappresentazione numerica in appositi boxtestuali siti in basso. Sono state inoltre effettuate misurazioni per verificare lalinearità della tensione in uscita del ricevitore al variare della potenza in in-gresso, in modo da garantire una corretta rappresentazione e coerenza su tuttoil range di valori in ingresso. Il software, una volta avviata la registrazione,memorizza su file di testo un valore floating point per ogni canale in ingressoe in aggiunta un campo con indicate data e ora di acquisizione. Il dato regi-strato è un valore istantaneo. Non viene effettuata media sulle misurazioni nesmoothing di alcun genere. I dati raccolti durante il processo, insieme a tuttigli altri parametri disponibili per l’esperimento TDP5 (temperatura dell’LNAe dati della stazione meteo), saranno in futuro resi visibili graficamente su diuna piattoforma web-based che verrà realizzata appositamente e sarà ospitatada un server dell’università. Sarà data inoltre possibilità di download dei filedi log agli utenti registrati ed autorizzati al fine di agevolare la distribuzionedel materiale prodotto.

Figura 4.13: GUI del software di aquisizione dati

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Capitolo 5

Analisi dei dati acquisiti

Misure preliminari sono state effettuate sui dati acquisiti del segnale in ban-da Ka. Queste misure, sono affette da variazioni di segnale non dovute adattenuazioni di percorso. Infatti, come visto nel capitolo precedente, il sa-tellite presenta delle oscillazioni che si ripercuotono sulla potenza del segnalericevuto. Analizziamo ora una sequenza di dati acquisiti (figura 5.1)

Figura 5.1: Esempio di acquisizione dati

Come visibile, la sequenza di dati acquisita, mostra una prima parte di segnaleaffetta da un andamento periodico quasi sinusoidale. Successivamente a que-sto si aggiunge una forte distorsione ed attenuazione del segnale. La primaparte risulta essere dovuta alle oscillazioni del satellite, che infatti presentanoun andamento periodico. La seconda, invece, è dovuta ad un forte evento pio-voso. Non presenta periodicità ed è caratterizzato da una variazione veloce delsegnale nel tempo. Nei due picchi negativi, il segnale è stato perso dall’SBRche ha quindi emesso un segnale di saturazione. Nell’immagine 5.2 è riportatoun ingrandimento della zona affetta da pioggia prelevata dalla sequenza pre-cedente. Vista la differenza nelle velocità di variazione del segnale, un primotentativo di elaborazione ha portato alla stesura del seguente algoritmo:

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Figura 5.2: Ingrandimento del periodo affetto da pioggia

• viene generato un filtro passa basso con f3dB molto bassa

• viene rilevato il giorno di pioggia di interesse

• viene filtrato il giorno esente da pioggia più vicino

• viene filtrato il giorno esente da pioggia

• si sottrae il dato filtrato dal giorno di pioggia

Il filtro utilizzato per effettuare questa operazione è un filtro di Chebyshev delprimo ordine, scelto per la sua linearità della risposta in ampiezza. La figura5.3 mostra la risposta in frequenza del filtro utilizzato con f3dB = 1.7 mHz.La risposta in fase può essere considerata piatta nell’intervallo.

Figura 5.3: Filtro di Chebyshev del primo ordine

Utilizzando questo filtro vengono fatte passare approssimativamente tutte levariazioni più lente di 30 minuti. Questo permette alle lente variazioni conperiodo giornaliero del satellite di passare inalterate, mentre ile variazioni do-vute alla pioggia vengono filtrate. Una volta ricostruito con esattezza il se-gnale indesiderato, questo può essere facilmente sottratto al segnale originale

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in modo da ottenere in uscita un segnale normalizzato a zero corrispondenteall’attenuazione supplementare. Possiamo vedere il processo in figura 5.4.

Figura 5.4: Data detrending

La traccia verde rappresenta i dati RAW dell’acquisizione, quella blu il segnalefiltrato corrispondente alle oscillazioni del satellite. Sottraendo i due otteniamola traccia rossa, corrispondente all’attenuazione dovuta alla pioggia. Questosistema risulta essere piuttosto facile da implementare tramite un algoritmoautomatizzato ma presenta un problema piuttosto rilevante.

Figura 5.5: Algoritmo di detrending

Osservando infatti la sovrapposizione della traccia blu e di quella verde dovutea leggere variazioni della periodicità del movimento del satellite e delloshiftingdell’orbita. Questo si ripercuote su segnale ricostruito con delle leggere oscilla-zioni come visibile nell’ultima sezione della traccia rossa. Una volta effettuatoil detrending del dato, è possibile effettuare una correlazione tra l’evento e le

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misurazioni effettuate dal pluviometro. La correlazione dei due dati è facil-mente visibile in figura 5.6. Questo risultato conferma la qualità del dato di

Figura 5.6: Correlazione pioggia attenuazione

partenza nonostante la presenza di una componente indesiderata sovrappostaal segnale voluto.

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Capitolo 6

Conclusioni e sviluppi futuri

Il lavoro svolto nell’ambito del progetto Alphasat TDP5 ha portato alla realiz-zazione e all’installazione di due ricevitori ad alte prestazione uno alla frequen-za di 19.701 GHz e l’altro ad una frequenza di 39.402 GHz. I dati relativi allapotenza ricevuta da queste stazioni vengono acquisiti e registrati. In contem-poranea vengono memorizzati anche i dati provenienti da una rete di strumentimeteorologici completa. Dalle prime analisi dei dati, è stata verificata un’ot-tima correlazione tra i dati di potenza e quelli meteo. I metodi di filtraggiorealizzati risultano però laboriosi e poco precisi, per cui risulta indispensabilel’installazione di un sistema di tracking in parte già progettato. Inoltre è pre-vista per il futuro una variazione nel sistema di acquisizione. I dati, infatti,verranno archiviati contemporaneamente da tutti gli strumenti su uno stessodatabase su di un server locale, in modo da ottenere un’esatta coerenza neidati provenienti dai diversi strumenti. Tra questi sarà presente anche il disdro-

Figura 6.1: Architettura dell’acquisizione dei dati meteo

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metro, per ora associato ad un software che non permette la memorizzazionedei dati. Il sistema finale per l’acquisizione meteo avrà un’architettura similea quella in figura 6.1 il cui database di archiviazione sarà utilizzato anche peri dati relativi ai ricevitori. Tra gli sviluppi futuri avremo anche l’installazionedel radiometro a 90 GHz, che avrà luogo una volta terminata la realizzazionedell’involucro stagno termostato e del supporto per l’antenna. Inoltre sarà ne-cessaria l’ottimizzazione dell’attuale software di acquisizione dati e una stesuradella versione 2.0.Terminate queste attività sarà possibile proseguire con l’analisi dei dati, edinfine estrapolare da questi un modello statistico da poter confrontare con imodelli di propagazione e attenuazione atmosferica raccomandati dall’ITU-R.

Figura 6.2: Stazione ricevente del satellite Alphasat in banda Ka e Q

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Capitolo 7

Ringraziamenti

Mentre vedevo scorrere i caratteri sullo schermo durante la stesura di questatesi, i miei pensieri sono andati a tutti coloro che mi hanno accompagnato eguidato durante questi anni. In molti mi hanno detto:“È un lavoro lungo peressere una tesi!" e qualcuno anche:“Chi te lo fa fare?!?". Giunto oramai altermine di questo capitolo della mia vita, invece, non sento altro che la vogliadi ringraziare chi mi ha permesso di fare questa esperienza. In prima personail prof. Marzano che, devo dire, ha sempre avuto molta fiducia nei miei con-fronti e mi ha affidato a mani esperte. Qui entra in gioco Fernando (oramaimi farebbe strano chiamarti per cognome) che più di tutti mi ha seguito inquesti ultimi anni di lavoro presso l’istituto, ha cercato di inculcarmi anni diesperienza sia in ambito professionale che non. Grazie!Un caloroso ringraziamento all’ingegner Restuccia il quale, oltre ad avermi ce-duto una quantità indescrivibile di nozioni, mi ha trasmesso il modo calmo epacato con cui bisogna lavorare in un laboratorio di elettronica, sempre conscrupolo ed attenzione. Non voglio inoltre dimenticare di salutare RobertoDalmolin e Massimo Macrí, sempre presenti per cercare le soluzioni ai pro-blemi... e crearne anche di nuovi! Tutto questo non sarebbe stato possibile,inoltre, senza la disponibilità della Dott.ssa Rita Forsi, direttore dell’IstitutoSuperiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione e dell’Ing.Giuseppe Pierri, direttore della Divisione quarta, Comunicazioni ElettronicheSistemi e Servizi per avere consentito e messo a disposizione la strumentazionedel Laboratorio Microonde ISCTI.

Anche se il tempo in questi anni è stato trascorso quasi completamente tralibri e laboratori, molte persone hanno contribuito a farmi raggiungere questoobiettivo. Persone vicine, persone lontane, persone che a volte possono anchesentirsi dimenticate ma che porto sempre con me nel mio cuore. Sono statianni lunghi e faticosi che sono stati alleggeriti solo dalle persone che ho avutoal mio fianco e che hanno condiviso con me gioie e dispiaceri. Voglio quindi inprimis ringraziare la mia famiglia, che ha vissuto con me a pieno tutta questaesperienza sia nei momenti belli che in quelli.. meno belli. Un abbraccio in

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particolare a mio fratello che mi è stato sempre vicino. Ringraziare tutti gliamici che mi hanno seguito in questo viaggio sarebbe un’avventura. Vista lamia memoria e il fatto che sono le 04:18 del mattino sicuramente dimentichereiqualcuno. Ringrazio quindi tutti quelli che mi sono stati vicino, amici, colleghi,coinquilini, compagni di sport e di fotografie per essermi stati accanto e peraver percorso con me, anche se solo in parte, questo importante cammino.

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Appendice A

Modelli ITU e attenuazionesupplementare

A.0.1 Attenuazione da pioggia

Tra i vari fattori che compongono l’attenuazione dovuta alla presenza del-l’atmosfera, quello che influisce maggiormente sulla trasmissione del segnalesicuramente l’attenuazione da pioggia. Per il calcolo di tale fattore si fa rife-rimento alla Recommendation ITU-R P.618-9.Sono quindi necessari i seguentiparametri:

• R0.01: Tasso di precipitazione del luogo desiderato per una percentualeannua dello 0.01%

• hs: Altitudine della stazione sul livello del mare in Km

• ϑ: Angolo di elevazione

• ϕ: Latitudine della stazione ricevente

• f : Frequenza portante del segnale

• Re: Raggio effettivo della terra (8500 Km)

La figura rappresenta una schematizzazione della tratta satellite-stazionericevente dove le lettere rappresentano i parametri per il calcolo dell’attenua-zione. L’area indicata dalla lettera “A” rappresenta la zona di precipitazionighiacciate, quella indicata dalla lettera “C” la zona di precipitazioni liquide.La linea tratteggiata “B” rappresenta l’altezza della pioggia (hr) e la lettera“D” rappresenta il percorso terra-satellite.

Determinata l’altezza equivalente della pioggia hr tramite la Recommenda-tion ITU-R P.839 si passa poi al calcolo del percorso di propagazione da terrafino alla stessa hr. Per ϑ ≥ 5°si ha:

LS =(hr − hs)sin(ϑ)

[Km]

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Figura A.1: Schematizzazione del segmento terra-spazio per il calcolo di Ar[12]

mentre per ϑ ≤ 5°si ha:

LS =2(hr − hs)

(sin2(ϑ) + 2(hr−hs)Re

)12 + sin(ϑ)

[Km]

Inoltre se hr − hs uguale o prossimo a zero, l’attenuazione da pioggia daconsiderarsi nulla. Successivamente necessario ottenere il valore di R0.01 tra-mite le mappe presenti nella Recommendation ITU-R P.837 e la proiezioneLG = Lscosϑ del percorso di propagazione fino ad hr. Utilizzando i coefficien-ti dipendenti dalla frequenza presenti nella Recommendation ITU-R P.837 siha che l’attenuazione specifica pari a:

γR = k(R0.01)α [dB/Km]

A questo punto necessario calcolare il fattore di riduzione orizzontaler0.01, che tiene conto della non uniformit spaziale della pioggia e il fattoredi correzione verticale v0.01 dovuto alle piogge convettive.

Tali fattori si ottengono nel seguente modo:

r0.01 =1

1 + 0, 78√

LGγRf− 0, 38(1− e−2LG)

v0.01 =1

1 +√sinϑ(31(1− e−

ϑ1+χ )

√LRγRf2− 0.45)

Dove LR e χ dipendono dall’angolo di elevazione dell’antenna.

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Posto:ξ = arctan

(hR − hSLGr0.01

)[gradi]

Allora sar:

LR =

LGr0.01cosϑ se ξ ≥ ϑ [Km]

hR−hSsinϑ se ξ ≤ ϑ [Km]

e:

ξ =

36− ϕ per ϕ ≤ 36° [gradi]

0 per ϕ > 36° [gradi]

L’attenuazione totale da pioggia in dB per lo 0.01% del tempo dunque:

A0.01 = γRLE [dB]

dove LE = LRv0.01[Km].L’attenuazione per percentuali di probabilit p diverse da 0.01%, in un range

che va dallo 0.001% al 5% si ottengono dalla formula precedente tramite laseguente relazione:

Ap = A0.01

(p

0.01

)−(0.655+0.033ln(p)−0.045ln(A0.01)−β(1−p) sinϑ)[dB]

dove il parametro β pari a:

β =

0 se p ≥ 1% oppure | φ |≥ 36°−0.005(| φ | −36) se p < 1% e ϑ ≥ 25°−0.005(| φ | −36) + 1.8− 4.25 sinϑ in tutti gli altri casi

A.0.2 Attenuazione dovuta a gas e vapore acqueo

Nell’atmosfera sono presenti in percentuali diverse tra loro vari tipi di gas. Que-sti influenzano la trasmissione delle onde elettromagnetiche causando un’at-tenuazione del segnale variabile in base alla sua frequenza portante. Fino afrequenze dell’ordine dei 1000 GHz, il valore dell’attenuazione pu essere cal-colato considerando semplicemente gli effetti dovuti all’ossigeno e al vaporeacqueo, predominanti sulla presenza di altre particelle, aggiungendo dei picco-li fattori di correzione al di sotto dei 100 GHz. Il grafico in figura rappresental’andamento dell’attenuazione in funzione della frequenza ad una pressione di1013 hPa, una temperatura di 15°e densit di vapore acqueo di 7.5 g/m3. Sonofacilmente distinguibili le due componenti dell’attenuazione, quella dovuta alvapore acqueo e quella dovuta ai gas presenti nell’aria in assenza di umidità.

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Figura A.2: Attenuazione dovuta a gas atmosferici [13]

Per il calcolo dell’attenuazione si fa riferimento alla Recommendation ITU-R P.676-7 nella quale viene fornita una formula semplificata, ma con un buonlivello di approssimazione, per il calcolo dell’attenuazione a frequenze inferiori a350 GHz. L’errore massimo rivelato, infatti, di 0,7 dB/Km in corrispondenzadel picco di assorbimento dell’ossigeno a 60 GHz.

Per frequenze al di sotto dei 54 GHz l’attenuazione da ossigeno γo uguale

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a:

γo =

[7.2r2.8t

f2 + 0.34r2pr1.6t

+0.62ξ3

(54− f)1.16ξ1 + 0.83ξ2

]f2r2p · 10−3 [dB/Km]

con rp = p/1013 e rt = 288/(273 + t) dove p rappresenta la pressione in hPae t la temperatura atmosferica in gradi Celsius ottenuta tramite le appositemappe. Inoltre:

ξ1 = ϕ(rp, rt, 0.0717,−1.8132, 0.0156,−1, 6515)

ξ2 = ϕ(rp, rt, 0.5146,−4.6368,−0.1921,−5.7416)

ξ3 = ϕ(rp, rt, 0.3414,−6.5851, 0.2130,−8.5854)

dove:ϕ(rp, rt, a, b, c, d) = rapr

bt exp[c(1− rp) + d(1− rt)]

Il coefficiente di attenuazione dovuto al vapore acqueo γw invece si ottienetramite:

γw =

{3.98η1 exp[2.23(1− rt)](f − 22.235)2 + 9.42η21

g(f, 22) +11.96η1 exp[0.7(1− rt)](f − 183.31)2 + 11.14η21

+

+0.081 exp[6.44(1− rt)](f − 321.226)2 + 6.29η21

+3.66η1 exp[1.6(1− rt)](f − 325.153)2 + 9.22η21

+

+25.37η1 exp[1.09(1− rt)]

(f − 380)2+

17.4η1 exp[1.46(1− rt)](f − 488)2

+

+844.6η1 exp[0.17(1− rt)]

(f − 557)2g(f, 557) +

290η1 exp[0.41(1− rt)](f − 752)2

g(f, 752)+

+8.3328 · 104η2 exp[0.99(1− rt)]

(f − 1780)2g(f, 1780)

}f2r2.5t ρ · 10−4 [dB/Km]

Per angoli di elevazione compresi tra 5°e 90°l’attenuazione totale dovuta adossigeno e vapore acqueo data da:

A =Ao +Awsinϕ

[dB]

in cui Ao = γoho dove ho rappresenta l’altezza equivalente di aria secca eAw = γwhwdoveγw rappresenta l’altezza equivalente per il vapore acqueo.

48

A.0.3 Attenuazione da nubi e nebbia

Per il calcolo dell’attenuazione dovute a nubi e nebbia o comunque particelledi diametro dell’ordine di 0.01 cm possibile utilizzare l’approssimazione diRayleigh fino ad una frequenza di 200GHz, esprimendo cos l’attenuazione infunzione di quantit totale d’acqua per unit di volume(Recommendation ITU-RP.840-3). L’attenuazione specifica γ attraverso questo mezzo sar dunque:

γC = KlM [dB/Km]

Dove γC rappresenta l’attenuazione specifica attraverso la nuvola (o nebbia),Kl il coefficiente di attenuazione specifica [(dB/Km)/(g/m3)] ed M la den-sit di liquido nella nube [g/m3]. La figura 4.3 mostra un grafico dell’anda-mento dell’attenuazione specifica al variare della frequenza in funzione dellatemperatura.

Figura A.3: Andamento di γC al variare della frequenza[9]

A.0.4 Effetti dovuti alle scintillazioni

Le scintillazioni ionosferiche sono rapide fluttuazioni, sia in fase che in am-piezza, del segnale ricevuto, dovute a diffrazioni e dispersioni relative alle ir-regolarit della ionosfera. Tali irregolarit sono determinate dall’interazione trail campo geomagnetico e gli altri campi magnetici presenti nello spazio, come

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ad esempio il campo magnetico interplanetario o il vento solare. Le fluttua-zioni inoltre sono influenzate dall’umidit, che modifica la rifrattivit del mezzo,evento riconoscibile dalla correlazione con il wetterm (Nwet), la componen-te della rifrattivit dovuta all’umidit. Questa componente dell’attenuazione dipercorso aumenta con la frequenza e la lunghezza del percorso. Secondo la Re-commendation ITU-R P.618-9[12] l’attenuazione dovuta a scintillazione deveessere considerata, applicando il loro modello, per segnali a frequenze inclusenel range che va dai 7 ai 14 GHz, tuttavia consigliato tener conto dei suoieffetti per frequenze fino ai 20 GHz.

Figura A.4: Scintillazione ionosferica[3]

L’algoritmo consigliato si basa sulla conoscenza della temperatura media alsuolo t in °C e l’umidit media relativa H. Dati necessari al calcolo sono anchela frequenza del segnale f , l’angolo di elevazione ϑ, il diametro di antenna De l’efficienza di antenna η. Per angoli di incidenza maggiori di 4°si procedenel seguente modo. Dopo aver calcolato la componente della rifrattivit dovutaall’umidit (Nwet) tramite il metodo presente nella Recommendation ITU-RP.453 si calcola la deviazione standard dell’ampiezza del segnale σref :

σref = 3.6 · 10−3 +Nwet · 10−4

A questo punto si trova la lunghezza efficace del collegamento L:

L =2hL√

sin2 ϑ+ 2.35 · 10−4 + sinϑ

50

in cui hL l’altezza dello strato turbolento. Il valore da utilizzare hL = 1000m.Successivamente necessario calcolare il diametro equivalente di antenna D =√ηD da utilizzare per l’antenna averaging factor g(x):

g(x) =

√3.86x2 + 1

1112 sin

(11

16arctan

1

x

)− 7.08x

56

con x =1.22D2

efff

L . Se l’argomento della radice risulta essere minore di zero, laprevisione della scintillazione nulla, altrimenti si prosegue attraverso il calcolodella deviazione standard σ del segnale:

σ = σreff712

g(x)

(sinϑ)1.2

A questo punto il valore dell’attenuazione dovuta a scintillazione risulta essere

As(p) = a(p)σ [dB]

dove:a(p) = −0.061(log p)3 + 0.072(log p)2 − 1.71 log p+ 3

il fattore percentuale relativo ad una data probabilit per valori di p compresitra 0.01 e 50.

A.0.5 Attenuazione supplementare totale

Per il calcolo dell’attenuazione supplementare totale la Recommendation ITU-R P.618-9 stabilisce il metodo da utilizzare per pesare i singoli contributi delleattenuazioni. Dati i seguenti valori di attenuazione espressi in dB per una dataprobabilit p:

• AG(p): attenuazione dovuta a gas e vapore acqueo

• AR(p): attenuazione dovuta alla pioggia

• AC(p): attenuazione dovuta a nubi e nebbia

• AS(p): attenuazione dovuta alla scintillazione

l’attenuazione totale AT (p) uguale a:

AT (p) = AG(p) +√AR(p) +A2

C(p) +A2S(p) [dB]

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Appendice B

Codice Arduino termostato

//Termostato l ed 7 segmenti LNA−AlphaSat// per i l c o r r e t t o funzionamento d e l l a e the rne t s h i e l d#inc lude <SPI . h>#inc lude <Ethernet . h>#inc lude <SD. h>const i n t ch i pS e l e c t = 4 ;// impos taz i on i per uso e the rne tbyte mac [ ] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF , 0xFE , 0xED } ;// i n d i r i z z o s e r v e r web ( l o c a l e )IPAddress s e r v e r (172 , 32 , 0 , 150) ;// i n d i r i z z o ip de l l ’ ArduinoIPAddress ip (172 , 32 , 0 , 156) ;EthernetCl i ent c l i e n t ;S t r ing strURL = "" ;f l o a t temp = 0 ;// f i n e uso e the rne t//Array p ins 7−Segmentled without anode/ cathode a . b . c . d . e . f . g

.DPconst i n t inPin = 0 ;const i n t outPin = (2 , 3 ) ; //2 per comandare r e l , 3 LED su

scheda ;const i n t th r e sho ld = 35 ;i n t segmentPins [ 8 ] = {10 ,9 , 7 , 5 , 4 , 11 , 13 , 12} ;// von anode/ cathode p ins

i n t commonPins [ 2 ]={6 ,8} ;i n t an_pin=0;i n t num_media=16;// i n t minTemp=0;// i n t maxTemp=0;i n t cnt=0;unsigned long myTime ;i n t segType=2; //do we have segments witn common anode=1 or

cathode=2

52

i n t kombinationen [ 1 1 ] [ 7 ] = {{1 ,1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 0} , //0{0 ,1 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0} , //1{1 ,1 , 0 , 1 , 1 , 0 , 1} , //2{1 ,1 , 1 , 1 , 0 , 0 , 1} , //3{0 ,1 , 1 , 0 , 0 , 1 , 1} , //4{1 ,0 , 1 , 1 , 0 , 1 , 1} , //5{0 ,0 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1} , //6{1 ,1 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0} , //7{1 ,1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1} , //8{1 ,1 , 1 , 0 , 0 , 1 , 1} , //9{0 ,0 ,0 , 0 , 0 , 0 , 0} // o f f =10

} ;void setup ( ) {ana logReference (INTERNAL) ;// a t t i v o i p i e d i n i de l comune de i due d i sp l aypinMode (2 ,OUTPUT) ;d i g i t a lWr i t e (2 ,HIGH) ;pinMode (3 ,OUTPUT) ;d i g i t a lWr i t e (3 ,HIGH) ;

pinMode (10 , OUTPUT) ;

// s e t t o i p i e d i n ifor ( i n t i =0; i <=7; i++) {

pinMode ( segmentPins [ i ] ,OUTPUT) ;}for ( i n t i =0; i <2; i++) {

pinMode ( commonPins [ i ] ,OUTPUT) ;}// Setup Porta S e r i a l e , 9600bps// s e t t a g g i : 8−N−1: 8 Bit dat i , No P a r i t , 1 Bit Stop

// S e r i a l . begin (9600) ;// pinMode ( outPin , OUTPUT) ;}

void loop ( ) {i n t sensorValue ;sensorValue=media_temp( an_pin , num_media) ;i f ( sensorValue < thre sho ld ) {d i g i t a lWr i t e (2 , HIGH) ;d i g i t a lWr i t e (3 , HIGH) ;

}else{

d i g i t a lWr i t e (2 , LOW) ;d i g i t a lWr i t e (3 , LOW) ;

}for ( i n t i =0; i <=100; i++){

53

setNumber ( sensorValue ) ;}

de lay (1000) ;// writeData ( sensorValue ) ;sendData ( sensorValue ) ;de lay (1000) ;all_OFF ( ) ;}

//PRIMA FUNZIONE assegna ad ogni numero l a propr ia sequenzavoid setSegment ( i n t vNumber) {for ( i n t i =0; i <7; i++) {

//we dont wont to see the decimal po inti f ( segType==1) {

d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ 7 ] ,HIGH) ;} else {

d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ 7 ] ,LOW) ;}// Set the combination for vNumberi f ( kombinationen [ vNumber ] [ i ]==0) {

// i f we got an anode segment we have to set the p ins tolow which have to l i g h t up

i f ( segType==1) {d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ i ] ,HIGH) ;

} else {d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ i ] ,LOW) ;

}} else {

i f ( segType==1) {d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ i ] ,LOW) ;

} else {d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ i ] ,HIGH) ;

}}

}}// SECONDA FUNZIONE e f f e t t u a l a d i v i s i o n e in u n i t e

dec ima l i e t ramite l a prima funz ione accende i l d i sp l ayvoid setNumber ( i n t vNumber) {

i n t f i r s t D i g i t = vNumber%10;i f ( segType==1) {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 1 ] ,HIGH) ;} else {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 1 ] ,LOW) ;}setSegment ( f i r s t D i g i t ) ;//We show the f i r s t segment for 10 m i l l i sde lay (10) ;//we turn o f f the f i r s t segment

54

i f ( segType==1) {d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 1 ] ,LOW) ;

} else {d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 1 ] ,HIGH) ;

}i n t tens =0;i f (vNumber<10) {

//we got only 1 d i g i t to set the second segment to o f fcombination 10

tens =10;} else {

// otherwi se c a l cu t e the d i g i t for the second segmenttens = (vNumber − f i r s t D i g i t ) / 10 ;

}// turn second segment oni f ( segType==1) {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 0 ] ,HIGH) ;} else {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 0 ] ,LOW) ;}setSegment ( tens ) ;//Show i t for 10 m i l l i sde lay (10) ;// turn o f f againi f ( segType==1) {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 0 ] ,LOW) ;} else {

d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ 0 ] ,HIGH) ;}

}//TERZA FUNZIONE imposta come low t u t t i i p i e d i n ii n t d i sp l ayOf f ( ) {

for ( i n t i =0; i <=7; i++){d i g i t a lWr i t e ( segmentPins [ i ] ,LOW) ;

}for ( i n t i =0; i <=1; i++){d i g i t a lWr i t e ( commonPins [ i ] ,LOW) ;}return 1 ;

}//QUARTA FUNZIONE l e t t u r a d e l l a temperatura e media// l a media v i ene e f f e t t u a t a s u l l a v a r i a b i l e i n t e r a num_media

che s i t rova ne l setup//anche i l pin ana l og i co per l a l e t t u r a an_pin va d e f i n i t o

al l ’ i n i z i o de l cod i c ei n t media_temp ( i n t an_pin , i n t num_media) {

// we convert i t d i r e c t l y to degree s Ce l s i u s .// sensorValue = ( sensorValue ∗ (5000/1024) ) /10 ;i n t sensorValue = 0 ;

55

for ( i n t i =0; i<num_media ; i++){sensorValue = sensorValue + analogRead ( an_pin ) ;}sensorValue = ( sensorValue ∗ 110L) /(1024∗16) ;// sensorValue =88; //Test de i 7 segmentireturn sensorValue ;}

//5 FUNZIONE inv i o d e l l a l e t t u r a a l database mysql de l s e r v e rl o c a l e

i n t sendData ( i n t sens_data ) {i f ( Ethernet . begin (mac) == 0)

{S e r i a l . p r i n t l n (" Conf iguraz ione DHCP f a l l i t a ! " ) ;Ethernet . begin (mac , ip ) ;

}S e r i a l . p r i n t l n (" Conf iguraz ione DHCP r i u s c i t a ! " ) ;UpdateTemp( sens_data ) ;

d i g i t a lWr i t e (8 ,HIGH) ;d i g i t a lWr i t e (6 ,HIGH) ;while ( c l i e n t . a v a i l a b l e ( ) ){

char c = c l i e n t . read ( ) ;S e r i a l . print ( c ) ;

}i f ( ! c l i e n t . connected ( ) ){

S e r i a l . p r i n t l n ( ) ;S e r i a l . p r i n t l n (" Disconnesso dal c l i e n t . " ) ;c l i e n t . stop ( ) ;

}// e s egu i l a r i c h i e s t a ogni 2 second ide lay (2000) ;

}// funz ione d i supporto a l l a s e s t a funz ione

void UpdateTemp( i n t temperatura ){

S e r i a l . begin (9600) ;S e r i a l . p r i n t l n (" Conness ione . . . " ) ;i f ( c l i e n t . connect ( se rver , 80) ){

S e r i a l . p r i n t l n (" Connesso a l s e r v e r porta 80") ;// a c qu i s i s c o i l va l o r e ana l og i co dal s en so r e// creo l ’ u r l u t i l i z z a n s o una s t r i n g astrURL = "GET / termostato / arduino . php? tempventi=";strURL +=temperatura ;strURL += "& l o c a l i t a=Roma_ISCTI HTTP/1 . 1 " ;

c l i e n t . connect ( se rver , 8 0 ) ;// i nv i o l a r i c h i e s t a a l s e r v e rS e r i a l . p r i n t l n ( strURL) ;

56

c l i e n t . p r i n t l n ( strURL) ;c l i e n t . p r i n t l n (" Host : l o c a l h o s t ") ;c l i e n t . p r i n t l n (" Connection : close ") ;c l i e n t . p r i n t l n ( ) ;// chiudo l a connes s i onec l i e n t . stop ( ) ;S e r i a l . print (" Tutto OK") ;

}else{

S e r i a l . p r i n t l n (" Errore Conness ione ") ;}

SPI . end ( ) ;}i n t all_OFF ( ) {for ( i n t a=5;a<=13;a++){d i g i t a lWr i t e ( a ,LOW) ;}

}

57

Appendice C

Codice Arduino inclinometro

// ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗// Lettura da t i s e r i a l i da inc l i nomet ro AccuStar// S e r i a l e a t r e f i l i :// Nero=GND; Rosso=+5V; Bianco=REQ/HOLD; Gr ig io=READY/WAIT;// GIALLO=DATA;

i n t c ;i n t a ;double va lue ;i n t s t a t e ;i n t n ;char Str1 [ 1 7 ] ;double angle ;

void setup ( ){

S e r i a l . begin (9600) ;pinMode (3 , INPUT) ; // f i l o GRIGIOpinMode (4 , OUTPUT) ; // f i l o BIANCOpinMode (5 , INPUT) ; // f i l o GIALLO

}

void loop ( ) {de lay (50) ;c=0;va lue =0;s t a t e =0;

S e r i a l . print ("La sequenza d i 17 b i t e ’ : ") ;s t a t e=d ig i t a lRead (3 ) ;for ( c=0; c<1; c++){

i f ( s t a t e = HIGH){

58

d i g i t a lWr i t e (4 ,HIGH) ;de lay (15) ;d i g i t a lWr i t e (4 ,LOW) ;de lay (15) ;n=d ig i ta lRead (5 ) ;S e r i a l . print (n) ;

}}

for ( c=1; c<=16; c++){s t a t e=d ig i t a lRead (3 ) ;

i f ( s t a t e = HIGH){d i g i t a lWr i t e (4 ,HIGH) ;de lay (15) ;d i g i t a lWr i t e (4 ,LOW) ;de lay (15) ;a=d ig i t a lRead (5 ) ;S e r i a l . print ( a ) ;va lue=value+a ∗(pow(2 , 16−c ) ) ;

}}

angle=(value ∗60) /65535;S e r i a l . print ("\n") ;i f (n==1){S e r i a l . print ("L ’ angolo e ’ d i +") ;}else {

S e r i a l . print ("L ’ angolo e ’ d i −") ;}S e r i a l . print ( angle ) ;S e r i a l . print ("\260") ;S e r i a l . print ("\n") ;S e r i a l . print (" I l va l o r e dec imale co r r i spondente a l l a s t r i n g a

b ina r i a e ’ : ") ;S e r i a l . print ( value , DEC) ;S e r i a l . print ("\n") ;S e r i a l . print ("\n") ;

de lay (1000) ;

}

59

Appendice D

Codice C# softwareacquisizione dati (V1.0)

//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

#inc lude <vc l . h>#pragma hdrstop#inc lude <math . h>

#inc lude "Unit1 . h"//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

#pragma package ( smart_init )#pragma re sou r c e "∗ . dfm"#inc lude <windows . h>#inc lude <s td i o . h>#inc lude <conio . h>#inc lude " . . \ cbw . h"#inc lude <sstream>#inc lude <s t r i ng >#inc lude <time . h>

/∗ I n i z i a l i z z a z i o n e v a r i a b i l i GLOBALI ∗/double power ;i n t cana le [ 8 ] ;double dbm_f2 [ 8 ] ;double Vin_f ;double dbm_f ;HGLOBAL memHandle ;S t r ing r ;i n t t=0;/∗ d e f i n i z i o n e c o l o r i t r a c c e ∗/i n t c o l o r [ 8 ] = {0 xf f0080 , 0 xf f0000 , 0 x000000 , 0 x f f f f 8 0 , 0 x f f 0 0 f f

60

, 0 x0000f f , 0 x f f0080 , 0 x f f 0080 } ;char ∗ed [8 ]= {" ed i t 1 " ," ed i t 11 " ," ed i t12 " ," ed i t13 " ," ed i t14 " ,"

ed i t15 " ," ed i t 16 " ," ed i t17 "} ;

double o f f s e t f [ 8 ] ;i n t cb f [ 8 ] ;i n t c ana l e f [ 8 ]={0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0} ;i n t y ;i n t a ;i n t START=0;time_t start_time , now ;// s t r u c t tm ∗now_tm;TForm1 ∗Form1 ;//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

__fastca l l TForm1 : : TForm1(TComponent∗ Owner): TForm(Owner)

{}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : FormCreate ( TObject ∗Sender ){//memHandle = cbWinBufAlloc (COUNT) ;

}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : Timer1Timer ( TObject ∗Sender ){/∗ v a r i a b i l i r e l a t i v e a l cana le per i l g r a f i c o ∗/double Vin [ 8 ] ;double vo l t [ 8 ] ;double dbm [ 8 ] ;double Of f s e tVector [ 8 ]={0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0} ;i n t range [ 8 ]={0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0} ;

/∗ Impostaz ione range d i misure d e l l a scheda d i a c qu i s i z i o n e∗/

range [0 ]=ComboBox1−>ItemIndex ;range [1 ]=ComboBox2−>ItemIndex ;range [2 ]=ComboBox3−>ItemIndex ;range [3 ]=ComboBox4−>ItemIndex ;range [4 ]=ComboBox5−>ItemIndex ;range [5 ]=ComboBox6−>ItemIndex ;

61

range [6 ]=ComboBox7−>ItemIndex ;range [7 ]=ComboBox8−>ItemIndex ;

/∗ Se l e z i on e c ana l i da a c q u i s i r e ∗/cana le [0 ]= CheckBox1−>Checked ;cana le [1 ]= CheckBox2−>Checked ;cana le [2 ]= CheckBox3−>Checked ;cana le [3 ]= CheckBox4−>Checked ;cana le [4 ]= CheckBox5−>Checked ;cana le [5 ]= CheckBox6−>Checked ;cana le [6 ]= CheckBox7−>Checked ;cana le [7 ]= CheckBox8−>Checked ;

/∗ Se l e z i on e e conver s i one d e g l i o f f s e t ∗/Of f s e tVector [0 ]= a to f ( Edit2−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [1 ]= a to f ( Edit3−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [2 ]= a to f ( Edit4−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [3 ]= a to f ( Edit5−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [4 ]= a to f ( Edit6−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [5 ]= a to f ( Edit7−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [6 ]= a to f ( Edit8−>Text . c_str ( ) ) ;Of f s e tVector [7 ]= a to f ( Edit9−>Text . c_str ( ) ) ;

/∗ v a r i a b i l i a u s i l i a r i e ∗/y=0;a=0;S t r ing h_d=Edit22−>Text ;i n t display_time=a to i (h_d . c_str ( ) ) ∗3600 ;

/∗ Impostaz ione a s s i de l g r a f i c o ∗/i f ( t<display_time ) {

Chart1−>BottomAxis−>Maximum=display_time ;Chart1−>BottomAxis−>Minimum=0;}

else {Chart1−>BottomAxis−>Maximum=t+1;Chart1−>BottomAxis−>Minimum=t−display_time ;

}i f ( ! CheckBox9−>Checked ) {

for ( i n t j =0; j <8; j++){i f ( range [ j ]==3|| range [ j ]==0){y=1;}else {y=0;}a=a | | y ;}i f ( RadioButton17−>Checked ) {

62

Chart1−>LeftAxis−>Minimum=−75;

Chart1−>LeftAxis−>Maximum=−25;

}else {

i f ( a==1){Chart1−>LeftAxis−>Maximum=10;Chart1−>LeftAxis−>Minimum=−10;}

else {Chart1−>LeftAxis−>Maximum=5;Chart1−>LeftAxis−>Minimum=−5;}

}}

else {St r ing MAXx;St r ing MINx ;MAXx=Edit18−>Text ;MINx=Edit19−>Text ;Chart1−>LeftAxis−>Maximum=ato f (MAXx. c_str ( ) ) ;Chart1−>LeftAxis−>Minimum=ato f (MINx . c_str ( ) ) ;}

/∗ Lettura v a l o r i d a l l a scheda e d i segno de l g r a f i c o ∗/for ( i n t i =0; i <8; i++){

i f ( cana l e [ i ]==1){/∗ Impostaz ione de l range ∗/i f ( range [ i ]==0){cbVIn32 (0 , i ,BIP1PT25VOLTS,&Vin [ i ] ,

DEFAULTOPTION) ;}else i f ( range [ i ]==1){cbVIn32 (0 , i ,BIP2PT5VOLTS,&Vin [ i ] ,

DEFAULTOPTION) ;}else i f ( range [ i ]==2){cbVIn32 (0 , i ,BIP5VOLTS,&Vin [ i ] ,DEFAULTOPTION

) ;}else {cbVIn32 (0 , i ,BIP10VOLTS,&Vin [ i ] ,

DEFAULTOPTION) ;}

63

/∗ Convers ione vo l t−dBm per i c ana l i cono f f s e t ∗/

i f ( i==0){dbm[ i ]=Vin [ i ]∗4+ Of f s e tVector [ i ]−40;}else i f ( i==1){dbm[1]= Vin [1 ]∗4+ Of f s e tVector [1 ] −60 ;}else {dbm[ i ]=Vin [ i ]∗4+ Of f s e tVector [ i ] ;}

/∗ Disegno de l g r a f i c o ∗/Chart1−>Se r i e s [ i ]−>AddXY( t ,dbm[ i ] , " " , TColor

( c o l o r [ i ] ) ) ;Chart1−>Repaint ( ) ;

} /∗ ch iusura i f ∗/th i s−>Edit1−>Text=Vin [ 0 ] ;th i s−>Edit23−>Text=dbm[0]+ Of f s e tVector [ 0 ] ;th i s−>Edit11−>Text=Vin [ 1 ] ;th i s−>Edit24−>Text=dbm[1]+ Of f s e tVector [ 1 ] ;

} /∗ Chiusura for ∗/t++;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : CheckBox1Click ( TObject ∗Sender ){cana l e [0]== cana le [0]&&1;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : Edit11Change ( TObject ∗Sender ){cana l e [1]== cana le [1]&&1;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

64

void __fastca l l TForm1 : : Edit12Change ( TObject ∗Sender ){cana le [2]== cana le [2]&&1;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−






void __fastca l l TForm1 : : Timer2Timer ( TObject ∗Sender ){//−−d e c l a r a t i o n stime(&now) ;S t r ing s t r 2 ;s t r u c t tm ∗ f i l ename ;f i l ename=lo c a l t ime (&now) ;

65

s t r u c t tm ∗measure_time ;i n t ra t e ;i n t hour ;double seconds , sec2 , rem_sec ;double rec_time ; // in secondsSt r ing name_file ;double Vin_f [ 8 ] ;

//−−check and d e f i n i t i o n si f ( RadioButton1−>Checked ) {

ra t e =1;}i f ( RadioButton2−>Checked ) {

ra t e =10;}i f ( RadioButton3−>Checked ) {

ra t e =60;}else i f ( RadioButton4−>Checked ) {s t r 2=Edit20−>Text ;r a t e=a t o i ( s t r 2 . c_str ( ) ) ;}i f ( RadioButton7−>Checked ) {

rec_time=30;}i f ( RadioButton8−>Checked ) {

rec_time =6∗3600;}i f ( RadioButton9−>Checked ) {



rec_time=0;}i f ( RadioButton5−>Checked ) {s t r 2=Edit21−>Text ;rec_time=a to i ( s t r 2 . c_str ( ) ) ;

rec_time=rec_time ∗3600 ;}

//−−app l i c a t i o n

i f (START==0){Timer2−>In t e r v a l =100;

66

}i f (START==1){

f i l ename=lo c a l t ime (&now) ;time(&now) ;i f ( rec_time==0){time_t t1 , t2 ;t1=start_time ;s t r u c t tm ∗newtime ;newtime=l o c a l t ime (&t1 ) ;newtime−>tm_mday=newtime−>tm_mday+1;newtime−>tm_hour=00;newtime−>tm_min=00;newtime−>tm_sec=00;t2=mktime ( newtime ) ;rem_sec=d i f f t im e ( t2 , now) ;

}else {seconds=d i f f t im e (now , start_time ) ;rem_sec=rec_time−seconds ;}

S t r ing e lapsed="Remaining time to next f i l e : " ;e l apsed+=rem_sec ;e l apsed+=" sec " ;r="Acq . r a t e : " ;r+=rat e ;r+="sec " ;StatusBar1−>Panels−>Items [1]−>Text="Acquir ing data " ;StatusBar1−>Panels−>Items [2]−>Text=r ;StatusBar1−>Panels−>Items [3]−>Text=e lapsed ;Timer2−>In t e r v a l=ra t e ∗1000 ;

i f ( rem_sec<=0){time(&now) ;start_time=now ;}

s t r u c t tm ∗ f i l ename ;f i l ename=lo c a l t ime (&start_time ) ;S t r ing path= Edit10−>Text ;S t r ing name_file=path ;char datas [ 2 0 ] ;s t r f t ime ( datas , 20 , "%d−%m−%Y_%H−%M−%S" , f i l ename ) ;name_file+="\\";name_file+= datas ;

67

const char ∗ name=name_file . c_str ( ) ;

for ( i n t k=0;k<8;k++){i f ( cana l e [ k]==1){

switch ( cb f [ k ] ){case 0 :cbVIn32 (0 , 1 ,BIP1PT25VOLTS,&Vin_f [ k ] ,DEFAULTOPTION) ;break ;ca se 1 :cbVIn32 (0 , 1 ,BIP2PT5VOLTS,&Vin_f [ k ] ,DEFAULTOPTION) ;break ;ca se 2 :cbVIn32 (0 , 1 ,BIP5VOLTS,&Vin_f [ k ] ,DEFAULTOPTION) ;break ;ca se 3 :cbVIn32 (0 , 1 ,BIP10VOLTS,&Vin_f [ k ] ,DEFAULTOPTION) ;break ;ca se −1:cbVIn32 (0 , 1 ,BIP10VOLTS,&Vin_f [ k ] ,DEFAULTOPTION) ;break ;}

dbm_f2 [ k]=Vin_f [ k ]∗4−40;}else {Vin_f [ k ]=0;dbm_f2 [ k ]=0;}}power=dbm_f2 [ 0 ] ;FILE ∗out ;out=fopen (name , " a ") ;measure_time=l o c a l t ime (&now) ;char timeformat [ 2 0 ] ;s t r f t ime ( timeformat , 20 , "%H:%M:%S" , measure_time ) ;St r ing ac_time=timeformat ;const char ∗ time=ac_time . c_str ( ) ;fpr intf ( out , "%s " , time ) ;for ( i n t k=0;k<7;k++){fpr intf ( out , "%f " ,dbm_f2 [ k ]+ o f f s e t f [ k ] ) ;}fpr intf ( out , "%f \n" ,dbm_f2 [7]+ o f f s e t f [ 7 ] ) ;fc lose ( out ) ;

}

68

}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : Button1Click ( TObject ∗Sender ){St r ing s t r f ;START=1;// c o n t r o l l o c ana l i a t t i v ii f (CheckBox1−>Checked ) {

c ana l e f [ 0 ]=1 ;}else {c ana l e f [ 0 ]=0 ;}

i f (CheckBox2−>Checked ) {c ana l e f [ 1 ]=1 ;}else {c ana l e f [ 1 ]=0 ;}





i f (CheckBox7−>Checked ) {c ana l e f [ 6 ]=1 ;

69

}else {c ana l e f [ 6 ]=0 ;}


// memorizzo i range per i c ana l icb f [0 ]=ComboBox1−>ItemIndex ;cb f [1 ]=ComboBox2−>ItemIndex ;cb f [2 ]=ComboBox3−>ItemIndex ;cb f [3 ]=ComboBox4−>ItemIndex ;cb f [4 ]=ComboBox5−>ItemIndex ;cb f [5 ]=ComboBox6−>ItemIndex ;cb f [6 ]=ComboBox7−>ItemIndex ;cb f [7 ]=ComboBox8−>ItemIndex ;

// memorizzo g l i o f f s e t per i c ana l is t r f=Edit2−>Text ;o f f s e t f [0 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit3−>Text ;o f f s e t f [1 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit4−>Text ;o f f s e t f [2 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit5−>Text ;o f f s e t f [3 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit6−>Text ;o f f s e t f [4 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit7−>Text ;o f f s e t f [5 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit8−>Text ;o f f s e t f [6 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;s t r f=Edit9−>Text ;o f f s e t f [7 ]= a to f ( s t r f . c_str ( ) ) ;

time(&start_time ) ;

StatusBar1−>Panels−>Items [1]−>Text="Acquir ing data " ;StatusBar1−>Panels−>Items [2]−>Text=r ;GroupBox3−>Enabled=0;Edit10−>Enabled=0;GroupBox7−>Enabled=0;

70

GroupBox4−>Enabled=0;GroupBox2−>Caption="Acqu i s i t i on opt ion ( Blocked for r e co rd ing

) " ;Button1−>Enabled=0;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

void __fastca l l TForm1 : : Button2Click ( TObject ∗Sender ){START=0;

StatusBar1−>Panels−>Items [1]−>Text="";StatusBar1−>Panels−>Items [2]−>Text="";GroupBox3−>Enabled=1;GroupBox7−>Enabled=1;GroupBox4−>Enabled=1;Edit10−>Enabled=1;Button1−>Enabled=1;GroupBox2−>Caption="Acqu i s i t i on opt ion " ;}//−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

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Bibliografia

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