Progetto di una scheda con funzione di ricetrasmettitore UHF per un satellite universitario

Il progetto AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti) ha inizio nell’autunno del
2006 sulla base dell’esperienza appurata dal progetto PiCPoT (Piccolo Cubo del Po-
litecnico di Torino), il primo nanosatellite realizzato dal Politecnico di Torino, che
ha cos aderito ad un’iniziativa internazionale, dall’elevata valenza didattica, che
concerne la progettazione di un satellite in ambito universitario.
La losoa progettuale standard adottata da diverse universita in tutto il mondo
si basa sul concetto di Cubesat, un satellite di forma cubica con un lato di circa
10 cm e una massa di un 1 Kg al massimo.
PiCPoT e un piccolo cubo di 13 cm di lato contenente, all’interno, sottosistemi
elettronici sviluppati ad hoc per svolgere le funzioni di trasmettere dati (per esempio,
le misure dei sensori di bordo alla Stazione di Terra), scattare fotograe, valutare il
funzionamento del GPS in orbita LEO e quello dei componenti COTS (Components
O The Shelf ) nello spazio.
Per proseguire l’attivita iniziata col progetto precedente, e nata l’idea di base del
progetto AraMiS che si sviluppa seguendo il concetto di modularita. Quest’ultimo si
compone di un discreto numero di moduli, detti tiles, preassemblati e precollaudati
che hanno la caratteristica di poter essere riutilizzati a seconda delle esigenze di
ciascuna missione.
Cio permette una realizzazione low cost e tempi di sviluppo molto ristretti per il
progetto.
I moduli, comunicanti tra di loro tramite un bus seriale, hanno dimensione
standard; alcuni saranno collocati sulla supercie esterna del satellite, altri al suo
interno.
Questo lavoro di tesi intende occuparsi del modulo di comunicazione Telecommu-
nication Tile che lavora alla frequenza di 2:4 GHz e si occupa di gestire la comuni-
cazione relativa alla trasmissione e ricezione di dati e comandi con la Stazione di
Terra.
Il processore di bordo controlla, mediante un opportuno protocollo, il transcei-
ver: il CC2510, un dispositivo della Chipcon TI dalle alte prestazioni RF con un
microcontrollore basato sull’architettura dell’8051 enhanced.
III
Il lavoro e cominciato con lo sviluppo del programmatore del transceiver, allora
non ancora reso disponibile dall’azienda produttrice, ed e proseguito con l’implemen-
tazione del software di trasmissione e ricezione di pacchetti di dati, con la conse-
guente analisi delle casistiche di funzionamento e valutazione delle problematiche
derivanti dalle tipologie di eventuali errori.
Alla base della comunicazione sono stati utilizzati due protocolli: il protocollo
wireless e il protocollo wired.
La ricetrasmissione avviene attraverso l’invio di un comando al microcontrollore
il quale, una volta ricevutolo correttamente, da l’avvio alla trasmissione e ricezione
di pacchetti via radio.
A tal proposito, e stato determinato un certo tempo di attesa massimo tra l’invio
di un pacchetto e la conferma di avvenuta ricezione: il Timeout.
La trasmissione wireless e soggetta a fenomeni di interferenza che abbassano la
qualita della comunicazione.
In particolare, nel progetto sono riportati i risultati sperimentali di prove eseguite
sia a livello sico, in termini di misurazioni di potenza del segnale utile, sia a livello
di canale attraverso una stima della probabilita d’errore, il BER (bit error rate)
usando un adeguato modello probabilistico.
Inoltre e stato preso in considerazione ed analizzato sperimentalmente il fenome-
no sico dell’Eetto Doppler che potrebbe in
uenzare la comunicazione tra il satellite
e la Stazione di Terra, rispetto alla quale esso e in moto relativo.
La tesi procede con i calcoli dei parametri di tratta, il link budget, dimensionando
cos la potenza utile in trasmissione nel collegamento downlink (Satellite-Stazione di
Terra) e la potenza utile in ricezione nel collegamento uplink (Stazione di Terra-
Satellite).
Il transceiver, progettato per applicazioni a corto raggio, eroga in uscita una po-
tenza non suciente a supportare la trasmissione di una comunicazione che avviene
nello spazio, rendendo necessaria la ricerca di un amplicatore di potenza: l’SZM-
2166Z, un dispositivo della Sirenza Microdevices in grado di fornire i 4W di potenza
in uscita necessari.
La suite di tool del software Mentor Graphics ha conseguentemente permesso la
realizzazione del circuito stampato dell’amplicatore di potenza che e stato sottoposto
a test di prova, prima utilizzando la strumentazione del Dipartimento di Elettronica
e poi quella della Spin Electronics, un’azienda che si occupa di telecomunicazioni,
vericandone cos il corretto funzionamento.
Per quanto riguarda il comportamento del transceiver in ricezione, ci si e serviti
di un amplicatore a basso rumore per migliorare la sensitivity e garantirne un valore
tale da consentire il massimo data rate di 500 kbps.
Si tratta del MAX2644, un dispositivo della MAXIM gia collaudato durante lo
svolgimento del progetto PiCPoT e dotato di un alto guadagno e una bassa cifra di
rumore.
IV
Da queste realizzazioni progettuali si delinea, a conclusione del lavoro di tesi,
l’intera architettura del sistema di comunicazione: la schedaTxRx.
La scheda sara connessa al processore di bordo tramite una sola interfaccia ser-
vendosi di un tranceiver master e un transceiver slave comunicanti tra loro tramite
una seriale asicrona.
Un transceiver lavorera in trasmissione con il supporto dell’amplicatore di po-
tenza e l’altro in ricezione con l’appoggio dell’amplicatore a basso rumore.
Il sistema si chiude su due switch identici, gli FMS2031-001 della Filtronic,
pilotati in opposizione di fase tra di loro (quando uno e chiuso l’altro e aperto)
garantendo un alto isolamento tra la trasmissione e la ricezione, eliminando cos
l’anello di reazione che renderebbe instabile il sistema.
Sulla base degli assorbimenti dei sottosistemi da alimentare e stato progetta-
to, in particolare, l’alimentatore swicthing LM2596 della National Semiconductor a
tensione di uscita variabile.
Scelti i componenti da adottare per la scheda, la fase successiva e consistita nel
disegno dello schema elettrico e del circuito stampato del sistema.
Si auspica che la scheda in oggetto possa essere realizzata in tempi brevi per dare
attuazione al discorso progettuale che e stato il lo conduttore di questo lavoro di tesi
il quale mi ha dato l’opportunita di lavorare su un percorso sperimentale seguendolo
nel concreto e, quindi, mi ha permesso di arricchirmi dell’esperienza diretta della
problematica oggetto di studio e del lavoro di gruppo di cui necessitano progetti di
tale portata.