In ogni tipo di sistema di comunicazione gli operatori devono affrontare alcune esigenze fondamentali: potenziare le prestazioni del sistema stesso, aumentarne la capacità di trasmissione, garantire il tempo di operatività, diminuire il costo dei servizi e ridurre il tasso di abbandono da parte dei clienti. Nel settore delle comunicazioni satellitari, la parte ingegneristica del problema è facilmente sintetizzabile: impacchettare una maggiore quantità di bit nello spettro disponibile, raggiungere una maggiore velocità di trasmissione del flusso di dati e fare tutto ciò in modo energeticamente efficiente. Sviluppare poi una soluzione che sia realmente attuabile è ancora più complicato, tanto che la questione sta portando all’introduzione di significativi cambiamenti tecnologici, come, ad esempio, larghezze di banda più ampie e un riutilizzo dello spettro. Queste innovazioni aumentano semplicemente le sfide da affrontare per quanti si occupano della manutenzione e della risoluzione di problemi nelle stazioni terrestri per le comunicazioni via satellite. Tutti gli elementi più importanti – antenne, linee di trasmissione, trasmettitori e ricevitori – così come l’intero sistema, presentano requisiti di test specifici. Completare l’intera serie dei test necessari spesso richiede l’impiego di cinque o sei strumenti diversi: tipicamente si trattava di ingombranti unità da banco – analizzatori di spettro, analizzatori vettoriali di reti – che andavano trasportate in campo. I più recenti analizzatori palmari multifunzione, come i FieldFox di Keysight, coprono anche le frequenze corrispondenti alle onde millimetriche, arrivando fino a 50 GHz. Questi strumenti possono essere configurati per fornire tutte le funzionalità richieste, consentendo così di validare più rapidamente le prestazioni del sistema e diagnosticarne gli eventuali guasti, il tutto concentrato in una singola unità che pesa solamente poco più di 3 kg.
Tendenze principali
Nel mondo delle comunicazioni satellitari si distinguono tre tendenze tecnologiche principali: ampliare la larghezza di banda, riutilizzare lo spettro e applicare formati di modulazione complessi. Larghezze di banda maggiori consentono di ottenere velocità massime di trasmissione dei dati per singolo utente più elevate ed aumentano, allo stesso tempo, la capacità complessiva del sistema, espandendo il numero di canali disponibili. Più canali vengono multiplati insieme, creando un segnale con larghezza di banda maggiore che viene inviato in un’unica trasmissione attraverso un singolo transponder. Il cosiddetto riuso dello spettro è una tecnica praticabile grazie all’impiego di sistemi di trasmissione che emettono fasci particolarmente concentrati destinati ad aree geografiche limitate (spot beam). La possibilità di generare questo tipo di fasci di segnale permette di focalizzare istantaneamente più potenza sulle aree a forte richiesta. Un incremento della potenza aiuta, inoltre, a superare i problemi causati dall’attenuazione da pioggia (ossia l’attenuazione del segnale dovuta al maltempo) e consente, quindi, di sfruttare per la trasmissione anche la banda-Ka. Ciò apre agli operatori l’accesso ad una porzione dello spettro meno affollata e, di conseguenza, permette loro di ottenere larghezze di banda maggiori e capacità di trasmissione più elevate. La terza tendenza tecnologica è quella di impiegare formati di modulazione sempre più complessi. Si tratta di tecniche che supportano velocità di trasmissione dei dati più elevate grazie ad una maggiore efficienza spettrale ed un migliore rapporto segnale/rumore; tuttavia questo tipo di approccio impone di trovare un compromesso tra capacità, efficienza energetica e prestazioni del collegamento. Le innovazioni in questo settore, come ad esempio i satelliti ad alta capacità trasmissiva (HTS: High-Throughput Satellite) e la rigenerazione dei segnali a bordo con tecniche digitali (digitally regenerative payload) costituiscono le realizzazioni concrete di tali svolte tecnologiche. Entrambe si basano su architetture abbastanza diverse dai progetti analogici tradizionali di tipo “bent-pipe”, dove il segnale veniva semplicemente ritrasmesso senza svolgere operazioni particolari a bordo del satellite. Le suddette soluzioni, invece, sono sistemi a segnali misti che trasportano rappresentazioni sia analogiche, sia digitali dei segnali modulati. I formati di modulazione digitali possono essere a banda larga, di ordine superiore oppure personalizzati, ma tutti sono caratterizzati da una maggiore efficienza spettrale.
Uno sguardo più attento alla stazione di terra
Gli operatori usano vari tipi di sistemi satellitari per applicazioni diverse, che spaziano dalle emissioni unidirezionali a larga diffusione (broadcast) alla trasmissione bidirezionale di dati, dalla navigazione al telerilevamento o, ancora, alle comunicazioni cellulari. Ogni sistema è costituito da due parti principali: il segmento spaziale e quello terrestre. Ci focalizziamo, ora, su quest’ultimo. La sezione a terra di un sistema tipico consta di almeno tre sotto-parti: il sistema di controllo del satellite, i dispositivi gateway e i concentratori di rete (hub) ed, infine, i terminali utente. Il sistema di controllo svolge le funzioni di tracciamento, telemetria e comando, attraverso le quali viene determinata la posizione orbitale del satellite e vengono inviati i comandi per regolarne l’altitudine, l’orientamento e la traiettoria. Le suddette funzioni TT&C (Tracking, Telemetry and Command), se bidirezionali, trasmettono anche informazioni relative alla condizione e allo stato operativo del carico utile dello stesso satellite. Le comunicazioni, comprese la voce, i video e i dati, vengono trasportati fra gateway, hub e terminali utente. I gateway collegano le comunicazioni satellitari ai sistemi telefonici terrestri, alle reti cellulari, ai fornitori di servizi Internet e ad altri operatori. Gli hub, a loro volta, connettono fra loro più elementi come, ad esempio, i terminali utente o altri hub. In tutti i casi, la stazione al suolo trasmette al satellite i segnali in salita (uplink) e riceve dal satellite quelli in discesa. Una tipica stazione terrestre comprende almeno un canale di trasmissione e uno di ricezione. A partire dal multiplexer di ingresso, il cammino in trasmissione gestisce flussi multipli di dati ed invia ciascuno di essi al modulatore adatto. Questi possono generare un segnale IF modulato a 70 MHz con una larghezza di banda di canale di 40 MHz, oppure un segnale IF modulato a 140 MHz con una larghezza di banda di canale pari a 80 MHz. I canali vengono poi sommati e la frequenza convertita verso l’alto alla portante Rf a radio frequenza, che può appartenere alla banda L, C, X, Ku, K oppure Ka. Nella sezione in ricezione il processo viene invertito: si parte con un filtro di preselezione che elimina il contenuto spettrale al di fuori della banda di interesse. Un amplificatore a basso rumore aumenta la potenza dei segnali in ingresso prima della loro conversione a frequenze più basse; un partitore instrada quindi i segnali ricevuti verso gli appositi demodulatori. Il multiplexer di uscita, infine, invia i segnali alle destinazioni corrispondenti.
Definire i requisiti di test di una stazione terrestre
Per garantire un livello efficace nella manutenzione e nella risoluzione dei problemi è necessario collaudare l’intero sistema e i suoi elementi più importanti: l’antenna, le linee di trasmissione, il trasmettitore ed il ricevitore. Un esempio delle misure da eseguire comprende: return loss (per l’antenna), l’individuazione della posizione dei guasti (per le linee di trasmissione), le prestazioni dell’amplificatore ad alta potenza (per il trasmettitore), le prestazioni dell’amplificatore a basso rumore (per il ricevitore) e il rapporto portante/rumore (a livello di sistema). Completare l’intera serie dei test richiede sei strumenti fondamentali: un misuratore di potenza, un analizzatore di spettro, un analizzatore vettoriale di reti, un tester per linee di trasmissione (Return Loss), distanza dal guasto e riflettometria nel dominio del tempo), una sorgente a radiofrequenza (ad onda continua e a scansione di frequenza) ed, infine, una sorgente Dc con un misuratore incorporato di tensione e di corrente.
Come eseguire opportunamente misure precise in campo
I più recenti analizzatori combinati possono essere configurati per fornire tutte le funzionalità richieste concentrandole in una singola unità. Ciò permette di validare le prestazioni di un sistema con un’analisi rapida e dettagliata dei segnali di uplink e downlink. Ad esempio, il test di cavi e antenne e l’analisi vettoriale di reti calibrati aiutano il personale in campo a svolgere costantemente la manutenzione dei sistemi di cavi, guide d’onda e antenne in modo coerente ed efficiente. La combinazione di analisi di rete, analisi spettrali e misure di potenza consente diagnosi più veloci e più rapide riparazioni dei guasti. La nuova serie di analizzatori combinati è progettata espressamente per svolgere test in campo, grazie ad una durata della batteria che arriva a 3h 30 min e a un peso pari a circa 3,2 kg. L’involucro robusto e completamente sigillato non ha ventole né prese d’aria; è conforme ai requisiti della normativa US Mil-Prf-28800F Classe 2 ed è stato testato secondo il Metodo 511.5 - Procedura 1 della normativa Mil-Std-810G (funzionamento in ambienti esplosivi). Gli analizzatori, inoltre, sono stati verificati rispetto a quanto prescrive la norma Iec/En 60592 IP53 in materia di protezione dalla polvere e dall’acqua, estendendo, così, la garanzia della propria robustezza anche alle condizioni ambientali più severe. Analoghi strumenti da banco sono, invece, specificati per funzionare a una determinata temperatura e richiedono tempi di riscaldamento piuttosto lunghi. Al contrario, Keysight ha sviluppato una funzione automatica di allineamento interno che migliora l’analisi spettrale compensando le variazioni di temperatura in un intervallo che va da -10°C a +55°C. Grazie a questa caratteristica, lo strumento palmare di Keysight è pronto per eseguire misure spettrali altamente accurate già all’accensione e in caso di variazioni qualsiasi di temperatura che avvengano all’interno dell’intervallo specificato. Tale funzione consente al misuratore di potenza incorporato di effettuare misurazioni precise anche senza il supporto di un sensore di potenza esterno. Un aspetto altrettanto importante è costituito dal fatto che le misure eseguite sia nel dominio del tempo, sia in quello della frequenza, hanno mostrato una correlazione con i dati di riferimento acquisiti usando strumenti da banco nel laboratorio di sviluppo e durante l’installazione del sistema. L’analizzatore combinato ottiene, infatti, valori dei parametri-S che si discostano di pochi centesimi di decibel dai risultati dell’analizzatore vettoriale di reti con le migliori prestazioni al mondo e si accordano entro decimi di decibel con i risultati prodotti dall’analizzatore di spettro dalle prestazioni migliori in assoluto. Tale livello di correlazione accresce la fiducia nei risultati misurati e, allo stesso tempo, riduce il rischio di accettare sistemi, sottosistemi o componenti scadenti, o, al contrario, di scartare quelli validi. Gli analizzatori qui presentati sono, inoltre, in grado di funzionare con comando remoto grazie ad un’applicazione che gira su di un gran numero di dispositivi con sistema operativo Apple iOS. Si tratta di una soluzione ideale in caso di condizioni ambientali per le quali può essere vantaggioso controllare ed osservare l’analizzatore da un luogo riparato, come un veicolo o, più in generale, una struttura di protezione. Tale caratteristica facilita, oltretutto, la collaborazione fra il personale; ad esempio un tecnico potrebbe lavorare all’antenna parabolica mentre un secondo tecnico, ai piedi della parabola, potrebbe analizzare i risultati delle misure attraverso un iPad oppure un iPhone.
Ridurre i costi di manutenzione
Per più di vent’anni, gli operatori satellitari di tutto il mondo hanno utilizzato analizzatori di spettro portatili per tutte le verifiche destinate alla manutenzione e alla risoluzione dei problemi. Oggi alcuni dei modelli più diffusi di questo tipo di strumenti non sono più in produzione e passeranno alla fase di “supporto esteso” nel 2017. Per fortuna, un singolo analizzatore combinato è in grado di sostituire non soltanto l’analizzatore di spettro portatile, ma anche altri strumenti a radiofrequenza generalmente impiegati per le misure in campo. Un importante vantaggio della migrazione verso una tecnologia moderna, pronta per l’impiego in campo, è quello di abbattere i costi complessivi sia per l’investimento iniziale, sia per le spese operative. A tutto ciò si aggiunge il fatto che l’analizzatore combinato necessita di una sola calibrazione all’anno, con la conseguente riduzione dei costi annuali di manutenzione rispetto all’insieme delle apparecchiature tradizionali, che richiedono più calibrazioni all’anno, oltre alle calibrazioni dedicate a ciascuno strumento di scorta.
