Acquisizione e analisi di segnali multidimensionali per il

Acquisizione e analisi di segnali multidimensionali per il monitoraggio del Traffico Aereo
"L'ambiente di sviluppo LabVIEW ha permesso di
valutare in ambiente reale, e in real-time, i risultati
dell'attività di ricerca nel campo di signal processing
applicato ai sistemi di controllo del traffico aereo e
migliorarne le prestazioni nel futuro contesto
operativo."
- G. Galati, UNIVERSITÀ DI ROMA TOR VERGATA
La sfida:
Presso il laboratorio “Radar e Navigazione “(RadarLab) dell'Università di Roma “Tor Vergata” ein un quadro di collaborazioni internazionali, è attivo
da molti anni il filone di ricerca sul monitoraggio del traffico aereo e di aeroporto tramite i segnali provenienti dal transponder SSR di bordo. Per
risolvere il sempre più impellente problema delle sovrapposizioni (c.d. Garbling) di tali segnali, sono stati messi a punto metodi originali basati su
antenne ad array. Dalla necessità di valutare gli algoritmi implementati, provandoli con segnali del mondo reale, nasce l’esigenza di un sistema di
ricezione e registrazione dei segnali emessi dai transponder. La sezione analogica del sistema deve essere basata su 5 canali (4 lineari più uno
logaritmico) collegati ad una antenna ad array. I canali lineari devono essere calibrati (o calibrabili) e devono convertire la frequenza portante ad un
valore tale che il segnale sia direttamente acquisibile tramite conversione digitale. La sezione digitale deve possedere una adeguata velocità di
campionamento, e deve possedere capacità di memoria e una velocità di bus tali da permettere la conversione da analogico a digitale ed
acquisizione dei cinque canali in parallelo.
La soluzione:
Il sistema studiato e progettato per rispondere alle esigenze della attività di ricerca, denominato “TDR” (Transponder Data Recorder), è basato su: •
antenna ad array a patch; • sezione analogica con down-conversion ad una Media Frequenza (IF) sulla quale si applica direttamente il
campionamento; • sezione digitale basata su tecnologia National Intruments. L’antenna array a 6 elementi patch, è stata studiata, progettata e
realizzata presso l’Università della Calabria. La sezione analogica è stata progetta dal gruppo di ricerca del Laboratorio Radar dell’Università Tor
Vergata, che ne ha seguito la realizzazione presso un laboratorio esterno. La sezione digitale è basata sul controller NI PXIe-8130 e 3 schede NI
PXIe-5122, il tutto alloggiato in un NI PXIe-1082.
Autore (i):
G. Galati - UNIVERSITÀ DI ROMA TOR VERGATA
M. Leonardi - UNIVERSITÀ DI ROMA TOR VERGATA
E.G. Piracci - UNIVERSITÀ DI ROMA TOR VERGATA
Breve Riassunto
Le specifiche del TDR, adeguate alla corretta caratterizzazione dei segnali da acquisire e trattare, sono:
• dinamica lineare: 70 dB;
• banda passante a -3 dB (sulla frequenza centrale di 1090 MHz): 40 MHz;
• frequenza intermedia IF per campionamento diretto e successiva ricostruzione delle componenti I,Q tramite filtro di Hilbert: 21,5 MHz (regolabile);
• frequenza di campionamento: 100 M Samples/secondo;
• -numero di bit per campione: 14.
La ricezione dei segnali avviene tramite una antenna array a patch, composta da 6 elementi. I quattro elementi centrali sono connessi ad altrettante
catene lineari, un elemento esterno è collegato a una catena logaritmica, e l’ultimo elemento è connesso a un carico adattato.
Articolo
Descrizione e Risultati
Dalle esigenze legate alle attività di ricerca sui segnali SSR (1090 MHz) utilizzati in contesto ATC (Controllo del Traffico Aereo), è stato progettato e
realizzato un sistema di ricezione completo. Il sistema in questione, detto “TDR” (Transponder Data Recorder), è in grado di ricevere i segnali trasmessi
dai trasponder (SSR modi A/C e modo S, e messaggi ADS_B) avionici e terrestri alla frequenza di 1090 MHz. La ricezione dei segnali avviene tramite
un’antenna array a patch composta da sei elementi, progettata e realizzata dal MicrowaveLab della Università della Calabria. Il TDR deve ricevere e
registrare i segnali di interesse tramite 4 canali lineari connessi ai quattro elementi centrali dell’antenna. Un ulteriore canale logaritmico, connesso ad uno
dei due elementi laterali dell’antenna, viene utilizzato come detector e verifica del segnale. L’ultimo elemento dell’antenna viene collegato ad un carico
adattato. I quattro canali lineari sono nominalmente identici e calibrati, inoltre possiedono una banda a RF di circa 40 MHz e uno stadio a IF pari a 21,5
MHz con banda passante di circa 10 MHz. La dinamica del canale è di circa 70 dB. Un attenuatore variabile a controllo digitale permette di posizionare la
dinamica del segnale in modo da avere un segnale in uscita con potenza massima compresa tra – 30 dBm e 0 dBm. Questo accorgimento permette di
utilizzare il ricevitore sia in area aeroportuale che in rotta. Il sistema ha lo schema a blocchi mostrato nella Figura 1. La Figura 2 mostra lo schema a
blocchi del canale lineare. Attualmente, è stato realizzato, ed è in prova, un prototipo dotato di un solo canale lineare e del canale logaritmico; a valle della
prove verrà finalizzato il sistema completo. L'antenna è mostrata in Figura 3.
La sezione digitale deve acquisire direttamente i quattro canali a IF e il canale logaritmico in parallelo. La velocità di campionamento dei canali lineari
deve permettere l’acquisizione della portante e della banda occupata dal segnale. Il canale logaritmico può essere acquisito a frequenze inferiori.
Attualmente, i canali lineari sono campionati a una frequenza di 100 Msamples/s, e il canale logaritmico viene campionato a 10 Msamples/s. È stata fatta
una campagna di acquisizione nel periodo febbraio - aprile 2011 sfruttando il traffico di "opportunità" rilevabile dal tetto dell'edificio di Ingegneria della
Informazione. In questa fase la logica di acquisizione e registrazione si è basata sull’uso di finestre di registrazione a dimensione fissa (i segnali SSR sono
packet-wise, quindi è nota la loro durata). La Figura 4 mostra una schermata della vi realizzata per gestire l’acquisizione multicanale sincrona con le 3
schede NI PXIe 5122. La Figura 5 mostra un segnale SSR di modo S acquisito tramite canale lineare e logaritmico e registrato su pc tramite la sezione
digitale NI. È in studio l’implementazione in ambiente LabVIEW delle tecniche di rivelazione, array processing e decodifica basate sugli algoritmi studiati
presso il RadaLab. Il relativo scopo è di valutare in ambiente reale, e in real-time, i risultati della attività di ricerca nel campo di signal processing applicato
ai sistemi di controllo del traffico aereo e finalizzate e migliorarne le prestazioni nel futuro contesto operativo.
Informazioni sull'autore:
G. Galati
UNIVERSITÀ DI ROMA TOR VERGATA
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www.ni.com
Schema a blocchi del sistema TDR
Schema a blocchi del canale lineare
Antenna array a patch
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www.ni.com
Schermate di acquisizione multicanale
Segnale di modo S – canale lineare e logaritmico
Informazioni Legali
Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI
GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D’USO DI NI.COM
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www.ni.com