1 Lo standard VHF marittimo 3
1.1 Frequenze utilizzate negli apparati di tipo marittimo . . . 4
1.2 Global Maritime Distress Safety System (GMDSS) . . . 5
1.3 Componenti del GMDSS . . . 9
1.3.1 DSC . . . 16
1.4 Digital Selective Calling nel VHF . . . 16
1.4.1 Normative Internazionali . . . 18 1.4.2 Tipologie di DSC Alert . . . 19 1.5 Specifiche di segnale . . . 21 1.6 Modulazioni utilizzate . . . 22 1.6.1 Classi di emissioni . . . 23 1.6.2 La modulazione FM . . . 25 1.6.3 La modulazione FSK . . . 27 1.6.4 Canalizzazione . . . 30 1.7 Esempio di un apparato VHF . . . 33
2 L’approccio Software Defined Radio (SDR) 37 2.1 Concetto di Software Radio . . . 37
2.2 Architettura di una SDR . . . 41
2.2.1 Architettura Software . . . 43
2.2.2 Architettura Hardware . . . 44
2.3 Universal Software Radio Peripheral (USRP) . . . 45
2.4 Approccio ”fully-software” radio . . . 52
3 Software Communications Architecture (SCA) 55 3.1 Joint Tactical Radio System (JTRS) e SCA . . . 55
3.2 CORBA middleware: il cuore di SCA . . . 60
3.4 Una piattaforma SCA-compliant freeware: OSSIE . . . 62
3.4.1 Waveform Workshop . . . 64
4 Installazione e debugging del framework OSSIE 67 4.1 Integrazione nel framework delle primitive FFTW . . . 67
4.2 Integrazione dell’USRP2 in ambiente OSSIE . . . 69
4.3 Creazione di un nuovo nodo GPP USRP2 SCHEDA AUDIO . . . 70
4.4 Esempio di implementazione di una waveform SCA-compliant basata su USRP2 73 5 Implementazione e validazione del ricevitore VHF marittimo 77 5.1 Catena di Ricezione . . . 77
5.1.1 Scelta della frequenza centrale e di campionamento . . . 78
5.1.2 Rivelazione dei canali attivi e selezione del canale da demodulare . . . 80
5.1.3 Demodulazione FM . . . 82
5.1.4 Filtro di Deenfasi e Filtro di Butterworth in banda audio . . . 84
5.2 Validazione della catena di ricezione . . . 85
5.2.1 Ricezione real-time del segnale generato in laboratorio . . . 86
5.2.2 Ricezione real-time del segnale VHF ”on-air” . . . 87
5.3 Prospettive e sviluppi futuri . . . 88
A Cenni su propagazione radio 93
Lo standard VHF marittimo
La realizzazione di un ricevitore dipende in primo luogo dalla scelta del range frequenziale su cui effettuare la ricezione. Nel nostro caso si `e optato per la banda VHF, in particolare a quella porzione di spettro che fa riferimento alle trasmissioni radio via mare, pi`u semplicemente VHF-marittimo.
I motivi di questa scelta sono essenzialmente riconducibili all’effettivo utilizzo che potrebbe avere un ricevitore software operante in questa banda. Infatti una comunicazioni efficiente nave-nave (o nave-costa) diventa di estrema importanza per eventuali situazioni di pericolo. La necessit`a di installare apparati efficienti per la radiocomunicazione su ogni nave per far fronte ad eventuali situazioni di pericolo, nasce proprio conseguentemente ad uno dei disastri navali pi`u famosi della storia, l’affondamento del Titanic nel 1912. A causa poi dell’inevitabile continua variazione di posizione, e delle diverse acque territoriali, si `e resa necessaria la creazione di una regolamentazione di tipo internazionale per la sicurezza in ambito marittimo. Nasce cos`ı l’Organizzazione Marittima Internazionale (IMO - International Maritime Orga-nization). Questo organo si occupa di stabilire le regole per la sicurezza delle imbarcazioni, regole che vanno dall’equipaggiamento di ogni nave, alle strutture portuali. Da queste nasce SOLAS (Safety Of Life At Sea) una convenzione internazionale atta a salvaguardare la sicurezza della navigazione per la tutela della vita umana. Il sistema di comunicazioni in uso nelle prime imbarcazioni faceva riferimento al Codice Morse. Successivamente proprio grazie alla modifica del capitolo a cui facevano riferimento le radiocomunicazioni, nella convenzione SOLAS si `e passati al GDMSS (Global Maritime Distress and Safety System) che diventa obbligatorio a partire dai primi anni novanta. Di seguito verranno analizzate le frequenze in uso quando negli di apparati di tipo marittimo, le caratteristiche pi`u importanti del sistema GDMSS, seguite dalle specifiche del segnale e della descrizione di alcuni apparati in uso.
Figura 1.1: modelli di propagazione ionosferica
1.1
Frequenze utilizzate negli apparati di tipo marittimo
Lo spettro radio `e stato suddiviso in bande frequenziali; gli apparati radio di tipo marittimo operano di solito nelle seguenti bande [3]:
Medium Frequency(MF) [300÷3000] kHz Hight Frequency(HF) [3÷30] MHz
Very Hight Frequency(VHF) [30÷300] MHz
Propagazione radio a MF
Durante il giorno, alle medie frequenze, l’onda spaziale non viene riflessa verso la terra dalla ionosfera. Di conseguenza i dispositivi per le comunicazioni radio di tipo marittimo sfruttano l’onda di superficie, cos`ı da coprire distanze che vanno da 100 a 400 miglia marine. Durante la notte l’onda spaziale `e invece riflessa verso la terra coprendo una distanza pi`u grande rispetto all’onda di superficie, di conseguenza possiamo osservare che solo quest’ultima pu`o essere usata per una comunicazione affidabile.
Propagazione radio a HF
Durante il giorno, alle alte frequenze, l’onda spaziale `e riflessa verso terra. La distanza coperta dall’onda trasmessa dipende dalla frequenza selezionata. I dispositivi per le comunicazioni marine, che operano in banda HF, offrono all’operatore una scelta di frequenze nelle bande 4, 6, 8, 12 e 16 MHz.
Figura 1.2: Propagazione per onda diretta e onda di superficie
distanza maggiore rispetto al giorno. Di conseguenza `e richiesta una frequenza pi`u bassa per coprire la stessa distanza che durante il giorno viene coperta con una frequenza maggiore. I dispositivi radio MF/HF di tipo marino offrono all’utilizzatore la possibilit`a di scegliere la frequenza, nelle varie bande, in cui effettuare la trasmissione. Cos`ı da selezionare la frequenza adeguata per coprire la distanza richiesta in qualsiasi stagione e momento della giornata.
Propagazione radio a VHF
Durante il giorno o la notte qualsiasi onda spaziale, trasmessa in modalit`a VHF, non viene riflessa sulla terra. Le comunicazioni marittime usano quindi l’onda superficiale che si propaga per brevi distanze seguendo la curvatura terrestre. A parit`a di frequenza, la propagazione superficiale offre una minore attenuazione sul mare che non sulla terra. In condizioni normali la distanza coperta dall’onda superficiale `e leggermente pi`u grande di quella coperta dall’on-da diretta ed `e determinata dall’altezza dell’antenna trasmittente e ricevente rispetto alla superficie del mare.
In corrispondenza di alcune condizioni atmosferiche, in particolare nei mesi estivi, l’onda superficiale pu`o essere rifratta completamente dalla superficie terrestre, coprendo cos`ı una distanza maggiore di quella prevista. Questo fenomeno `e conosciuto come ducting e non deve essere considerato come normale. Una descrizione pi`u accurata della banda VHF verr`a fatta pi`u in avanti.
1.2
Global Maritime Distress Safety System (GMDSS)
Il GMDSS `e un sistema composito di apparati per le comunicazioni nave-nave e nave-costa. `E costituito da numerosi sistemi e diverse tecnologie, che vanno dalle comunicazioni satellitari a quelle che sfruttano la propagazione in onde medie, corte e cortissime. Il suo scopo `e fornire un sistema robusto, efficiente e rapido per le comunicazioni di routine e di pericolo, per
l’identificazione e per la localizzazione dei natanti. Emendato nel 1988, ha progressivamente sostituito i vecchi sistemi a partire dal 1992, per diventare globalmente effettivo nel 1999. Dal punto di vista dell’utilizzatore, il sistema GMDSS rappresenta sicuramente una grande semplificazione: prima della sua entrata in vigore, le comunicazioni avvenivano tramite trasmissioni radiotelegrafiche, e richiedevano quindi la presenza di personale altamente spe-cializzato; ora invece l’operatore, pur dovendo rispettare certi requisiti, ad esempio deve possedere un certificato di idoneit`a (GOC – Certificato Generale di Operatore, ROC – Certificato Ristretto di Operatore), rilasciato da appositi organismi (tipicamente la guardia costiera della nazionalit`a di appartenenza, in Italia il Ministero delle Comunicazioni), esso non ha pi`u la necessit`a di disporre di quel vasto bagaglio di conoscenze specifiche (ad esempio, una buona confidenza col codice Morse) che ha sempre caratterizzato i radiotelegrafisti. Il vero e proprio “pilastro” su cui poggia l’infrastruttura del GMDSS `e costituito dal sistema DSC (Digital Selective Calling ): questa tecnologia permette la trasmissione di segnali di soccorso contemporaneamente verso terra e verso le navi che si trovano in un raggio adeguato, consentendo cos`ı un’assistenza coordinata da appositi centri sulla costa e una maggiore efficienza e rapidit`a nelle operazioni di soccorso. L’operazione pi`u immediata `e l’allerta delle autorit`a costiere, che ricevuta la richiesta di soccorso provvederanno a contattare ed attivare un Centro di Coordinamento al Salvataggio (MRCC - Maritime Rescue Coordination Center ); questi `e incaricato del coordinamento delle operazioni di ricerca e salvataggio (Search & Rescue), mentre le navi eventualmente in zona sono obbligate a prestare assistenza diretta partecipando alle operazioni [1]. A questo punto `e chiaro che ogni nave idonea alla navigazione deve essere in grado di effettuare tutte le operazioni necessarie in un eventuale scenario di soccorso, e risulta quindi indispensabile che ognuna di esse possa assolvere alle seguenti funzioni:
- trasmissione di un segnale di soccorso nave-terra con almeno due mezzi separati ed indipendenti, cio`e usando differenti servizi di comunicazione
- ricezione di un segnale di soccorso terra-nave
- trasmissione e ricezione si segnali di soccorso nave-nave
- trasmissione e ricezione di comunicazioni inerenti il coordinamento delle operazioni di ricerca e salvataggio
- trasmissione e ricezione di comunicazioni durante le operazioni di ricerca e salvataggio - trasmissione e ricezione di segnali per il ritrovamento della posizione
Figura 1.3: Concetto del GMDSS
- trasmissione e ricezione di informazioni marittime di sicurezza - trasmissione e ricezione di comunicazioni commerciali
- trasmissione e ricezione di comunicazioni ”bridge to bridge”
Per poter effettuare tutte queste operazioni `e necessaria la presenza di diversi sistemi e di apparati idonei. In particolare quelli usati sono:
- il sistema INMARSAT che utilizza satelliti geostazionari
- il sistema COSPAS-SARSAT che utilizza satelliti in orbita polare bassa - il servizio mobile marittimo nella banda VHF (156-174 MHz)
- il servizio mobile marittimo nella banda MF (1.6-4.0 MHz) - il servizio mobile marittimo nella banda HF (4-27.5 MHz)
Da quest’ultilmo elenco si evince che l’equipaggiamento della nave sar`a determinato dalla particolare posizione, nel senso di area geografica, che una nave occuper`a durante i suoi spostamenti, e non in funzione del tonnellaggio come avveniva prima dell’avvento del SOLAS. Si `e quindi reso necessario identificare delle zone di navigazione (figura 1.4) come segue:
- A1: area dentro il raggio di copertura di una stazione costiera VHF dove `e disponibile un ascolto continuo in DSC (tipicamente 20-30 miglia nautiche)
- A2: area, eccetto l’area A1, dentro il raggio di copertura di una stazione costiera MF dove `e disponibile un ascolto continuo in DSC (tipicamente 100 miglia nautiche) - A3: area, eccetto le aree A1 e A2, entro il raggio di copertura dei satelliti geostazionari
INMARSAT e che assicura permanentemente la ricezione continua degli allarmi medi-ante DSC (approssimativamente tra i paralleli 70°N e 70°S)
- A4: una zona che esclude le zone A1, A2 e A3; tipicamente comprende le regioni polari, la cui copertura non `e garantita dai satelliti geostazionari
Figura 1.4: Aree del GMDSS
Le aree A1 e A2 sono delimitate dalle singole amministrzioni nazionali, mentre le aree A3 e A4 sono in pratica delimitate dalla particolare posizione geografica (vedi il caso delle zone polari). Ad ogni area corrispoder`a un diverso tipo di chiamata:
- nelle aree A1, chiamata sul canale 70 del VHF, tramite DSC;
- nelle aree A2, chiamata a 2187.5 KHz tramite DSC, con indicazione di un’altra frequenza in fonia o telex per la trasmissione del messaggio;
- nelle aree A3 e A4, comunicazioni satellitari (INMARSAT A/B/C), trasmissione DSC in MF o HF, attivit`a di EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacons), a seconda del tipo di equipaggiamento a bordo e delle condizioni di propagazione. La regola 15 degli “Emendamenti’88 alla SOLAS’74” prescrive che le singole amministrazioni esercitino funzioni di controllo per garantire che gli apparati radioelettrici vengano sottoposti a manutenzione, in modo che le funzioni di comunicazione previste siano sempre disponibili.
Le navi da diporto, delle quali fanno parte gli yacht di alto mare, non sono di norma tenute ad essere munite di un equipaggiamento specifico. Per poter usufruire del sistema GMDSS devono tuttavia essere equipaggiate con impianti compatibili.
1.3
Componenti del GMDSS
Il GMDSS non `e quindi un sistema unico, esso `e composto da diversi apparati e procedure. Di seguito si vedranno alcuni degli apparati in uso secondo la normativa IMO.
NAVTEX
Il NAVTEX `e un servizio dell’IMO/IHO World Wide Navigational Warnings Service; consiste in avvisi di sicurezza nautici e meteorologici sulla frequenza di 518 KHz, trasmessi in tele-grafia a banda stretta con stampa diretta ed in lingua inglese; ovviamente non `e disponibile ovunque, `e tuttavia obbligatorio avere un ricevitore per le zone coperte dal servizio. Il globo `
e diviso in diverse zone, ognuna delle quali ha una nazione di riferimento per la diffusione dei bollettini NAVTEX (ad esempio la zona cui appartiene l’Italia `e gestita dalla Spagna). Ogni amministrazione pu`o inoltre gestire un proprio servizio NAVTEX nazionale, con trasmissione sulla frequenza di 490KHz tramite telegrafia a banda stretta con stampa diretta ed utilizzo nella lingua nazionale interessata. La trasmissione avviene da stazioni fisse (per l’Italia sono Trieste, Augusta, Cagliari, Roma) con tecnica d’accesso a divisione di tempo al fine di evitare le reciproche interferenze dovute ai ritardi di propagazione. Ogni bollettino informativo `e caratterizzato da due lettere, una che identifica la stazione trasmittente ed un’altra che indica il tipo di messaggio trasmesso (previsioni, meteo, ricerca e soccorso, messaggi di servizio per i piloti, etc.). I ricevitori automatici possono essere settati in modo da selezionare o escludere la stazione trasmittente ed i tipi di messaggio di interesse.
INMARSAT
Le comunicazioni marittime via satellite nascono nel 1976. Dal 1979 la rete INMARSAT, un consorzio internazionale con sede a Londra, fornisce i servizi di radiocomunicazione marittima via satellite su scala mondiale. Il consorzio `e composto attualmente da 79 Paesi, che ne finanziano l’attivit`a in misura proporzionale all’utilizzo dei servizi. Inizialmente INMARSAT (International Maritime Satellite Organization) era riservato alle sole navi, ma venne in seguito esteso anche agli aeromobili. Con la creazione di terminali sempre meno ingombranti
Figura 1.5: Esempio di satellite INMARSAT
Figura 1.6: Copertura del sistema INMARSAT
e costosi, `e stato possibile impiegarlo nelle comunicazioni mobili terrestri. L’infrastruttura del sistema INMARSAT `e costituita da:
Ship Satellite
Ship Earth Stations(SES) e Mobile Earth Stations(MES) Land Earth Stations(LES)
Network Coordination Station(NCS)
INMARSAT impiega quattro satelliti, ognuno dei quali copre una regione definita (figura1.6): Atlantico Ovest, Atlantico Est, Indiano e Pacifico. Restano escluse le regioni polari oltre i 70° N/S di latitudine.
L’Italia rientra nella Regione Atlantica e dispone di terminali remoti presso la stazione di Fucino, i terminali remoti, ad attivazione automatica, sono allocati nella Centrale Operativa IMRCC. La Centrale Operativa `e inoltre collegata punto-punto sulla rete telefonica e telex
con la stazione costiera di Roma-Radio, per l’inoltro immediato delle segnalazioni di soccorso ricevute via satellite.
Le comunicazioni via satellite avvengono a frequenza molto elevata (1,5-1,6 GHz) con an-tenne altamente direttive che consentono l’impiego di basse potenze. A queste frequenze la propagazione non risente dei fenomeni atmosferici e le comunicazioni sono estremamente affidabili e riservate. L’utente (SES o MES) digita il numero di una delle molte stazioni costiere terrene disponibili e ricevuto il tono di linea libera, compone il numero dell’utente terrestre o marittimo che desidera contattare.
I quattro sistemi INMARSAT oggi esistenti si differenziano nei servizi offerti e nella tipologia dei terminali:
1. INMARSAT-A: `e il sistema con cui INMARSAT inizi`o ad operare e che conta pi`u di 20.000 utenti, in maggioranza navi. Mette a disposizione funzioni bidirezionali di telefonia, fax, telex, posta elettronica e comunicazione dati da e per ogni parte del mondo. Questo sistema analogico con una banda 50 khz, richiede un alto livello di segnale e le dimensioni dell’antenna non possono scendere sotto un preciso limite. L’EGC (Enhanced Group Call ) permette di contattare le navi in una zona geografica delimitata. Il servizio FLEETNET permette l’invio di messaggi riservati alle navi di una stessa flotta. Questi terminali verranno gradualmente sostituiti dall’INMARSAT B.
2. INMARSAT-B: sistema totalmente digitale e conforme al GMDSS, operativo dal 1994. INMARSAT-B sta soppiantando il pi`u vecchio standard A, grazie ad un uso pi`u razionale dei canali che consente un notevole risparmio nei costi di esercizio. Oltre alla comunicazione telefonica e telex, esso offre una vasta gamma di servizi, tra cui la trasmissione fax a 9,6 kb/s e dati fino a 64 kb/s. La trasmissione avviene in banda stretta (20kHz), consentendo l’utilizzo di una maggior numero di canali e una riduzione delle tariffe. E’ ideale per gli utenti che trasmettono grandi quantit`a di dati: piattaforme petrolifere, ricerca oceanografica, sismica etc.
3. INMARSAT-C: utilizzando terminali semplici e poco costosi, mette a disposizione un servizio di comunicazione dati o telex digitale, conforme al GMDSS utilizzando il metodo store and forward: il messaggio viene trasmesso alla stazione costiera terrestre, poi il collegamento viene chiuso per mantenere al minimo i costi per il mittente. La stazione costiera trasmetter`a entro pochi minuti il testo al destinatario. Se l’inoltro non `
e possibile, di ci`o avvisa il mittente e, se richiesto, richiama il mittente per confermargli l’avvenuto recapito. I servizi disponibili sono:
- trasmissione bidirezionale di messaggi mediante pacchetti dati; - reporti dei dati con interrogazione del terminale di bordo; - richiesta di posizione;
- avvisi di emergenza.
Il sistema `e essenzialmente composto da un antenna molto piccola, un terminale elet-tronico e un PC compatibile. Non `e possibile la trasmissione fax sul segmento spaziale, ma l’utente di bordo pu`o richiedere che il messaggio venga inoltrato via fax dalla stazione costiera all’utente terrestre.
4. INMARSAT-M: fornisce comunicazioni telefoniche, fax, dati in forma digitale per mezzo di terminali piccoli e poco costosi. Il segnale analogico viene scomposto in bit e trasmesso in banda stretta alla velocit`a di 2400 bps: ci`o permette di ridurre le dimensioni dell’antenna e di aumentare il numero dei canali disponibili, abbassando i costi di esercizio e le tariffe.
COSPAS-SARSAT
Si tratta di un sistema satellitare, nato da un accordo tra gli Stati Uniti d’America, l’ex Unione Sovietica, il Canada e la Francia, per la rilevazione e localizzazione dei messaggi di emergenza emessi da radio boe installate a bordo di vettori terrestri, navali o aerei in situazioni di pericolo. COSPAS `e l’acronimo di Cosmicheskaya Sistyema Avariynich Sudov (sistema spaziale per il soccorso di navi in pericolo) mentre SARSAT `e l’acronimo di Search and Rescue Satellite-Aided Tracking (localizzazione per la ricerca ed il soccorso con l’ausilio di satelliti).
L’organizzazione COSPAS-SARSAT nazionale fa capo alla Centrale Operativa del Comando Generale delle Capitanerie di Porto. Essa, nella sua duplice funzione di MRCC (Maritime Rescue Coordination Center) e di SPOC (Search and Rescue Point of Contact) ha la respon-sabilit`a di allertare le organizzazioni di soccorso terrestre o aeronautico, qualora i segnali di emergenza emessi dalle radioboe provengano dall’entroterra, o di intervenire direttamente nei casi di emissioni provenienti da zone marittime, inoltrando eventualmente le chiamate di soccorso anche agli MRCC stranieri qualora sia necessario.
Le radioboe sono attualmente di tre tipi, differenziate a seconda del vettore: EPIRB utilizzate a bordo di unit`a navali;
Figura 1.7: Esempi di radioboe
PLB (Personal Locator Beacon) usate sui vettori terrestri.
L’attivazione dei trasmettitori pu`o essere manuale o automatica (per esempio in caso di impatto al suolo o di contatto con l’acqua). Le frequenze in uso sono 121,5 MHz, riservata al soccorso aeronautico ma assegnata anche alle radioboe, e 406,025 MHz, riservata esclusi-vamente ai trasmettitori di emergenza satellitari. Esistono anche delle ELT operanti sulla frequenza 243 MHz, questi sono per`o rilevabili solo dalla costellazione dei satelliti SARSAT. In particolare la sigla EPIRB sta per Emergency Position Indicating Radio Beacon (radio boa di emergenza con indicazione della posizione) ed individua un apparato radio trasmittente che trasmette un segnale di allarme ad un sistema di satelliti. La radioboa da installare sulle unit`a da pesca abilitate alla navigazione oltre 6 miglia dalla costa opera a 406,025 MHz, e il segnale viene ricevuto da una rete di sette satelliti (denominata COSPAS-SARSAT) in orbita polare ad una altezza di 800-1000 km. Confrontando il segnale ricevuto dai vari satelliti, il sistema `
e in grado di fornire alla stazione a terra le coordinate del punto da cui parte l’allarme. Nel segnale trasmesso dall’EPIRB deve essere inserito il codice MMSI della nave, che deve essere necessariamente programmato all’interno della radioboa da un laboratorio tecnico autorizzato dal costruttore/importatore.
Il Centro COSPAS-SARSAT di Bari Palese detiene un registro di tutte le radioboe attivate e quando riceve un segnale di allarme utilizza i dati in suo possesso per verificare l’attendibilit`a della segnalazione e attivare conseguentemente le procedure di soccorso. La radioboa `e costituita da un contenitore stagno galleggiante che contiene il trasmettitore e la batteria al litio di alimentazione, che garantisce una autonomia di trasmissione di 48 ore, nella figura 1.7 sono mostrate alcuni tipi di radioboe.
La trasmissione pu`o essere attivata manualmente o in modo automatico a contatto con la superficie del mare. Una volta sganciata dal supporto, la boa torna in superficie e comincia
la trasmissione del segnale di allarme.
Per quanto riguarda l’attivazione manuale, la radioboa `e dotata di un interruttore, gen-eralmente protetto da un sigillo; rompendolo e spostandolo viene attivata la trasmissione dell’allarme.
Il segnale trasmesso dai satelliti viene ricevuto da stazioni terrestri denominate LUT (Termi-nali di Uso Locale) che elaborato il segnale, ne ricavano i dati di localizzazione (coordinate geografiche) che vengono trasmessi agli MCC (Centro Controllo Missioni) associati che a loro volta, a seconda dell’ubicazione geografica, li inoltrano ad altri MCC o agli SPOC (Punti di Contatto per la Ricerca ed il Soccorso) interni alle proprie aree di servizio o agli RCC (Centro Coordinamento di Soccorso) per la successiva distribuzione alle organizzazioni SAR, figura 1.8.
La decisione di utilizzare dei satelliti in orbita polare bassa deriva da due considerazioni: la
Figura 1.8: Funzionamento del sistema COSPAS-SARSAT
relativa altezza dei satelliti richiede una limitata potenza in trasmissione del segnale emesso dalla radioboa, e inoltre l’orbita polare consente la copertura dell’intero pianeta. Un singolo satellite, orbitante attorno alla terra e passante per i poli, fine vede l’intera superficie terrestre. Dato che il percorso del satellite rimane fisso, mentre la terra ruota al di sotto di esso, `e sufficiente soltanto met`a rotazione della Terra (cio`e 12 ore) affinch´e qualsiasi punto passi sotto il percorso del satellite. Con un secondo satellite, avente un piano ortogonale rispetto al
primo, `e richiesto soltanto un quarto di rotazione terrestre ovvero 6 ore al massimo. Infatti il COSPAS-SARSAT `e stato progettato per avere una costellazione minima di quattro satelliti, il che comporta un tempo di attesa, a latitudini medie, di meno di 1 ora. Aumentando il numero dei satelliti orbitanti su idonei piani d’orbita, si riduce ulteriormente il tempo di attesa.
L’attuale configurazione del sistema comprende sette satelliti. La Russia fornisce satelliti COSPAS collocati in orbita quasi polare a circa 1000 km di altezza ed equipaggiati con strumentazioni SAR a 121.5 ed a 406 MHz. Gli Usa forniscono satelliti SARSAT ubicati in orbite quasi polari in sincronismo solare a circa 850 km di altezza, ed equipaggiati con strumentazione SAR a 121.5, ed a 406 MHz rispettivamente forniti dal Canada e dalla Francia. Ogni satellite compie un orbita completa della terra intorno ai poli in circa 100 minuti, viaggiando ad una velocit`a di circa 7 km al secondo. Il satellite vede una fascia di terra di ampiezza superiore a 4000 Km mentre ruota intorno al globo terrestre, fornendo un istantaneo campo di vista delle dimensioni di circa un continente. Visto dalla terra, il satellite attraversa il cielo in circa 10-15 minuti, a seconda del massimo angolo di elevazione del satellite nel particolare passaggio.
In Italia esite un’unica LUT, ubicata a Bari, gestita da personale delle Capitanerie di Porto; essa opera su un’area di servizio che comprende, oltre all’area italiana, anche l’Europa Centro Orientale, il Mediterraneo, parte dell’Asia Medio Orientale e parte dell’Africa Centro Orientale, dalla latitudine 60° Nord alla latitudine 20° Nord.
Search and Rescue Transponder(SART)
Il SART `e un transponder radar portatile usato per individuare possibili sopravvissuti a disastri navali, esso infatti `e adibito all’invio di richieste di aiuto. Questi dispositivi operano nel range frequenziale tipico dei radar a bordo di quasi tutte le navi, la figura 1.9 mostra un dispositivo SART.
Una volta attivato, il SART genera un segnale che lo schermo di un radar visualizza come un vettore di 12 punti consecutivi (figura 1.10), in questo modo l’operatore `e in grado di riconoscere la richiesta di aiuto. La sua dimensione limitata `e conseguenza del fatto che in caso di abbandono della nave il dispositivo deve essere portato a bordo del mezzo di salvataggio.
Figura 1.9: Esempio di dispositivo SART
1.3.1 DSC
Il DSC (Digital Selective Calling) `e un sistema semiautomatico di trasmissione digitale, utilizzato per compiere chiamate radio a frequenze VHF, HF ed MF. Permette di inviare e ricevere chiamate da qualsiasi nave o stazione costiera dotata dell’equipaggiamento nec-essario. Le chiamate possono essere classificate come soccorso(distress), urgenza (urgency), sicurezza(safety) o routine.
I messaggi ’Distress’ sono trasmessi in automatico a tutte le stazioni nelle bande marittime. In particolare nella banda MF alla frequenza di 2187.5 KHz, in HF alle frequenze 4207.5, 6312, 12577 e 16804.5 KHz, mentre nella banda VHF si ha il canale 70 centrato sulla frequenza di 156.525 MHz. Quest’ultimo merita una trattazione pi`u approfondita che sar`a fatta nel prossimo paragrafo.
1.4
Digital Selective Calling nel VHF
L’introduzione del GMDSS ha apportato numerose innovazioni nelle procedure di comuni-cazione via radio fra nave-nave e nave-stazione costiera.
Queste innovazioni hanno comportato modifiche sia alle caratteristiche operative degli appa-rati VHF e SSB rispetto a quelli precedentemente in uso, che alle procedure di soccorso e sicurezza in mare. Come abbiamo gi`a detto una di queste `e conosciuta come DSC . L’utilizzo di questa tecnologia `e obbligatoria gi`a da diversi anni per grandi navi (pi`u di 300 tonnellate) ma ci si aspetta che in futuro il suo uso verr`a esteso gradualmente anche alle imbarcazioni pi`u piccole, eventualmente sostituendosi ai radiotelefoni per le chiamate di soccorso sulle bande
Figura 1.10: Segnale di un SART sullo schermo radar
marine MF, HF e VHF.
Un DSC alert `e un burst di breve durata, tipicamente 7 secondi se trasmesso nella banda MF e HF e 500 millisecondi se trasmesso nella banda VHF, inviato da una stazione per allertare una o pi`u stazioni a terra.
Le informazioni contenute nel pacchetto DSC comprendono:
il numero identificativo MMSI del mittente (Maritime Mobile Service Identity) il numero MMSI del destinatario (o pi`u di uno nel caso di chiamate collettive) la propria posizione geografica
la richiesta di una frequenza e modo d’emissione per continuare la comunicazione. Il DSC serve per stabilire un primo contatto iniziale scegliendo successivamente la frequenza e la tipologia del messaggio (fonia, fax) per trasmettere.
La tipologia della chiamata (Distress, Safety, Routine, Urgency), nel caso specificando anche il tipo di emergenza. Queste sono trasmesse utilizzando una Forward Error Correction (FEC), verificando inoltre l’integrit`a di ogni pacchetto tramite un check sum dei dati ricevuti. Il modo d’emissione `e l’F1B (o J2B) a 100 Baud in banda MF/HF e 1200 Baud in VHF.
Pi`u in dettaglio il numero identificativo MMSI `e rappresentato da un codice di nove numeri assegnato univocamente a ogni stazione (nave o stazione costiera).
I messaggi DSC, possono essere indirizzati a tutte le stazioni o, contrariamente alle tradizion-ali chiamate in fonia, solo ad alcune stazioni utilizzando il loro proprio codice di chiamata selettiva. In questo modo `e possibile indirizzare i propri messaggi ad una specifica nave o una stazione costiera. Allo stesso modo `e possibile scegliere una specifica area geografica o trasmettere il messaggio ad un intero gruppo come ad esempio quello che identifica la Guardia Costiera.
Il ricevitore DSC seleziona automaticamente le varie chiamate trasmesse on-air esaminando l’MMSI, l’area geografica e la tipologia di chiamata ed allertando l’operatore radio o il personale incaricato solamente se la chiamata `e diretta alla propria unit`a. Si elimina quindi la necessit`a di monitorare costantemente gli apparati radio o, in caso di piccole imbarcazioni, di avere personale specializzato a bordo.
La codifica utilizzata dalla stazione chiamante per il DSC alert `e nota solo alla stazione o alle stazioni chiamate che in questo modo riescono a decodificare l’informazione. Quindi il DSC alert viene ricevuto da tutte le stazioni che sono all’interno della portata radio della stazione che lo ha inviato, ma solo quelle selezionate dal chiamante sapranno come decodificare il messaggio, tale messaggio sar`a segnalato con un allarme sonoro o visivo per avvisare l’operatore e visualizzato sottoforma di caratteri alfanumerici sul pannello frontale dello strumento. La priorit`a di un DSC alert, contenuta nell’intestazione, viene inserita manualmente dall’operatore utilizzando i controlli sul pannello frontale dell’apparato. Se si tratta di una segnalazione di pericolo il messaggio sar`a decodificato da tutte le stazioni che lo riceveranno.
Il grande vantaggio del DSC `e l’automazione della trasmissione e ricezione di un messaggio. Un pulsante dedicato, premuto da un operatore pu`o dare inizio ad una procedura di richiesta di soccorso. In questo modo viene eliminata la fase manuale di avvio e mantenimento di una comunicazione vocale su canale dedicato, da parte della nave in pericolo, con una stazione costiera o con un’altra nave.
1.4.1 Normative Internazionali
Nell’allegato N. 53 della G.U.N. 62 del 14 Marzo 1992 il Ministero degli Affari Esteri ha pubblicato la “Entrata in vigore degli emendamenti alla convenzione internazionale per la salvaguardia della vita in mare, Solas 74/83”, concernenti in particolare, ma non solo, le radiocomunicazioni per l’applicazione del “Global Maritime Distress and Safety System”. Tali emendamenti sono stati adottati con Risoluzione n. 1 dell’8 novembre 1988 dalla Conferenza IMO degli stati contraenti la convenzione Solas 74/83, di cui l’Italia fa parte. Tali emen-damenti inoltre sono entrati in vigore il 1° febbraio 1992. Le normative, la cui applicazione
`
e prevista obbligatoriamente per ogni imbarcazione varata dopo la data 1 Febbraio 1999, richiedono, tra le altre cose:
1. che ogni nave disponga di un impianto capace di trasmettere e ricevere tramite DSC sul canale 70(156.525 MHz);
2. che ogni nave disponga di un impianto capace di trasmettere e ricevere sui canali 6, 13 e 16 (rispettivamente corrispondenti a 156.300 MHz, 156.650 MHz, 156.800 MHz); 3. che l’impianto installato per la comunicazione tramite DSC rispetti le specifiche tecniche
descritte dalle raccomandazioni ITU-R M.493 e M.541, in particolare per quel che riguarda le classi caratterizzanti il tipo di dispositivo.
1.4.2 Tipologie di DSC Alert
Il sistema internazionale DSC stabilisce i seguenti tipi di messaggi:
DISTRESS : questa tipologia di chiamata `e indirizzata a tutte le stazioni. Il mes-saggio contiene l’MMSI della nave, l’informazione sulla posizione, la sua validit`a e un indicazione sulla natura del pericolo.
URGENCY : questa tipologia di chiamata pu`o essere indirizzata a tutte le stazioni o ad una in particolare. Il messaggio indica che la stazione che lo invia ha un messaggio urgente da trasmettere riguardante la sicurezza della nave.
SAFETY :questa tipologia di chiamata `e indirizzata a tutte le stazioni. Il messaggio indica che la stazione che lo invia ha un messaggio da trasmettere riguardante un avviso importante per la navigazione o un allerta meteorologico.
ROUTINE : questa tipologia di chiamata `e quella con il pi`u basso grado di priorit`a. Viene impiegata per comunicazioni nave – nave o nave – stazione costiera concordando un canale di lavoro dove far proseguire la chiamata.
DISTRESS ALERT ACKNOWLEDGMENT :normalmente viene inviato sola-mente dalle stazioni costiere in risposta ad un distress alert. Pu`o essere usato anche dalle stazioni navali in alcune circostanze particolari.
Dobbiamo notare che nell’opzione “tutte le stazioni” sono incluse le stazioni navali, quelle marittime e quelle costiere, mentre l’opzione “selettiva” `e usata per indirizzare la chiamata ad una particolare stazione marittima, ad una stazione costiera o ad una nave.
Tabella 1.1: Qualifiche necessarie agli operatori radio
Equipaggiamento imbarcazione Qualifica minima dell’operatore (almeno una)
Restricted Radiotelephone Operators Certificate
Radiotelefono VHF (con o senza DSC)
3rd Class Commercial Operators Certifi-cate
Marine Radio Operators Certificate Marine Radio Operators VHF Certifi-cate
Restricted Radiotelephone Operators Certificate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement Radiotelefono VHF (con o senza DSC) +
Radiotelefono HF/MF (con o senza DSC) + INMARSAT B/C
3rd Class Commercial Operators Certifi-cate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
Marine Radio Operators Certificate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
Restricted Radiotelephone Operators Certificate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
Solo equipaggiamento INMARSAT
3rd Class Commercial Operators Certifi-cate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
Marine Radio Operators Certificate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
Marine Radio Operators VHF Certifi-cate of Proficiency with Marine Satellite Communications Endorsement
1.5
Specifiche di segnale
Le specifiche tecniche delle normative internazionali assegnano alle trasmissioni radio marit-time in VHF le frequenze comprese tra 156.000 e 162.500 MHz. Questa banda `e stata suddivisa in canali di ampiezza pari a 25 KHz (in un primo momento la larghezza di banda era pari a 50 KHz), ognuno dei quali `e identificato da un numero (da 1 a 28 e da 60 a 88). Fermo restando che alcuni di questi canali sono universalmente riservati a funzioni ben specifiche (il 16 alla chiamata ed al soccorso internazionali, il 70 al DSC), l’utilizzo dei restanti canali `e lasciato all’arbitrio delle singole Amministrazioni nazionali (ad esempio si possono riscontrare delle differenze tra assegnamenti statunitensi, canadesi ed italiani). Oltre alla canalizzazione a 25 KHz, in alcune specifiche [10] si fa riferimento alla possibilit`a di implementare anche spaziature minori (12.5 KHz), purch´e gli apparati che le supportano siano compatibili con la spaziatura a 25 KHz.
Le caratteristiche del segnale trasmesso sono:
classi di emissione G3E o F3E per i canali voce; classi di emissione G2B o F1B per i canali DSC; segnale irradiato in polarizzazione verticale;
utilizzo, in trasmissione, di un filtro di preenfasi con pendenza 6 dB/ottava (corrispon-dente a 20 dB/decade) tra 300 Hz e 3 KHz;
utilizzo in ricezione di un filtro di deenfasi con pendenza (negativa) di 6 dB/ottava a partire da 300 Hz;
massima deviazione di frequenza consentita (∆f) pari a 5 KHz; banda del segnale audio modulante (BA) limitata a 3 KHz;
banda necessaria nominale autorizzata per un canale voce: 16 KHz; banda necessaria nominale autorizzata per un canale dati: 20 KHz.
Da questi primi requisiti possiamo gi`a ricavare il valore dell’indice di modulazione β del sistema, pari a:
β@Bδ
A = 5
3 ∼= 1.67
BRF ∼= Bc@2(β + 1)BA= 16KHZ
che `e compatibile con quanto richiesto dalle normative. Ulteriori specifiche ([10], [11]) riguardano gli scostamenti ammessi rispetto ai valori nominali delle derive di frequenza degli oscillatori ed alle maschere di emissione. Eccone un breve elenco:
la potenza trasmessa misurata non pu`o discostarsi di pi`u di 1 dB da quella dichiarata dal costruttore;
la frequenza della portante a radiofrequenza deve rispettare, in termini di scostamento dal valore nominale, i limiti mostrati in tabella 1.2, e comunque la differenza tra frequenza misurata e frequenza nominale non pu`o superare, in modulo, 1.5 KHz; le emissioni indesiderate (comprendenti emissioni fuori banda, spurie, armoniche)devono
rispettare la seguente maschera:
- potenza dell’emissione misurata a frequenza (fmis) tali che BRF2 < |fmis− f0| ≤
BRF: almeno 25dB inferiore alla potenza utile;
- potenza dell’emissione misurata a frequenze tali che BRF < |fmis − f0| ≤
2.5· BRF : almeno 35dB inferiore alla potenza utile;
- potenza dell’emissione a frequenze che distano dalla portante per pi`u di 2.5· BRF : almeno 35dB inferiore alla potenza utile;
– alternativamente, si pu`o imporre che la potenza trasmessa su canale adia-cente sia inferiore di almeno 70dB rispetto alla potenza della portante.
tra i 3 ed i 20Khz, l’attenuazione, rispetto a quella che si ha a 1 KHz, deve valere almeno 60·Log10(fKHz/3)dB;
oltre i 20 KHz, l’attenuazione deve superare di almeno 50 dB l’attenuazione valutata a 1 KHz.
1.6
Modulazioni utilizzate
Quelle viste fin qui sono le caratteristiche tecniche e della trasmissione di messaggi DSC e della comunicazione in fonia. Abbiamo incontrato anche alcune sigle particolari per definire le varie classi di emissione. Di seguito verr`a spiegato il significato di tali sigle, e verr`a data una breve descrizione delle tecniche di modulzione del segnale utilizzato nel sistema VHF [2].
Tabella 1.2: Limitazioni alla differerenza tra la frequenza della portante misurata e quella nominale
Coast station
±10.0 ppm for transmitter power not exceeding 3 watts ±5.0 ppm for transmitter power between 3 and 100 watts ±2.5 ppm for transmitter power exceeding 100 watts
Ships stations ±10 ppm
Radiolocation transmitters (EPIRBs) ±15 ppm
1.6.1 Classi di emissioni
La classe d’emissione `e l’insieme delle caratteristiche di una emissione (tipo di modulazione della portante principale, natura del segnale modulante, genere di informazione da trasmettere etc.). Ogni classe `e designata da tre simboli fondamentali:
N emissione di un’onda non modulata A doppia banda laterale (DSB)
H banda laterale unica con portante completa (SSB)
R banda laterale unica con portante ridotta o di livello variabile
J banda laterale unica con portante soppressa B bande laterali indipendenti
C banda laterale residua
F modulazione di frequenza (FM) G modulazione di fase (PM)
D emissione la cui portante principale `e modulata in ampiezza e in modulazione angolare, sia simultaneamente, sia con una sequenza prestabilita
P treno d’impulsi non modulato
K treno d’impulsi modulato in ampiezza
L treno d’impulsi modulato in larghezza/durata M treno d’impulsi modulato in posizione/fase
Q l’onda portante `e modulata in modulazione angolare durante il periodo dell’impulso
V combinazione di casi precedenti o prodotto con altri mezzi W casi non previsti in precedenza, con combinazione di
modulazioni in ampiezza, in modulazione angolare o ad impulsi
X altri casi
2. un numero che indica la natura del segnale modulante: 0 assenza di segnale modulante
1 un solo canale contenente l’informazione quantificata o numerica, senza l’impiego di una sotto portante modulante
2 un solo canale contenente l’informazione quantificata o numerica, con l’impiego di una sotto portante modulante
3 un solo canale contenente l’informazione analogica
7 due o pi`u canali contenenti l’informazione quantificata o numerica 8 due o pi`u canali contenenti l’informazione analogica
9 sistema composito con uno o pi`u canali contenenti l’infor-mazione quantificata o numerica e uno o pi`u canali contenenti l’informazione analogica
X altri casi
3. un carattere alfabetico che indica il tipo d’informazione da trasmettere N nessuna informazione
A telegrafia per ricezione auditiva B telegrafia per ricezione automatica C fac-simile
D trasmissione dati, telemisura, telecomando E telefonia (ivi compresa la radiodiffusione sonora) F televisione (video)
W combinazione di casi precedenti X altri casi
4. Precedentemente abbiamo incontrato:
G3E: fonia in modulazione di fase F3E: fonia in modulazione di frquenza
J2B: telegrafia per ricezione automatica in banda laterale unca con portante soppressa (DSC, solo nelle bande MF e HF)
G2B: telegrafia per ricezione automatica in modulazione di fase; impiego di una sottoportante modulante
F1B: telegrafia in modulazione di frequenza con ricezione automatica, senza sottoportante modulante
1.6.2 La modulazione FM
La modulazione usata per trasmettere i segnali in fonia, nonch´e i segnali numerici codificati per il DSC, `e la modulazione FM (Frequency Modulation).
Un segnale FM `e un segnale modulato d’angolo, ed assume la forma:
x(t) = A0cos[2πf0t + ϑ(t)] (1.1)
essendo ladeviazione di fase (istantanea)ϑ(t) : ϑ(t) = 2πkF
Z t
−∞
Figura 1.11: esempio di modulazione FM
con a(τ ) il segnale modulante e kF la costante di modulzione di frequenza.
Detto in termini semplicistici, un segnale modulato FM `e una sinusoide, la cui frequenza istan-tanea `e proporzionale, a meno di una costante data dalla portante di lavoro f0, all’ampiezza
del segnale modulante: l’informazione che si vuole trasmettere `e “nascosta” nell’andamento della frequenza della sinusoide che si trasmette(figura 1.11).
Gli utilizzi di questo tipo di modulazione sono innumerevoli (basti pensare alle radio commer-ciali), e praticamente sterminata `e la bibliografia al riguardo. Non ritenendo che sia questo il luogo appropriato per una analisi approfondita delle peculiarit`a di una modulazione FM, si rimanda chi `e interessato ai testi citati in bibliografia, procedendo nel contempo ad un rapido elenco delle quantit`a caratteristiche della modulazione FM viste finora.
Un parametro importante per definire le caratteristiche di una modulazione di frequenza `e la massima deviazione di frequenza (∆f ), definita come:
∆f @max{|fd(t)|} = max{|
1 2π·
∂ϑ(t)
∂t } (1.3)
Attraverso passaggi matematici, si ricava che la massima deviazione di frequenza `e diretta-mente proporzionale al valore di picco assunto dal segnale modulante:
∆f = kF· aM (1.4)
Un ultimo parametro da valutare `e l’indice di modulazione, definito come:
β@∆f BA
= kF· aM BA
(1.5) A differenza delle modulazioni di ampiezza (lineari), in cui una variazione di ampiezza del seg-nale modulante si traduce in una semplice variazione proporzioseg-nale dello spettro di ampiezza, senza incidere sulla banda, nelle modulazioni d’angolo una variazione di ampiezza produce un cambiamento della banda occupata: ci`o `e dovuto alla non linearit`a della modulazione. In generale il calcolo della banda occupata da un segnale FM `e molto complicato, anche nel caso pi`u semplice di segnale modulante sinusoidale o comunque periodico. La formula per calcolare la banda `e nota come formula di Carson:
BC = 2· ∆f + 2· BA (1.6)
ovvero, eseguendo gli opportuni passaggi matematici:
BC = 2· (β + 1)· BA (1.7)
essendo BA la banda del segnale modulante.
D’ora in poi, quando si far`a riferimento alla banda occupata a radiofrequenza da un segnale modulato FM, ci si riferir`a quindi alla Banda di Carson (BC), che generalmente indica l’intervallo di frequenze i cui `e concentrata la maggior parte della potenza di segnale (98-99%).
Esistono diversi modi per demodulare un segnale FM, ovverosia per misurare la frequenza istantanea del segnale ricevuto; i pi`u semplici (e pi`u diffusi) consistono per esempio nel conteggio degli attraversamenti per lo zero del segnale, oppure nel derivare il segnale e porre in cascata un rivelatore di inviluppo, nell’utilizzo di un anello ad aggancio di fase (PLL, Phase Locked Loop). In caso di utilizzo di un derivatore, si rende necessario l’utilizzo di un sistema di deenfasi (attenuazione delle componenti del segnale a frequenze pi`u elevate), cui deve essere associato un filtro di preenfasi in trasmissione, allo scopo di migliorare il rapporto segnale-rumore.
1.6.3 La modulazione FSK
La modulazione FSK (Frequency Shift Keying) `e una modulazione d’angolo numerica utiliz-zata nella trasmissione dei burst DSC. Essa genera dei segnali in banda audio detti toni. Che
Figura 1.12: esempio di modazione FSK, caso con 2 segnali modulanti
vengono poi inviati a radiofrequenza utilizzando un’ulteriore modulazione (in questo caso analogica), che pu`o essere la SSB (solo per le frequenze MF/HF, ormai in disuso) oppure la FM (prevista per entrambi i range di utilizzo del sistema DSC, MF/HF e VHF).
La modulazione FSK consiste nell’associare a diversi simboli logici frequenze (toni) differenti (nel caso di trasmissioni binarie, cui faremo da ora in poi riferimento, si hanno due sole frequenze trasmesse): si ha cos`ı una sorta di sinusoide la cui frequenza istantanea varia in maniera discreta.
Il metodo pi`u semplice per generare un segnale FSK `e quello di far commutare l’uscita del trasmettitore tra due oscillatori indipendenti con frequenze diverse. In questo modo il segnale di uscita presenta delle discontinuit`a aleatorie agli istanti di commutazione (FSK a fase discontinua), assumendo la forma:
sF SK = A cos[2πfCt + ϑ(t)] =
A cos(2πf1t + θ1) → simbolo trasmesso = b1
A cos(2πf2t + θ2) → simbolo trasmesso = b2
(1.8)
Questo tipo di segnalazione `e ormai obsoleto, in quanto la presenza di discontinuit`a peggiora l’efficienza spettrale. Attualmente il tipo di modulazione pi`u in uso prende il nome di CP-FSK (Continuous Phase FSK), ottenuta inviando ad un modulatore di frequenza direttamente i simboli di sorgente opportunamente sagomati (ad esempio un treno di impulsi rettangolari di durata T e di ampiezza± 1). Chiamando m(t) il segnale costituito dai simboli di sorgente, si ottiene cos`ı all’uscita del trasmettitore un’espressione di questo tipo:
sF SK = A cos(2πfCt + 2πkF
Z t
−∞
m(τ )dτ ) (1.9)
che non si discosta molto dall’espressioni (1.1) e (1.2) viste nel paragrafo precedente. Un esempio di modulazione FSK `e mostrato in figura 1.12
realizzazione del miglior compromesso possibile tra quattro esigenze differenti:
- limitare l’occupazione di banda (ovvero avvicinare i toni);
- separare le frequenze per evitare interferenza intersimbolica (ovvero allontanare i toni); - mantenere il periodo relativo delle due sinusoidi minore o uguale al tempo di bit T; - mantenere la continuit`a di fase per limitare l’occupazione spettrale.
Un parametro importante da considerare `e la distanza quadratica tra due distinti segnali di una FSK binaria. La distanza `e data dalla seguente formula:
d1,2,
Z T 0
| ˜s1(t) − ˜s2(t)|2dt = 2· T · (1 − <[ρ1,2]) (1.10)
dove ρ1,2`e il coefficiente di correlazione tra il segnale trasmesso in caso di simbolo b1 e quello
trasmesso in caso di simbolo b2:
ρ1,2 = ej(θ1−θ2)· ej2πfdT· sinc(2fdT ) (1.11)
dove θ1− θ2=differenza di fase iniziale dei due segnali (0 nel caso di CP-FSK);
fd= deviazione di frequenza (f2−f2 1) = ∆f2 ;
T=tempo di simbolo.
Rendendo nullo tale coefficiente ( o meglio, annullando la sua parte reale), il sistema FSK `e detto ortogonale; in caso di CP-FSK, `e sufficiente (essendo il primo esponenziale gi`a pari a 1 per definizione di CP) rendere immaginario puro il secondo esponenziale, imponendo:
2πfdT =
π
2 + nπ (1.12)
Considerando anche i valori di fd che annullano il termine sinc(·), si ottiene la seguente
condizione di ortogonalit`a per la modulazione CP-FSK:
fd= 1 4T, 1 2T, · · · , n 4T (1.13)
In realt`a in molte applicazioni pratiche non si cerca di ottenere l’ortogonalit`a, ma si dimen-sionano appositamente i parametri di modulazione per ottenere un coefficiente di correlazione
non nullo. Dopo alcuni semplici passaggi matematici, per la cui consultazione si rinvia ad altri testi, si ottiene il valore di fdche minimizza la correlazione tra i due toni di segnalazione,
e cio`e:
fd=
0.7151
2· T , (1.14)
Il calcolo dello spettro occupato, come nel caso della modulazione FM, non risulta facile. Ci si pone nel caso pi`u semplice dove avviene la trasmissione di una sequenza periodica di bit 0-1 alternati; in questo caso la densit`a spettrale di potenza assume la seguente espressione:
S(f ) = 1 2[G(f − fc) + G ∗ (−f − fc)], (1.15) con: G(f ) = +∞ X n=−∞ cnδ f − n T b , (1.16) cn= 1 2 sinc 2fdTb− n 2 + (−1)nsinc 2fdTb+ n 2 (1.17)
In termini di occupazione di banda si pu`o far sempre riferimento alla regola di Carson (1.6)-(1.7).
Il ricevitore per segnali FSK pu`o essere implementato in diversi modi. In questa sede si dir`a solo che tra le pi`u significative vi sono: la ricezione coerente, che altro non `e che un demodulatore a correlazione (ricevitore ottimo in caso di CP-FSK ortogonale) e la ricezione non coerente, ottima solo in caso di FSK discontinua, ma di pi`u semplice ed immediata implementazione al prezzo di un marginale peggioramento della probabilit`a di errore.
1.6.4 Canalizzazione
Come gi`a detto all’interno della banda VHF (30÷300 MHz), `e stata assegnata al servizio mobile marittimo una gamma che va da 156.025 MHz a 162.025 MHz.
In un primo tempo la tecnologia in uso ha permesso di ricavare da questa banda solo 28 canali distanziati tra loro di 50 kHz, questi canali sono tuttora numerati da 1 a 28.
Successivamente `e stato possibile ridurre la larghezza di banda necessaria per ciascun canale da 50 kHz a 25 kHz e aggiungere altri 29 canali intercalandoli ai precedenti; questi nuovi canali sono numerati da 60 a 88.
si dovr`a scegliere il canale da utilizzare nella colonna relativa, “Tipo di Traffico”.
Per i canali simplex, le due frequenze sono uguali, cio`e l’apparato trasmette e riceve sulla stessa frequenza (quando si trasmette non si `e in grado di ricevere e viceversa).
Dove invece le due frequenze sono diverse, l’apparato trasmette su una frequenza e riceve su un’altra. Quest’ultimi sono i canali duplex, riservati alle comunicazioni con le stazioni di terra e alla corrispondenza pubblica tramite la stazione costiera, e non possono essere utilizzati per comunicare da nave a nave.
Sui canali duplex, utilizzando apparati di utilizzando apparati di caratteristiche adeguate (denominati full duplex ) `e possibile trasmettere e ricevere contemporaneamente, per cui la comunicazione con un numero telefonico a terra, attraverso la stazione costiera, avviene come su una normale linea telefonica di casa.
Particolare attenzione va posta nell’utilizzo del canale 16 destinato alla chiamata e al soccorso. Tutte le navi, durante la navigazione, devono mantenere un ascolto permanente su questo canale anche per mezzo del ‘dual watch’, una impostazione presente sugli apparati VHF che, se attivata, consente di tenere l’apparato in ascolto su un canale di lavoro ma sposta il ricevitore alternativamente dal canale di lavoro al canale 16, fermandosi su quest’ultimo quando `e presente una chiamata.
Quando si ha necessit`a di comunicare con un’altra nave, la chiamata va eseguita sul canale 16, concordando brevemente un canale di lavoro, su cui passare per lasciare libero il canale 16 per le eventuali altre chiamate o comunicazioni soccorso.
La potenza utilizzata deve essere la minima necessaria per la comunicazione, allo scopo di evitare disturbi ad altre comunicazioni in corso. Per questa ragione tutti gli apparati sono dotati di un comando di riduzione della potenza da 25 Watt a 1 Watt, che va usato in tutti i casi in cui la potenza ridotta `e sufficiente per comunicare.
Lo standard internazionale adottato per le comunicazioni radio in banda VHF di tipo maritti-mo, prevede una spaziatura di canale di 25 kHz e una modulazione G3E per le comunicazioni vocali (a volte `e utilizzata anche la F3E) e F1B (o J2B) per le comunicazioni DSC. Come requisito minimo, qualsiasi radiotelefono montato a bordo di una nave deve essere abilitato a trasmettere e ricevere con classe di emissione G3E (fonia in modulazione di fase):
sul canale 16 (156,8 MHz), dedicato al soccorso internazionale sul canale 6 (156,3 MHz),dedicato alla sicurezza tra navi
su tutte le frequenze necessarie per il loro servizio.
La modulazione utilizzata dai transceiver impiegati nella banda VHF di tipo marittimo deve avere le seguenti caratteristiche, in modo da poter funzionare in accordo con la spaziatura di canale di 25 kHz adottata a livello internazionale:
modulazione di frequenza con pre-enfasi di 6 dB/octave; la banda del segnale audio deve essere limitata a 3000 Hz; la banda nominale del canale utilizzato dalla voce `e di 16 kHz; la banda nominale del canale utilizzato per i dati `e di 20 kHz; Gli apparati radio sono classificati secondo la tabella 1.4
G indica che l’apparato `e conforme con lo standard IMO GMDSS;
D indica che l’apparato pu`o essere utilizzato solo in Canada da navi battenti bandiera Canadese;
S indica che l’apparato radio `e capace di segnalare sul canale 70 alert DSC di tipo distress;
V indica che l’apparato `e un semplice radiotelefono utilizzato da piccole imbarcazioni per cui non `e richiesto l’obbligo di una radio di tipo DSC.
Per le navi con oltre 300 tonne di stazza `e obbligatorio l’uso di una radio di tipo G per la navigazione in acque internazionali e di tipo D per le acque Canadesi.
Le impedenze di tutte le interfacce (ad esempio le porte audio, porte dati, terminali d’an-tenna ecc..) devono essere dichiarate nel manuale operativo dell’apparato.
Generalmente si preferisce usare impedenze di 600Ω per le frequenze audio e 50Ω per frequenze radio. A meno che non sia diversamente specificato, quelle mostrate nella tabella 1.3 sono tipiche potenze di uscita per un trasmettitore. Gli apparati DSC forniscono un mezzo automatico di trasmissione e ricezione di alert DSC di tipo distress utilizzando le bande tradizionali oppure un sistema satellitare INMARSAT. Tale dispositivo deve essere in grado di:
Tabella 1.3: trasmettitori e relative potenze
Stazione Potenza tipicamente emessa
Stazione costiera 100 W
Stazioni su nave
Minimo 6 W
Massimo 25 W (o 50 W se pu`o essere pilotata da una stazione costiera)
Trasmettitore portatile(Hand-held) 5 W
Radiotelefono a due vie pu`o avere una potenza minima di 0.25 w, non supera a bordo potenze di 1 W
trasmettere e ricevere sul canale 70 (156,525 MHz) con classe di emissione F1B (o J2B); rilevare la presenza di un segnale sul canale 70;
inibire automaticamente la trasmissione di una chiamata, ad eccezione di quelle di tipo distress e safety, quando il canale `e occupato;
essere conforme alle raccomandazioni ITU-R M 493-11 per quanto riguarda il trasmet-titore e il ricevitore;
avere una memoria appropriata in grado di contenere l’MMSI e progettata in modo che il suo contenuto possa essere modificato solo da personale qualificato per il servizio e la manutenzione degli apparati radio;
essere conforme con la IMO MSC/Circ.862 ed avere un pulsante dedicato e protetto per l’invio di alert DSC di tipo distress;
essere in grado di inviare alert DSC di tipo distress indicando in esso le coordinate aggiornate dell’imbarcazione, se connesso ad un ricevitore GPS attraverso un interfaccia IEC 61162
Vengono poi mostrate nelle tabelle 1.5 e 1.6 le caretteristi di un ricetrasmettitore DSC.
1.7
Esempio di un apparato VHF
In un apparato di tipo DSC, come quello mostrato in figura 1.13, la semplice pressione di un pulsante invia automaticamente un DSC alert a tutte le navi, barche e stazioni costiere
Tabella 1.4: Classificazione apparati radio
Equipment Designator
Type of Marine VHF Radio Equipment
Applicable Inernational or ETSI Standards
G
IMO A.803(19) and A.649(17) and IEC 61097-7 for Radiotelephone IEC 61097-3 for DSC
VHF radiotelephone IEC 61097-8 for Watch receivers capable of DSC and GMDSS Or
compliant(International SOLAS) EN 300 338 for DSC
EN 301 033 for Watch receivers EN 301 162 for Radiotelephone
D
VHF radiotelephone with
DSC and compatible with the GMDSS(allowed on domestic ships but does not meet SOLAS standards)
EN 301 025 Or IEC 62238
S VHF radiotelephone capable of distress alerting on VHF CH 70
IMO MSC/Circ.862,ITU-R 493-10 and IEC 6162
V VHF radiotelephone(voice only) IMO A.385(X) for Radiotelephone V VHF radiotelephone with multiple
watch
IMO A.385(X) for Radiotelephone IMO A.524(13) for multiple watch
n/a VHF radiotelephone(voice only) Fixed or portable VHF Radioelephone not complying with IMO requirements
G
VHF radiotelephone for survival craft (GMDSS type)
IMO A.809(19). A.694(17) and IEC 61097-12 tested per IEC 60945 or ETS 300 225
G Float-free VHF EPIRB with DSC capability
IMO A.805(19), A.694(17) and ITU-R M.493
A AIS VHF transponder Class A ITU 1371, IEC61993-2,ED.1
IMO Resolution MSC.74(69), Annex 3 B AIS VHF transponder Class B EC 62287 Ed.1 and ITU 1371
Tabella 1.5: Caratteristiche generali di un ricetrasmettitore
Tolleranza in frequenza 10 ppm
Banda 16 kHz(o meno)
Potenza in uscita 100mW min. Polarizzazione dell’antenna verticale
Tabella 1.6: Caratteristiche di un modulatore impiegato in ricetrasmissione
FM with pre-emphasis of 6 dB/octave Sub carrier of 1700 Hz with frequency shift
1300 and 2100 Hz between 1300 and 2100 Hz (i.e. keying frequencies)
Frequency tolerance of 1300 and 2100 Hz tone ± 10 Hz
Modulation rate 1200 bauds
Modulation index 2.0±10%
dotate di apparecchiature DSC, che sono all’interno della potata radio della nave in difficolt`a. Il DSC alert include automaticamente:
la propria identit`a (MMSI);
la posizione (se `e connessa ad un ricevitore GPS); la natura del pericolo.
La chiamata verr`a ripetuta fino a che non si riceve un messaggio di acknowledgment.
Il DSC `e particolarmente utile in quei casi in cui `e richiesto l’abbandono veloce della nave; basta premere il pulsante rosso per qualche secondo e andare via e la richiesta di aiuto verr`a inviata automaticamente a tutte le stazioni fino a che la nave non sar`a affondata.
Quando si richiede un numero identificativo per DSC all’autorit`a Search and Rescue vengono forniti i propri dati, la descrizione fisica della nave e i dati dei parenti pi`u stretti. Questi dettagli vengono inseriti in un database, cos`ı che se viene ricevuto un alert DSC i dati siano immediatamente disponibili al centro di coordinamento SAR. Tutto questo migliora significativamente la probabilit`a di soccorso.
Dal momento che tutto avviene automaticamente, in questo modo si eliminano gli errori dovuti alla trasmissione radio dei dati da parte di un operatore in una condizione particolare in cui `e facile sbagliare a causa del panico.
Figura 1.13: Tipica radio VHF
di un ascolto continuo del canale 16. Inoltre se qualcuno vuol parlare con un utente pu`o semplicemente digitare il relativo MMSI, ed usare l’apparato DSC come se fosse un telefonino, la radio DSC comincer`a a suonare quando c’`e una chiamata entrante.
L’approccio Software Defined Radio
(SDR)
Il concetto di Software Defined Radio(SDR) sta riscuotendo un enorme interesse nel campo delle telecomunicazioni radio. La SDR infatti, promette di risolvere alcune delle problem-atiche tipiche delle trasmissioni a RF, e qualora applicata nel suo senso generale rivoluzionerebbe il mondo delle trasmissioni wireless.
Il punto chiave della SDR `e la flessibilit`a garantita dalla riprogrammabilit`a software di questi dispositivi digitali general-purpose. Un vantaggio chiaramente intuibile `e che ci`o aiuta ad estendere le funzionalit`a del sistema general-purpose ad un ampio range di standard radio. In questo capitolo si proceder`a in un primo momento all’analisi di una architettura software di tipo SDR generica, per poi valutare gli strumenti che vengono utilizzati in un approccio di tipo fully-software.
2.1
Concetto di Software Radio
Storicamente il termine “Software Radio” fu introdotto per la prima volta da Joe Mitola nel 1991 per segnalare il cambiamento dalla radio digitale degli anni ’80 alla innovativa radio di nuova generazione multi-banda, multi-modo e multi-standard, programmabile via software [5]. Al giorno d’oggi non esiste una vera e propria definizione univoca e globale di Software Defined Radio. Il termine `e di solito usato per riferirsi ad un ricetrasmettitore radio i cui parametri chiave sono definiti via software. Agendo semplicemente sul software, senza modificare la piattaforma hardware, `e possibile riconfigurare il sistema in modo che possa riuscire ad operare su standard diversi ed eterogenei. In letteratura vengono utilizzati diversi termini per indicare sistemi programmabili o riconfigurabili:
Software Defined Radio (SDR): questo termine `e adottato dall’SDR forum, un ente internazionale che valuta gli aspetti standard del software radio.
Multi-Standard Terminal (MST): questo tipo di terminale non `e necessariamente un software defined radio, anche se pu`o essere implementato in questo modo. Semplice-mente esso si riferisce a terminali che sono capaci di operare con diversi standard. Questo tipo di terminali offrir`a sia un roaming internazionale completo rispetto ad un componente single-standard, sia un facile processo di upgrade in grado di trasformare un sistema che utilizza uno standard datato in uno di nuova concezione, ad esem-pio, la transizione da Global System for Mobile Communications(GSM) a Wideband Code-Division Multiple Access(WCDMA).
Reconfigurable Radio: questo termine `e usato per indicare la possibilit`a di riconfigu-rare sia il software che il firmware, ad esempio, attraverso l’uso di componenti logici programmabili come i Field Programmable Gate Array (FPGA).
Flexible Architecture Radio (FAR): questa `e una definizione pi`u estesa rispetto alla precedente. Essa indica che tutti gli aspetti del sistema radio sono flessibili, non solamente la sezione baseband/digital. Una vera FAR deve consentire ai parametri come numero e tipo di stadi up/downconversion di essere pilotati via software come anche, per esempio, la banda dei filtri a IF e quella a RF. Questo `e chiaramente ad oggi un obbiettivo puramente utopico per la software radio.
Ulteriori termini, che sono una semplice variazione di quelli sopra menzionati, sono in uso; tuttavia, questi possono ricondursi ad una delle suddette categorie.
Oggi il punto di riferimento per la ricerca e sviluppo in questo campo `e costituito dall’SDR Forum, una organizzazione internazionale senza scopo di lucro nata nel 1996 al fine di accel-erare lo sviluppo di sistemi di comunicazione radio basati sul concetto di SDR. Il concetto di SDR ha avuto un consenso altamente positivo, tale che si contano pi`u di 100 organizzazioni in tutto il mondo che partecipano al forum. Tra queste molte sono costituite da aziende costruttrici di apparati radio, che ovviamente trarrebbero ampi benefici da un tale approccio, comune, ma anche da universit`a che contribuiscono con la ricerca scientifica allo sviluppo di sistemi SDR.
livello 0: Hardware Radio (HR), si riferisce ad un sistema implementato usando solo componenti hardware non riprogrammabili e che quindi non pu`o essere aggiornato a meno di una sostituzione fisica di una parte del sistema.
livello 1: Software Controlled Radio (SCR), fa riferimento ad un sistema realizzato in software nella sola parte di controllo ed ha quindi una flessibilit`a limitata. Questo modello `e molto simile agli apparati radio digitali odierni.
livello 2: Software Defined Radio (SDR), tale sistema inizia ad assomigliare all’idea proposta da Mitola svilupp`o. Rispetto al modello precedente, la flessibilit`a `e introdotta anche al livello fisico. Tramite software `e possibile realizzare un controllo su varie funzionalit`a, come le tecniche di modulazione, le funzioni di sicurezza, le elaborazioni del segnale a banda larga e a banda stretta. Inoltre `e possibile coprire un ampio intervallo di frequenze, che comprende diversi standard di comunicazione, grazie ad una operazione di commutazione del sistema di antenna.
livello 3: Ideal Software Radio (ISR), `e il punto di riferimento del concetto di radio definita via software. Il segnale viene trattato come digitale in tutto il sistema, fatta eccezione per l’antenna ed eventuali trasduttori per l’utente finale. Rispetto al livello precedente, si eliminano l’amplificazione, il filtraggio e la conversione di frequenza che vengono realizzati con componenti analogici prima della conversione analogico/digitale. Il sistema `e completamente programmabile.
livello 4: Ultimate Software Radio (USR), risulta essere un dispositivo puramente utopico che possiede il massimo della flessibilit`a e che difficile da realizzare, ma esso appunto `e visto come la meta da raggiungere e funge solo come termine di confronto. Supporta via software traffico programmabile, informazioni di controllo, diverse appli-cazioni in un ampio intervallo di frequenze. Pu`o operare in qualsiasi contesto, fornendo servizi con qualsiasi standard di comunicazione, con qualsiasi banda di frequenza. In tempi dell’ordine dei millisecondi, l’utente pu`o cambiare il tipo di air-interface in base al tipo di scenario in cui si trova. Con la tecnologia delle smart card, l’utente pu`o gestire il suo denaro che pu`o essere utilizzato per accedere a vari servizi, videoconferenza ed e-commerce, nonch´e per assicurarsi garanzie sulla QoS. Esso risulterebbe superleggero e a basso consumo energetico in modo da poter essere facilmente integrato in un termi-nale mobile. Non avr`a nessuna antenna esterna e nessuna limitazione sulle frequenze
operative e dovr`a avere una capacit`a enorme di calcolo per poter soddisfare tutte le esigenze dell’utente.
Come si pu`o intuire dal suo nome, l’SDR forum indica come SDR il pi`u ambizioso terminale oggi realizzabile, che pu`o essere introdotto nel mercato delle telecomunicazioni.
Negli ultimi anni si `e assistito all’avvio della sostituzione nei sistemi radio degli stadi analogici con quelli digitali, e la tendenza sembra essere quella di muoversi verso un sistema totalmente digitale,in cui si cerca di sostituire per quanto possibile gli stadi analogici a favore di hardware riprogrammabile (DSP, FPGA, processori generici).
Un vantaggio chiaramente intuibile `e che questo aiuter`a ad estendere le funzionalit`a del sis-tema ad un ampia gamma di trasmissioni radio. Infatti i moduli software che implementano i diversi standard potranno essere caricati in tempo reale sul dispositivo a seconda dell’esigenza, con tecniche Over-The-Air (OTA) o con moduli di memoria, smartcard. Inoltre si potranno aggiungere nei terminali mobili nuovi servizi e gli eventuali aggiornamenti, ad esempio per la correzione dei difetti, potranno essere realizzati in maniera automatica ed autonoma. In una SDR la digitalizzazione del segnale in ricezione `e eseguita in qualche stadio a valle dell’antenna, tipicamente dopo il filtro a banda larga o l’amplificatore a basso rumore. Il processo inverso avviene per la digitalizzazione in trasmissione.
La figura 2.1 mostra una struttura concettuale della Software Definined Radio. In questa
Figura 2.1: Approccio SDR
figura il convertitore analogico-digitale (A/D) `e posizionato dopo l’elaborazione a frequenza intermedia. Come indicato, l’elaborazione in banda base `e gestita via software e un’interfaccia
