I N D I C E
1. Introduzione 2
2. Caratteristiche di un ricevitore a rapida acquisizione 3
2.1 Probabilità di intercettazione (POI) 3
2.2 sensibilità 3
2.3 Selettività 4
2.4 Intervallo dinamico 5
3. tecniche di ricezione 6
4. Ricevitore video a cristallo 6
5. Ricevitore supereterodina 9
5.1 Ricevitore supereterodina a larga banda 11
6. Misuratore istantaneo di frequenza 12
7.Ricevitori supereterodina comandati da un IFM 17
8. Ricevitore compressivo 19
8.1 Linea di ritardo MSW (Magnetostatic wave) 23
9.Ricevitori canalizzati 26
10.Ricevitori Opto-Acustici 28
11. Confronto tra le tecnologie esaminate 30
12. Limiti del ricevitore supereterodina 31
13. Frequenza intermedia 33
14.Progetto di un ricevitore a tecnica ibrida ad alta POI 36
15. Tecnica della compressione di tempo 37
16.Progetto di un ricevitore superet a compressione di tempo per acquisizione veloce
40
16.1 Descrizione delle procedure di inizializzazione 55
18. Conclusioni 58
BIBLIOGRAFIA 59
pagina
R R R I I I C C C E E E V V V I I I T T T O O O R R R I I I P P P E E E R R R L L L ’ ’ ’ A A A C C C Q Q Q U U U I I I S S S I I I Z Z Z I I I O O O N N N E E E R R R A A A P P P I I I D D D A A A D D D I I I S S S E E E G G G N N N A A A L L L I I I R R R A A A D D D I I I O O O E E E L L L E E E T T T T T T R R R I I I C C C I I I
...
1. Introduzione
L'esigenza dell'acquisizione rapida di segnali radio, è stata inizialmente un problema proprio della guerra elettronica (EW Electronic Warfare).
Le emissioni radioelettriche di molti radar del tipo ad impulsi, richiedono la rapida rivelazione ed identificazione della natura del segnale al fine di produrre il più efficace disturbo per contrastarne l'efficienza.
Negli ultimi anni però, le tecniche di acquisizione rapida del segnale stanno assumendo sempre più importanza nel campo del controllo delle radio comunicazioni, ciò a causa dell'avvento, sia in banda HF che VHF/UHF, di segnali di breve durata del tipo push-to-talk e segnali dotati di agilità in frequenza (spread spectrum frequency hopping). E' da puntualizzare che,in genere, le tecniche di acquisizione rapida del segnale, consentono di ri- conoscere la presenza di un determinato segnale (con le sue caratteristiche di frequenza ed ampiezza).
Questo però, è solo il prime passo per ottenere informazioni utili da quel segnale.
In altre parole, la caratteristica di un sistema a rapida acquisizione, è quella di essere in grado di dare informazioni: sulla frequenza. ampiezza e tempo di arrivo del segnale (ed eventualmente anche l'informazione di fase utilizzabile per la determinazione del tipo di modulazione ed infine anche dell'angolo di arrivo).
Una fase successiva è costituita dalla demodulazione e l'elaborazione del segnale acquisito.
Una differenza fra i segnali EW e i segnali di telecomunicazione, è l'intervallo di frequenza utilizzato e la larghezza di banda posseduta. Un segnale di,tipo EW ha in genere, una frequenza portante ricadente nel campo delle microonde ed una larghezza di banda che può variare da 5 a 500 MHz, un tipico segnale di questo tipo e quello dì un radar impulsivo.
Nel campo delle comunicazioni esistono segnali a microonde la cui larghezza di banda è dell' ordine dei megahertz; tipico esempio sono i ponti radio FDM e TDM. Però, la maggior parte dei segnali occupa le bande HF, VHF e UHF con una larghezza di banda comunque inferiore ai 4 MHz. Sì ha quindi che un ricevitore a rapida acquisizione per comunicazioni necessita di una sensibilità e una selettività molto maggiori di un equivalente ricevitore EW,potendo avere in comune con quest'ultimo, le tecniche che consentono un’ ALTA POSSIBILITA’ DI INTERCETTAZIONE del segnale.
2. Caratteristiche dì un ricevitore a rapida acquisizione
Per un ricevitore a rapida acquisizione le caratteristiche salienti che esso deve possedere sono le seguenti:
- Probabilità di intercettazione POI (Probability of Intercept) - Sensibilità
- SelettIvità
- Intervallo dinamico
2.1 Probabilità di intercettazione (POI)
Questo parametro dipende principalmente dalla velocità di scansione del ricevitore e dal tempo che impiega a sintonizzarsi.
Altri parametri che influenzano la probabilità di intercettazione sono:
- Il tipo di segnale che si sta acquisendo
- La velocità di commutazione del sistema di antenn e e la sua velocità di rotazione - Le caratteristiche del diagramma di radiazione
Ad esempio, per un ricevitore a scansione del tipo supereterodina il tempo
di intercettazione, ovvero il tempo necessario affinché si possa avere una determinata probabilità di intercettare un segnale, è determinato dalla larghezza di banda del ricevitore, dalla velocità di scansione, dalla larghezza di banda e dal tipo di modulazione del segnale emesso o ricevuto.
Se quest'ultimo è, per esempio, un treno di impulsi trasmesso da un radar, le caratteristiche che
Influenzano il POI sono:
- Il periodo di ripetizione degli impulsi (PRI), - la durata del singolo impulso
- Il numero di impulsi richiesto per l'Intercettazione.
2.2 Sensibilità
Questa parametro definisce la capacità del sistema di rilevare segnali di debole potenza e provenienti da grandi distanze.
La sensibilità del ricevitore è limitata dal rumo re presente nella banda di frequenza sintonizzata. La potenza di rumore al ricevitore è data dal rumore termico presente al suo ingresso moltiplicato per un fattore di degradazione, dovuto al ricevitore medesimo, che prende il nome di fattore di rumore o figura di rumore NF se espresso In dB.
Si ha quindi:
N(Rumore) = KTBF Dove:
- K costante di Boltzmann
- F fattore di rumore.
Questa formula, espressa In unità logaritmiche diviene :
N[dB] = -174[dB/Hz] + 10LogB[Hz] + NF[dB] [1]
Il coefficiente 174 è il risultato del prodotto della costante di Boltzmann per la temperatura ambiente T
La sensibilità del ricevitore è spesse definita come il “ MINIMO SEGNALE DISCERNIBILE (MDS) per cui la potenza del segnale è uguale all' effettiva potenza di rumore all'ingresso.
Si ha quindi:
MDS(dBm) - N(dB) + 3(dB)
Devo N(dB) , è dato dalla (1).
Da notare come, per un sistema automatico di rivelazione dei segnale, la soglia all'ingresso deve risultare sufficientemente più alta dell'MDS per evitare un eccesso di segnali rivelati che potrebbe sovraccaricare i dispositivi che processano i segnali, ma non troppo alta, onde consentire la rilevazIone di segnali deboli.
Tornando al parametro 'sensibilità', è chiaro che parecchi sono i vantaggi di un sistema con alta sensibilità.
Si possono rivelare segnali provenienti da più grandi distanze e inoltre, l'accuratezza della misura è migliorata da un più favorevole rapporto segnale/rumore (SIN).
Vi è anche la possibilità di rivelare una sorgente radio per mezzo dei lobi di radiazione posteriori e laterali di un sistema di antenne rotanti migliorando cosI la probabilità di Intercettazione (POI).
Accanto a questi vantaggi vi sono alcuni svantaggi dovuti ad una piú alta sensibilità.
Aumentando la densità dei segnali rivelati, si aggrava il processo di elaborazione di quest'ultimi. Inoltre, segnali dovuti a cammini multipli causati da riflessioni, possono superare la soglia del ricevitore e dare origine a segnali spuri.
Spesso una più alta sensibilità è ottenuta restringendo la banda passante del sistema.
Naturalmente, se il tipo di segnale da rivelare consente questo tipo di accorgimento. Per esempio, il miglioramento della sensibilità di un ricevitore a banda stretta (con larghezza di banda del filtro a frequenza intermedia pari a 25 KHz), rispetto ad un ricevitore EW per segnali radar che possiedono una larghezza di banda di 50 MHz, è di ben 33 dB.
Si può anche ottenere un miglioramento della sensibilità adottando antenne riceventi con fasci più stretti.
Entrambi le tecniche descritte però, riducono la probabilità di intercettazione (POI) e degradano la capacità dì misurare segnali simultanei e correlati che non hanno identica frequenza.
2.3 Selettività
La selettività è un parametro correlato alla larghez za di banda del ricevitore ed è definito come la minima differenza in frequenza, fra due segnali, per cui il ricevitore può rivelare quest'ultimi come distinti.
Un ricevitore con una larghezza di banda eccessiva tende a mediare sia la frequenza di più segnali che ricadono nella propria larghezza di banda, sia l'energia posseduta da ognuno dei segnali.
Nei ricevitori di tipo EW è spesso richiesta una banda passante piú larga di quella normalmente necessaria nei ricevitori di radio comunIcazione. E' da notare però, che l'ambiente radioelettrico in cui operano i ricevitori EW, ai fa sempre più complesso con l'avvento di tecniche sofisticate come l'agilItà in frequenza (frequency hopping), tecniche a spettro allargato e complesse tecniche di modulazione del singolo impulso.
Inoltre uno scenario operativo comune, prevede l'attività contemporanea di più di cento radar e la presenza di altri segnali di tipo CW.
Un metodo per ricevere dei segnali specifici senza che la loro rivelazione sia affetta da interferenze, è quello di selezionare un limitato intervallo RF e processare appropriatamente i segnali presenti in esso. Comunque esiste sempre la probabilità di sovrapposizione di più segnali impulsivi, probabilità proporzionale all’aumentare della densità RF. E' necessario quindi, che i sistemi a larga banda poss ano correttamente analizzare í responsi del sistema in presenza di sovrapposizioni di impulsi.
2.4 Intervallo- Dinamico
Questo parametro, espresso in dB, non è altro che la differenza fra il massimo e il minimo livello di segnale che il ricevitore può rivelare e rappresentare senza distorsioni.
Un metodo molto usato per aumentare l'intervallo dinamico del ricevitore, è quello di adottare un controllo automatico di guadagno (AGC), che consenta di diminuire il guadagno in presenza di forti segnali ed aumentarlo in presenza di segnali deboli.
Una caratteristica di molti ricevitori a rapida acquisizione è quella di utilizzare una larghezza di banda più grande di quella occupata dal singolo segnale, ciò al fine di realizzare la rivelazione simultanea di più segnali.
Il ricevitore deve quindi possedere la capacità di rivelare segnali molto deboli in presenza di segnali molto forti senza l’uso dell’ AGC.
Questa abilità del ricevitore viene solitamente identificata dal parametro: 'INTERVALLO DINAMICO ISTANTANEO’.
Poiché in ogni ricevitore sono presenti dispositivi con caratteristiche non lineari, si avranno in uscita,dei segnali spuri, dovuti alla combinazione di due e più segnali presenti in ingresso.
Una misura dell'abilità del ricevitore nel ridurre i re sponsi spuri è data dall’ampiezza del cosiddetto: 'INTERVALLO DINAMICO ISTANTANEO LIBERO DA SPURIE’.
La definizione di questo intervallo coinvolge tutte le cause che possono produrre responsi spuri dalla reiezione d’ immagine ai responsi del mixer a singoli toni di frequenza.
Giocano nella sua definizione anche la figura di rumore, la larghezza di banda IF, le distorsioni da intermodulazione (di tutti gli ordini), i livelli di banda laterale di rumore del sintetizzatore di frequenze e numerose altre specifiche.
Poiché dipende da molte caratteristiche, è molto dibattuta la definizione dell'intervallo dinamico istantaneo libero da spurie e quindi raramente viene specificato in modo assoluto.
3. Tecniche di ricezione
Accanto al collaudato ricevitore supereterodina si sono sperimentate diverse tecniche che tentano di incrementare le prestazioni di un ricevitore dedicato alla sorveglianza e controllo dello spettro radioelettrico.
Fra queste tecniche si annoverano:
- Ricevitori video a cristallo
- Misura di frequenza istantanea (IFM) - Ricevitori a compressione
- Ricevitori canalizzati - Ricevitori opto-acustici
Tutte queste tecniche verranno illustrate nel seguito 4. Ricevitore video a cristallo
Questo tipo di ricevitore si compone di un amplificatore RF a larga banda seguito da un rivelatore a legge quadratica (rivelatore video) e da un amplificatore di tipo logaritmico, v.fì g.4.1.
La larghezza di banda esaminata può variare da 500MHz a 1GHz.
La banda di frequenza da controllare pub essere suddivisa in sotto bande, si avrà in questo caso, uno schema come quello di fig.4.2, dove ogni amplificatore RF a basso rumore è preceduto da un filtro passa banda.
In genere si effettua una suddivisione per ottave della banda RF di Interesse.
FIg.4.1 Un ricevitore video a cristallo è formato da un amplificatore RF a larga banda, da un rivelatore a legge quadratica, da un filtro passa basso e da un amplificatore del segnale demodulato
Antenna Ingresso RF
Amplificatore RF a
larga banda Rivelatore a legge
quadratica Amplificatore
video
Uscita video
Fig. 4.2
La configurazione tipica di un ricevitore video a cristallo a sotto-bande, consiste di una suddivisione del segnale RF seguita da una serie opzionale di amplificatori RRF a basso rumore, un rivelatore video a legge quadratica ed un amplificatore logaritmico.
Gli amplificatori possiedono dei filtri passa-banda generalmente ad ottave di frequenza ed gli amplificatori logaritmici possiedono una banda passante da 5 a 20 MHz
La larghezza di banda dell'amplificatore video logaritmico può variare da 5 MHz a 20 MHz.
Si noti come la risoluzione in frequenza di un ricevitore di questo tipo, sia pari alla larghezza di banda dell'amplificatore RF.
Senza preamplificatore la sensibilità di un tale r icevitore è bassa: -40 ÷ - 50 dBm.
MiglIora con l'adozione di un preamplificatore:
-74 ÷ -80 dBm.
Il range dinamico può assumere un valore tipico di70 dB.
La probabilità di intercettazione risulta essere del 100% per segnali sufficientement e forti.
Fra i vantaggi vi è principalmente la semplicità di progetto che al traduce in un basso costo. Gli svantaggi sono:
- Bassa sensibilità
- Minima se non nulla selettività - Limitato intervallo dInamico
- Il processo dì rivelazione non conserva l'informazione di fase, cosicché non è possibile estrarre segnali basati su di una modulazione angolare (di fase o frequenza).
- La mancanza di informazioni dettagliate Implica che il processore di segnali ha difficoltà non solo nel determinare quanti segnali sono presenti, ma anche
Multiplexe r
••
••
••
••
••
•• Ingresso
RF
Uscita video
Amplificatore RF e filtro ad ottave di
banda
Rivelatore a lege quadratica
Amplif.video larghezza banda
∼∼ da 5 a 20 MHz
Da notare come un ricevitore video a cristallo può essere facilmente disturbato, per esempio, da un segnale impulsivo. Inoltre il segnale di interesse può essere mascherato o dal livello di rumore, o da segnali di ampiezza maggiore.
Un miglioramento nelle prestazioni è ottenuto inserendo dei filtri sintonizzabili (YIG Ittrio-ferro - granato) a banda stretta prima e dopo l'amplificatore RF a larga banda (v.fig.4.3). Il ricevitore che usa questa tecnica è chiamato ricevitore TRF( Tunable radio frequency).
In questo caso, la larghezza di banda Istantanea esaminata, diminuisce (tip.25 MHz), valore che anche in questo caso, coincide con la risoluzione in frequenza del ricevitore.
Il TRF non è molto usato poiché il ricevitore supereterodina presenta caratteristiche superiori.
Si ha comunque un miglioramento nella sensibilità (89 ÷ 90 dBm) e nella selettività. Il range dinamico assume valori tipici da 50 a80 dB. Naturalmente la POI (Probabilità di Intercettazione), diminuisce, poiché bisogna considerare il tempo occorrente per la sintonia del filtri YIG.
I ricevitori video a cristallo sono utilizzati nei sistemi di ricezione per allarme radar, essendo di costruzione estremamente compatta e semplici da realizzare e quindi con caratteristiche che ben si adattano all’installazione senza problemi sugli aerei da ricogni- zione tattica.
FIG. 4.3 RICEVITORE A SINTONIA RF
Questo ricevitore consente un miglioramento nella sensibilità e selettività rispetto al ricevitore video a cristallo, mediante l’inserzione di due filtri sintonizzabili RF all'ingresso e all'uscita dell'amplificatore RF. Ciò consente
Controllo di sintonia
Filtri sintonizzabili
(YIG)
Amplif. RF
larga banda Rivelatore a
legge quadratica
Amplif.video BW da 5 a 20 MHz
Uscita video Antenna ingresso
segnale RF
BWRF da 10 a 20 MHz (banda dei filtri
sintonizzabili)
All'aumentare però, della densità e della complessità dell'ambiente radioelettrico ostile, la capacità di corretta segnalazione diminuisce e quindi spesso questo tipo di ricevitore viene utilizzato in combinazione con ricevitori che adottano tecniche diverse.
Sia il ricevitore video a cristallo che il TRF sono raramente usati nel campo delle comunicazioni (COMINT). questo a causa delle loro prestazioni non molto buone e alle sviluppo della tecnologia supereterodina che consente prestazioni complessivamente migliori.
E' da notare che uno sviluppo futuro per questo tipo di tecnologia potrebbe essere dato dall' adozione di un convertitore A/D la cui uscita verrebbe analizzata da un processore digitale.
Accoppiando un convertitore A/D a 12 bit e con velocità di campionamento di 2 GHz, ad uno stadio RF d'ingresso capace di un range dinamico di 70 ÷ 80 dB, ai otterrebbe un ricevitore ad acquisizione rapida con un intervallo di copertura esteso fino ad 1 GHz.
Il reale problema per un ricevitore di questo tipo, è costituito dalla capacità di processar e efficacemente i 24 miliardi di bits/sec d'Informazione generati.
5. Ricevitori supereterodina
Il principio di funzionamento di un ricevitore supereterodina è ben conosciuto.
I blocchi funzionali,di si compone un simile ricevitore sono illustrati in fig-5-1.
Il segnale RF in ingresso dall’antenna va ad un fIltro sintonizzabile seguito da un amplificatore a larga banda, dal mixer, dall’ amplificatore IF, dal filtro IF e dal demodulatore.
La combinazione fra il segnale dell’oscillatore locale (OL) e del segnale RF da la somma e la differenza in frequenza dei due segnali combinatesi.
Fig.5.1 RICEVITORE SUPERETERODINA
Un ricevitore supereterodina si compone essenzialmente, di un filtro RF in ingresso di tipo passa banda, seguito da un convertitore a frequenza intermedia (IF). A cascata si ha un filtro a frequenza intermedia ed un amplificatore che insieme fissano la banda passante da processare. Di seguito possono essere presenti una grande varietà di rivelatori
Filtro YIG
Oscillatore locale
Comando sintonia
Filtro p.banda IF Amplificatore
BWRF IF
Ingresso RF
BWIF
Larghezza IF 160 MHz (tipico)
Scelta del rivelatore
Amplificatore video
Uscita video
BWRF (tipica) = 15 ÷ 50 MHz BWIF (tipica) = 1 ÷ 20 MHz
Il filtro IF ha il compito di far passare solamente la banda centrata sulla differenza in frequenza fra i due segnali in ingresso al mixer. Tale frequenza differenza prende il nome di frequenza intermedia (IF).
In una configurazione a banda stretta la larghezza di banda RF istantanea analizzata tipicamente è compresa nell’intervallo; 500 KHz ÷ 20 MHz.
La risoluzione in frequenza dei ricevitori di questo tipo (dipendente dalla larghezza di banda del filtro IF), generalmente può variare da 500 KHz a 20 MHz.
I vantaggi di un ricevitore supereterodina sono:
- L'alta sensibilità (Tip. -110 dBm) - L'alta selettività
- Ambedue ottenute mediante l'eccellente qualità dei filtri centrati sulla frequenza intermedia che essendo un valore fisso, permette di ottimizzare la catena filtri amplificatori IF.
Inoltre con un attento progetto, si può ottenere un rango dinamico del ricevitore molto alto (tip.70 dB).
Difetti:
- Una bassa POI dovuta al fatto che il ricevitore,per rilevare il segnale, deve effettuare una scansione o sintonizzarsi per cui, istantaneamente, si ha sotto controllo solamente una piccola parte dello spettro radioelettrico.
- In compenso l'alta sensibilità, consente a volte di rilevare segnali emessi dai lobi di radiazione secondari dell’antenna trasmittente con conseguente aumento della probabilità di intercettazione.
- La selettività di un ricevitore supereterodina consent e di rilevare ed Identificare il segnale utile anche in presenza di un forte sottofondo disturbante dovuto a segnali di tipo “jamming” o altri segnali presenti nei canali adiacenti.
Un ricevitore di questo tipo ha quindi prestazioni migliori con segnali di con modulazione CW e che presentano un alto “duty cycle” ovvero lunghi tempi di presenza della portante in aria, mentre le prestazioni scadano con segnali a basso “duty-cycle”.
Per migliorare la probabilità di Intercettazione, si possono usare diverse te cniche:
- Scansione veloce,
Ottenuta per mezzo di nuove tecnologie per i sintetizzatori di frequenza (vedi cap.12).
Purtroppo, incrementando la velocità di scansione si deteriorano le caratteristiche del filtro IF, nonché il rumore di fase dell'oscillatore locale.
Un'altra tecnica consiste nella “Scansione intelligente”. In questo caso la diminuzione del tempo di scansione è ottenuta saltando la frequenze o gli intervalli di frequenza, in cui si hanno poche probabilità di rilevare attività radioelettric a.
Un'ulteriore soluzione per incrementare la velocità di scansione, é quella di porre in parallele più ricevitori. Gli inconvenienti di una soluzione di questo tipo sono un alto consumo e l'elevato costo.
5.1 Ricevitore supereterodina a larga banda.
In fig.5.2 è illustrato lo schema di un ricevitore supereterodina a larga banda.
In ingresso è presente un banco di filtri passa banda RF commutabili, la larghezza di banda di questi filtri può variare da 500 MHz a 1000 MHz. Segue una tradizionale conversione a frequenza intermedia IF.
In questo caso la frequenza intermedia è più alta che nella superet. a banda stretta a causa della più ampia banda passante.
Fig. 5.2 SUPERETERODINA A BANDA LARGA
Il ricevitore superet. a banda larga, per ottenere la selezione della banda RF, impiega una serie di filtri RF selezionabili.
La frequenza intermedia risulta più alta che nel caso a banda stretta a causa della più ampia banda analizzata.
Può essere utilizzata una vasta categoria di processori e rivelatori. In questo modo il ricevitore risulta configurabile per rivelare trasmissioni a larga banda o 'Spread spectrum’
o per processare più segnali simultanei.
SW
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
SW
••
•
Filtro p.banda
IF
Cella di Bragg
Micro scan
PSK I F M
Comando sintonia Oscillatore
locale
Amplificatore
IF BWIF
IF = 500÷1000 MHz (tipico)
Amplificatore video
Uscita video Ingresso
RF
Scelta del rivelatore a frequenza intermedia IF
°
°
°
°
°
°
°
°°° °°
° ° ° °
In questa configurazione tutti i componenti IF (Amplificatori. filtri e demodulatore) debbono supportare una larghezza di banda più grande. Si ha con questo schema un degrado della sensibilità, tuttavia la probabilità di intercettaz ione è molto più grande che nei ricevitori supereterodina a banda stretta, inoltre il ricevitore ha la possibilità di processare segnali che adottano modulazioni 'Frequency hopping’ e altre tecniche di
‘spread spectrum’.
Per Incrementare la POI, le tecniche di supereterodina possono essere usate in congiunzione con altre tecniche nei sistemi cosiddetti 'Ibridi’, alcuni dei quali verranno illustrati nel seguito.
6. Misuratore Istantaneo di Frequenza
La fig.6.1 illustra lo schema a blocchi di un ricevitore IFM (istantaneus frequency measurament).
Si ha un amplificatore a larga banda, seguito da un discriminatore di frequenza, anch’esso a larga banda. Quest’ ultimo si compone di un divisore di potenza 'Splitter’, da una linea di ritardo e da un rivelatore di fase.
La linea di ritardo ha Il compito di trasformare una differenza di frequenza in una differenza di fase.
Il discriminatore di fase accetta due segnali in ingresso, derivati da un singolo segnale RF per mezzo del divisore di potenza e della linea di ritardo.
Le due uscite del discriminatore di fase sono proporzionali a senθ e cosθ, dove:
θ = 2πf0τD [1]
θ = ritardo di fase tra i due ingressi
C L
D
=∆
τ = Tempo di ritardo
- ∆L = Lunghezza della linea di ritardo
- C = Velocità di propagazione dell’onda lungo la linea di ritardo - f0 = frequenza del segnale
Fig. 6.1 MISURATORE ISTANTANEO DI FREQUENZA
Il segnale RF in ingresso viene diviso in due parti, un delle quali viene ritardata di una quantità conosciuta proporzionale alla frequenza. La differenza di fase fra i due segnali viene misurata da un rivelatore di fase e l’uscita è convertita per pilotare le placche di deflessione di un CRT (catode ray tube).
Le uscite del discriminatore proporzionali a: senθ e cosθ, sono applicate, tramite opportuno adattamento, rispettivamente agli ingressi x e y di un monitor.
Si avrà quindi sulle schermo un vettore radiale che si discosterà. rispetto ad un riferimento, di un angolo θ. Questo angolo può essere interpretato come la frequenza del segnale poiché, come si vede dall'espressione [1], θ é proporzionale alla frequenza f0 del segnale, tramite un coefficiente pari a τD.
Il campo di frequenza in cui si ha un' indicazione non ambigua del discriminatore e determinato dalla lunghezza della linea di ritardo, infatti si ha :
θ = 2π⋅f⋅τD
la precedente eguaglianza, verrà verificata anche per un angolo: θ + 2π, a cui corrisponde una frequenza f’ tale che:
2π⋅f’⋅τD = 2π⋅f⋅τD + 2π
splitter Rivelatore
di fase
Convertitore video
•
• θθ x
y CRT
Amplificatore limitatore
Linea di ritardo
senωω cosωω Antenna
θθ
t
t
Le due onde in ingresso al rivelatore di fase
Ritardo di fase θ = ω⋅τD
- ω = pulsazione del segnale ricevuto - τD = tempo di ritardo
da cui:
f’ = f + 1/τD
dove 1/τD prende il nome di FREQUENZA NORMALE DEL DISCRIMINATORE.
Esistono due classi di IFM analogico e digitale. Un sistema IFM digitale è costituito principalmente da una serie di discriminatori e linee di ritardo posti in parallelo.
Questi istantaneamente dígitalizzano il segnale, incrementando sempre più la risoluzione del valore determinato mediante il controllo della periodicità nelle caratteristiche del discriminatore cambiando la lunghezza delle linee di ritardo.
Si esaminano le caratteristiche di un ricevitore IFM.
Un ricevitore di questo tipo ha buone caratteristiche per applicazioni di tipo ESM (Electronic warfare support measures): Misure di supporto alla guerra elettronica.
Pregi:
- Consente l'analisi istantanea di un ampio intervallo di frequenze (Tip. da 500 MHz a 10 GHz), con un'alta POI
- L'amplificatore limitatore in ingresso consente di ottenere un buon range dinamico (Tip.70 dB), nonostante l'intervallo dinamico del rivelatore di fase sia intrinsecamente basso.
E’ possibile così operare con efficacia anche in presenza di segnali con grande differenza d'intensità.
La sensibilità è limitata dal rumore prodotto dalla larghezza di banda processata.
- Si hanno valori da -40 a -50 dBm senza preamplificatore limitatore e da -70 a -80 dBm con il preamplificatore.
Difetti:
La maggiore limitazione di un ricevitore IFM è data dalla risposta in presenza di due o più portanti RF con frequenze differenti poiché il discriminatore tende a mediare i due segnali.
Si ha quindi una risposta in frequenza con un valore che e compreso fra i due valori effettivi. La presenza di un segnale di tipo CW falserà il responso del ricevitore poiché si avrebbe la sovrapposizione di questo segnale con qualsiasi altra portante rivelata. Inoltre un ricevitore IFM, non può essere usato per frequenze basse a causa dell'eccessiva lunghezza della linea di ritardo richiesta.
Diversi tentativi sono stati fatti per migliorare le prestazioni di un ricevitore di tipo IFM. Un prime approccio consiste nella canalizzazione degli ingressi. Questa può essere ottenuti ponendo all'ingresso un banco di filtri passa banda (per es. suddividendo la banda in intervalli di 2 GHz). Nel sistema a canalizzazione possono essere usate tre configurazioni. La prima prevede un amplificatore RF (v.fig.6.2) che deve avere un range dinamico di almeno 60 dB (In altre parole per segnali variabili come ampiezza in questo campo, l'amplificatore da un' uscita ad ampiezza costante).
Il segnale RF e diviso in più bande ed ogni banda e processata separatamente. Si ha inoltre un set di moduli IFM che opera a differenti frequenze RF.
Seconda possibilità.
Si converte in basso il segnale RF canalizzato (v.fig.6.3), ottenendosi così , una frequenza IF comune per tutti i canali, ed effettuando l’amplificazione a frequenza intermedia.
Amplificare a frequenza intermedia IF è più facile che non a radio frequenza ed inoltre, i moduli amplificatori IF e IFM sono uguali per ogni intervallo di frequenze.
Con questa configurazione si ottiene una migliore similarità fra i responsi di canale , ma è richiesto un oscillatore locale per ogni conversione in frequenza.
Terza possibilità
Anche in questo caso (v.fig.6.4), si ha una divisione del segnale RF che viene canalizzato da più filtri passa banda. Si opera quindi, una conversione in basso ottenendo una singola frequenza intermedia. Questa IF viene amplificata da un primo stadio amplificatore a cui è richiesta una compressione di soli 30 dB, un valore più agevole da realizzare rispetto ai 60 dB richiesti dal sistema precedentemente illustrato.
Fíg.6.2 Un miglioramento nelle prestazioni di un ricevitore IFM in un ambiente
ad alta densità di segnali, può essere ottenuto suddividendo le spettro RF in più bande e processando, ciascuna di esse, separatamente.
Una possibilità é quella di amplificare e effettuare il rilevamento IFM a RF. Questa configurazione richiede una compressione del range dinamico approssimativamente di 60 dB, ed impiega un 'set' di moduli
Distributore RF
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
I F M 2÷÷4 GHz
I F M 4÷÷8 GHz
I F M 8÷÷12 GHz
I F M 12÷÷18 GHz RF
RF
RF
RF
Uscita con informazione sulla frequenza Ingresso RF
Filtri RF passa-banda
Amplificatori
RF (∼ 60 dB) Moduli IFM
Dopo il primo stadio, il canale occupato viene rivelato, identificato e inviato ad un modulo IFM.
Questo sistema è meno costoso dei precedenti ma soffre di due difetti:
- Il rumore proveniente dall’intera sezione RF è integralmente applicato al modulo IFM con conseguente degrado della sensibilità del sistema.
- La possibilità di individuare la banda, permette di conoscere quando sono in arrivo due segnali differenti ma non evita che l’IFM possa produrre uscite spurie.
FIG 6.3
Nel caso illustrato viene effettuata una conversione verso il basso. I moduli IF e IFM sono uguali. Si ha una migliore similarità nel responso dei canali, ma è richiesto un oscillatore locale per ogni conversione
Distributore RF
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
I F M 2÷÷6 GHz
I F M 2÷÷6 GHz
I F M 2÷÷6 GHz
I F M 2÷÷6 GHz IF
IF
IF
IF
Uscita con informazione sulla frequenza
Ingresso RF
Filtri RF passa-banda
Amplificatori IF
(∼ 60 dB) Moduli IFM
4GHz
8GHz
12GH Oscillatori locali per la z conversione in basso
X
X
X
Distributore RF
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
Filtro p.banda
I F M 2÷÷6 GHz IF
IF
IF
IF Ingresso RF
Filtri RF passa-banda
Amplificatori RF (∼
30 dB)
Modulo IFM
4GHz
8GHz
12GH Oscillatori locali per la z conversione in basso
X
X
X Identificazione
di banda
Uscita con informazione sulla frequenza
Fig.6.4
Il terzo approccio prevede la canalizzazione e la conversione in basso, ma suddivide l'amplificazione in due stadi.Dopo il primo stadio il canale occupato viene identificato e il segnale IF viene inviato al modulo IFM. Si ottiene un risparmio di componenti, però il modulo IFM 'vede' il rumore generato da tutti i canali, per cui la sensibilità risulta degradata.
7. Ricevitori supereterodina comandati da un IFM
Il ricevitore supereterodina, come visto, mostra i suoi limiti nel rivelare segnali impulsivi e con caratteristiche dì agilità In frequenza. I ricevitori IFM hanno quelle caratteristiche che mancano ai ricevitori supereterodina, come un'alta POI.
Possono Inoltre misurare la frequenza di ogni singolo impulso e non hanno alcuna difficoltà nel rivelare un segnale di tipo 'Hopping' di frequenza che cada nella propria banda RF.
Sfortunatamente il ricevitore IFM ha alcuni difetti che come si è visto, sono:
Sensibilità e risoluzione in frequenza inferiori rispetto al ricevitore supereterodina. Range dinamico limitato e perdita di efficacia in presenza di più segnali simultanei.
Il limite del ricevitore supereterodina, dipende fondamentalmente dal fatto che esso deve effettuare un processo di scansione in frequenza. Si ha quindi, che in un ambiente ad alta densità di segnali, un ricevitore di questo tipo spende molto tempo per analizzare segnali che hanno poco e nessuno interesse.
Anche se si escludono determinati intervalli di frequenze conosciute, il ricevitore supereterodina, dovrà continuamente effettuare la scansione sulle altre frequenze alla ricerca di segnali d' interesse.
Inoltre, escludendo certe frequenze, se i parametri di queste dovessero cambiare, il ricevitore non potrebbe rivelarlo.
Una soluzione può essere quella di utilizzare un ricevitore IFM come controllore di un ricevitore supereterodina. Si può adottare un dispositivo IFM digitale che fornisca direttamente, in forma binaria, il valore di frequenza.
L’ informazione in frequenza viene analizzata da un processore (v.fig.7.1), dove sono memorizzati i segnali conosciuti o di non interesse. Se i parametri relativi a questi segnali si mantengono entro certi limiti, il ricevitore supereterodina rimane in stand-by. Se invece, si verifica qualche variazione o se appare un segnale sconosciuto, l' IFM
Fig. 7.1
Un ricevitore supereterodina comandato da un IFM, supera molte delle limitazioni proprie dei due ricevitori presi singolarmente. L’IFM migliora la probabilità d'intercettazione (POI), mentre il ricevitore super eterodina viene sintonizzato su specifiche frequenze per l'analisi dei segnali.
comanda istantaneamente la sintonia dei ricevitore superet sulla frequenza rivelata per l’
analisi.
In fig.7.1 si nota un divisore di potenza (DIV) che smista metà dei segnale RF al ricevitore canalizzato e metà al ricevitore IFM. L'uscita digitale dell'IFM è costituita da una cifra binaria che indica la frequenza del segnale in un intervallo di ± 14 MHz.
Il processore stabilisce quindi se il segnale deve essere analizzato.
Se il segnale è sconosciuto, il controllore comanda il commutatore (IF SWITCH), che seleziona il canale in cui il segnale e presente. Simultaneamente un VCO (voltage
M U L T I P L E X E R
divisore Blocco
CW
I F M
O.L
O.L
O.L
O.L
V C O
° °
° °
°
Switch IF Ai circuiti di rilevamento dei parametri
Comandi dal processore Informazione digitale in
frequenza al processore
X
X
X
X
X
Ingresso RF
controlled oscillator), a sintesi veloce, inizia la scansione nell’ intervallo ±10 MHz della frequenza da individuare.
Il ricevitore a scansione procederà ad analizzare il segnale sconosciuto. Il vantaggio di questa tecnica é che Il tempo di scansione è fissato solo dai segnali d'interesse.
Uno dei problemi, per un ricevitore IFM, è costituito dalla presenza simultanea di piú segnali. Per due segnali d’ intensità paragonabile, l'IFM indica una frequenza intermedia fra i due valori effettivi.
Nelle schema di fig-7.1, è previsto un dispositivo rivelatore di simultaneità posto nel ricevitore IFM, che non soltanto indica la presenza di segnali simultanei, ma inoltre inibisce l'uscita dell'IFM così da non processare un falso valore di frequenza.
Se i due segnali simultanei hanno una differenza di intensità maggiore di 4 dB, l'uscita dell'IFM darà un valore corretto di frequenza per Il segnale più forte.
La presenza di un segnale di tipo CW causa, come visto, che qualsiasi altro segnale è considerato simultaneo. Per tale motivo nelle schema di fig. 7.1, e previsto un filtro sintonizzabile automaticamente, di tipo elimina banda proprio per il segnale CW. Questo filtro è usato per rivelare e automaticamente escludere, qualsiasi segnale non desiderato.
Quando il rivelatore di segnali simultanei indica la presenza contemporanea di piú segnali, il filtro elimina-banda può essere comandato per sintonizzarsi nell'intervallo di frequenza d' interesse.
Nel momento in cui il filtro elimina uno dei segnali,, il rivelatore si porterà a zero e quindi l'IFM darà il vero valore di,frequenza del segnale non eliminato dal filtro. Nelle stesso tempo, la conoscenza della frequenza su cui è sintonizzato il filtro, elimina-banda (notch filter) dà un'indicazione sulla frequenza dell'altro segnale.
Vi è da notare che il filtro di reiezione può utilmente essere usato nei sistemi per il disturbo radioelettrico (Jamming system).
Se il trasmettitore è attivo il ricevitore può essere utilizzato sintonizzando il filtro di reiezione sulla frequenza di jamming, sempre che vi sia un sufficiente isolamento fra l'antenna in trasmissione e quella di ricezione.
8. Ricevitore compressivo
I ricevitori di tipo 'compressivo' e a 'micro scansione’, adottano una tecnica del tipo supereterodina ma con una scansione, molto veloce.
La scansione veloce potrebbe costituire un sistema per aumentare la POI di un ricevitore eterodina classico però si va incontro all'inconveniente di un filtro IF che per una scansione veloce, distorce il segnale causando sovraelongazioni e un deterioramento della curva di risposta del filtro che diviene meno selettivo e con una sensibilità mi nore.
Per tali motivi, in un ricevitore compressivo, il tradizionale filtro IF è sostituito da un filtro dispersivo (v.paragr.8.1).
Quest' ultimo traduce la frequenza intermedia al suo ingresso, in un ritardo di tempo. Lo schema a blocchi di un ricevitore a compressione è illustrato in fig.8.1
Fig.8.1 Schema a blocchi di un ricevitore compressivo
All'ingresso è presente un filtro passa banda RF seguito da un oscillatore locale a frequenza variabile (swept local oscillator).
All'uscita dal mixer si ha una frequenza intermedia variabile, differenza fra la frequenza RF e la frequenza dell’oscillatore locale, quest' ultimo effettua una scansione nell’ intero campo di ricezione.
Il filtro a dispersione trasforma il valore di frequenza del segnale al suo ingresso in un proporzionale ritardo di tempo. Come detto, durante una scansione. la fIF varia linearmente proporzionalmente alla differenza di frequenza fra il segnale RF e la fLO. Se durante la scansione, si incontra un segnale RF, l'uscita del filtro produrrà un impulso il cui ritardo τ, rispetto ad un istante di riferimento, momento d’ inizio della scansione dell'O.L., è proporzionale alla frequenza del segnale RF in ingresso (v.fíg.8.2).
Si può ottenere un'alta POI se il periodo di scansione dell'O.L. risulta essere di durata inferiore alla durata del segnale da esaminare ( per esempio, se il tempo di scansione è più breve della durata dell'impulso da analizzare).
Si ha quindi, che In un intervallo RF con impulsi di breve durata. la velocità dell'O.L. deve essere molto elevata e il processore, che misura l’ intervallo di tempo in uscita, deve essere in grado di compiere l'elaborazione in un tempo pari alla durata dell'impulso più breve.
Per applicazioni di tipo ELINT, In cui abbondano segnali caratterizzati da treni d'impulsi di durata molto breve, si verifica un elevato flusso di dati all'uscita del filtro cosa che richiede un processore di segnale con elevate prestazioni.
Filtro dispersivo filtro
Amplificatore a larga banda
X
~
Oscillatore localeUscita con frequenza f proporzionale al ritardo ∆t
Di conseguenza, questo tipo di ricevitore offre migliori prestazioni in applicazioni di tipo COMINT, dove impulsi di durata maggiore, creano minori difficoltà di analisi.
La sensibilità di un ricevitore a compressione è paragonabile a quella di una supereterodina di equivalente larghezza di banda. Però, poiché la larghezza di
banda di un ricevitore, a compressione é più grande, le prestazioni risultano inferiori.
La probabilità d'intercettazione POI, può essere molto alta e raggiungere il 100% se il tempo di scansione dell'O.L. è inferiore alla durata del segnale d'interesse.
Il segnale in uscita risulta distorto a causa del filtro a dispersione, infatti l'impulso presente all’uscita di quest’ ultimo, è completamente alterato nella forma rispetto al segnale originale e inoltre, le caratteristiche di modulazione, di fase e frequenza vengono altamente distorte.
La selettività e la risoluzione sono buone. Esse vengono limitate dalla capacità di distinguere i margini dell'impulso in uscita.
Il sistema può processare simultaneamente sia segnali di tipo CW, che impulsivi. Di seguito si riportano alcune caratteristiche di un ricevitore compressivo.
Intervallo di frequenza istantaneamente
analizzato
250 MHz Risoluzione in frequenza 10 MHz
Sensibilità - 90 dBm
Range dinamico 60 dB
Durata minima dell’impulso
analizzabile 500 nsec
Linea di ritardo
Oscillatore locale
∆
∆ f f’
RF fIF
FOL(t)
1
FOL
Fx
Fmin
∆
∆t t
BW f1 f2 f3 f4 f5
t f* f**
∆t*
2
3
Linea di ritardo
f* f5
f4
f3
f**
τ5
τ4
τ3
4
t
∆t’ + t(f**) t
5
Fig. 8.2
- Sì supponga un segnale in ingresso a frequenza f' compresa nell’intervallo ∆f, (1) - L'oscillatore locale compie delle scansioni periodiche fra un valore massimo fx e minimo
fmin in un periodo ∆t (2)
La combinazione fra la frequenza variabile dell'O.L. f OL(t) e la f’, provoca in uscita dal mixer, una “dispersione” della frequenza f’ per cui si ha una fIF in uscita variabile nel tempo:
fIF(t) = f OL(t) – f’
- In fig.(3) si sono indicati diversi valori di fIF : f1 > f2 > f3 >….. che si presentano in uscita in successione durante il periodo di scansione dell' oscillatore locale.
- Si nati che le frequenze d'interesse, sono quelle che ricadono entro la banda passante BW della linea di ritardo con frequenza superiore f** e inferiore f*
- Le frequenze in ingresso alla linea dì ritardo, a causa della funzione di trasferimento di quest'ultima, fig.(4),vengono compresse temporalmente in uscita, e se la funzione di trasferimento risulta essere lineare e perfettamente complementare a quella dell' O.L.(v.fig.(2)), si ha in uscita un singolo impulso.
- In fig.(4) si è tracciata la funzione di trasferimento della linea dì ritardo, dove: τ5, τ4, τ3
rappresentano i ritardi rispettivamente, per le frequenze f5, f4 e f3.
- L'impulso in uscita,fig.(5). ha un ritardo,rispetto all'istante di riferimento d'inizio della scansione dell'O.L., composto da due termini:
uno fisso t(f**) ritardo della f** frequenza superiore della banda passante della linea di ritardo,e da un termine ∆t’, che dipende dal valore della frequenza del segnale RF in ingresso, nell'esempio f’. Si ha infatti:
∆t’ è l'istante in cui la fIF raggiunge il valore f**, prima frequenza raggiunta. Si ha:
fIF(∆t’) = f** = fOL(∆t’) – f’
essendo:
fLO(t) = -Kt + fx si ha:
f** = -k∆t’ + fx – f’
da cui:
∆t’ = f** - fx + f’
K
Essendo f**, fx e K(costante) valori prefissati, si vede come ∆t’ sia direttamente proporzionale a ft, per cui l'impulso che si manifesta all'uscita della linea dispersiva,ha un ritardo che è misura della frequenza che lo ha provocato.
8.1 Linea di ritardo MSW (magnetostatic wave)
Un tipo di linea di ritardo usata dai ricevitori a compressione nel campo delle microonde, è la linea dì ritardo dispersiva lineare ad onde magnetostatiche.
Le MSW (Onde magnetostatiche), sono onde elettro magnetiche lente che si propagano in film ferromagnetici di granato di Yttrio e ferro(Y3Fe5O12 YIG).
La loro velocità è intermedia fra quella delle normali onde elettromagnetiche e quella delle onde acustiche.
Si propagano per l'effetto dominante degli accoppiamenti di spin in ferriti magneticamente polarizzate. Le principali caratteristiche sono indicate in tabella 8a.
Le MSW possono essere eccitate nei film mediante segnali a radio frequenza indotte da semplici fili disposti in prossimità della superficie e da trasduttori in microstriscia.
PROPRIETA’ DELLE MSW
Livello di potenza Dal µW al mW
Intervallo di frequenza 2 ÷ 20 GHz (nel caso di YIG)
Intervallo di velocità 3 ÷ 300 mm/µsec
Possibilità di funzioname nto Reciproco e non reciproco Alta efficienza di accoppiamento < 2 dB
Attenuazione nel mezzo 0.01 ÷ 0.1 dB/nsec
Ampiezza di banda Fino al GHz
Intervallo dinamico 50 dB
Tempi di ritardo 3 ÷ 1000 nsec
Campi magnetici di polarizzazione 0.1 ÷ 10 kOe (nel caso di YIG) Tabella 8a
Le MSW possono essere accordate su tutte le frequenze a microonde variando il campo magnetico di polarizzazione (indicato con H0 in fig.8.21) applicato esternamente.
Secondo l'orientamento di H0 rispetto al piano del campione, è possibile generare modi di superficie (MSSW) e/o di volume progressivi (MSFVW) e regressivi (MSBVW), come indicato in fig. 8.21.
Fig. 8.21
Schema di principio di dispositivi MSW. GGG è un substrato dielettrico di Granato di Gandolino e Gallio, su cui è depositato un film, sottile (punteggiato) di Granato magnetico di Yttrio e Ferro (YIG). Ho è un campo magnetico statico di polarizzazione; k è il vettore d'onda dei modi magnetostatici. Il segnale a radio frequenza (RF) viene lanciato nel film e raccolto mediante semplici trasduttori in microstriscia.
In fig.8.23 è illustrato lo schema di un ricevitore a compressione che adotta una linea di ritardo MSW.
Le sue caratteristiche sono:
- Risoluzione 12 MHz su di una banda di 650 MHz con centro a 7 GHz.
In fig.8.22 sono illustrate le curve di risposta di una linea dispersiva lineare.
Si tratta di un dispositivo MSFVW pilotato nell’intervallo di frequenza 9.5 – 10.5 GHz. Le perdite di inserzione sono dell’ordine di 12 dB con una banda passante a 3 dB, di 550 MHz (che si estende a 900 MHz nel limite di –10dB) e linearità in frequenza del ritardo, compresa entro ± 5 nsec.
FIG.8.22
Tipiche curve di risposta di un prototipo di linea di ritardo dispersiva lineare
FIG.8.23
Ricevitore a compressione (microscan). Il segnale in entrata, di frequenza ignota f1, viene miscelato con un segnale di scansione a dispersione positiva (up-chirp) e quindi attraversa una linea di ritardo MSW a dispersione negativa (down-chirp). L’uscita mostra la frequenza di entrata f1 come sequenza di singoli impulsi sull’asse dei tempi, dove il tempo è proporzionale alla frequenza
Linea di ritardo MSW dispersiva
Oscillatore locale a scansione
temporizzzatore
CRT
f1 X
AMPIEZZA
FREQUENZA
f1 f1
9. Ricevitori canalizzati
Un ricevitore canalizzato suddivide la banda RF in tanti segmenti e simultaneamente, converte ogni canale ad una comune frequenza intermedia IF.
La suddivisione in più bande dell'intervallo RF, è ottenuta mediante più filtri passa banda (fig.9.1)
Fig.9.1 RICEVITORE, CANALIZZATO
In questo ricevitore lo spettro RF viene suddiviso in più canali, ognuno dei quali viene convertito ad una frequenza intermedia.Per ogni canale vi è un rivelatore delle attività di canale, per cui il canale che risulta occupato, viene instradato per un'ulteriore analisi di precisione effettuata da,un IFM,da un ricevitore a cella di Bragg e da un altro ricevitore canalizzato.
I segnali in uscita da ciascun filtro vengono missati con una frequenza fissa fornita da un O.L. Ogni canale è come se fosse un ricevitore superet a frequenza fissa con le caratteristiche di fedeltà e sensibilità proprie di questo tipo di ricevitore. Un approccio è quello di associare a ciascun canale un processore.
Questo però, porterebbe ad un aumento notevole dei costi, del consumo e degli ingombri, per cui è necessario ricercare qualche compromesso come, ad esempio, quello di multiplessare nel tempo il segnale RF/IF, a prezzo di una diminuita probabilità di intercettazione. Oppure generare un multiplexing in frequenza delle varie IF relative ad ogni canale.
DIVISORE DI POTENZA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
FILTRO P.BANDA
Divisore di potenza
Divisore di potenza
Divisore di potenza
Divisore di potenza Divisore di
potenza
SWITCH
CONTROLLER DI SISTEMA
x
x
x
x
x
A ulteriore canalizzazione o ad un ricevitore a cella di Bragg o ad un ricevitore IFM
Informazione approssimata dell’occupazione del canale
Oscillatori locali RF
Comando commutazione
Fig.9.2 Un ricevitore canalizzato consente il processo simultaneo di più segnali i quali seguono dei tragitti separati.
Anche quest'ultima soluzione presenta un inconveniente che è quello di creare delle ambiguità nel flusso di dati da processare.
Lo scopo del multiplex,nel tempo o in frequenza, è quello di riunire,in un singolo canale, il segnale e dì conseguenza diminuire il numero di dispositivi che debbono analizzarlo.
Un approccio diretto per evitare gli inconvenienti descritti, è quello di adottare una canalizzazione a larga banda, per esempio. 500 MHz, e sfruttare la presenza di un picco di energia in uno di questi canali per sintonizzare un oscillatore locale che converte il canale attivo in una seconda frequenza intermedia che viene analizzata da un set di rivelatori specializzati nell'analisi del segnale, come un processore opto-acustico o un ricevitore a microscansione o un IFM.
Tali dispositivi possono effettuare una misura dì precisione nel canale selezionato (v.fíg.9.1).
Questa tecnica richiede tempi di commutazione fra i canali selezionati estremamente brevi dell'ordine di 30 ÷ 40 nsec o meno, ciò consente di processare il segnale impulsivo con la minima perdita d'informazione.
La sensibilità di un ricevitore canalizzato é eccel lente, poiché in pratica si tratta di più ricevitori supereterodina.
Si può ottenere una POI vicina al 100%, dipendendo quest’ ultima, dal grado di canalizzazione e dal tipo di processore di segnale impiegato.
La selettività e la risoluzione sono eccellenti, limitate esclusivamente dal numero di canali. La fedeltà è prossima a quella di un processo supereterodina.
Naturalmente un ambiente con forte attività radioelettrica può produrre un flusso di dati altamente variabile, in questo caso sono necessarie delle tecniche di analisi sofisticate (per es.filtri adattativi), per evidenziare í segnali d' interesse.
Un sistema canalizzato risulta essere, da quanto visto, abbastanza complesso e costoso anche se i recenti sviluppi tecnologici dei filtri ad onda superficiale (SAW-filter), ha consentito una sostanziale diminuzione del costo del sistema.
I maggiori pregi del ricevitore canalizzato sono di essere immune al problema della sovrapposizione degli impulsi (segnali che arrivano al ricevitore contemporaneamente). Esso però, richiede per essere completo, un processo di demodulazione ulteriore che può essere effettuato con tecniche IFM, opto-acustiche o altre.
Si riportano di seguito le principali caratteristiche di un tipico ricevitore canalizzato.
Larghezza di banda
istantaneamente canalizzata 1280 MHz
Risoluzione in frequenza 500 MHz
Sensibilità - 72 dBm
Range dinamico 70 dB
Capacità di analisi per impulsi di
durata minima 100 nsec
10. Ricevitori Opto-Acustici
Questo tipo dì rivelatori sfrutta l' interazione tra un'onda acustica e un'onda luminosa che si propaga attraverso un cristallo.
Alcuni cristalli (v.fig.10.1), supportano onde acustiche nel campo dei GHz e quando vengono attraversati da un raggio di luce proveniente da una sorgente laser, questo viene deviato all' interno del cristallo
Fig.10.1
Il raggio laser viene deviato(scattering) di un angolo proporzionale al rapporto fra la lunghezza, d'onda della luce e quella dell'onda sonora all' interno del cristallo. Il raggio deflesso incide su di una matrice di fotodiodi.
di un angolo proporzionale al rapporto fra la lunghezza d'onda della luce e quella del suono.
L'angolo di diffusione (Angolo di Bragg), corrisponde all'interferenza costruttiva che si ha a causa della riflessione dei successivi fronti d’ onda del raggio di luce coerente e l’onda sonica.
Il raggio luminoso è fornito da una sorgente laser quindi a lunghezza d'onda fissa. Mentre l'onda acustica è ottenuta sollecitando il cristallo per mezzo di un trasduttore piezoelettrico sollecitato dal segnale RF da analizzare. L'onda acustica fa variare l' indice di rifrazione cosicché l'angolo di Bragg viene modulato dal segnale le RF.
La luce, attraversato il cristallo, va ad Incidere su di una matrice di foto-detettori costituita da foto-diodi. La lettura del segnale elettrico, presente all'uscita dei foto-detettori, avviene di solito, non in parallelo ma con una tecnica multiplex che fornisce quindi le tensioni in modo seriale.
Questa costituisce una limitazione al fine di poter processare in real-time il segnale.
In fíg.10.2 e illustrato un sistema ricevente basato su di una cella di Bragg.
Luce riflessa
RF
Trasduttore pizioelettrico Luce incidente Angolo di Bragg
Substrato acustico-ottico
Onda sonora
Angolo di diffusione (scatering) proporzionale al rapporto fra le lunghezze d’onda :
λ (luce)/λ(suono)
Fig.10.2
Un ricevitore a cella di Bragg consiste dì una sorgente laser che attraversa un materiale cristallino acusticamente eccitato da un segnale RF
Un ricevitore completo ha in genere un front-end canalizzato.
Si adotta poi un convertitore (v.fig.10.3), che converte ad una IF di 2 ÷ 4 GHz e un secondo convertitore sintonizzabile alla cui uscita si ha una IF compatibile con il range di funzionamento della celle di Bragg, che attualmente possono lavorare in banda L ( 390 ÷ 1550 MHz) anche se sono in via di sviluppo substrati che supportano frequenze più elevate (1.55 ÷ 5.20 GHz).
Fig.10.3
Il front-end risulta canalizzato, ad esso segue un convertitore sintonizzabile(a passi di 1 MHz). Questo Sistema consente di operare in un ambiente radioelettrico a grande attività con un' alta POI e con una risoluzione in frequenza di circa ± 1MHz
La larghezza di banda istantanea risulta essere tipicamente di 500MHz, con una risoluzione di 2 MHz, anche se presto saranno disponibili matrici composte da migliaia di foto-ricettori che consentiranno una larghezza istantanea di analisi che potrà estendersi fino a 2 GHz con una risoluzione di 2 MHz.
Le limitazioni, in termini di larghezza istantanea di banda esaminata e di intervallo dinamico, sono dovute ai rivelatori a foto-diodi.
Il sistema lavora abbastanza bene per segnali dì tipo CW, ma la sensibilità decresce rapidamente In presenza di segnali di tipo impulsivo e al diminuire della durata degli impulsi.
In fig.10.4 è illustrato l'andamento della sensibilità di un foto -detettore in presenza di segnali impulsivi o che comunque presentano un certe duty-cycle.
Downconverter canalizzato (passi di 2 GHz) 12-18 GHz
8-12 GHz 4-8 GHz
2-4 GHz 0.1-2 GHz
Downconverter sintonizzabile a
sintesi (passi 1 MHz)
Processore a celle di Bragg 1^ IF
tip.2-4 GHz 2^ IF
750-1250 MHz DATI
USCITA Cella
di Bragg laser
laser
Lenti di collimazione
Lenti di correzione
Sorgente RF
Lenti di ricollimazione
Array di fotodetettori Lenti
di rivelazione
Fig.10.4
La sensibilità degli attuali foto-recettori a cella di Bragg, è limitata per segnali impulsivi o con un basso duty-cycle. La sensibilità decresce rapidamente per larghezze d'impulso inferiori a 1 ÷ 5 µsec. Gli sviluppi attuali cercano di ovviare a questo limite sviluppando matrici che rivelino i valori di picco dei segnali, cioè foto-diodi con caratteristiche elettriche equivalenti a quelle dì un circuito “sample-hold”.
Si vede come la sensibilità decresca rapidamente per impulsi la cui durata sia inferiore a 5 µsec.
Questo avviene poiché i detettori sono sensibili all' energia incidente. Ciò comporta anche l'impossibilità di determinare il PRI e la larghezza dell' impulso a causa dell'effetto di integrazione operato dal rivelatore.
Si stanno quindi sviluppando dei foto-diodi sensibili, al picco di energia dai quali ci si aspetta una migliore sensibilità.
Il sistema Illustrato ha la capacità di processare simultaneamente un gran numero di segnali di tipo CW, pulsanti e ‘frequency hopping'.
Si riportano le caratteristiche principali di un sistema ricevente canalizzato con analisi IF a celle di Bragg.
Range di frequenza 0.5 ÷ 18 GHz
Larghezza di banda istantanea 500 MHz
Range dinamico 35 dB
Risoluzione in frequenza 2 MHz
Sensibilità - 67 dBm
Risoluzione minima fra due segnali
simultanei 3 MHz
Accuratezza nella determinazione
della frequenza ± 1 MHz
Durata minima dell’impulso rilevabile
8000 nsec
11. Confronto tra le tecnologie esaminate
Nessuna delle tecnologie esaminate risulta essere prevalente in termini di prestazioni.
Una soluzione può essere quella di combinare più di una delle tecniche illustrate per ottenere delle prestazioni migliori.
-44 -54 -64 -84 -94
Sensibilità dBm
0.01 0.1 1.0 10 100 500
Larghezza dell’impulso in µsec
Array integrata di fotorivelatori Array di foto
diodi rivelatori di picco
