Prijem S-band telemetrijskog signala -

dokumentacija

David Pavlovice-mail: david.pavlovic@fer.hr

14. sijecnja 2019.

Sadrzaj

1 Opis zadatka 2

2 Prijamnik koristen za zadatak 22.1 Instalacija drivera za prijamnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 Opis antene 43.1 Dimenzije i parametri antene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Prijem signala pomocu SDR# 64.1 Proracun veze (link budget) satelita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5 Za daljnji rad 7

6 Dodatak: povezivanje SDR prijemnika s MATLAB okruzenjem 7

1

1 Opis zadatka

Zadatak je primiti, demodulirati i prikazati telemetrijske podatke sa satelita koji ih odasilje na pocetkutzv. S frekvencijskog pojasa (S band) u rasponu od 2 do 2.4 GHz. Vise o dopustenim frekvencijamaza komunikaciju satelit - Zemlja moguce je pronaci na https://narodne-novine.nn.hr/clanci/

sluzbeni/2017_04_32_725.html. Satelit odreden za ovaj zadatak je Landsat 7 koji odasilje tele-metriju na frekvenciji od 2287.5 MHz, a vise informacija o satelitu i njegovoj misiji je dostupno nahttps://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/l/landsat-7.

2 Prijamnik koristen za zadatak

Kao prijamnik za ovaj zadatak odabran je Nooelecov NESDR SMArTee XTR SDR (Software definedradio) (https://www.nooelec.com/store/sdr/sdr-receivers/nesdr-smartee-xtr-sdr.html) zbognjegove gornje granice frekvencijskog podrucja rada do otprilike 2350 MHz. Ovaj SDR koristi ElonicsovE4000 tuner (datasheet https://www.nooelec.com/store/downloads/dl/file/id/14/product/267/e4000_datasheet.pdf) i RTL2832U cip kao demodulator i USB sucelje za racunalo.

2.1 Instalacija drivera za prijamnik

Instalacija drivera za SDR prijemnik je sljedeca:

1. sa https://airspy.com/?ddownload=3130 preuzeti program SDR#

2. raspakirati preuzetu datoteku

3. unutar raspakirane datoteke pokrenuti skriptu pod nazivom install-rtlsdr.bat koji ce pokre-nuti command prompt, a nakon zavrsetka ce se sam zatvoriti i u direktoriju bi trebali biti vidljivifajlovi rtlsdr.dll i zadig.exe

4. ukoliko se rtlsdr.dll nije ispravno instalirao potrebno ga je rucno instalirati prema upu-tama s https://www.rtl-sdr.com/manual-installation-of-sdr/, a ukoliko nedostaje fajlzadig.exe potrebno ga je preuzeti s https://zadig.akeo.ie/ i .exe fajl kopirati u SDR#direktorij

5. ukljuciti SDR prijemnik u USB port i pocekati da Windowsi zavrse automatsku instalaciju drivera(nece uspjeti ili ce se instalirati DVB-T TV driveri koje je potrebno obrisati)

6. iz SDR# direktorija pokrenuti zadig.exe uz administratorske ovlasti

7. ukoliko se pokaze poruka ”This app can’t run on your PC” obrisite fajl zadig.exe i preuzmite ikopirajte zadig fajl iz koraka 4. u raspakirani direktorij

8. kada se otvori program odabrati Options - List all devices i u padajucem izborniku bi setrebao pokazati uredaj pod imenom RTL2838UHIDIR, tj. kao na Slici 1

Slika 1: Primjer uspjesno prepoznatog SDR prijemnika

9. obavezno mora pisati WinUSB desno od zelene strelice, a USB ID bi trebao glasiti 0BDA 2838

10. instalirajte drivere klikom na Replace Driver (na Slici 1 pise Reinstall Driver jer su driveriu trenutku uzimanja slike vec bili instalirani)

11. ukoliko se pokaze sigurnosno upozorenje potrebno je samo nastaviti instalaciju

12. pokrenuti SDRSharp.exe radi provjere rada prijemnika

13. u prvoj kartici Source s lijeve strane programa potrebno je odabrati RTL-SDR (USB) i pokrenutiprijem klikom na trokutic (Start)

14. ukoliko je sve proslo u redu, program bi trebao prikazivati primljeni ”signal” kao na Slici 2

2

Slika 2: Primljeni ”signal” s prijemnika (bez antene)

15. kao sto se vidi na Slici 2, prisutna je ”spica” na sredini spektra koja je neovisna o odabranojsredisnjoj frekvenciji, a posljedica je same izvedbe prijemnika, moguce ju je ukloniti softverskitako da se u opcijama (pored Start gumba) ukljuci Offset tuning nakon cega bi spica trebalabiti uklonjena

16. za sva dodatna pitanja ili probleme oko instalacije drivera ili programa potraziti rjesenje nahttps://www.rtl-sdr.com/rtl-sdr-quick-start-guide/.

3

3 Opis antene

Za ovaj zadatak predvideno je koristenje helikoidne antene zbog njezine jednostavne izvedbe. Izradenaantena prikazana je na Slici 3. Antena se sastoji od ploce za uzemljenje (ground plane) na koju jenaljepljena plasticna cijev koja sluzi kao potporanj namotanoj zici. Utjecaj plasticne cijevi testiran jeu mikrovalnoj pecnici tako da je nakratko ostavljena u njoj, a nakon sto je bila izvadena iz nje nijezabiljezeno povecanje temperature (za sva pitanja oko antene/a slobodno se obratite docentu MarkuBosiljevcu sa Zavoda za radiokomunikacije). Oko cijevi je namotana bakrena zica u obliku spirale(helikoide), a na kraju zice je zaljepljena vodljiva traka koja sluzi za prilagodbu impedancije antene na50Ω potrebnih za SMA konektor koji koristi prijemnik. SMA prikljucak nalazi se s donje strane antenei kablom se povezuje na SDR prijemnik. Polarizacija antene je lijeva kruzna polarizacija (LHCP).

Slika 3: Izradena helikoidna antena

3.1 Dimenzije i parametri antene

U Tablici 3.1 popisane su sve dimenzije i procijenjeni parametri antene. Vise detalja o geometrijihelikoidne antene moguce je pronaci u knjizi Osnove antena: Teorija i primjeri autora Sinise Skokica.

Velicina Formula Iznos

D - promjer helikoide λπ 4.17 cm

C - opseg helikoide πD 0.131 mS - razmak izmedu zavoja C · tg(α) 3.02 cm

α - kut rasta α = arctg( SπD ) 13°

l - duljina jednog zavoja√C2 + S2 0.134 m

n - broj zavoja − 3L - ukupna duljina zice n · l 0.403 m

A - osna duljina n · S 9.06 cmd - promjer zice − 1.5 - 2 mm

D - usmjerenost ≈ 12(Cλ )2 n(Sλ ) ≈ 8.3 dBi

Z - impedancija ≈ 140Cλ ≈ 140Ω

Tablica 1: Dimenzije i procijenjeni parametri antene

Na Slici 4 prikazan je graf izmjerenog faktora refleksije Γ (S11 parametara) izradene antene. Faktorrefleksije je parametar koji govori koliko se primljene snage reflektira natrag u izvor ili okolinu. Uidealnom slucaju se snaga uopce ne bi reflektirala sto bi odgovaralo faktoru refleksije od −∞ dB, no ustvarnosti to nije slucaj pa je antena upotrebljiva u frekvencijskim podrucjima gdje je faktor refleksijemanji od -10 dB (ta granica je oznacena na Slici 4 crtkanom linijom).

4

Slika 4: Izmjereni faktor refleksije Γ izradene antene

Anteni je jednostavnim postupkom mjerenja (okvirni rezultati) izmjeren i dijagram zracenja, arezultati su prikazani na Slici 5. Dijagram je normiran tako da 0 dB odgovara kutu koji se poklapasa osi antene1. Antena je nakon tih mjerenja bila slomljena i ubrzo popravljena kakva je u sadasnjem

-60 -40 -20 0 20 40 60

kut [°]

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Slika 5: Dijagram zracenja izradene antene

stanju. Nakon popravka ponovo je izmjeren faktor refleksije koji je prikazan na Slici 6, no oba grafaimaju slicna frekvencijska podrucja koja su ispod granice od -10 dB. Daljnji koraci vezani za antenu:

a) izmjeriti dobitak antene

b) izraditi antenu s vise navoja koja bi imala bolje karakteristike (ukoliko trenutna ne zadovoljavaza izvrsenje zadatka)

c) izraditi postolje za usmjeravanje antene u zeljenom smjeru

1zbog pomalo nesimetricne izrade antene, dijagram zracenja se ne poklapa tocno s osi antene, pa je i to potrebnouzeti u obzir

5

Slika 6: Ponovo izmjereni faktor refleksije Γ izradene antene

4 Prijem signala pomocu SDR#

Antena se na SDR prijemnik spjama SMA kablom, a ispravnost rada cijelog sustava moze se provjeriti uSDR#-u. Nakon paljenja programa, centralna frekvencija moze se namjestiti na jednu od FM postaja urasponu od oko 88 - 108 MHz ili na frekvenciju oko 800 MHz gdje ni trebali biti prisutni signali izrazenesnage. Prije pustanje prijemnika u rad potrebno je odrediti njegovo pojacanje kako bi mogao primatisignale niske snage. Pojacanje se moze namjestiti klikom na gumb Options, te rucno odabrati zeljenopojacanje ili odabrati opciju Tuner AGC tako da prijemnik automatski odreduje potrebno pojacanjena temeljnu procjene ulazne snage. Primjer signala s radio postaje Radio 101 prikazana je na Slici 7.Ukoliko je primljen slican signal, to znaci da antena i prijemnik rade ispravno.

Slika 7: Prikaz spektra primljenog signala radijske stanice Radio 101

4.1 Proracun veze (link budget) satelita

Da bi se signal sa satelita uspjesno primio i dekodirao potrebno je da snaga signala na ulazu u prijamnikbude veca od osjetljivosti prijemnika. Primljena snaga moze se izracunati (procjeniti) iz formule

Prx [dBW ] = Ptx [dBW ] +Gains [dB]− Losses [dB] (1)

gdje je Ptx snaga odasiljanja, Gains su svi dobitci, a Losses su svi gubitci u komunikacijskom sustavu.Prema podatcima o misiji Landsat 7 satelita, njegova snaga odasiljanja je 5W odnosno 37 dBm.Medutim, zbog cinjenice da antena na satelitu ne zraci jednaku snagu u svim smjerovima, za proracun

6

veze potrebno je tu snagu izraziti preko velicine koja se naziva EIRP (Effective Isotropic RadiatedPower) koja se racuna prema

EIRP [dBW ] = Ptx [dBW ]− L [dB] +G [dBi] (2)

gdje su s L oznaceni svi gubitci u odasiljacu, a G je pojacanje odasiljacke antene koje se za Landsat7 procjenjuje na 3 dBi. Uz zanemarenje svih gubitaka u satelitu, EIRPtx [dBm] tada iznosi 40 dBm.Najvece gusenje signala uzrokuje njegova progapacija kroz slobodan prostor (free space loss), a gubitakse racuna prema

Lfsl [dB] = 20 log10

(4π d

λ

)(3)

gdje je d udaljenost satelita od prijemnika, a λ valna duljina odasiljanog signala. Za Landsat 7 najmanjaudaljenost od prijemnika iznosi 705 km (visina njegove orbite), a valna duljina se moze izracunati izfrekvencije odasiljanja koja iznosi 2287.5 MHz. Dobitak prijemne antene moze se izmjeriti ili procjenitiprema izrazu iz Tablice 3.1 tako da se parametar usmjerenosti pomnozi s iskoristivosti antene kojase uobicajeno uzima da iznosi 0.7. Ovaj jednostavan proracun veze prikazan je na Slici 8, medutimu njemu su zanemareni svi ostali gubitci poput gubitka u vodovima, gusenje kise, nepopudaranjepolarizacije, suma prijemnika i ostalih, pa bi za precizniji proracun veze i te gubitke trebalo ukljucitiu izracun.

705 1000 1500 2000 2500 3000

Slant range [km]

-126

-124

-122

-120

-118

-116

-114

-112

-110

Re

civ

ed

po

we

r [d

Bm

]

Link budget estimation

Slika 8: Jednostavan proracun veze za prijem telemetrijskog signala sa Landsat 7 satelita pomocuizradene antene i SDR prijemnika

5 Za daljnji rad

Uz sve navedeno, potrebno je ispitati moze li se primiti signal s trenutnom antenom. Ukoliko to nijemoguce potrebno je koristiti LNA (low noise amplifier) u kombinaciji s downconverterom koji bi signalspustio na medufrekvenciju nizu od one kojom se odasilje signal. Ovakvu konfiguraciju prijemne stranepokazao je gospdin Zeljko Ulip iz Radiokluba Zagreb na njegovom predavanju o Radioamaterskimsatelitskim komunikacijama odrzano 11. sijecnja 2019. godine. Kod prijemnika je takoder zamijecena”grba” u spektru primljenog signala koja se javljala pri frekvencijama na rubu njegovog ispravnograda, a uzrok te grbe trenutno nije poznat, pa bi spomenuto rjesenje bilo prikladno da ta grba neizoblicuje primljeni signal. Buduci da nije poznata polarizacija signala koji se odasilja sa satelita,moguci uzrok slabog prijema signala je i nepodudarnost polarizacija signala i izradene antene pa biantena prigusivala takav signal. Spomenuti problemi kod prijema mogu se rijesiti pronalaskom novogsatelita koji bi odasiljao signal vecom snagom i jednakom polarizacijom kao i polarizacija antene.

6 Dodatak: povezivanje SDR prijemnika s MATLAB okruzenjem

SDR prijemnik je moguce povezati s MATLAB okruzenjem i u njemu razviti algoritme ili blokovskedijagrame u Simulinku za demodulaciju i dekodiranje signala. Na linku https://www.desktopsdr.

com/download-files dostupna je besplatna knjiga o koristenju Matlaba i SDR prijemnika u kojoj senalaze sve dodatne upute za povezivanje prijemnika s Matlabom. Uz knjigu je moguce skinuti i vecpripremljene primjere koji su detaljnije objasnjeni u knjizi.

7