W. THOROSSIAN 21-04-2004

1. W. THOROSSIAN 21-04-2004 W. THOROSSIAN 21-04-2004

2. Argomenti: • Antenne – principi generali • Radio modem – principi ed applicazioni • Progettare una rete per trasmissione dati • Normative • Tecniche di misura

3. ANTENNE – principi generali Un sistema di antenna ben progettato rende in ricezione più di un perfetto preamplificatore e in trasmissione più di un potente amplificatore finale.

4. ANTENNE – principi generali Il meccanismo dell’irradiazione di onde in presenza di un campo elettromagnetico può essere resa plausibile attraverso un modello semplificato e incompleto, ma che serve ad illustrare (se pur parzialmente) il meccanismo secondo il quale un filo rettilineo, attraverso il quale viene fatta passare una corrente alternata, genera un campo elettromagnetico che si estende progressivamente nello spazio circostante.

5. ANTENNE – principi generali Vi è un parametro, “lunghezza d’onda”, che misura la distanza ovvero lo spazio intercorrente fra i picchi successivi nell’intensità del campo : Velocità di propagazione [m/sec] λ [metri] = ------------------------------------------------ Frequenza [Hz] cambiando scala: 300 λ [metri] = ------------------------------------------------ Frequenza [MHz]

6. ANTENNE – principi generali Sulla lunghezza di un filo che risuona su una determinata frequenza, risultano distribuiti dei ben definiti valori di tensione e di corrente:

7. ANTENNE – principi generali Gli scopi “istituzionali” di una antenna che si rispetti sono dunque : “risuonare” ed “irradiare”. Queste due modalità di funzionamento comportano delle caratteristiche generali la cui conoscenza è determinante nel definire i parametri di impiego di una qualsiasi antenna. Le più importanti caratteristiche generali sono: • Resistenza d’irradiazione e Impedenza • Polarizzazione e Diagramma di irradiazione • Direttività e Guadagno • Larghezza di banda

8. ANTENNE – principi generaliRESISTENZA D’IRRADIAZIONE E IMPEDENZA Quando viene “travasata” potenza da un trasmettitore ad un’antenna, il grosso della potenza ne viene irradiato. Poiché la potenza può essere solamente perduta (o dissipata) in una resistenza, è allora conveniente considerare la potenza irradiata dall’antenna, come fosse dissipata, sotto forma di calore, in una resistenza fittizia che viene appunto chiamata “Resistenza d’irradiazione”.

9. ANTENNE – principi generaliRESISTENZA D’IRRADIAZIONE E IMPEDENZA Se tensione e corrente sono esattamente in fase, l’impedenza è puramente resistiva e quindi consisterà solo della resistenza d’irradiazione; se l’antenna non è esattamente risonante, la corrente risulterà più o meno sfasata rispetto alla tensione applicata, e l’antenna mostrerà, assieme alla resistenza, della reattanza.

10. ANTENNE – principi generaliRESISTENZA D’IRRADIAZIONE E IMPEDENZA La scelta del punto di alimentazione di una antenna è determinante in quanto, conducendo a diversi valori di impedenza si rischia di non avere un adattamento corretto con i cavi coassiali commerciali che hanno una impedenza tipica di 50 ohm e di 75 ohm:

11. ANTENNE – principi generaliRESISTENZA D’IRRADIAZIONE E IMPEDENZA Per verificare se esistono dei disadattamenti tra l’impedenza dell’antenna e quella del cavo coassiale si usa uno strumento chiamato Misuratore di ROS (Rapporto di Onde Stazionarie) conosciuto anche come SWR (Standing Wave Radio):

12. ANTENNE – principi generaliPOLARIZZAZIONE E DIAGRAMMA DI IRRADIAZIONE Con il termine “polarizzazione” ci si riferisce convenzionalmente alla direzione del campo elettrico emesso dall’antenna. • Un segnale con polarizzazione orizzontale presenta il vantaggio di risultare meno influenzabile da disturbi di origine elettrica ed atmosferica. • Un segnale con polarizzazione verticale presenta il vantaggio di avere un lobo di irradiazione (vedremo poi di cosa si tratta) molto basso rispetto al suolo, quindi permette di raggiungere distanze maggiori.

13. ANTENNE – principi generaliPOLARIZZAZIONE E DIAGRAMMA DI IRRADIAZIONE Un altro parametro che bisogna tenere bene a mente quando si installa una antenna è l’ altezza dal suolo.

14. ANTENNE – principi generaliPOLARIZZAZIONE E DIAGRAMMA DI IRRADIAZIONE Per rappresentare in modo completo il comportamento di un’antenna nei confronti della direzione del segnale si usano i cosiddetti “diagrammi di irradiazione” riferiti ai due piani più importanti, cioè orizzontale e verticale:

15. ANTENNE – principi generaliDIRETTIVITA’ E GUADAGNO La proprietà di un’antenna, d’irradiare più intensamente in alcune direzioni che in altre, è indicata come “direttività” dell’antenna. Le misure di direttività e guadagno si effettuano introducendo il cosiddetto radiatore isotropico che è una antenna ideale presa a riferimento.

16. ANTENNE – principi generaliLARGHEZZA DI BANDA La larghezza di banda di un’antenna definisce la massima variazione in frequenza ammissibile rispetto al centro frequenza che corrisponde alla risonanza della stessa, entro la quale l’antenna presenti un ROS accettabile.

17. ANTENNE – principi generaliANTENNE DIRETTIVE TIPO YAGI Hidetsugu Yagi (Osaka 1886 - Tokyo 1976)

18. ANTENNE – principi generaliANTENNE DIRETTIVE TIPO YAGI Più aumenta il numero di direttori più aumenta il guadagno espresso in dB. • ESEMPIO: Il trasmettitore eroga una potenza di 60W e l’antenna ha un guadagno di 9,5dB : 60 X 8,913 = 534W ->potenza equivalente

19. RADIOMODEM – principi ed applicazioni Il radiomodem impiegato dall’ INGV per gli scopi di trasmissione dati via radio provenienti dalla stazione GAIArda è il modello SATELLINE 3AS della SATEL Finlandese ed importato dal distributore esclusivo per l’Italia SARTELCO SISTEMI S.r.l. :

20. RADIOMODEM – principi ed applicazioni Lo schema a blocchi di funzionamento è il seguente:

21. RADIOMODEM – principi ed applicazioni Le caratteristiche tecniche principali di entrambe i modelli sono: RADIO TRANSCEIVER • Frequency Range : 380 … 470 MHz / 869.400 … 869.650MHz • Channel Spacing : 12.5KHz / 25KHz • Number of channel: 160 / 80 • Modulation : FSK • Communication Mode : Half Duplex RADIO TRASMITTER • Carrier Power: 10mW .. 1W /50ohm (10mW .. 500mW /50ohm for 869MHz version) • Adjacent channel power: according to ETS 300 113 • Spurious Radiation’s: according to ETS 300 113 • EMC-Requirements: according to ETS 300 279 RADIO RECEIVER • Sensitivity: -116 … -110dBm (BER <10E-3) • Intermodulation Attenuation: >65dB • Spurious radiation’s: <2nW MODEM • Interface: RS-232 or RS-485, RS-422 • Interface connector: D15, female • Data Speed of serial interface: 300 – 38400 bps • Data Speed of Radio interface: 19200 bps (25KHz channel), 9600bps (12.5KHz channel) • Data format: Asynchronous RS-232 or RS-422, RS-485 GENERAL • Operating voltage: +9 … + 30Vdc • Power Consumption: 2… 8W • Operating Temperature: -25°C…+55°C • Antenna Connector: TNC, 50ohm, female • Size: 151 x 123 x 29mm • Weight: 550g 3AS 3AS Epic

22. RADIOMODEM – principi ed applicazioniL’INTERFACCIA RS-232 PIN DI COLLEGAMENTO DEL RADIO MODEM

23. RADIOMODEM – principi ed applicazioniL’INTERFACCIA RS-232 PIN DI COLLEGAMENTO DEL RADIO MODEM Descrizione delle funzioni delle linee: • DTR Opera come un interruttore ON/OFF del modem • CD Si attiva in presenza di un segnale che superi il livello di sensibilità del modem sul canale radio in uso 8può anche essere influenzato da interferenze radio) • RSSI Misura l’intensità del segnale radio ricevuto (valori da 1V a 5V): • CTS Indica quando il radio modem è pronto a ricevere dati dall’interfaccia RS-232 • SGND E’ la massa del segnale per RSSI. All’interno del modem coincide con il pin 8 • GND E’ il polo negativo dell’alimentazione. All’interno del modem coincide con il pin 7 • RD Uscita dei dati ricevuti • DSR Indica lo stato “ON” del modem • TD Ingresso dei dati da trasmettere • MODE Quando la linea 12 è aperta, il radio modem è in modalità “DATA” ed è pronto per ricevere o trasmettere i dati. Quando la linea è connessa a massa (pin 8) il radio modem è in modalità “PROGRAM” (programmazione). • RTS Previene il trasferimento dei dati ricevuti dal modem sulla linea RD • VB+ Polo positivo di alimentazione. Esistono due pin dedicati a questo scopo nel caso in cui si vogliono effettuare controlli sul valore effettivo della tensione oppure nel caso si debba alimentare il radio modem con due sorgenti.

24. RADIOMODEM – principi ed applicazioniTRASMETTERE CON IL RADIO MODEM Il SATELLINE 3AS è pronto a trasmettere i dati 400ms dopo essere stato alimentato e dopo che il DTR si è commutato su “ON”. Esistono due differenti modalità per iniziare la trasmissione: • Trasmissione basata sull’handshaking del CTS o del CD. • Trasmissione dati con connessione direttamente sul TD.

25. RADIOMODEM – principi ed applicazioniRICEVERE CON IL RADIO MODEM Il SATELLINE 3AS è pronto a ricevere i dati 400ms dopo essere stato alimentato e dopo che il DTR si è commutato su “ON”. Per rendere disponibile sul pin 5 del connettore D15 del radio modem la funzione RSSI funzione, occorre fare una modifica (reversibile) interna all’apparato.

26. RADIOMODEM – principi ed applicazioniRICEVERE CON IL RADIO MODEM L’abilitazione di questo pin alla funzione RSSI può come dicevo tornare utile in fase di installazione del sistema per il corretto posizionamento delle antenne. Infatti può essere abilitata una funzione di TEST MODE che permette di spedire pacchetti sul canale radio in due modalità: • Short block test • Long block test In questa maniera, disponendo di un segnale noto, si può in entrambe le direzioni, posizionare le antenne (lato TX e lato RX) fino ad ottenere il segnale massimo risultante dal pin dell’RSSI.

27. RADIOMODEM – principi ed applicazioniPROGRAMMAZIONE DEL RADIO MODEM Il SATELLITE 3AS normalmente, quando la line 12 del connettore D15 è aperta, si trova in DATA MODE, cioè in uno stato che gli consente di effettuare la trasmissione dei dati. Quando invece la linea 12 viene messa a massa (GND) il modem commuta in PROGRAM MODE e la porta seriale viene impostata a 9600 bps, N, 8, 1. A questo punto le caratteristiche del Radiomodem possono essere cambiate:

28. PROGETTARE UNA RETE PER TRASMISSIONE DATI VIA RADIO I fattori che influenzano la qualità e l’area di copertura di un segnale radio sono: • Potenza dei trasmettitori • Sensibilità dei ricevitori • Tolleranza delle radiazioni spurie sul segnale di modulazione radio (Reiezione al canale adiacente, selettività IF, attenuazione da intermodulazione, attenuazione delle radiazioni spurie) • Guadagno delle antenne in trasmissione ed in ricezione • Perdite sul cavo coassiale di antenna • Altezza delle antenne trasmittenti e riceventi • Presenza di ostacoli naturali • Interferenze causate da altri apparati emittenti

29. PROGETTARE UNA RETE PER TRASMISSIONE DATI VIA RADIO Prendendo come riferimento per le installazioni, le caratteristiche del radio modem di tipo SATELLINE 3AS, con una potenza di 1W e con una sensibilità del ricevitore dichiarata di -108dBm, in spazio libero e con un’antenna da 1/4 d’onda (guadagno 1dBi) posta ad un’altezza di 1 metro da terra, si possono raggiungere distanze di 3 … 4Km. La distanza può essere migliorata raggiungendo anche i 30Km a seconda delle condizioni topografiche, mettendo apposite antenne direttive di tipo YAGI o Corner Reflector:

30. PROGETTARE UNA RETE PER TRASMISSIONE DATI VIA RADIO Situazioni particolari possono essere risolte installando dei ripetitori intermedi (relay station):

31. PROGETTARE UNA RETE PER TRASMISSIONE DATI VIA RADIOINSTALLAZIONE DELL’ ANTENNA Quando si installa un’antenna è necessario tenere in considerazione anche i seguenti parametri: • Presenza nelle vicinanze di stazioni base per telefonia cellulare • Presenza di trasmettitori televisivi • Presenza di altri radio modem in attività • Presenza di Computer nel raggio di 5m dal radio modem

32. PROGETTARE UNA RETE PER TRASMISSIONE DATI VIA RADIOINSTALLAZIONE DELL’ ANTENNA E’ spesso necessario installare l’antenna in posizione remota rispetto al radio modem. Il cavo per collegare il radio modem all’antenna deve essere scelto tenendo in considerazione i seguenti dati:

33. NORMATIVE La materia di normative è molto complessa ed articolata comunque importanti documenti in materia di telecomunicazioni via radio sono: • DPR del 5 Ottobre 2001 n. 447 – Regolamento recante disposizioni in materia di licenze individuali e di autorizzazioni generali per i servizi di telecomunicazione ad uso privato. • Raccomandazioni CEPT/ERC/REC 70-03 Principalmente le applicazioni principali sono riassunte nella seguente tabella:

34. NORMATIVE

35. TECNICHE DI MISURA Gli strumenti e gli accessori normalmente impiegabili per effettuare misure e rilevamenti (bonifiche del territorio) per la corretta installazione di sistemi radio modem, sono di seguito elencati: • Analizzatore di spettro • Ros-Wattmetro • Carico fittizio • Set adattatori • Antenne (direttive, 1/4 d’onda) • Radio modem

36. TECNICHE DI MISURAANALIZZATORE DI SPETTRO L’analizzatore di spettro è uno strumento che fornisce l’immagine, sullo schermo (tubo catodico o LCD), dello spettro di ampiezza di un segnale elettrico. Non rappresenta invece la componente continua.

37. TECNICHE DI MISURAANALIZZATORE DI SPETTRO Lo strumento che normalmente impieghiamo per questo tipo di misure, è il modello FSH3 della ROHDE&SCHWARZ:

38. TECNICHE DI MISURAROSWATTMETRO Questo strumento in realtà rappresenta l’accorpamento di due strumenti in uno e cioè : • Wattmetro ovvero misuratore di potenza in uscita dal trasmettitore • ROSMETRO ovvero misuratore di onde stazionarie

39. TECNICHE DI MISURACARICO FITTIZIO Permette di simulare l’impedenza di antenna, utile nelle fasi di test e misura in quanto a priori non si può conoscere l’effettivo adattamento del sistema. Per i nostri impieghi ha una impedenza di 50ohm

40. TECNICHE DI MISURASET ADATTATORI

41. TECNICHE DI MISURAANTENNE Antenna YAGI Antenna ¼ d’onda di tipo Ground Plane

42. TECNICHE DI MISURARADIO MODEM 3AS 3AS EPIC

43. FINE