I digitalizzatori ad alta velocità con le FPGA e il firmware per l'elaborazione dei segnali integrato di Teledyne SP Devices permettono di monitorare i segnali satellitari su più bande di frequenza in modo scalabile.

Il monitoraggio dei segnali a radiofrequenza satellitari consente l'osservazione continua delle comunicazioni via satellite e dei segnali di localizzazione e navigazione, per garantire la qualità del collegamento, rilevare le interferenze e verificare la conformità alle normative sull’occupazione dello spettro radioelettrico.

I sistemi di monitoraggio offrono una visibilità globale e coerente del comportamento dei segnali inviati ai satelliti (uplink) e ricevuti dai satelliti (downlink), un’attività fondamentale per applicazioni che vanno dalla verifica dell’integrità delle costellazioni GNSS alla sorveglianza dello spettro, dalla ricerca di interferenze e alla validazione di sistema.

Obiettivi del monitoraggio e architettura di sistema

L'obiettivo principale di un sistema di monitoraggio satellitare è garantire l'integrità dei collegamenti spazio-terra e terra-spazio. Ciò include la verifica della qualità dei collegamenti uplink e downlink, il rilevamento di interferenze involontarie o dolose e il rispetto delle normative applicabili.

Dal punto di vista architetturale, i sistemi di monitoraggio sono tipicamente strutturati attorno a tre elementi: il segmento spaziale, costituito da satelliti con transponder e antenne che operano in bande di frequenza definite; il segmento terrestre, che include stazioni di monitoraggio dotate di grandi antenne, front-end RF e digitalizzatori; e il segmento utente, dove software e hardware specializzati analizzano e visualizzano i dati acquisiti. 

Bande di frequenza e considerazioni sul campionamento

I servizi satellitari operano su bande di radiofrequenza designate, ciascuna suddivisa in sottobande per le direzioni uplink e downlink nei sistemi bidirezionali, al fine di ridurre al minimo le interferenze reciproche.

I collegamenti downlink sono solitamente assegnati alla parte inferiore di una banda, a causa della minore attenuazione atmosferica, mentre i collegamenti uplink occupano frequenze più elevate, per supportare velocità di trasmissione dati più elevate. Le definizioni delle sottobande variano a seconda del sistema; ad esempio, Galileo utilizza le designazioni “E” all'interno della banda L invece della nomenclatura “L” utilizzata da altre costellazioni GNSS.

Sottobande usate dai satelliti Galileo in banda L

Dal punto di vista del monitoraggio, questa diversità rende fondamentale la pianificazione delle frequenze e la strategia di campionamento. La frequenza di campionamento deve garantire che il segnale di interesse occupi una singola zona di Nyquist, con componenti fuori banda soppresse tramite filtraggio analogico.

Per il campionamento diretto, ciò si traduce tipicamente in frequenze minime di circa 2 Gsps per la banda L, 4 Gsps per la banda S e 8 Gsps per la banda C, supponendo che vengano applicati filtri passa-banda appropriati.

Digitalizzazione e acquisizione del segnale nel front-end

Le moderne stazioni di monitoraggio si affidano a digitalizzatori a banda larga per convertire i segnali RF analogici in flussi di dati digitali. Dispositivi come il digitalizzatore ADQ35-WB di Teledyne SP Devices supportano il campionamento diretto dei segnali in banda L e S senza miscelatori di frequenza, riducendo la complessità del sistema e le difficoltà di calibrazione.

La scheda ADQ35-WB di Teledyne SP Devices permette di campionare direttamente i segnali delle costellazioni satellitari per effettuarne l'analisi

Con una risoluzione a 12 bit e una larghezza di banda di ingresso fino a 9 GHz, tali digitalizzatori consentono di realizzare sistemi molto flessibili adatti al monitoraggio di più bande satellitari.

Gli amplificatori esterni a basso rumore e i filtri anti-alias rimangono essenziali per preservare la fedeltà del segnale e prevenire il folding spettrale durante la conversione dal segnale analogico a digitale.

La scelta della frequenza di campionamento influisce direttamente sia sull'integrità dei dati che sull'efficienza dell'elaborazione a valle. Ad esempio, il campionamento della banda L a 5 Gsps colloca il segnale interamente nella prima zona di Nyquist, mentre il sottocampionamento della banda S a 4 Gsps confina il segnale nella seconda zona di Nyquist con bande di guardia sufficienti. Al contrario, frequenze scelte in modo errato possono dividere il segnale attraverso i confini di Nyquist, introducendo un inevitabile fenomeno di aliasing.

Pre-elaborazione con FPGA e riduzione dei dati

Le velocità dei dati grezzi provenienti dai digitalizzatori a banda larga possono superare i limiti pratici di trasferimento e archiviazione. A 10 miliardi di campioni al secondo e due byte per campione, un singolo canale genera circa 20 GB/s. Per gestire questo volume di dati campionati, viene utilizzata l'elaborazione FPGA integrata per ridurre la velocità dei dati prima del trasferimento tramite collegamenti PCIe.

Due approcci sono particolarmente rilevanti per il monitoraggio satellitare. La compressione dei bit riduce il numero di bit per campione, consentendo lo streaming continuo entro i limiti di larghezza di banda del bus PCIe, preservando al contempo le informazioni a banda intera.

La conversione digitale verso il basso (down conversion) realiizzata tramite oscillatori, filtri e stadi di decimazione controllati numericamente basati su FPGA, traduce i canali RF selezionati in frequenze in banda base o intermedie. Ciò non solo riduce le velocità di trasmissione dati, ma migliora anche il rapporto segnale/rumore attraverso il filtraggio e l'elaborazione coerente.

La decimazione combinata con il filtraggio effettuato in tempo reale dalla FPGA contribuisce a ridurre la velocità di trasmissione dei dati e a migliorare il rapporto segnale/rumore

Trasferimento dati ad alta velocità ed elaborazione con GPU

Per l'analisi in tempo reale e quasi in tempo reale, sono preferibili le architetture basate sul bus PCIe.

Il trasferimento dati peer-to-peer consente ai digitalizzatori di trasmettere i dati direttamente alle GPU utilizzando il DMA, bypassando la CPU host e la memoria di sistema. Ciò riduce al minimo la latenza e consente di raggiungere velocità aggregate che si avvicinano ai limiti del bus PCIe Gen5, supportando flussi simultanei da più digitalizzatori.

Con la modalità peer-to-peer streaming, i dati dei segnali vengono trasferiti direttamente alla GPU per l'elaborazione alla massima velocità, senza occupare CPU e memoria DRAM

Le GPU integrano l'elaborazione della FPGA gestendo attività computazionalmente intensive ma meno critiche in termini di latenza, come la canalizzazione, la demodulazione e l'analisi statistica a lungo termine.

Ad esempio, l'estrazione di singole sottobande Galileo da un'acquisizione in banda L a banda larga può ridurre le velocità di trasmissione dati da centinaia di megahertz di spettro a pochi gigabyte al secondo, ben entro le capacità delle moderne GPU.

Strategie di registrazione e archiviazione ad alta velocità

Quando è necessario effettuare una registrazione di lunga durata, la larghezza di banda di archiviazione può diventare un fattore limitante.

Le configurazioni RAID basate su SSD NVMe, collegate tramite schede carrier PCIe, consentono la scrittura parallela su più unità.

Sistema di acquisizione dei segnali completo con digitalizzatori, GPU NVIDIA RTX4500 e moduli SSD

Gli SSD di livello enterprise mantengono velocità di scrittura sostenute per lunghi periodi, consentendo di raggiungere velocità di registrazione aggregate di decine di gigabyte al secondo e capacità totali che raggiungono la scala dei petabyte per slot. Le unità di livello consumer rimangono adatte per acquisizioni più brevi, ma mostrano un degrado della velocità effettiva una volta esaurita la capacità delle cache SLC interne.