I beacon di Hotbird RKE05.2011

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Introduzione

Sin dagli albori delle radiocomunicazioni, i segnali radio sono stati impiegati non solo per trasmettere informazioni fra persone, ma anche a scopo di studio, controllo e navigazione.

Un esempio tipico e ben noto anche nel mondo radio amatoriale sono i radiofari o beacon, speciali stazioni radio che trasmettono continuamente un segnale su una specifica frequenza. Ciascun radiofaro è univocamente riconoscibile dal segnale emesso. In ambito amatoriale, i beacon sono da lungo tempo impiegati per lo studio delle condizioni di propagazione fra vari punti della Terra, dalle onde lunghe alle microonde. Con l’avvento dell’era delle comunicazioni via satellite, il campo d’applicazione si è spostato anche al segmento Terra-Spazio. Oggi, quasi qualunque satellite, amatoriale o commerciale che sia, imbarca un radio trasmettitore con finalità di beacon.

Un modo semplice, economico ed interessante per avvicinarsi allo studio di questa materia, viene dai radiofari attivi sui satelliti commerciali televisivi, quali ad esempio Astra ed HotBird.

Data l’elevata popolarità sui nostri tetti italiani di parabole puntate su HotBird, questo articolo partirà per semplicità proprio da questa famiglia di satelliti, facilmente ricevibili su tutto il nostro territorio.

Premessa importante: questo articolo non vuole essere un compendio esaustivo di informazioni quanto una mirata provocazione verso i tanti con voglia di sperimentare ed esplorare nuove frontiere.

La famiglia degli HotBird

Hot Bird ®, anche scritto Hotbird, è un marchio registrato dell’operatore satellitare francese Eutelsat, ed indica la posizione orbitale di 13 gradi est lungo la fascia di Clarke, così come i satelliti per telecomunicazione che si trovano in orbita geostazionaria in quella posizione.

I satelliti Hotbird traslano trasmissioni sia analogiche sia digitali, di intrattenimento (radio-televisione) e multimediali (ad esempio Internet) per il grande pubblico. Il gruppo di satelliti attualmente in servizio trasmettono più di 1100 canali televisivi.

Col passare degli anni, vari satelliti si sono succeduti nella posizione 13°E. Attualmente, la costellazione Hotbird è costituita da 3 satelliti: Hotbird 6, 8 e 9. E’ interessante notare come i vari satelliti che condividono la posizione Hotbird fluttuino nello spazio all’interno di un cubo di circa 1 km di lato. Dal punto di vista dell’utilizzatore a terra, questo significa una differenza di puntamento di 2/1000 di grado (circa 6”), quindi assolutamente indistinguibili dal fascio (1-2 gradi tipico) dell’antenna parabolica puntata verso gli stessi.

La tabella che segue, riassume i dati salienti dei satelliti che hanno occupato la posizione Hotbird, con in blu quelli attualmente in servizio:

Nome

Data e vettore di lancio

Transponder

Beacon [MHz], polarizzazione

Note

EUTELSAT II-F1

30 agosto 1990
Ariane IV

16-Ku

Rimpiazzato da HB5. Spostato a 76° est e poi deorbitato nel novembre 2003

Hotbird 1

27 marzo 1995
Ariane IV

16-Ku

Chiamato in origine EUTELSAT II-F6. Deorbitato nel febbraio 2007

Hotbird 2

21 novembre 1996
Atlas IIA

26-Ku

Spento il 13 marzo 2007 per problemi di alimentazione, tutto il traffico spostato su HotBird 8. Spostato a 9° est e rinominato Eurobird 9

Hotbird 3

3 settembre 1997
Ariane IV

32-Ku

Spostato a 4° est e rinominato Eurobird 4

Hotbird 4

27 febbraio 1998
Ariane IV

28-Ku

Spostato a 7° ovest e rinominato Atlantic Bird 4

Hotbird 5

9 ottobre 1998
Atlas IIA

22-Ku

Rimpiazzato da HB6 nell’agosto 2002. Spostato a 25.5° est e rinominato Eurobird 2

Hotbird 6

21 agosto 2002
Atlas 5

28-Ku / 4-Ka

11.700,400 11.701,600 19.701,000

Primo satellite della seconda generazione.

Hotbird 7

11 dicembre 2002
Ariane V

40-Ku

Lancio fallito, il satellite è andato distrutto.

Hotbird 7A

11 marzo 2006
Ariane V

38-Ku

Rimpiazza i satellite HB7 distrutto, HB1 e HB4. Spostato a 9° est e rinominato Eurobird 9A

Hotbird 8

4 agosto 2006
Proton

64-Ku

11.699,800 H 11.701,000 H 12.500,500 H

Rimpiazza i satellite HB2 e HB3

Hotbird 9

20 dicembre 2008
Ariane V

64-Ku

Rimpiazza l’Hot Bird 7A.

La maggior parte dei satelliti Hotbird montano transponder in banda Ku (12-18GHz), solo il più recente HB6, ha transponder anche in banda Ka (18-40GHz).

Cosa serve/schema a blocchi

BeaconHotBird_html_183d2b53Illustrazione 1: Il mio set-up

Nota ora la disponibilità di segnali dallo spazio, vediamo come si possa con relativa semplicità organizzare una stazione domestica per riceverli e studiarli.

Nel mio caso, ho cercato per quanto possibile di reimpiegare quanto già disponibile, con l’obiettivo di poter replicare semplicemente ed a basso costo l’esperienza.

La stazione minimale si compone quindi di:

  • antenna (parabola Tvsat)

  • Convertitore (LNB)

  • Box di alimentazione e controllo

  • Ricevitori (Icom PCR-100 ed analizzatore di spettro)

Vediamo ora nel seguito alcuni approfondimenti relativi ad ogni blocco elementare della catena.

L’LNB universale

Rappresenta il primo stadio del nostro ricevitore, posto nel fuoco della parabola filtra, amplifica e converte i segnali in arrivo a frequenza più bassa per essere, con poche perdite, portati al ricevitore. I ricevitori Tvsat domestici, coprono in genere un range di frequenza compreso fra 950 e 2150 MHz. Per ricevere quindi tutti i canali in banda Ka (10700-12750MHz) occorre dividere i segnali in arrivo in due gruppi e spostare l’oscillatore locale fra due frequenze, tipicamente 9750 e 10600 MHz. Per consuetudine quindi, si parla di banda bassa per i canali che occupano frequenze fra 10700 e 11700 MHz e di banda alta per quelli fra 11700 e 12750 MHz.

La maggior parte dei satelliti Hotbird montano transponder in banda Ku (12-18GHz), solo il più recente HB6, ha transponder anche in banda Ka (18-40GHz).

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Illustrazione 2: La mia parabola con l’LNB a 4 uscite indipendenti


In un LNB sono presenti due distinti blocchi, uno per la ricezione della banda bassa, l’altro per quella alta ed i due blocchi non sono attivi contemporaneamente. Quello della banda bassa è acceso di default, mentre quello della banda alta si attiva quando l’LNB riceve, attraverso il cavo coassiale, un tono a 22 kHz di ampiezza circa 650mVpp.
Ognuno dei due blocchi può ricevere segnali polarizzati in due modi: verticali o orizzontali, in funzione della tensione di alimentazione che è di 13
volt per i segnali verticali e di 18 volt per quelli orizzontali.

Queste caratteristiche accomunano tutti i tipi di LNB universali, mentre le reali differenze stanno tra le possibilità di collegamento delle varie versioni. Proprio la disponibilità di LNB con 2 o più uscite indipendenti, ci può permettere di effettuare i nostri studi in maniera indipendente dalla ricezione della TV via satellite.

Il front-end

Una volta disponibile il cavo di discesa, occorre in stazione un front-end capace di iniettare verso l’LNB l’alimentazione ed il tono a 22kHz ed isolare invece il ricevitore dalla continua e dal segnale di controllo.

BeaconHotBird_html_1122155bIllustrazione 3: Schema a blocchi dell’unità di alimentazione e controllo LNB

Viste le frequenze in gioco, la soluzione più semplice è recuperare da un vecchio Rxsat (anche analogico va benissimo) l’ingresso con i primi componenti. Un minimo di studio del circuito permetterà rapidamente di identificare il percorso del segnale verso il ricevitore ed il punto dove iniettare alimentazione a 13/18V ed il tono a 22kHz.

Alcune considerazioni utili:

L2 serve sia ad impedire che l’alimentatore venga disturbato dal tono, sia ad evitare che lo stesso sia cortocircuitato a massa dalle capacità di uscita dell’alimentatore. Il valore scelto, 330uH, è indicativo e non critico. Alla frequenza di lavoro offre una impedenza di 45 Ohm, più che sufficienti allo scopo.

L3 serve invece come protezione del ricevitore nel caso di guasto di C1. In tale infausta situazione infatti, i 13/18V di alimentazione del LNB arriverebbero direttamente all’ingresso del ricevitore, provocando probabilmente danni anche seri se si tratta di un analizzatore di spettro. 100nH sono anche qui indicativi. Quello che è importante, è che il componente sia in grado di sopportare la corrente di cortocircuito dell’alimentatore per il tempo necessario alle protezioni di intervenire.

L’oscillatore 22kHz

La strada più semplice e diretta che ho trovato per creare un piccolo oscillatore a 22kHz è l’impiego del sempre attuale NE555. Per non ripetere quanto descritto in decenni di presenza sul mercato di questo circuito integrato, richiamiamo solo le informazioni essenziali. Le resistenze R1 ed R2 insieme al valore della capacità C determinano il periodo ed il duty cycle dell’onda quadra in uscita secondo le relazioni:

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Illustrazione 4: Oscillatore a 22kHz col NE555

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con i valori:

R1 = 1 kOhm

R2 = 10 kOhm

C = 3,3 nF

si ottiene:

f = 20822 Hz

d.c. = 0,52

Nel caso la frequenza reale si discostasse troppo dai 22kHz richiesti, si può aggiustarla modificando lievemente il valore di C1 o R2. Il trimmer in uscita, va regolato per erogare sul carico (linea alimentazione del LNB) circa 650mVpp.

L’alimentatore

Tutta l’interfaccia ha trovato posto dentro ad un mobile rack da 19” da una unità di altezza, come sempre, di recupero. Fortuna ha voluto che nel box, fosse già presente un alimentatore, il classico +5/+12/-12V da PC. Minime modifiche sulle resistenze di partizione dello stesso, mi hanno permesso di convertire l’uscita a +12V in una a 13/18V selezionabile da un deviatore sul frontale. Il consumo di un LNB è ridotto, tipicamente 300mA e quindi quasi qualunque alimentatore assolve egregiamente il compito. Occorre fare attenzione come sia ragionevolmente prevedibile che la linea verso LNB possa andare in cortocircuito. L’alimentatore deve quindi essere dotato di una protezione idonea ad evitare situazioni pericolose.

L’integrazione

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Illustrazione 5: L’integrazione nel contenitore

Una volta disponibili le varie parti, non rimane che collegarle fra loro e provvedere ad un idoneo contenitore.

Io ho impiegato un rack 19” da una unità, ex uso rete dati. Di posto disponibile all’interno ne rimane tanto, ma almeno in stazione aiuta a tenere ordine. I connettori di ingresso ed uscita così come i deviatori per la scelta della banda e della polarizzazione trovano luogo sul frontalino. Alcuni led danno conferma visiva del settaggio in uso.

Il ricevitore

Come ricevitori ho impiegato due diversi strumenti, a seconda del bisogno:

  • analizzatore di spettro, HP8559

  • scanner ICOM PCR-100

Il primo è molto comodo quando occorra una rapida visione di una grande quantità di banda.

Lo scanner invece, risulta vincente quando si voglia demodulare i segnali ricevuti o si controlli una frequenza ben definita.

Nonostante sia tutti e due apparati datati, per non dire obsoleti, svolgono perfettamente il compito richiesto. Nulla vieta ovviamente di impiegare altri sistemi. Si può ad esempio pensare di convertire ulteriormente i segnali a frequenze più basse ed impiegare altri tipi di ricevitori.

Cosa si riceve

Collegando l’analizzatore di spettro HP8559a, centrato a 1500MHz, span di 200MHz/divisione e 10dB/div di scala verticale e combinando polarizzazione e bande si ottengono delle schermate simili a quelle qui sotto riportate.

Oscillatore locale @ 9750 MHz

Oscillatore locale a 10600 MHz

Polarizzazione verticale (13V)

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Polarizzazione orizzontale (18V)


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Nelle colonne di sinistra, che coprono la banda 10,250-12,250 MHz nelle due polarizzazioni si osservano i seguenti fenomeni:

  • un picco molto pronunciato a 850MHz in tutte e due le polarizzazioni, di cui vedremo nel seguito la natura

  • una graduale attenuazione (roll-off) dei segnali oltre 2100MHz dovuta al fianco superiore del filtro di media del LNB

  • una serie di “panettoni” con periodicità di circa 30-35MHz, che sono le modulazioni digitali dei canali audio/video delle radio-televisioni traslate.

Nelle colonne di invece, che coprono la banda 11,100-12,600 MHz nelle due polarizzazioni si osservano i seguenti fenomeni:

  • una graduale attenuazione (roll-off) dei segnali sotto ai 700MHz dovuta al fianco inferiore del filtro di media del LNB

  • una serie di “panettoni” con periodicità di circa 30-35MHz, che sono le modulazioni digitali dei canali audio/video delle radio-televisioni traslate.

I segnali per noi più interessanti però, si “nascondono” negli spazi fra i vari “panettoni”, specie in quelli più ampi, come descritto nel seguito.

D-TV Vs FM-TV

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Illustrazione 6: TV Monde Europa, FM,”circondata” da 4 canali TV digitale. Setup: 11320MHz, pol.:verticale, Span 200MHz, 10dB/div

Disponendo di un analizzatore di spettro o dispositivo equivalente, una delle prime interessanti attività è riconoscere i profili delle diverse modulazioni ed informazioni traslate dal satellite.

Nella figura accanto eccone una simpatica dimostrazione. A circa 11.320 MHz, in polarizzazione verticale, circondata da 4 pacchetti digitali vi è una trasmissione di tipo analogico. Osservando con un poco di attenzione il profilo e l’evoluzione dello spettro, è possibile riconoscere una modulazione FM di un canale video con associate sotto portanti audio a ± 6 MHz. La conferma della nostra ipotesi è cosa presto fatta: il segnale inviato ad un comune ricevitore ATV amatoriale sintonizzato a 1570 MHz mostra le immagini e l’audio di un canale commerciale. Una rapida verifica sul sito www.lyngsat.com, ci dà conferma ulteriore e ci racconta pure come la TV visualizzata sia l’unico canale televisivo analogico attualmente traslato da HotBird.

I falsi beacon

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Illustrazione 7: Il “falso beacon” a 850 MHz

Come prima esposto, con l’LNB impostato per ricevere la banda bassa e sintonizzando il ricevitore a 850 MHz, si noterà probabilmente un forte segnale, molto costante in ampiezza e frequenza ed indipendente dalla polarizzazione scelta. Per interpretarne correttamente l’origine, giova ricordare come per motivi di stabilità di frequenza, generalmente i due gli oscillatori locali del LNB siano sempre accesi. Ecco così, che quello a 10,6GHz al limite inferiore della banda bassa (e quindi poco filtrato), si combini con l’oscillatore a 9750MHz, generando appunto il segnale spurio a 850MHz. Lo stesso accade scambiando gli oscillatori, ma in misura decisamente inferiore e talvolta nemmeno apprezzabile.. Questo è dovuto al fatto che l’oscillatore della banda bassa è quasi 1 GHz fuori banda (10700-9750MHz) e di fatto ben filtrato dai circuiti interni.

I beacon veri

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Illustrazione 8: I beacon di HB @ 11700MHz, fra due canali digitali


Eccoci finalmente in grado di cercare e studiare i segnali di nostro interesse. Sintonizziamo quindi il nostro ricevitore su 11,700 MHz, circa. Quasi mai più di un beacon è attivo dei quattro indicati in tabella. Occorre quindi “cercare” il segnale attorno a 11,700±2MHz circa. Il beacon, così come visibile in figura, è circa 10dB più debole del picco dei canali digitali ed è molto stretto. Di questo se ne tenga conto per la scelta del filtro IF del ricevitore e della eventuale velocità di scansione. Conoscere quale beacon si sta ricevendo non è fatto così banale come può apparire. La frequenza di trasmissione è si molto stabile e differente fra i quattro, ma l’oscillatore locale del nostro LNB non è certo altrettanto preciso né stabile. L’unico metodo che ho finora trovato, è quello di generare in stazione un segnale “campione” a frequenza nota ed iniettarlo a monte di tutta la catena di ricezione. Insomma.. una moderna rivisitazione dei vecchi marker!

Il beacon è talvolta modulato, segno che sta trasmettendo informazioni a terra, verosimilmente telemetria. Non ho al momento approfondito questo aspetto.

Il suo livello è variabile, anche di parecchi dB a causa sia della variazione di guadagno della catena di ricezione, sia delle fluttuazione dell’attenuazione di tratta terra-Spazio, dovute ad esempio ad umidità, nubi od idrometeore. Un interessante studio potrebbe essere quello di studiare la variabilità di un beacon di un satellite basso sull’orizzonte. In questo caso, gli effetti di variabilità dell’attenuazione di tratta sarebbero chiaramente più evidenti.

Conclusioni

Come un po’ già espresso all’inizio, questo lavoro vuole essere un libro aperto, fonte di spunto per ulteriori indagini e studi. Lo scenario è ampio e può certamente essere esplorato con mezzi relativamente semplici ed economici. Sicuramente offre la possibilità di ragionare con occhi diversi su temi noti ed obbliga a mescolare differenti competenze.

Non mi rimane che augurarvi buon lavoro, curioso di conoscere i risultati dei vostri studi

Vy 73! Pierluigi

Bibliografia

Clarke A. (1945), “Extra-Terrestrial Relays — Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?”, Wireless World

Harrington T. – Cooper B. (1986), The Hidden signals on satellite TV, Ohio, Howard&Co.

Baylin F. – Gale B. (1985), The home satellite TV installation and troubleshooting manual, Baylin&Gale

www.müselbach.ch/m-online/bilder/eutshot.jpg

www.lyngsat.com

www.eurosat-online.it/articoli/0,1254,39_ART_951,00.html

www.satsig.net/eut2beac.htm

it.wikipedia.org/wiki/Beacon

www.eutelsat.it/

www.solchiere.it/Elettronica/progetto9/progetto9.aspx

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