Sviluppi futuri

Alcune idee per sviluppare ulteriormente il progetto

Durante questo progetto sono stati studiati i fenomeni diffusivi e riflessivi che interessano le onde elettromagnetiche quando si propagano nella materia. In seguito è stato progettato e realizzato un circuito di trasmissione per onde elettromagnetiche attorno agli 800 - 900 MHz. Lo step successivo è realizzare un dispositivo che permetta di ricevere tali onde e, a partire dai parametri delle onde stesse, rilevare la presenza di oggetti nel sottosuolo.

Sono state vagliate varie possibilità per l’elaborazione dei segnali radio, sia digitali che analogiche. L’elaborazione dei segnali in campo analogico permette, in genere, di sfruttare frequenze più alte rispetto all’elaborazione digitale, tecnica che però possiede una migliore flessibilità, precisione e costi delle apparecchiature elaborative in continua diminuzione.

Una delle soluzioni più utilizzate per l’elaborazione dei segnali in ambito digitale è l’acquisizione in Equivalent Time Sampling, mentre uno dei circuiti più utilizzati in ambito analogico per la conversione in frequenza dei segnali è il circuito Supereterodina.

Campionamento

Il campionamento permette la conversione di un segnale analogico in forma digitale, ossia in un numero binario rappresentato da un numero massimo di bit. Tale numero di bit dipende delle specifiche del convertitore Analogico/Digitale utilizzato per la conversione, e dal rumore del sistema, che inevitabilmente produce un calo dei bit efficaci con cui si campiona.

Come si vede dall’immagine, un circuito di campionamento è formato da un filtro in ingresso per rimuovere frequenze non volute dal segnale che si vuole campionare, uno stadio di adattamento e buffering, un circuito di Sample and Hold ed infine un convertitore Analogico/Digitale.

Senza entrare troppo nel dettaglio della teoria del campionamento, possiamo affermare che il sistema è critico rispetto a:

Una soluzione così semplicistica infatti non sarebbe applicabile al nostro progetto in quanto la frequenza del segnale proveniente dall’antenna è dell’ordine degli 800 - 900 MHz. Se volessimo campionare direttamente una frequenza così elevata, dovremo, per il teorema di Shannon, utilizzare una frequenza di campionamento per l'ADC pari ad almeno il doppio della massima frequenza del segnale, quindi superiore a 1.6GHz. Tuttavia non esistono circuiti a conversione diretta che permettano tale soluzione. Una ulteriore barriera viene imposta dalla potenza del segnale in ingresso: un segnale proveniente da un’antenna dovrà essere amplificato per fornire un livello di ingresso all’ADC sufficientemente elevato per essere convertito. Tale situazione comporta due ulteriori problemi: l’aumento del rumore dovuto all’amplificazione del segnale, con conseguente componente di rumore provocata dalla quantizzazione del segnale stesso; in più progettare e realizzare l’amplificazione di un segnale ad alta frequenza non è banale, in quanto è necessaria un’ottima conoscenza delle grandezze in gioco e una precisione assoluta in ambito realizzativo.

Moltiplicazione dei segnali analogici

Un metodo per ovviare ad alcuni dei problemi precedentemente elencati è traslare in frequenza il segnale in ingresso: questo viene fatto attraverso un circuito digitale chiamato Mixer.

Il Mixer è sostanzialmente un circuito analogico capace di eseguire la moltiplicazione dei segnali in ingresso.Ipotizziamo per esempio di avere due segnali sinusoidali in ingresso:

$$ V_{rf}(t) = V_{rf} \cos(\omega_{rf} t ) $$

$$V_{lo}(t) =V_{lo} \cos(\omega_{lo} t) $$

Moltiplicando tali segnali tra di loro ottengo una traslazione del segnale in ingresso:

$$ V_{rf}(t) \times V_{lo}(t) = V_{rf}{ e^{i \omega_{rf} t } + e^{-i \omega_{rf} t } \over 2} \times V_{rf}{ e^{i \omega_{lo} t } + e^{-i \omega_{lo} t } \over 2} = $$

$$ {V_{rf} \times V_{lo} \over 4 } \left( e^{i (\omega_{lo} + \omega_{rf}) t } + e^{-i (\omega_{lo} + \omega_{rf}) t } + e^{i (\omega_{lo} - \omega_{rf}) t } + e^{-i (\omega_{lo} - \omega_{rf}) t}\right) = $$

$$ {V_{rf} V_{lo} \over 2 } \left[ \cos{\left( (\omega_{lo} + \omega_{rf}) t\right) } + \cos{\left((\omega_{lo} - \omega_{rf}) t \right) } \right]$$

Tale concetto è mostrato graficamente nella seguente immagine:

Supereterodina

Il circuito supereterodina è tipico dei ricevitori radio.

Si basa sul concetto di moltiplicazione nel tempo per eseguire la traslazione in frequenza del segnale in ingresso, precedentemente filtrato da un filtro passa basso per eliminare le frequenze immagini. La traslazione in frequenza fa in modo che la banda del segnale RF rientri in un ulteriore filtro passa-banda per eliminare le componenti spettrali non desiderate. Il segnale così ottenuto verrà traslato ad una frequenza molto più bassa rispetto a quella iniziale, a questo punto sarà possibile sfruttare un rilevatore di inviluppo per ottenere la potenza del segnale in ingresso, campionarlo con una tecnica simile a quella mostrata in precedenza oppure sfruttare, se vogliamo ottenere un livello di accuratezza elevato, l’Equivalent Time Sampling.

Equivalent Time Sampling

Tale tecnica è sfruttata nei DSO (Digital Signal Oscilloscope) per acquisire segnali periodici a frequenza più alta della massima frequenza di campionamento imposta dagli ADC. Il caso di studio che stiamo affrontando è quindi un ottimo candidato per utilizzare questa tecnica.

Come si vede dall’immagine precedente, il segnale a frequenza $f_{rf} = 1/T_{rf}$ viene campionato con un periodo di campionamento $T_{samp} + \delta t$ , dove $T_{samp} = k T_{rf}$ con $k$ numero intero naturale. Ovviamente con questa tecnica il campionamento di una intera forma d’onda del segnale di ingresso avviene in un numero di periodi proporzionali a $\delta t$, che rappresenta la risoluzione con cui si vuole campionare l’onda. È necessario precisare che maggiore sarà la risoluzione, maggiore sarà il tempo necessario al campionamento e quindi maggiore dovrà essere il tempo in cui la forma d'onda in ingresso deve mantenersi regolare. Tale aspetto non è da sottovalutare per un sistema montato su drone, ossia non solidale con il terreno, ma al contrario soggetto ad oscillazioni.

Tecnica mista supereterodina - ETS

Tramite l’impiego di ETS e di Supereterodina è quindi possibile sfruttare un ADC ad una frequenza di campionamento relativamente bassa per digitalizzare un segnale (o alcune delle sue componenti) ad alta frequenza. Tale sistema è comunemente sfruttato nei ricevitori radio, risulta quindi standardizzato e sono presenti in commercio buona parte delle strutture viste in questa breve introduzione. Il sistema di elaborazione finale prevede quindi che il trasmettitore ed il ricevitore lavorino insieme per ottenere in uscita una forma d’onda che rispecchi il comportamento riflessivo del terreno. Il sistema di trasmissione progettato produce in uscita un segnale elettromagnetico a banda limitata quasi monotonica, ideale per tale applicazione in cui è complesso ricevere e trasmettere segnali con banda molto elevata (tipici dei sistemi di trasmissione per le telecomunicazioni).

Si dovrebbero così ottenere delle onde che hanno un comportamento temporale come mostrato in figura:

Il segnale digitalizzato può quindi essere rielaborato attraverso un DSP o un microcontrollore ed i dati ottenuti successivamente inviati all'utente che sta comandando il drone oppure ad un sistema di controllo a distanza.

Bibliografia