Il sistema di simulazione e collaudo dei ricevitori GPS realizzato da Ipses in collaborazione con Eurolab ha vinto il Premio Nicola Chiari 2014 assegnato da National Instruments per la categoria RF/Telecomunicazioni.

Si tratta di un sistema di simulazione completo del segnale GPS che permette di interfacciarsi con tutti i sistemi di sincronizzazione basati su GPS, permettendone la loro completa caratterizzazione sia in condizioni ideali, sia in condizioni degradate.

L'hardware del sistema è stato realizzato utilizzando la strumentazione modulare basata sul bus PXI. Il cuore del sistema di trattamento dei segnali è il ricetrasmettitore programmabile a frequenza intermedia con FPGA integrataNI PXIe-5641R, una scheda per bus innovativa PXIe che adotta l'architettura programmabile ad alte prestazioni tipica degli strumenti definiti dal software di National Instruments.

Sono moltissime le applicazioni pratiche che per il loro funzionamento dipendono integralmente dalla capacità di sincronizzarsi con estrema precisione con il segnale temporale emessi dai satelliti GPS, come ad esempio le reti di trasmissione isofrequenziali del segnale televisivo digitale DVB in modalità SFN (Single Frequency Network) o le reti di telecomunicazione cellulare.

Il funzionamento dei sistemi di sincronizzazione è pertanto vitale per il corretto funzionamento delle reti trasmissive, che per loro natura spesso hanno apparati dislocati in luoghi non facilmente accessibili per riparazioni e tarature. Pertanto, il collaudo dei sistemi di sincronizzazione nelle più diverse condizioni sia di funzionamento, sia di ricezione, è un’esigenza reale e critica che trova perfetta risposta nella soluzione sviluppata da Ipses.

Per simulare fedelmente il segnale realmente trasmesso dal GPS, anche la portante a 1.575,42 MHz e l'intero upconverter devono essere sincronizzati con l'orologio atomico di riferimento, dato che su un satellite GPS tutte le frequenze sono sempre direttamente derivate dalla frequenza fondamentale di 10,23 MHz, pari alla frequenza dell'orologio atomico installato sul satellite stesso.

Per la realizzazione del sistema di simulazione, Ipses ha deciso di utilizzare un ricetrasmettitore a frequenza intermedia che fosse totalmente configurabile e che permettesse la gestione diretta del DAC di generazione, in modo da averne il pieno e totale controllo e poter cosi facilmente modificare il segnale modulante.

La scelta è caduta sul prodotto NI-PXIe-5641R, che integra al suo interno dotato una FPGA riprogrammabile Xilinx Virtex 5 SX95T e una DRAM da 128 MB, e che permette di generare due segnali RF con 20 MHz di banda centrabili su qualsiasi frequenza compresa tra 250 kHz e 80 MHz.

Un altro requisito fondamentale per l’hardware era la possibilità di sincronizzare la trasmissione RF con un orologio atomico esterno, che è stato collegato in laboratorio sfruttando le linee di clock dedicate e configurabili presenti sul bus PXI e nei relativi moduli RF.

Per completare il sistema hardware Ipses aggiunto un convertitore elevatore di frequenza da 2,7 GHz (PXI-5610) e un PC embedded, permettendo così di avere l’intero sistema racchiuso in un normale chassis PXI, semplificandone molto la definizione e l’integrazione.

Per lo sviluppo del software applicativo, la programmazione grafica tipica dell'ambiente LabVIEW ha permesso a Ipses di accorciare notevolmente i tempi di sviluppo attingendo alla biblioteca di blocchi funzionali già disponibili e personalizzabili.

In particolare, la libreria di funzioni GPS Simulation Toolkit for LabVIEW ha consentito di ricostruire la sovrapposizione di tutti i segnali ricevuti in una data posizione a terra da parte di tutti i satelliti GPS presenti e attivi nella costellazione.

L'ambiente di sviluppo per l'hardware riprogrammabile LabVIEW FPGA e la libreria specifica per il prodotto IF Transceiver PXIe-5641R hanno permesso un rapido interfacciamento a basso livello con l’hardware, una delle caratteristiche più importanti e più potenti della strumentazione modulare di nuova generazione, che permette di ottenere prestazioni impensabili solo pochi anni fa.

Come sottolineato da Ipses, l'utilizzo del toolkit per GPS ha consentito di ridurre notevolmente i tempi e rischi di sviluppo, avendo permesso sia di effettuare una verifica della fattibilità semplicemente modificando gli esempi già presenti nel GPS toolkit, sia di sfruttare appieno tutti gli algoritmi e l’hardware già caratterizzato, standardizzato e consolidato.In tal modo, è stato possibile focalizzarsi efficacemente sulla realizzazione e ottimizzazione delle funzionalità richieste, senza la necessità di complesse definizioni hardware o di complessi studi sugli algoritmi di simulazione di trasmissione del segnale GPS.

La modularità e la flessibilità dell'hardware e del software utilizzati, permette anche di immaginare l'utilizzo di questo banco di simulazione e misura anche per svolgere attività di ricerca avanzata, ad esempio per valutare la dilatazione del tempo descritta dalla relatività ristretta, secondo la quale in un qualsiasi sistema che si muove a una data velocità, il tempo scorre più lentamente rispetto a un sistema in quiete.

Ad esempio, un oscillatore perfettamente sincronizzato montato su un treno ad alta velocità che viaggiasse a 300 km/h, dopo 24 ore risulterebbe in ritardo di oltre 3 ns rispetto ad un identico oscillatore rimasto fermo, con conseguenze potenzialmente non del tutto trascurabili su alcune apparecchiature di comunicazione o misura.

Con il sistema sviluppato è quindi possibile simulare il movimento dell’oscillatore senza che questo si muova realmente, eliminando così la differenza temporale introdotta dalla relatività ristretta e permettendo di apprezzare meglio altri fenomeni che introducono diversi tipi di errori temporali.