Valutazione sperimentale e simulativa per un ricevitore di segnali di modo S

INTRODUZIONE 
 
Scopi e obiettivi 
 
Lo scopo della tesi è quello di progettare tramite l’utilizzo del software Simulink un 
modello del sistema ricevente TDR (Transponder Data Recorder). Il TDR è un 
prototipo che riceve, digitalizza e registra i segnali trasmessi dagli aeromobili alla 
frequenza di 1090 MHz. Questo verrà fatto partendo da un modello del sistema 
TDR già implementato migliorandolo per cercare di arrivare ad avere un tool che 
rispecchi il più fedelmente possibile la realtà. Infatti, dopo aver raggiunto questo 
primo obiettivo, sarà poi possibile confrontare questo modello implementato per 
mezzo delle risorse messe a disposizione dal software Matlab/Simulink, con il 
prototipo già esistente. Quest’ultimo si trova nel laboratorio di Radar e Navigazione 
(Radarlab), presso l’Università degli studi di Roma di Tor Vergata. Il confronto 
avverrà per mezzo dei risultati ottenuti dalle simulazioni del modello, fatte tramite 
Simulink con i dati ricavati dai segnali captati dal prototipo presente in laboratorio. 
Una volta confrontati i dati, si apporteranno le dovute modifiche al tool di Simulink 
per portare quest’ultimo agli stessi standard del modello reale. Lo scopo finale è, 
quindi, quello di ottenere un modello del prototipo TDR fedele alla realtà e 
utilizzabile in maniera semplice tramite il software Matlab. In questo modo si 
potranno effettuare delle prove tramite il simulatore, prima di apportare modifiche 
al prototipo reale. 
 
Metodi e mezzi 
 
Per raggiungere gli scopi descritti nel precedente paragrafo, si è partiti dalla teoria 
per poi applicarla tramite il modello progettato con il software Matlab/Simulink 
così da ottenere, i dati e il modello desiderato. Come si vedrà nel capitolo 2, la 
teoria è servita per ottenere le conoscenze adatte per poter capire sia come 
modificare e migliorare il sistema, sia per confrontare i risultati, ottenuti dalle 
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successive simulazioni, con i riferimenti teorici elaborati precedentemente. Infatti, 
se i risultati prodotti non rispecchiano quelli ottenuti in maniera teorica, vuol dire 
che il modello non è attendibile, come è, appunto successo con quello di partenza.  
La teoria riguarda, innanzitutto, lo studio dei segnali di modo S trasmessi alla 
frequenza di 1090 MHz, che è la frequenza d’interesse per questo tipo di lavoro per 
poi passare a capire come modellare il sistema dal punto di vista del rumore e 
implementarlo tramite il software. Infine utilizzare alcuni dati messi a disposizione 
dal laboratorio Radarlab, per studiare le caratteristiche di alcuni componenti per poi 
riprodurli fedelmente con Simulink. Un esempio sono i filtri progettati e 
implementati nel dispositivo.  
Per raggiungere l’obiettivo preposto si è scelto di utilizzare il metodo basato sulla 
simulazione di forme d’onda dei segnali che transitano all’interno del sistema. 
Questo perché è risultato più semplice da eseguire e perché si ottengono risultati più 
precisi. Infatti, inserendo in modo opportuno i vari parametri da utilizzare, si può 
arrivare a qualsiasi livello di dettaglio che, sebbene sia virtuale, risulta comunque 
vicino ai comportamenti reali dei vari dispositivi. 
Lo svantaggio al quale si va incontro utilizzando un metodo come questo è il 
notevole carico computazionale che il computer deve affrontare. Per ridurre questo 
problema è necessario ottimizzare quanto più possibile il modello impiegato. 
Sulla base di queste considerazioni, la scelta del software da utilizzare è ricaduta su 
Matlab-Simulink. Si tratta di un programma di grande affidabilità, molto diffuso 
nell’ambiente ingegneristico. 
Nella versione Simulink utilizzata sono presenti gli strumenti adatti per la 
simulazione di sistemi di nostro interesse e che permettono la simulazione in 
oggetto e che riguardano la modellazione fisica dei vari dispositivi della catena.  
Nel nostro caso è stato utile per vedere come il segnale viene ricevuto dall’antenna 
del sistema TDR e come poi viene trattato prima di estrarre da esso le informazioni 
utili. Questo è stato possibile grazie al fatto che Simulink permette di vedere a video 
i grafici dell’andamento dei segnali nel tempo secondo le nostre esigenze, mentre 
tramite poche righe di codice Matlab si possono effettuare le misure necessarie.  
La differenza tra i due software sta nel fatto che Matlab è più flessibile in quanto 
permette di fare ciò che vogliamo tramite il codice scritto dall’utente, mentre 
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Simulink ha una libreria, molto vasta, che contiene dei blocchi già pronti per quasi 
tutte le esigenze ma che non è possibile modificare, ma permette solo di inserire i 
valori che il blocco stesso richiede. Quindi quest’ultimo risulta meno flessibile di 
Matlab ma ha permesso di realizzare i vari componenti che sono stati utilizzati nella 
catena che simula il comportamento del sistema TDR. Inoltre è molto utile per fare 
le simulazioni, come nel caso che si sta esaminando e che ha permesso di 
modificare e  validare il progetto iniziale in modo tale da poter proseguire il lavoro. 
 
Sviluppo del lavoro 
 
Il lavoro svolto si sviluppa in 4 capitoli. Nel primo verrà fatta una descrizione 
teorica dei segnali SSR di modo S a 1090 MHz, che sono tra quelli che possono 
essere ricevuti con il TDR. Inoltre verranno brevemente illustrati anche i ricevitori 
che si utilizzano in questo tipo di contesto.  Una volta fatta questa panoramica, 
verrà fatta una descrizione generale del sistema TDR e del prototipo presente in 
laboratorio andando ad analizzare brevemente ogni suo componente esponendo 
alcune principali caratteristiche. Infine un breve approfondimento riguardante il 
processo di campionamento visto che il simulatore utilizza proprio un segnale 
campionato.  
Nel secondo capitolo, invece, verranno descritte le modifiche apportate al modello 
iniziale, e le modalità con cui sono state effettuate le misurazioni, partendo dalla 
teoria per poi arrivare a quelle ottenute dalle simulazioni. Infine, verranno presentati 
i primi risultati che verranno confrontati per vedere il comportamento del 
simulatore tramite confronto con le misure reali e capire se le misurazioni effettuate 
sono corrette. In questo modo, se ce ne sarà bisogno, verranno effettuate le dovute 
modifiche. 
Nel terzo capitolo verrà presentato il modello TDR finale progettato tramite 
Matlab/Simulink con le modifiche apportate in un secondo momento al prototipo. 
Verrà effettuato un ultimo confronto tra le misure per validare in maniera definitiva 
il simulatore. Ultimato quest’ultimo passaggio, verranno effettuate le dovute 
valutazioni sul sistema progettato. 
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Nel quarto è ultimo capitolo, invece, verrà fatta una descrizione di come bisogna 
utilizzare il simulatore. Quindi, verrà fatto un piccolo manuale che aiuterà chi 
volesse adoperare il modello.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO 1 
 
SEGNALI ATC A 1090 MHz 
 
1.1 Sistemi e segnali a 1090 MHz 
 
1.1.1 Sistemi 
 
In generale un sistema di rilevamento ha due tipi di scopi: la sorveglianza e lo 
studio dell’ambiente circostante. In base a come questi sistemi ricevono le 
informazioni, attraverso i segnali, si dividono in sistemi passivi e attivi. La 
differenza tra i due tipi sta nel fatto che i primi non inviano nessun segnale verso i 
target ma analizzano semplicemente il segnale che viene emesso dall’oggetto 
stesso; mentre i secondi inviano dei segnali per stimolare il target. A loro volta, 
quest’ultimi, riemettono il segnale che viene ricevuto ed elaborato per estrarne le 
informazioni utili.  
Ci sono diversi sistemi che lavorano alla frequenza che ci interessa, ovvero 1090 
MHz e sono: 
 
- i radar secondari SSR (Secondary Surveillance Radar); 
- i sistemi di multilaterazione MLAT; 
- i sistemi ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast); 
- i sistemi TIS-B (Traffic Information System – Broadcast); 
- il T-CAS (Traffic – Collision Avoidance System) 
 
L‘SSR è un sistema attivo. Serve per la sorveglianza del traffico aereo e si basa 
sull’invio di segnali di interrogazione verso gli aeromobili che li captano e, tramite i 
transponder montati a bordo, possono rispondere con delle repliche (replies). Le 
interrogazioni possono essere di due tipi: convenzionali o di modo S. 
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Invece i sistemi MLAT e ADS-B fanno parte della famiglia dei sistemi passivi visto 
che non emettono nessun segnale ma captano le repliche che vengono inviate 
spontaneamente dai transponder.  
Il sistema TIS-B funziona tramite una stazione a terra che trasmette segnali di modo 
S che contengono le informazioni riguardanti gli aeromobili che non hanno 
installato il sistema ADS-B. Infatti, per poter compensare questa mancanza, le 
informazioni vengono raccolte da altri sistemi, come per esempio SSR e MLAT, 
per poi essere inviate agli aeromobili con sistema ADS-B IN. 
L’ultimo sistema, il T-CAS è un sistema utilizzato per evitare collisioni tra gli 
aeromobili che sono in volo. Il T-CAS prevede uno scambio di segnali di modo S 
tra aeromobili in visibilità elettromagnetica. 
 
1.1.2 Segnali SSR di modo convenzionale e modo S 
 
L’ICAO (International Civil Aviation Organization) ha standardizzato i tipi di 
messaggi che vengono usati per realizzare le interrogazioni e le caratteristiche dei 
segnali stessi, sia in fase di uplink sia in fase di downlink.  
I segnali per le due fasi possono essere di due modi: 
- modo A: il segnale di interrogazione consiste in coppie di impulsi intervallati di 8 
µs. Viene utilizzato per richiedere l’identità del target con il quale si sta 
interagendo; 
- modo C: il segnale di interrogazione consiste in coppie di impulsi intervallati di 21 
µs. Viene utilizzato, combinato con il modo A, per richiedere al transponder di 
trasmettere le informazioni riguardanti il livello di volo. 
 
 
Figura 1 Modi di interrogazione 
 
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Esisterebbero altri due modi (B e D) ma non vengono utilizzati. Per questo motivo 
il radar secondario è detto anche di modo A/C. 
Logicamente le interrogazioni effettuate hanno una frequenza diversa dalle repliche. 
Infatti, le prime vengono trasmesse ad una frequenza di 1030 MHz, mentre le 
seconde vengono inviate ad una frequenza di 1090 MHz. 
Le repliche non sono altro che le risposte alle interrogazioni che vengono fatte. 
Queste risposte hanno una determinata struttura convenzionale che serve, appunto, 
per essere riconosciute come tali. La struttura è mostrata in fig.2:  
 
 
Figura 2 Struttura di una replica di modo A/C 
 
La durata complessiva della replica, compreso l’impulso SPI (Special Identification 
Pulse) è pari a 25,10 µs. Oltre a questo impulso il segnale consiste, come si può 
vedere sempre in fig.2, in una successione di impulsi codificati, alla frequenza di 
1090 MHz, che, una volta captato dal ricevitore di terra, viene inviato ad un display. 
Quindi il transponder invia a terra, per ogni interrogazione, un treno di impulsi, 
come quello rappresentato sempre in fig.2. Il primo e l’ultimo impulso (F
1
 e F
2
), 
escluso l’SPI, non trasportano informazioni ma servono solo a delimitare la replica, 
sono chiamati brackets. All’interno di questo intervallo possono essere inviati fino a 
12 impulsi. Ognuno di essi rappresenta una cifra del sistema binario. Quindi se si 
riceve 0 vuol dire che non è stato inviato nessun segnale mentre se si riceve 1, allora 
è stato ricevuto un segnale. Se si utilizzano tutti e 12 gli impulsi si possono avere 
fino a 2
12
= 4096 combinazioni o codici. Questi equivalgono al numero massimo di 
identificatori assegnabili ad un aeromobile. Oltre a questi impulsi ne è presente un 
altro (X) che però non viene utilizzato. Infine come si è detto poc’anzi, si ha un 
ulteriore impulso (SPI) posto a 4,35 µs dopo F
2
 che viene attivato dal pilota tramite 
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un comando posto sulla plancia di controllo dell’aereo. Ogni impulso ha una durata 
di 0,45 µs ± 0,1 µs.  
Una risposta di modo A/C deve rispettare le specifiche che sono state definite 
dall’ICAO e che possono essere viste nella tabella 1: 
 
Tempo di salita Tempo di discesa Durata 
dell’impulso 
Tolleranza 
sulla durata Min Max Min Max 
0.45 ±0.1 0.05 0.1 0.05 0.2 
 
Tabella 1 Specifiche sulle caratteristiche delle SSR reply di modo A/C 
 
Per accordi internazionali, tre dei 4095 codici disponibili sono riservati, ad uso 
esclusivo del pilota per speciali esigenze come: 
-codice 7500: interferenza illegale nella condotta del volo (atti di pirateria aerea); 
-codice 7600: avaria radio; 
-codice 7700: emergenza. 
 
Il sistema SSR di modo S rappresenta l’evoluzione del radar secondario. Infatti, 
differentemente dal dispositivo di modo A/C, utilizza solamente delle interrogazioni 
selettive. Tramite questo accorgimento si è riusciti a risolvere alcuni problemi che 
davano molti fastidi al sistema iniziale. Tra i più importanti si ricordano il garble e 
il FRUIT (False Replies Unsynchronized In Time).  
Il primo si verifica quando, nell’area coperta da un interrogatore, ci sono più 
velivoli che inviano il proprio segnale verso di esso. Il sistema a terra riceve questi 
segnali e può capitare che essi siano sovrapposti, il che li rende difficili da 
decifrare. Questo fenomeno si verifica se i due oggetti, che trasmettono, si trovano 
ad una distanza relativa (slant range) inferiore a 3 Km, pari a 20.3 µs, all’interno del 
fascio (lobo) principale d’antenna. Logicamente il fenomeno diventa molto 
frequente se nell’area in cui lavora l’interrogatore c’è molto traffico aereo. Il tempo 
di 20.3 µs corrisponde proprio alla durata del messaggio che viene inviato dal 
transponder. Il segnale di modo S sappiamo avere una durata maggiore (64 µs o 120 
µs rispettivamente se si invia un messaggio di 56 o di 112 bit ) ma in quel periodo 
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di tempo c’è la possibilità che le repliche si sovrappongano. La conseguenza è che il 
sistema di decodifica posto a terra non sempre riesce ad eseguire una decodifica 
corretta perché il messaggio arriva disturbato. 
Il secondo problema, ovvero il FRUIT, riguarda le risposte che arrivano da 
transponder posti a bordo dei velivoli ma che sono interrogati da altri radar rispetto 
a quello preso in considerazione. Infatti, sappiamo che le risposte alle 
interrogazioni, inviate dagli aeromobili, vengono inviate in tutte le direzioni. Il 
disturbo può essere eliminato in quanto le risposte che il radar riceve sono asincrone 
rispetto alla sua PRF (Pulse Repetition Frequency, ovvero il numero di impulsi 
trasmessi per unità di tempo). I segnali inviati sono sincronizzati rispetto al radar a 
cui sono diretti e non verso gli altri e quindi, presentandosi a distanze variabili 
rispetto all’interrogazione d’interesse, possono essere eliminati utilizzando 
un’interrogazione in azimut. Un altro accorgimento per limitare questo fenomeno 
consiste nel limitare le interrogazioni che un sistema di terra può effettuare ogni 
secondo. In generale questo numero corrisponde a 450 interrogazioni al secondo. 
Tornando al segnale di modo S, il formato dei messaggi in down link ha una 
struttura che viene mostrata in figura 3: 
 
 
 
Figura 3 Struttura di una reply di modo S 
 
Come si può osservare in figura 3, prima del messaggio vero e proprio, si ha un 
preambolo costituito da 4 impulsi. Dopo di questo si ha un treno di 56 o 112 impulsi 
sui quali viene utilizzata la codifica Manchester. Questa codifica prevede che il 
tempo di bit, che risulta essere pari a 1 µs, venga suddiviso in due sottointervalli. Di 
questi solo uno viene occupato dall’impulso. Nel caso in cui l’impulso occupi il 
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primo dei due sottointervalli, allora il bit trasmesso corrisponde al valore logico 1, 
altrimenti vale 0.  
Ogni replica è formata almeno da due campi: 
- Downlink Format (DF): è un campo formato da 5 bit. La sua funzione è quella 
di descrivere il formato del messaggio che è stato emesso. 
- L’altro campo, invece, può assumere due diversi nomi a seconda della funzione 
che svolge: 
Address/Parity (AP): se il campo contiene il codice di parità. Questo serve per 
effettuare la rivelazione e la correzione degli errori. Quest’ultima è possibile 
solo se viene combinato con l’indirizzo dell’aeromobile che a trasmesso la 
replica. 
L’altro nome che può assumere è Parity/Interrogator (PI) se si è di fronte al caso 
di All Call Reply. In questo caso il codice di parità viene combinato con 
l’Interrogator Code (IC), in modo tale che il transponder risponda solamente 
alla stazione che lo ha interrogato. In questo caso è necessario trasmettere 
l’identità del velivolo in oggetto tramite il campo Address Announced (AA).  I 
restanti bit, che sono 27 o 83, a seconda della configurazione, contengono delle 
informazioni specifiche che variano in riferimento al tipo di messaggio che si 
sta inviando. 
Anche in questo caso, l’ICAO, ha standardizzato le caratteristiche di questi 
impulsi, come si può vedere dalla tabella in tabella 2: 
 
 
Tempo di salita Tempo di discesa Durata 
dell’impulso 
Tolleranza 
sulla durata Min Max Min Max 
0.5 ±0.05 0.05 0.1 0.05 0.2 
1.0 ±0.05 0.05 0.1 0.05 0.2 
 
Tabella 2 Specifiche sulle caratteristiche degli impulsi delle repliche di modo S 
 
L’impulso utilizzato per questo tipo di segnali è di forma trapezoidale. La distanza 
che intercorre tra due successivi impulsi deve essere di 0.5 o 1 µs. Si può accettare 
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