Proprietà spettrali dei segnali per telemetria nelle missioni spaziali

My thesis laid down how randomizers used in spatial links for the transmission of telemetric data work. Particularly, we will compare the randomic properties achieved using a classic 8-cell randomizer, long time present in the guidelines issued by the Consultative Committee for Space Data Systems (from now on called CCSDS 8-cells) with those obtainable from a new 17-cell randomizer, recently proposed by the National Aeronautics and Space Administration (NASA 17-cell). In particular, my objective is to assess how the randomic properties affects the spectral characteristics of the transmitted signal. The randomizer plays an important role in many communication systems, for the reason that it is used to increase the randomness of the binary sequences of transmitted information. Most randomizers are done with a Linear Feedback Shift Register (LFSR), which is a circuit capable of generating a binary sequence with good random properties. This sequence would be added/merged to the binary information sequence in transmission, resulting in a pseudo-random binary sequence that is transmitted within the channel. In the receiver,it would perform the same operation in the opposite direction, retrieving the original information. The properties of binary sequences produced by the LFSR depend heavily on the size of the scrolling register, since the number of cells and connections implement feedback by determining the period of the generated sequence. However, usually the randomizer does not use the entire period of the sequence, but only a portion, with the same length as the binary information sequence. The cases examined in the thesis show how the randomizer has a strong impact on the Spectral Power Density (Power Spectrum Density, PSD) and Power Density Flow (Power Flux Density, PFD). PFD stands for power per unit area normal to the direction of propagation of the electromagnetic wave. The International Telecommunication Union (ITU) issues and governs the rules for radio-communication services and the use of radio frequencies and therefore provides limits on spectrum values. The connections are designed under the hypothesis of completely random binary information, which produce ideal and continuous spectra, although a margin of error is reserved for the presence of non-ideal. However, if the behaviour of the randomizer would not be optimal, the spectrum may show strong peaks emerging from continuous spectrum patterns that may not fall within ITU standards. The maximum peak value is indicated by \mathbit{\gamma} and refers to the maximum difference between the ideal spectrum and the real spectrum obtained with the randomizer. The thesis studies the presence of high peaks, performing different simulations in which the parameters are changed in order to investigate both their origin and the links with the parameters of the system, trying to understand which may negatively or positively affect the high peak value.

In questo lavoro di tesi verranno presi in esame i randomizzatori utilizzati nei link spaziali per la trasmissione di dati telemetrici. In particolare, si confronteranno le proprietà randomiche ottenibili utilizzando un randomizzatore classico a 8 celle, da molto tempo presente nello standard emanato dal Consultative Committee for Space Data Systems (d'ora in avanti denominato CCSDS 8-celle), con quelle ottenibili da un nuovo randomizzatore a 17-celle, recentemente proposto dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA 17-celle). In particolare, l'obiettivo è di valutare quanto le proprietà randomiche impattano sulle caratteristiche spettrali del segnale trasmesso. Il randomizzatore svolge un ruolo importante in molti sistemi di comunicazione, poiché viene utilizzato per aumentare l'aleatorietà delle sequenze binarie di informazione trasmesse. La maggior parte dei randomizzatori sono realizzati con un Linear Feedback Shift Register (LFSR), ossia un circuito in grado di generare una sequenza binaria con buone proprietà di casualità. Questa sequenza viene aggiunta alla sequenza di informazione binaria in trasmissione, ottenendo come risultato una sequenza binaria pseudo-random che viene trasmessa all'interno del canale. In ricezione, si esegue la stessa operazione in verso opposto, recuperando così l'informazione originale. Le proprietà delle sequenze binarie prodotte dal LFSR dipendono fortemente dalla dimensione del registro a scorrimento, poiché il numero di celle e le connessioni implementano la retroazione determinando il periodo della sequenza generata. Tuttavia, solitamente il randomizzatore non utilizza l'intero periodo della sequenza, ma solo una porzione, con la stessa lunghezza della sequenza binaria di informazione. Nei casi esaminati nella tesi si mostra come il randomizzatore ha un forte impatto sulla Densità Spettrale di Potenza (Power Spectrum Density, PSD) e sul Flusso di Densità di Potenza (Power Flux Density, PFD la quale è la potenza per area unitaria normale alla direzione di propagazione dell'onda elettromagnetica). L'International Telecommunication Union (ITU) pubblica e regola le norme relative ai servizi di radio-comunicazione e di utilizzo delle frequenze radio e prevede perciò dei limiti relativi ai valori dello spettro. I collegamenti sono progettati sotto l'ipotesi di informazioni binarie completamente random, che producono spettri ideali e continui, anche se viene riservato un margine di errore per la presenza di non idealità. Tuttavia, se il comportamento del randomizzatore non è ottimale, lo spettro potrebbe mostrare dei forti picchi che emergono dall'andamento continuo dello spettro il quale potrebbe non rientrare nelle norme dell’ITU. Il valore massimo dei picchi viene indicato con \mathbit{\gamma} e si riferisce alla differenza massima tra spettro ideale e spettro reale ottenuto con il randomizzatore. La Tesi studia la presenza dei picchi elevati, eseguendo diverse simulazioni in cui si variano i parametri al fine di investigare la loro origine ed i legami con i parametri del sistema, cercando di comprendere quali possano influenzare negativamente o positivamente il valore di picco elevato.