Μελέτη και μοντελοποίηση εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ζεύξης SpaceWire για διαστημικές εφαρμογές

Abstract

The subject of the thesis is the study and modelling of electromagnetic radiated emissions of a communication and data transfer link based on SpaceWire standard used in units and systems for space applications. In the thesis, this standard is briefly presented and discussed with main focus on the levels that dominate the radiated emissions. Next, radiated emissions as well as the signal spectrum on the cable measurements are presented and the effect of the link speed and the code word length on the spectral emissions of a half-duplex SpaceWire/LVDS link is considered. Finally, a methodology is proposed to model the electromagnetic radiated emissions of shielded cables taking into account the dielectric characteristics of the ground plane. Chapter 1 presents the European standard ECSS-E-ST-50-12C as published on January 24 2003 (initially with the name ECSS-E-ST-50-12Α and renamed later on July 31 2008 in accordance with ECSS standards) and provides the details for the SpaceWire protocol. In this chapter, the physical level, the signal level and the character level are discussed along with various grounding and bonding techniques. Moreover, a brief introduction is made to the revised edition ECSS-E-ST-50-12C Rev.1 published on May 15 2019, which brings the standard up to date. In Chapter 2 the radiated emissions as well as the signal spectrum on the cable measurements are presented and the effect of the link speed and code word length on the spectral emissions of a half-duplex SpaceWire/LVDS link is studied. The link was implemented with a SpaceWire cable and the one end of the link composed by a pulse signal generator whose output is converted to LVDS signal with the aid of a PCB circuit and the other end terminated. In Chapter 3, a methodology is proposed to model the electromagnetic radiated emissions of shielded cables taking into account the dielectric characteristics of the ground plane as well as various setups of the cable with regards to the relative height of the cable to the ground plane. Measurement data are used to extract valuable model parameters in order to accurately predict the radiated emissions for various implementations with In Chapter 4, the proposed methodology for modeling the electromagnetic radiated emissions is applied to the case of a SpaceWire/ LVDS link above a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) ground plane. This This setup is of major interest for Space applications, as it becomes the standard harness and grounding design for the majority of space missions. Moreover, the results provided verify the methodology and strongly support its applicability in complex systems. In Chapter 5, a modified approach is presented, taking into account the pulse excitation of the simulated SpaceWire / LVDS system. Due to the differential pulse signaling and the skew phenomenon, a pulsed representation of the current is proposed to solve the inverse problem, which is implemented with the help of the differential evolution algorithm (Differential Evolution – DE). In Chapter 6, the measurement results of an actual full-duplex SpaceWire link, implemented with the iSAFT SpaceWire Simulator of TELETEL S.A., are presented. This unit implements all levels of the link, in contrast to the implementation of the printed circuit boards utilized in the previous chapters, and offers the full functionality of SpaceWire devices. Measurements were obtained for various payload lengths of the packets and various data rates of the SpaceWire link. Finally, a model capable of describing the behavior of the system with satisfactory accuracy is extracted, based on the methodology presented in the previous chapters. Finally, Chapter 7 discusses briefly the next steps of future work in this research field.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη και η μοντελοποίηση της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μιας ζεύξης επικοινωνίας και μεταφοράς δεδομένων βασισμένη στο πρότυπο SpaceWire για χρήση σε μονάδες και συστήματα διαστημικού εξοπλισμού. Στο πλαίσιο της διατριβής, αρχικά περιγράφεται συνοπτικά το πρότυπο και ιδιαίτερα τα επίπεδα του πρωτοκόλλου, τα οποία διαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο στις ακτινοβολούμενες εκπομπές. Στη συνέχεια, δίνονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους της κωδικής λέξης στις φασματικές εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Τέλος, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης. Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρουσιάζεται το ευρωπαϊκό πρότυπο ECSS-E-ST-50-12C, όπως εκδόθηκε στις 24 Ιανουαρίου 2003 (αρχικά με την ονομασία ECSS-E-ST-50-12Α και στη συνέχεια στις 31 Ιουλίου 2008 μετονομάστηκε ώστε να συμβαδίζει με τα ECSS πρότυπα) και περιγράφει αναλυτικά το πρωτόκολλο SpaceWire. Ειδικότερα, παρουσιάζονται το φυσικό επίπεδο (physical level), το επίπεδο σήματος (signal level), το επίπεδο χαρακτήρα (character level) καθώς και διάφορες τεχνικές γείωσης και δέσμισης (bonding). Επίσης, περιγράφεται συνοπτικά και η αναθεωρημένη έκδοσή του (ECSS-E-ST-50-12C Rev.1), που εκδόθηκε στις 15 Μαΐου 2019, και επικαιροποιεί το πρότυπο. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας καθώς και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους κωδικής λέξης στις φασματικές ακτινοβολούμενες εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Η ζεύξη υλοποιήθηκε με τη χρήση πραγματικού καλωδίου SpaceWire με το ένα άκρο της ζεύξης να αποτελείται από μια γεννήτρια παλμών (σήματος), η έξοδος της οποίας μετατρέπεται σε σήμα LVDS μέσω κατάλληλου τυπωμένου κυκλώματος που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή, και το άλλο άκρο της ζεύξης να είναι τερματισμένο. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης καθώς και τοποθετήσεις του καλωδίου SpaceWire σε διαφορετικά ύψη πάνω από το επίπεδο γείωσης. Με βάση τις μετρήσεις εξάγονται σημαντικοί παράμετροι του μοντέλου και προβλέπονται οι ακτινοβολούμενες εκπομπές της ζεύξης για διαφορετικά σενάρια υλοποίησής της με αρκετά καλή ακρίβεια. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εφαρμογή της προτεινομένης μεθοδολογίας μοντελοποίησης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην περίπτωση ζεύξης SpaceWire/LVDS με επίπεδο γείωσης από Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). Η διάταξη αυτή συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον για διαστημικές εφαρμογές μιας και αποτελεί την επιλογή καλωδίωσης και γείωσης στην πλειονότητα των διαστημικών αποστολών. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που παρατίθενται επιβεβαιώνουν την ισχύ της μεθοδολογίας και καταδεικνύουν τη δυνατότητα εφαρμογής και επέκταση της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε αρκετά σύνθετα συστήματα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μια τροποποιημένη αντιμετώπιση, λαμβάνοντας ως δεδομένο τη διαφορική παλμική σηματοδοσία του προσομοιωμένου συστήματος SpaceWire/LVDS. Εξαιτίας της διαφορικής παλμικής σηματοδοσίας και του φαινομένου της λόξωσης (skew) προτείνεται μια παλμική αναπαράσταση του ρεύματος για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος, η οποία και υλοποιείται με τη βοήθεια του αλγορίθμου διαφορικής εξέλιξης (Differential Evolution – DE). Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μετρήσεων μιας πραγματικής αμφίδρομης ζεύξης SpaceWire, η οποία υλοποιείται με τον iSAFT SpaceWire Simulator της TELETEL S.A. Η συγκεκριμένη μονάδα εξοπλισμού υλοποιεί όλα τα επίπεδα της ζεύξης, σε αντίθεση με την υλοποίηση των καρτών τυπωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιήθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, και προσφέρει την πλήρη λειτουργικότητα συσκευών που επικοινωνούν μέσω πρωτοκόλλου SpaceWire. Οι μετρήσεις λήφθηκαν για διαφορετικά μήκη ωφέλιμου φορτίου (payload) των πακέτων και διαφορετικούς ρυθμούς δεδομένων της ζεύξης SpaceWire. Τέλος, εξάγεται ένα μοντέλο ικανό να περιγράψει τη συμπεριφορά του συστήματος με ικανοποιητική ακρίβεια, βασισμένο στη μεθοδολογία που παρουσιάστηκε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται ανασκόπηση των αποτελεσμάτων της διατριβής και παρουσιάζονται βήματα για την επέκταση της ερευνητικής εργασίας.