يلعب قياس الضوضاء ، واستبدال LO ، واختبار إجهاد المستقبل ، وقياس القدرة ، وخصائص CCDF و PAPR ، وقياس مخطط الهوائي ، أدوارًا حاسمة في ميزانية الوصلة ، ومعدل خطأ البتات ، ومتطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).
بقلم بوب بوستون ، مجموعة الاتصالات اللاسلكية
يجري نشر أنظمة السواتل ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO) في حالات الاستخدام الحرج للمهام بمعدل متسارع. يؤدي ذلك إلى متطلبات الاختبار الحرجة المرتبطة والتي ، إذا لم يتم إجراؤها بدقة ، يمكن أن تؤدي إلى تدهور أداء النظام. باستخدام بوابة كمثال ، تبحث هذه المقالة في القياسات ونوع المعدات المطلوبة لاختبار الطبقة المادية للوصلة الصاعدة والهابطة.
تتراوح عمليات نشر السواتل من المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO) والمدار الأرضي المتوسط (MEO) إلى المدار الأرضي المنخفض. معدلات انتشار سواتل المدار الأرضي المنخفض آخذة في الازدياد. على سبيل المثال ، يحتوي نظام SpaceX Starlink حاليًا على ما يقرب من 3,500 قمر صناعي في مدار أرضي منخفض. في ديسمبر 2022 ، وافقت لجنة الاتصالات الفيدرالية على نشر 7,500 قمر صناعي من الجيل التالي. نظرًا للكمون المنخفض لأنظمة المدار الأرضي المنخفض ، فقد أصبحت النظام المفضل لكل من التطبيقات المدنية والعسكرية بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر ، اتصالات 5G واتصالات ساحة المعركة العسكرية. الاستخدام الأوكراني لنظام Starlink ، على الرغم من محدوديته ، هو مثال حديث على الأخير. يؤدي استخدام أنظمة LEO لهذه الأنواع من العمليات إلى الحاجة إلى اختبار عالي الدقة لضمان التشغيل الموثوق.
تُعد المحطات الأرضية ، التي يشار إليها أيضًا باسم البوابات عند الاتصال بالشبكة الأرضية ، عنصرًا أساسيًا في تشغيل الوصلة الصاعدة والهابطة ، كما هو موضح في الشكل 1. تتطلب الوحدات النمطية المختلفة التي تشتمل على مسارات الوصلة الصاعدة والهابطة مجموعة متنوعة من الاختبارات لضمان التشغيل الموثوق. يمكن إجراء هذا الاختبار أثناء تطوير الوحدات النمطية وإنتاجها ، وأثناء التكامل ، وكجزء من اكتشاف الأخطاء ، وأثناء مراقبة التشغيل. الشكل 2 يوضح مخطط كتلة مبسط لمسارات الترددات الراديوية والموجات الدقيقة في بوابة وأمثلة على مكان استخدام معدات الاختبار لتقييم أداء الطبقة المادية.
الجدول 1 يوضح معلومات إضافية وأهمية إجراء القياسات في النقاط الموضحة في الشكل 2.
|
||||||||||||||||||||||||||||
| الجدول 1. ست حالات استخدام حرجة للتحقق من أداء الطبقة المادية للوصلة الصاعدة والهابطة. |
بعد ذلك ، سننظر في حالات الاستخدام هذه بمزيد من التفصيل.
قياس ضوضاء المرحلة
تساهم العديد من العوامل في أداء الوصلات الصاعدة والهابطة الساتلية والعديد منها ، مثل نقاء إشارة المذبذبات المحلية ، وتأثير أخطاء البتات. يزيد ضجيج الطور المفرط من حجم متجه الخطأ (EVM) ويمكن أن يؤدي إلى أخطاء في الرموز وبالتالي في البتات لأن موضع نقاط الكوكبة على مخطط معدل الذكاء يتخطى حدود قرار الرمز كما هو موضح في الشكل 3.
عند إجراء هذا القياس ، اسأل نفسك عما إذا كنت بحاجة إلى إجراء قياسات مطلقة لضوضاء الطور للمذبذب المحلي (LO) لقياس الضوضاء المضافة من مكبرات الصوت.
استبدال LO
يعد استبدال LO أسلوبًا مهمًا عند اختبار محولات التحويل وخفض التحويل في أنظمة الاتصالات. يتيح لك تقييم سلاسل الإشارات دون إخفاء خصائص LO لأدائها. تتيح لك هذه التقنية أيضًا تحديد ما إذا كان LO هو مصدر المشكلات عندما لا يعمل النظام بشكل صحيح.
اختبار تحمل جهاز الاستقبال
سواء في بوابة أو في ساتل ، من المهم إجراء اختبار إجهاد على جهاز الاستقبال لضمان إمكانية استقبال الإشارات وإعادة تشكيلها بشكل صحيح في ظل ظروف معطلة. لضمان تكرار الأداء الملاحظ في المختبر بعد النشر ، يجب أن تعمل مستقبلات الاتصالات الساتلية في ظروف تداخل التردد اللاسلكي في العالم الحقيقي. يتم إجراء هذه الاختبارات في IF و RF. عند إجرائك في IF ، سوف تحتاج إلى:
- مولد ضوضاء نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لضبط مستويات SNR أو Eb / No
- اختبار معدل الخطأ في البت (بيرت). يتم تكرار IF للوصلة الصاعدة مرة أخرى إلى IF للوصلة الهابطة من خلال مولد SNR. إذا كان الاختبار على ترددات RF / الميكروويف ، فستكون هناك حاجة أيضًا إلى مترجم حلقة الاختبار لإكمال الحلقة مرة أخرى. الشكل 4 يعرض إعداد الاختبار العام للحالتين.
لإجراء الاختبار ، يضيف مولد SNR قدرًا دقيقًا من الضوضاء لإنتاج مستوى SNR المطلوب. يتم زيادة مستوى الضوضاء حتى الوصول إلى حد معدل الخطأ المطلوب ، كما هو مراقب بواسطة BERT. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مولد إشارة لحقن إشارة متداخلة.
اختبار انتاج الطاقة والكسب والضغط
يقودنا هذا إلى أحد أهم قياسات التردد اللاسلكي والميكروويف: الطاقة. يمكن أن يكشف قياس الطاقة أيضًا عن بعض المشكلات الحرجة التي قد تؤثر على أداء النظام. الشكل 5 يعرض إعدادًا لتقييم أداء مكبر الصوت عالي القدرة للوصلة الصاعدة (HPA).
بالإضافة إلى قياس خسارة الكسب والعودة ، يوفر مستشعر الطاقة P2 مقياسًا لمستوى طاقة الخرج. يمكنك أيضًا استخدام هذا الإعداد لتقييم درجة ضغط الإشارة التي يسببها HPA.
تاريخياً ، استخدمت الوصلات الساتلية تنسيقات تشكيل منخفضة لنسبة القدرة الذروة إلى المتوسط (PAPR). ومع ذلك ، فإن التطبيقات الأحدث ، مثل شبكات الجيل الخامس غير الأرضية (NTN) ، تتطلب استخدام مخططات تشكيل عالية المستوى و OFDM. هذا يعني أن PAPR للإشارة سيكون أعلى ، وسيكون من الضروري الحرص على أن ضغط مكبر الصوت لا يشوه القمم التي تؤدي إلى أخطاء في الرموز وبالتالي في البتات. كانت هناك العديد من الدراسات حول تأثير تقليل PAPR على معدل خطأ البتات بسبب ضغط الإشارة. أظهرت دراسة أجراها Usman et al أن تقليل معدل PAPR من 5 ديسيبل إلى ~ 10 ديسيبل من شأنه أن يقلل معدل الخطأ في البتات من ~ 4 × 8-10 إلى ~ 4 × 1.3-10 للحصول على نسبة إشارة ضوئية (SNR) تبلغ 3 ديسيبل في المستقبل. هذا يسلط الضوء على أهمية معرفة تأثير تشويه مضخم الطاقة على PAPR وامتلاك وسيلة لرصده بوضوح.
يمكنك تقييم مضخم الصوت غير الخطي والضغط باستخدام مستشعرات الطاقة ذات الاكتشاف المتوسط أو محللات الشبكة للحصول على قطعة من POUT مقابل PIN. ومع ذلك ، فإن هذا لا يكشف عن تأثير إشارة m-QAM OFDM المعقدة على PAPR. لحسن الحظ ، هناك حل بسيط يمكنك تطبيقه. هذا لاستخدام مستشعرات قدرة الذروة ذات معدل العينة المرتفع مع عرض نطاق فيديو أوسع من قناة الإشارة التي يتم قياسها. تُستخدم عينات القدرة هذه لتحديد منحنيات PAPR للإشارة ورسم منحنيات دالة التوزيع التكميلي (CCDF). منحنى CCDF هو رسم بياني لاحتمال تجاوز إشارة مشكلة PAPR معين. الإعداد بسيط ويستخدم مستشعرات الطاقة P1 و P2 الموضحة في الشكل 6 ؛ يجب أن تقيس أجهزة الاستشعار الذروة وليس متوسط الطاقة فقط. باستخدام هذه المستشعرات ، جنبًا إلى جنب مع برنامج التحليل المناسب ، يوفر CCDF عند مدخلات ومخرجات مكبر الصوت وبالتالي الكشف عن تقليل PAPR.
الشكل 6 تُظهر هذه النتيجة باستخدام مستشعرات طاقة الذروة Boonton RTP5000 وبرنامج Boonton Power Analyzer. يوضح المحور ص احتمال تجاوز مستوى PAPR المشار إليه على المحور السيني. يوضح الشكل 6 أن 99.99٪ من الوقت ، تحتوي إشارة الإدخال على PAPR ~ 9.4 ديسيبل بينما يقلل ضغط مكبر الصوت من إشارة الخرج PAPR إلى ~ 7.4 ديسيبل ، مما قد يؤدي إلى أخطاء بت.
قياس مخطط الهوائي
أخيرًا ، لنلقِ نظرة على قياس مخطط الهوائي. سواء كان الهوائي عبارة عن طبق موجه ميكانيكيًا أو لوحة مصفوفة مرحلية موجهة إلكترونيًا مع إمكانية وصول متعددة مكانية متعددة الحزم والقدرة على توجيه الأصفار نحو عوامل التداخل ، يجب أن تميز نمط الهوائي. وعادة ما يتم تمثيل ذلك بالمخططات القطبية في مستويات السمت والميل. توفر مستشعرات الطاقة طريقة بسيطة ومريحة لإجراء هذه القياسات.
الهوائي مركب على قرص دوار. يقترن أحد مستشعرات القدرة بمراقبة التغذية الخاصة به لمستوى قدرة الإرسال لضمان بقائه ثابتًا أثناء دوران الهوائي. يوجد مستشعر طاقة ثانٍ ، مقترنًا ببوق الكسب القياسي ، في المجال البعيد للهوائي. تُستخدم القياسات المأخوذة من مستشعر الطاقة هذا لإنتاج مخططات مخطط الهوائي. للحصول على مزيج مثالي من الدقة الزاوية وسرعة القياس ، من المستحسن اختيار مستشعر طاقة يوفر معدل قياس سريع.
لقد تطرقنا إلى العديد من قياسات الطبقة المادية الرئيسية التي تساعد على توفير الثقة في أن كتل النظام الفردية والنظام العام ، عند النشر ، سوف يعملان بشكل موثوق. لا تنطبق تقنيات القياس المعروضة هنا على البوابات فقط. يمكنك تطبيق تقنيات مماثلة على المحطات الطرفية والأقمار الصناعية.
بوب بوكستون هو مدير المنتج في Wireless Telecom Group، وهي شركة اختبار وقياس تتألف من العلامات التجارية Boonton وNoisecom وHolzworth. شغل بوب سابقًا مناصب في مجال البحث والتطوير وإدارة المنتجات لدى MACOM، وMarconi، وAdvantest، وTektronix، وAnritsu. تضمنت خبراته في مجال البحث والتطوير أنظمة فرعية تعمل بالموجات الدقيقة وتصميم المُركب. يحمل بوب درجة الماجستير في الموجات الدقيقة والبصريات الحديثة من الكلية الجامعية بلندن وماجستير في إدارة الأعمال من جامعة جورج فوكس في نيوبيرج بولاية أوريغون. وهو مهندس معتمد وعضو في معهد الهندسة و تكنولوجيا.