Was sind die kritischen Messungen bei Satelliten-Uplinks und -Downlinks?

Rauschmessung, LO-Ersetzung, Empfängerbelastungstests, Leistungsmessung, CCDF- und PAPR-Charakterisierung sowie Antennenmustermessung spielen eine entscheidende Rolle bei den Anforderungen an Verbindungsbudget, Bitfehlerrate und SNR.

Von Bob Buston, Wireless Telecom Group

Satellitensysteme im erdnahen Orbit (LEO) werden immer schneller für missionskritische Anwendungsfälle eingesetzt. Damit verbunden sind kritische Testanforderungen, die, wenn sie nicht genau durchgeführt werden, zu einer Verschlechterung der Systemleistung führen können. Am Beispiel eines Gateways befasst sich dieser Artikel mit Messungen und der Art der Ausrüstung, die für Uplink- und Downlink-Physical-Layer-Tests erforderlich ist.

Der Einsatz von Satelliten reicht von der geostationären Umlaufbahn (GEO) über die mittlere Erdumlaufbahn (MEO) bis hin zur LEO. Die Einsatzraten von LEO-Satelliten steigen weiter. Beispielsweise verfügt das Starlink-System von SpaceX derzeit über etwa 3,500 Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Im Dezember 2022 genehmigte die FCC den Einsatz von 7,500 Satelliten der nächsten Generation. Aufgrund der geringen Latenz von LEO-Systemen werden sie zum System der Wahl sowohl für zivile als auch für militärische Anwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf 5G und militärische Schlachtfeldkommunikation. Die ukrainische Nutzung des Starlink-Systems ist zwar begrenzt, aber ein aktuelles Beispiel für Letzteres. Der Einsatz von LEO-Systemen für diese Art von Vorgängen erfordert hochpräzise Tests, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Abbildung 1. Die typische Architektur und die verschiedenen Elemente eines LEO-Systems.

Bodenstationen, bei der Verbindung mit dem terrestrischen Netzwerk auch als Gateways bezeichnet, sind ein Schlüsselelement des Up- und Downlink-Betriebs, wie in gezeigt Figure 1. Die verschiedenen Module, die die Uplink- und Downlink-Pfade umfassen, erfordern eine Vielzahl von Tests, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Solche Tests können während der Entwicklung und Produktion der Module, während der Integration, im Rahmen der Fehlersuche und während der Betriebsüberwachung durchgeführt werden. Figure 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der HF- und Mikrowellenpfade in einem Gateway und Beispiele für den Einsatz von Testgeräten zur Bewertung der Leistung der physikalischen Schicht.

Abbildung 2. Dieses Gateway-Blockdiagramm zeigt Beispiele für HF- und Mikrowellenpfadtests.

Tabelle 1 zeigt zusätzliche Informationen und die Bedeutung der Durchführung von Messungen an den in Abbildung 2 dargestellten Punkten.

Anwendungsfall Messung	Wenn ausgeführt	Verwendete Ausrüstung	Bedeutung für die Systemleistung
Messung des Phasenrauschens	Bei der Entwicklung muss darauf geachtet werden, dass die spektrale Reinheit der eingebauten Lokaloszillatoren eingehalten wird Spezifikationen.	Phasenrauschanalysator	Reduzieren Sie die Wahrscheinlichkeit, dass schlechtes Phasenrauschen Bitfehler verursacht.
Lokaler Oszillator (LO)-Ersatz	Während der Entwicklung oder Fehlersuche, um ein Problem in einem Aufwärts- oder Abwärtskonverter zu diagnostizieren, oder wann integriertes LO ist nicht verfügbar.	Hochleistungssynthesizer	Beheben Sie Probleme vor der Bereitstellung.
Stresstest des Empfängers	Während der Entwicklung, um den korrekten Betrieb des Empfängers bei Vorhandensein von Rauschen oder anderen Störungen sicherzustellen Interferenz.	Programmierbarer Rauschgenerator oder Signal-Rausch-Generator, Signalquelle, BERT und Testschleife Übersetzer	Stellen Sie sicher, dass Signale empfangen werden können, um die erforderliche BER unter schlechten Signal-/Rauschbedingungen zu erreichen.
Ausgangsleistung	Während der Entwicklung von Leistungsverstärkern und Aufwärtswandlern. Wird auch zur Überwachung während des Betriebs gemessen verwenden.	Spitzenleistung Sensor und Meter	Stellen Sie sicher, dass der Leistungspegel ausreicht, um die Anforderungen des Verbindungsbudgets zu erfüllen.
Komprimierung verstärken und verstärken	Während der Entwicklung von Leistungsverstärkern.	Spitzenleistungssensor und -messgerät	Vermeiden Sie, dass Verstärker bei der Komprimierung Signalspitzen abschneiden und Bitfehler verursachen
Messung des Antennenmusters	Während der Entwicklung	Schnell messender HF-/Mikrowellen-Leistungssensor und -messgerät	Stellen Sie sicher, dass die Verstärkung und die Richtwirkung des Hauptstrahls den Anforderungen des Verbindungsbudgets und der Strahlpositionierungsarbeiten entsprechen Korrekt.

Tabelle 1. Sechs kritische Anwendungsfälle zur Überprüfung der Leistung der physischen Uplink- und Downlink-Schicht.

Als Nächstes werden wir uns diese Anwendungsfälle genauer ansehen.

Abbildung 3. Übermäßiges LO-Phasenrauschen verbreitert ein Konstellationsdiagramm, was zu Bitfehlern führt.

Messung des Phasenrauschens
Viele Faktoren tragen zur Leistung von Satelliten-Up- und Downlinks bei, und mehrere davon, wie z. B. die Signalreinheit der lokalen Oszillatoren, wirken sich auf Bitfehler aus. Übermäßiges Phasenrauschen erhöht die Fehlervektorgröße (EVM) und kann zu Symbol- und damit Bitfehlern führen, da die Position der Konstellationspunkte im IQ-Diagramm die Symbolentscheidungsgrenzen überschreitet, wie in gezeigt Figure 3.

Fragen Sie sich bei dieser Messung, ob Sie absolute Phasenrauschmessungen des Lokaloszillators (LO) durchführen müssen, um das additive Rauschen von Verstärkern zu messen.

LO-Ersatz
Die LO-Substitution ist eine wichtige Technik beim Testen von Aufwärts- und Abwärtswandlern in Kommunikationssystemen. Damit können Sie Signalketten bewerten, ohne dass die Eigenschaften des LO ihre Leistung verdecken. Mit dieser Technik können Sie auch feststellen, ob der LO die Ursache für Probleme ist, wenn das System nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Stresstest des Empfängers
Ob in einem Gateway oder in einem Satelliten, es ist wichtig, den Empfänger einem Stresstest zu unterziehen, um sicherzustellen, dass Signale unter beeinträchtigten Bedingungen korrekt empfangen und demoduliert werden können. Um sicherzustellen, dass die im Labor beobachtete Leistung nach dem Einsatz reproduziert wird, müssen Satellitenkommunikationsempfänger unter realen HF-Interferenzbedingungen betrieben werden. Diese Tests werden am IF und am RF durchgeführt. Wenn Sie bei IF durchgeführt werden, benötigen Sie:

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Rauschgenerator zur Einstellung von SNR- oder Eb/No-Pegeln
Bitfehlerratentester (BERT). Die Uplink-IF wird über den SNR-Generator zur Downlink-IF zurückgeschleift. Wenn die Prüfung bei HF-/Mikrowellenfrequenzen erfolgt, ist außerdem ein Prüfschleifenübersetzer erforderlich, um die Rückschleife zu vervollständigen. Figure 4 zeigt den allgemeinen Testaufbau für die beiden Fälle.

Abbildung 4. Der Belastungstest des Empfängers wird entweder mit IF- oder RF-Loopback durchgeführt.

Um den Test durchzuführen, fügt der SNR-Generator eine präzise Menge an Rauschen hinzu, um den gewünschten SNR-Pegel zu erzeugen. Der Rauschpegel wird erhöht, bis die gewünschte Fehlerratengrenze, wie vom BERT überwacht, erreicht wird. Zusätzlich kann ein Signalgenerator verwendet werden, um ein Störsignal einzuspeisen.

Ausgangsleistungs-, Verstärkungs- und Kompressionstests
Dies bringt uns zu einer der grundlegendsten HF- und Mikrowellenmessungen: der Leistung. Durch die Leistungsmessung können auch einige kritische Probleme aufgedeckt werden, die sich auf die Systemleistung auswirken könnten. Figure 5 zeigt einen Aufbau zur Bewertung der Leistung des Uplink-Hochleistungsverstärkers (HPA).

Abbildung 5. Die Leistungssensoren P1 und P3 werden zur Rückflussdämpfungsmessung und die Sensoren P1 und P2 zur Verstärkungsmessung verwendet.

Zusätzlich zur Messung von Verstärkung und Rückflussdämpfung liefert der Leistungssensor P2 ein Maß für den Ausgangsleistungspegel. Sie können dieses Setup auch verwenden, um den Grad der Signalkomprimierung zu beurteilen, die durch den HPA verursacht wird.

In der Vergangenheit wurden bei Satellitenverbindungen PAPR-Modulationsformate (Low Peak-to-Average Power Ratio) verwendet. Neuere Anwendungen wie nicht-terrestrische 5G-Netze (NTN) erfordern jedoch die Verwendung von Modulationsschemata höherer Ordnung und OFDM. Dies bedeutet, dass der PAPR-Wert des Signals höher ist und dass darauf geachtet werden muss, dass die Verstärkerkompression die Spitzen nicht verzerrt, was zu Symbol- und damit Bitfehlern führt. Es wurden mehrere Studien zur Auswirkung der PAPR-Reduktion auf die Bitfehlerrate aufgrund der Signalkomprimierung durchgeführt. Eine Studie von Usman et al. zeigte, dass eine Reduzierung des PAPR von 10 dB auf ~4 dB die BER von ~8 x 10-4 auf ~1.3 x 10-3 bei einem SNR von 10 dB am Empfänger verschlechtern würde. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen der Leistungsverstärkerverzerrung auf die PAPR zu kennen und über die Möglichkeit zu verfügen, diese eindeutig zu beobachten.

Sie können die Nichtlinearität und Komprimierung des Verstärkers mithilfe von Leistungssensoren oder Netzwerkanalysatoren zur Durchschnittserkennung beurteilen, um eine Darstellung von POUT vs. PIN zu erhalten. Dies zeigt jedoch nicht die Auswirkung eines komplexen m-QAM-OFDM-Signals auf den PAPR. Glücklicherweise gibt es eine einfache Lösung, die Sie anwenden können. Dabei werden Spitzenleistungssensoren mit hoher Abtastrate und einer Videobandbreite verwendet, die größer ist als der gemessene Signalkanal. Diese Leistungsproben werden zur Bestimmung des Signal-PAPR und zur Darstellung der Komplementärverteilungsfunktionskurven (CCDF) verwendet. Eine CCDF-Kurve ist ein Diagramm der Wahrscheinlichkeit, dass ein moduliertes Signal einen bestimmten PAPR überschreitet. Der Aufbau ist einfach und verwendet die in Abbildung 1 gezeigten Leistungssensoren P2 und P6; Die Sensoren müssen die Spitzenleistung und nicht nur die Durchschnittsleistung messen. Die Verwendung dieser Sensoren zusammen mit der entsprechenden Analysesoftware liefert den CCDF am Eingang und Ausgang des Verstärkers und zeigt so die PAPR-Reduzierung auf.

Figure 6 zeigt dieses Ergebnis mit Boonton RTP5000 Spitzenleistungssensoren und der Boonton Power Analyser-Software. Die y-Achse zeigt die Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung des auf der x-Achse angegebenen PAPR-Werts. Abbildung 6 zeigt, dass das Eingangssignal in 99.99 % der Fälle einen PAPR von ~9.4 dB aufweist, während die Verstärkerkomprimierung den PAPR des Ausgangssignals auf ~7.4 dB reduzierte, was zu Bitfehlern führen könnte.

Abbildung 6. Die gelbe CH1-Kurve zeigt den CCDF am Verstärkereingang und die blaue CH2-Kurve zeigt den CCDF am Ausgang.

Messung des Antennenmusters
Schauen wir uns zum Schluss noch die Messung des Antennenmusters an. Unabhängig davon, ob es sich bei der Antenne um eine mechanisch gesteuerte Parabolantenne oder um ein elektronisch gesteuertes Phased-Array-Panel mit räumlicher Mehrfachzugriffsfähigkeit mit mehreren Strahlen und der Fähigkeit handelt, Nullpunkte auf Störer auszurichten, müssen Sie das Antennenmuster charakterisieren. Dies wird normalerweise durch Polardiagramme in Azimut- und Neigungsebenen dargestellt. Leistungssensoren bieten eine einfache und bequeme Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen.

Die Antenne ist auf einem Drehteller montiert. Ein Leistungssensor ist mit seiner Einspeisung verbunden und überwacht den Sendeleistungspegel, um sicherzustellen, dass er während der Antennendrehung konstant bleibt. Im Fernfeld der Antenne befindet sich ein zweiter Leistungssensor, der mit einem Horn mit Standardverstärkung gekoppelt ist. Die von diesem Leistungssensor erfassten Messungen werden zur Erstellung der Antennenmusterdiagramme verwendet. Um eine optimale Kombination aus Winkelauflösung und Messgeschwindigkeit zu erreichen, ist es wünschenswert, einen Leistungssensor zu wählen, der eine schnelle Messrate bietet.

Wir haben mehrere wichtige Messungen auf der physikalischen Ebene angesprochen, die dazu beitragen, Vertrauen zu schaffen, dass die einzelnen Systemblöcke und das Gesamtsystem bei der Bereitstellung zuverlässig funktionieren. Die hier vorgestellten Messtechniken gelten nicht nur für Gateways. Ähnliche Techniken können Sie auf Terminals und Satelliten anwenden.

Bob Buxton ist Produktmanager bei der Wireless Telecom Group, einem Test- und Messunternehmen, das aus den Marken Boonton, Noisecom und Holzworth besteht. Bob war zuvor in den Bereichen Forschung und Entwicklung sowie Produktmanagement für MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix und Anritsu tätig. Seine Forschungs- und Entwicklungserfahrungen umfassten Mikrowellen-Subsysteme und Synthesizer-Design. Bob hat einen Master-Abschluss in Mikrowellen und moderner Optik vom University College in London und einen MBA von der George Fox University in Newberg, Oregon. Er ist zugelassener Ingenieur und Mitglied der Institution of Engineering and Technologie.