La medición de ruido, la sustitución de LO, las pruebas de estrés del receptor, la medición de potencia, la caracterización de CCDF y PAPR y la medición del patrón de antena desempeñan funciones críticas en el presupuesto del enlace, la tasa de error de bit y los requisitos de SNR.
Por Bob Buston, Grupo de Telecomunicaciones Inalámbricas
Los sistemas satelitales de órbita terrestre baja (LEO) se están implementando para casos de uso de misión crítica a un ritmo acelerado. Esto trae consigo requisitos de prueba críticos asociados que, si no se realizan con precisión, podrían conducir a un rendimiento degradado del sistema. Usando una puerta de enlace como ejemplo, este artículo analiza las medidas y el tipo de equipo requerido para las pruebas de capa física de enlace ascendente y descendente.
Los despliegues de satélites van desde la órbita geoestacionaria (GEO) y la órbita terrestre media (MEO) hasta LEO. Las tasas de despliegue de los satélites LEO siguen aumentando. Por ejemplo, el sistema SpaceX Starlink actualmente tiene aproximadamente 3,500 satélites en órbita terrestre baja. En diciembre de 2022, la FCC aprobó el despliegue de 7,500 satélites de última generación. Debido a la baja latencia de los sistemas LEO, se están convirtiendo en el sistema elegido para aplicaciones civiles y militares, incluidas, entre otras, comunicaciones 5G y militares en el campo de batalla. El uso ucraniano del sistema Starlink, aunque limitado, es un ejemplo reciente de este último. El uso de sistemas LEO para este tipo de operaciones conlleva la necesidad de realizar pruebas de alta precisión para garantizar un funcionamiento fiable.
Las estaciones terrestres, también conocidas como puertas de enlace cuando se conectan a la red terrestre, son un elemento clave de la operación de enlace ascendente y descendente, como se muestra en Figura 1 y XNUMX. Los diversos módulos que comprenden las rutas de enlace ascendente y descendente requieren una variedad de pruebas para garantizar un funcionamiento confiable. Estas pruebas se pueden realizar durante el desarrollo y la producción de los módulos, durante la integración, como parte de la búsqueda de fallas y durante el monitoreo operativo. Figura 2 y XNUMX muestra un diagrama de bloques simplificado de las rutas de RF y microondas en una puerta de enlace y ejemplos de dónde se usaría el equipo de prueba para evaluar el rendimiento de la capa física.
Tabla 1 muestra información adicional y la importancia de realizar mediciones en los puntos que se muestran en la Figura 2.
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| Tabla 1. Seis casos de uso críticos para verificar el rendimiento de la capa física de enlace ascendente y descendente. |
A continuación, veremos estos casos de uso con más detalle.
Medida de ruido de fase
Muchos factores contribuyen al rendimiento de los enlaces ascendentes y descendentes del satélite y varios de ellos, como la pureza de la señal de los osciladores locales, afectan los errores de bits. El ruido de fase excesivo aumenta la magnitud del vector de error (EVM) y puede conducir a errores de símbolo y, por lo tanto, de bit porque la posición de los puntos de la constelación en el diagrama IQ cruza los límites de decisión del símbolo, como se muestra en Figura 3 y XNUMX.
Al realizar esta medición, pregúntese si necesita realizar mediciones absolutas de ruido de fase del oscilador local (LO) para medir el ruido aditivo de los amplificadores.
LO sustitución
La sustitución de LO es una técnica importante cuando se prueban convertidores ascendentes y descendentes en sistemas de comunicación. Le permite evaluar cadenas de señales sin que las características del LO enmascaren su desempeño. Esta técnica también le permite determinar si el LO es la fuente de problemas cuando el sistema no funciona correctamente.
Prueba de estrés del receptor
Ya sea en una puerta de enlace o en un satélite, es importante realizar una prueba de esfuerzo del receptor para garantizar que las señales se puedan recibir y demodular correctamente en condiciones deficientes. Para garantizar que el rendimiento observado en el laboratorio se replique después de la implementación, los receptores de comunicación satelital deben operar en condiciones de interferencia de RF del mundo real. Estas pruebas se realizan en IF y en RF. Cuando se realice en IF, necesitará:
- Generador de ruido de relación señal-ruido (SNR) para establecer niveles de SNR o Eb/No
- Probador de tasa de error de bit (BERT). El IF del enlace ascendente vuelve al IF del enlace descendente a través del generador de SNR. Si la prueba se realiza en frecuencias de RF/microondas, también se necesitará un traductor de bucle de prueba para completar el bucle de retorno. Figura 4 y XNUMX muestra la configuración general de la prueba para los dos casos.
Para realizar la prueba, el generador de SNR agrega una cantidad precisa de ruido para producir el nivel de SNR deseado. El nivel de ruido aumenta hasta que se alcanza el límite de tasa de error deseado, monitoreado por el BERT. Además, se puede usar un generador de señales para inyectar una señal de interferencia.
Pruebas de potencia de salida, ganancia y compresión
Esto nos lleva a una de las medidas más fundamentales de RF y microondas: la potencia. La medición de energía también puede descubrir algunos problemas críticos que podrían afectar el rendimiento del sistema. Figura 5 y XNUMX muestra una configuración para evaluar el rendimiento del amplificador de alta potencia (HPA) de enlace ascendente.
Además de medir la ganancia y la pérdida de retorno, el sensor de potencia P2 proporciona una medida del nivel de potencia de salida. También puede usar esta configuración para evaluar el grado de compresión de la señal causado por el HPA.
Históricamente, los enlaces satelitales han utilizado formatos de modulación de baja relación de potencia pico a promedio (PAPR). Sin embargo, las aplicaciones más nuevas, como las redes no terrestres (NTN) 5G, requieren el uso de esquemas de modulación de orden superior y OFDM. Esto significa que la PAPR de la señal será más alta y será necesario tener cuidado de que la compresión del amplificador no distorsione los picos que conducen a errores de símbolo y, por lo tanto, de bits. Se han realizado varios estudios sobre el efecto de la reducción de PAPR en la tasa de error de bit debido a la compresión de la señal. Un estudio de Usman et al mostró que reducir la PAPR de 10 dB a ~4dB degradaría la BER de ~8 x 10-4 a ~1.3 x 10-3 para una SNR de 10 dB en el receptor. Esto resalta la importancia de conocer el impacto de la distorsión del amplificador de potencia en la PAPR y de tener un medio para observarla claramente.
Puede evaluar la no linealidad y la compresión del amplificador utilizando sensores de potencia de detección promedio o analizadores de red para obtener un gráfico de POUT vs PIN. Sin embargo, esto no revela el impacto en la PAPR de una señal OFDM m-QAM compleja. Afortunadamente, hay una solución simple que puedes aplicar. Esto es para usar sensores de potencia pico de frecuencia de muestreo alta con un ancho de banda de video que es más ancho que el canal de señal que se está midiendo. Esas muestras de potencia se utilizan para determinar la señal PAPR y trazar curvas de función de distribución complementaria (CCDF). Una curva CCDF es un gráfico de la probabilidad de que una señal modulada exceda un PAPR específico. La configuración es simple y utiliza los sensores de potencia P1 y P2 que se muestran en la Figura 6; los sensores deben medir el pico y no solo la potencia promedio. El uso de esos sensores, junto con el software de análisis apropiado, proporciona el CCDF en la entrada y salida del amplificador, lo que revela la reducción de PAPR.
Figura 6 y XNUMX muestra este resultado utilizando sensores de potencia pico Boonton RTP5000 y el software Boonton Power Analyzer. El eje y muestra la probabilidad de exceder el nivel de PAPR indicado en el eje x. La Figura 6 muestra que el 99.99 % de las veces, la señal de entrada tiene una PAPR de ~9.4 dB, mientras que la compresión del amplificador redujo la PAPR de la señal de salida a ~7.4 dB, lo que podría provocar errores de bits.
Medición del patrón de antena
Por último, veamos la medición del patrón de antena. Ya sea que la antena sea un plato dirigido mecánicamente o un panel de matriz en fase dirigido electrónicamente con capacidad de acceso múltiple espacial de haces múltiples y la capacidad de apuntar nulos hacia las fuentes de interferencia, debe caracterizar el patrón de la antena. Esto generalmente se representa mediante gráficos polares en planos de azimut e inclinación. Los sensores de potencia brindan una forma simple y conveniente de realizar estas mediciones.
La antena está montada en un plato giratorio. Un sensor de potencia está acoplado a su alimentación monitoreando el nivel de potencia de transmisión para asegurar que permanezca constante durante la rotación de la antena. Un segundo sensor de potencia, acoplado a una bocina de ganancia estándar, se encuentra en el campo lejano de la antena. Las medidas tomadas de este sensor de potencia se utilizan para producir los diagramas de patrones de antena. Para tener una combinación óptima de resolución angular y velocidad de medición, es deseable elegir un sensor de potencia que proporcione una velocidad de medición rápida.
Hemos abordado varias medidas clave de la capa física que ayudan a brindar confianza en que los bloques individuales del sistema y el sistema en general, cuando se implementan, funcionarán de manera confiable. Las técnicas de medición presentadas aquí no solo se aplican a las puertas de enlace. Puede aplicar técnicas similares a terminales y satélites.
Bob Buxton es gerente de producto en Wireless Telecom Group, una empresa de pruebas y mediciones compuesta por las marcas Boonton, Noisecom y Holzworth. Bob ocupó anteriormente puestos en I+D y gestión de productos para MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix y Anritsu. Sus experiencias en I+D han involucrado subsistemas de microondas y diseño de sintetizadores. Bob tiene una maestría en Microondas y Óptica Moderna del University College de Londres y un MBA de la Universidad George Fox de Newberg, Oregón. Es ingeniero colegiado y miembro de la Institución de Ingeniería y Tecnología.