La mesure du bruit, la substitution LO, les tests de contrainte du récepteur, la mesure de puissance, la caractérisation CCDF et PAPR et la mesure du modèle d'antenne jouent un rôle essentiel dans le budget de liaison, le taux d'erreur binaire et les exigences SNR.
Par Bob Buston, Groupe de télécommunications sans fil
Les systèmes de satellites en orbite terrestre basse (LEO) sont déployés pour des cas d'utilisation critiques à un rythme accéléré. Cela entraîne des exigences de test critiques associées qui, si elles ne sont pas exécutées avec précision, pourraient entraîner une dégradation des performances du système. En utilisant une passerelle comme exemple, cet article examine les mesures et le type d'équipement requis pour les tests de couche physique de liaison montante et descendante.
Les déploiements de satellites vont de l'orbite géostationnaire (GEO) et de l'orbite terrestre moyenne (MEO) au LEO. Les taux de déploiement des satellites LEO ne cessent d'augmenter. Par exemple, le système SpaceX Starlink compte actuellement environ 3,500 2022 satellites en orbite terrestre basse. En décembre 7,500, la FCC a approuvé le déploiement de 5 XNUMX satellites de nouvelle génération. En raison de la faible latence des systèmes LEO, ils deviennent le système de choix pour les applications civiles et militaires, y compris, mais sans s'y limiter, la XNUMXG et les communications militaires sur le champ de bataille. L'utilisation ukrainienne du système Starlink, bien que limitée, en est un exemple récent. L'utilisation de systèmes LEO pour ces types d'opérations nécessite des tests de haute précision pour garantir un fonctionnement fiable.
Les stations au sol, également appelées passerelles lors de la connexion au réseau terrestre, sont un élément clé du fonctionnement en liaison montante et descendante, comme indiqué dans Figure 1. Les différents modules comprenant les voies de liaison montante et de liaison descendante nécessitent une variété de tests pour garantir un fonctionnement fiable. Ces tests peuvent être effectués lors du développement et de la production des modules, lors de l'intégration, dans le cadre de la recherche de pannes et lors de la surveillance opérationnelle. Figure 2 montre un schéma fonctionnel simplifié des chemins RF et micro-ondes dans une passerelle et des exemples d'utilisation d'équipements de test pour évaluer les performances de la couche physique.
Tableau 1 montre des informations supplémentaires et l'importance d'effectuer des mesures aux points indiqués sur la figure 2.
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| Tableau 1. Six cas d'utilisation critiques pour vérifier les performances des couches physiques des liaisons montantes et descendantes. |
Ensuite, nous examinerons ces cas d'utilisation plus en détail.
Mesure du bruit de phase
De nombreux facteurs contribuent aux performances des liaisons montantes et descendantes du satellite et plusieurs d'entre eux, tels que la pureté du signal des oscillateurs locaux, ont un impact sur les erreurs de bits. Un bruit de phase excessif augmente l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) et peut entraîner des erreurs de symbole et donc de bit, car la position des points de constellation sur le diagramme IQ traverse les limites de décision des symboles, comme indiqué dans Figure 3.
Lorsque vous effectuez cette mesure, demandez-vous si vous devez effectuer des mesures de bruit de phase absolu de l'oscillateur local (LO) pour mesurer le bruit additif des amplificateurs.
Remplacement LO
La substitution LO est une technique importante lors du test des convertisseurs élévateurs et des convertisseurs abaisseurs dans les systèmes de communication. Il vous permet d'évaluer les chaînes de signaux sans que les caractéristiques de l'OL ne masquent leurs performances. Cette technique vous permet également de déterminer si l'OL est la source des problèmes lorsque le système ne fonctionne pas correctement.
Test d'effort du récepteur
Que ce soit dans une passerelle ou dans un satellite, il est important de tester le récepteur pour s'assurer que les signaux peuvent être reçus et démodulés correctement dans des conditions dégradées. Pour garantir que les performances observées en laboratoire sont reproduites après le déploiement, les récepteurs de communication par satellite doivent fonctionner dans des conditions d'interférence RF réelles. Ces tests sont effectués en IF et en RF. Lorsqu'il est effectué à l'IF, vous aurez besoin de :
- Générateur de bruit de rapport signal sur bruit (SNR) pour définir les niveaux de SNR ou Eb/No
- Testeur de taux d'erreur binaire (BERT). La liaison montante IF est rebouclée sur la liaison descendante IF via le générateur SNR. Si le test est à des fréquences RF/micro-ondes, un traducteur de boucle de test sera également nécessaire pour compléter la boucle de retour. Figure 4 montre la configuration générale du test pour les deux cas.
Pour effectuer le test, le générateur SNR ajoute une quantité précise de bruit pour produire le niveau SNR souhaité. Le niveau de bruit est augmenté jusqu'à ce que la limite de taux d'erreur souhaitée, telle que surveillée par le BERT, soit atteinte. De plus, un générateur de signal peut être utilisé pour injecter un signal interférant.
Tests de puissance de sortie, de gain et de compression
Cela nous amène à l'une des mesures RF et micro-ondes les plus fondamentales : la puissance. La mesure de la puissance peut également révéler certains problèmes critiques susceptibles d'avoir un impact sur les performances du système. Figure 5 montre une configuration pour évaluer les performances de l'amplificateur haute puissance (HPA) de liaison montante.
En plus de la mesure du gain et de la perte de retour, le capteur de puissance P2 fournit une mesure du niveau de puissance de sortie. Vous pouvez également utiliser cette configuration pour évaluer le degré de compression du signal causé par le HPA.
Historiquement, les liaisons par satellite ont utilisé des formats de modulation à faible rapport de puissance crête à moyenne (PAPR). Les applications plus récentes, telles que les réseaux non terrestres 5G (NTN), nécessitent cependant l'utilisation de schémas de modulation d'ordre supérieur et de l'OFDM. Cela signifie que le PAPR du signal sera plus élevé, et il faudra veiller à ce que la compression de l'amplificateur ne déforme pas les pics conduisant à des erreurs de symbole et donc de bit. Il y a eu plusieurs études sur l'effet de la réduction du PAPR sur le taux d'erreur binaire dû à la compression du signal. Une étude d'Usman et al a montré que la réduction du PAPR de 10 dB à ~ 4 dB dégraderait le BER de ~ 8 x 10-4 à ~ 1.3 x 10-3 pour un SNR de 10 dB au niveau du récepteur. Cela souligne l'importance de connaître l'impact de la distorsion de l'amplificateur de puissance sur le PAPR et d'avoir un moyen de l'observer clairement.
Vous pouvez évaluer la non-linéarité et la compression de l'amplificateur à l'aide de capteurs de puissance à détection moyenne ou d'analyseurs de réseau pour obtenir un tracé POUT vs PIN. Cela ne révèle cependant pas l'impact sur le PAPR d'un signal complexe m-QAM OFDM. Heureusement, il existe une solution simple que vous pouvez appliquer. Il s'agit d'utiliser des capteurs de puissance de crête à taux d'échantillonnage élevé avec une bande passante vidéo plus large que le canal de signal mesuré. Ces échantillons de puissance sont utilisés pour déterminer le signal PAPR et tracer les courbes de la fonction de distribution complémentaire (CCDF). Une courbe CCDF est un tracé de la probabilité qu'un signal modulé dépasse un PAPR spécifique. La configuration est simple et utilise les capteurs de puissance P1 et P2 représentés sur la figure 6 ; les capteurs doivent mesurer la puissance de pointe et pas seulement la puissance moyenne. L'utilisation de ces capteurs, associée au logiciel d'analyse approprié, fournit le CCDF à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur, révélant ainsi la réduction du PAPR.
Figure 6 montre ce résultat en utilisant les capteurs de puissance de crête Boonton RTP5000 et le logiciel Boonton Power Analyzer. L'axe des ordonnées montre la probabilité de dépasser le niveau de PAPR indiqué sur l'axe des abscisses. La figure 6 montre que 99.99 % du temps, le signal d'entrée a un PAPR d'environ 9.4 dB tandis que la compression de l'amplificateur réduit le PAPR du signal de sortie à environ 7.4 dB, ce qui peut entraîner des erreurs sur les bits.
Mesure du diagramme d'antenne
Enfin, regardons la mesure du diagramme d'antenne. Que l'antenne soit une parabole dirigée mécaniquement ou un panneau à réseau phasé dirigé électroniquement avec une capacité d'accès multiple spatial multifaisceaux et la capacité de pointer les zéros vers les brouilleurs, vous devez caractériser le diagramme d'antenne. Ceci est généralement représenté par des tracés polaires dans les plans d'azimut et d'inclinaison. Les capteurs de puissance offrent un moyen simple et pratique d'effectuer ces mesures.
L'antenne est montée sur un plateau tournant. Un capteur de puissance est couplé à son alimentation surveillant le niveau de puissance d'émission pour s'assurer qu'il reste constant pendant la rotation de l'antenne. Un deuxième capteur de puissance, couplé à un cornet à gain standard, se trouve dans le champ lointain de l'antenne. Les mesures prises à partir de ce capteur de puissance sont utilisées pour produire les tracés de diagramme d'antenne. Pour avoir une combinaison optimale de résolution angulaire et de vitesse de mesure, il est souhaitable de choisir un capteur de puissance qui fournit une cadence de mesure rapide.
Nous avons abordé plusieurs mesures clés de la couche physique qui permettent de garantir que les blocs système individuels et le système global, une fois déployés, fonctionneront de manière fiable. Les techniques de mesure présentées ici ne s'appliquent pas uniquement aux passerelles. Vous pouvez appliquer des techniques similaires aux terminaux et aux satellites.
Bob Buxton est chef de produit chez Wireless Telecom Group, une société de tests et de mesures composée des marques Boonton, Noisecom et Holzworth. Bob a précédemment occupé des postes en R&D et en gestion de produits pour MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix et Anritsu. Ses expériences en R&D ont porté sur la conception de sous-systèmes micro-ondes et de synthétiseurs. Bob est titulaire d'une maîtrise en micro-ondes et optique moderne de l'University College de Londres et d'un MBA de l'Université George Fox de Newberg, Oregon. Il est ingénieur agréé et membre de l'Institution of Engineering and Technologie.