Pengukuran kebisingan, substitusi LO, uji tegangan penerima, pengukuran daya, karakterisasi CCDF dan PAPR, dan pengukuran pola antena memainkan peran penting dalam anggaran tautan, tingkat kesalahan bit, dan persyaratan SNR.
Oleh Bob Buston, Grup Telekomunikasi Nirkabel
Sistem satelit orbit rendah Bumi (LEO) sedang digunakan untuk kasus penggunaan kritis-misi dengan kecepatan yang semakin cepat. Ini membawa persyaratan pengujian kritis terkait yang, jika tidak dilakukan secara akurat, dapat menyebabkan penurunan kinerja sistem. Menggunakan gateway sebagai contoh, artikel ini membahas pengukuran dan jenis peralatan yang diperlukan untuk pengujian lapisan fisik uplink dan downlink.
Penyebaran satelit berkisar dari orbit geostasioner (GEO) dan orbit menengah-Bumi (MEO) hingga LEO. Tingkat penerapan satelit LEO terus meningkat. Misalnya, sistem SpaceX Starlink saat ini memiliki sekitar 3,500 satelit di orbit rendah Bumi. Pada Desember 2022, FCC menyetujui penyebaran 7,500 satelit generasi berikutnya. Karena latensi rendah dari sistem LEO, mereka menjadi sistem pilihan untuk aplikasi sipil dan militer termasuk, namun tidak terbatas pada, 5G dan komunikasi medan perang militer. Penggunaan sistem Starlink di Ukraina, meskipun terbatas, adalah contoh terbaru dari sistem Starlink. Penggunaan sistem LEO untuk jenis operasi ini memerlukan pengujian dengan akurasi tinggi untuk memastikan operasi yang andal.
Stasiun bumi, juga disebut sebagai gateway saat terhubung ke jaringan terestrial, merupakan elemen kunci dari operasi naik dan turun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Berbagai modul yang terdiri dari jalur uplink dan downlink memerlukan berbagai pengujian untuk memastikan pengoperasian yang andal. Pengujian tersebut dapat dilakukan selama pengembangan dan produksi modul, selama integrasi, sebagai bagian dari pencarian kesalahan, dan selama pemantauan operasional. Gambar 2 menunjukkan diagram blok yang disederhanakan dari jalur RF dan gelombang mikro di gateway dan contoh di mana peralatan uji akan digunakan untuk menilai kinerja lapisan fisik.
Tabel 1 menunjukkan informasi tambahan dan pentingnya melakukan pengukuran pada titik-titik yang ditunjukkan pada Gambar 2.
|
||||||||||||||||||||||||||||
| Tabel 1. Enam kasus penggunaan kritis untuk memverifikasi kinerja lapisan fisik uplink dan downlink. |
Selanjutnya, kita akan melihat kasus penggunaan ini secara lebih mendetail.
Pengukuran kebisingan fase
Banyak faktor yang berkontribusi pada kinerja up dan downlink satelit dan beberapa di antaranya, seperti kemurnian sinyal dari osilator lokal, berdampak pada kesalahan bit. Kebisingan fase yang berlebihan meningkatkan besaran vektor kesalahan (EVM) dan dapat menyebabkan simbol dan karenanya kesalahan bit karena posisi titik konstelasi pada diagram IQ melintasi batas keputusan simbol seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Saat melakukan pengukuran ini, tanyakan pada diri Anda apakah Anda perlu melakukan pengukuran derau fasa absolut dari osilator lokal (LO) untuk mengukur derau aditif dari amplifier.
pergantian LO
Substitusi LO adalah teknik penting saat menguji konverter atas dan konverter bawah dalam sistem komunikasi. Ini memungkinkan Anda mengevaluasi rantai sinyal tanpa karakteristik LO menutupi kinerjanya. Teknik ini juga memungkinkan Anda menentukan apakah LO adalah sumber masalah saat sistem tidak berfungsi dengan benar.
Tes stres penerima
Apakah di gateway atau di satelit, penting untuk menguji tekanan penerima untuk memastikan bahwa sinyal dapat diterima dan didemodulasi dengan benar dalam kondisi gangguan. Untuk memastikan kinerja yang diamati di lab direplikasi setelah pemasangan, penerima komunikasi satelit harus beroperasi dalam kondisi interferensi RF dunia nyata. Tes ini dilakukan di IF dan di RF. Saat dilakukan di IF, Anda memerlukan:
- Signal-to-noise ratio (SNR) noise generator untuk mengatur tingkat SNR atau Eb/No
- Penguji tingkat kesalahan bit (BERT). Uplink IF dikembalikan ke downlink IF melalui generator SNR. Jika pengujian dilakukan pada frekuensi RF/microwave, penerjemah loop pengujian juga diperlukan untuk menyelesaikan loop kembali. Gambar 4 menunjukkan pengaturan tes umum untuk dua kasus.
Untuk melakukan pengujian, generator SNR menambahkan jumlah kebisingan yang tepat untuk menghasilkan tingkat SNR yang diinginkan. Tingkat kebisingan dinaikkan hingga batas tingkat kesalahan yang diinginkan, seperti yang dipantau oleh BERT, tercapai. Selain itu, generator sinyal dapat digunakan untuk menyuntikkan sinyal yang mengganggu.
Daya keluaran, penguatan, dan pengujian kompresi
Ini membawa kita ke salah satu pengukuran RF dan gelombang mikro yang paling mendasar: daya. Pengukuran daya juga dapat mengungkap beberapa masalah kritis yang dapat memengaruhi kinerja sistem. Gambar 5 menunjukkan pengaturan untuk mengevaluasi kinerja penguat daya tinggi (HPA) uplink.
Selain pengukuran gain dan return loss, sensor daya P2 menyediakan ukuran tingkat daya keluaran. Anda juga dapat menggunakan pengaturan ini untuk menilai tingkat kompresi sinyal yang disebabkan oleh HPA.
Secara historis, tautan satelit telah menggunakan format modulasi rasio daya puncak ke rata-rata (PAPR) yang rendah. Namun, aplikasi yang lebih baru, seperti jaringan non-terestrial (NTN) 5G, memerlukan penggunaan skema modulasi tingkat tinggi dan OFDM. Ini berarti bahwa PAPR sinyal akan lebih tinggi, dan perlu berhati-hati agar kompresi amplifier tidak mendistorsi puncak yang mengarah ke simbol dan karenanya kesalahan bit. Ada beberapa penelitian tentang pengaruh pengurangan PAPR terhadap bit error rate akibat kompresi sinyal. Sebuah studi oleh Usman dkk menunjukkan bahwa mengurangi PAPR dari 10 dB menjadi ~4dB akan menurunkan BER dari ~8 x 10-4 menjadi ~1.3 x 10-3 untuk SNR 10 dB pada penerima. Ini menyoroti pentingnya mengetahui dampak distorsi penguat daya pada PAPR dan memiliki sarana untuk mengamatinya dengan jelas.
Anda dapat menilai non-linearitas dan kompresi amplifier menggunakan sensor daya pendeteksi rata-rata atau penganalisa jaringan untuk mendapatkan plot POUT vs PIN. Namun, ini tidak mengungkapkan dampak pada PAPR dari sinyal OFDM m-QAM yang kompleks. Untungnya, ada solusi sederhana yang bisa Anda terapkan. Ini untuk menggunakan sensor daya puncak laju sampel tinggi dengan bandwidth video yang lebih lebar dari saluran sinyal yang diukur. Sampel daya tersebut digunakan untuk menentukan sinyal PAPR dan plot kurva fungsi distribusi komplementer (CCDF). Kurva CCDF adalah plot probabilitas sinyal termodulasi melebihi PAPR tertentu. Penyiapannya sederhana dan menggunakan sensor daya P1 dan P2 yang ditunjukkan pada Gambar 6; sensor harus mengukur puncak dan bukan hanya daya rata-rata. Menggunakan sensor tersebut, bersama dengan perangkat lunak analisis yang sesuai, memberikan CCDF pada input dan output amplifier sehingga mengungkapkan pengurangan PAPR.
Gambar 6 menunjukkan hasil ini menggunakan sensor daya puncak Boonton RTP5000 dan perangkat lunak Boonton Power Analyzer. Sumbu y menunjukkan kemungkinan terlampauinya level PAPR yang ditunjukkan pada sumbu x. Gambar 6 menunjukkan bahwa 99.99% dari waktu, sinyal input memiliki PAPR ~9.4 dB sedangkan kompresi amplifier mengurangi PAPR sinyal output menjadi ~7.4 dB, yang dapat menyebabkan kesalahan bit.
Pengukuran pola antena
Terakhir, mari kita lihat pengukuran pola antena. Apakah antena adalah piringan yang diarahkan secara mekanis atau panel array bertahap yang diarahkan secara elektronik dengan kemampuan multi-beam spatial multiple access dan kemampuan untuk mengarahkan null ke arah interferensi, Anda harus mengkarakterisasi pola antena. Ini biasanya diwakili oleh plot kutub di bidang azimuth dan kemiringan. Sensor daya menyediakan cara sederhana dan nyaman untuk melakukan pengukuran ini.
Antena dipasang di meja putar. Satu sensor daya digabungkan ke umpannya untuk memantau tingkat daya pancar untuk memastikannya tetap konstan selama rotasi antena. Sebuah sensor daya kedua, digabungkan dengan tanduk gain standar, berada di medan jauh antena. Pengukuran yang diambil dari sensor daya ini digunakan untuk menghasilkan plot pola antena. Untuk mendapatkan kombinasi resolusi sudut dan kecepatan pengukuran yang optimal, disarankan untuk memilih sensor daya yang memberikan laju pengukuran yang cepat.
Kami telah menyentuh beberapa pengukuran lapisan fisik utama yang membantu memberikan keyakinan bahwa blok sistem individual dan keseluruhan sistem, saat digunakan, akan bekerja dengan andal. Teknik pengukuran yang disajikan di sini tidak hanya berlaku untuk gateway. Anda dapat menerapkan teknik serupa pada terminal dan satelit.
Bob Buxton adalah manajer produk di Wireless Telecom Group, sebuah perusahaan pengujian dan pengukuran yang terdiri dari merek Boonton, Noisecom, dan Holzworth. Bob sebelumnya menjabat posisi di R&D dan manajemen produk untuk MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix, dan Anritsu. Pengalaman penelitian dan pengembangannya melibatkan subsistem gelombang mikro dan desain synthesizer. Bob meraih gelar master di bidang Gelombang Mikro dan Optik Modern dari University College, London dan gelar MBA dari George Fox University, Newberg Oregon. Beliau adalah Chartered Engineer dan Anggota dari Institution of Engineering dan Teknologi.