Quali sono le misurazioni critiche negli uplink e nei downlink satellitari?

La misurazione del rumore, la sostituzione LO, il test di stress del ricevitore, la misurazione della potenza, la caratterizzazione CCDF e PAPR e la misurazione del pattern dell'antenna svolgono un ruolo fondamentale nei requisiti di budget di collegamento, tasso di errore di bit e SNR.

Di Bob Buston, Wireless Telecom Group

I sistemi satellitari in orbita bassa (LEO) vengono implementati per casi d'uso mission-critical a un ritmo accelerato. Ciò comporta requisiti di test critici associati che, se non eseguiti in modo accurato, potrebbero comportare un peggioramento delle prestazioni del sistema. Usando un gateway come esempio, questo articolo esamina le misurazioni e il tipo di apparecchiature necessarie per i test del livello fisico in uplink e downlink.

Le implementazioni dei satelliti vanno dall'orbita geostazionaria (GEO) e dall'orbita terrestre media (MEO) a LEO. I tassi di dispiegamento dei satelliti LEO continuano ad aumentare. Ad esempio, il sistema SpaceX Starlink ha attualmente circa 3,500 satelliti in orbita terrestre bassa. Nel dicembre 2022, la FCC ha approvato il dispiegamento di 7,500 satelliti di nuova generazione. A causa della bassa latenza dei sistemi LEO, stanno diventando il sistema preferito per applicazioni sia civili che militari, incluse, ma non limitate a, 5G e comunicazioni militari sul campo di battaglia. L'uso ucraino del sistema Starlink, sebbene limitato, ne è un esempio recente. L'uso di sistemi LEO per questi tipi di operazioni comporta la necessità di test ad alta precisione per garantire un funzionamento affidabile.

Figura 1. L'architettura tipica ei vari elementi di un sistema LEO.

Le stazioni di terra, chiamate anche gateway quando ci si connette alla rete terrestre, sono un elemento chiave delle operazioni di up e downlink, come mostrato in Figure 1 . I vari moduli che comprendono i percorsi di uplink e downlink richiedono una varietà di test per garantire un funzionamento affidabile. Tali test possono essere eseguiti durante lo sviluppo e la produzione dei moduli, durante l'integrazione, come parte della ricerca guasti e durante il monitoraggio operativo. Figure 2 mostra un diagramma a blocchi semplificato dei percorsi RF e microonde in un gateway ed esempi di dove verrebbero utilizzate le apparecchiature di test per valutare le prestazioni del livello fisico.

Figura 2. Questo diagramma a blocchi del gateway mostra esempi di test del percorso RF e microonde.

Tabella 1 mostra informazioni aggiuntive e l'importanza di eseguire misurazioni nei punti mostrati nella Figura 2.

Caso d'uso della misurazione	Quando eseguito	Equipaggiamento utilizzato	Importanza per le prestazioni del sistema
Misura del rumore di fase	Durante lo sviluppo per garantire la purezza spettrale degli oscillatori locali progettati si incontrano specifiche.	Analizzatore di rumore di fase	Riduce la probabilità che un rumore di fase scadente causi errori di bit.
Sostituzione dell'oscillatore locale (LO).	Durante lo sviluppo o la ricerca guasti per diagnosticare un problema in un up o downconverter o quando LO integrato non è disponibile.	Sintetizzatore ad alte prestazioni	Risolvi i problemi prima della distribuzione.
Prova di stress del ricevitore	In fase di sviluppo per garantire il corretto funzionamento del ricevitore in presenza di rumore o altro interferenza.	Generatore di rumore programmabile o generatore segnale-rumore, sorgente di segnale, BERT e loop di test traduttore	Assicurarsi che i segnali possano essere ricevuti per soddisfare il BER richiesto in condizioni di scarso segnale/rumore.
Potenza di uscita	Durante lo sviluppo di amplificatori di potenza e upconverter. Misurato anche per il monitoraggio durante il funzionamento utilizzare.	Potenza di picco sensore e metro	Assicurarsi che il livello di potenza sia sufficiente per soddisfare i requisiti del budget di collegamento.
Guadagna e guadagna compressione	Durante lo sviluppo degli amplificatori di potenza.	Sensore e misuratore di potenza di picco	Evita che gli amplificatori in compressione taglino i picchi del segnale e causino errori di bit
Misurazione del modello dell'antenna	Durante lo sviluppo	Sensore e misuratore di potenza RF/microonde a misurazione rapida	Garantire che il guadagno e la direttività del raggio principale soddisfino i requisiti del budget di collegamento e dei lavori di posizionamento del raggio Correttamente.

Tabella 1. Sei casi d'uso critici per verificare le prestazioni del livello fisico di uplink e downlink.

Successivamente, esamineremo questi casi d'uso in modo più dettagliato.

Figura 3. Un rumore di fase LO eccessivo allarga un diagramma di costellazione, causando errori di bit.

Misura del rumore di fase
Molti fattori contribuiscono alle prestazioni dei collegamenti satellitari in salita e in discesa e molti di essi, come la purezza del segnale degli oscillatori locali, incidono sugli errori di bit. Un rumore di fase eccessivo aumenta la grandezza del vettore di errore (EVM) e può portare a errori di simbolo e quindi di bit perché la posizione dei punti della costellazione sul diagramma IQ attraversa i limiti di decisione del simbolo come mostrato in Figure 3 .

Quando si effettua questa misurazione, chiedersi se è necessario effettuare misurazioni assolute del rumore di fase dell'oscillatore locale (LO) per misurare il rumore additivo dagli amplificatori.

Sostituzione LO
La sostituzione LO è una tecnica importante quando si testano upconverter e downconverter nei sistemi di comunicazione. Consente di valutare le catene di segnali senza che le caratteristiche del LO ne nascondano le prestazioni. Questa tecnica consente inoltre di determinare se il LO è la fonte dei problemi quando il sistema non funziona correttamente.

Prova di stress del ricevitore
Che si tratti di un gateway o di un satellite, è importante sottoporre a stress test il ricevitore per garantire che i segnali possano essere ricevuti e demodulati correttamente in condizioni compromesse. Per garantire che le prestazioni osservate in laboratorio vengano replicate dopo l'implementazione, i ricevitori di comunicazione satellitare devono funzionare in condizioni di interferenza RF reali. Questi test vengono eseguiti in IF e in RF. Quando eseguito a IF, avrai bisogno di:

Generatore di rumore con rapporto segnale/rumore (SNR) per impostare i livelli di SNR o Mib/No
Tester del tasso di errore di bit (BERT). L'IF di uplink viene ricollegato all'IF di downlink attraverso il generatore SNR. Se il test è a frequenze RF/microonde, sarà necessario anche un traduttore di loop di test per completare il loopback. Figure 4 mostra la configurazione generale del test per i due casi.

Figura 4. Lo stress test del ricevitore viene eseguito con loopback IF o RF.

Per eseguire il test, il generatore SNR aggiunge una quantità precisa di rumore per produrre il livello SNR desiderato. Il livello di rumore viene aumentato fino al raggiungimento del limite di tasso di errore desiderato, monitorato dal BERT. Inoltre, un generatore di segnali può essere utilizzato per iniettare un segnale di interferenza.

Potenza di uscita, guadagno e test di compressione
Questo ci porta a una delle misurazioni RF e microonde più fondamentali: la potenza. La misurazione della potenza può anche rivelare alcuni problemi critici che potrebbero influire sulle prestazioni del sistema. Figure 5 mostra una configurazione per valutare le prestazioni dell'amplificatore ad alta potenza (HPA) in uplink.

Figura 5. I sensori di potenza P1 e P3 vengono utilizzati per la misurazione della perdita di ritorno e i sensori P1 e P2 per la misurazione del guadagno.

Oltre alla misura del guadagno e della perdita di ritorno, il sensore di potenza P2 fornisce una misura del livello di potenza in uscita. È inoltre possibile utilizzare questa configurazione per valutare il grado di compressione del segnale causato dall'HPA.

Storicamente, i collegamenti satellitari hanno utilizzato formati di modulazione PAPR (low peak-to-average power ratio). Le applicazioni più recenti, come le reti 5G non terrestri (NTN), tuttavia, richiedono l'uso di schemi di modulazione di ordine superiore e OFDM. Ciò significa che il PAPR del segnale sarà più alto e sarà necessario fare attenzione che la compressione dell'amplificatore non distorca i picchi portando a errori di simbolo e quindi di bit. Sono stati condotti diversi studi sull'effetto della riduzione PAPR sul tasso di errore di bit dovuto alla compressione del segnale. Uno studio di Usman et al ha mostrato che la riduzione del PAPR da 10 dB a ~4dB degraderebbe il BER da ~8 x 10-4 a ~1.3 x 10-3 per un SNR di 10 dB al ricevitore. Ciò evidenzia l'importanza di conoscere l'impatto della distorsione dell'amplificatore di potenza sul PAPR e di avere un mezzo per osservarlo chiaramente.

È possibile valutare la non linearità e la compressione dell'amplificatore utilizzando sensori di potenza di rilevamento della media o analizzatori di rete per ottenere un grafico di POUT rispetto a PIN. Ciò, tuttavia, non rivela l'impatto sul PAPR di un segnale OFDM m-QAM complesso. Fortunatamente, esiste una soluzione semplice che puoi applicare. Questo serve per utilizzare sensori di potenza di picco ad alta frequenza di campionamento con larghezza di banda video più ampia del canale del segnale misurato. Questi campioni di potenza vengono utilizzati per determinare il segnale PAPR e tracciare le curve della funzione di distribuzione complementare (CCDF). Una curva CCDF è un grafico della probabilità che un segnale modulato superi un PAPR specifico. La configurazione è semplice e utilizza i sensori di potenza P1 e P2 mostrati in Figura 6; i sensori devono misurare la potenza di picco e non solo quella media. L'utilizzo di tali sensori, insieme al software di analisi appropriato, fornisce il CCDF all'ingresso e all'uscita dell'amplificatore rivelando così la riduzione del PAPR.

Figure 6 mostra questo risultato utilizzando i sensori di potenza di picco Boonton RTP5000 e il software Boonton Power Analyzer. L'asse y mostra la probabilità di superare il livello PAPR indicato sull'asse x. La Figura 6 mostra che il 99.99% delle volte il segnale di ingresso ha un PAPR di ~9.4 dB mentre la compressione dell'amplificatore ha ridotto il PAPR del segnale di uscita a ~7.4 dB, il che potrebbe portare a errori di bit.

Figura 6. La traccia gialla CH1 mostra il CCDF all'ingresso dell'amplificatore e la traccia blu CH2 mostra il CCDF all'uscita.

Misurazione del modello dell'antenna
Infine, diamo un'occhiata alla misurazione del pattern dell'antenna. Indipendentemente dal fatto che l'antenna sia una parabola a guida meccanica o un pannello phased-array a guida elettronica con capacità di accesso multiplo spaziale a più fasci e la capacità di puntare i null verso gli interferenti, è necessario caratterizzare il pattern dell'antenna. Questo è solitamente rappresentato da grafici polari in azimut e piani di inclinazione. I sensori di potenza forniscono un modo semplice e conveniente per effettuare queste misurazioni.

L'antenna è montata su un giradischi. Un sensore di potenza è accoppiato alla sua alimentazione monitorando il livello di potenza di trasmissione per garantire che rimanga costante durante la rotazione dell'antenna. Un secondo sensore di potenza, accoppiato a una tromba a guadagno standard, si trova nel campo lontano dell'antenna. Le misurazioni prese da questo sensore di potenza vengono utilizzate per produrre i grafici del modello dell'antenna. Per avere una combinazione ottimale di risoluzione angolare e velocità di misurazione, è auspicabile scegliere un sensore di potenza che fornisca una velocità di misurazione elevata.

Abbiamo toccato diverse misurazioni chiave del livello fisico che aiutano a fornire la certezza che i singoli blocchi di sistema e il sistema complessivo, una volta implementato, funzioneranno in modo affidabile. Le tecniche di misurazione qui presentate non si applicano solo ai gateway. È possibile applicare tecniche simili a terminali e satelliti.

Bob Buxton è product manager presso Wireless Telecom Group, una società di test e misurazioni composta dai marchi Boonton, Noisecom e Holzworth. Bob ha precedentemente ricoperto posizioni nella ricerca e sviluppo e nella gestione dei prodotti per MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix e Anritsu. Le sue esperienze di ricerca e sviluppo hanno coinvolto sottosistemi a microonde e progettazione di sintetizzatori. Bob ha conseguito un master in microonde e ottica moderna presso l'University College di Londra e un MBA presso la George Fox University, Newberg Oregon. È un ingegnere abilitato e membro dell'Institution of Engineering e Tecnologia.

Quali sono le misurazioni critiche negli uplink e downlink satellitari?