衛星のアップリンクとダウンリンクにおける重要な測定は何ですか?

ノイズ測定、LO 置換、受信機ストレステスト、電力測定、CCDF および PAPR 特性評価、アンテナパターン測定は、リンクバジェット、ビット誤り率、および SNR 要件において重要な役割を果たします。

ボブ・バストン著、ワイヤレス・テレコム・グループ

低地球軌道 (LEO) 衛星システムは、ミッションクリティカルなユースケース向けに加速度的に導入されています。これにより、正確に実行されないとシステムパフォーマンスの低下につながる可能性のある、関連する重要なテスト要件が生じます。この記事では、ゲートウェイを例として、アップリンクおよびダウンリンクの物理層テストに必要な測定値と機器の種類について説明します。

衛星の配備は静止軌道 (GEO) および中地球軌道 (MEO) から LEO まで多岐にわたります。 LEO衛星の配備率は増加し続けています。たとえば、SpaceX Starlink システムには現在、地球低軌道に約 3,500 個の衛星が搭載されています。 2022年7,500月、FCCは5基の次世代衛星の配備を承認した。 LEO システムは遅延が少ないため、XNUMXG や軍事戦場通信を含む (ただしこれらに限定されない)、民生用と軍事用の両方の用途に選ばれるシステムになりつつあります。限定的ではあるものの、ウクライナでの Starlink システムの使用は、後者の最近の例です。このような種類の操作に LEO システムを使用すると、信頼性の高い操作を保証するための高精度のテストが必要になります。

地上局は、地上ネットワークに接続する場合はゲートウェイとも呼ばれ、図に示すように、アップリンクおよびダウンリンク動作の重要な要素です。図1。アップリンクおよびダウンリンクのパスを構成するさまざまなモジュールは、信頼性の高い動作を保証するためにさまざまなテストを必要とします。このようなテストは、モジュールの開発および製造中、統合中、障害発見の一部として、および動作監視中に実行される場合があります。図2 に、ゲートウェイ内の RF およびマイクロ波パスの簡略化されたブロック図と、物理層のパフォーマンスを評価するためにテスト機器が使用される例を示します。

図 2. このゲートウェイのブロック図は、RF およびマイクロ波パスのテストの例を示しています。

テーブル1 に、追加情報と、図 2 に示すポイントで測定を実行する重要性を示します。

測定の使用例	実行時	使用機材	システムパフォーマンスの重要性
位相雑音測定	開発中に、設計された局部発振器のスペクトル純度が次の条件を満たしていることを確認します。仕様。	位相雑音アナライザ	ビットエラーを引き起こす不良な位相ノイズの可能性を低減します。
局部発振器 (LO) の代替	アップコンバータまたはダウンコンバータの問題を診断するための開発中または障害発見中、またはデザインイン LO は使用できません。	高性能シンセサイザー	導入前に問題を修正します。
受信機ストレステスト	開発中、ノイズまたはその他の存在下で受信機が正しく動作することを保証します。干渉。	プログラマブルノイズジェネレーターまたは S/N ジェネレーター、信号源、BERT、およびテストループ翻訳者	劣悪な信号/ノイズ条件下でも、必要な BER を満たすように信号を受信できることを確認します。
出力	パワーアンプとアップコンバータの開発中。運用中のモニタリング用にも測定使用しています。	ピーク電力センサーそしてメーター	電力レベルがリンクバジェットの要件を満たすのに十分であることを確認してください。
ゲインとゲインコンプレッション	パワーアンプの開発中。	ピークパワーセンサーとメーター	圧縮中のアンプが信号ピークをクリッピングしてビットエラーを引き起こすことを回避する
アンテナパターン測定	開発中	高速測定 RF/マイクロ波パワーセンサーおよびメーター	ゲインとメインビームの指向性がリンクバジェットとビームの位置決め作業の要件を確実に満たすようにする正しく。

表 1. アップリンクおよびダウンリンクの物理層のパフォーマンスを検証するための XNUMX つの重要な使用例。

次に、これらの使用例をさらに詳しく見ていきます。

図 3. 過度の LO 位相ノイズによりコンスタレーションダイアグラムが広がり、ビットエラーが発生します。

位相雑音測定
衛星のアップリンクとダウンリンクのパフォーマンスには多くの要因が寄与しており、そのうちのいくつか (局部発振器の信号純度など) がビットエラーに影響します。過剰な位相ノイズはエラーベクトル振幅 (EVM) を増加させ、シンボル、ひいてはビットエラーを引き起こす可能性があります。これは、図に示すように、IQ ダイアグラム上のコンスタレーションポイントの位置がシンボル判定境界を越えるためです。図3.

この測定を行うときは、アンプからの付加ノイズを測定するために局部発振器 (LO) の絶対位相ノイズ測定を行う必要があるかどうかを自問してください。

LOの交代
LO 置換は、通信システムのアップコンバータおよびダウンコンバータをテストする場合に重要な技術です。これにより、LO の特性がパフォーマンスをマスクすることなく信号チェーンを評価できます。この手法を使用すると、システムが適切に動作していないときに LO が問題の原因であるかどうかを判断することもできます。

受信機ストレステスト
ゲートウェイ内であっても衛星内であっても、受信機のストレステストを行って、障害のある状況下でも信号が正しく受信および復調できることを確認することが重要です。実験室で観察されたパフォーマンスが展開後に確実に再現されるようにするには、衛星通信受信機は現実世界の RF 干渉条件で動作する必要があります。これらのテストは IF と RF で実行されます。 IF で実行する場合は、以下が必要になります。

SNR または Eb/No のレベルを設定する信号対雑音比 (SNR) ノイズジェネレーター
ビット誤り率テスター (BERT)。アップリンク IF は、SNR ジェネレーターを介してダウンリンク IF にループバックされます。テストが RF/マイクロ波周波数で行われる場合、ループバックを完了するためにテストループトランスレータも必要になります。図4 に、XNUMX つのケースの一般的なテスト設定を示します。

図 4. 受信機ストレステストは、IF または RF ループバックのいずれかを使用して実行されます。

テストを実行するために、SNR ジェネレーターは正確な量のノイズを追加して、目的の SNR レベルを生成します。ノイズのレベルは、BERT によって監視される望ましいエラー率制限に達するまで増加します。さらに、信号発生器を使用して干渉信号を注入することもできます。

出力パワー、ゲイン、圧縮テスト
これにより、最も基本的な RF およびマイクロ波測定の XNUMX つである電力が得られます。電力測定により、システムのパフォーマンスに影響を与える可能性のあるいくつかの重大な問題を明らかにすることもできます。図5 に、アップリンク高出力増幅器（HPA）の性能を評価するためのセットアップを示します。

図 5. パワーセンサー P1 と P3 はリターンロス測定に使用され、センサー P1 と P2 はゲイン測定に使用されます。

ゲインとリターンロスの測定に加えて、パワーセンサー P2 は出力パワーレベルの測定も行います。この設定を使用して、HPA によって引き起こされる信号圧縮の程度を評価することもできます。

歴史的に、衛星リンクは低いピーク対平均電力比 (PAPR) 変調形式を使用してきました。ただし、5G 非地上ネットワーク (NTN) などの新しいアプリケーションでは、高次の変調方式と OFDM の使用が必要です。これは、信号の PAPR が高くなるということを意味し、アンプの圧縮によってピークが歪められ、シンボルエラー、ひいてはビットエラーが発生しないように注意する必要があります。信号圧縮によるビット誤り率に対する PAPR 低減の影響については、いくつかの研究が行われています。 Usman らによる研究では、PAPR を 10 dB から ~4dB に下げると、受信機での SNR が 8 dB の場合、BER が ~10 x 4-1.3 から ~10 x 3-10 に低下することが示されました。これは、パワーアンプの歪みが PAPR に及ぼす影響を知り、それを明確に観察する手段を持つことの重要性を強調しています。

平均検出パワーセンサーまたはネットワークアナライザを使用してアンプの非線形性と圧縮を評価し、POUT 対 PIN のプロットを取得できます。ただし、これは複雑な m-QAM OFDM 信号の PAPR への影響を明らかにするものではありません。幸いなことに、適用できる簡単な解決策があります。これは、測定対象の信号チャネルよりも広いビデオ帯域幅を備えた高サンプルレートのピークパワーセンサーを使用するためです。これらのパワーサンプルは、信号 PAPR を決定し、相補分布関数 (CCDF) 曲線をプロットするために使用されます。 CCDF 曲線は、変調信号が特定の PAPR を超える確率をプロットしたものです。セットアップは簡単で、図 1 に示すパワーセンサー P2 と P6 を使用します。センサーは平均電力だけでなくピーク電力も測定する必要があります。これらのセンサーを適切な解析ソフトウェアと併用すると、アンプの入力と出力で CCDF が得られ、PAPR の低減が明らかになります。

図6 は、Boonton RTP5000 ピークパワーセンサーと Boonton Power Analyzer ソフトウェアを使用したこの結果を示しています。 Y 軸は、X 軸に示された PAPR レベルを超える確率を示します。図 6 は、99.99% の確率で入力信号の PAPR が約 9.4 dB であるのに対し、アンプの圧縮により出力信号の PAPR が約 7.4 dB に減少し、ビットエラーが発生する可能性があることを示しています。

図 6. 黄色の CH1 トレースはアンプ入力における CCDF を示し、青色の CH2 トレースは出力における CCDF を示します。

アンテナパターン測定
最後に、アンテナパターンの測定を見てみましょう。アンテナが機械的に操作されるアンテナであっても、マルチビーム空間多重アクセス機能と干渉源にヌルを向ける機能を備えた電子的に操作されるフェーズドアレイパネルであっても、アンテナパターンを特徴付ける必要があります。これは通常、方位角面と傾斜面の極プロットによって表されます。パワーセンサーは、これらの測定を行うための簡単で便利な方法を提供します。

アンテナはターンテーブルに取り付けられています。 XNUMX つのパワーセンサーがそのフィードに結合され、送信パワーレベルを監視して、アンテナの回転中に送信パワーレベルが一定に保たれるようにします。標準ゲインのホーンに接続された XNUMX 番目のパワーセンサーは、アンテナの遠距離場にあります。このパワーセンサーから取得された測定値は、アンテナパターンプロットの作成に使用されます。角度分解能と測定速度の最適な組み合わせを実現するには、高速測定速度を提供するパワーセンサーを選択することが望ましいです。

個々のシステムブロックと、展開されたシステム全体が確実に動作するという確信を与えるのに役立つ、いくつかの重要な物理層測定について触れました。ここで紹介する測定手法は、ゲートウェイだけに適用されるものではありません。同様の手法を端末や衛星にも適用できます。

Bob Buxton は、Boonton、Noisecom、および Holzworth ブランドで構成されるテストおよび測定会社である Wireless Telecom Group の製品マネージャーです。ボブはこれまでに、MACOM、Marconi、Advantest、Tektronix、および Anritsu で研究開発および製品管理の役職を歴任しました。彼の研究開発の経験には、マイクロ波サブシステムとシンセサイザーの設計が含まれています。ボブは、ロンドンのユニバーシティカレッジでマイクロ波と現代光学の修士号を取得し、オレゴン州ニューバーグのジョージフォックス大学で MBA を取得しています。彼は公認エンジニアであり、工学協会の会員です。テクノロジー.