잡음 측정, LO 대체, 수신기 스트레스 테스트, 전력 측정, CCDF 및 PAPR 특성화, 안테나 패턴 측정은 링크 예산, 비트 오류율 및 SNR 요구 사항에서 중요한 역할을 합니다.
작성자: Bob Buston, Wireless Telecom Group
LEO(Low-Earth Orbit) 위성 시스템은 미션 크리티컬 사용 사례에 빠른 속도로 배치되고 있습니다. 이로 인해 정확하게 수행되지 않으면 시스템 성능이 저하될 수 있는 관련된 중요한 테스트 요구 사항이 발생합니다. 이 기사에서는 게이트웨이를 예로 사용하여 업링크 및 다운링크 물리 계층 테스트에 필요한 측정 및 장비 유형을 살펴봅니다.
위성 배치는 정지궤도(GEO) 및 중지구궤도(MEO)에서 LEO까지 다양합니다. LEO 위성의 배치 비율은 계속해서 증가하고 있습니다. 예를 들어 SpaceX Starlink 시스템은 현재 저궤도에 약 3,500개의 위성을 보유하고 있습니다. 2022년 7,500월 FCC는 5개의 차세대 위성 배치를 승인했습니다. LEO 시스템은 대기 시간이 짧기 때문에 XNUMXG 및 군사 전장 통신을 포함하되 이에 국한되지 않는 민간 및 군사 애플리케이션 모두에 선택되는 시스템이 되고 있습니다. Starlink 시스템의 우크라이나어 사용은 제한적이지만 후자의 최근 예입니다. 이러한 유형의 작업에 LEO 시스템을 사용하면 신뢰할 수 있는 작업을 보장하기 위해 고정밀 테스트가 필요합니다.
지상 네트워크에 연결할 때 게이트웨이라고도 하는 지상국은 다음과 같이 업링크 및 다운링크 작동의 핵심 요소입니다. 그림 1. 업링크 및 다운링크 경로를 구성하는 다양한 모듈은 안정적인 작동을 보장하기 위해 다양한 테스트가 필요합니다. 이러한 테스트는 모듈의 개발 및 생산 중에, 통합 중에, 결함 찾기의 일부로, 작동 모니터링 중에 수행될 수 있습니다. 그림 2 게이트웨이의 RF 및 마이크로웨이브 경로의 단순화된 블록 다이어그램과 테스트 장비가 물리 계층 성능을 평가하는 데 사용되는 예를 보여줍니다.
표 1 그림 2에 표시된 지점에서 추가 정보와 측정 수행의 중요성을 보여줍니다.
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| 표 1. 업링크 및 다운링크 물리 계층 성능을 검증하기 위한 XNUMX가지 중요한 사용 사례. |
다음으로 이러한 사용 사례를 자세히 살펴보겠습니다.
위상 노이즈 측정
많은 요소가 위성 업링크 및 다운링크의 성능에 기여하며 로컬 오실레이터의 신호 순도와 같은 몇 가지 요소는 비트 오류에 영향을 미칩니다. 과도한 위상 노이즈는 EVM(오류 벡터 크기)을 증가시키고 기호 및 비트 오류를 유발할 수 있습니다. 그림 3.
이 측정을 수행할 때 증폭기의 추가 잡음을 측정하기 위해 로컬 발진기(LO)의 절대 위상 잡음 측정을 수행해야 하는지 자문해 보십시오.
LO 대체
LO 대체는 통신 시스템에서 업컨버터와 다운컨버터를 테스트할 때 중요한 기술입니다. 이를 통해 성능을 가리는 LO의 특성 없이 신호 체인을 평가할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 시스템이 제대로 작동하지 않을 때 LO가 문제의 원인인지 확인할 수도 있습니다.
수신기 스트레스 테스트
게이트웨이에 있든 위성에 있든 장애가 있는 조건에서 신호를 올바르게 수신하고 복조할 수 있도록 수신기를 스트레스 테스트하는 것이 중요합니다. 실험실에서 관찰된 성능이 배치 후 복제되도록 하려면 위성 통신 수신기가 실제 RF 간섭 조건에서 작동해야 합니다. 이러한 테스트는 IF 및 RF에서 수행됩니다. IF에서 수행할 때 다음이 필요합니다.
- SNR(Signal-to-Noise Ratio) 잡음 발생기로 SNR 또는 Eb/No 레벨 설정
- 비트 오류율 테스터(BERT). 업링크 IF는 SNR 생성기를 통해 다운링크 IF로 루프백됩니다. 테스트가 RF/마이크로파 주파수에서 수행되는 경우 루프백을 완료하기 위해 테스트 루프 변환기도 필요합니다. 그림 4 두 가지 경우에 대한 일반적인 테스트 설정을 보여줍니다.
테스트를 수행하기 위해 SNR 생성기는 정확한 양의 노이즈를 추가하여 원하는 SNR 수준을 생성합니다. 노이즈 수준은 BERT에서 모니터링하는 원하는 오류율 제한에 도달할 때까지 증가합니다. 추가적으로 신호 생성기를 사용하여 간섭 신호를 주입할 수 있습니다.
출력 전력, 이득 및 압축 테스트
이것은 가장 기본적인 RF 및 마이크로웨이브 측정 중 하나인 전력을 제공합니다. 전력 측정은 또한 시스템 성능에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 중요한 문제를 발견할 수 있습니다. 그림 5 업링크 고전력 증폭기(HPA)의 성능을 평가하기 위한 설정을 보여줍니다.
이득 및 반사 손실 측정 외에도 전력 센서 P2는 출력 전력 수준 측정을 제공합니다. 이 설정을 사용하여 HPA로 인한 신호 압축 정도를 평가할 수도 있습니다.
역사적으로 위성 링크는 낮은 PAPR(peak-to-average power ratio) 변조 형식을 사용했습니다. 그러나 5G NTN(Non-Terrestrial Networks)과 같은 최신 애플리케이션에서는 상위 변조 방식과 OFDM을 사용해야 합니다. 이것은 신호의 PAPR이 더 높다는 것을 의미하며, 증폭기 압축이 기호 및 비트 오류로 이어지는 피크를 왜곡하지 않도록 주의해야 합니다. 신호 압축으로 인한 비트 오류율에 대한 PAPR 감소 효과에 대한 여러 연구가 있었습니다. Usman 등의 연구에 따르면 PAPR을 10dB에서 ~4dB로 줄이면 수신기에서 8dB의 SNR에 대해 BER이 ~10 x 4-1.3에서 ~10 x 3-10으로 저하됩니다. 이것은 전력 증폭기 왜곡이 PAPR에 미치는 영향을 아는 것과 이를 명확하게 관찰할 수 있는 수단을 갖는 것의 중요성을 강조합니다.
평균 감지 전력 센서 또는 네트워크 분석기를 사용하여 증폭기 비선형성 및 압축을 평가하여 POUT 대 PIN의 플롯을 얻을 수 있습니다. 그러나 이것은 복잡한 m-QAM OFDM 신호의 PAPR에 대한 영향을 나타내지 않습니다. 다행히 적용할 수 있는 간단한 솔루션이 있습니다. 이는 측정 중인 신호 채널보다 넓은 비디오 대역폭을 가진 높은 샘플링 속도의 피크 전력 센서를 사용하기 위한 것입니다. 이러한 전력 샘플은 신호 PAPR을 결정하고 상보 분포 함수(CCDF) 곡선을 그리는 데 사용됩니다. CCDF 곡선은 특정 PAPR을 초과하는 변조된 신호의 확률 플롯입니다. 설정은 간단하며 그림 1에 표시된 전력 센서 P2 및 P6를 사용합니다. 센서는 평균 전력뿐만 아니라 최대 전력도 측정해야 합니다. 이러한 센서를 적절한 분석 소프트웨어와 함께 사용하면 증폭기의 입력 및 출력에서 CCDF를 제공하여 PAPR 감소를 나타냅니다.
그림 6 Boonton RTP5000 피크 전력 센서와 Boonton 전력 분석기 소프트웨어를 사용하여 이 결과를 보여줍니다. y축은 x축에 표시된 PAPR 수준을 초과할 확률을 나타냅니다. 그림 6은 시간의 99.99%에서 입력 신호의 PAPR이 ~9.4dB인 반면 증폭기 압축은 출력 신호 PAPR을 ~7.4dB로 줄여 비트 오류를 유발할 수 있음을 보여줍니다.
안테나 패턴 측정
마지막으로 안테나 패턴 측정에 대해 알아보겠습니다. 안테나가 기계적으로 조종되는 접시이든 다중 빔 공간 다중 액세스 기능과 간섭자를 향해 null을 가리키는 기능이 있는 전자적으로 조종되는 위상 배열 패널이든 관계없이 안테나 패턴을 특성화해야 합니다. 이것은 일반적으로 방위각 및 경사면에서 극좌표로 표시됩니다. 파워 센서는 이러한 측정을 수행하는 간단하고 편리한 방법을 제공합니다.
안테나는 턴테이블에 장착됩니다. 하나의 전력 센서는 안테나 회전 중에 일정하게 유지되도록 전송 전력 수준을 모니터링하는 피드에 연결됩니다. 표준 이득 혼에 연결된 두 번째 전력 센서는 안테나의 원거리 장에 있습니다. 이 전력 센서에서 가져온 측정값은 안테나 패턴 플롯을 생성하는 데 사용됩니다. 각도 분해능과 측정 속도의 최적 조합을 얻으려면 빠른 측정 속도를 제공하는 파워 센서를 선택하는 것이 바람직합니다.
배포 시 개별 시스템 블록과 전체 시스템이 안정적으로 수행된다는 확신을 제공하는 데 도움이 되는 몇 가지 주요 물리 계층 측정에 대해 다루었습니다. 여기에 제시된 측정 기술은 게이트웨이에만 적용되는 것이 아닙니다. 터미널과 위성에 유사한 기술을 적용할 수 있습니다.
Bob Buxton은 Boonton, Noisecom 및 Holzworth 브랜드로 구성된 테스트 및 측정 회사인 Wireless Telecom Group의 제품 관리자입니다. Bob은 이전에 MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix 및 Anritsu에서 R&D 및 제품 관리 직책을 맡았습니다. 그의 R&D 경험에는 마이크로파 하위 시스템 및 합성기 설계가 포함되었습니다. Bob은 런던의 University College에서 마이크로웨이브 및 현대 광학 석사 학위를 취득했고, Newberg Oregon의 George Fox University에서 MBA를 취득했습니다. 그는 공인 엔지니어이자 공학 협회 회원입니다. Technology.