Apakah ukuran kritikal dalam pautan atas dan pautan bawah satelit?

Pengukuran hingar, penggantian LO, ujian tekanan penerima, pengukuran kuasa, pencirian CCDF dan PAPR, dan ukuran corak antena memainkan peranan penting dalam belanjawan pautan, kadar ralat bit dan keperluan SNR.

Oleh Bob Buston, Kumpulan Telekom Tanpa Wayar

Sistem satelit Low-Earth orbit (LEO) sedang digunakan untuk kes penggunaan kritikal misi pada kadar yang semakin pantas. Ini membawa keperluan ujian kritikal yang berkaitan yang, jika tidak dilakukan dengan tepat, boleh membawa kepada prestasi sistem yang merosot. Menggunakan get laluan sebagai contoh, artikel ini melihat ukuran dan jenis peralatan yang diperlukan untuk ujian lapisan fizikal pautan atas dan bawah.

Arahan satelit terdiri daripada orbit geostasioner (GEO) dan orbit Bumi sederhana (MEO) hingga LEO. Kadar penggunaan satelit LEO terus meningkat. Sebagai contoh, sistem SpaceX Starlink kini mempunyai kira-kira 3,500 satelit di orbit Bumi rendah. Pada Disember 2022, FCC meluluskan penggunaan 7,500 satelit generasi akan datang. Disebabkan oleh kependaman sistem LEO yang rendah, mereka menjadi sistem pilihan untuk kedua-dua aplikasi awam dan ketenteraan termasuk, tetapi tidak terhad kepada, komunikasi 5G dan medan perang ketenteraan. Penggunaan sistem Starlink oleh Ukraine, walaupun terhad, adalah contoh terbaru sistem Starlink. Penggunaan sistem LEO untuk jenis operasi ini membawa kepada keperluan untuk ujian ketepatan tinggi untuk memastikan operasi yang boleh dipercayai.

Rajah 1. Seni bina tipikal dan pelbagai elemen sistem LEO.

Stesen bawah tanah, juga dirujuk sebagai pintu masuk apabila menyambung ke rangkaian daratan, adalah elemen utama operasi pautan atas dan bawah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Pelbagai modul yang terdiri daripada laluan pautan atas dan pautan bawah memerlukan pelbagai ujian untuk memastikan operasi yang boleh dipercayai. Ujian sedemikian boleh dilakukan semasa pembangunan dan pengeluaran modul, semasa penyepaduan, sebagai sebahagian daripada mencari kesalahan, dan semasa pemantauan operasi. Rajah 2 menunjukkan gambarajah blok yang dipermudahkan bagi laluan RF dan gelombang mikro dalam get laluan dan contoh peralatan ujian akan digunakan untuk menilai prestasi lapisan fizikal.

Rajah 2. Gambar rajah blok get laluan ini menunjukkan contoh ujian laluan RF dan gelombang mikro.

Jadual 1 menunjukkan maklumat tambahan dan kepentingan melakukan pengukuran pada titik yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Kes penggunaan ukuran	Apabila dilakukan	Peralatan yang digunakan	Kepentingan kepada prestasi sistem
Pengukuran hingar fasa	Semasa pembangunan untuk memastikan ketulenan spektrum pengayun tempatan yang direka bentuk bertemu spesifikasi.	Penganalisis hingar fasa	Kurangkan kemungkinan bunyi fasa yang lemah menyebabkan ralat bit.
Penggantian pengayun tempatan (LO).	Semasa pembangunan atau mencari kesalahan untuk mendiagnosis masalah dalam penukar atas atau bawah, atau apabila LO direka dalam tidak tersedia.	Pensintesis berprestasi tinggi	Selesaikan isu sebelum penggunaan.
Ujian tekanan penerima	Semasa pembangunan untuk memastikan operasi penerima yang betul dengan kehadiran bunyi atau lain-lain gangguan.	Penjana hingar boleh atur cara atau penjana isyarat kepada hingar, sumber isyarat, BERT dan gelung ujian penterjemah	Pastikan isyarat boleh diterima untuk memenuhi BER yang diperlukan dalam keadaan isyarat/bunyi yang lemah.
Kuasa keluaran	Semasa pembangunan penguat kuasa dan penukar atas. Juga diukur untuk pemantauan semasa operasi gunakan.	Kuasa puncak sensor dan meter	Pastikan tahap kuasa mencukupi untuk memenuhi keperluan belanjawan pautan.
Dapatkan dan dapatkan pemampatan	Semasa pembangunan penguat kuasa.	Penderia kuasa puncak dan meter	Elakkan penguat dalam puncak isyarat keratan mampatan dan menyebabkan ralat bit
Pengukuran corak antena	Semasa pembangunan	Penderia dan meter kuasa RF/gelombang mikro pengukuran pantas	Memastikan keuntungan dan arahan rasuk utama memenuhi keperluan belanjawan pautan dan kerja-kerja kedudukan rasuk dengan betul.

Jadual 1. Enam kes penggunaan kritikal untuk mengesahkan prestasi lapisan fizikal pautan atas dan pautan bawah.

Seterusnya, kita akan melihat kes penggunaan ini dengan lebih terperinci.

Rajah 3. Bunyi fasa LO yang berlebihan melebarkan gambar rajah buruj, mengakibatkan ralat bit.

Pengukuran hingar fasa
Banyak faktor menyumbang kepada prestasi satelit atas dan pautan ke bawah dan beberapa daripadanya, seperti ketulenan isyarat pengayun tempatan, ralat bit impak. Bunyi fasa yang berlebihan meningkatkan magnitud vektor ralat (EVM) dan boleh membawa kepada simbol dan seterusnya ralat bit kerana kedudukan titik buruj pada rajah IQ melintasi sempadan keputusan simbol seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Semasa membuat pengukuran ini, tanya diri anda sama ada anda perlu membuat pengukuran hingar fasa mutlak pengayun tempatan (LO) untuk mengukur hingar tambahan daripada penguat.

Penggantian LO
Penggantian LO ialah teknik penting apabila menguji penukar naik dan penukar bawah dalam sistem komunikasi. Ia membolehkan anda menilai rantai isyarat tanpa ciri LO menutupi prestasinya. Teknik ini juga membolehkan anda menentukan sama ada LO adalah punca isu apabila sistem tidak berfungsi dengan betul.

Ujian tekanan penerima
Sama ada dalam pintu masuk atau dalam satelit, adalah penting untuk menguji penerima untuk memastikan isyarat boleh diterima dan dinyahmodulasi dengan betul di bawah keadaan terjejas. Untuk memastikan prestasi yang diperhatikan dalam makmal direplikasi selepas penggunaan, penerima komunikasi satelit mesti beroperasi dalam keadaan gangguan RF dunia sebenar. Ujian ini dilakukan di IF dan di RF. Apabila dilakukan di IF, anda memerlukan:

Penjana bunyi nisbah isyarat kepada hingar (SNR) untuk menetapkan tahap sama ada SNR atau Eb/No
Penguji kadar ralat bit (BERT). IF pautan atas digelung kembali ke pautan bawah IF melalui penjana SNR. Jika ujian adalah pada frekuensi RF/gelombang mikro, penterjemah gelung ujian juga akan diperlukan untuk melengkapkan gelung kembali. Rajah 4 menunjukkan persediaan ujian am untuk dua kes.

Rajah 4. Ujian tekanan penerima dilakukan dengan sama ada gelung balik IF atau RF.

Untuk melakukan ujian, penjana SNR menambah jumlah hingar yang tepat untuk menghasilkan tahap SNR yang dikehendaki. Tahap hingar dinaikkan sehingga had kadar ralat yang dikehendaki, seperti yang dipantau oleh BERT, dicapai. Selain itu, penjana isyarat boleh digunakan untuk menyuntik isyarat yang mengganggu.

Kuasa output, keuntungan, dan ujian mampatan
Ini membawa kita kepada salah satu pengukuran RF dan gelombang mikro yang paling asas: kuasa. Pengukuran kuasa juga boleh mendedahkan beberapa isu kritikal yang boleh memberi kesan kepada prestasi sistem. Rajah 5 menunjukkan persediaan untuk menilai prestasi penguat kuasa tinggi (HPA) pautan atas.

Rajah 5. Penderia kuasa P1 dan P3 digunakan untuk pengukuran kerugian pulangan, dan penderia P1 dan P2 untuk pengukuran perolehan.

Sebagai tambahan kepada pengukuran keuntungan dan kerugian pulangan, sensor kuasa P2 menyediakan ukuran tahap kuasa output. Anda juga boleh menggunakan persediaan ini untuk menilai tahap pemampatan isyarat yang disebabkan oleh HPA.

Dari segi sejarah, pautan satelit telah menggunakan format modulasi nisbah kuasa puncak-ke-purata (PAPR) rendah. Aplikasi yang lebih baharu, seperti rangkaian bukan daratan (NTN) 5G, bagaimanapun, memerlukan penggunaan skim modulasi tertib tinggi dan OFDM. Ini bermakna PAPR isyarat akan lebih tinggi, dan adalah perlu untuk menjaga bahawa mampatan penguat tidak memesongkan puncak yang membawa kepada simbol dan oleh itu ralat bit. Terdapat beberapa kajian tentang kesan pengurangan PAPR terhadap kadar ralat bit akibat pemampatan isyarat. Kajian oleh Usman et al menunjukkan bahawa mengurangkan PAPR daripada 10 dB kepada ~4dB akan merendahkan BER daripada ~8 x 10-4 kepada ~1.3 x 10-3 untuk SNR sebanyak 10 dB pada penerima. Ini menyerlahkan kepentingan mengetahui kesan herotan penguat kuasa pada PAPR dan mempunyai cara untuk memerhatikannya dengan jelas.

Anda boleh menilai bukan lineariti dan mampatan penguat menggunakan penderia kuasa pengesan purata atau penganalisis rangkaian untuk mendapatkan plot POUT lwn PIN. Walau bagaimanapun, ini tidak mendedahkan kesan ke atas PAPR bagi isyarat m-QAM OFDM kompleks. Nasib baik, terdapat penyelesaian mudah yang boleh anda gunakan. Ini adalah untuk menggunakan penderia kuasa puncak kadar sampel yang tinggi dengan lebar jalur video yang lebih luas daripada saluran isyarat yang diukur. Sampel kuasa tersebut digunakan untuk menentukan isyarat PAPR dan plot keluk fungsi pengedaran pelengkap (CCDF). Keluk CCDF ialah plot kebarangkalian isyarat termodulat melebihi PAPR tertentu. Persediaan adalah mudah dan menggunakan penderia kuasa P1 dan P2 yang ditunjukkan dalam Rajah 6; sensor mesti mengukur puncak dan bukan hanya kuasa purata. Menggunakan sensor tersebut, bersama-sama dengan perisian analisis yang sesuai, menyediakan CCDF pada input dan output penguat sekali gus mendedahkan pengurangan PAPR.

Rajah 6 menunjukkan hasil ini menggunakan penderia kuasa puncak Boonton RTP5000 dan perisian Boonton Power Analyzer. Paksi-y menunjukkan kebarangkalian melebihi paras PAPR yang ditunjukkan pada paksi-x. Rajah 6 menunjukkan bahawa 99.99% daripada masa, isyarat input mempunyai PAPR sebanyak ~9.4 dB manakala pemampatan penguat mengurangkan PAPR isyarat output kepada ~7.4 dB, yang boleh membawa kepada ralat bit.

Rajah 6. Surih CH1 kuning menunjukkan CCDF pada input penguat, dan surih CH2 biru menunjukkan CCDF pada output.

Pengukuran corak antena
Akhir sekali, mari kita lihat ukuran corak antena. Sama ada antena ialah hidangan yang dikendali secara mekanikal atau panel tatasusunan berperingkat yang dikendalikan secara elektronik dengan keupayaan capaian berbilang ruang ruang berbilang rasuk dan keupayaan untuk menghalakan nol ke arah pengganggu, anda mesti mencirikan corak antena. Ini biasanya diwakili oleh plot kutub dalam satah azimut dan kecenderungan. Penderia kuasa menyediakan cara yang mudah dan mudah untuk membuat pengukuran ini.

Antena dipasang pada meja putar. Satu penderia kuasa digandingkan dengan suapannya memantau tahap kuasa penghantaran untuk memastikan ia kekal malar semasa putaran antena. Sensor kuasa kedua, digandingkan dengan tanduk keuntungan standard, berada di medan jauh antena. Ukuran yang diambil daripada sensor kuasa ini digunakan untuk menghasilkan plot corak antena. Untuk mempunyai kombinasi optimum resolusi sudut dan kelajuan pengukuran, adalah wajar untuk memilih penderia kuasa yang menyediakan kadar pengukuran yang pantas.

Kami telah menyentuh beberapa ukuran lapisan fizikal utama yang membantu memberikan keyakinan bahawa sistem individu disekat dan keseluruhan sistem, apabila digunakan, akan berprestasi dengan pasti. Teknik pengukuran yang dibentangkan di sini bukan sahaja digunakan untuk pintu masuk. Anda boleh menggunakan teknik yang serupa pada terminal dan satelit.

Bob Buxton ialah pengurus produk di Wireless Telecom Group, sebuah syarikat ujian dan pengukuran yang terdiri daripada jenama Boonton, Noisecom dan Holzworth. Bob sebelum ini pernah memegang jawatan dalam R&D dan pengurusan produk untuk MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix, dan Anritsu. Pengalaman R&D beliau telah melibatkan subsistem gelombang mikro dan reka bentuk pensintesis. Bob memegang ijazah sarjana dalam gelombang mikro dan Optik Moden dari University College, London dan MBA dari George Fox University, Newberg Oregon. Beliau adalah seorang Jurutera Bertauliah dan Ahli Institusi Kejuruteraan dan Teknologi.