Ruismeting, LO-vervanging, ontvangerstresstests, vermogensmeting, CCDF- en PAPR-karakterisering en antennepatroonmeting spelen een cruciale rol bij het linkbudget, bitfoutpercentage en SNR-vereisten.
Door Bob Buston, Wireless Telecom Group
Satellietsystemen met een lage baan om de aarde (LEO) worden steeds sneller ingezet voor missiekritieke use-cases. Dit brengt bijbehorende kritieke testvereisten met zich mee die, als ze niet nauwkeurig worden uitgevoerd, kunnen leiden tot verslechterde systeemprestaties. Aan de hand van een gateway als voorbeeld kijkt dit artikel naar metingen en het type apparatuur dat nodig is voor het testen van de uplink en downlink van de fysieke laag.
Satellietimplementaties variëren van geostationaire baan (GEO) en medium-earth orbit (MEO) tot LEO. De inzetpercentages van LEO-satellieten blijven toenemen. Het SpaceX Starlink-systeem heeft bijvoorbeeld momenteel ongeveer 3,500 satellieten in een lage baan om de aarde. In december 2022 keurde de FCC de inzet goed van 7,500 satellieten van de volgende generatie. Vanwege de lage latentie van LEO-systemen worden ze het systeem bij uitstek voor zowel civiele als militaire toepassingen, waaronder, maar niet beperkt tot, 5G en militaire slagveldcommunicatie. Oekraïens gebruik van het Starlink-systeem, hoewel beperkt, is een recent voorbeeld van het laatste. Het gebruik van LEO-systemen voor dit soort operaties leidt tot een vereiste voor uiterst nauwkeurige tests om een betrouwbare werking te garanderen.
Grondstations, ook wel gateways genoemd bij verbinding met het terrestrische netwerk, zijn een sleutelelement van up- en downlink-werking, zoals weergegeven in Figuur 1. De verschillende modules die de uplink- en downlinkpaden vormen, vereisen een verscheidenheid aan tests om een betrouwbare werking te garanderen. Dergelijke tests kunnen worden uitgevoerd tijdens de ontwikkeling en productie van de modules, tijdens integratie, als onderdeel van foutopsporing en tijdens operationele monitoring. Figuur 2 toont een vereenvoudigd blokschema van de RF- en microgolfpaden in een gateway en voorbeelden van waar testapparatuur zou worden gebruikt om de prestaties van de fysieke laag te beoordelen.
Tabel 1 toont aanvullende informatie en het belang van het uitvoeren van metingen op de punten weergegeven in figuur 2.
|
||||||||||||||||||||||||||||
| Tabel 1. Zes kritieke use-cases om de prestaties van de uplink en downlink fysieke laag te verifiëren. |
Vervolgens zullen we deze use-cases in meer detail bekijken.
Faseruismeting
Veel factoren dragen bij aan de prestaties van satelliet-up- en -downlinks en een aantal daarvan, zoals de signaalzuiverheid van de lokale oscillatoren, hebben invloed op bitfouten. Overmatige faseruis verhoogt de foutvectormagnitude (EVM) en kan leiden tot symbool- en dus bitfouten omdat de positie van de constellatiepunten op het IQ-diagram de symboolbeslissingsgrenzen overschrijdt, zoals weergegeven in Figuur 3.
Vraag uzelf bij deze meting af of u absolute faseruismetingen van de lokale oscillator (LO) moet uitvoeren om additieve ruis van versterkers te meten.
LO-vervanging
LO-substitutie is een belangrijke techniek bij het testen van upconverters en downconverters in communicatiesystemen. Hiermee kunt u signaalketens evalueren zonder dat de kenmerken van de LO hun prestaties maskeren. Met deze techniek kunt u ook bepalen of de LO de oorzaak is van problemen wanneer het systeem niet goed werkt.
Ontvanger stresstesten
Of het nu in een gateway of in een satelliet is, het is belangrijk om de ontvanger te stresstesten om ervoor te zorgen dat signalen correct kunnen worden ontvangen en gedemoduleerd onder slechte omstandigheden. Om ervoor te zorgen dat de prestaties die in het laboratorium worden waargenomen, na implementatie worden gerepliceerd, moeten ontvangers voor satellietcommunicatie werken in echte RF-interferentieomstandigheden. Deze testen worden uitgevoerd bij IF en bij RF. Wanneer uitgevoerd bij IF, heb je nodig:
- Signaal-ruisverhouding (SNR) ruisgenerator om niveaus van SNR of Eb/No in te stellen
- Bitfoutpercentagetester (BERT). De uplink IF wordt teruggelust naar de downlink IF via de SNR-generator. Als er wordt getest op RF-/microgolffrequenties, is er ook een testlusvertaler nodig om de lus terug te voltooien. Figuur 4 toont de algemene testopstelling voor de twee gevallen.
Om de test uit te voeren, voegt de SNR-generator een precieze hoeveelheid ruis toe om het gewenste SNR-niveau te produceren. Het geluidsniveau wordt verhoogd totdat de gewenste foutlimiet, zoals bewaakt door de BERT, is bereikt. Bovendien kan een signaalgenerator worden gebruikt om een storend signaal te injecteren.
Testen van uitgangsvermogen, versterking en compressie
Dit brengt ons bij een van de meest fundamentele RF- en microgolfmetingen: vermogen. Vermogensmeting kan ook enkele kritieke problemen aan het licht brengen die de systeemprestaties kunnen beïnvloeden. Figuur 5 toont een opstelling voor het evalueren van de prestaties van de uplink high-power amplifier (HPA).
Naast de meting van winst- en retourverlies, geeft vermogenssensor P2 een meting van het uitgangsvermogensniveau. U kunt deze opstelling ook gebruiken om de mate van signaalcompressie te beoordelen die wordt veroorzaakt door de HPA.
Historisch gezien hebben satellietverbindingen modulatieformaten met een lage piek-tot-gemiddelde vermogensverhouding (PAPR) gebruikt. Nieuwere toepassingen, zoals 5G niet-terrestrische netwerken (NTN), vereisen echter het gebruik van modulatieschema's van hogere orde en OFDM. Dit betekent dat de PAPR van het signaal hoger zal zijn, en het zal nodig zijn om ervoor te zorgen dat versterkercompressie de pieken niet vervormt, wat leidt tot symbool- en dus bitfouten. Er zijn verschillende onderzoeken geweest naar het effect van PAPR-reductie op bitfoutpercentage als gevolg van signaalcompressie. Een studie door Usman et al toonde aan dat het verminderen van de PAPR van 10 dB naar ~4dB de BER zou verlagen van ~8 x 10-4 naar ~1.3 x 10-3 voor een SNR van 10 dB bij de ontvanger. Dit benadrukt het belang van het kennen van de impact van eindversterkervervorming op PAPR en van het hebben van een middel om dit duidelijk waar te nemen.
U kunt de niet-lineariteit en compressie van de versterker beoordelen met behulp van sensoren voor gemiddeld detecterend vermogen of netwerkanalysatoren om een grafiek te krijgen van POUT versus PIN. Dit onthult echter niet de impact op de PAPR van een complex m-QAM OFDM-signaal. Gelukkig is er een simpele oplossing die je kunt toepassen. Dit is om sensoren met een hoge bemonsteringssnelheid voor piekvermogen te gebruiken met een videobandbreedte die breder is dan het signaalkanaal dat wordt gemeten. Die vermogenssamples worden gebruikt om de signaal-PAPR te bepalen en om CCDF-curven (complementaire distributiefunctie) uit te zetten. Een CCDF-curve is een grafiek van de waarschijnlijkheid dat een gemoduleerd signaal een specifieke PAPR overschrijdt. De installatie is eenvoudig en maakt gebruik van vermogenssensoren P1 en P2, weergegeven in figuur 6; de sensoren moeten het piekvermogen meten en niet alleen het gemiddelde vermogen. Met behulp van die sensoren, samen met de juiste analysesoftware, wordt de CCDF aan de in- en uitgang van de versterker geleverd, waardoor de PAPR-reductie zichtbaar wordt.
Figuur 6 toont dit resultaat met Boonton RTP5000 piekvermogensensoren en Boonton Power Analyzer-software. Op de y-as staat de kans op overschrijding van het op de x-as aangegeven PAPR-niveau. Afbeelding 6 laat zien dat 99.99% van de tijd het ingangssignaal een PAPR heeft van ~9.4 dB, terwijl de compressie van de versterker het uitgangssignaal PAPR reduceerde tot ~7.4 dB, wat zou kunnen leiden tot bitfouten.
Antenne patroon meting
Laten we ten slotte kijken naar de meting van het antennepatroon. Of de antenne nu een mechanisch gestuurde schotel is of een elektronisch gestuurd phased-array-paneel met multi-beam ruimtelijke meervoudige toegang en de mogelijkheid om nullen naar interferentiebronnen te richten, u moet het antennepatroon karakteriseren. Dit wordt meestal weergegeven door polaire plots in azimut- en hellingsvlakken. Vermogenssensoren bieden een eenvoudige en handige manier om deze metingen uit te voeren.
De antenne is gemonteerd op een draaitafel. Eén vermogenssensor is gekoppeld aan de voeding die het zendvermogensniveau bewaakt om ervoor te zorgen dat het constant blijft tijdens de rotatie van de antenne. Een tweede vermogenssensor, gekoppeld aan een hoorn met standaard versterking, bevindt zich in het verre veld van de antenne. De metingen van deze vermogenssensor worden gebruikt om de antennepatroonplots te produceren. Voor een optimale combinatie van hoekresolutie en meetsnelheid is het wenselijk om een vermogenssensor te kiezen die een hoge meetsnelheid biedt.
We hebben verschillende belangrijke metingen van de fysieke laag aangestipt die het vertrouwen geven dat de afzonderlijke systeemblokken en het algehele systeem, wanneer ingezet, betrouwbaar zullen presteren. De hier gepresenteerde meettechnieken zijn niet alleen van toepassing op gateways. Vergelijkbare technieken kun je toepassen op terminals en satellieten.
Bob Buxton is productmanager bij Wireless Telecom Group, een test- en meetbedrijf bestaande uit de merken Boonton, Noisecom en Holzworth. Bob heeft eerder functies bekleed in R&D en productmanagement voor MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix en Anritsu. Zijn R&D-ervaringen hadden betrekking op microgolfsubsystemen en het ontwerp van synthesizers. Bob heeft een masterdiploma in microgolven en moderne optica van University College, Londen en een MBA van George Fox University, Newberg Oregon. Hij is een Chartered Engineer en lid van de Institution of Engineering en Technologie.