Quais são as medições críticas em uplinks e downlinks de satélite?

Medição de ruído, substituição de LO, teste de estresse do receptor, medição de potência, caracterização de CCDF e PAPR e medição de padrão de antena desempenham funções críticas no orçamento de link, taxa de erro de bit e requisitos de SNR.

Por Bob Buston, Wireless Telecom Group

Sistemas de satélite de órbita baixa (LEO) estão sendo implantados para casos de uso de missão crítica em um ritmo acelerado. Isso traz requisitos de teste críticos associados que, se não forem executados com precisão, podem levar à degradação do desempenho do sistema. Usando um gateway como exemplo, este artigo analisa as medições e o tipo de equipamento necessário para testes de camada física de uplink e downlink.

As implantações de satélite variam de órbita geoestacionária (GEO) e órbita terrestre média (MEO) a LEO. As taxas de implantação de satélites LEO continuam aumentando. Por exemplo, o sistema SpaceX Starlink atualmente possui aproximadamente 3,500 satélites em órbita baixa da Terra. Em dezembro de 2022, a FCC aprovou a implantação de 7,500 satélites de última geração. Devido à baixa latência dos sistemas LEO, eles estão se tornando o sistema de escolha para aplicações civis e militares, incluindo, entre outros, 5G e comunicações militares no campo de batalha. O uso ucraniano do sistema Starlink, embora limitado, é um exemplo recente deste último. O uso de sistemas LEO para esses tipos de operações exige testes de alta precisão para garantir uma operação confiável.

Figura 1. A arquitetura típica e os vários elementos de um sistema LEO.

As estações terrestres, também chamadas de gateways ao se conectar à rede terrestre, são um elemento-chave da operação de up e downlink, conforme mostrado na Figura 1. Os vários módulos que compreendem os caminhos de uplink e downlink requerem uma variedade de testes para garantir uma operação confiável. Esses testes podem ser realizados durante o desenvolvimento e produção dos módulos, durante a integração, como parte da detecção de falhas e durante o monitoramento operacional. Figura 2 mostra um diagrama de blocos simplificado dos caminhos de RF e micro-ondas em um gateway e exemplos de onde o equipamento de teste seria usado para avaliar o desempenho da camada física.

Figura 2. Este diagrama de blocos de gateway mostra exemplos de teste de caminho de RF e micro-ondas.

tabela 1 mostra informações adicionais e a importância de realizar medições nos pontos mostrados na Figura 2.

Caso de uso de medição	Quando executado	Equipamento usado	Importância para o desempenho do sistema
Medição de ruído de fase	Durante o desenvolvimento, para garantir que a pureza espectral dos osciladores locais projetados atenda especificações.	Analisador de ruído de fase	Reduza a probabilidade de ruído de fase ruim causando erros de bit.
Substituição do oscilador local (LO)	Durante o desenvolvimento ou localização de falhas para diagnosticar um problema em um up ou downconverter, ou quando LO projetado não está disponível.	Sintetizador de alto desempenho	Corrija os problemas antes da implantação.
Teste de estresse do receptor	Durante o desenvolvimento, para garantir a operação correta do receptor na presença de ruído ou outros interferência.	Gerador de ruído programável ou gerador sinal-ruído, fonte de sinal, BERT e loop de teste tradutor	Certifique-se de que os sinais possam ser recebidos para atender ao BER necessário em condições de sinal/ruído ruins.
potência de saída	Durante o desenvolvimento de amplificadores de potência e conversores ascendentes. Também medido para monitoramento durante operação usar.	O pico de potência sensor e metro	Certifique-se de que o nível de potência seja suficiente para atender aos requisitos do orçamento do link.
Ganhe e ganhe compressão	Durante o desenvolvimento de amplificadores de potência.	Sensor e medidor de potência de pico	Evite amplificadores em picos de sinal de corte de compressão e causando erros de bit
Medição do padrão da antena	Durante o desenvolvimento	Sensor e medidor de potência de RF/microondas de medição rápida	Certifique-se de que o ganho e a diretividade do feixe principal atendam aos requisitos do orçamento do link e dos trabalhos de posicionamento do feixe Corretamente.

Tabela 1. Seis casos de uso críticos para verificar o desempenho da camada física de uplink e downlink.

A seguir, veremos esses casos de uso com mais detalhes.

Figura 3. Ruído de fase LO excessivo amplia um diagrama de constelação, resultando em erros de bit.

Medição de ruído de fase
Muitos fatores contribuem para o desempenho dos uplinks e downlinks de satélite e vários deles, como a pureza do sinal dos osciladores locais, impactam os erros de bit. O ruído de fase excessivo aumenta a magnitude do vetor de erro (EVM) e pode levar a erros de símbolo e, portanto, de bit, porque a posição dos pontos da constelação no diagrama IQ cruza os limites de decisão do símbolo, conforme mostrado em Figura 3.

Ao fazer esta medição, pergunte-se se você precisa fazer medições absolutas de ruído de fase do oscilador local (LO) para medir o ruído aditivo dos amplificadores.

LO substituição
A substituição de LO é uma técnica importante ao testar conversores ascendentes e conversores descendentes em sistemas de comunicação. Ele permite que você avalie as cadeias de sinal sem as características do LO mascarando seu desempenho. Essa técnica também permite determinar se o LO é a fonte de problemas quando o sistema não está funcionando corretamente.

Teste de estresse do receptor
Seja em um gateway ou em um satélite, é importante testar o receptor para garantir que os sinais possam ser recebidos e demodulados corretamente em condições prejudicadas. Para garantir que o desempenho observado no laboratório seja replicado após a implantação, os receptores de comunicação por satélite devem operar em condições reais de interferência de RF. Esses testes são realizados em IF e em RF. Quando realizado no IF, você precisará de:

Gerador de ruído da relação sinal-ruído (SNR) para definir os níveis de SNR ou Eb/No
Testador de taxa de erro de bit (BERT). O uplink IF é feito um loop de volta para o downlink IF através do gerador SNR. Se o teste for em frequências de RF/microondas, um tradutor de loop de teste também será necessário para completar o loop de volta. Figura 4 mostra a configuração geral do teste para os dois casos.

Figura 4. O teste de estresse do receptor é executado com loopback IF ou RF.

Para realizar o teste, o gerador de SNR adiciona uma quantidade precisa de ruído para produzir o nível de SNR desejado. O nível de ruído é aumentado até que o limite de taxa de erro desejado, monitorado pelo BERT, seja atingido. Além disso, um gerador de sinal pode ser usado para injetar um sinal de interferência.

Potência de saída, ganho e testes de compressão
Isso nos leva a uma das medições de RF e micro-ondas mais fundamentais: a potência. A medição de energia também pode revelar alguns problemas críticos que podem afetar o desempenho do sistema. Figura 5 mostra uma configuração para avaliar o desempenho do amplificador de alta potência de uplink (HPA).

Figura 5. Os sensores de potência P1 e P3 são usados para medição de perda de retorno e os sensores P1 e P2 para medição de ganho.

Além da medição de ganho e perda de retorno, o sensor de potência P2 fornece uma medida do nível de potência de saída. Você também pode usar esta configuração para avaliar o grau de compressão do sinal causado pelo HPA.

Historicamente, os links de satélite usaram formatos de modulação PAPR (low peak-to-average power ratio). Aplicações mais recentes, como redes não terrestres (NTN) 5G, no entanto, requerem o uso de esquemas de modulação de ordem superior e OFDM. Isso significa que o PAPR do sinal será maior e será necessário tomar cuidado para que a compressão do amplificador não distorça os picos levando a erros de símbolo e, portanto, de bit. Existem vários estudos sobre o efeito da redução do PAPR na taxa de erro de bit devido à compressão do sinal. Um estudo de Usman et al mostrou que reduzir o PAPR de 10 dB para ~4dB degradaria o BER de ~8 x 10-4 para ~1.3 x 10-3 para um SNR de 10 dB no receptor. Isso destaca a importância de conhecer o impacto da distorção do amplificador de potência no PAPR e de ter um meio de observá-lo claramente.

Você pode avaliar a não linearidade e a compressão do amplificador usando sensores de potência de detecção média ou analisadores de rede para obter um gráfico de POUT x PIN. Isso, no entanto, não revela o impacto no PAPR de um sinal complexo m-QAM OFDM. Felizmente, existe uma solução simples que você pode aplicar. Isso é para usar sensores de potência de pico de alta taxa de amostragem com largura de banda de vídeo mais larga do que o canal de sinal que está sendo medido. Essas amostras de potência são usadas para determinar o sinal PAPR e traçar curvas de função de distribuição complementar (CCDF). Uma curva CCDF é um gráfico da probabilidade de um sinal modulado exceder um PAPR específico. A configuração é simples e utiliza os sensores de potência P1 e P2 mostrados na Figura 6; os sensores devem medir o pico e não apenas a potência média. O uso desses sensores, juntamente com o software de análise apropriado, fornece o CCDF na entrada e na saída do amplificador, revelando assim a redução do PAPR.

Figura 6 mostra esse resultado usando sensores de potência de pico Boonton RTP5000 e o software Boonton Power Analyzer. O eixo y mostra a probabilidade de exceder o nível de PAPR indicado no eixo x. A Figura 6 mostra que 99.99% do tempo, o sinal de entrada tem um PAPR de ~9.4 dB, enquanto a compressão do amplificador reduziu o PAPR do sinal de saída para ~7.4 dB, o que pode levar a erros de bit.

Figura 6. O traço CH1 amarelo mostra o CCDF na entrada do amplificador, e o traço CH2 azul mostra o CCDF na saída.

Medição do padrão da antena
Por fim, vamos ver a medição do padrão da antena. Quer a antena seja uma antena parabólica dirigida mecanicamente ou um painel phased array dirigido eletronicamente com capacidade de acesso múltiplo espacial multifeixe e a capacidade de apontar nulos para os interferentes, você deve caracterizar o padrão da antena. Isso geralmente é representado por gráficos polares em planos de azimute e inclinação. Os sensores de potência fornecem uma maneira simples e conveniente de fazer essas medições.

A antena é montada em uma plataforma giratória. Um sensor de potência é acoplado ao seu feed monitorando o nível de potência de transmissão para garantir que permaneça constante durante a rotação da antena. Um segundo sensor de potência, acoplado a uma corneta de ganho padrão, está no campo distante da antena. As medições tiradas deste sensor de potência são usadas para produzir os gráficos do padrão da antena. Para obter uma combinação ideal de resolução angular e velocidade de medição, é desejável escolher um sensor de potência que forneça uma taxa de medição rápida.

Abordamos várias medições importantes da camada física que ajudam a fornecer confiança de que os blocos individuais do sistema e o sistema geral, quando implantados, terão um desempenho confiável. As técnicas de medição apresentadas aqui não se aplicam apenas a gateways. Você pode aplicar técnicas semelhantes a terminais e satélites.

Bob Buxton é gerente de produto do Wireless Telecom Group, uma empresa de testes e medições composta pelas marcas Boonton, Noisecom e Holzworth. Bob ocupou anteriormente cargos em P&D e gerenciamento de produtos na MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix e Anritsu. Suas experiências em P&D envolveram subsistemas de micro-ondas e design de sintetizadores. Bob possui mestrado em Microondas e Óptica Moderna pela University College, Londres e MBA pela George Fox University, Newberg Oregon. Ele é um Engenheiro Certificado e Membro da Instituição de Engenharia e Equipar.