Каковы критические измерения в спутниковых восходящих и нисходящих каналах?

Измерение шума, замена гетеродина, стресс-тестирование приемника, измерение мощности, характеристика CCDF и PAPR, а также измерение диаграммы направленности антенны играют решающую роль в определении бюджета канала, коэффициента битовых ошибок и требований к ОСШ.

Боб Бастон, Wireless Telecom Group

Спутниковые системы на низкой околоземной орбите (НОО) развертываются для критически важных сценариев использования с ускорением темпов. Это приводит к связанным критическим требованиям к тестированию, которые, если они не будут выполнены точно, могут привести к ухудшению производительности системы. На примере шлюза в этой статье рассматриваются измерения и тип оборудования, необходимого для тестирования физического уровня восходящей и нисходящей линий связи.

Развертывание спутников варьируется от геостационарной орбиты (GEO) и средней околоземной орбиты (MEO) до LEO. Темпы развертывания спутников LEO продолжают расти. Например, система SpaceX Starlink в настоящее время насчитывает около 3,500 спутников на низкой околоземной орбите. В декабре 2022 года FCC одобрила развертывание 7,500 спутников нового поколения. Из-за низкой задержки систем LEO они становятся предпочтительными системами как для гражданских, так и для военных приложений, включая, помимо прочего, 5G и военную связь на поле боя. Украинское использование системы Starlink, хотя и ограниченное, является недавним примером последнего. Использование систем LEO для этих типов операций требует проведения высокоточных испытаний для обеспечения надежной работы.

Рисунок 1. Типичная архитектура и различные элементы системы LEO.

Наземные станции, также называемые шлюзами при подключении к наземной сети, являются ключевым элементом работы восходящей и нисходящей линии связи, как показано на рис. Рисунок 1. Различные модули, включающие пути восходящей и нисходящей линии связи, требуют различных тестов для обеспечения надежной работы. Такое тестирование может проводиться при разработке и производстве модулей, при интеграции, в рамках дефектации и при оперативном контроле. Рисунок 2 показана упрощенная блок-схема РЧ- и СВЧ-трактов в шлюзе и примеры использования тестового оборудования для оценки производительности физического уровня.

Рис. 2. На этой блок-схеме шлюза показаны примеры тестирования ВЧ- и СВЧ-трактов.

Таблица 1 показывает дополнительную информацию и важность выполнения измерений в точках, показанных на рисунке 2.

Пример использования измерения	При выполнении	Используемое оборудование	Важность производительности системы
Измерение фазового шума	При разработке для обеспечения спектральной чистоты проектируемых гетеродинов технические условия.	Анализатор фазового шума	Уменьшите вероятность того, что плохой фазовый шум вызовет битовые ошибки.
Замена гетеродина (LO)	Во время разработки или поиска неисправностей для диагностики проблемы в повышающем или понижающем преобразователе, или когда встроенный LO отсутствует.	Высокопроизводительный синтезатор	Исправьте проблемы до развертывания.
Стресс-тестирование приемника	При разработке обеспечить корректную работу приемника в условиях помех или других вмешательство.	Программируемый генератор шума или генератор отношения сигнал-шум, источник сигнала, BERT и тестовый контур переводчик	Убедитесь, что сигналы могут быть получены для соответствия требуемому BER в условиях плохого сигнала/шума.
Выходная мощность	При разработке усилителей мощности и повышающих преобразователей. Также измеряется для мониторинга во время эксплуатации использовать.	Пиковая мощность датчик и метр	Убедитесь, что уровень мощности достаточен для удовлетворения требований бюджета канала.
Усиление и усиление сжатия	При разработке усилителей мощности.	Датчик пиковой мощности и измеритель	Избегайте усилителей при сжатии, обрезающих пики сигнала и вызывающих битовые ошибки.
Измерение диаграммы направленности антенны	Во время разработки	Быстрое измерение ВЧ/СВЧ датчика и измерителя мощности	Убедитесь, что усиление и направленность основного луча соответствуют требованиям бюджета канала и работ по позиционированию луча. Правильно.

Таблица 1. Шесть критических вариантов использования для проверки производительности физического уровня восходящего и нисходящего каналов.

Далее мы рассмотрим эти варианты использования более подробно.

Рисунок 3. Чрезмерный фазовый шум гетеродина расширяет диаграмму созвездия, что приводит к битовым ошибкам.

Измерение фазового шума
Многие факторы влияют на производительность спутниковых восходящих и нисходящих каналов, и некоторые из них, такие как чистота сигнала гетеродинов, влияют на битовые ошибки. Чрезмерный фазовый шум увеличивает модуль вектора ошибок (EVM) и может привести к символьным и, следовательно, битовым ошибкам, поскольку положение точек созвездия на диаграмме IQ пересекает границы принятия решения по символу, как показано на рис. Рисунок 3.

При выполнении этого измерения спросите себя, нужно ли вам измерять абсолютный фазовый шум гетеродина (гетеродина) для измерения аддитивного шума от усилителей.

замена гетеродина
Замена гетеродина является важным методом при тестировании повышающих и понижающих преобразователей в системах связи. Это позволяет вам оценивать сигнальные цепочки без характеристик гетеродина, маскирующих их работу. Этот метод также позволяет определить, является ли LO источником проблем, когда система работает неправильно.

Стресс-тестирование приемника
Будь то шлюз или спутник, важно провести стресс-тестирование приемника, чтобы убедиться, что сигналы могут быть правильно приняты и демодулированы в условиях помех. Чтобы обеспечить воспроизведение характеристик, наблюдаемых в лаборатории, после развертывания, приемники спутниковой связи должны работать в реальных условиях радиопомех. Эти испытания проводятся в IF и в RF. При выполнении в IF вам понадобятся:

Генератор шума отношения сигнал-шум (SNR) для установки уровней SNR или Eb/No
Тестер коэффициента битовых ошибок (BERT). ПЧ восходящей линии связи возвращается к ПЧ нисходящей линии связи через генератор ОСШ. Если тестирование проводится на радиочастотах/микроволновых частотах, для завершения обратного цикла также потребуется транслятор тестового контура. Рисунок 4 показывает общую тестовую установку для двух случаев.

Рис. 4. Стресс-тестирование приемника выполняется с обратной связью по ПЧ или РЧ.

Чтобы выполнить тест, генератор SNR добавляет точное количество шума для получения желаемого уровня SNR. Уровень шума увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут желаемый предел частоты ошибок, отслеживаемый BERT. Кроме того, для ввода мешающего сигнала может использоваться генератор сигналов.

Выходная мощность, коэффициент усиления и компрессия
Это подводит нас к одному из самых фундаментальных ВЧ и микроволновых измерений: мощности. Измерение мощности также может выявить некоторые критические проблемы, которые могут повлиять на производительность системы. Рисунок 5 показана установка для оценки производительности усилителя мощности восходящей линии связи (HPA).

Рис. 5. Датчики мощности P1 и P3 используются для измерения обратных потерь, а датчики P1 и P2 — для измерения коэффициента усиления.

В дополнение к измерению коэффициента усиления и обратных потерь датчик мощности P2 обеспечивает измерение уровня выходной мощности. Вы также можете использовать эту настройку для оценки степени сжатия сигнала, вызванного HPA.

Исторически в спутниковых каналах использовались форматы модуляции с низким отношением пиковой мощности к средней мощности (PAPR). Однако более новые приложения, такие как внеземные сети 5G (NTN), требуют использования схем модуляции более высокого порядка и OFDM. Это означает, что PAPR сигнала будет выше, и необходимо будет позаботиться о том, чтобы сжатие усилителя не искажало пики, приводящие к символьным и, следовательно, битовым ошибкам. Было проведено несколько исследований влияния снижения PAPR на частоту битовых ошибок из-за сжатия сигнала. Исследование Усмана и др. показало, что снижение PAPR с 10 дБ до ~4 дБ ухудшит BER с ~8 x 10-4 до ~1.3 x 10-3 для отношения сигнал-шум 10 дБ в приемнике. Это подчеркивает важность знания влияния искажений усилителя мощности на PAPR и наличия средств для его четкого наблюдения.

Вы можете оценить нелинейность и компрессию усилителя, используя датчики средней мощности или анализаторы цепей, чтобы получить график зависимости POUT от PIN. Это, однако, не показывает влияние на PAPR сложного сигнала OFDM m-QAM. К счастью, есть простое решение, которое вы можете применить. Это связано с использованием датчиков пиковой мощности с высокой частотой дискретизации и полосой пропускания видеосигнала, которая шире, чем измеряемый канал сигнала. Эти выборки мощности используются для определения PAPR сигнала и построения кривых дополнительной функции распределения (CCDF). Кривая CCDF представляет собой график вероятности того, что модулированный сигнал превысит определенное значение PAPR. Установка проста и использует датчики мощности P1 и P2, показанные на рисунке 6; датчики должны измерять пиковую, а не только среднюю мощность. Использование этих датчиков вместе с соответствующим программным обеспечением для анализа обеспечивает CCDF на входе и выходе усилителя, тем самым показывая снижение PAPR.

Рисунок 6 показывает этот результат с использованием датчиков пиковой мощности Boonton RTP5000 и программного обеспечения Boonton Power Analyzer. По оси ординат показана вероятность превышения уровня PAPR, указанного по оси абсцисс. На рис. 6 показано, что в 99.99% случаев PAPR входного сигнала составляет ~9.4 дБ, в то время как сжатие усилителя снижает PAPR выходного сигнала до ~7.4 дБ, что может привести к битовым ошибкам.

Рис. 6. Желтая кривая CH1 показывает CCDF на входе усилителя, а синяя кривая CH2 показывает CCDF на выходе.

Измерение диаграммы направленности антенны
Наконец, давайте рассмотрим измерение диаграммы направленности антенны. Независимо от того, является ли антенна тарелкой с механическим управлением или панелью с фазированной решеткой с электронным управлением с возможностью многолучевого пространственного множественного доступа и возможностью наведения нулей на источники помех, вы должны охарактеризовать диаграмму направленности антенны. Это обычно представлено полярными графиками в азимутальной и наклонной плоскостях. Датчики мощности обеспечивают простой и удобный способ выполнения этих измерений.

Антенна установлена на поворотной платформе. Один датчик мощности подключен к его фиду, контролирующему уровень мощности передачи, чтобы гарантировать, что он остается постоянным во время вращения антенны. Второй датчик мощности, соединенный с рупором со стандартным усилением, находится в дальнем поле антенны. Измерения, полученные от этого датчика мощности, используются для построения графиков диаграммы направленности антенны. Для оптимального сочетания углового разрешения и скорости измерения желательно выбрать датчик мощности, обеспечивающий высокую скорость измерения.

Мы коснулись нескольких ключевых измерений физического уровня, которые помогают обеспечить уверенность в том, что отдельные системные блоки и система в целом при развертывании будут работать надежно. Представленные здесь методы измерения применимы не только к шлюзам. Вы можете применить аналогичные методы к терминалам и спутникам.

Боб Бакстон — менеджер по продукции в Wireless Telecom Group, компании по тестированию и измерениям, в которую входят бренды Boonton, Noisecom и Holzworth. Ранее Боб занимал должности в отделе исследований и разработок и управления продукцией в компаниях MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix и Anritsu. Его опыт исследований и разработок связан с микроволновыми подсистемами и проектированием синтезаторов. Боб получил степень магистра в области микроволнового излучения и современной оптики в Университетском колледже Лондона и степень MBA в Университете Джорджа Фокса, Ньюберг, штат Орегон. Он является дипломированным инженером и членом Института инженерии и Технологии.

Каковы критические измерения в спутниковых восходящих и нисходящих линиях?