Uydu uplink ve downlinklerinde kritik ölçümler nelerdir?

Gürültü ölçümü, LO ikamesi, alıcı stres testi, güç ölçümü, CCDF ve PAPR karakterizasyonu ve anten modeli ölçümü, bağlantı bütçesi, bit hata oranı ve SNR gereksinimlerinde kritik rol oynar.

Bob Buston, Kablosuz Telekom Grubu

Alçak Dünya yörüngeli (LEO) uydu sistemleri, kritik görev kullanım durumları için artan bir hızla kullanılıyor. Bu, doğru bir şekilde gerçekleştirilmediği takdirde sistem performansının düşmesine yol açabilecek ilgili kritik test gereksinimlerini beraberinde getirir. Bir ağ geçidini örnek olarak kullanan bu makale, yukarı bağlantı ve aşağı bağlantı fiziksel katman testi için gerekli ölçümlere ve ekipman türüne bakmaktadır.

Uydu dağıtımları sabit yörüngeden (GEO) ve orta Dünya yörüngesinden (MEO) LEO'ya kadar değişir. LEO uydularının konuşlanma oranları artmaya devam ediyor. Örneğin SpaceX Starlink sisteminin şu anda alçak Dünya yörüngesinde yaklaşık 3,500 uydusu var. Aralık 2022'de FCC, 7,500 yeni nesil uydunun konuşlandırılmasını onayladı. LEO sistemlerinin düşük gecikme süresi nedeniyle, 5G ve askeri savaş alanı iletişimleri dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere hem sivil hem de askeri uygulamalar için tercih edilen sistem haline geliyorlar. Starlink sisteminin Ukrayna'da kullanımı sınırlı da olsa, ikincisinin güncel bir örneğidir. Bu tür operasyonlar için LEO sistemlerinin kullanılması, güvenilir çalışmayı sağlamak için yüksek doğrulukta testlere yönelik bir gereksinime yol açmaktadır.

Şekil 1. Bir LEO sisteminin tipik mimarisi ve çeşitli unsurları.

Karasal ağa bağlanırken ağ geçitleri olarak da adlandırılan yer istasyonları, şekilde gösterildiği gibi yukarı ve aşağı bağlantı işleminin önemli bir unsurudur. Şekil 1. Yukarı bağlantı ve aşağı bağlantı yollarını içeren çeşitli modüller, güvenilir çalışmayı sağlamak için çeşitli testler gerektirir. Bu tür testler, modüllerin geliştirilmesi ve üretimi sırasında, entegrasyon sırasında, arıza bulmanın bir parçası olarak ve operasyonel izleme sırasında yapılabilir. Şekil 2 bir ağ geçidindeki RF ve mikrodalga yollarının basitleştirilmiş bir blok diyagramını ve fiziksel katman performansını değerlendirmek için test ekipmanının nerede kullanılacağına ilişkin örnekleri gösterir.

Şekil 2. Bu ağ geçidi blok şeması RF ve mikrodalga yol testi örneklerini göstermektedir.

Tablo 1 ek bilgileri ve Şekil 2'de gösterilen noktalarda ölçüm yapmanın önemini gösterir.

Ölçüm kullanım durumu	Gerçekleştirildiğinde	Kullanılan ekipman	Sistem performansı açısından önemi
Faz gürültüsü ölçümü	Geliştirme sırasında tasarlanan yerel osilatörlerin spektral saflığının karşılanmasını sağlamak özellikleri.	Faz gürültüsü analizörü	Bit hatalarına neden olan zayıf faz gürültüsü olasılığını azaltın.
Yerel osilatör (LO) ikamesi	Yukarı veya aşağı dönüştürücüdeki bir sorunu teşhis etmek için geliştirme veya arıza bulma sırasında veya tasarlanmış LO mevcut değildir.	Yüksek performanslı sentezleyici	Dağıtımdan önce sorunları düzeltin.
Alıcı stres testi	Geliştirme sırasında alıcının gürültü veya başka bir durum karşısında doğru çalışmasını sağlamak için girişim.	Programlanabilir gürültü üreteci veya sinyal-gürültü üreteci, sinyal kaynağı, BERT ve test döngüsü çevirmen	Zayıf sinyal/gürültü koşullarında gerekli BER'i karşılayacak sinyallerin alınabildiğinden emin olun.
Çıkış gücü	Güç amplifikatörlerinin ve üst dönüştürücülerin geliştirilmesi sırasında. Operasyon sırasında izleme amacıyla da ölçülmüştür kullanın.	Pik güç algılayıcı ve metre	Güç seviyesinin bağlantı bütçesinin gereksinimlerini karşılamak için yeterli olduğundan emin olun.
Sıkıştırma kazanın ve kazanın	Güç amplifikatörlerinin geliştirilmesi sırasında.	Tepe güç sensörü ve ölçer	Sıkıştırmada sinyal tepe noktalarını kıran ve bit hatalarına neden olan amplifikatörlerden kaçının
Anten düzeni ölçümü	geliştirme sırasında	Hızlı ölçüm RF/mikrodalga güç sensörü ve ölçer	Kazanç ve uzun ışın yönlülüğünün bağlantı bütçesi ve ışın konumlandırma çalışmalarının gerekliliklerini karşıladığından emin olun Doğru şekilde.

Tablo 1. Yukarı bağlantı ve aşağı bağlantı fiziksel katman performansını doğrulamak için altı kritik kullanım durumu.

Daha sonra bu kullanım durumlarına daha ayrıntılı olarak bakacağız.

Şekil 3. Aşırı LO faz gürültüsü takımyıldız diyagramını genişleterek bit hatalarına neden olur.

Faz gürültüsü ölçümü
Uydu yukarı ve aşağı bağlantılarının performansına birçok faktör katkıda bulunur ve bunlardan bazıları, örneğin yerel osilatörlerin sinyal saflığı, darbe bit hataları gibi. Aşırı faz gürültüsü, hata vektör büyüklüğünü (EVM) artırır ve IQ diyagramındaki takımyıldız noktalarının konumu, şekilde gösterildiği gibi sembol karar sınırlarını aştığı için sembole ve dolayısıyla bit hatalarına yol açabilir. Şekil 3.

Bu ölçümü yaparken, amplifikatörlerden gelen ilave gürültüyü ölçmek için yerel osilatörün (LO) mutlak faz gürültüsü ölçümlerini yapmanız gerekip gerekmediğini kendinize sorun.

LO oyuncu değişikliği
LO ikamesi, iletişim sistemlerinde yukarı dönüştürücüleri ve aşağı dönüştürücüleri test ederken önemli bir tekniktir. LO'nun performanslarını maskeleyen özellikleri olmadan sinyal zincirlerini değerlendirmenize olanak tanır. Bu teknik aynı zamanda sistem düzgün performans göstermediğinde sorunların kaynağının LO olup olmadığını belirlemenize de olanak tanır.

Alıcı stres testi
İster bir ağ geçidinde ister bir uyduda olsun, sinyallerin kötü koşullar altında doğru şekilde alınabilmesini ve demodüle edilebilmesini sağlamak için alıcıya stres testi uygulamak önemlidir. Laboratuvarda gözlemlenen performansın dağıtımdan sonra tekrarlanmasını sağlamak için uydu iletişim alıcılarının gerçek dünyadaki RF girişim koşullarında çalışması gerekir. Bu testler IF ve RF'de gerçekleştirilir. IF'de gerçekleştirdiğinizde aşağıdakilere ihtiyacınız olacak:

SNR veya Eb/No seviyelerini ayarlamak için sinyal-gürültü oranı (SNR) gürültü üreteci
Bit hata oranı test cihazı (BERT). Yukarı bağlantı IF, SNR oluşturucu aracılığıyla aşağı bağlantı IF'ye geri döndürülür. Test RF/mikrodalga frekanslarında yapılıyorsa geri döngüyü tamamlamak için bir test döngüsü çeviricisine de ihtiyaç duyulacaktır. Şekil 4 iki durum için genel test kurulumunu gösterir.

Şekil 4. Alıcı stres testi IF veya RF geridöngü ile gerçekleştirilir.

Testi gerçekleştirmek için SNR üreteci, istenen SNR seviyesini üretmek üzere kesin miktarda gürültü ekler. BERT tarafından izlenen istenen hata oranı sınırına ulaşılıncaya kadar gürültü seviyesi artırılır. Ek olarak, girişim yapan bir sinyali enjekte etmek için bir sinyal oluşturucu kullanılabilir.

Çıkış gücü, kazanç ve sıkıştırma testi
Bu bizi en temel RF ve mikrodalga ölçümlerinden birine getiriyor: güç. Güç ölçümü aynı zamanda sistem performansını etkileyebilecek bazı kritik sorunları da ortaya çıkarabilir. Şekil 5 yukarı bağlantı yüksek güçlü amplifikatörün (HPA) performansını değerlendirmek için bir kurulumu gösterir.

Şekil 5. Güç sensörleri P1 ve P3, geri dönüş kaybı ölçümü için, P1 ve P2 sensörleri ise kazanç ölçümü için kullanılır.

Kazanç ve geri dönüş kaybının ölçümüne ek olarak güç sensörü P2, çıkış gücü seviyesinin bir ölçümünü sağlar. Bu kurulumu HPA'nın neden olduğu sinyal sıkıştırma derecesini değerlendirmek için de kullanabilirsiniz.

Tarihsel olarak, uydu bağlantıları düşük tepe-ortalama güç oranı (PAPR) modülasyon formatlarını kullanmıştır. Ancak 5G karasal olmayan ağlar (NTN) gibi daha yeni uygulamalar, daha yüksek dereceli modülasyon şemalarının ve OFDM'nin kullanılmasını gerektirir. Bu, sinyalin PAPR'sinin daha yüksek olacağı anlamına gelir ve amplifikatör sıkıştırmasının, simgeye ve dolayısıyla bit hatalarına yol açacak şekilde tepe noktalarını bozmamasına dikkat edilmesi gerekir. PAPR azaltımının sinyal sıkıştırmasından kaynaklanan bit hata oranı üzerindeki etkisine ilişkin çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Usman ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışma, PAPR'yi 10 dB'den ~4dB'ye düşürmenin, alıcıda 8 dB'lik bir SNR için BER'i ~10 x 4-1.3'ten ~10 x 3-10'e düşüreceğini gösterdi. Bu, güç amplifikatörü distorsiyonunun PAPR üzerindeki etkisini bilmenin ve bunu açıkça gözlemleyecek bir araca sahip olmanın önemini vurgulamaktadır.

POUT ve PIN grafiğini elde etmek için ortalama tespit güç sensörlerini veya ağ analizörlerini kullanarak amplifikatörün doğrusal olmama durumunu ve sıkıştırmasını değerlendirebilirsiniz. Ancak bu, karmaşık bir m-QAM OFDM sinyalinin PAPR'si üzerindeki etkisini ortaya çıkarmaz. Neyse ki uygulayabileceğiniz basit bir çözüm var. Bunun amacı, ölçülen sinyal kanalından daha geniş video bant genişliğine sahip yüksek örnekleme oranlı tepe güç sensörlerini kullanmaktır. Bu güç örnekleri, PAPR sinyalini belirlemek ve tamamlayıcı dağıtım fonksiyonu (CCDF) eğrilerini çizmek için kullanılır. Bir CCDF eğrisi, modüle edilmiş bir sinyalin belirli bir PAPR'yi aşma olasılığının bir grafiğidir. Kurulum basittir ve Şekil 1'da gösterilen P2 ve P6 güç sensörlerini kullanır; sensörler yalnızca ortalama gücü değil, tepe noktasını da ölçmelidir. Bu sensörlerin uygun analiz yazılımıyla birlikte kullanılması, amplifikatörün giriş ve çıkışında CCDF sağlar ve böylece PAPR azalmasını ortaya çıkarır.

Şekil 6 Bu sonucu Boonton RTP5000 tepe güç sensörlerini ve Boonton Güç Analizörü yazılımını kullanarak gösterir. Y ekseni, x ekseninde gösterilen PAPR düzeyini aşma olasılığını gösterir. Şekil 6, zamanın %99.99'unda giriş sinyalinin ~9.4 dB'lik bir PAPR'ye sahip olduğunu, amplifikatör sıkıştırmasının ise çıkış sinyali PAPR'sini ~7.4 dB'ye düşürdüğünü ve bunun bit hatalarına yol açabileceğini göstermektedir.

Şekil 6. Sarı CH1 izi amplifikatör girişindeki CCDF'yi, mavi CH2 izi ise çıkıştaki CCDF'yi gösterir.

Anten düzeni ölçümü
Son olarak anten deseni ölçümüne bakalım. Anten ister mekanik olarak yönlendirilen bir çanak olsun, ister çok ışınlı uzamsal çoklu erişim kapasitesi ve sıfırları parazitlere doğru yönlendirme yeteneği olan elektronik olarak yönlendirilen bir faz dizili panel olsun, anten modelini karakterize etmeniz gerekir. Bu genellikle azimut ve eğim düzlemlerindeki kutupsal grafiklerle temsil edilir. Güç sensörleri bu ölçümleri yapmanın basit ve kullanışlı bir yolunu sağlar.

Anten bir döner tabla üzerine monte edilmiştir. Anten dönüşü sırasında sabit kalmasını sağlamak için iletim gücü seviyesini izleyen beslemesine bir güç sensörü bağlanmıştır. Standart kazançlı bir kornaya bağlı ikinci bir güç sensörü antenin uzak alanındadır. Bu güç sensöründen alınan ölçümler anten desen grafiklerini oluşturmak için kullanılır. Optimum açısal çözünürlük ve ölçüm hızı kombinasyonuna sahip olmak için, hızlı ölçüm oranı sağlayan bir güç sensörünün seçilmesi arzu edilir.

Bireysel sistem bloklarının ve genel sistemin konuşlandırıldığında güvenilir bir şekilde performans göstereceğine dair güven sağlamaya yardımcı olan birkaç temel fiziksel katman ölçümüne değindik. Burada sunulan ölçüm teknikleri yalnızca ağ geçitleri için geçerli değildir. Benzer teknikleri terminallere ve uydulara da uygulayabilirsiniz.

Bob Buxton, Boonton, Noisecom ve Holzworth markalarından oluşan bir test ve ölçüm şirketi olan Wireless Telecom Group'ta ürün müdürüdür. Bob daha önce MACOM, Marconi, Advantest, Tektronix ve Anritsu'da Ar-Ge ve ürün yönetimi pozisyonlarında görev yaptı. Ar-Ge deneyimleri arasında mikrodalga alt sistemleri ve sentezleyici tasarımı yer almaktadır. Bob, Londra'daki University College'dan Mikrodalgalar ve Modern Optik alanında yüksek lisans derecesine ve Newberg Oregon'daki George Fox Üniversitesi'nden MBA derecesine sahiptir. Kendisi Yeminli Mühendis ve Mühendislik Enstitüsü Üyesidir. Teknoloji.