Измерение параметров в радиочастотных системах.

7.9. Измерение параметров в радиочастотных системах Измерение функции BER (C/N)


В современной измерительной методике BER используются различные схемы, из которых можно выделить две основные [7.1].
 Использование перестраиваемого аттенюатораРис. 7.16. Схема метода перестраиваемого аттенюатора.
В этом методе в радиочастотный тракт приемника включается перестраиваемый аттенюатор, с помощью которого вносится дополнительное затухание, а стабильность сигнала приема принимается постоянной в течение всего времени измерений. Уровни сигнала и шума измеряют с помощью измерителя мощности, при этом измерение шумов в тракте промежуточной частоты приемника без фильтрации дает значение, большее реальной мощности шумов в рабочей полосе тракта. Поэтому при измерениях мощности используются дополнительные фильтры, настроенные на рабочую полосу частот.
 
Параметр ошибки BER измеряется анализатором цифровых каналов.
 
Главным недостатком метода является допущение постоянной мощности полезного сигнала в течение всего периода измерений. В реальных условиях уровень полезного сигнала претерпевает значительные колебания вследствие многолучевого распространения радиоволн и изменения условий распространения. По этой причине отношение С/N может также изменяться, при этом даже изменение С/N на 1 дБ может вызвать изменение BER на порядок. Таким образом, данный метод не позволяет обеспечить требуемую точность измерений, особенно малых значений BER.
 
2. Интерференционный метод измерения BER(C/AT), схема которого показана на рис. 7.17, использует специальный прибор — анализатор/имитатор параметра С/N, который реализует измерение уровня мощности полезного сигнала С при внесении заданного уровня шумов N, что обеспечивает высокую точность определения параметра С/N. В данном методе анализатор/имитатор автоматически регулирует уровень вносимых шумов, при этом точность измерений характеристики BER(C/AT) может достичь значений ~1СГ12 [7.1]. В заключение данного рассмотрения функции BER (СIN) отметим следующее.
 
1. Сравнение теоретической и практической зависимостей ВЕЩС/N) показывают, что практические зависимости отличаются от теоретических тем, что для практических значений BER требуется большее отношение С/N. Это связано с различными причинами ухудшения параметра в трактах промежуточной и радиочастоты.
 
2. На практике вклады трактов радио- и промежуточной частоты сравнимы между собой, при этом для систем передачи цифровой информации со скоростью до 90 Мбит/с наблюдаются следующие значения уровней ухудшения параметра BER.
Схема интерференционного метода измерения
Рис. 7.17. Схема интерференционного метода измерения BER(С/N)
 
Ухудшение в тракте промежуточной частоты ПЧ:
 
- ошибки по фазе и амплитуде модулятора — ОД дБ;
- межсимвольная интерференция, связанная с работой фильтров — 1,0 дБ;
- присутствие фазовых шумов — 0,1 дБ;
- процедуры дифференциального кодирования/декодирования — 0,3 дБ;
- джиттер (дрожание фазы) — 0,1 дБ;
- избыток полосы шумов демодулятора — 0,5 дБ;
- другие причины (эффект старения, температурная нестабильность) — 0,4 дБ.
 
Итак, в сумме в тракте ПЧ ухудшение величины BER может достигать 2,5 дБ. Ухудшение BER в тракте радиочастоты:
 
- эффекты нелинейности — 1,5 дБ;
- ухудшения, связанные с ограничением полосы пропускания канала и групповым временем задержки — 0,3 дБ;
- интерференция в смежных каналах — 1,0 дБ;
- ухудшения, связанные с эффектами затухания и появлением эхо-сигнала — 0,2 дБ. Итого, в тракте радиочастоты РЧ ухудшение BER составит 3 дБ, то есть всего в системе
 
передачи ухудшение BER может достичь -5,5 дБ.
 
Следует отметить, что в схемах рис. 7.16, 7.17 не рассматривалось назначение эквалайзеров в цифровых радиотрактах.
 
Измерения частоты и мощности в радиочастотных трактах.
 
Измерения частоты и мощности полезного радиосигнала реализуются на практике следующими методами:
 
1) используются частотомеры и измерители мощности,
2) используются анализаторы спектра с функциями маркерных измерений.
 
Во втором методе маркер обеспечивает перемещение по спектральной характеристике с одновременным отображением значений параметров частоты и мощности полезного радиосигнала.
 
Для расширения возможностей измерений параметров мощности современные анализаторы спектра обеспечивают сглаживание спектральной характеристики, фильтрацию шумов и т.д.
 
Анализ работы эквалайзеров.
 
По сравнению с кабельными системами радиоэфир, как среда передачи радиосигналов, имеет характеристики, случайно изменяющиеся во времени. В связи с широким использованием цифровых систем радиосвязи и повышенными требованиями к точности их передачи в приемных устройствах включаются эквалайзеры, позволяющие резко снизить влияние многолучевого распространения (выравнивание сигналов) и времени групповой задержки (автоподстройка сигнала). При использовании цифровых методов модуляции высокочастотных сигналов разработчики столкнулись с трудностями точной настройки модемов и других каналообразующих устройств в составе радиочастотного тракта. В этом случае эквалайзеры выступают и как элементы компенсации возможных нелинейностей в устройствах радиочастотного тракта передачи. В современных радиочастотных системах передачи информации встречаются два основных вида затуханий, связанных с факторами распространения радиосигнала по радиочастотному тракту.
 
1) Линейное затухание, представляющее собой частотно-независимое равномерное уменьшение амплитуды сигнала от факторов распределения сигнала. Линейное затухание обычно обусловлено природными факторами распространения электромагнитных волн:
 
- при сквозном распространении в лесных массивах;
- при распространении в атмосфере при наличии гидрометеоров (дождь, снег).
 
2) Затухание, обусловленное многолучевым распространением радиосигналов.
 
Эти два фактора изменяют амплитуду полезного сигнала, приводя к изменению величины отношения С/N, что в конечном счете влияет на параметр ошибки BER. Изменения в структуре полезного сигнала, связанные с этими двумя затуханиями, компенсируются эквалайзерами. Как известно, в основе работы любого эквалайзера лежит использование узкополосного режекторного фильтра для устранения нелинейности полезного сигнала. В качестве основного параметра измерений выступает зависимость глубины фильтрации от частоты при заданном параметре BER, получившая в различных обзорах название кривой М или кривой W (рис. 7.18).
 Кривые М для  отсутствия и наличия эквалайзера
Рис. 7.18. Кривые М для случаев отсутствия и наличия эквалайзера.
Для получения кривой М обычно имитируются различные условия прохождения сигнала, которые компенсируются эквалайзером и в процессе компенсации строится кривая М Схема измерений представлена на рис. 7.19.
 
В результате измерений получаются диаграммы в виде двухсторонних кривых М, из которых одна — безгистерезисная (показывающая способность фильтра эквалайзера обеспечить глубину фильтрации на заданной частоте, достаточную для выравнивания структуры полезного сигнала) и другая — гистерезисная (показывающая производительность фильтра при его реальной работе в случае необходимости сначала увеличения, а затем уменьшения параметра глубины фильтрации). На практике оба типа кривых существенны для анализа работы эквалайзера.
Схема измерений кривых

Рис. 7.19. Схема измерений кривых М


Измерения параметров неравномерности фазочастотной характеристики и группового времени задержки.
 
Неравномерность фазочастотной характеристики (ФЧХ) радиочастотного тракта определяется групповым временем задержки (ГВЗ) из формулы:
  формулы

 Непосредственное измерение зависимости фазового сдвига от частоты ф(ш) и последующее дифференцирование полученной зависимости реализуется, как правило, для систем с низким уровнем фазовых шумов, однако, для систем радиосвязи фазовые шумы в канале присутствуют, что и приводит к неравномерности ФЧХ и изменению ГВЗ. Обычно измерения ГВЗ проводится при проведении приемо-сдаточных испытаний радиосистем и учитывают возможные отклонения в работе передатчика, приемника, антенных устройств и условий распространения радиосигнала. В работе [7.10] описаны две методики измерений ГВЗ, основанных на использовании композитных радиосигналов.

Измерения параметров устойчивости к линейному затуханию и затуханию, связанному с многолучевым распространением радиосигналов
 
Параметры радиосигналов изменяются за счет линейного затухания и затухания, вызванного многолучевым распространением радиосигналов. При проведении заводских испытаний вводят допустимый предел линейного затухания, не превышающий 50 дБ для BER = 10~3. Для компенсации линейного затухания используют эквалайзеры в составе передатчика/приемника. Работу эквалайзера, компенсирующего линейное затухание, можно измерить, используя перестраиваемые аттенюаторы.
 
При измерении параметров устойчивости к затуханию, связанному с многолучевым распространением радиосигналов, возможно использование диаграммы состояний и глазко-вой диаграммы, которые отображают:

- диаграмма состояний — перекрестные помехи сигналов / и Q отображаются в виде эллипсов,
- глазковая диаграмма — явление многолучевости отображается смещением центров «глаз» от центра к краям.
 
Однако, и диаграмма состояний, и глазковая диаграмма не обеспечивают всей необходимой спецификации измерений. Для проведения практических измерений эффективности компенсации явления многолучевого прохождения сигналов используют методы, которые согласуются с методами компенсации. Так как прогнозировать появление фактора многолучевого распространения практически невозможно, учет воздействия этого фактора выполняют методами стрессового воздействия, то есть путем имитации явления многолучевого распространения сигнала. Как отмечено в работе [7.10], используются две модели имитации многолучевого распространения сигнала.
 
1. Двухлучевая модель. Принцип моделирования сводится к теоретически обоснованному предположению, что затухание связано с двухлучевой интерференцией, причем интерферирующий луч имеет задержку (для отраженного луча) во времени. Из характеристик неравномерности АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) и ГВЗ для двухлучевого распространения радиосигнала следует [7.10]:
 
- уменьшение амплитуды с изменением частоты;
- изменение ГВЗ и АЧХ в случае минимальной фазы (когда основной радиолуч имеет большую амплитуду);
- изменение АЧХ и ГВЗ в случае неминимальной фазы (когда результирующий луч после интерференции двух лучей превосходит по амплитуде основной сигнал).
 
2. Трехлучевая модель. Так как двухлучевая модель не описывает явление амплитудной модуляции и возникновение слабых картин биений в пределах рабочего частотного диапазона, в результате чего амплитуда полезного сигнала отклоняется в пределах рабочего диапазона даже в случае, если узел биений находится вне рабочего диапазона, то используется трехлучевая модель, позволяющая учесть эффект смещения амплитуды. Обычно двухлучевая модель используется при проведении качественных измерений, а трехлучевая — для проведения точных измерений [7.10].
 
Анализ интермодуляционных помех.
 
При распространении радиосигналов в тракте возникают интермодуляционные взаимодействия сигналов при мультиплексировании и демультиплексировании, а также при влиянии нелинейностей каналообразующих устройств в составе тракта. Обычно интермодуляционные искажения имеют достаточно низкий уровень — менее 40 дБ относительно уровня полезного сигнала. Тем не менее, контроль интермодуляционных искажений и устранение их причин обеспечивает в ряде случаев решение проблемы интерференции в смежных каналах. Для анализа интермодуляций используют анализаторы спектра.
 
Измерения характеристик каналообразующих радиочастотных трактов.
 
Помимо комплексных измерений на практике широко применяются измерения характеристик каналообразующих радиочастотных трактов, знание которых необходимо при проектировании и эксплуатации радиотехнических систем передачи информации. Помимо измерений частоты и мощности в зоне обслуживания возникает необходимость измерения антенных систем, уровня тепловых шумов, стабильности частоты задающих генераторов, фазового джиттера, параметров модемов и усилительных трактов вместе с фильтрующими устройствами.
 
Измерения антенных систем.
 
Антенно-фидерные устройства в составе радиочастотного тракта играют чрезвычайно важную роль. Основные параметры: мощность излучения, диаграмма направленности в соответствующих плоскостях, коэффициент усиления, импеданс и т.д., обычно рассчитываются и измеряются на этапе производства антенн. В процессе эксплуатации важными параметрами являются

- коэффициент бегущей волны (КБВ):    КБВ = Umin/Umax, (7.38)

- коэффициент стоячей волны (КСВ):     КСВ = 1/КБВ, (7.39)
- уровень возвратных потерь от антенного входа, где Umin и Umax — минимальное и максимальное напряжения в фидерной линии.
 
В случае идеального согласования тракта: выход передатчика — фидер — вход антенны, КБВ = 1 (так как вся энергия с выхода передатчика направляется в антенну и при этом £/min = Umах), в случае Umin = О, КСВ = оо КБВ = 0 — в фидере возникает режим стоячей волны, что недопустимо.
 
Рис. 7.20. Схема измерения возвратных потерьВ реальном случае КСВ может принимать значения 1,1...2, то есть КБВ = 0,5...0,9. В радиотрактах систем цифровой передачи информации с цифровыми типами модуляции необходим малый уровень возвратных потерь, то есть минимальное значение КСВ -1,1, когда режим в фидерной линии близок к высокой степени согласования.
 
Например, для радиорелейных линий связи, использующих модуляцию 64 QAM, рекомендованным уровнем подавления возвратных потерь от антенны является 25 дБ и выше. Для измерения возвратных потерь обычно используют схему, приведенную на рис. 7.20.
 
От генератора СВЧ-колебаний подается сигнал к антенне через пассивный направленный ответвитель. При наличии отраженной от входа волны электромагнитные колебания через направленный ответвитель попадают в анализатор спектра (или в селективный приемник), где и измеряется уровень отраженной мощности. Для уменьшения уровня отраженной мощности реализуют согласование антенно-фидерного тракта. При применении на практике вместо анализатора спектра измерителя мощности точность измерений падает, так как вместе с отраженным сигналом измеритель мощности учитывает уровень шумов,  связанных с внешними воздействиями на радиоканал в заданном диапазоне рабочих частот.
Измерения уровня собственных тепловых шумов элементов радиочастотного тракта.
 
При возрастании уровня шумов резко возрастают межсимвольные искажения цифровых сигналов и увеличивается величина BER. На диаграммах состояния и глазковых диаграммах это выражается в увеличении размеров точек отображения состояния и эффекта «закрывания глаз». Измерение шумов различных устройств в составе радиочастотного тракта выполняется на этапе эксплуатации для локализации точки повышенного уровня шумов. Учитывая, что собственные шумы различных устройств радиочастотного тракта малы, для измерений используют дифференциальные методы. Для этого в тестируемый сигнал подмешивают интерферирующий одночастотный сигнал и затем производят измерения шумов по разности интерферирующего сигнала и шума. Этот метод используется при измерении шумов малой мощности. В качестве примера на рис. 7.21 показаны результаты измерений шумов на фоне интерферирующего одночастотного сигнала для модуляции 16 QAM при отношении сигнал/помеха С/I = 15 дБ, при этом, как видно из рисунка, рост уровня шумов приводит к увеличению размеров точек на диаграмме состояний и эффекту «закрывания глаза» на глазковой диаграмме.
 Примеры диаграммы состояний и глазковой диаграммы при измерении шумов
Рис. 7.21. Примеры диаграммы состояний и глазковой диаграммы при измерении шумов при С/1 = 15 дБ.
Измерения фазового джиттера.
 
7.22. Пример диаграммы состояний при измерении джиттераВажным параметром измерений радиочастотных систем передачи с цифровой модуляцией является фазовое дрожание сигнала задающих генераторов приемника/передатчика, так называемый джиттер (jitter). Для анализа джиттера эффективно используют диаграмму состояний, так как глазковая диаграмма к нему не чувствительна. Если в тракте возникает фазовое дрожание сигнала, то, как следует из
рис. 7.22, происходит увеличение размеров точек диаграммы состояний. Для устранения проблем, свя- состояний при измерении джиттера занных с наличием джиттера, обычно производят дополнительные измерения параметров работы задающих генераторов и устраняют неисправности.
 
Измерения параметров модемов.

Для измерения параметров модема обычно используют анализаторы, обеспечивающие измерения сигналов в виде диаграмм состояния и глазковых диаграмм, которые дают наиболее полную информацию о структуре и изменениях параметров цифровой модуляции. На рис. 7.23 в качестве примера показаны диаграмма состояний и глазковая диаграмма для случая квадратурной амплитудной модуляции с 16-ю состояниями 16 QAM, из которых следует:
 
- размывание точек диаграммы состояний свидетельствует о влиянии шумов;
- искажение размера «глаза» свидетельствует о возможных нарушениях в работе цифрового канала (например, возникновение межсимвольных искажений).
 Пример диаграммы состояний
Рис. 7.23. Пример диаграммы состояний и глазковой диаграммы для случая AM с 16-ю состояниями 16 QAM
Рассмотрим следующие виды нарушений работы модемов и соответствующие им диаграммы.
 
1. Потеря синхронизации в цифровом канале.
 
Глобальная неисправность/отключение демодулятора или нарушение фазовой синхронизации могут привести к нарушению согласования между модулятором и демодулятором и пропаданию сигнала в системе передачи. В этом случае диаграмма состояний представляет собой случайное распределение сигналов по соответствующим уровням модуляции, «глаз» глазковой диаграммы полностью закрывается (рис. 7.24).
Пример потери синхронизации в цифровом канале

Рис. 7.24. Пример потери синхронизации в цифровом канале: диаграмма состояний представляет собой случайное распределение сигналов по соответствующим уровням модуляции, «глаз» глазковой диаграммы полностью закрывается.

2. Нарушение установки параметров уровня модуляции/демодуляции.
 
На рис. 7.25 показана диаграмма состояний, из которой следует, что при установлении уровней модуляции/демодуляции возникла несбалансированность по амплитуде сигнала. Изменения в диаграмме состояний могут свидетельствовать о нелинейностях модулятора или нарушении работы ЦАП.
Пример нарушения установки параметров
Рис. 7.25. Пример нарушения установки параметров уровня модуляции/демодуляции.
3. Нарушение ортогональности I и Q векторов демодулятора.
 
Одной из распространенных неисправностей в работе модема является нарушение работы демодулятора, когда векторы I и Q полярных координат демодулятора не строго ортогональны. Это приводит к несоответствию состояний ортогональной сетке координат на диаграмме состояний (рис. 7.26).
 
 Пример нарушения ортогональности I и Q векторов демодулятораЭта неисправность может сопровождаться или не сопровождаться ошибкой фазовой синхронизации в цепи восстановления несущей. В случае отсутствия ошибки результат воздействия этой неисправности на глазко-вую диаграмму сводится к закрыванию «глаза» на диаграмме по сигналу I и отсутствию какого-либо изменения на диаграмме Q. При наличии ошибки «глаза» обоих диаграмм будут закрыты. Необходимо отметить, что анализ одной только глазковой диаграммы не позволяет установить причину неисправности, поскольку эта диаграмма полностью совпадает с глазковой диаграммой при наличии высокого уровня аддитивных шумов в канале. Достоверное определение причины неисправности в этом случае может дать только диаграмма состояний. Устранение описанной неисправности требует подстройки демодулятора в части ортогональности сигналов I и Q. На диаграмме состояний рис. 7.27 отмечено наличие ошибки фазовой синхронизации в 2,3 градуса.
 ошибки фазовой синхронизации

Рис. 7.27. Пример появления ошибки фазовой синхронизации.

Измерения параметров работы усилителей в составе радиочастотного тракта.
 
Основными измеряемыми параметрами работы усилителей в составе радиочастотного тракта являются:
 
- шумы, вносимые усилителями;
- параметры нелинейности усилительных участков.

Перегрузка по амплитуде может привести к переходу усилителя в нелинейный режим и, как следствие, резкому увеличению вероятности ошибки в цифровой системе передачи. Использование диаграмм состояний и глазковых диаграмм позволяет оценить причины снижения параметров качества радиосвязи (нелинейные искажения приводят к расплыванию точек диаграммы состояний и закрытию «глаза» глазковой диаграммы).
 


Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ.
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ.
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.
       
7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
                 7.1. Цели и задачи проектирования.
                 
7.2. Методы проектирования.

                 7.3. Принципы радио-покрытия зон обслуживания.
                 7.4. Распределение каналов в сотовой сети.
                 7.5. Расчет бюджета радиолиний в системах сотовой мобильной связи.
                 7.6. Емкость сотовой сети мобильной связи.
                 7.7. Рекомендации по сетевому планированию и оптимизации.
                 7.8. Измерения и мониторинг в радиочастотных системах.
                 
7.9. Измерение параметров в радиочастотных системах.
                 7.10. Нормы на уровни электромагнитных излучений.
                 7.11. Математическая модель электромагнитного излучения мобильными и базовыми станциями.
                 7.12. Экспериментальные исследования уровней излучения антенн ВТS.

       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
      10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.


 
   
Стол заказов: (067)194-45-55 | Киев