РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Лекция 14

Тема. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель. Дать понятие о методах радиочастотных измерений цифровых каналов.

Учебная. Разъяснить применение методов радиочастотных измерений цифровых каналов.

Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.

Воспитательная. Воспитывать интерес к научным достижениям и открытиям в отрасли телекоммуникации.

Межпредметные связи:

Обеспечивающие: информатика, математика, вычислительная техника и МП, системы программирования.

Обеспечиваемые: Стажерская практика

Методическое обеспечение и оборудование:

Методическая разработка к занятию.

Учебный план.

Учебная программа

Рабочая программа.

Инструктаж по технике безопасности.

Технические средства обучения: персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

Рабочие тетради

Ход лекции.

Организационный момент.

Анализ и проверка домашней работы

Ответьте на вопросы:

Какие параметры качества цифровых систем передачи были приняты в рамках международных стандартов ?
Какими соображениями руководствовался МККТТ при разработке норм ?
Опишите гипотетическую модель тракта ISDN.
Как разделены требования к параметрам ошибки по времени применительно к модели HRX на параметры ошибок в составном цифровом канале 64 кбит/с?
Как получаются базовые одноминутные и односекундные интервалы ?Какой период предлагается в качестве стандартного периода?
Что такое секундная неготовность канала ?
Сколько ошибок содержит минута, не считающаяся минутой низкого качества?
Как было сделано разделение по параметрам готовности канала?

План лекции

Особенности радиочастотных измерений
Измерения радиоэфира
Национальные системы радиоконтроля

3.1 Системы радиоконтроля областного и местного значения

3.2 Системы радиоконтроля локального назначения

Измерение характеристик ретрансляторов

4.1 Измерения АЧХ ретранслятора

4.2 Измерения линейности усиления ретрансляторов

4.3 Измерение фазово-частотных характеристик ретранслятора

4.4 Измерение шумов ретранслятора

Измерения характеристик компонентов радиочастотного тракта
1. Основные параметры для измерений участков радиочастотного тракта
Измерения параметров модулятора/демодулятора
Анализ работы усилителей
Анализ работы фильтров
Измерения уровня собственных тепловых и фазовых шумов элементов радиочастотного тракта
Измерение параметров задающих генераторов приемника/передатчика
Измерения антенных систем
Спектральный анализ канала радиочастотной системы передачи, анализ использования выделенного системе ресурса.
Измерения частоты и мощности
Измерения частоты и мощности

1. Особенности радиочастотных измерений

Радиочастотные измерения представляют собой большой класс измерений, связанных с анализом радиочастотных каналов и систем беспроводной связи. Речь пойдет о радиочастотных измерениях, связанных с анализом радиоэфира как среды распространения сигнала. Из рассмотрения будут исключены вопросы измерений на вторичных сетях радиосвязи, которые также относятся к радиочастотным измерениям, однако имеют определенную специфику, связанную с передачей/приемом сигналов малой мощности.

К радиочастотным системам передачи относятся все средства связи, использующие в качестве среды передачи радиоэфир . К таким средствам относятся радиорелейные и спутниковые системы. Поскольку структурные схемы систем передачи обоих типов аналогичны, то и измерительные технологии для них практически одинаковы, однако имеются некоторые различия, обусловленные диапазонами измерений и условиями распространения сигнала. Так для измерений радиорелейных систем передачи существенным фактором является оценка параметра затухания, связанного с отражением от земли (затухание при многолучевом прохождении сигнала), а для систем спутниковой связи большее значение имеет задержка распространения сигнала. Оценка влияния доплеровского сдвига по частоте существенна для систем спутниковой радиосвязи, но не существенна для радиорелейных систем передачи и т.д.

Структурная схема цифровой первичной сети, использующей радиочастотные средства, представлена, на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Структурная схема организации радиочастотных измерений на первичной сети

Согласно предлагаемой схеме радиочастотные измерения входят составной частью в комплекс измерений на первичной сети. Из технологии радиочастотных измерений исключаются измерения параметров цифровых трактов системы передачи, так как они связаны с анализом цифровой первичной сети вне зависимости от среды распространения сигнала. Соответственно, из радиочастотных измерений частично исключаются измерения каналообразующей аппаратуры, преобразующей цифровые сигналы первичной сети в радиосигналы. Здесь измерения будут касаться только процессов модуляции и демодуляции цифрового сигнала.

Основу радиочастотных измерений составляют измерения радиоэфира, связанные с анализом электромагнитной обстановки во всем используемом системой передачи спектре. С развитием систем радиосвязи радиочастотный спектр рассматривается как достояние государства, поэтому особенно важными становятся измерения по оценке эффективности использования радиоэфира.

В основе радиочастотных систем передачи лежит использование ретрансляторов Для систем спутниковой связи это спутниковый ретранслятор, для радиорелейных систем передачи это ретрансляторы РРЛ. Анализ работы узловых радиочастотных устройств - ретрансляторов - является существенной частью проведения радиочастотных измерений и составляет следующий уровень радиочастотных измерений.

После анализа ретрансляторов обычно производится анализ радиочастотных трактов систем передачи в целом. Эти измерения являются результирующими и их рассмотрение завершает тему радиочастотных измерений этой главы. В дальнейшем материал будет структурирован от измерений радиоэфира до технологии комплексных измерений радиочастотных трактов. Отдельно будут рассмотрены специфические особенности измерений на радиорелейных и спутниковых системах передачи.

2. Измерения радиоэфира

В связи с принятием законодательства в области контроля за использованием радиочастотного ресурса вопрос об измерениях радиоэфира встал особенно остро Измерения радиочастотной обстановки выполняются различными системами контроля радиочастотного ресурса, в основе которых лежит один и тот же метод измерений - анализ спектра сигнала во всем исследуемом диапазоне При этом различие систем определяется следующими факторами:

пространственным размещением анализаторов,
используемыми приемными антеннами;
структурой сети сбора и обработки информации об электромагнитной обстановке;
различными алгоритмами оптимизации измерений.

Системы контроля радиочастотного ресурса выполняют комплексный анализ электромагнитной обстановки с привязкой на местности. В результате таких измерений получаются данные в виде карт распределения интенсивности электромагнитного поля в различных диапазонах

В зависимости от региона охвата различают.

системы радиоконтроля национального (федерального) значения, выполненные по стан
дартам Международного Союза Электросвязи (ITU);

системы радиоконтроля местного значения (область, регион), совместимые с нацио
нальными системами контроля, однако охватывающие меньший район;

локальные системы радиоконтроля для анализа электромагнитной обстановки на ло
кальной площадке (например, на месте установки ретранслятора или приемо-передающей станции)

3. Национальные системы радиоконтроля

Создание национальной системы радиоконтроля для Украины является особенно актуальной задачей в связи с вступлением нашей страны в Европейское экономическое сообщество. Одним из требований при этом выступает принятие законов в области использования радиочастотного спектра и развертывание сети контроля и управления за использованием радиочастотного ресурса страны.

Построение глобальных систем радиоконтроля является важной национальной программой и требует соглашений на уровне правительств Это очень сложная комплексная программа, требующая большой работы.

В табл. 10.1. приведены основные тенденции в использовании радиочастотного ресурса и соответствующие требования к национальным системам контроля радиоэфира.

Таблица 10.1. Тенденции в использовании радиочастотного ресурса и требования к национальным системам контроля радиоэфира

Для решения перечисленных задач системы радиоконтроля национального значения должны включать подсистемы управления спектром и мониторинга спектра.

Подсистема управления спектром должна решить следующие задачи:

планирование использования радиочастотного ресурса федеральными органами власти,
создание и постоянное обновление баз данных по выдаваемым лицензиям на право использования ресурса;
управление финансовыми поступлениями за использование радиочастотного ресурса.
Подсистема управления спектром решает в первую очередь организационно-правовые вопросы контроля радиочастотного ресурса страны.

Подсистема мониторинга спектра решает технические задачи, к которым относятся:

поиск возможных источников и причин интерференции сигналов во всем используемом
диапазоне;
проверка соответствия сигналов существующим нормам и лицензиям;
определение нелегальных передатчиков и источников интерференции.
Структура системы национальной системы радиоконтроля представлена на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Структура национальной системы радиоконтроля

Подсистема управления спектром включает в себя единую национальную базу данных состояния электромагнитной обстановки по регионам, базу данных по лицензиям (БД), а также рабочие места операторов центра контроля электромагнитной обстановки.

Подсистема мониторинга спектра включает в себя стационарные, мобильные и портативные точки мониторинга спектра. Эти точки объединяются через сеть передачи данных, а информация концентрируется в областных центрах обработки информации, из которых затем передается в федеральный центр для окончательной обработки, хранения, планирования и оптимизации использования радиочастотного ресурса.

Для каждой страны национальные системы радиоконтроля имеют индивидуальный характер, поэтому практически невозможно сравнить технические характеристики этих систем, а можно только констатировать, что подобные системы в мировой практике создавались такими фирмами как Hewlett-Packard, Ronde & Schwarz, Thompson-CSF, Racal, Lucas-Zeta и Tadiran.

3.1 Системы радиоконтроля областного и местного значения

Эти системы отличаются от описанных только размером сети передачи данных. Как правило, системы областного и местного значения используются областной администрацией и крупными операторами сетей радиосвязи для контроля и оптимизации использования различных участков спектра.

Такие системы (рис. 10.3) обычно строятся по радиальному принципу с центром обработки данных и связанными с ним стационарными и мобильными точками мониторинга спектра. Привязка к географическим координатам в точках мониторинга, как и в национальных системах радиоконтроля осуществляется навигационными спутниковыми средствами (например, с использование глобальной навигационной системы - Global Position System -GPS). В отличие от национальных систем радиоконтроля системы областного и местного значения не включают набор приемников всего используемого спектра, поскольку основной задачей является контроль использования определенной его части. В мировой и отечественной практике получил широкое распространение опыт использования таких систем региональными управлениями органов контроля за использованием радиочастотного ресурса.

К системам областного и местного значения можно отнести системы анализа зон покрытия спектром радиосвязи, в первую очередь, сотовых сетей, используют такие системы для анализа эффективности загрузки выделенного им радиочастотного ресурса, а также для анализа зон уверенного приема сигналов базовых станций сети. Обычно такие системы отличаются от систем радиоконтроля меньшей функциональностью радиоизмерений и существенно меньшей стоимостью. Так для эффективной работы системы регионального контроля необходим анализ спектра в контролируемом диапазоне, для анализа зон уверенного приема/передачи достаточно измерений селективным приемником, настроенным на рабочий диапазон. В настоящее время в состав систем анализа зон уверенного приема включаются анализаторы спектра, поэтому их можно отнести к специальным системам радиоконтроля регионального значения. В качестве примера такой специализированной системы на рис. 10.4 представлена модель Illuminator, а результаты анализа зоны покрытия приведены на рис. 10.5. Как видно из рисунка, в каждой точке измеряются параметры ошибки и мощность сигнала. Сканирующий приемник в составе модели позволяет для каждой точки проводить спектральный анализ, таким образом, система работает в режиме контроля за радиоспектром.

Рис. 10.3. Системы радиоконтроля Е4900В компании Agilent Tech

Рис. 10.4. Специализированная система контроля Illuminator компании Grayson

Рис. 10.5. Результаты анализа зоны покрытия и спектральный анализ (модель Illuminator)

3.2 Системы радиоконтроля локального назначения

Системы контроля электромагнитной обстановки (ЭМО) локального значения представляют собой прибор (обычно анализатор спектра с необходимым набором антенн) для определения параметров радиоэфира при размещении источника радиосигнала. Такие системы используются обычно для анализа базовых станций систем радиосвязи перед установкой, радиорелейных станций, наземных станций спутниковой связи и т.д.

Основными задачами локального анализа ЭМО являются:

определение соответствия выделенного радиочастотного ресурса заданным техническим
условиям (отсутствие в выделенном ресурсе нелицензированных источников сигнала);

оптимизация размещения источника радиосигнала на заданном участке;

локализация возможных помех и источников интерференции сигнала, которые могут
привести к нарушению радиосвязи.

Системы локального радиоконтроля могут использоваться на этапе эксплуатации систем радиосвязи для контроля использования выделенного ресурса и анализа электромагнитной обстановки в рабочем диапазоне системы.

Основу локальных систем радиоконтроля составляют анализаторы спектра, которые следует разделять на высокоточные стационарные и портативные. Высокоточные анализаторы спектра (табл. 10.2) используются для измерений ЭМО при размещении узловых станций систем радиосвязи или аппаратуры передачи (наземные станции спутниковой связи и радиорелейные станции). Портативные анализаторы спектра (табл. 10.3) используются для настройки антенн абонентских терминалов систем спутниковой связи и систем радиосвязи, а также для индикации и грубой локализации источников помех и интерференции. Как правило, эти анализаторы имеют низкую точность, малый динамический диапазон, узкий спектр и питание осуществляется от аккумуляторов для проведения работ в полевых условиях.

Таблица 10.2. Характеристики высокоточных анализаторов спектра, представленных на отечественном рынке

Таблица 10.3. Характеристики портативных анализаторов спектра, представленных на отечественном рынке

4 Измерение характеристик ретрансляторов

После анализа характеристик радиоэфира следующим уровнем является анализ характеристик ретрансляторов или активных устройств передачи сигнала. От работы ретранслятора напрямую зависят параметры радиочастотных трактов и, следовательно, выходные параметры каналов первичной сети. В радиорелейных линиях передачи ретрансляторами являются приемопередающие и регенераторные станции радиорелейной связи - ретрансляторы (РТР), в системах спутниковой связи в роли ретранслятора выступает спутник связи. Анализ параметров ретранслятора, как активного устройства радиочастотных трактов во многом сходен с анализом усилителя СВЧ, поскольку именно усилитель является основным элементом ретранслятора.

Основными группами измерений являются измерения амплитудно-частотной характеристики ретранслятора, характеристик усиления, фазово-частотной характеристики и измерения шумов.

4.1 Измерения АЧХ ретранслятора

Амплитудно-частотная характеристика ретрансляторов определяет зависимость коэффициента усиления ретранслятора от частоты, т.е. определяет работу ретранслятора в заданном диапазоне и его частотный ресурс. Схема организации измерений достаточно проста (рис. 10.6). АЧХ ретрансляторов измеряется анализаторами спектра в паре с генератором. Для этой цели также использовались селективные измерители мощности (селективные вольтметры), однако в последнее время наметилась тенденция перехода к использованию анализаторов спектра в качестве средств измерений радиочастотных характеристик. Связано это с универсализацией измерительных приборов. С этой же тенденцией связана и интеграция в анализаторы спектра сканирующих генераторов для проведения автоматических измерений ретрансляторов и радиочастотных трактов по схеме "работа на себя".

Рис. 10.6. Измерение АЧХ ретранслятора

4.2 Измерения линейности усиления ретрансляторов

Линейность усиления измеряется, как правило, анализаторами спектра или селективными измерителями мощности в паре с генераторами и представляет собой зависимость уровня выходного сигнала от сигнала на входе. Схема измерений аналогична схеме рис. 10.3, однако в этом случае генератор производит не сканирование по частоте, а сканирование по мощности (амплитуде) сигнала.

Линейность радиочастотных трактов является важным параметром, поскольку ее нарушение (нелинейность) приводит к ряду следующих нежелательных эффектов:

возникновению комбинационных помех;

возникновению паразитной модуляции сигнала;

снижению выходной мощности при работе в режиме многостанционного доступа с час
тотным разделением (МДЧР) в спутниковых системах;

подавлению слабого сигнала сильным.

Оценка параметров нелинейности ретрансляторов является важной и интересной задачей математического моделирования, опирающегося на данные измерений. Это помогает прогнозировать различные процессы, происходящие в радиотракте, что особенно важно для спутниковых систем связи, где один и тот же ретранслятор используется большим количеством наземных станций.

В практике эксплуатации комплексное моделирование ретранслятора обычно не делается, однако данные о нелинейности усиления используются для анализа уровня интермодуляционных искажений и для выбора допустимого уровня мощности передачи. При этом определяется диапазон линейности ретранслятора или его энергетический ресурс.

Учитывая, что нелинейность усилительного тракта приводит к появлению интермодуляционных помех в радиочастотных трактах, измерения характеристик усиления могут проводиться как на основной частоте, так и на частотах гармоник различного порядка. На практике для оценки эффектов нелинейности усилительных трактов измеряют характеристики усиления на первой гармонике, реже на первой и третьей, а затем расчетными методами выстраивают передаточную характеристику усилительного тракта ретранслятора [4]. Для точного расчета передаточной характеристики ретранслятора также необходимо измерять фазовую характеристику усилителя на первой гармонике.

4.3 Измерение фазово-частотных характеристик ретранслятора

Из фазово-частотных характеристик наиболее существенно групповое время задержки - ГВЗ, представляющее первую производную фазово-частотной характеристики.

Непосредственное измерение зависимости фазового сдвига от частоты и последующее дифференцирование полученной зависимости реализуется, как правило, для систем с низким уровнем фазовых шумов (например, для тестирования кабельных систем). В системах радиосвязи в канале присутствуют фазовые шумы, вносящие при дифференцировании значительную погрешность в измерения (пропорционально производной фазового шума по частоте, которая в зависимости от природы шумов может даже превысить ГВЗ) Таким образом, измерение ГВЗ методом дифференцирования для систем радиосвязи некорректно.

Существует несколько основных методов измерения ГВЗ:

использование тестового сигнала AM;

использование двухчастотного сигнала,

использование тестового сигнала ФМ.

Подробно эти методики проанализированы в [3], здесь же только приведем основные выводы на основе сравнительного анализа методик измерения ГВЗ:

реализация методики с использованием двухчастотного сигнала в качестве тестового за
труднена, поскольку требует спектрального анализа, независимого измерения фазовых сдвигов двух сигналов и получения фазового сдвига одного сигнала относительно другого. Погрешность относительного измерения в два раза выше чем при использовании модулированного сигнала. Кроме этого, схема реализации измерений сложнее, а требования к оборудованию выше, поскольку основным условием является выделение сигналов двух близких частот. Такая методика практически нецелесообразна;

выбор методики использования AM и ФМ сигналов можно осуществить из чисто практических соображений. Реализация обеих методик эквивалентна, однако, в практике систем радиосвязи обычно используется ФМ, поскольку этот тип модуляции более устойчив к ошибкам в канале Ошибки в канале, не учитываемые методологической погрешностью, тем не менее являются существенными. Таким образом предпочтительнее методика использования тестового сигнала ФМ для измерения ГВЗ спутникового канала

Дальнейшее развитие технологии автоматического измерения ГВЗ привело к появлению различных методик с использованием композитных сигналов. Одна из самых новых методик, используемая в системе 11758V (рис. 10.7), представлена на рис 10.8. В состав передатчика входят два генератора: генератор частотно-модулированного сигнала и генератор РЧ-диапазона ЧМ-генератор задает режим сканирования и является в то же время модулирующим, в результате на выходе получается композитный сигнал в виде набора несущих, меняющихся во времени. Этот сигнал проходит через ретранслятор или радиочастотный тракт и анализируется затем специализированным анализатором спектра системы. В результате использования композитного сигнала система 11758V обеспечивает измерения ГВЗ с разнесением частот передатчика и приемника Кроме того, динамически изменяющийся во времени композитный сигнал обеспечивает автоматическое измерение ГВЗ с высокой степенью точности и за короткое время.

Рис. 10.7. Система 11758V для изме- Рис. 10.8. Схема использования композитного
рения параметров ГВЗ ра- сигнала для анализа ГВЗ в системе

диочастотного канала 11758V

Рис. 10.9. Измеренные зависимости АЧХ и ГВЗ для радиорелейного ретранслятора

По этой методике автоматически могут измеряться параметры АЧХ и ГВЗ ретранслятора. В качестве примера на рис. 10.9 приведены кривые зависимости неравномерности АЧХ и ГВЗ в радиочастотном тракте радиорелейного ретранслятора. Кривая АЧХ представлена пунктирной линией, кривая зависимости ГВЗ от частоты представлена сплошной линией. Анализ параметров АЧХ и ГВЗ выполняется маркерным методом, либо измеряется разница между пиковыми значения этих параметров в измеряемом диапазоне. Так на рисунке над графиком указаны значения от пика до пика АЧХ (AF) в единицах дБ и ГВЗ (GD) в нс.

4.4 Измерение шумов ретранслятора

Измерения шумов включают в себя измерения интегральной мощности шумов, отношения сигнал/шум для заданного сигнала, распределения шумов и измерения фазовых шумов ретранслятора. Все перечисленные измерения чрезвычайно важны при разработке ретрансляторов и комплексном анализе радиочастотных трактов, однако они не актуальны для эксплуатационных измерений отдельных ретрансляторов и поэтому на практике не применяются.

5 Измерения характеристик компонентов радиочастотного тракта

5.1 Основные параметры для измерений участков радиочастотного тракта

К уровню измерений радиочастотных трактов относятся тракты радиорелейных линий и тракты спутниковых систем связи. Измерения радиочастотных трактов, в отличие от измерений характеристик ретрансляторов, включают не только анализ параметров аппаратуры тракта, но и параметров прохождения рабочего сигнала по нему. Поскольку ретранслятор входит в радиочастотный тракт как его составная часть, все перечисленные выше методы и параметры сохраняют свою актуальность при измерениях параметров радиочастотных трактов. Однако, помимо приведенных параметров, в процесс измерений в радиочастотных трактах включаются специфические параметры, связанные с другими устройствами, входящими в состав тракта, а также параметры распространения рабочего сигнала по тракту. Существенно различаются методики измерений параметров участков радиочастотного тракта и комплексные измерения радиочастотных трактов, которые выполняются вместе с измерениями BER.

Схема типичного радиочастотного тракта представлена на рис. 10.10. В состав тракта входят кодер, модулятор, фильтр ПЧ, конвертер по линии вверх, фильтр РЧ, антенное устройство, ретранслятор и среда распространения сигнала, фильтр РЧ приемника, конвертер по линии вниз, фильтр ПЧ, демодулятор и декодер. Все перечисленные составные части радиочастотного тракта можно разделить с точки зрения организации измерений на усилитель, фильтр и модулятор/демодулятор.

Рис. 10.10. Схема типичного радиочастотного тракта передачи и факторов, влияющих на параметры тракта (Г - гетеродин, Ф - фильтр)

На рисунке также указаны основные факторы, влияющие на параметры радиочастотного тракта и на результирующий параметр функционирования радиочастотных систем передачи, - параметр ошибки (BER). Рассматривая эти параметры, можно выделить соответствующие им группы измерений участков радиочастотного тракта:

контроль возможных нарушений работы модемов приводит к необходимости измерений
параметров модуляции;

учет возможной нелинейности в усилительных элементах приводит к необходимости
контроля усилителей и измерению характеристик усиления этих элементов;

определение вероятности межсимвольной интерференции требует анализа фильтров
ПЧ и РЧ;

определение уровня деградации качества связи в радиочастотных системах передачи,
которые могут быть вызваны фазовыми шумами передающего тракта и тепловым шу
мом приемника; влияние этих факторов настолько велико, что измерения шумов обычно
выделяются в отдельный класс измерений.

Комплексные измерения участков радиочастотного тракта производятся в полном объеме при заводских испытаниях аппаратуры. При эксплуатации обычно выполняется только часть описываемых измерений, которые сводятся к диагностике различных устройств и локализации причины снижения параметров качества работы системы передачи.

Как известно, основным параметром эффективности работы цифровой радиочастотной системы передачи является зависимость параметра BER от отношения сигнал/шум в системе. Этот параметр является характеристикой системы, поскольку зависит только от оборудования тракта и его размещения. Зависимость BER от отношения сигнал/шум является постоянной характеристикой каждого конкретного тракта, хотя может значительно меняться для разных трактов, это связано с установкой и настройкой оборудования цифровой системы передачи.

Зная зависимость BER = f (C/N) и измеряя параметры сигнала в радиочастотном тракте, можно оценить вклад тех или иных участков и цепей в общее ухудшение качества в системе передачи (напомним, что параметр ошибки BER является наиболее важной характеристикой качества любой цифровой системы передачи). Обычно при проведении измерений радиочастотных систем передачи и цифровых радиоканалов сетей радиосвязи знание зависимости BER = f (C/N) позволяет полностью охарактеризовать инсталлированную систему с учетом субъективных особенностей установки, затем при проведении измерений в процессе эксплуатации измеряются параметр отношения сигнал/шум, на основании которого можно оценивать значение BER в цифровом канале.

Пример 10.1

Как уже отмечалось выше, основной характеристикой цифрового канала является отношение сигнал/шум. В современной практике измерений существует несколько параметров, характеризующих это отношение. Рассмотрим эти параметры и взаимосвязь между ними.

Самым простым параметром является отношение мощности сигнала несущей к мощности шумов C/N. Однако для ряда измерений этот параметр не подходит, поскольку он связан с измерениями мощности шумов в определенном диапазоне. Для исключения фактора диапазона при измерении шумов используется другой параметр C/No, представляющий отношение мощности сигнала несущей к мощности шумов, нормированной к полосе в 1 Гц. Для характеристики цифровых радиочастотных систем передачи используется также параметр Ef/Ng, связанный с отношением C/Nq, нормированным по скорости передачи данных в канале. Параметр Et/N0 наиболее важен для характеристики цифровых систем передачи.

Между перечисленными параметрами существует несколько простых соотношений. Так Еь связан с параметром С следующим простым соотношением:

где fь - скорость передачи в радиоканале, бит; Тb, - время передачи одного бита, которое при учете параметров C/No и Eb/No, можно представить в виде

или в децибелах

Если ширина полосы приемника равна скорости принимаемой информации, получаем простое соотношение:

Все перечисленные параметры в равной степени могут встречаться при организации измерений и описании параметров радиосистем.

Измерения параметров модулятора/демодулятора

Для измерения параметров модема используют анализаторы, измеряющие сигналы в виде диаграмм состояния, поскольку именно диаграммы состояния обеспечивают наиболее полную информацию о структуре и изменениях параметров цифровой модуляции.

Возможные варианты нарушений работы модема будут рассмотрены на примере сигналов с цифровой модуляцией 16 QAM (квадратурно-амплитудная модуляция с 16 состояниями), которая часто используется в цифровых радиорелейных системах передачи. Поскольку основные варианты нарушений работы модулятора и демодулятора представляются в виде отклонений на диаграмме состояний и глазковой диаграмме, вначале (рис. 10.11) приведем соответствующие диаграммы для штатной работы модема с использованием сигналов модуляции 16 QAM. На диаграмме состояний наглядно видно влияние шумов, которое приводит к размыванию точек состояния. На глазковой диаграмме ясно различимы три диаграммы в виде пары "глаз", поскольку тип модуляции 16 QAM - трехуровневый.

Рассмотрим различные варианты нарушений работы модулятора/ демодулятора и соответствующие им диаграммы. Среди всех возможных вариантов неисправностей в элементах радиочастотного тракта, неисправности в работе модулятора/демодулятора наиболее трудно локализовать, поэтому они рассматриваются наиболее подробно.

Потеря синхронизации в канале

Глобальная неисправность - отключение демодулятора или нарушение фазовой синхронизации - может 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 трем уровням модуляции (третий внешний уровень на рисунке показан отдельными состояниями), "глаз" глазковой диаграммы закрывается полностью (рис. 10.12).

Рис. 10.11. Диаграмма состояний (слева) и диаграмма глазковая (справа) штатного режима работы системы с модуляцией 16 QAM

Нарушение ортогональности I и Q векторов демодулятора

Распространенной неисправностью работы модема является нарушение работы демодулятора, когда вектора I n Q полярных координат демодулятора не строго ортогональны. Это приводит к несоответствию состояний ортогональной сетке координат на диаграмме состояний (рис. 10.13).

Рис. 10.12. Потеря синхронизации в канале на диаграмме состояний (слева) и глазковой диаграмме (справа)

Рис. 10.13. Эффект нарушения ортогональности сигналов / и О в демодуляторе на диаграмме состояний (слева) и на глазковой диаграмме (справа)

Эта неисправность может сопровождаться или не сопровождаться ошибкой фазовой синхронизации в цепи восстановления несущей. При отсутствии ошибки результат воздействия этой неисправности на глазковую диаграмму будет сводиться к закрыванию "глаза" на диаграмме по сигналу I и отсутствию какого-либо изменения на диаграмме Q. При наличии ошибки "глаза" обоих диаграмм будут закрыты. Анализ одной только глазковой диаграммы не позволяет установить причину неисправности, поскольку эта диаграмма полностью совпадает с глазковой диаграммой при высоком уровне аддитивных шумов в канале. Достоверное определение причины неисправности может дать только диаграмма состояний. Устранение описанной неисправности требует подстройки демодулятора в части ортогональности сигналов I и Q.

На диаграмме состояний рис. 10.13 отмечено наличие ошибки фазовой синхронизации в 2,3 градуса.

Рис. 10.14. Несбалансированность по амплитуде сигнала на диаграмме состояний

Неправильное установление параметров уровней модуляции/демодуляции

На рис. 10.14 показана типичная диаграмма состояний при ошибке в установлении уровней модуляции/демодуляции. Это может быть связано с нелинейностью модулятора или нарушением работы цифро-аналогового преобразователя.

Анализ работы усилителей

Анализ работы усилителей представляет собой отдельную и крайне важную задачу при проектировании и заводских испытаниях систем радиосвязи. Для этой цели обычно используются скалярные и векторные анализаторы цепей (Network Analyzers)1.

Основными параметрами для измерения работы усилителей в составе радиочастотного тракта являются измерения шумов, вносимых усилителями, и измерения параметров нелинейности усилительных участков. Перегрузка усилителя по амплитуде может привести к переходу в нелинейный режим и, как следствие, резкому увеличению вероятности ошибки в цифровой системе передачи.

Используя уже знакомые методы представления сигналов в виде глазковой диаграммы и диаграммы состояния, можно быстро локализовать причину деградации качества - нелинейность усилительного тракта. На рис. 10.15 представлены диаграмма состояний и глазковая диаграмма при перегрузке усилителя на лампе бегущей волны (ЛБВ) в 3 дБ. Появление интермодуляционных эффектов, таких как АМ/ФМ-преобразование, и повышение количества ошибок приводят к закрытию "глаза" глазковой диаграммы (размывание картины).

Как правило, при диагностике причин ухудшения параметров качества радиосвязи достаточно локализовать участок деградации, чтобы затем настроить систему. Обычно характеристики усилительных элементов приведены в технической документации, описанные неисправности могут возникнуть только при неправильной установке параметров работы системы передачи. Устранить причину деградации качества можно путем снижения уровня сигнала на входе соответствующего усилителя для обеспечения его работы в линейном режиме.

Таким образом, для диагностики и настройки отдельных усилительных элементов радиочастотного тракта описанных измерений вполне достаточно.

Рис. 10.15. Нелинейные искажения сигнала на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме

Анализ работы фильтров

Характеристики фильтров обычно измеряются при выходном контроле на производстве. Плохая фильтрация сигналов может привести к нарушениям в форме сигналов и повышению уровня межсимвольной интерференции в канале и как следствие, к увеличению параметра ошибки цифровой системы передачи. Наилучшую оценку эффектов, связанных с нарушением работы фильтров, дает глазковая диаграмма. Плохая фильтрация сигнала приводит к тому, что сигналы, представленные на рис. 5.2, справа искажаются по форме, "глаз" глазковой диаграммы размывается. Это имеет место только при неправильной работе фильтров, поэтому использование диаграмм дает исключительно эффективные результаты при локализации неисправностей в фильтрах радиочастотного тракта. На диаграмму состояний эффекты, связанные с нарушением работы фильтров, влияния практически не оказывают.

Измерения уровня собственных тепловых и фазовых шумов элементов радиочастотного тракта

Особенностью современных радиочастотных систем передачи является повышение требований к точности параметров их работы, в том числе и к параметру шумов. Высокий уровень шумов приводит к межсимвольной интерференции и увеличивает параметр ошибки. На диаграммах состояния и глазковой диаграмме это выражается в увеличении размера точек отображения состояния и эффекта "закрывания глаз".

Существенно, что влияние шумов не вносит эффекта геометрической трансформации диаграмм. Диаграммы, соответствующие отношению сигнал/шум в 15 дБ, представлены на рис. 10.16. Можно провести сравнение этих диаграмм с диаграммами, представленными на рис. 10.11, поскольку они относятся к одной и той же системе передачи.

Рис. 10.16. Высокий уровень шумов на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме

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 измерения используют дифференциальные методы. Для этого в тестируемый сигнал подмешивают интерферирующий одночастотный сигнал и затем измеряют шумы по разности интерферирующего сигнала и шума. Этот метод получил большое распространение при измерении шумов малой мощности.

Соответствующая диаграмма состояний и глазковая диаграмма для модуляции 16 QAM с отношением сигнал/интерференция С/1=15 дБ представлены на рис. 10.17.

Рис. 10.17. Измерение шумов на фоне интерферирующего одночастотного сигнала

Следует отметить, что измерения фазовых шумов методами глазковой диаграммы и диаграммы состояний практически невозможны. Низкий уровень фазовых шумов компонентов радиочастотного тракта, а также необходимость точного измерения фазовых характеристик тестируемого устройства привели к необходимости выделения методики измерений фазовых шумов в отдельный класс измерительных технологий.

Измерение параметров задающих генераторов приемника/передатчика

Важным параметром измерений радиочастотных систем передачи с цифровой модуляцией является фазовое дрожание сигнала задающего генератора приемника/передатчика -джиттер. Наличие джиттера в системе передачи может значительно увеличить выходной параметр ошибки. Для анализа джиттера эффективно используют диаграмму состояний, поскольку глазковая диаграмма к нему нечувствительна. Соответствующая диаграмма состояний в канале с фазовым джит-тером представлена на рис. 10.18. Для устранения проблем, связанных с наличием джиттера, обычно проводят дополнительные измерения параметров работы задающих генераторов и устраняют неисправность.

Рис. 10.18. Наличие фазового джиттера на диаграмме состояний

Измерения антенных систем

Основными параметрами антенны являются коэффициент усиления, диаграмма направленности и импеданс. Все эти параметры измеряются на этапе производства антенн и здесь рассматриваться не будут. Для эксплуатации важным параметром является уровень возвратных потерь от антенной системы. Для работы систем передачи с цифровыми типами модуляции необходим малый уровень возвратных потерь. Так, для РРЛ, использующих модуляцию 64 QAM, рекомендованным уровнем подавления возвратных потерь от антенны является 25 дБ или более.

Для измерения возвратных потерь используют пассивные ответвители в радиочастотном тракте. Схема измерений представлена на рис. 10.19.

Рис. 10.19. Измерение возвратных потерь сигнала от антенны.

На антенну подается РЧ-сигнал (обычно синусоидальный), а затем через направленный ответвитель измеряется уровень отраженной мощности. Эти измерения могут выполняться анализатором спектра или селективным приемником, настроенным на частоту генерации. Меньшую точность измерений дает использование измерителя мощности, поскольку в этом случае невозможно отделить уровень отраженного сигнала от уровня шумов, связанных с внешними воздействиями на радиочастотный канал.

Анализ сигналов в виде глазковых диаграмм и в виде диаграмм состояния производится специальными анализаторами радиосигналов и параметров модуляции. Характеристики таких анализаторов представлены в табл. 10.4.

Комплексные измерения радиочастотных трактов

Комплексные измерения радиочастотных трактов производятся после пошаговых измерений устройств в составе тракта или с учетом известных параметров этих устройств (например, на основе данных о характеристиках устройств, прилагаемых в технических описаниях) и проводятся для тонкой настройки. Параметры комплексных измерений радиочастотных трактов в той или иной степени связаны с вопросами распространения сигнала по тракту в зависимости от внешних условий, поскольку включают не только измерение оконечных характеристик тракта, но и параметров устойчивости его работы к условиям распространения сигнала в тракте.

Таблица 10.4. Характеристики анализаторов радиочастотных сигналов и параметров модуляции

Спектральный анализ канала радиочастотной системы передачи, анализ использования выделенного системе ресурса

Первой важной группой измерений радиочастотных систем передачи является спектральный анализ трактов системы. Выше уже описывались системные измерения, связанные с контролем за использованием радиочастотного спектра со стороны операторов и различных органов власти.

Рассмотрим аналогичные измерения с точки зрения эксплуатационных тестов радиочастотных систем передачи. Действительно, помимо общего контроля за использованием радиочастотного ресурса существует эксплуатационная задача анализа использования ресурса, отведенного под каждую конкретную систему передачи. Такие измерения чрезвычайно важны, как на этапе приемосдаточных работ, так и на этапе эксплуатации. Законодательство в области использования радиочастотного ресурса предусматривает строгий контроль за его использованием в заданной системе передачи. Органы контроля обязаны пресекать незаконное использование ресурса и обеспечивать электромагнитную совместимость различных радиочастотных средств связи. Штрафные санкции за нарушения в области ЭМС достаточно высоки, поэтому операторы в основном контролируют использование выделенного им ресурса.

Помимо чисто юридических причин анализ спектра работающей радиочастотной системы передачи имеет значительную эксплуатационную ценность. Отказ и нарушения в работе любых устройств в составе радиочастотного тракта обычно отражаются на результатах спектрального анализа тракта. Обычно это выражается в появлении субгармоник, паразитных сигналов, нарушении спектрального состава сигнала. В результате, спектральный анализ позволяет сразу сделать вывод о работоспособности системы, и в случае нарушений ее работы, определить причину возникших нарушений.

Спектральный анализ рабочего сигнала системы передачи позволяет осуществить поиск и устранение причин интерференции между соседними каналами. В этом случае спектр рабочего сигнала заданного канала системы передачи должен находиться в пределах маски допустимых значений.

На рис. 10.20 представлена форма маски допустимой загрузки спектра в соответствии с нормами FCC на канал радиочастотной системы передачи с полосой 30 МГц. Как видно из рисунка для обеспечения работы системы требуется использование фильтров в рабочей полосе канала. Это требование необходимо, чтобы избежать возможности интерференции, в первую очередь, интерференции между соседними каналами системы передачи.

Для измерений используются анализаторы спектра с возможностью установки необходимых масок на допустимый спектр рабочего сигнала (рис. 10.21). При измерениях используются стандартные или задаваемые оператором маски, а в результате измерений выводятся данные о соответствии или несоответствии сигнала маске и об уровне мощности рабочего сигнала.

Измерения, направленные на поиск и устранение причин интерференции между соседними каналами, выполняются на выходе конвертера по линии вверх или на входе конвертера по линии вниз. В обоих случаях анализатор спектра включается через пассивный ответвитель.

Рис. 10.20. Маска FCC на канал РРЛ с полосой 30 МГц

Измерения частоты и мощности

Эксплуатационные измерения часто связаны с необходимостью измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала системы передачи. Измерения выполняются в различных частях цифровой системы передачи.

Наиболее часто для измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала используются специализированные приборы - частотомер и измеритель мощности. Однако в ряде случаев необходимо параллельно измерять оба параметра. Учитывая это ряд фирм-производителей измерительной техники начали выпускать приборы, в которых объеденены функции частотомера и измерителя мощности, специально для радиочастотных систем передачи.

Для измерений частоты и мощности рабочего сигнала также используются анализаторы спектра с функциями маркерных измерений. Маркер обеспечивает перемещение по спектральной характеристике с одновременным отображением значений параметров частоты и мощности сигнала. Для расширения возможностей измерений параметров мощности современные анализаторы спектра обеспечивают сглаживание спектральной характеристики, фильтрации шумов и т.д.

В качестве примера на рис. 10.22 представлены маркерные измерения спектральной характеристики канала. На спектрограмме отображены результаты измерений мощности в дБм и частоты в МГц.

Рис. 10-21 Измерение параметров загрузки ресурса - анализатор HP 11758V

Измерения частоты и мощности

Рис. 10-22 Результаты маркерных измерений параметров частоты и мощности рабочего сигнала

Точность маркерных измерений недостаточна, однако эта точность достаточна для эксплуатационных измерений, что и обусловило широкое применение анализаторов спектра при эксплуатации радиочастотных систем передачи.

На основе BER можно определить необходимое отношение сигнал/шум, гарантирующее заданное качество радиочастотной системы передачи.

В современной практике существует несколько методов измерения зависимости BER = f(C/ N), из которых следует выделить два основных метода:

более традиционный, связанный с внесением дополнительного затухания в тракт РЧ,
более современный, связанный с точным внесением шумов в тракт приема.

Традиционный метод измерения параметра BER представлен на рис. 10.24 и основан на использовании в РЧ тракте приемника перестраиваемого аттенюатора, посредством которого вносится дополнительное затухание, а стабильность сигнала приема принимается постоянной в течении времени измерений.

Уровень сигнала и шума измеряют измерителем мощности, и поскольку измерение шумов в тракте ПЧ без фильтрации дает значение, большее реальной мощности шумов в рабочей полосе тракта, при измерениях мощности используются дополнительные фильтры, настроенные на рабочую полосу частот. Параметр ошибки измеряется анализатором цифровых каналов. В реальных условиях постоянной мощности рабочего сигнала в течении всего периода измерений достичь практически невозможно. Нестабильности принимаемого сигнала могут быть связаны с природными явлениями, такими как дождь, нагревание атмосферы и т.д. Такие природные явления приводят к значительным вариациям параметров среды передачи - радиоэфира. Как следствие, мощность рабочего сигнала может изменяться на 1-2 дБ даже в течении дня со стабильной погодой. Анализ зависимости BER от уровня принимаемого сигнала в современных цифровых системах передачи показывает, что данная характеристика имеет высокую крутизну, поэтому уменьшение уровня принимаемого сигнала даже на 1 дБ может привести к увеличению уровня BER, вносимого системой передачи, на порядок.

Рис. 10.24. Использование перестраиваемого аттенюатора для измерения характеристики BER = f(C/ N)

В результате вариации параметра С естественно ухудшается и отношение C/N, что уменьшает точность измерений характеристики BER = f(C/N), в течение длительного промежутка времени. Долговременные измерения BER = f(C/ N) вполне естественны в практике, особенно при измерениях малого значения параметра BER (например, при измерении характеристики остаточного BER). Таким образом, метод с использованием перестраиваемого аттенюатора не обеспечивает необходимой точности измерений при малых значениях параметра BER. Современная практика предъявляет все более строгие требования к трактам системы передачи, поэтому измерения малых значений BER становятся все более существенными. Для выполнения измерений малых значений параметра BER был разработан интерференционный метод, представленный на рис. 10.25.

Рис. 10.25. Интерференционный метод измерения характеристики BER

В основе метода лежит использование специального прибора - анализатора и имитатора параметра C/N . Этот прибор измеряет уровень мощности принимаемого сигнала при внесении заданного уровня шумов, обеспечивающих точное значение параметра C/N. В отличие от метода, описанного в случае вариации параметра мощности принимаемого сигнала, прибор автоматически регулирует уровень вносимых шумов, в связи с чем данный метод обеспечивает высокую точность измерений характеристики BER = f(C/N) вплоть до уровня BER = 10-12

Домашнее задание: § конспект.

Закрепление материала:

Ответьте на вопросы:

Опишите основной параметр эффективности работы цифровой радиочастотной системы передачи.
Чем отличается измерение радиочастотных трактов от тракты спутниковых систем связи?
Что включает в себя измерения шумов?
Какие существует методы измерения ГВЗ?
К каким нежелательным эффектам приводит нарушение линейности радиочастотных трактов?
Что определяет амплитудно-частотная характеристика ретрансляторов?
Поясните принцип построения и работы систем радиоконтроля локального назначения.
Поясните принцип построения и работы систем радиоконтроля областного и местного значения.
Какие задачи должна решить подсистема мониторинга спектра?
Какие задачи должна решить подсистема управления спектром ?
Перечислите тнденции в использовании радиочастотного ресурса.
Как различают системы в зависимости от региона охвата?
Приведите структурную схему цифровой первичной сети, использующей радиочастотные средства.
Что является основным параметром для измерения работы усилителей ?К чему приводит перегрузка?
В каком случае «закрывается» глаз глазковой диаграммы?
К чему привоит высокий уровень шумов ?Как это выражается на глазковой диаграмме ?
Н а что вляет джиттер?
Привелите параметры антенны какие из них являются наиболее важными для эксплуатации ?
Для каких целей проводятся комплексные измерения радиочастотных трактов?
Какие выводы помогает сделать спектральный анализ?
В каких случаях используют частотомер и измеритель мощности, как проводятся эти измерения?
Какие методы измерения зависимости BER существуют в современной практике? Приведите из описание.
Что включает подсистема управления спектром и подсистема мониторинга спектра?

Литература:

Амренов С. А. «Методы контроля и диагностики систем и сетей связи» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ -: Астана, Казахский государственный агротехнический университет, 2005 г.

И.Г. Бакланов Тестирование и диагностика систем связи. - М.: Эко-Трендз, 2001. Стр. 221-254

Биргер И. А. Техническая диагностика.— М.: «Машиностроение», 1978.—240,с, ил.

АРИПОВ М.Н , ДЖУРАЕВ Р.Х., ДЖАББАРОВ Ш.Ю. «ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ» -Ташкент, ТЭИС, 2005

Платонов Ю. М., Уткин Ю. Г. Диагностика, ремонт и профилактика персональных компьютеров. -М.: Горячая линия - Телеком, 2003.-312 с: ил.

М.Е.Бушуева, В.В.Беляков Диагностика сложных технических систем Труды 1-го совещания по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors. Нижний Новгород, 2001

Малышенко Ю.В. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА часть I конспект лекций

Платонов Ю. М., Уткин Ю. Г.Диагностика зависания и неисправностей компьютера/Серия «Техномир». Ростов-на-Дону: «Феникс», 2001. — 320 с.

РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ