Як виміряти потужність радіосигналу певної частоти. Основні параметри радіосигналу. Опції та аксесуари для вимірників потужності серії Anritsu ML2490A

Модель дозволяє оцінювати ослаблення за формулою:

L= 46,3 + 33,9 lg f -13,8 lgh b - a (h a) + (44,9 – 6,55lgh b) lg d + C, дБ, (14)

де З\u003d 0 для середніх міст та приміських районів і З\u003d 3 для центрів великих міст.

Дана модель не підходить для оцінки ослаблення сигналу при відстанях між абонентської і базової станціями менше 1 км. На коротких відстанях більше сильно проявляється характер забудови. Для цих випадків розроблена модель COST231-Уолфиш-Ікегамі.

Основні параметри радіосигналу. модуляція

§ Потужність сигналу

§ Питома енергія сигналу

§ Тривалість сигналу T визначає інтервал часу, протягом якого сигнал існує (відмінний від нуля);

§ Динамічний діапазон є відношення найбільшої миттєвої потужності сигналу до найменшої:

§ Ширина спектра сигналу F - смуга частот, в межах якої зосереджена основна енергія сигналу;

§ База сигналу є твір тривалості сигналу на ширину його спектру. Необхідно відзначити, що між шириною спектра і тривалістю сигналу існує обернено пропорційна залежність: чим коротше спектр, тим більше тривалість сигналу. Таким чином, величина бази залишається практично незмінною;

§ Відношення сигнал / шум дорівнює відношенню потужності корисного сигналу до потужності шуму (S / N або SNR);

§ Обсяг переданої інформації характеризує пропускну здатність каналу зв'язку, необхідну для передачі сигналу. Він визначається як добуток ширини спектра сигналу на його тривалість і динамічний діапазон

§ Енергетична ефективність (потенційна завадостійкість) характеризує достовірність переданих даних при впливі на сигнал адитивного білого гауссовского шуму, за умови, що послідовність символів відновлена \u200b\u200bідеальним демодулятором. Визначається мінімальним відношенням сигнал / шум (E b / N 0), яка необхідна для передавання даних через канал з імовірністю помилки, що не перевищує задану. Енергетична ефективність визначає мінімальну потужність передавача, необхідну для прийнятної роботи. Характеристикою методу модуляції є крива енергетичної ефективності - залежність ймовірності помилки ідеального демодулятора від відношення сигнал / шум (E b / N 0).

§ Спектральна ефективність - відношення швидкості передачі даних до використовуваної смуги пропускання радіоканалу.

• AMPS: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1,35

§ Стійкість до впливів каналу передачі характеризує достовірність переданих даних при впливі на сигнал специфічних спотворень: завмирання внаслідок багатопроменевого поширення, обмеження смуги, зосереджені по частоті або часу перешкоди, ефект Доплера і ін.

§ Вимоги до лінійності підсилювачів. Для посилення сигналів з деякими видами модуляції можуть бути використані нелінійні підсилювачі класу C, що дозволяє істотно знизити енергоспоживання передавача, при цьому рівень внеполосного випромінювання не перевищує допустимі межі. Даний фактор особливо важливий для систем рухомого зв'язку.

модуляція (Лат. Modulatio - розміреність, ритмічність) - процес зміни одного або декількох параметрів високочастотного несучого коливання за законом низькочастотного інформаційного сигналу (повідомлення).

Передана інформація закладена в керуючому (модулирующем) сигналі, а роль переносника інформації виконує високочастотне коливання, зване несучим. Модуляція, таким чином, являє собою процес «посадки» інформаційного коливання на свідомо відому несучу.

В результаті модуляції спектр низькочастотного сигналу переноситься в область високих частот. Це дозволяє при організації мовлення налаштувати функціонування всіх приймально-передавальних пристроїв на різних частотах з тим, щоб вони «не заважали» один одному.

В якості несучого можуть бути використані коливання різної форми (прямокутні, трикутні і т. Д.), Проте найчастіше застосовуються гармонійні коливання. Залежно від того, який з параметрів несучого коливання змінюється, розрізняють вид модуляції (амплітудна, частотна, фазова і ін.). Модуляція дискретним сигналом називається цифровою модуляцією або маніпуляцією.

7.9.Ізмереніе параметрів в радіочастотних системах Вимірювання функції BER (C / N)

У сучасній вимірювальної методикою BER використовуються різні схеми, з яких можна виділити дві основні.

Мал. 7.16. Схема методу перебудовується атенюатора.

У цьому методі в радіочастотний тракт приймача включається перебудовується атенюатор, за допомогою якого вноситься додаткове загасання, а стабільність сигналу прийому приймається постійною протягом всього часу вимірювань. Рівні сигналу і шуму вимірюють за допомогою вимірника потужності, при цьому вимір шумів в тракті проміжної частоти приймача без фільтрації дає значення, більше реальної потужності шумів в робочій смузі тракту. Тому при вимірах потужності використовуються додаткові фільтри, налаштовані на робочу смугу частот.

Параметр помилки BER вимірюється аналізатором цифрових каналів.

Головним недоліком методу є припущення постійної потужності корисного сигналу протягом усього періоду вимірювань. В реальних умовах рівень корисного сигналу зазнає значні коливання внаслідок багатопроменевого поширення радіохвиль і зміни умов поширення. З цієї причини ставлення С / N може також змінюватися, при цьому навіть зміна С / N на 1 дБ може викликати зміну BER на порядок. Таким чином, даний метод не дозволяє забезпечити необхідну точність вимірювань, особливо малих значень BER.

2.Інтерференціонний метод вимірювання BER (C / AT), схема якого показана на рис. 7.17, використовує спеціальний прилад - аналізатор / імітатор параметра С / N, який реалізує вимір рівня потужності корисного сигналу С при внесенні заданого рівня шумів N, що забезпечує високу точність визначення параметра С / N. В даному методі аналізатор / імітатор автоматично регулює рівень внесених шумів, при цьому точність вимірювань характеристики BER (C / AT) може досягти значень ~ 1СГ12. На закінчення даного розгляду функції BER (СIN) зазначимо таке.

1.Сравнение теоретичної і практичної залежностей ВЕЩС / N) показують, що практичні залежності відрізняються від теоретичних тим, що для практичних значень BER потрібно більше відношення С / N. Це пов'язано з різними причинами погіршення параметра в трактах проміжної і радіочастоти.

2.На практиці вклади трактів радіо- і проміжної частоти можна порівняти між собою, при цьому для систем передачі цифрової інформації зі швидкістю до 90 Мбіт / с спостерігаються такі значення рівнів погіршення параметра BER.

Мал. 7.17. Схема інтерференційного методу вимірювання BER (С / N)

Погіршення в тракті проміжної частоти ПЧ:

Помилки по фазі і амплітуді модулятора - ОД дБ;

Міжсимвольні інтерференція, пов'язана з роботою фільтрів - 1,0 дБ;

Присутність фазових шумів - 0,1 дБ;

Процедури диференціального кодування / декодування - 0,3 дБ;

Джиттер (тремтіння фази) - 0,1 дБ;

Надлишок смуги шумів демодулятора - 0,5 дБ;

Інші причини (ефект старіння, температурна нестабільність) - 0,4 дБ.

Отже, в сумі в тракті ПЧ погіршення величини BER може досягати 2,5 дБ. Погіршення BER в тракті радіочастоти:

Ефекти нелінійності - 1,5 дБ;

Погіршення, пов'язані з обмеженням смуги пропускання каналу і груповим часом затримки - 0,3 дБ;

Інтерференція в суміжних каналах - 1,0 дБ;

Погіршення, пов'язані з ефектами загасання і появою луна-сигналу - 0,2 дБ. Разом, в тракті радіочастоти РЧ погіршення BER складе 3 дБ, тобто всього в системі

Передачі погіршення BER може досягти -5,5 дБ.

Слід зазначити, що в схемах рис. 7.16, 7.17 нерозглядалася призначення еквалайзерів в цифрових радіотракт.

Вимірювання частоти і потужності в радіочастотних трактах.

Вимірювання частоти і потужності корисного радіосигналу реалізуються на практиці такими методами:

1) використовуються частотоміри і вимірювачі потужності,

2) використовуються аналізатори спектра з функціями маркерних вимірювань.

У другому методі маркер забезпечує переміщення по спектральної характеристиці з одночасним відображенням значень параметрів частоти і потужності корисного радіосигналу.

Для розширення можливостей вимірювань параметрів потужності сучасні аналізатори спектра забезпечують згладжування спектральної характеристики, фільтрацію шумів і т.д.

Аналіз роботи еквалайзерів.

У порівнянні з кабельними системами радіоефір, як середовище передачі радіосигналів, має характеристики, випадково змінюються в часі. У зв'язку з широким використанням цифрових систем радіозв'язку і підвищеними вимогами до точності їх передачі в прийомних пристроях включаються еквалайзери, що дозволяють різко знизити вплив багатопроменевого поширення (вирівнювання сигналів) і часу груповий затримки (автоподстройка сигналу). При використанні цифрових методів модуляції високочастотних сигналів розробники зіткнулися з труднощами точного налаштування модемів та інших каналоутворюючих пристроїв в складі радіочастотного тракту. В цьому випадку еквалайзери виступають і як елементи компенсації можливих нелінійностей в пристроях радіочастотного тракту передачі. В сучасних радіочастотних системах передачі інформації зустрічаються два основних види затуханий, пов'язаних з факторами поширення радіосигналу щодо радіочастотного тракту.

1) Лінійне загасання, що представляє собою частотно-незалежне рівномірне зменшення амплітуди сигналу від факторів розподілу сигналу. Лінійне загасання зазвичай обумовлено природними факторами поширення електромагнітних хвиль:

При наскрізному поширенні в лісових масивах;

При поширенні в атмосфері при наявності гідрометеорів (дощ, сніг).

2) Згасання, обумовлене багатопроменевим поширенням радіосигналів.

Ці два фактори змінюють амплітуду корисного сигналу, приводячи до зміни величини відносини С / N, що в кінцевому рахунку впливає на параметр помилки BER. Зміни в структурі корисного сигналу, пов'язані з цими двома загасання, компенсуються еквалайзер. Як відомо, в основі роботи будь-якого еквалайзера лежить використання вузькосмугового режекторного фільтра для усунення нелінійності корисного сигналу. В якості основного параметра вимірів виступає залежність глибини фільтрації від частоти при заданому параметрі BER, що отримала в різних оглядах назву кривої М або кривої W (рис. 7.18).

Мал. 7.18. Криві М для випадків відсутності і наявності еквалайзера.

Для одержання кривої М зазвичай імітуються різні умови проходження сигналу, які компенсуються еквалайзером і в процесі компенсації будується крива М Схема вимірювань представлена \u200b\u200bна рис. 7.19.

В результаті вимірювань виходять діаграми у вигляді двосторонніх кривих М, з яких одна - безгістерезісная (показує здатність фільтра еквалайзера забезпечити глибину фільтрації на заданій частоті, достатню для вирівнювання структури корисного сигналу) і інша - гистерезисная (показує продуктивність фільтра при його реальній роботі в разі необхідності спочатку збільшення, а потім зменшення параметра глибини фільтрації). На практиці обидва типи кривих істотні для аналізу роботи еквалайзера.

Мал. 7.19. Схема вимірювань кривих М

Вимірювання параметрів нерівномірності фазочастотной характеристики і групового часу затримки.

Нерівномірність фазочастотной характеристики (ФЧХ) радіочастотного тракту визначається груповим часом затримки (ГВЗ) з формули:

Безпосереднє вимірювання залежності фазового зсуву від частоти ф (ш) і подальше диференціювання отриманої залежності реалізується, як правило, для систем з низьким рівнем фазових шумів, проте, для систем радіозв'язку фазові шуми в каналі присутні, що і призводить до нерівномірності ФЧХ і зміни ГВЗ. Зазвичай вимірювання ГВЗ проводиться при проведенні приймально-здавальних випробувань радіосистем і враховують можливі відхилення в роботі передавача, приймача, антенних пристроїв і умов поширення радіосигналу. В роботі описані дві методики вимірювань ГВЗ, заснованих на використанні композитних радіосигналів.

Вимірювання параметрів стійкості до лінійного загасання і загасання, пов'язаному з багатопроменевим поширенням радіосигналів

Параметри радіосигналів змінюються за рахунок лінійного загасання і загасання, викликаного багатопроменевим поширенням радіосигналів. При проведенні заводських випробувань вводять допустиму межу лінійного загасання, що не перевищує 50 дБ для BER \u003d 10 ~ 3. Для компенсації лінійного загасання використовують еквалайзери в складі передавача / приймача. Роботу еквалайзера, компенсуючого лінійне загасання, можна виміряти, використовуючи перебудовувані атенюатори.

При вимірюванні параметрів стійкості до загасання, пов'язаному з багатопроменевим поширенням радіосигналів, можливе використання діаграми станів і очками-вої діаграми, які відображають:

Діаграма станів - перехресні перешкоди сигналів / і Q відображаються у вигляді еліпсів,

Глазкова діаграма - явище многолучевости відображається зміщенням центрів «очей» від центру до країв.

Однак, і діаграма станів, і глазковая діаграма не забезпечують усією необхідною специфікації вимірів. Для проведення практичних вимірювань ефективності компенсації явища многолучевого проходження сигналів використовують методи, які узгоджуються з методами компенсації. Так як прогнозувати появу фактора багатопроменевого поширення практично неможливо, облік впливу цього фактора виконують методами стресового впливу, тобто шляхом імітації явища багатопроменевого поширення сигналу. Як зазначено в роботі, використовуються дві моделі імітації багатопроменевого поширення сигналу.

1.Двухлучевая модель. Принцип моделювання зводиться до теоретично обгрунтованого припущення, що затухання пов'язане з двопроменевий інтерференцією, причому интерферирующий промінь має затримку (для відбитого променя) в часі. З характеристик нерівномірності АЧХ (амплітудно-частотної характеристики) і ГВЗ для двухлучевого поширення радіосигналу слід:

Зменшення амплітуди зі зміною частоти;

Зміна ГВЗ і АЧХ в разі мінімальної фази (коли основний радиолуч має велику амплітуду);

Зміна АЧХ і ГВЗ в разі немінімально фази (коли результуючий промінь після інтерференції двох променів перевершує по амплітуді основний сигнал).

2.Трехлучевая модель. Так як двопроменева модель не описує явище амплітудної модуляції і виникнення слабких картин биття в межах робочого частотного діапазону, в результаті чого амплітуда корисного сигналу відхиляється в межах робочого діапазону навіть в разі, якщо вузол биття знаходиться поза робочого діапазону, то використовується трипроменева модель, що дозволяє врахувати ефект зміщення амплітуди. Зазвичай двопроменева модель використовується при проведенні якісних вимірів, а трипроменева - для проведення точних вимірювань.

Аналіз інтермодуляционних перешкод.

При поширення радіосигналів в тракті виникають інтермодуляційні взаємодії сигналів при мультиплексировании і демультиплексировании, а також при впливі нелінійностей каналоутворюючих пристроїв в складі тракту. Зазвичай інтермодуляційні спотворення мають досить низький рівень - менше 40 дБ щодо рівня корисного сигналу. Проте, контроль інтермодуляционних спотворень і усунення їх причин забезпечує в ряді випадків рішення проблеми інтерференції в суміжних каналах. Для аналізу Інтермодуляції використовують аналізатори спектра.

Вимірювання характеристик каналоутворюючих радіочастотних трактів.

Крім комплексних вимірювань на практиці широко застосовуються вимірювання характеристик каналоутворюючих радіочастотних трактів, знання яких необхідно при проектуванні і експлуатації радіотехнічних систем передачі інформації. Крім вимірювань частоти і потужності в зоні обслуговування виникає необхідність вимірювання антенних систем, рівня теплових шумів, стабільності частоти задаючих генераторів, фазового джиттера, параметрів модемів і підсилюючих трактів разом з фільтруючими пристроями.

Вимірювання антенних систем.

Антенно-фідерні пристрої в складі радіочастотного тракту відіграють надзвичайно важливу роль. Основні параметри: потужність випромінювання, діаграма спрямованості в відповідних площинах, коефіцієнт посилення, імпеданс і т.д., зазвичай розраховуються і вимірюються на етапі виробництва антен. В процесі експлуатації важливими параметрами є

Коефіцієнт хвилі, що біжить (КБВ): КБВ \u003d Umin / Umax, (7.38)

Коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ): КСВ \u003d 1 / КБВ, (7.39)

Рівень зворотних втрат від антенного входу, де Umin і Umax - мінімальне і максимальне напруження в фідерної лінії.

У разі ідеального узгодження тракту: вихід передавача - фідер - вхід антени, КБВ \u003d 1 (так як вся енергія з виходу передавача направляється в антену і при цьому £ / min \u003d Umах), в разі Umin \u003d О, КСВ \u003d оо КБВ \u003d 0 - в фідері виникає режим стоячої хвилі, що неприпустимо.

У реальному випадку КСВ може приймати значення 1,1 ... 2, тобто КБВ \u003d 0,5 ... 0,9. У радіотракт систем цифрової передачі інформації з цифровими типами модуляції необхідний мінімальний рівень зворотних втрат, тобто мінімальне значення КСВ -1,1, коли режим в фідерної лінії близький до високого ступеня узгодження.

Наприклад, для радіорелейних ліній зв'язку, що використовують модуляцію 64 QAM, рекомендованим рівнем придушення зворотних втрат від антени є 25 дБ і вище. Для вимірювання зворотних втрат зазвичай використовують схему, наведену на рис. 7.20.

Від генератора СВЧ-коливань подається сигнал до антени через пасивний спрямований відгалужувач. При наявності відображеної від входу хвилі електромагнітні коливання через спрямований відгалужувач потрапляють в аналізатор спектру (або в селективний приймач), де і вимірюється рівень відбитої потужності. Для зменшення рівня відбитої потужності реалізують узгодження антенно-фідерного тракту. При застосуванні на практиці замість аналізатора спектра вимірювача потужності точність вимірювань падає, так як разом з відбитим сигналом вимірювач потужності враховує рівень шумів, пов'язаних із зовнішніми впливами на радіоканал в заданому діапазоні робочих частот.

Вимірювання рівня власних теплових шумів елементів радіочастотного тракту.

При зростанні рівня шумів різко зростають міжсимвольні спотворення цифрових сигналів і збільшується величина BER. На діаграмах стану і глазкових діаграмах це виражається в збільшенні розмірів точок відображення стану і ефекту «закривання очей». Вимір шумів різних пристроїв в складі радіочастотного тракту виконується на етапі експлуатації для локалізації точки підвищеного рівня шумів. З огляду на, що власні шуми різних пристроїв радіочастотного тракту малі, для вимірювань використовують диференціальні методи. Для цього в тестований сигнал підмішують интерферирующий одночастотний сигнал і потім проводять вимірювання шумів по різниці интерферирующего сигналу і шуму. Цей метод використовується при вимірюванні шумів малої потужності. Як приклад на рис. 7.21 показані результати вимірювань шумів на тлі интерферирующего одночастотне сигналу для модуляції 16 QAM при відношенні сигнал / перешкода С / I \u003d 15 дБ, при цьому, як видно з малюнка, зростання рівня шумів приводить до збільшення розмірів точок на діаграмі станів і ефекту «закривання очі »на Глазкової діаграмі.

Мал. 7.21. Приклади діаграми станів і Глазкової діаграми при вимірюванні шумів при С / 1 \u003d 15 дБ.

Вимірювання фазового джиттера.

Важливим параметром вимірювань радіочастотнихсістем передачі з цифровою модуляцією являетсяфазовое тремтіння сигналу задають генераторовпріемніка / передавача, так званий джиттер (jitter). Для аналізу джиттера ефективно використовують діаграму станів, так як глазковая діаграма до нього не чутлива. Якщо в тракті виникає фазовий тремтіння сигналу, то, як випливає з

Мал. 7.22, відбувається збільшення розмірів точекдіаграмми станів. Для усунення проблем, свя- станів при вимірюванні джиттера занних з наявністю джиттера, зазвичай виробляють додаткові виміри параметрів роботи задаючих генераторів і усувають несправності.

Вимірювання параметрів модемів.

Для вимірювання параметрів модему зазвичай використовують аналізатори, що забезпечують вимірювання сигналів у вигляді діаграм стану і глазкових діаграм, які дають найбільш повну інформацію про структуру та зміни параметрів цифрової модуляції. На рис. 7.23 як приклад показані діаграма станів і глазковая діаграма для випадку квадратурної амплітудної модуляції з 16-ю станами 16 QAM, з яких випливає:

Розмивання точок діаграми станів свідчить про вплив шумів;

Спотворення розміру «очі» свідчить про можливі порушення в роботі цифрового каналу (наприклад, виникнення міжсимвольних спотворень).

Мал. 7.23. Приклад діаграми станів і Глазкової діаграми для випадку AM з 16-ю станами 16 QAM

Розглянемо наступні види порушень роботи модемів і відповідні їм діаграми.

1.Потеря синхронізації в цифровому каналі.

Глобальна несправність / відключення демодулятора або порушення фазової синхронізації можуть привести до порушення узгодження між модулятором і демодулятором і пропажі сигналу в системі передачі. У цьому випадку діаграма станів представляє собою випадковий розподіл сигналів по відповідним рівням модуляції, «очей» Глазкової діаграми повністю закривається (рис. 7.24).

Мал. 7.24. Приклад втрати синхронізації в цифровому каналі: діаграма станів представляє собою випадковий розподіл сигналів по відповідним рівням модуляції, «очей» Глазкової діаграми повністю закривається.

2.Нарушение установки параметрів рівня модуляції / демодуляції.

На рис. 7.25 показана діаграма станів, з якої випливає, що при встановленні рівнів модуляції / демодуляції виникла незбалансованість по амплітуді сигналу. Зміни в діаграмі станів можуть свідчити про нелінійних модулятора або порушення роботи ЦАП.

Мал. 7.25. Приклад порушення установки параметрів рівня модуляції / демодуляції.

3.Порушення ортогональности I і Q векторів демодулятора.

Однією з поширених несправностей в роботі модему є порушення роботи демодулятора, коли вектори I і Q полярних координат демодулятора не строго ортогональні. Це призводить до невідповідності станів ортогональної сітці координат на діаграмі станів (рис. 7.26).

Ця несправність може супроводжуватися або не супроводжуватися помилкою фазової синхронізації в ланцюзі відновлення несучої. У разі відсутності помилки результат впливу цієї несправності на Глазко-ву діаграму зводиться до закривання «очі» на діаграмі по сигналу I і відсутності будь-яких змін на діаграмі Q. При наявності помилки «очі» обох діаграм будуть закриті. Необхідно відзначити, що аналіз однієї тільки Глазкової діаграми не дозволяє встановити причину несправності, оскільки ця діаграма повністю збігається з Глазкової діаграмою при наявності високого рівня адитивних шумів в каналі. Достовірне визначення причини несправності в цьому випадку може дати тільки діаграма станів. Усунення описаної несправності вимагає підстроювання демодулятора в частині ортогональности сигналів I і Q. На діаграмі станів рис. 7.27 зазначено наявність помилки фазової синхронізації в 2,3 градуса.

Мал. 7.27. Приклад появи помилки фазової синхронізації.

Вимірювання параметрів роботи підсилювачів в складі радіочастотного тракту.

Основними вимірюваними параметрами роботи підсилювачів в складі радіочастотного тракту є:

Шуми, що вносяться підсилювачами;

Параметри нелінійності підсилювальних ділянок.

Перевантаження по амплітуді може привести до переходу підсилювача в нелінійний режим і, як наслідок, різкого збільшення ймовірності помилки в цифровій системі передачі. Використання діаграм станів і глазкових діаграм дозволяє оцінити причини зниження параметрів якості радіозв'язку (нелінійні спотворення призводять до розпливання точок діаграми станів і закриття «очі» Глазкової діаграми).