Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи информации

91

работе в случае необходимости сначала увеличения, а затем уменьшения параметра глубины фильтрации.

На практике оба типа кривых существенны для анализа работы эквалайзера

Рис. 2.29. Пример измеренных кривых М

Измерения параметров устойчивости к линейному затуханию и затуханию,

связанному с многолучевым прохождением сигнала

Линейное затухание представляет собой частотно независимое равномерное уменьшение амплитуды сигнала от факторов распределения сигнала. Уменьшение сигнала приводит к уменьшению отношения сигнал/шум (рис. 2.30), и как следствие, к увеличению параметра ошибки в цифровой системе передачи. При проведении заводских испытаний говорят даже о возможном критическом затухании, которое обычно не превышает 50 дБ для параметра ошибки 10 3 . Линейное затухание обычно обусловлено природными факторами распространения радиочастотного сигнала, такими как дождь и снег, и проявляется обычно на высоких частотах. Для компенсации линейного затухания используют эквалай зеры в составе передатчика/приемника. Работу эквалайзера, компенсирующего линейное затухание,

можно измерить, используя перестраиваемые аттенюаторы.

Затухание, связанное с многолучевым прохождением сигнала, относится только к радиорелейным системам передачи и схематично представлено на рис. 2.30.

В радиорелейной системе передачи помимо основного (прямого луча) возникают еще два вторичных. Один луч возникает вследствие переменного коэффициента рефракции в атмосфере, и, как правило, имеет место летом при высокой температуре. Другой вторичный луч возникает вследствие отражения сигнала от поверхности земли и обусловлен широкой диаграммой направленности антенны передатчика. Если в первом случае в результате интерференции вторичного луча рефракции и основного луча возникает затухание,

зависящее от частоты, то во втором случае в результате интерференции с основным лучом

92

возникает устойчивая картина биений, и, как следствие, затухание и появление не-

равномерностей в структуре сигнала (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Пример линейного затухания

Так как явление многолучевого прохождения существенно зависит от длины приемо-

передающего участка и частоты рабочего сигнала, то при проектировании РРЛ с большими участками приемо-передачи обычно используют частотный диапазон ниже 15 ГГц, в то время как для более высокого диапазона обычно проектируют участки малой длины. При этом снижается влияние многолучевого прохождения сигнала и линейного затухания,

связанного с изменением погодных условий.

Проблема оценки влияния многолучевого прохождения сигнала заключается в его нере-

гулярности и непредсказуемости. Основным эффектом, связанным с многолучевым прохож-

дением сигнала, является возникновение вследствие интерференции картины биений с ха-

рактерными узлами и пучностями. В случае попадания узла на центральную частоту рабоче-

го сигнала значительно ухудшаются параметры радиочастотной системы передачи. Структу-

ра биений связана с факторами распространения рабочего сигнала (такими как состав атмо-

сферы, коэффициент рефракции, температура и т.д.), в результате чего биения обычно возни-

кают нерегулярно, а картина биений имеет нестабильную форму.

В большинстве случаев радиочастотная система передачи не подвержена воздействию фактора многолучевого прохождения сигнала, однако в случае возникновения последнего,

значительно ухудшаются параметры радиочастотной системы передачи, появляется межсим-

вольная интерференция, в результате увеличивается параметр BER.

93

Рис. 2.31. Явление многолучевого прохождения сигнала

Рис. 2.32. Примеры неравномерностей в структуре рабочего сигнала,

вызванных явлением многолучевого прохождения

В связи с повышением требований к параметрам стабильности работы радиочастотных систем передачи возникла необходимость учета многолучевого прохождения сигнала при приемо-сдаточных испытаниях системы передачи, а также при проектировании последней.

Методология измерений явлений, связанных с многолучевым прохождением сигналов,

является довольно новой отраслью измерительных технологий. Практические измерения па-

раметров многолучевого прохождения начали внедряться только в конце 80 - начале 90

годов.

На диаграмме состояний явления затухания, связанные с многолучевым прохождением сигнала, видны в виде эллипсов, отображающих перекрестные помехи сигналов I и Q (рис.

2.33). На глазковой диаграмме явление многолучевого прохождения сигнала отражается смещением центров "глаз" от центра к краям.

94

Рис. 2.33. Диаграмма состояний при многолучевом прохождении сигнала

Диаграмма состояний и глазковая диаграмма не обеспечивают всей необходимой спе-

цификации измерений. Для проведения практических измерений эффективности компенса-

ции явления многолучевого прохождения сигналов используют методы, которые согласуют-

ся с методами компенсации.

Так как прогнозировать появление многолучевого прохождения сигнала практически невозможно, то учет воздействия этого фактора обычно выполняют методами стрессового воздействия, т.е. путем имитации многолучевого прохождения сигнала.

В связи с высокой важностью учета влияния многолучевого прохождения сигнала на цифровые радиочастотные системы передачи в конце 70-х годов были выполнены изыскания в области возможных методов моделирования явления. В результате в начале 80-х годов сформировались две основные модели имитации многолучевого прохождения сигнала:

модель двухлучевого прохождения и модель трехлучевого прохождения.

Принцип двухлучевой модели сводится к теоретически обоснованному предположению,

что затухание связано с двухлучевой интерференцией, причем интерферирующий луч имеет задержку по распространению сигнала (это верно как для луча рефракции, так и для луча отражения). В результате возможны два случая: основной луч имеет большую амплитуду и интерферирующий луч превосходит по амплитуде основной. Второй случай назван явлением многолучевого прохождения с неминимальной фазой. В результате применения простой двухлучевой модели можно измерить характеристики АЧХ и ГВЗ радиочастотного канала при минимальной (рис. 10.34а) и неминимальной фазе (рис. 2.346).

Двухлучевая модель оказалась не совсем точной, поскольку не описывает явления ам-

плитудной модуляции и возникновения слабых картин биений в пределах рабочего диапазона. В результате таких явлений амплитуда сигнала отклоняется в пределах рабочего диапазона даже, если узел биений находится вне диапазона. Была создана трехлучевая модель, более точно описывающая реальные эффекты многолучевого прохождения сигнала.

Трехлучевая модель позволила учесть эффект смещения амплитуды (рис. 2.35), однако сама

95

по себе оказалась довольно сложной. Поэтому в современной практике измерений используются обе модели: двухлучевая модель для проведения качественных измерений и трехлучевая модель для

Рис. 2.34. Характеристики неравномерности АЧХ и ГВЗ для двухлучевого прохождения сигнала

проведения точных измерений. Следует отметить, что двухлучевая модель с высокой степенью точности применима к 50% радиочастотных систем передачи.

Имитация многолучевого прохождения сигнала широко применяется в современных технологиях радиочастотных измерений, поскольку оказалась очень простой в реализации. В

результате методы имитации многолучевого прохождения сигнала используются не только

96

для оценки устойчивости радиочастотной системы передачи к этому явлению, но и для стрессового тестирования различных устройств в составе радиочастотного тракта, в

частности, эквалайзеров.

Рис. 2.35. Характеристики неравномерности АЧХ и ГВЗ для трехлучевого прохождения сигнала

Тестирование систем резервирования в трактах, переключателей и систем DADE

Существует два основных метода исключения влияния многолучевого прохождения

сигнала на параметры качества систем передачи. Один метод - это поиск оптимального пути

97

распространения сигнала, для чего осуществляют адаптирование приемника к сигналу ан-

тенны (рис. 2.36). На антенны приемника приходят в этом случае два сигнала - искаженный из-за многолучевого прохождения и неискаженный. Выбор сигнала (адаптация) осуществля-

ется методом максимальной амплитуды. Второй путь исключения влияния многолучевого прохождения - это метод компенсации с использованием эквалайзеров. Для проведения из-

мерений эффективности компенсации многолучевого прохождения за счет пространственно разнесенных антенн используют специальные анализаторы затухания со встроенным эква-

лайзером (DADE). Схема такого измерения представлена на рис. 2.37.

Помимо схемы с использованием специального анализатора параметров DADE,

переключатель DADE, равно как и другие радиосистемы, удобно тестировать при помощи имитатора многолучевого прохождения сигнала, описанного в предыдущем разделе. В этом случае имитатор выступает как устройство, вносящее определенные параметры нестабильности в основной или интерферирующий луч, и затем проверяется система переключения (например, с одного луча на другой, если мощность интерферирующего луча больше мощности основного).

Рис. 2.36. Резервирование антенных устройств приемника для поиска наилучшего пути распространения сигнала

Рис. 2.37. Измерения DADE

Схема использования имитатора представлена на рис. 2.38.

98

Рис. 2.38. Имитация многолучевого прохождения сигнала и анализ работы переключателя (Ф - фильтр, Г - генератор несущей, Ус - усилитель)

В результате проведения измерений анализируется матрица функционирования системы передачи в зависимости от характера внешнего воздействия (рис. 2.39). В качестве внешних воздействий выступают глубина возникающего узла и его расположение. Если нарушения в матрице функционирования при стрессовом воздействии находились в пределах допустимых норм штатной эксплуатации, то это говорит о нарушении работы переключателей.

Рис. 2.39. Матрица функционирования при проведении стрессовых измерений

В связи с тем, что в современных PPJI для компенсации многолучевого прохождения сигналов в основном используются эквалайзеры, имитаторы многолучевого прохождения получили широкое распространение и выпускаются основными фирмами-производителями измерительной техники либо в качестве специальных программ к системам для анализа PPJI,

либо как отдельные приборы.

99

Анализ интермодуляционных помех

Наконец, последней важной группой комплексных радиочастотных измерений трактов систем передач является анализ интермодуляционных сигналов в канале. Данный вид интер-

модуляции связан с процессами мультиплексирования и демультиплексирования, а также с нелинейностью устройств в составе тракта. Обычно интермодуляционные искажения имеют относительно малый уровень - менее 40 дБ - относительно рабочего сигнала. Тем не менее контроль интермодуляционных искажений и устранение их причин обеспечивает в ряде слу-

чаев решение проблемы интерференции в смежных каналах.

Для анализа интермодуляций используют анализаторы спектра (рис. 2.40).

Рис. 2.40. Пример анализа интермодуляционных искажений на выходе усилителя

Комплексная имитация радиочастотного канала

В связи с усложнением систем передачи появился новый класс задач, связанных с ис-

пользованием имитаторов радиоканала. Один из таких имитаторов для спутникового канала

(система SLE-250/SLE-500) представлен на рис. 2.41.

100

Рис. 2.41. Схема имитатора спутникового канала SLE-250/SLE-500

Согласно рис. 2.41 комплексная имитация спутникового канала выполняется следующим образом: дуплексный сигнал (Duplex) смешивается с дополнительным сигналом LOI; затем этот сигнал проходит через понижающий конвертер LPF (имитация бортового приемника); к

сигналу подмешивается частота L02, сигнал ПЧ проходит через имитатор задержки (Delay Line) и имитатор допплеровского сдвига сигнала при движении спутника на орбите (Doppler LO). Полученный сигнал проходит через повышающий конвертер BPF с эквалайзером EQU;

снова подмешивается частота LOI, сигнал проходит через переменный аттенюатор, который может имитировать различные условия распространения сигнала в атмосфере (возможно установление АЧХ аттенюатора и временные параметры изменения затухания в линии);

наконец, к сигналу добавляются шумы от внешнего источника (Inject Noise), за счет этого достигается возможность изучения влияния на параметры связи различных распределений шума. Таким образом, полностью имитируются все параметры спутникового канала по линии вверх. Аналогично имитируются параметры по линии вниз. Имитация параметров ка-

нала по линии вверх и вниз выполняется независимо, для обеспечения максимального соот-

ветствия реальным параметрам спутникового канала, когда в общем случае параметры по линии вверх и вниз различные.

Комплексные имитаторы параметров радиочастотного канала обычно используются для проведения комплексных измерений системы передачи по радиоканалу с имитацией различ-

ных условий прохождения сигналов.

Такие имитаторы используются разработчиками систем передачи для анализа парамет-

ров создаваемых систем, но могут также с успехом использоваться крупными операторами