Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи

Рис. 1.37. Влияние различных параметров на уровень джиттера в составном канале цифровой системы передачи

Методология измерений вандера

Методология измерений вандера проста и может быть реализована в портативных при-

борах. Параметр вандера имеет явную эксплуатационную ценность, а последствия вандера можно компенсировать в отличие от последствий джиттера. Ванд ером называется изменение частоты принимаемого сигнала с большим периодом. Поскольку период изменения частоты достаточно большой, то уровень вандера может фиксироваться визуально при измерениях частоты цифровой передачи.

Рассмотрим методологию измерений параметра вандера. Для этого вновь обратимся к рассмотрению процесса изменения частоты передаваемого/принимаемого сигнала (рис.

1.38). Основным результатом воздействия джиттера на цифровые устройства является сбой в работе петлей ФАПЧ и, как следствие, возникновение ошибок цифровой передачи.

Исключить такие ошибки без изменения параметров ФАПЧ или устранения причины возникновения джиттера практически невозможно. В результате возникает парадоксальная ситуация, когда ясно, что параметр не в норме, но точно ответить, насколько он влияет на параметры качества цифровой передачи и сделать что-либо нельзя. Как следствие,

возникают определенные сомнения в ценности параметра джиттера для целей эксплуатации.

61

Рис. 1.38. Влияние вандера на параметры цифровой системы передачи

В отличие от джиттера вандер приводит к переполнению буферов приемных устройств и появлению проскальзываний. Поскольку речь идет об изменении частоты принимаемого сигнала с большим периодом, невозможно каким-либо способом компенсировать воздейст-

вие вандера. Такой эффект называют "прозрачной трансляцией" вандера по сети. Основное воздействие вандера связано с системой синхронизации. Выделенный синхросигнал из при-

нимаемого потока, содержащего вандер, может привести к существенной деградации пара-

метров системы синхронизации, поэтому системные измерения параметров вандера делаются при анализе систем синхронизации.

При эксплуатации цифровых систем передачи анализ вандера делается параллельно с анализом частоты передачи информации. Вандер в этом случае рассматривается как перио-

дическое колебание частоты передачи. Для более детального рассмотрения влияния вандера рассмотрим механизм возникновения проскальзываний.

Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в син-

хронной или плезиохронной последовательности двоичных символов в результате различия между скоростями считывания и записи в буферной памяти. Механизм возникновения про-

скальзываний достаточно прост и представлен на рис. 1.39.

Цифровое устройство 1 генерирует цифровой сигнал с частотой f1 который записывает-

ся в оперативную память эластичного буфера, и из него считывается приемным цифровым устройством 2 с частотой f 2 Частоты передачи и считывания определяются частотой задаю-

щих тактовых генераторов (ТГ1 и ТГ2 соответственно). Если f1 f2 , буфер постепенно пере-

полняется, что приводит к потере информации в размере емкости буфера и возникает поло-

жительное проскальзывание. Если цифровое устройство 2 рано или поздно начнет считывать информацию с дублированием битов (повторное считывание), что приведет к от-

рицательному проскальзыванию.

62

При отсутствии эластичного буфера проскальзывания возникают по мере накопления фазового сдвига сигналов передачи и приема. В этом случае в зависимости от среднего уров-

ня рассинхронизации будут возникать битовые проскальзывания, т.е. ошибки в считывании бита. Современные цифровые сигналы в области связи структурированы (как правило, на циклы или кадры). Битовые проскальзывания будут нарушать цикловую синхронизацию, в

то время как с точки зрения алгоритмов взаимодействия цифровых устройств наиболее жела-

тельным являются цикловые проскальзывания, приводящие к потере цикла информации, од-

нако не нарушающие цикловой синхронизации. Например, одно битовое проскальзывание приводит в современных цифровых АТС к потере до трех циклов информации, что необхо-

димо для восстановления цикловой синхронизации. Такие проскальзывания называются не-

управляемыми. Эластичные буферы используются для управления проскальзываниями с це-

лью сохранения цикловой синхронизации.

Рис. 1.39. Механизм возникновения проскальзываний

Влияние вандера фактически будет означать периодическую вариацию частоты f1 в схе-

ме на рис. 1.39, при этом эластичный буфер будет сначала заполняться в течение полуперио-

да вандера, затем опустошаться. При большом размере эластичного буфера памяти вандер не воздействует на параметры цифрового канала. Отсюда следует важный вывод: последствия вандера могут быть компенсированы путем расширения размера эластичного буфера памяти.

Это является очевидным аргументом в пользу рассмотрения вандера, как важного эксплуатационного параметра, который не только позволяет обнаружить причину деградации качества связи, но и предпринять определенные меры по ликвидации такой деградации.

Минимальный размер буфера, необходимый для компенсации вандера, можно опреде-

лить как

63

Поскольку буфер начинает заполняться с середины, в выражение введен коэффициент 2.

Фактически значение интеграла соответствует площади под кривой рис. 1.38.

Измерения вандера делятся на два класса: системные измерения, связанные с анализом параметров системы синхронизации, и эксплуатационные измерения. Технология системных измерений будет подробно рассмотрена отдельно, здесь лишь укажем, что такие измерения крайне существенны для современных цифровых сетей.

Эксплуатационные измерения связаны с параллельными измерениями частоты прини-

маемого сигнала и ее вариаций - вандера. В большинстве портативных анализаторов PDH до последнего времени было реализовано только измерение частоты без анализа его вариаций и только в последнее время появились несколько анализаторов с функцией измерения вандера,

включающие в измерения помимо частоты принимаемого сигнала еще два параметра: мак-

симальной и минимальной частоты за период измерений. Три параметра - текущая частота,

максимальная частота и минимальная частота - позволяют оперативно идентифицировать наличие или отсутствие вандера в системе передачи.

64

ГЛАВА 2. РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Особенности радиочастотных измерений

Радиочастотные измерения представляют собой большой класс измерений, связанных с анализом радиочастотных каналов и систем беспроводной связи. В этой главе речь пойдет о радиочастотных измерениях, связанных с анализом радиоэфира как среды распространения сигнала. Из рассмотрения будут исключены вопросы измерений на вторичных сетях радио-

связи, 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 ка-

честве среды передачи радиоэфир . К таким средствам относятся радиорелейные и спутнико-

вые системы. Поскольку структурные схемы систем передачи обоих типов аналогичны, то и измерительные технологии для них практически одинаковы, однако имеются некоторые раз-

личия, 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. 2.1.

65

Рис. 2.1. 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 исклю-

чаются измерения параметров цифровых трактов системы передачи, так как они связаны санализом цифровой первичной сети вне зависимости от среды распространения сигнала.

Поэтому вопросы измерений непосредственно цифровых параметров каналов (такие, как измерение параметров ошибки) в настоящей главе будут рассматриваться только в контексте совместных измерений раддиочастотных систем передачи. 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 ана-

лизом электромагнитной обстановки во всем используемом системой передачи спектре. С

развитием систем радиосвязи радиочастотный спектр рассматривается как достояние госу-

дарства, 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 пере-

дачи это ретрансляторы PPJI. Анализ работы узловых радиочастотных устройств - ретранс-

ляторов - является существенной частью проведения радиочастотных измерений и составля-

ет следующий уровень радиочастотных измерений.

После анализа ретрансляторов обычно производится анализ радиочастотных трактов систем передачи в целом. Эти измерения являются результирующими и их рассмотрение за-

вершает тему радиочастотных измерений этой главы. В дальнейшем материал будет струк-

турирован от измерений радиоэфира до технологии комплексных измерений радиочастотных трактов. Отдельно будут рассмотрены специфические особенности измерений на радиоре-

лейных и спутниковых системах передачи.

Измерения радиоэфира

В связи с принятием законодательства в области контроля за использованием радиочас-

тотного ресурса вопрос об измерениях радиоэфира встал особенно остро Измерения радио-

частотной 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,

66

-используемыми приемными антеннами;

-структурой сети сбора и обработки информации об электромагнитной обстановке;

-различными алгоритмами оптимизации измерений.

Системы контроля радиочастотного ресурса выполняют комплексный анализ электро-

магнитной обстановки с привязкой на местности. В результате таких измерений получаются данные в виде карт распределения интенсивности электромагнитного поля в различных диа-

пазонах 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 приемопередающей станции)

Национальные системы радиоконтроля [1, 2]

Создание национальной системы радиоконтроля для России является особенно актуаль-

ной задачей в связи с вступлением нашей страны в Европейское экономическое сообщество.

Одним из требований при этом выступает принятие законов в области использования радио-

частотного спектра и развертывание сети контроля и управления за использованием радио-

частотного ресурса страны.

Построение глобальных систем радиоконтроля является важной национальной про-

граммой и требует соглашений на уровне правительств Это очень сложная комплексная про-

грамма, требующая большой работы. Поэтому в настоящей главе приводится лишь краткое описание типичной системы.

В табл. 2.1. приведены основные тенденции в использовании радиочастотного ресурса и соответствующие требования к национальным системам контроля радиоэфира.

67

Таблица 2.1. 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 ис-

пользования 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. 2.2.

68

Рис. 2.2. 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 порта-

тивные 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 ха-

рактер, поэтому практически невозможно сравнить технические характеристики этих систем,

а можно только констатировать, что подобные системы в мировой практике создавались та-

кими фирмами как Hewlett-Packard, Ronde & Schwarz, Thompson-CSF, Racal, Lucas-Zeta и Tadiran.

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 раз-

личных участков спектра.

69

Такие системы (рис. 2.3) обычно строятся по радиальному принципу с центром обра-

ботки данных и связанными с ним стационарными и мобильными точками мониторинга спектра. Привязка к географическим координатам в точках мониторинга, как и в националь-

ных 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 отечествен-

ной практике получил широкое распространение опыт использования таких систем регио-

нальными управлениями органов контроля за использованием радиочастотного ресурса.

К системам областного и местного значения можно отнести системы анализа зон покры-

тия 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. 2.4 представлена модель Illuminator, а результаты анализа зоны покрытия приведены на рис. 2.5. 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.

Системы радиоконтроля локального назначения

Системы контроля электромагнитной обстановки (ЭМО) локального значения представ-

ляют собой прибор (обычно анализатор спектра с необходимым набором антенн) для опреде-

ления параметров радиоэфира при размещении источника радиосигнала. Такие системы ис-

пользуются обычно для анализа базовых станций систем радиосвязи перед установкой, ра-

диорелейных станций, наземных станций спутниковой связи и т.д. Основными задачами локального анализа ЭМО являются:

70