Портативный анализатор спектра FieldFox для оперативных измерений

Введение

Техническому и обслуживающему персоналу, который работает в полевых условиях (в местах эксплуатации) и выполняет техническое обслуживание или устраняет неисправности развернутых приемо-передающих радиосистем диапазона микро- и миллиметровых волн, например сетей сотовой связи, в любой момент — для обеспечения стабильного качества сигнала и бесперебойного предоставления заявленных сервисов — может потребоваться измерить характеристики сигналов или оценить помехи, провести тестирование систем по радиоэфиру и проверить работоспособность таких устройств, как кабели (фидеры) и антенны.

Для успешного выполнения этих задач им необходимо базовое понимание измерений и простой в использовании портативный измерительный прибор. В основе предлагаемой статьи — авторский перевод технического документа (White Paper) компании Keysight Technologies [1], с рядом поясняющих и расширяющих рамки этого документа дополнений из рекомендаций по применению измерительных приборов компании.

В статье рассмотрим измерения, которые инженер или техник может выполнять непосредственно в полевых условиях, а именно: анализ спектра в реальном времени (real-time spectrum analysis, RTSA) (здесь и далее для упрощения используется терминология, принятая компанией Keysight Technologies), измерение уровня шумов и помех через коэффициент шума (noise figure, NF), тестирование и непосредственная оценка характеристик радиоканала и соты, или тестирование систем по радиоэфиру (over-the-air, OTA), а также проверка целостности и работоспособности кабелей и антенн (cable and antenna test, CAT).

Спектральный анализ в реальном времени

Что такое анализ в реальном времени

В анализаторах спектра реального времени (RTSA) в ходе измерений обрабатываются все сигналы без пропусков, и в большинстве случаев в этом режиме измеряются скалярные спектральные характеристики, мощность или интенсивность, соответствующие традиционным измерениям спектра. Основным преимуществом анализаторов реального времени является возможность быстро и надежно находить трудноуловимые сигналы и отслеживать характер их изменения. Эти приборы применимы как для обнаружения и описания сигналов, так и для сбора данных в процессе диагностики и оптимизации радиоканала или сотовой структуры.

В процессе измерений в анализаторах спектра реального времени обрабатывается вся входящая информация. При анализе ВЧ-сигналов информацией служат отсчеты данных на промежуточной частоте.

Современные анализаторы реального времени могут неограниченно долго поддерживать анализ в реальном времени, хотя это частично достигается упрощенной обработкой сигнала, например анализом только спектра или только интенсивности. Для некоторых приложений работа в реальном времени нужна лишь на ограниченный период, но будет полезным сбор измерений с последующей обработкой. В этой ситуации важна дополнительная гибкость измерений и векторные операции, например демодуляция.

Требуемая длительность работы в реальном времени очень сильно разнится для разных приложений. Для некоторых измерений понадобится большая длительность и отображение данных в реальном времени, а для других важнее непрерывность и детальная обработка каждого отсчета сигнала.

Вычислительная мощность, необходимая для работы в реальном времени, обычно растет пропорционально числу отсчетов в секунду, а следовательно, и ширине анализируемой полосы частот. Это означает, что для заданной вычислительной мощности существует некоторая максимальная полоса анализа, при использовании которой скорость обработки соответствует скорости поступления данных. Этот параметр анализатора именуется полосой анализа в реальном времени.

В анализе реального времени часто забывают про такой важный фактор, как разрешение (битовое разрешение) выборок и (или) обработки. Например, при одной и той же частоте выборок потребуется существенно больше вычислительной мощности на анализ 12-битовых отсчетов по сравнению с 8-битовыми.

АЦП работает со скоростью 2,4 млн выб/с при разрядности 14 бит. Теперь мы переходим к процессу оцифровки и корректировки в реальном времени. На этом этапе обработка разделяется на частотную и временную области. В частотной области используется память наложения, в которой обрабатываются перекрывающиеся отсчеты перед их передачей в блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), действующий со скоростью чуть менее 293 тыс. преобразований БПФ/с. Эта память разделяется на секции для разных трасс сигнала: спектр, плотность и мощность во времени, а также поддерживается работа триггера по частотной маске, который отслеживает поток результатов в реальном времени и сравнивает с настроенной для него маской. Указанные секции трасс передают информацию на процессор дисплея, который выводит нужную информацию на экран прибора. Упрощенная блок-схема системы реального времени, примененная компанией Keysight Technologies в RTSA-анализаторах спектра и реализованная в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), представлена на рис. 1 [9].

Рис. 1. Упрощенная блок-схема системы реального времени, примененная в анализаторах спектра реального времени компании Keysight Technologies

Помимо непрерывного анализа, должны быть обеспечены следующие четыре характеристики:

• высокоскоростные измерения;
• стабильная скорость измерений;
• триггеры по частотной маске;
• современные многофункциональные режимы отображения данных.

В целом полученные в режиме реального времени спектральные отсчеты можно использовать одним из двух способов: объединять их для комбинированного отображения спектров или последовательно сравнивать с ограничительной маской для реализации триггеров по частотной маске. Опция RTSA предоставляет обе эти возможности.

Оперативные измерения RTSA в полевых условиях

Уровень помех в беспроводных сетях растет, это вызывает снижение качества сигнала, что в свою очередь приводит к обрыву вызовов или прерывистому звуку. Помехи оказывают огромное влияние на беспроводные устройства и средства связи, от автомобильных радиоприемников до таких критически важных приложений, как общественная безопасность.

Традиционные методы анализа спектра содержат промежутки времени (так называемое мертвое время), когда анализатор обрабатывает данные для их отображения. В такое «мертвое» время могут иметь место короткие нестационарные сигналы помех, которые будут не замечены и пропущены. Кроме того, в среде с очень динамичным сигналом более широкие или более длительные сигналы маскируют слабые сигналы и также вызывают помехи. В отличие от таких анализаторов RTSA, работая без пропусков, обнаруживает и выявляет эти переходные перекрывающиеся сигналы. Соответственно, источник помех будет визуализирован и идентифицирован.

Примером анализаторов, успешно использующихся в полевых условиях, служат портативные анализаторы FieldFox [3] с RTSA компании Keysight Technologies (рис. 2). Применяя RTSA для проверки целостности сигнала или выявления нежелательных сигналов, можно обнаружить нюансы, которые не под силу определить традиционным анализаторам спектра.

Рис. 2. Анализаторы FieldFox компании Keysight Technologies

Наиболее сложная задача в сети — обнаружение помех в совмещенном канале и устранение неисправностей, поскольку источники помех могут скрываться под основной частотой канала. Как правило, технический персонал, обслуживающий беспроводные сети (здесь мы имеем в виду сети и радиоканалы любой технологии, поскольку их множество [2]), для того чтобы определить, проявляются ли в том же частотном канале мешающие сигналы, должен, прежде чем устранять или уменьшать их влияние, выключить передатчик несущей полезного сигнала. Отключение несущего сигнала имеет тенденцию к относительной длительности, что может привести к нарушению нормального предоставления сервисов связи и в ряде случаев — к потере данных.

Более того, во многих случаях, в зависимости от характера услуг, таких как проверка функционирования базовой станции сотовой связи, отключение обслуживающих передатчиков становится практически непригодным подходом или даже полностью невозможным решением. К счастью, RTSA профилирует характеристики сигнала непосредственно в эфире, обнаруживая скрытые источники помех под основной несущей. Анализаторы FieldFox способны улавливать быстро изменяющиеся цифровые и импульсные сигналы длительностью до 5,52 мкс со 100%-ной вероятностью перехвата и высокой точностью измерения амплитуды.

Благодаря полосе пропускания до 100 МГц анализатор FieldFox в режиме RTSA может проверять сотовые сети пятого поколения 5G и другие типы широкополосных сигналов. На рис. 3 в качестве примера представлен сигнал Wi-Fi, зарегистрированный портативным анализатором FieldFox с полосой пропускания 10 МГц и 100 МГц, благодаря такой полосе пропускания можно на одном дисплее визуализировать сразу весь диапазон. Также на рис. 3 показан пример спектрального анализа для технологии 5G. В общем портативный анализатор FieldFox отображает RTSA с тремя настройками: плотность (Density), обычный режим — спектр (Spectrum или Normal) и спектрограмма (Spectrogram). Экраны вывода результатов для этих настроек показаны на рис. 4.

Рис. 3. Сигнал Wi-Fi, зарегистрированный портативным анализатором FieldFox с полосой пропускания 10 МГц (слева) и 100 МГц (посередине), а также оценка сигнала 5G NR в режиме реального времени с полосой пропускания 100 МГц

Рис. 4. Отображение RTSA портативным анализатором FieldFox возможно в трех вариантах настройки: нормальный режим (спектр), плотность и спектрограмма

Обычный режим отображения демонстрирует одно окно с непрерывными данными реального времени о зависимости амплитуды от частоты, где частота представлена на оси X, а амплитуда на оси Y.

Режим отображения плотности включает цветовую градацию сигнала, точки на битовой карте обозначают плотность сигналов в соответствии с текущими настройками анализатора. Плотность определяется как количество отсчетов сигнала, которые анализатор обработал на указанной частоте/амплитуде в течение определенного временного интервала сбора данных. Эта величина соответствует доле времени за определенный период, в течение которой сигнал находился в соответствующей точке частоты/амплитуды.

Режим спектрограммы позволяет просматривать историю изменения сигнала по 10 000 трасс, из которых в каждый момент времени отображается до 633. В режиме спектрограммы каждая горизонтальная линия на дисплее соответствует одной трассе, то есть обобщает все данные, собранные за некоторый период времени. Данные прокручиваются вверх от старых к новым, то есть в самом низу экрана отображаются самые свежие трассы, а в верхней части — самые старые.

Для того чтобы получить более глубокое понимание RTSA, следует ознакомиться с рекомендациями по применению «Overcoming RF & MW Interference Challenges in the Field Using Real-Time Spectrum Analysis» («Преодоление проблем, связанных с радиочастотными и микроволновыми помехами в полевых условиях с использованием анализа спектра в реальном времени»), доступными по ссылке [4].

Коэффициент шума

Что такое коэффициент шума

Для начала внесем ясность: на практике имеют дело с коэффициентом шума (Noise Figure, NF) и фактором шума (Noise Factor, F), которые являются показателями ухудшения отношения сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR), вызванного компонентами в сигнальной цепи. Это число, по которому можно определить производительность усилителя или радиоприемника, при этом более низкие значения указывают на лучшую производительность.

Коэффициент шума определяется как отношение выходной мощности шума устройства к его части, относящейся к тепловому шуму на входной оконечной нагрузке при стандартной температуре шума T₀ (обычно 290 K). Таким образом, коэффициент шума — это отношение фактического выходного шума к шуму, который остался бы, если бы само устройство не создавало шума, или отношение входного SNR к выходному SNR [5]. По своей сути коэффициент шума — это просто фактор шума, для удобства понимания и использования выраженный в децибелах (дБ).

Коэффициент шума является ключевым параметром производительности во многих радиочастотных системах. В качестве параметра бюджета линии связи более низкий коэффициент шума приемника позволяет использовать антенны меньшего размера или меньшую мощность передатчика при тех же характеристиках системы.

Оперативные измерения коэффициента шума в полевых условиях

Современным приемным системам часто приходится работать с очень слабыми сигналами. Однако такие низкоуровневые сигналы могут теряться на фоне шума, создаваемого различными компонентами системы. В качестве параметров, характеризующих систему с точки зрения возможности обработки низкоуровневых сигналов, используются чувствительность, коэффициент битовых ошибок (bit error rate, BER) и коэффициент шума. Среди этих параметров коэффициент шума имеет особое значение, поскольку он может описывать не только систему в целом, но и ее отдельные компоненты, в том числе предварительный усилитель, смеситель и усилитель промежуточной частоты. Управляя коэффициентами шума и усиления компонентов системы, можно напрямую контролировать коэффициент шума системы в целом. Зная коэффициент шума, можно оценить чувствительность системы в определенной полосе пропускания. Коэффициент шума часто является ключевым параметром, который отличает друг от друга разные системы, усилители и транзисторы.

Для сетей коэффициент шума определяется путем деления соотношения мощности сигнала и шума для входа на соотношение мощности сигнала и шума для выхода. Коэффициент шума не зависит от формата модуляции, а также от точности воспроизведения сигналов модуляторами и демодуляторами, его следует рассматривать как понятие, отдельное от коэффициента усиления, поскольку, после того как произошло наложение шума на сигнал, усилители повышают мощность суммарного сигнала, не изменяя соотношения сигнал/шум.

Низкий коэффициент шума обеспечивает улучшенное соотношение сигнал/шум для аналоговых приемников и снижает частоту ошибок по битам в цифровых приемниках. Возросший по тем или иным причинам внутренний шум может снизить производительность устройства. Кроме того, внутренний шум, снижая бюджет радиоканала, увеличивает мощность передатчика. Соответственно, для того чтобы получить полное представление о производительности системы, потребуется дополнительная оценка внутреннего шума системы, а снижение шума — это наиболее экономичный способ оптимизации систем связи без, как теперь принято говорить, ухудшения ее производительности, то есть снижения качества предоставляемых сервисов.

В качестве тестируемых устройств для измерения коэффициента шума обычно используются устройства с двумя портами, при работе с которыми можно определить, как снижается соотношение сигнал/шум по мере прохождения сигнала с входа на выход. В приложении анализатора FieldFox компании Keysight Technologies для вычисления коэффициента шума используется метод Y-фактора. Ниже приведено краткое описание всей процедуры измерения по методу Y-фактора. Более по­дробные сведения даны в рекомендации по применению «Noise Figure Measurement Accuracy: The Y-Factor Method» («Точность измерения коэффициента шума. Метод Y-фактора») [6]. Дополнительная информация доступна также по ссылке [5] во второй части статьи.

Сочетание измерений коэффициента шума с возможностями двухпортового векторного анализатора цепей, анализатора спектра и датчика мощности анализатора

Для испытаний используется двухступенчатая система, показанная на рис. 5.

Рис. 5. Схема измерения коэффициента шума Y-методом

Первой ступенью является тестируемое устройство, а второй — подключенный к нему измерительный прибор. Коэффициент шума тестируемого устройства может быть вычислен по следующей формуле:

NF₁ = [NF₁₂ – (NF₂ – 1) / G₁].

Эта формула используется для измерения коэффициента шума. В ходе испытаний измеряются коэффициент шума и коэффициент усиления тестируемого устройства.

Метод Y-фактора предполагает подачу испытательного сигнала на вход тестируемого устройства от источника шума, который может создавать два известных уровня шума с предварительно откалиброванным коэффициентом избыточного шума (excess noise ratio, ENR). Источник генерирует широко­полосный шум:

ENR = (T_S^вкл. – T_S^выкл.) / T₀,

Где T_S^вкл. и T_S^выкл. — шумовая температура при включенном и выключенном источнике соответственно, а T₀ — эталонная температура, которая, как уже было сказано ранее, равна 290 K.

Следует обратить внимание на то, что, если ENR источника шума намного меньше коэффициента шума измерительного прибора (например, если ENR составляет 6 дБ, а коэффициент шума прибора составляет 30 дБ), успешно произвести калибровку не удастся. В таких случаях для уменьшения коэффициента шума измерительного прибора рекомендуется установить предварительный усилитель с шиной USB и (или) внутренний предварительный усилитель. Если по каким-либо соображениям применение предварительного усилителя невозможно, следует воспользоваться источником шума с более высоким ENR.

FieldFox компании Keysight Technologies позволяет полностью определять характеристики усилителей и конвертеров непосредственно в полевых условиях по схеме, приведенной на рис. 6.

Рис. 6. Подключение портативного микроволнового анализатора FieldFox компании Keysight Technologies для измерения коэффициента шума и его практическая реализация. В составе комплекта: предусилитель с USB (опционно, в качестве источника питания используется внутренний источник FieldFox), кабель с переходом BNC-SMB, для питания испытуемого устройства используется отдельный блок питания

Анализаторы FieldFox упрощают измерение коэффициента шума в полевых условиях с помощью измерения одним нажатием кнопки. Эта функция включает описанный выше наиболее распространенный метод измерения коэффициента шума системы — метод Y-фактора [6]. Благодаря данному решению анализаторы FieldFox предоставляют возможность измерять такие системные компоненты, как усилители, преобразователи с понижением частоты и преобразователи с повышением частоты. Вы можете легко просмотреть изменение неопределенности в реальном времени с помощью встроенного калькулятора неопределенности, который отображает вертикальные полосы над данными кривой. Возможность быстро проводить эти измерения, чтобы определить коэффициент шума, важна для оптимизации решения конечной системы наиболее экономичным способом.

Кабель и антенна

Зачем необходима проверка кабелей и антенн

Неисправные кабели, разъемы и антенны вызывают множество проблем с базовыми станциями сотовой связи. Отказ этих компонентов в сотовых системах создает сразу несколько проблем, включая плохое покрытие и неправильные переключения каналов. Измерения кабелей и антенн позволяют проверять и устранять неисправности в системах и антеннах приемо-передающих радиосистем. Эти измерения захватывают коаксиальный кабель (фидер), соединяющий передатчик с антенной, или кабель между антенной и приемником. Тестирование определяет места с высоким коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), как правило, это касается переходников и разъемов и поврежденных антенн. Кроме того, подобная проверка позволяет обнаружить обрывы или недопустимые изгибы кабелей.

Оперативная проверка кабелей и антенн в полевых условиях

Плохие погодные условия часто вызывают проблемы с обслуживанием и отказы в открытых линиях передачи в виде кабельной системы. В защищенных кабельных установках компоненты также подвергаются воздействию тепла, напряжения и попадания масел в систему. К тому же неисправности кабеля обычно возникают на стыках между кабелями и в местах соединений, где паяные соединения и обжимки кабеля ослабляются и ломаются.

Кроме того, линии передачи часто бывают длинными, и иногда на них образуются перегибы или обрывы, что делает практически невозможным измерение сквозного кабеля. Ниже приводится два метода устранения неполадок кабеля, которые в этом случае можно попробовать:

• Расстояние до места повреждения (Distance to faul, DTF) сообщает о местоположении каждого повреждения кабеля.
• Рефлектометрия во временной области (Time-domain reflectometry, TDR) характеризует тип повреждения, например изгиб кабеля или обрыв, при этом:
• изгиб кабеля будет иметь емкостной импеданс;
• порез на кабеле будет иметь индуктивный импеданс.

FieldFox может выполнять измерения DTF и TDR за один цикл, поэтому результаты отображаются одновременно, что экономит ваше время в полевых условиях (рис. 7).

Рис. 7. Измерение DTF, выполненное с помощью портативного анализатора FieldFox. Желтая кривая показывает кабель с открытым концом (обрывом), а синяя кривая, сохраненная в памяти, показывает тот же кабель с оконечной нагрузкой 50 Ом

FieldFox быстро и точно характеризует всю систему кабельной передачи, а также отдельные компоненты в системе. Благодаря возможностям измерения DTF и TDR, доступным одним нажатием кнопки, можно быстро определить местоположение и тип повреждения в кабельной линии. Также с помощью функций оценки отражения сигнала, обратных потерь и КСВН можно проверить характеристики одиночной антенны на месте ее установки. Если на одном узле установлено несколько антенн, то FieldFox также может проверить изоляцию (развязку) между антеннами, независимо от того, связаны ли антенны с одной и той же системой или с разными системами.

Дополнительная информация о тестировании кабелей и антенн представлена в документе «Techniques for Precise Cable and Antenna Measurements in the Field» («Методы точных измерений кабелей и антенн в полевых условиях») [7].

Тестирование систем по радиоэфиру

Что такое тестирование радиоканала по эфиру

Беспроводные сети становятся все более сложными, особенно с учетом новаторских технологий, таких как 5G. Поскольку современные беспроводные сети состоят из уровней в виде макроячеек, микросот и пикосот, покрытие сети представляет собой серьезную проблему, ведь пользователи переключаются с LTE на 5G, операторы сталкиваются с трудностями при определении и устранении неполадок зоны покрытия беспроводной сети. Измерения OTA оценивают уровень покрытия соты, необходимый для обеспечения непрерывного соединения в различных сценариях мобильной связи, включая голосовые, текстовые сообщения и услуги передачи данных.

Тестирование систем по радиоэфиру в полевых условиях

Тестирование в полевых условиях непосредственно из эфира — лучший способ проверить, что каждая ячейка имеет достаточно соседей для успешной передачи обслуживания между сотами. С помощью такого измерения, как Over-the-air (OTA), можно сканировать зону, чтобы определить, сколько ячеек доступно, какие из ячеек могут принимать на себя обслуживание, а какие не могут, и устранить проблемы, связанные с передачей обслуживания.

Приложение FieldFox OTA обеспечивает демодуляцию OTA LTE и 5G New Radio, что позволяет получить представление о покрытии соты. Эта информация включает физический идентификатор соты и измерения канала управления (часто называемого компонентной несущей) на любой заданной частоте для всех доступных сот. Измерения в режиме OTA также помогают решить общую проблему определения отсутствующих сот. FieldFox OTA предоставляет в этом плане широкие возможности — он отображает самые сильные ячейки на разных компонентных несущих. Эта возможность ускоряет процесс выбора наилучших частот для любого заданного местоположения, направленных для оптимизации переключения между частотами. FieldFox может отображать измерения ячеек в форматах таблицы, гистограммы и ленточной диаграммы, как показано на рис. 8.

Рис. 8. FieldFox может представлять данные о покрытии в формате таблицы, гистограммы, ленточной диаграммы или спектра и позволяет просматривать до восьми обнаруживаемых соседних сот

Для получения дополнительной информации о беспроводных измерениях 5G ознакомьтесь с рекомендациями по применению «5G Over-the-Air Performance Measurement and Evaluation Using FieldFox Handheld Analyzers» («Беспроводное измерение и оценка 5G с использованием портативных анализаторов FieldFox»), доступными по ссылке [8]. Сложность проведения измерений для 5G New Radio заключается в том, что антенны базовой станции с использованием активных антенных решеток формируют узкие диаграммы направленности в сторону абонентов. Кроме того, поскольку эта технология задействует очень высокие частоты, то из-за особенностей их распространения и сложности создания передатчиков высокой мощности применяются соты намного меньшего размера, чем для LTE, хотя канал LTE используется здесь как служебный [10, 11].

Заключение

Установка и обслуживание сотовых сетей, спутниковых наземных станций, радиосетей и других систем связи часто требует проверки и настройки в полевых условиях таких компонентов, как фильтры, дуплексеры или антенны. Компания Keysight Technologies разработала FieldFox для выполнения измерений, необходимых инженерам по эксплуатации, так что вам никогда не придется жертвовать возможностями прибора в пользу портативности.

Благодаря более чем 20 измерительным приложениям FieldFox вы можете работать с единым пользовательским интерфейсом, предоставляющим настраиваемые параметры для быстрых измерений, которые соответствуют настольной точности. Keysight Technologies также предлагает удобство и гибкость при обновлении вашего портативного анализатора с помощью устанавливаемых пользователем лицензионных ключей. Если нужно добавить к устройству дополнительные возможности измерения, нет необходимости отправлять FieldFox обратно в Keysight Technologies для обновления. Получить более подробную информацию об этих анализаторах можно на сайте компании по ссылке [3].