Komunikace a měření. Měření na vysílačích a přijímačích A2B37KMM/AD2B37KMM. Verze května 2016

Transkript

1 A2B37KMM/AD2B37KMM Komunikace a měření v multimediální technice Měření na vysílačích a přijímačích Verze května 2016 Ing. Štěpán Matějka, Ph.D. matejka@feld.cvut.cz Katedra radioelektroniky K13137 Fakulta elektrotechnická ČVUT Praha Technická Praha 6 Tato prezentace slouží pouze jako studijní pomůcka pro studenty předmětů A2B37KMM/AD2B37KMM. Žádné jiné využití (jakékoliv kopírování, zveřejňování apod.) není povoleno bez přímého projednání s autorem.

2 Klasifikace měření na vysílači/přijímači Měření na vysílači (Tx) a přijímači (Rx) v digitální rádiové komunikaci Tx + Rx V pásmu (In-Band) V kanálu (In-Channel) MK T S M S Mimo pásmo (Out-of-Band) EP, PP, AP, PAPR hist., PDF, CDF, CCDF Měření časování Šířka kanálu Nosná frekvence Výkon v kanálu Šířka pásma EVM, MER, TEV, I/Q defekty Chyba f a θ Charakteristika kanálu ρ faktor Výkon v kódové doméně ACPR Neharm. rušivé produkty Neharm. rušivé produkty Harm. rušivé produkty Rx (BER, SER, FER) VK MK Citlivost Potl. ruš. signálu v kanálu Odolnost proti ruš. signálům Odolnost proti intermod. produktům Blízká selektivita Test v kanálu s únikem Diagram oka, mříž. diagram, vektorový/stavový diagram Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 2 z 35

3 Klasifikace měření na vysílači/přijímači Měření na vysílači a přijímači v digitální rádiové komunikaci Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 3 z 35

4 Signálový prostor :: Analogová modulace nosné vlny [ π θ ] s( t) = A( t)cos 2 f ( t) t + ( t) sɶ ( t) = A( t)exp( jθ ( t)) = I( t) + jq( t) c Amplitudová modulace, AM A(t), hloubka modulace Frekvenční modulace, FM f c (t), frekvenční zdvih, index FM Fázová modulace, PM θ (t), fázový zdvih, index PM Modulovaný signál v podobě komplexní obálky (eliminace f c ) chápeme jako vektor v komplexní rovině signálovém prostoru. Nosná vlna se stává horizontálně orientovaným vektorem referenčním signálem. θ ( t) A( t) AM FM PM Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 4 z 35

5 Signálový prostor :: Digitální modulace nosné vlny Lineární digitální modulace bez paměti (speciální případ!): ɶs ( t) = A d h( t nt ) amplituda s n s n kanálový (= datový) symbol modulační funkce Bází rozkladu pro n-tý symbol je modulační impuls (např. RC, RRC, ) symbol h( t nt s ) Konstelací modulace je množina jednodimenzionálních vektorů v signálovém prostoru M { [ ] C} d 1 sn As dn i m= Q ( t ) I [ ] h( t) R[ s ] I( t ) n! s n vektorový diagram projekce časového vývoje s(t) do komplexní roviny konstelační diagram diagram modulace v signálovém prostoru Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 5 z 35

6 Měření výkonu Časově závislé a skalární veličiny výkonu 1 Okamžitý výkon pins ( t) = 2 Re u( t) i ( t) Špičkový výkon p = max( p ( t)) Střední výkon Obálkový výkon pk T avg ins p = Avg( p ( t)) avg T avg ins p ( t) = Avg ( p ( τ)) env τ ( t, t+ T ) Špičkový obálkový výkon p = max( p ( t)) pkenv sig ins T avg env ( ) Z L P P pk P ins ( t ) P avg Penv ( t ) 0 T avg t Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 6 z 35

7 Měření výkonu Další veličiny odvozené z veličin výkonu Peak-to-Average Power Ratio PAPR poměr špičkového a středního obálkového výkonu PAPR = p p pkenv avgenv T T avg Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 7 z 35

8 Měření výkonu :: Statistická doména Náhodná veličina X soubor vzorků obálkového výkonu { i} i 1 PDF hustota pravděpodobnosti PDF( x) N X = CDF distribuční funkce CDF( x) = Pr{ X x} CCDF komplementární distribuční funkce { } CCDF ( x ) = Pr X > x = 1 CDF ( x ) Histogram aproximace hustoty pravděpodobnosti { } H = N Pr x < X x + i X i i 1 CCDF( PAPR ) = Pr 0 { PAPR > PAPR } 0 Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 8 z 35

9 Měření výkonu :: Časová doména TDMA systémy, pulsní signály (radar), penv ( t ) t Wattmetr s rychlým detektorem (BW) a vzorkováním (100 MSa) s možností časové brány (Time Gating) měření délek náběžných a týlových hran, překmitů, vzdáleností pulsů, činitele plnění, měření uvnitř pulsu střední a špičkový výkon, PAPR, CCDF, Měření pulsu (maska burstu TDMA systému), synchronizace v systému ( burst timing ) penv ( t ) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 9 z 35 t

10 Měření ve spektrální oblasti Nosná frekvence (Carrier Frequency) Měření frekvence nemodulované nosné (čítač, SA) nebo modulované nosné s pilotním signálem (selektivní měření kmitočtu SA) Měření extrému nebo osy symetrie (těžiště) spektra Měření referenčních signálů systému + následná kalkulace podle schématu syntézy nosného kmitočtu Šířka kanálu (Channel Bandwidth) Kontrola Spektra signálu proti spektrální masce (teoretické nebo udané normou) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 10 z 35

11 Měření ve spektrální oblasti Výkon v kanálu (Channel Power) Průměrný výkon v definované šířce pásma kolem nosné Pch = PSD( f )df BW Šířka pásma (Occupied Bandwidth) Jak široké je frekvenční pásmo, které obsahuje k % (typ. 99 %) celkového výkonu modulovaného signálu OBW OBW k% PSD( f )df = Ptot 100 =?! Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 11 z 35

12 Měření ve spektrální oblasti Rušivé produkty v kanálu/v pásmu Hlavní původce nelinearita kanálu (typ. koncového stupně vysílače) Projevy nelinearity ve spektru PSD PSD f f Kvantifikace nelinearity Jednotónový test bod komprese (1dB) AM/AM, AM/PM charakteristiky Dvoutónový test body zahrazení pro intermodulační produkty lichých řádů (3. řádu) Multitónový test ACPR, ACLR, Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 12 z 35

13 Měření ve spektrální oblasti Jednotónový test Dvojtónový test P out P OCP1 1 db P out P OCP1 P OIP3 1 db/db P IIP3 3 db/db P ICP1 P in P ICP1 P in y( t) = a x( t) + a x ( t) + a x ( t) + 1 A f f2 Pásm. filtr MF filtr 2 f1 f2 2 f2 f1 1 A f f2 f LNA AGC f LO f Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 13 z 35

14 Měření ve spektrální oblasti Příklad: Měření potlačení intermodulačních produktů uvnitř vysílače (GSM) SA V pásmu Rx < -98 dbm A bis BTS U m DPX Rx Příklad: Měření potlačení intermodulačních produktů na vysílači při současném buzení interním a externím signálem (GSM) A bis BTS U m P G P max SA Rx DPX V pásmu Rx < -98 dbm Externí generátor harmonického signálu navázán přes SVČ G Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 14 z 35

15 Měření ve spektrální oblasti ACPR (Adjacent/Alternate Channel Power Ratio) Míra pronikání výkonu do sousedních kanálů ACPR = P P AVG _ ACH AVG _ TxCH [ dbc, %] TDMA systémy A(f, t) t f a) Vyzařování mimo kanál v důsledku modulace (a zkreslení) b) Vyzařování mimo kanál v důsledku klíčování vysílače Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 15 z 35

16 Měření ve spektrální oblasti Neharmonické a harmonické rušivé produkty Úroveň definována spektrální maskou ( In-Band měření) nebo maximální přípustnou hodnotou výkonu v dané šířce pásma ( Out-Of-Band měření) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 16 z 35

17 Měření v modulační doméně (MMD) Analýza signálu v signálovém prostoru I/Q rovině Q Q I Q 4-QAM nominální pozice symbolu v signálovém prostoru skutečná pozice přijatého symbolu v signálovém prostoru I I Původní signál R Chyba amplitudy M R Chyba fáze arg(m) arg(r) Měřený signál M Chybový vektor E = M R Velikost chybového vektoru E Fáze chybového vektoru arg(e) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 17 z 35

18 Měření v modulační doméně (MMD) Error Vector Magnitude EVM efektivní hodnota chybového vektoru přes N symbolů EVM RMS 2 M n Rn = n N 2 R n N n [ ] 100 % Normováno střední či špičkovou hodnotou R Q Q I I Modulation Error Ratio MER efektivní hodnota chybového vektoru přes N symbolů MER db ( In Qn ) + n N = 10log 2 2 ( In + Qn ) n N Signal-to-Noise Ratio SNR ~ MER ~ 1/EVM Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 18 z 35

19 MMD :: Zkreslení signálu v I/Q rovině podle příčiny Šum Rušivý harmonický signál v kanálu EVM, MER (dynamické i statické zkreslení) Fázový šum DG I Q = 1 min, Q I Q QPE = 90 θ Pronikání nosné vlny Úrovňové rozvážení I/Q složek (I/Q Gain Error), [%], [db] Chyba kvadratury I/Q složek (I/Q Phase Error), [ ] I θ TEV (Target Error Vector) (statické korigovatelné zkreslení) Komprese v amplitudě (Compression), [%] Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 19 z 35

20 MMD :: Zkreslení signálu v I/Q rovině podle příčiny 1. Šum s přibližně konstantní PSD 2. Rušivý harmonický signál v kanálu EVM, MER 3. Fázový šum nosné vlny 4. Úrovňové rozvážení I/Q složek 5. Chyba kvadratury I/Q složek 6. Komprese v amplitudě 7. Další těžko uchopitelné projevy (AM/PM konverze, rušivý signál, ) TEV Target Error Vector, Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 20 z 35

21 MMD :: Target Error Vector TEV TEV (Target Error Vector) definován v signálovém prostoru stejně jako chybový vektor, zahrnuje však pouze statické zkreslení M-QAM TEV = úrovňové rozvážení + chyba kvadratury + komprese Chybový vektor Šum v kanálu a fázový šum Rušivý harmonický signál Efektivní hodnoty amplitudy všech symbolů System Target Error Mean STEM střední hodnota velikosti chybového vektoru TEV System Target Error Deviation STED směrodatná odchylka velikosti chybového vektoru TEV 1 S = I + Q 2 2 ( ) rms j j N j N STEM = 1 1 TEV S rms STED = TEV k STEM S 2 rms M k M M k M k 2 Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 21 z 35

22 MMD :: Speciální případ modulace třídy CEM CEM (Constant Envelope Modulation) modulace s konstantní obálkou Q I A t = I t + Q t = konst ( ) ( ) ( ). θ ( t ) = fce ( t ) Smysl má zobrazení θ( t), f ( t) = d θ( t) / dt 1 2π Chyba fáze maximální θ pk = ( θ n ) max [ ] n err Chyba fáze RMS θ rms = 1 2 N θerr[ n] n Střední chyba frekvence f = Avg t avg 1 2 π (d θerr / d ) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 22 z 35

23 Stanovení kvality příjmu přijímačů digitální modulace Srovnávací veličina rádiových přijímačů? A) Přijímač systémů s analogovými modulacemi (analogový signál) výkon přijatého signálu na výstupu (AM, xx mw) odstup signálu od šumu na výstupu (SINAD) Užitečný signál na výst. př. Rušivý signál na výst. př. = X db B) Přijímač systémů s digitálními modulacemi (číslicový signál) míra shody mezi vyslanými a přijatými binárními daty BER (Bit Error Ratio) Generátor vf data BER Přijímač V rms, P s Tester BER = počet chybně přenesených bitů celkový počet přenesených bitů 1 Ale taktéž i jiné veličiny definované nad vyššími logickými celky SER (symbol), PER (paket), FER (rámec frame), Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 23 z 35

24 Bitová chybovost BER BER = počet chybně přenesených bitů celkový počet přenesených bitů BER = = 2 0,5? BER N e BER = lim N N Odhad BER( e, N) = N =? e N Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 24 z 35

25 Bitová chybovost BER p n 1 k n 0 Binomické rozložení n P ( k ) = (1 ) p p k PDF n N k n k Jaká je ppt, že nastalo k událostí v n pokusech, přičemž ppt vzniku události při jednom pokusu je p. k e Přístup k problému: 1 γ 0 PDF A. Jak dlouho (n =?) musíme měřit a s jakým výsledkem (max. počet chyb), abychom měli CL% jistotu, že skutečná BER je lepší (tedy menší) než γ. B. Jak přesně jsme změřili BER při vyhodnocení n bitů? Hledáme interval v němž leží skutečná BER s CL% jistotou. Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 25 z 35

26 Bitová chybovost BER ɶ p = 10 Příklad: 10 CL = 95% DR =10 Gb/s 10 n = 3 10 e 0 n = 4,3 10 ( t = 3 s) ( t = 4,3 s) e 1 10 Příklady časů měření pro různé bitové rychlosti Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 26 z 35

27 Bitová chybovost BER :: Měření Existuje několik způsobů měření BER: Loopback systém vyhodnocovaná datová posloupnost je přivedena zpět do datového generátoru je možné měřit libovolně velké chybovosti se zdrojem náhodných dat je nutná existence zpětné cesty Systém s obnovením originální datová posloupnost je na straně detekce chyb obnovena podle známého algoritmu není nutná existence zpětné cesty typicky lze měřit pouze malé chybovosti (synchronizace generátoru PNP) BER Gen. PNP Komp. Generátor (Vysílač) Přijímač Gen. PNP Komp. BER Kde všude měříme? BER na vf BER na mf BER na I/Q před dekodérem za dekodérem Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 27 z 35

28 Bitová chybovost BER :: Měření Systém s opravnými kódy systému inherentní opravné kódy zajišťují obnovení originální datové posloupnosti není nutná existence zpětné cesty ani použití externího BER testeru lze použít libovolnou datovou posloupnost lze měřit pouze velmi malé chybovosti opravný kód musí vše opravit BER > BERc > BERcb VF Det. Dek. konv. Dek. blk. BERr QEF Opravné kódy (blokové i konvoluční) snižují velikost BER, pro měření požadujeme, aby BERcb 0 stav QEF (Quasi Error Free) A. Měříme BERr proti téměř opravené posloupnosti za dekodéry B. Docilujeme BERr = konst. proti opravené posloupnosti za dekodéry, přičemž QEF je definováno normou (např ) Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 28 z 35

29 Měření parametrů přijímačů A. Citlivost přijímače (Sensitivity) B. Odolnost proti rušícímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejection) C. Odolnost proti rušícímu signálu mimo kanál (Spurious Immunity) D. Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity) E. Blokování (Blocking) F. Měření blízké (kanálové) selektivity (Adjacent/Alternatente Channel Selectivity) G. Potlačení AM (AM Suppression) H. Test v kanálu s únikem (Fading Tests) I. Další testy odvislé od normy Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 29 z 35

30 Měření parametrů přijímačů A. Citlivost přijímače (Sensitivity) Hledáme takovou velikost vstupního signálu, kdy BER dosahuje určité definované hodnoty (Pouze vnitřní šum přijímače) Generátor vf data BER Přijímač V rms, P s Tester P in BER BERref = =? B. Odolnost proti rušícímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejection) Generátor Generátor vf data BER Přijímač P Tester P vf vf ruš. P d P = P + 3 db vf in BER = BERref P =? P d BER = BERref CCR = P P [ db] Detailní podmínky měření jsou odvislé od systému a definuje je příslušná norma d vf Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 30 z 35

31 Měření parametrů přijímačů C. Odolnost proti rušícímu signálu mimo kanál (Spurious Immunity) Rušivé signály vznikající uvnitř přijímače bez připojeného vf signálu kontrola přijímače v analogové části pomocí SA Rušivé signály vznikající uvnitř přijímače s připojeným vf signálem měření prováděno stejným principem jako u odolnosti proti ruš. signálu v kanálu D. Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity) Dvoutónový test dva signály mimo kanál generují na nelinearitách přijímače intermodulační produkt spadající do měřeného kanálu P tst BER= BER ref =? Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 31 z 35

32 Měření parametrů přijímačů E. Blokování Pro definovaný vstupní výkon užitečného signálu a interferujícího signálu musí být chybovost menší než požadovaná hodnota Konfigurace měření je stejná jako v předchozím případě, avšak úrovně interferujícího signálu (modulovaný signál a harmonický signál) jsou větší 1. Předběžný test s ohledem na kmitočet LO a MF kmitočty přijímače se vytipuje množina kritických kmitočtů, na nichž se bude měření provádět (< 12,75 GHz, ofset > 600 khz), interferující signál 2 khz/100 khz 2. Měření blokování interferující signál je modulovaný či harmonický, jsou zaznamenány kmitočty, na nichž je překročen požadovaný limit BER 3. Měření potlačení ruš. kmitočtů je prováděno na kmitočtech, které nevyhověly při měření blokování, interferující signál je nemodulovaný (-43 dbm), musí splnit požadavky na limitní BER Pozn.: Platí pro systém GSM Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 32 z 35

33 Měření parametrů přijímačů F. Měření blízké (kanálové) selektivity (Adjacent/Alternatente Channel Selectivity) Měření prováděno stejným principem jako u odolnosti proti rušícímu signálu v kanálu Generátor vf data BER Přijímač Tester S vf1 Generátor vf ruš. S vf2 Pronikání rušivého signálu a) Pásmová propust mf. filtr přijímače není ideální b) Šířka pásma signálu je větší než kanálová rozteč z definice tvorby modulovaného signálu (tvarovací filtry modulátoru) nelineárním zkreslením v řetězci fázový šum lokálních oscilátorů Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 33 z 35

34 Měření parametrů přijímačů G. Potlačení AM (TDMA systémy) vyjadřuje schopnost přijímače přijmout požadovaný signál v přítomnosti rušivého signálu na jiném kmitočtu, avšak se změnou amplitudy uvnitř čas. slotu Užitečný i rušivý signál mají definovanou výkonovou úroveň, časový a frekvenční ofset (> 6 MHz) Měří se podobně jako ostatní odolnosti H. Test v kanálu s únikem Kontrola funkce přijímače v podmínkách blízkých reálnému provozu. Doporučené profily kanálů podle systému, modulace, Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 34 z 35

35 Konec prezentace Matějka, Š.: Měření na vysílačích a přijímačích Strana 35 z 35