В рубрику "Подвижная связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Измерение параметров средств цифровой радиосвязи

А.М. Овчинников, главный инженер ФГУП СКБ "Радэл"
В.А. Галкин, ведущий инженер ФГУП СКБ "Радэл", к.т.н.
Е.П. Варукин, начальник лаборатории НИИР

Современное развитие профессиональной мобильной радиосвязи (ПМР) характеризуется широким внедрением цифровых технологий. Цифровые комплексы технических средств могут обеспечить все преимущества, связанные с цифровой обработкой сигналов: улучшение качества и надежности связи, повышение безопасности каналов связи, новые функциональные возможности, упрощение и повышение скорости передачи данных и т.д.

Наряду с достаточно широко представленными зарубежными стандартами цифровой ПМР (как правило, транкинговыми системами), в России разрабатываются и собственные цифровые комплексы радиосвязи, в основном работающие в конвенциональном режиме. Следует отметить, что, по мнению авторов статьи, некоторые современные отечественные комплексы цифровой радиосвязи по многим параметрам превосходят зарубежные технические средства. Для того чтобы это утверждение подтвердить или опровергнуть, следует договориться о правилах сравнения технических характеристик. В связи с этим встает задача унификации параметров УКВ-радиостанций и методик их измерения.

История вопроса

Российский стандарт, определяющий технические требования к УКВ-радиосредствам и методы измерений параметров этих радиостанций, был введен в действие 20 лет назад, то есть до сегодняшнего дня в России параметры УКВ-радиосредств и методики их измерения регулируются ГОСТ 12252-86 "Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы". Этот стандарт включает в себя технические требования к передатчикам и приемникам радиостанций в части электромагнитной совместимости, методы измерений указанных параметров, перечень стандартного измерительного оборудования и требований к нестандартному измерительному оборудованию.

ГОСТ 12252-86, введенный в действие в 1986 г., к настоящему времени в значительной степени устарел и не может в полной мере применяться к современным радиостанциям, прежде всего к радиостанциям с цифровой передачей данных. Указанный стандарт был разработан для радиостанций с аналоговым модулирующим сигналом; радиостанции с цифровой модуляцией не могут быть полностью описаны в терминах этого стандарта. Несоответствие аналоговых и цифровых радиостанций проявляется во всех аспектах - различные параметры, методы измерений, требования к составу и параметрам нестандартного измерительного оборудования.

Следует также учитывать то, что современные стандарты на электромагнитную совместимость (ЭМС) радиосредств в большинстве случаев предъявляют более жесткие требования к аппаратуре, чем это предписывается ГОСТ 12252-86.

Для адекватного измерения параметров цифровых радиостанций должны применяться специальные стандарты, адаптированные к современным требованиям по ЭМС и учитывающие всю специфику цифровой радиосвязи. Наряду со стандартами различных транкинговых систем профессиональной радиосвязи (TETRA, Tetrapol, АРСО 25 и т.д.), в каждом из которых рассматриваются свои методы измерения параметров радиосредств данного стандарта, существует европейский стандарт ETS 300 113, определяющий перечень контролируемых параметров цифровых радиостанций и методики их измерения.

Особенности измерения параметров цифровых радиостанций

Особенности измерения параметров цифровых радиостанций по сравнению с аналоговыми связаны с формированием модулирующего сигнала для передатчика и модулированного сигнала для приемника, а также с измерением характеристик передатчика в переходном режиме.

Стандартный модулирующий сигнал для проверки передатчика аналоговой радиостанции представляет собой синусоидальное колебание с частотой 300...3000 Гц, которое формируется непосредственно в высокочастотном генераторе либо создается внешним низкочастотным генератором синусоидальных колебаний. Для цифровой радиостанции в качестве стандартного модулирующего сигнала используется псевдослучайная последовательность бинарных импульсов заданной длительности, спектр которой ограничен специальным формирующим фильтром. Модулирующие сигналы для цифровых радиосредств распространенных стандартов (GSM, АРСО 25, TETRA и т.п.) воспроизводятся генераторами, специально разработанными для измерения параметров радиостанций соответствующих стандартов. Для формирования нестандартных цифровых модулирующих сигналов должны быть разработаны собственные генераторы.

Стандартный модулированный сигнал для проверки приемника аналоговой радиостанции формируется в высокочастотном генераторе. Большинство современных генераторов имеют функцию изменения несущей частоты внутренним или внешним низкочастотным монохроматическим синусоидальным колебанием. Стандартный модулированный сигнал для измерения параметров приемника цифровой радиостанции формируется с помощью модулирующего сигнала с ограниченным спектром и постоянной составляющей. Использование модулирующего сигнала такого вида возможно только с помощью специальных генераторов, предназначенных для проверки радиостанций цифровых стандартов и включающих в себя набор различных формирующих фильтров с произвольными назначаемыми параметрами.

Необходимость измерения параметров передатчика в переходном режиме отражает современные требования на электромагнитную совместимость радиоустройств, которые должны выполняться не только в установившемся режиме передачи, но и в процессе включения/выключения передатчика. Недопустимо даже кратковременное, в течение переходного процесса включения передатчика, превышение уровня допустимых побочных излучений. Европейский стандарт ETS 300 113 ограничивает мощность передатчика в переходном режиме, если несущая частота передатчика не установлена в заданном диапазоне.

Кроме того, вводятся дополнительные повышенные требования на избирательность приемника и его динамический диапазон, которые призваны обеспечить работоспособность приемника в условиях сложной помеховой обстановки.

В табл. 1 приведен перечень параметров передатчиков и приемников аналоговых радиостанций, подлежащих измерению по ГОСТ 12252-86. В этой же таблице для сравнения приводится перечень параметров передатчиков и приемников цифровых радиостанций, определенных европейским стандартом ETS 300 ИЗ. Из табл. 1 видно, что ГОСТ 12252-86 определяет для аналоговых радиостанций 11 параметров передатчика и 10 параметров приемника. Стандарт ETS 300 113 определяет для цифровых радиостанций 8 параметров передатчика и 8 параметров приемника. При этом полностью совпадают (являются общими для обоих видов радиостанций) только 5 параметров передатчика и 5 параметров приемника.

Часть параметров передатчика и приемника, определенных для аналоговых радиостанций, не могут быть измерены в цифровых радиостанциях в силу специфики цифрового формирования модулирующего и модулированного сигналов. К таким параметрам относятся:

• отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика от характеристики с предкоррекцией 6 дБ/октава;
• девиация частоты передатчика в зависимости от модулирующей частоты;
• коэффициент нелинейных искажений передатчика;
• коэффициент нелинейных искажений приемника;
• отклонение амплитудно-частотной характеристики приемника от характеристики с предкоррекцией 6 дБ/октава).

Другие параметры передатчиков и приемников цифровых радиосредств не могли быть определены ранее для аналоговых радиостанций, так как эти параметры отражают более высокий уровень современных требований к электромагнитной совместимости излучающих устройств. К таким параметрам относятся:

• время нарастания (падения) мощности передатчика;
• время включения (выключения) передатчика;
• мощность излучения передатчика в соседнем канале в переходном режиме;
• ухудшение качества приемника при большом уровне входного сигнала;
• избирательность приемника по вну- триканальной помехе;
• блокировка приемника.

Методики измерения параметров

Измерение параметров цифровых радиостанций не может в полной мере проводиться по методикам, предназначенным для оценки технических характеристик аналоговых радиосредств.

Рассмотрим методики измерения параметров цифровой аппаратуры радиосвязи в соответствии со стандартом ETS 300 ИЗ. В первую очередь, необходимо определить требования как к наиболее важному стандартному измерительному оборудованию, так и к нестандартной контрольной аппаратуре, обеспечивающей, совместно со стандартными приборами, адекватное измерение параметров цифровых радиостанций.

Полный перечень стандартных измерительных приборов с указанием возможных типов конкретного оборудования приведен в табл. 2.

Ключевой аппаратурой в перечне стандартного измерительного оборудования являются следующие приборы: высокочастотный генератор модулированных сигналов, анализатор спектра, высокоскоростной запоминающий осциллограф.

Высокочастотный генератор модулированных колебаний должен обеспечивать поддержку следующих основных функций:

• генерация псевдослучайной бинарной цифровой последовательности заданной длины (от 2 до 512 символов), генерация непрерывной информационной единицы (нуля);
• формирование цифрового сигнала с заданной символьной скоростью (от 4,8 до 19,2 кбит/с);
• ограничение спектра цифрового сигнала формирующими фильтрами Найквиста и Гаусса с устанавливаемыми параметрами;
• доступность цифрового модулирующего сигнала в векторном и квадратурном виде для последующего использования в передатчике для модуляции несущей частоты;
• возможность использования внешней цифровой последовательности для формирования цифрового сигнала;
• частотная модуляция монохроматического высокочастотного колебания с заданной величиной девиации внутренним цифровым сигналом;
• частотная модуляция монохроматического высокочастотного колебания с заданной величиной девиации внешним цифровым сигналом в векторном или квадратурном виде. Запоминающий осциллограф должен иметь максимальную частоту оцифровки анализируемого сигнала не менее 200 МГц. Специфических требований к анализатору спектра не предъявляется.

Измерение параметров передатчика и приемника цифровой радиостанции невозможно без применения нестандартного оборудования, которое можно разделить на два типа: оборудование управления радиостанцией и оборудование для поддержки измерений.

Оборудование для управления радиостанцией фактически должно представлять собой пульт, который обеспечивает установку передатчика и приемника радиостанции в требуемый режим работы. Пульт должен формировать команды включения/выключения передатчика, установки рабочей частоты и мощности, автоматическое сканирование по частотам и т.п., а также отображать сообщения передатчика и приемника о состоянии устройства и о режиме работы.

Нестандартное измерительное оборудование предназначено для поддержки измерений в части выполнения специальных функций, которые не выполняются стандартным измерительным оборудованием. Минимально необходимым можно считать набор следующих устройств:

• формирователь специальных синхроимпульсов, обеспечивающих синхронность работы передатчика и стандартного измерительного оборудования при измерении параметров передатчика в переходном режиме (включение/выключение);
• полосовой высокочастотный фильтр, удовлетворяющий специальным требованиям стандарта ETS 300 ИЗ для измерения мощности передатчика в соседнем канале;
• широкополосный смеситель, обеспечивающий перенос произвольной несущей частоты передатчика на частоту пропускания измерительного полосового фильтра;
• широкополосный частотный детектор для формирования сигнала ошибки установки частоты синтезатора;
• формирователь тестовых цифровых сигналов для пакетной или непрерывной передачи информации и измеритель достоверности, определяющий количество ошибочно принятых бит информации по сравнению с исходной цифровой последовательностью.

Методические указания

В методике измерений параметров трансивера на соответствие требованиям стандарта ETS 300 ИЗ, отдельные положения которой приводятся ниже, определены параметры приемников и передатчиков радиостанций, подлежащие измерению, и функциональные схемы измерений этих параметров.

Типы радиостанций

Данная методика относится к базовым радиостанциям (выходная мощность до 60 Вт), автомобильным радиостанциям (выходная мощность до 20 Вт) и переносным радиостанциям (выходная мощность до 2 Вт).

Все радиостанции имеют стандартный высокочастотный разъем с волновым сопротивлением 50 Ом.

Модулирующие сигналы

Для измерения параметров передатчика и приемника используются цифровые модулирующие сигналы следующих видов:

• D-M0 - передача постоянного значения бита "0";
• D-M1 - передача постоянного значения бита "1";
• D-M2 - передача псевдослучайной последовательности бит "0" и "1" длиной 511 символов.

Дополнительно для проверки параметров приемника используются высокочастотные модулированные сигналы следующего вида:

• A-M3 - частотно-модулированный сигнал с синусоидальным модулирующим сигналом частотой 400 Гц и девиацией 3 кГц;
• A-M31 - частотно-модулированный сигнал с синусоидальным модулирующим сигналом частотой 400 Гц и девиацией 1,5 кГц.

Измерительное оборудование

Формирование цифровых модулирующих сигналов с заданными параметрами, управление работой транси-вера и определение достоверности приема информации (функции BER) осуществляется с помощью специального пульта управления.

Условия измерений

• Нормальные климатические условия: температура 15..35 °С, влажность 20-75%.
• Предельный рабочий температурный диапазон -20...+55 °С.
• Предельный диапазон изменения напряжения питания аккумуляторов (l,3...0,9)xUHOM, где Uном - номинальное напряжение питания.
• Все измерения проводятся на трех частотах: первая частота находится в пределах минус 100 кГц от верхней рабочей частоты, вторая - в пределах ±100 кГц от центральной частоты, третья - в пределах +100 кГц от нижней рабочей частоты.

Параметры передатчика

Определения параметров передатчика и требуемые значения этих параметров в соответствии с ETS 300 ИЗ приведены в табл. 3.

Рассмотрим методики измерения тех параметров цифровых радиостанций, которые не контролируются для аналоговых радиосредств.

Время включения (выключения) мощности передатчика и нарастания (падения) мощности передатчика

Измерение указанных переходных характеристик передатчика производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 1.

На передатчик поступают сигналы управления синтезатором частоты, включения передатчика и модулирующий сигнал D-M0 или D-M1, совместно обеспечивающие попеременную работу передатчика в режиме включено/выключено на требуемой частоте рабочего канала F_ch. Выход передатчика соединен с входом логарифмического усилителя измерительного приемника, выход приемника соединен со входом запоминающего осциллографа.

Осциллограф устанавливается в режим ждущей развертки, внешний запуск развертки осуществляется по сигналу включения передатчика. По осциллографу определяется время выключения передатчика и время падения мощности.

Время установления частоты

Измерение времени установления частоты производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 2.

На передатчик поступают сигналы управления синтезатором частоты, включения передатчика и модулирующий сигнал D-M0 или D-M1, совместно обеспечивающие попеременную работу передатчика на частотах рабочих каналов F_ch1 и F_ch2. Передатчик соединен с входом частотного детектора приемника, на второй вход детектора поступает частотно-модулированный сигнал от внешнего генератора, выход детектора соединен с входом запоминающего осциллографа.

Центральная частота внешнего генератора устанавливается равной F_ch1 + f_dev для модулирующего сигнала D-M0 и F_ch1 - fdev для модулирующего сигнала D-M1, где f_dev - величина девиации передатчика. Величина девиации внешнего генератора устанавливается на значениях 1, 6,25 или 12,5 кГц. Передатчик переключается с частоты F_ch2 на частоту F_ch1. Сигнал переключения частот передатчика одновременно является сигналом начала развертки осциллографа.

Время перестройки частоты определяется как интервал времени между началом развертки осциллографа и достижением выходной частотой измерительного приемника с значениями 1, 6,25 или 12,5 кГц.

Затем центральная частота внешнего генератора устанавливается равной F_ch2 + f_dev для модулирующего сигнала D-M0 и F^ - f_dev для модулирующего сигнала D-M1, где f_dev - величина девиации передатчика. Величина девиации внешнего генератора устанавливается на значениях 1, 6,25 или 12,5 кГц. Передатчик переключается с частоты F_ch1 на частоту F_ch2, и измерения повторяются.

Время установки частоты зависит от диапазона переключаемых частот f_ch1 – f_ch2, требуемой точности, типа организации сети, и поэтому конкретная величина этого параметра в стандарте ETS 300 113 не указывается. Стандартом регламентируется только взаимосвязь времени установки частоты и времени установки мощности, а именно: выходная мощность передатчика в процессе переключения каналов не может превышать величину P₀ - 30 дБ до тех пор, пока выходная частота передатчика не будет установлена в диапазоне частот f_ch ± 1/2 Af, где fch - номинальная частота рабочего канала; Af - ширина рабочего канала.

Параметры приемника

Определения параметров передатчика и требуемые значения этих параметров в соответствии с ETS 300 ИЗ приведены в табл. 4.

Также как и в случае с передатчиком, рассмотрим методики измерения тех параметров цифровых радиосредств, которые не контролируются для аналоговых станций.

Ухудшение качества приемника при большом уровне входного сигнала

Измерение ухудшения качества приемника при большом уровне сигнала производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 3.

Приемник устанавливается на заданный рабочий канал с центральной частотой F_ch. Модулирующий сигнал D-M2 поступает на модулирующий вход высокочастотного генератора; модулированный высокочастотный сигнал величиной 200 мВ (эфф.) и несущей частотой F_ch, равной центральной частоте рабочего канала приемника, поступает на высокочастотный вход приемника.

По детектированному сигналу с выхода приемника, поступающему на пульт управления, измеряется величина BER. Относительный уровень ошибочно принятых бит не должен превышать BER < 104.

Избирательность по внутриканальной помехе

Измерение избирательности по внутриканальной помехе производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 4.

Приемник устанавливается на центральную частоту F_ch. Модулирующий сигнал D-M2 поступает на модулирующий вход высокочастотного генератора 1; модулированный высокочастотный сигнал величиной 2 мкВ (эфф.) и несущей частотой F_ch, равной центральной частоте рабочего канала приемника, поступает на сумматор. На второй вход сумматора поступает немодулированный сигнал высокочастотного генератора 2 с частотой F_ch, равной центральной частоте рабочего канала приемника.

Суммарный сигнал поступает на высокочастотный вход приемника. Детектированный сигнал с выхода приемника поступает на пульт управления для вычисления BER.

Измеряется уровень сигнала на выходе немодулированного генератора 2, при котором достигается граничное значение относительной величины ошибочно принятых бит информации BER=0,01.

Затем частота немодулированного генератора 2 смещается относительно центральной частоты модулированного генератора 1 на ±3 кГц при расстоянии между каналами 25 кГц и на ±1,5 кГц при расстоянии между каналами 12,5 кГц, после чего измерения повторяются.

Максимальная из измеренных величин мешающего сигнала на выходе немодулированного генератора 2 должна быть не менее 0,8 мкВ (-8 дБм) при расстоянии между каналами 25 кГц и не менее 0,5 мкВ (-12 дБм) при расстоянии между каналами 12,5 кГц.

Блокировка

Измерение избирательности по внутриканальной помехе производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 4.

Приемник устанавливается на центральную частоту F_ch. Модулирующий сигнал D-M2 поступает на модулирующий вход высокочастотного генератора 1; модулированный высокочастотный сигнал величиной 2 мкВ (эфф.) и несущей частотой F_ch, равной центральной частоте рабочего канала приемника, поступает на сумматор. На второй вход сумматора поступает немодулированный сигнал высокочастотного генератора 2; частота генератора равна ±1, ±2, ±5, ±10 МГц относительно частоты модулированного генератора 1. Суммарный сигнал поступает на высокочастотный вход приемника. Детектированный сигнал с выхода приемника поступает на пульт управления для вычисления BER.

Измеряется уровень высокочастотного сигнала на выходе высокочастотного генератора 2, при котором граничное значение относительной величины ошибочно принятых бит информации BER < 0,01.

Максимальная из измеренных величин мешающего сигнала на выходе генератора 2 должна быть не менее 32 мВ (84 дБ).

Заключение

Действующие в настоящее время российские стандарты, определяющие требования к УКВ-радиостанциям, морально устарели и не позволяют адекватно оценить и сравнить технические характеристики отечественного оборудования с зарубежными аналогами.

В то же время приведенный обзор методов измерения параметров передатчиков и приемников цифровых радиостанций показывает, что для измерений по приведенной методике не требуется применения уникальных приборов или другого сложного оборудования.

Российские регулирующие органы последовательно движутся в сторону сближения с администрациями связи европейских государств и, в частности, в области стандартизации. Гармонизация нормативной базы Европы и России, как части Европы, способствует дальнейшему развитию в России перспективных цифровых технологий. Поэтому, по мнению авторов статьи, внедрение в России данных методик измерения параметров цифровых радиостанций и принятие их в виде нормативного документа позволит разработчикам и контролирующим органам упорядочить проверку и выдачу заключений о соответствии такого оборудования российским требованиям и будет способствовать прекращению дискуссий о выборе той или иной методики испытаний.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2006
Посещений: 31804

В рубрику "Подвижная связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций