טכניקות מדידה ודרישות בנוגע לבדיקת הפרעות בסביבת תקשורת אלחוטית

רולנד ז’אנג
Agilent Technologies

במערכות תקשורת אלחוטית, הפרעות בערוץ האלחוטי עלולות להוות בעיה של ממש ולהפריע לקליטת האותות הרצויים. ההפרעות יכולות לנבוע ממגוון מקורות קרינה מכוונים, בלתי מכוונים ומקריים ולהתקיים בספקטרום תדרים מורשה ובלתי מורשה כאחד. נוכח הנדירות ההולכת וגוברת של ספקטרום תדרי הרדיו והמאמצים המתמשכים לשפר את מידת התאמתו לקיבולות ולביצועים הגבוהים ביותר (לדוגמה, באמצעות שיתוף או שימוש חוזר), מערכות התקשורת האלחוטית נדרשות כעת לפעול תחת כמות מוגבלת של הפרעות רדיו. למרבה הצער, בעת שהביקוש לספקטרום הולך וגובר, כך מתרבות גם ההפרעות המאפיינות את המערכת האלחוטית. כתוצאה מכך, היכולת לזהות ולצמצם את ההפרעות הפכה ליכולת חיונית, אשר מבטיחה את פעילותן התקינה של המערכות האלחוטיות. מובן, כי בדיקת ההפרעות בסביבה אלחוטית אינה משימה קלה כלל ועיקר, ואף מצריכה טכניקות מדידה חדשות וגיבוש דרישות נוספות עבור מכשור המדידה הקיים. טיפול נאות במשימה זו מחייב שימוש בכלי מדידה מתקדם, כגון נתח אותות בעל ביצועים גבוהים, אשר מאפשר הערכה, ניטור וניהול של רמות ההפרעה הקיימות בין מערכות שונות של תקשורת אלחוטית.

סיווג ההפרעה
בעת טיפול במערכות תקשורת אלחוטית, קיים צורך להתמודד עם סוגים שונים של הפרעות. לעתים מזומנות, הפרעות אלה מסווגות כדלקמן:
In-band interference – תמסורת בלתי רצויה שמקורה במערכת תקשורת אחרת, או במקור קרינה בלתי מכוון, אשר מצויים מחוץ לרוחב פס הפעולה של המערכת הרצויה.
Co-channel interference – סוג נפוץ של הפרעת רדיו, שנובעת מהתקן רדיו אחר, אשר פועל במסגרת אותה מערכת אלחוטית.
Out-of-band interference – הפרעה שמקורה במערכת אלחוטית, אשר מיועדת לפעול בתחום תדרים מוגדר, אולם בגין סינון בלתי נאות, חוסר ליניאריות ו/או זליגה, מעבירה אנרגיה לתוך תחום התדרים של מערכת אלחוטית אחרת.
Adjacent channel interference – התוצאה המתקבלת כאשר תמסורת המתבצעת בערוץ התדרים הרצוי מפיקה אנרגיה בלתי רצויה בערוצים סמוכים נוספים, בדרך כלל במסגרת אותה מערכת.
הפרעת uplink – הפרעה שמשפיעה על מקלט תחנת הבסיס ועל התקשורת הנלווית, המתקיימת בין התקנים ניידים לבין תחנת הבסיס.
הפרעת Downlink – הפרעה שפוגמת בתקשורת ה-downlink, בדרך כלל זו המתקיימת בין תחנת הבסיס לבין התקן נייד כלשהו.
לסוג ההפרעה שמשפיעה על המערכת האלחוטית נודעת חשיבות, כיוון שהוא מסייע בהכתבת תגובתו של המהנדס. לדוגמה, הפרעת out-of-band עשויה להיגרם כאשר משדר שתכנונו לקוי או שהסינון המאפיין אותו אינו תקין יוצר הרמוניות שמשתייכות לתחום תדרים גבוה יותר. לאור זאת, סינון נאות של הרמוניות המשדר הנו קריטי ומאפשר להבטיח, כי מערכת אלחוטית מסוימת לא תשפיע על מערכת אחרת, הפועלת בתחום תדרים גבוה יותר.

טכניקות של
מדידת הפרעות
כאשר מערכת אלחוטית אינה פועלת בהתאם לציפיות וקיים חשד להפרעת רדיו, יש להשתמש בנתח ספקטרום מודרני בעל ביצועים גבוהים, על מנת לאשש את קיומם של אותות בלתי רצויים בערוץ התדר של הפעולה. כלים מעין אלה הנם שימושיים עד מאוד בעת מדידת רמות ההספק של האותות המפריעים, כפונקציה של זמן, תדר ומיקום. כיוון שמדידת ההפרעות מצריכה לעתים קרובות ביצוע מדידות ואיסוף נתונים בסביבה הסמוכה למערכת האלחוטית, הרי שמומלץ בחום להשתמש במכשיר קל משקל, אשר מופעל באמצעות סוללה, שביצועיו תואמים לאלה של מכשור מעבדה מסורתי (תמונה 1).
תהליך הזיהוי של אותות לא רצויים עשוי להיות כרוך בזיהוי סוג האות, לרבות: משך התמסורת המאפיין אותו, מספר המופעים, תדר גל הנושא ורוחב הפס, ולעתים גם המיקום הפיזי של המשדר המפריע. אם המערכת פועלת במצב full-duplex, ייתכן שתידרש בנוסף בדיקה של ערוצי התדרים uplink ו-downlink, לצורך זיהוי סימני הפרעה.
מדידת ההפרעות, במיוחד כאשר היא מתבצעת באופן אלחוטי מצריכה בדרך כלל שימוש בנתח ספקטרום בעל רצפת רעש נמוכה במיוחד, או DANL .DANL היא פונקציה של הגדרת ה-(resolution banwidth (RBW, כאשר ערכים נמוכים יותר מובילים לרעש מופחת. הפחתת ה-RBW בשיעור של פי 10 מוביל לשיפור בסך של 10dB ברצפת הרעש. זמן ה-sweep של מדידת הנתח מהווה פונקציה הפוכה ל-RBW. לפיכך, עבור הגדרות RBW נמוכות יותר נדרש זמן sweep ארוך יותר. כיוון שהיכולת למדוד ולהציג במהירות אות ברמה נמוכה הנה פונקציה של יחס האות לרעש (SNR) בגלאי הנתח, הרי שניתן לשפר את רמת האות על-ידי הפחתת כמות ההנחתה בכניסת הנתח. כאשר מושג ערך נמוך יותר עבור הנחתת הכניסה – בדרך כלל עד רמה של 0dB – עשויה להתאפשר הגדלת ה-RBW ובעקבותיה – זמני sweep מהירים יותר. כמו כן, ניתן לשפר את רמת האות שנמדדת בגלאי על-ידי שימוש בקדם-מגבר מובנה או חיצוני.
בעת הפחתת ההנחתה בכניסה ומדידת אותות בעלי אמפליטודה גבוהה, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לנתח. אותות בעלי אמפליטודה גדולה יכולים לגרום להעמסת מבוא הנתח ולהוביל לעיוות המיוצר באופן פנימי ואף לפגיעה במכשיר. העיוות הפנימי מוצג על-ידי הנתח כעיוות שמקורו ב-signal-of-interest. בתנאים אלה, יש למטב את הגדרת המנחת לטווח הדינאמי הגבוה ביותר.
בעת מדידת הפרעות המתאפיינות בפולסים, במופע לסירוגין או ב-frequency hopping (דילוג תדר), ניתן לקבוע את תצורתה של תצוגת הנתח במספר דרכים שונות, על מנת לסייע לגילוי ולזיהוי של סוגי אותות אלה. במצב MaxHold, לדוגמה, תצוגת נתח האותות יכולה לאחסן ולהציג את ערכי
ה-trace המרביים על פני מספר sweeps (איור 1). מצב זה שימושי במיוחד כאשר נדרשת רק האמפליטודה המרבית של אות המופיע לסירוגין. אם נדרשת גם השתנות האות כפונקציה של זמן, מצב תצוגה של ספקטרוגרמה או waterfall יכול לספק תובנות נוספות בנוגע למבנה האות המופיע לסירוגין.
הספקטרוגרמה היא דרך ייחודית למדידת תדר, זמן ואמפליטודה בתצוגה יחידה. היא מציגה את התקדמות ספקטרום התדרים כפונקציה של זמן, תוך מיפוי סקאלת צבעים בהתאם לאמפליטודת האות. תצוגת Waterfall מספקת היסטוריה תלת-ממדית מקודדת צבע של רמות האמפליטודה, כפונקציה של תדר ושל זמן.
גם מצב Zero Span ולכידת sweeps יכולים להיות שימושיים בעת מדידת הפרעות המופיעות לסירוגין. במצב Zero Span, התדר המרכזי של נתח הספקטרום מכוונן לתדר קבוע ומבצע sweeps ב-time domain. רוחבו של מסנן ה-RBW מכוון עד למידה שתאפשר לכידת רוחב פס גדול ככל האפשר של האות, מבלי שתחול עלייה בלתי קבילה ברמות רצפת הרעש של המדידה. שיטת ה-Sweep acquisition לוכדת את פולסי ה-low duty cycle או את האותות המופיעים לסירוגין על-ידי לכידת כמויות מלאות של נתוני time domain בכל פעם. יתר על כן, אותות מפריעים שקשים לזיהוי ניתנים אף הם ללכידה באמצעות הקפדה על הגדרות מתאימות של ה-RBW, ההנחתה וקדם-המגבר.

הבנת דרישות הציוד
בעת בדיקת הפרעות בשטח, יש לקחת בחשבון מספר תכונות עיקריות של נתח האותות, לרבות הניידות והקשיחות המאפיינות אותו. דרישות נוספות שיש לשקול עבור בדיקות שטח הן חיי סוללה ארוכים בצד יכולת החלפה מהירה של הסוללה, הפעלה מהירה ממצב השהיה וכן GPS, DC block ומקור מתח DC מובנים. כאשר השימוש במקור המתח DC מתבצע בשילוב עם bias tee חיצוני, הוא יעיל במיוחד להפעלת ה-Low Noise Block (LNB) downconverter המצוי ביישומים לווייניים.
בנוסף, לנתח ספקטרום גבוה ביצועים, נדרש גם כבל בדיקה איכותי לצורך חיבור הנתח למבוא הבדיקה של המערכת או לאנטנת הבדיקה. תחזוקה נאותה של הכבל – לרבות הגנה על המחברים שעל הנתח ועל הכבל ושמירה על ניקיונם – הנה חיונית להשגת מדידות מדויקות ותדירות.
אנטנת הבדיקה מהווה חלק חשוב נוסף של רכיבי בדיקת ההפרעות. יש לתכננה כך, שתכסה את טווח התדרים הרלוונטי ובד בבד עליה להיות ניידת וקלת משקל. באופן אידיאלי, מאפייניה צריכים להיות זהים לאלה שבהם נעשה שימוש במערכת האלחוטית תחת בדיקה. אם אנטנת המערכת היא כלל-כיוונית (omnidirectional) בעלת שבח נמוך וקיטוב אנכי, האנטנה שמחוברת לנתח הספקטרום צריכה להיות זהה (איור 2). בעת בדיקת הספקטרום לטווח גדול של תדרים, ניתן להשתמש באנטנת פס רחב מסוג whip במקום אנטנת ה-narrowband האופיינית למערכת. בעת ביצוע מדידות של אותות חלשים מאוד, או כאשר מתבצע ניסיון איתור של משדרים בלתי מורשים, יש לחבר לנתח אנטנה כיוונית בעלת הגבר גבוה.
סיכום
לאור הביקוש ההולך וגובר לספקטרום, אין ספק כי הפרעות אלחוטיות צפויות להפוך בעייתיות יותר ויותר. במקרה הטוב, ההפרעה תשפיע רק על מספר קטן של משתמשים, אולם במקרה הגרוע, היא עלולה להשפיע על התקשורת המתקיימת במערכת האלחוטית כולה – ולכן הופכת את הצורך בבדיקות יעילות של הפרעות רדיו לקריטי. נתח ספקטרום מודרני ואיכותי יכול למלא תפקיד מפתח בהשגת יעד זה. עצם הבחירה בנתח, שעומד בדרישות החיוניות לבדיקות שטח, והפעלתו תוך שימוש במגוון טכניקות מדידה, יכולים להוות גורמים קריטיים במניעת השפעותיהן השליליות של ההפרעות על המערכת האלחוטית.