שיקולים בפיתוח, הערכה ובדיקה של מערכות תקשורת בתנועה

Mark R Lombardi, RT Logic

במערכות תקשורת RF ישנם משתנים רבים עקב גורמי התווך שבהן הן משדרות. בנוסף,  כשהמערכות הללו בתנועה, מספר המשתנים גדל. מערכות תקשורת שיפעלו היטב בשילוב של משדר – מקלט נייחים, יכולות להיות במצב של לחץ כשהן נחשפות לפגימה החשמלית הנובעת מכך שהמשדר או המקלט או שניהם בתנועה.
המאמר הזה עוסק במשתנים שיש להביא בחשבון וגם באפשרויות הבדיקה שעומדות לרשות מהנדסים המתכננים מערכות תקשורת המיועדות לפעול בפלטפורמות ניידות. בין אם הפלטפורמה היא כטב”ם, לוויין, רכב חלל, מטוס או ספינה, מערכת התקשורת תושפע מהדינמיקה הפיזיקלית של התנועה. היסט דופלר, השהיה, דעיכה ורעש יכולים להגרוע או לשבש לחלוטין את עורק התקשורת. לכן, בכל השלבים בפיתוח מערכות תקשורת, מההדמיה ההתחלתית ועד הבדיקות הסופיות, אפשר להפיק תועלת מהכללת השפעות ערוץ ה-RF בתהליך התכנון.

תוכנות הדמיה
בעבר היה קשה לדמות ולבדוק השפעות סביבתיות כגון היסט דופלר, דעיכה ורעש בסביבת מעבדה, בייחוד באופן מציאותי מבחינה חשמלית ותואם לפיזיקה. כדי להבין טוב יותר את ההפרעות השונות בצורת הגל הנמצאות בפלטפורמות נעות נבחן מטוס שטס מעל ההרים ומתקשר עם צוות כיבוי על הקרקע. דרך נוחה לחשב את השפעות עורק התקשורת היא להשתמש בתוכנת הדמיה כגון תוכנת המידול STK מתוצרת Analytical Graphics, Inc.’s (AGI).
איור (1) הוא דוגמה של תוכנית טיסה אמיתית שתוכנתה לתוך תוכנת מידול. ההדמיה יכולה לכלול נתונים כגון מאפייני הטיסה והנתיב של המטוס, יחד עם תוואי פני הקרקע, פרמטרים של האנטנות, פרמטרים כמותיים של העורק, ואפילו המיקומים של האנטנות במטוס ועל הקרקע. הקו הצהוב מייצג את עורק התקשורת בין המטוס והאנטנה הקולטת.

איור (1). טיסה של מטוס ממודלת בתוכנה STK מתוצרת Analytical Graphics, Incאיור (2). היסט דופלר לעומת הזמן באות של 2.4 גה"צ שנצפה בתחנת הקרקע

.

איור (3). טווח תדרים טיפוסי ברוחב 60 קה"צ של אות QPSK 120 קס"ש (60 אלף סימנים בשנייה)

היסט דופלר (דופלר של הגל הנושא ודופלר של האות)
נשתמש עתה בדוגמה של תוכנית הטיסה שנדונה באיור (1) כדי להדגיש בפירוט כיצד אותות משתנים בגלל הפיזיקה של מערכת תקשורת בתנועה. בדוגמה הזאת, המטוס בתנועה יחסית לתחנת הקרקע, ויוצר היסט דופלר. חייבים להביא בחשבון את ההשפעה הזאת כדי להבטיח שהמקלט נשאר נעול על האות תוך שמירה על ביצועי BER (קצב סיביות שגויות) מתאימים, אפילו כשהתדר של האות הנקלט משתנה עם הזמן בגלל התנועה היחסית של המשדר והמקלט.
משוואה (1) מתארת היסט דופלר על בסיס התדר המשודר בפועל והמהירות היחסית בין המשדר והמקלט.
משוואה (1)  Fs = Fa * V/c
כאשר:
Fs = היסט דופלר בהרץ
Fa = התדר המשודר בפועל בהרץ
V = המהירות היחסית בין המשדר והמקלט בק”מ לשנייה
c = מהירות האור (~300,000 ק”מ בשנייה)
הנתונים הגרפיים המוצגים באיור (2) מחושבים באמצעות נוסחה (1).
המהירות היחסית של המטוס כפי שמראה איור (1) יחד עם התדר של הגל הנושא ששודר בפועל משמשים כנתוני קלט. זה מאפשר להתוות בגרף את היסט דופלר בכל נקודה לאורך נתיב הטיסה. אפשר לראות את התוצאה של היסט דופלר באות של 2.4 גה”צ. כשהמטוס נע לעבר תחנת הקליטה הנייחת, התדר של האות הנקלט הוא גבוה יותר ממה שמשודר בפועל. כשהמטוס מתרחק, התדר של האות הנקלט נמוך מהתדר המשודר.
אפשר לבנות נתונים דומים לתדרים אחרים, וגם למספר פלטפורמות בתנועה פוטנציאליות, כולל לוויינים במסלול בינוני (MEO), במסלול גבוה (HEO) ובמסלול גיאוסטציונרי (GEO), כטב”מים, מטוסים, מטרות וטילים.
כפי שמתארת משוואה (1), היסט דופלר תלוי בתדר. היות שלאותות נתונים יש טווח תדרים שאינו אפס, חלקים שונים של האות הם למעשה בתדרים שונים כפי שאפשר לראות באות QPSK 120 קס”ש באיור (3) להלן.
בדוגמה הזאת, הצד השמאלי של צורת הגל יקבל היסט דופלר קצת יותר נמוך מהצד הימני, כי הצד השמאלי בתדר נמוך יותר מהצד הימני. זה חשוב במיוחד בקצבי נתונים גבוהים שגורמים לאותות נתונים עם טווח תדרים רחב. כשאפשר לקזז את היסט דופלר של הגל הנושא על ידי כיוונון המקלט מחדש לתדר החדש של הגל הנושא, סוג זה של היסט דופלר, הנקרא היסט דופלר של האות, מתייחס לשינויים בקצב הנתונים.

איור (4). השהיית טווח לעומת זמן של אות מטיסה מעגלית הנראית מתחנת קרקע.

השהיה
בכל מערכות התקשורת יש צורה כלשהי של השהיה אינהרנטית בהתפשטות בין המשדר למקלט. זה נכון לגבי מערכות קוויות, מערכות אופטיות ומערכות רדיו אלחוטיות שבהן מהירות ההתפשטות קשורה לקבוע הדיאלקטרי של התווך שבו האות עובר.
ברוב מערכות התקשורת האלחוטיות, אפשר לקבל קירוב קרוב של השהיית ההתפשטות בין משדר למקלט על ידי חלוקת מרחק הקו הישר בין המשדר למקלט במהירות האור. לגבי נתיב הטיסה הספציפי שנדון קודם לכן, אפשר לצפות לפרופיל השהיית הטווח שבאיור (4). מידול סוגים שונים של פלטפורמות נעות ונתיבי טיסה יפיק תוצאות שונות באופן דרמטי.

הפסדי נתיב
הביצועים של מערכת המקלט תלויים גם ברמת ההספק של האות המתקבל. מגוון של גורמים יכולים להשפיע על רמות ההספק בדוגמת הטיסה שלנו, ביניהם פני השטח, מיקום האנטנות, תנאי מזג האוויר והכיוון. מידול של רמות הספק אות דינמיות ותיקוף הפעילות בתנאי המקרה הגרוע ביותר הן בדיקות חשובות של מערכת המקלט.
רמת ההספק של אות נקלט מושפעת על ידי הפסד נתיב חופשי (FSPL), שניתן לחישוב ממשוואה  (2).
משוואה (2).  L = 32.4 + 20 log F + 20 log R
כאשר:
L = הפסד נתיב חופשי בדציבל
F = תדר במה”צ
R = טווח בק”מ

רעש גאוסייני לבן אדיטיבי (AWGN)
כמו לגבי הפרמטרים היסט דופלר, השהיית טווח והפסד נתיב לעיל, כל מערכות התקשורת מושפעות מרעש שנקלט באנטנה (רעש קוסמי וקרינה מכדור הארץ), וגם מרעש אחר, אטמוספרי ומעשי ידי אדם. הרעש של המקלט עצמו גם הוא גורם חשוב שיש להביא בחשבון בכמות הרעש הכוללת.

בדיקת החומרה
עתה כשאנו מבינים את סוג ההפרעות שקיימות כשמשדר ומקלט נמצאים בתנועה יחסית זה לזה, וגם כיצד אפשר לחשב את ההשפעות האלה, חשוב לדבר על ניתן לבדוק חומרה אמיתית. הדינמיקות של אפקט דופלר, השהיה והפסד נתיב היו בעבר מאתגרות או בלתי ניתנות לשחזור, אבל סוג חדש של מוצרים הנקראים מדמי ערוצים תוכננו כדי למלא את התפקיד הזה. מדמי ערוצים עושים בדיוק את מה שמשתמע מהשם: אמולציה של העיוותים באות RF כשמשדר ומקלט נמצאים בתנועה יחסית זה לזה. מדמי ערוצים שתוכננו היטב מחקים את העיוותים האלה, בנפרד או במשולב, עם תשומת לב מוחלטת לרציפות פאזה כך שהמכשירים לעולם לא מכניסים שגיאות נתונים כשהיסט דופלר, ההשהיה והפסד הנתיב משתנים בזמן.
ההיגיון שמאחורי השימוש במדמה ערוצים במקרה זה הוא שאין חלופות פשוטות. צוות התכנון יכול לסיים את התכנון שלו ולשים את מערכת התקשורת בפלטפורמות הנעות הקשורות (לוויינים, מטוסים, כטב”מים וכדומה), ובכך לשים אותה בתנועה וליצור את התנאים המציאותיים. אולם, הסיכונים בגישה הזאת יכולים להיות הרסניים וכמעט בוודאות יקרים. תחשבו על מצב שבו עורק התקשורת משמש לשליטה על הפלטפורמה הנעה. קל לראות שאמולציה מציאותית בסביבה מבוקרת היא גישה עדיפה, על פני אובדן אפשרי של עורק התקשורת ואיתו השליטה על הפלטפורמה. אפשר להשתמש במדמה ערוצים לאורך כל שלב התכנון כדי לפגום אותות באופן מציאותי,  בדיוק כאילו היו בסביבת הפעולה המיועדת שלהם, בין אם הסביבה הזאת קשורה להטסת מזל”טים מעל הראש או למשימה בקצה מערכת השמש.
כשמדמה הערוצים מושם לתוך עורק התקשורת של המערכת הנבדקת, הוא “מעביר” (באמצעות RF או חיבורי כבלים ב-RF/IF) את האות מהמשדר למקלט, ומוסיף פגימות המתאימות לתנאי העורק שקיימים בסביבת הפעולה האמיתית. זה מאפשר בדיקה של כל חלק של המכשיר הנבדק, כולל אנטנות, מגברים, ממירים, טרנספונדרים, מודמים, ממצי אפנון (דמודולטורים) ואפילו שחזור נתונים וחומרה בתנאי אותות RF מציאותיים.
תכנות תנאי הסביבה במדמה הערוצים יכול להתבצע בדרכים רבות, מהזנת נתונים אחד-אחד ועד למידול מתוחכם של פני השטח כפי שיצרה תוכנת STK של AGI כולל מהירות, מיקומי אנטנות, הפרעות, מזג אוויר, רעש רקע ודברים רבים אחרים. כשמשתמשים במתודולוגיה האחרונה הזאת עם מדמה ערוצים שתואם לפיזיקה ויש לו רציפות פאזה, האותות שנוצרים יכולים להיות כל כך מציאותיים שהמפעילים לא יכולים להבדיל ביניהם ובין הבדיקה הממשית בתנועה. רמת התחכום והמציאות הזאת מושגת כשמחברים תוכנה שממדלת תנועה, פני שטח ופרמטרים כמותיים של העורק עם מדמה ערוצים ומאפשרים לו להוסיף השפעות סביבתיות לאותות הקלט, כנקבע בהדמיה. התוצאה היא אות בדיקה מציאותי המתאים לבדיקה פרמטרית מפורטת של שרשרת שידור וקליטה. היבט אחר של אות הבדיקה המציאותי הזה הוא שאפשר להשתמש בו גם להדרכת המפעילים של הציוד הנבדק.
לאחר מכן המידע הזה מועבר לתוך שטף רציף של פרמטרי בקרה שמאפשרים למדמה הערוצים לחקות את הפרעות ה-RF שבהן נתקלים במהלך הטיסה. כדי להבטיח שהבדיקה הזאת באמת משקפת את הסביבה האמיתית, חיוני שמדמה הערוצים יוכל ליישם את ההשפעות שנדונו במאמר זה באופן רציף מבחינת פאזה ותואם לפיזיקה.
סיכום
במאמר הזה נעשה שימוש בדוגמה של מטוס שחג סביב אתר תקשורת קרקעי, אבל העקרונות והתפיסות שנדונו ישימים באופן דומה לכל המשדרים והמקלטים שבתנועה יחסית זה לזה. חיוני להבין כיצד הסביבה תשנה אותות חשמליים. השימוש בציוד בדיקה חדשני כמו מדמה הערוצים יכול להבטיח שהמערכת פועלת על הספסל, אבל חשוב יותר: שהיא תפעל כשתהיה בתנועה.
*מארק ל. לומברדי, הינו המנהל הטכנולוגי של קו מוצרי מדמי ערוצי RF  בחברת RT Logic
מקורות:  www.agi.com, www.rtlogic.com, (RF Channel Simulators Enhance Communication System Quality and Decrease Costs) http://www.ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5314044