Součástí příspěvku jsou i konkrétní hodnoty (úrovně) signálů (šumového pozadí i vyšších harmonických vznikajících na nelinearitě) a jejich vliv na velikost a kvalitu pokrytí mobilním signálem.
Co jsou pasivní intermodulace a proč se měří
Fyzikální jev pasivních intermodulací je obecně znám a je s námi přítomen od okamžiku, kdy se v éteru objevily první bezdrátově přenášené signály. Pro vznik pasivních intermodulací je nezbytná nelinearita, tedy takový prvek, který vykazuje nelineární závislost proudu na napětí. Jsou-li současně na této nelinearitě přítomny dva silné signály s frekvencemi f1 a f2, pak jejich smíšením vznikají intermodulační produkty podle jednoduchých vztahů
nf1 - mf2 a nf2 - mf1 (1)
kde m a n jsou přirozená čísla a jejich součtem označujeme řád intermodulačního produktu, tedy pro m = 2 a n = 1 se jedná o intermodulační produkt třetího řádu. Přitom vždy platí, že intermodulační produkty nižších řádů jsou samozřejmě blíže frekvencím f1 a f2 a budou silnější než produkty vyšších řádů. Rovněž platí, že původce vzniku produktů všech řádů je společný a odstraníme-li příslušnou nelinearitu ze systému, odstraníme všechny tyto produkty.
Často se setkáváme s otázkou, proč je analýza pasivních intermodulací tak důležitá až nyní, když rádiové části mobilních sítí využívají stejných kabelových rozvodů, antén a infrastruktury již od začátku 90. let. Důvodem je jednoznačně přechod k mobilním technologiím 3. a zejména 4. generace (LTE), kde většina služeb využívá širokopásmových datových přenosů. Důsledkem pak jsou kombinace různých frekvencí a frekvenčních pásem a vyšší úroveň signálů.Důvod, proč jsou intermodulační produkty noční můrou právě pro mobilní operátory je zřejmý a rovněž plyne ze vztahů (1): frekvenční uspořádání UL a DL signálu je takové, že silný (DL – od antény k mobilním terminálům) bývá frekvenčně výše než slabší (UL – od terminálu k BTS / eModeB) a může se stát, že intermodulační produkt frekvenčně spadá právě do rozsahu vstupního filtru přijímací cesty základnové stanice.
Pro lepší orientaci uveďme několik konkrétních hodnot. V systémech GSM byla hodnota šumového prahu -95 dBm až -98 dBm považována za přijatelnou. V sítích LTE je jako pass / fail hodnota pro úroveň šumového pozadí považováno -107 dBm. Rozdíl 10 dB znamená např. u základnové stanice v rovinatém terénu zmenšení poloměru pokrytí v daném segmentu o 8 km.
Zmíněnou nelinearitou, která je původcem a podmínkou vzniku intermodulačních produktů, mohou být materiálové a konstrukční prvky, které byly dosud považovány za lineární (kabely, konektory, antény, filtry, diplexery, …). Kromě těchto konstrukčních prvků, které jsou integrální součástí anténního systému a jejichž kvalitu (odchylku od ideální linearity) jsme schopni samostatně změřit a případně ovlivnit správným výběrem, mohou k celkové hodnotě šumového pozadí přispívat i intermodulační produkty vzniklé na nelinearitách mimo anténní systém. Jsou to zejména nekvalitní (oxidované) spoje různých kovů a samozřejmě polovodičové prvky nebo bleskojistky.
Některé konstrukční prvky budou svou nelinearitou již notoricky známé. Zatímco velké koaxiální konektory typu DIN 7/16 máme prakticky lineární, menší a zejména koutové konektory se zalomením 90 stupňů pak často bývají příčinou vzniku produktů o úrovni -85 dBm. V rámci neustále zdůrazňovaných úspor se někdy setkáme i s instalací kabelu se síťkovým opletením. Taková konstrukce je ukázkovým příkladem vzniku rovnoměrně rozložené nelinearity podél celého kabelu a hodnota intermodulačních produktů bude extrémní, až -75 dBm.
Nelinearita a impedance
Donedávna byl jediným měřicím přístrojem používaným při výstavbě anténních systémů základnových stanic pouze měřič impedančního přizpůsobení, obecně známý jako Sitemaster. Hlavní ambicí týmů výstavby je zajistit optimální přenos vf signálu z kontejneru do antény a celý jej vyzářit. Jakákoli impedanční odchylka znamená, že část přenášené energie se odráží zpět. Mírou tohoto nepřizpůsobení je parametr s11 rozptylové matice, poměr stojatých vln nebo koeficient zpětného odrazu. Za přijatelnou hodnotu poměru stojatých vln je udáván rozsah 1,10 až 1,15. Měřicí přístroj vysílá do kabelu frekvenční vzorky v rozsahu pracovních frekvencí měřené anténní soustavy a měří celkový útlum, VSWR a DTF (Distance to Fault – vzdálenost k poruše). Přístroj však není schopen odhalit nelinearity – přijímač vyhodnocuje stejné frekvence, které vysílač pulsně vysílá.
Konstrukce analyzátoru pasivních intermodulací je odlišná a vychází z potřeby zjišťovat velice malé signály v blízkosti signálů skutečně silných. Pokud uvážíme, že měřené veličiny mívají hodnotu okolo -160 dBc, je pak logické, že výstupní výkon analyzátoru musí být značný. Nejvyšší úroveň dvoutónu je +46 dBm.
Klíčovou součástí je extrémně strmý a velmi dobře navržený filtr, který vybírá právě jen intermodulační produkt. To je také důvodem, proč se v praxi nesetkáme se širokopásmovým analyzátorem pasivních intermodulací. Skutečně spolehlivé přístroje, které poskytují opakovatelné výsledky, pracují v diskrétních rozsazích, které jsou v podstatě shodné s pracovními frekvencemi jednotlivých mobilních technologií.
Měřicí postup při zjištění a odstranění nelinearity
Stejně jako při analýze impedančního nepřizpůsobení, i při lokalizaci místa vzniku pasivních intermodulací je dobré se přidržet zavedených postupů a pravidel. Jedním ze základních takových doporučení je zachování nejvyšší možné čistoty všech konektorů a používání momentových klíčů při jejich utažení. Dalším důležitým krokem je volba správné výstupní úrovně měřicích frekvencí. Obecně samozřejmě platí, že pouze silné signály jsou příčinou vzniku významných intermodulačních produktů a nabízí se možnost vysílat vždy na maximální úrovni 2x 40 W. Ne vždy je to však žádoucí. V distribuovaných anténních systémech se měří na úrovních 0 dBm až 15 dBm. Přitom vztah mezi úrovní směšovaných signálů a úrovní intermodulačního produktu není prostým součtem: s každým 1 dB úrovně na vstupu roste výkon produktu o 2,2 až 2,8 dB, jak ostatně plyne z grafu na obr. 1.
Obr. 1: Závislost úrovně intermodulačního produktu na vstupních výkonech směšovaných signálů
Rozhodující pro přesnost a opakovatelnost měření je řádná kalibrace. Je třeba postupně zjistit residuální hodnoty PIM (vlastních pasivních intermodulací), které do měření vnáší přístroj, konektor 7/16 na přístroji a měřicí kabel. K tomu je nezbytné se přidržet definovaného postupu a pracovat s přesnou výkonovou zátěží 50 Ω s nízkou hodnotou vlastní nelinearity. Pro měření vzdálenosti k nelinearitě (DTP – Distance to PIM) je třeba také kalibrovat měření vzdálenosti. Na konec měřicího kabelu se tedy umístí PIM standard, přičemž délka kabelu je známa přesně – 150 cm. Po správně provedené kalibraci je přístroj připraven k měření a přitom si sám sleduje vnitřní teplotu a indikuje, zda je kalibrace ještě platná a výsledky spolehlivé.
K dispozici jsou celkem 4 základní měření:
- zjištění úrovně šumového pozadí,
- vzdálenost k nelinearitě,
- rozmítaná analýza PIM a
- PIM v závislosti na čase.
Rozhodující je měření DTP (vzdálenost k nelinearitě) a rozmítané měření, kdy f1 je konstantní a f2 se mění. To umožňuje nejrychleji lokalizovat a odstranit příčinu vzniku pasivních intermodulací, a to dokonce i vně anténního systému, viz obr. 2.
Obr. 2: Rozmítané měření a nelinearita 19 m od antény
Tradičním způsobem se vyšetřují všechny mechanické spoje (konektory). Poklepem izolovaným předmětem, viz obr. 3, se v případě takového špatného spoje objeví velké špičkové změny amplitudy intermodulačního produktu na obr. 4.
Obr. 3: Lokalizace PIM poklepem na konektor
Obr. 4: PIM v závislosti na čase
Závěrečná doporučení
Zkušenosti z posledních 2-3 let shromážděné při instalacích rádiové části mobilních sítí LTE zejména při kombinaci technologií dokazují, že až 80 % všech závad jde na vrub pasivních intermodulací. Uvedené postupy se stávají povinnými v zadání nebo požadovaných pracovních postupech, které mobilní operátoři předávají svým subkontraktorům – společnostem, které instalují a zprovozňují základnové stanice s technologiemi sítí 4. generace. Moderní přístroje dokonce v jediném chassis kombinují funkce rozmítaného měření Sitemasteru s výsledkem DTP (Distance to Fault – vzdálenost k poruše), neboť tento výsledek je díky širokopásmovému zpracování pomocí FFT významně přesnější než DTP. Obě trasy pak lze na displeji překrýt a lokalizovat tak nositele nelinearity s přesností na centimetry.
Základní a důležité jsou pracovní návyky jako extrémní nároky na čistotu čela konektotů, správný a definovaný moment utažení, správná volby konektorů a kabelů a postupné odstraňování jednotlivých příčin vysoké hodnoty PIM cyklickým opakováním měření.
Literatura
[1] Understanding PIM – Anritsu Corporation
Komentáře
produkty rostou s matematicky
produkty rostou s matematicky definovanou delta úrovní. V praxi to kupodivu sedí.