MÉRÉSI SEGÉDLET
a DTF (Distance To Fault) méréshez (DTF) V2 épület VII.emelet 721. Antenna Labor
BUDAPESTI MŰSZAKI és GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
Készítette : dr. Lénárt Ferenc 2012
1
Segédlet a DTF (Distance To Fault) című hallgatói méréshez A mérés célja az FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar elvének szemléltetése a gyakorlatban – speciális terjedési úton – koaxiális kábelen terjedő rádiófrekvenciás jelek segítségével. A hely függvényében feltérképezett reflexiókból meghatározzuk a kábel S paramétereit. A kiértékelés során építünk az alapvető jelfeldolgozási ismeretekre. Demonstrációs céllal megvalósítunk egy kis hatótávolságú radart, melly antennával kisugárzott – levegőben terjedő - rádióhullámokkal mér távolságot.
1. Bevezetés A hétköznapi életben sok helyen működnek olyan– rádiófrekvenciás tápvonalakkal, elsősorban koaxiális kábelekkel megvalósított – rádiófrekvenciás információátviteli utak és rendszerek, melyekben az egyes utak hossza nagyon kényelmetlenné, bizonytalanul megoldhatóvá tenné ezen szakaszok hagyományos módon történő Sparaméter mérését. Tipikus példaként a nagyobb épületekben megvalósított kábeltelevízió hálózatok, vagy a GSM bázisállomásokon a földön elhelyezett berendezésektől a GSM antennákig futó koaxiális kábelek említhetők. A még beépítetlen kábelszakaszokat természetesen meg lehet mérni úgy, hogy a kábel mindkét végére ideiglenesen csatlakozót szerelünk és csatlakoztatjuk egy hálózatanalizátorhoz, melyen az S-paraméterek mérése akár automatizáltan is elvégezhető. Ez azonban nem jelent biztosítékot arra, hogy a beépített kábel is megfelelő paraméterekkel rendelkezik majd. Ezért például GSM bázisállomások építésekor előírják a letelepített koaxiális kábelek szigorú protokoll szerinti átadás-átvételi méréseit. Másrészt egy hagyományos S-paraméter mérés eredményeiből csak azt tudjuk megállapítani, hogy a vizsgált kábel megfelel-e a követelményeknek, vagy sem. Ha nem felel meg, a „miért”-re nem kapunk választ. A megengedettnél nagyobb reflexiónak több forrása lehet (túl kicsi sugáron hajlított-megtört kábel, a külső szigetelés lefejtésekor átvágott, vagy rögzítőbilinccsel összeroppantott kábelköpeny, rosszul szerelt csatlakozó, stb). Ha nem ismerjük az okot, nem lehet eldönteni, hogy a hiba hogyan javítható. Ennek súlyos anyagi kihatásai lehetnek, mert például a bázisállomásokon használatos speciális kis csillapítású semirigid koaxiális kábel nagyon drága és sok esetben a behúzása is nehéz, nagy körültekintést igénylő feladat. Tehát célszerű a hibás kábel cseréjét elkerülni, ha a probléma más módon is orvosolható (pl. lehet, hogy csak a csatlakozók szerelését kell precízebben megismételni, vagy csak jobban meghúzni a csatlakozók rögzítését, de elképzelhető, hogy nem is a kábelen van a hiba, hanem a hozzá csatlakoztatott antennában). A hiba helye csak valamilyen radar elv alapján végzett méréssel deríthető ki. Itt erre a feladatra laboratóriumi eszközökkel-műszerekkel FMCW radart valósítunk meg. A mérés eredetileg egy HPIB buszon keresztül notebook-ról (vagy PC-ről) vezérelhető tracking-generátoros HP8594E spektrumanalizátoron született meg bázisállomásokon végzendő mérések céljára. Létezik ilyen „gyári” eszköz is: korábban az Anritsu cég SiteMaster eszközcsaládja volt az “egyetlen”, manapság a Rohde-Schwarz és az Agilent is gyárt olyan hordozható spektrumanalizátort (beépített tracking-generátorral), melyet felkészítettek ilyen mérésekre is. Mivel a SiteMaster
2
adat- és megjelenítési formátuma szabvány szerűen terjedt el, mi is ezt használjuk a cég honlapjáról szabadon letölthető megjelenítő szoftver segítségével.
3
2. A mérés elve Használjunk valamilyen terjedési közegben egy ismert időfüggvény szerinti frekvenciával modulált folytonos hullámú (FMCW) jelet gerjesztésként! Ha a visszaérkező reflektált (vett) jelet összehasonlítjuk az adójellel, a pillanatnyi frekvenciák különbségéből meghatározható a reflektált jelre jellemző késleltetési idő. (Az ismertebb impulzusradar esetében ezt a késleltetési időt közvetlenül időméréssel nyerik.) A vett jel amplitúdója – a terjedési közeg csillapításán túl – jellemző lesz a reflexió nagyságára. Speciális esetben előnyös lehet, ha a frekvenciamoduláció időfüggvénye pl. logaritmikus, de a gyakorlati megvalósítások túlnyomó többségében lineáris sweep-et alkalmaznak. A részletesebb vizsgálathoz tételezzük fel, hogy a mérendő kábelünk homogén és veszteségmentes. Szignálgenerátorunkkal a mérési frekf venciatartományban állítsunk elő időben lineárisan változó f0+B frekvenciájú jelet az 1. ábra folytonos görbéjének megfefd lelően. Ezt az (1.) egyenlet d írja le. Egy sweep természetesen csak véges T ideig f0 tarthat, mivel a rendelkezésre álló frekvenciatartomány is véges, azonban többször is t0 t0+T t megismételhetjük. A d hosszúságú kábel végén 1. ábra elhelyezett rövidzárról d időkésleltetéssel visszaérkező reflektált hullám bemeneten tapasztalt frekvenciája is d késleltetéssel követi a bemeneti jelét. A reflektált jel időfüggését a (2.) egyenlet adja meg. Mivel a sweep kezdetén és végén csak az adó, vagy csak a reflektált jel áll rendelkezésre, az előforduló maximális késleltetési időre érdemes kikötni, hogy legyen max<
fa f0
B t T
(1.)
fr f0
B t T
(2.)
A (3.) összefüggés szerint adódó különbségi frekvencia tehát jellemző lesz a reflexió távolságára.
4
fd fa fr
B T
(3.)
Ha a (4.a.) egyenletnek megfelelően figyelembe vesszük a kábelen érvényes v terjedési sebesség, a d késleltetés, valamint a d távolság közötti összefüggést, megadható a különbségi frekvencia és a reflexió helye közötti kapcsolat.
d
v 2
(4.a.)
d
fd T v 2B
(4.b.)
A különbségi frekvencia kinyerésére többféle lehetőség kínálkozik. Iránycsatoló, vagy reflexiós mérőhíd segítségével a kábel bemenetén megmérhetjük a reflektált hullám amplitúdójának frekvenciafüggését az 1. ábra szerint történő sweep alatt. Ha az fd frekvenciára is kíváncsiak vagyunk, a mérőhíd „Test” kapuján létre kell hozni egy ismert diszkontinuitással egy ismert reflektált hullámot. A mérőjel egy részét így visszavezetve a híd reflexiós kimeneti kapujára, már mind az fa, mind az fr frekvenciájú összetevőt megkapjuk. A reflexiós mérőhíd helyett egy egyszerű illesztett teljesítményosztót használva a genarátor jelének egy részét a vevőbe irányíthatjuk, miközben a fennmaradó teljesítmény a mérendő kábel bemenetére kerül [1.]. A kábelről az osztóra visszaérkező reflektált jel egy része is a vevőre jut, így itt szintén együtt jelenik meg az fa, és az fr frekvenciájú komponens. Az fd frekvencia meghatározására a legkézenfekvőbb megoldásnak keverő használata látszik. fd kinyerése történhet úgy is, hogy az együtt megjelenő fa, és fr frekvenciájú jeleket egy detektorra vezetjük, melynek kimenetén a két összetevő vektoriális eredőjének megfelelő burkolót kapjuk. Ennek frekvenciája is fd értékű lesz. A mérés során a teljesítményosztó és detektor kombinációját használjuk. Tekintsük a 2. ábrán látható mérési összeállítást.
lezárás
haladó (adó) mérendő kábel
Gen.
2. toldó kábel
reflektált
2. ábra
5
1.
3dB osztó 3. det.
A/D
PC
U
A sweep generátor az 1. kapun gerjeszti az illesztett osztót. Az fa frekvenciájú jel egyik fele a 2. kapuhoz csatlakozó kábelre jut, a másik fele a 3. kapun át a csúcsdetektorra. A Vr Ve kábelről a 2. kapura fr frekvenciával d visszaérkező reflektált jel fele szintén a Va detektoron jelenik meg, a maradék pedig az egyes kapun áthaladva a generátoron, ahol disszipálódik. A detektoron megjelenő fa, és fr frekvenciájú jelekhez rendelt Va és Vr 3. ábra vektorokat komplex síkon megjelenítve a 3. ábra Ve vektorösszegéhez jutunk. Mivel Vr az fd különbségi frekvenciából adódó d körfrekvenciával forog Va körül, a Ve vektoreredő hossza is fd frekvenciával pulzál Va körül. Ezt mutatja a 4. ábra azzal kiegészítve, hogy itt már egy exponenciálisan frekvenciafüggő kábelcsillapítást is feltételeztünk. A t tengely 100-as értéke a T sweep időnek felel meg. 1
0.8
0.6
0.4
Td
0.2
0 0
20
40
60
80
100
t
4. ábra A gyakorlatban előforduló mérési frekvenciatartományok és kábelhosszak esetén az előálló fd frekvencia néhány kHz-re adódik. A detektor jelét oszcilloszkópra vezetve meghatározhatjuk a Td periódusidőt, ebből fd, majd d értékét. Ugyanez elvégezhető A/D konvertálás után számítógéppel is. Következő lépésként a kábelbemenetre visszaérkező reflektált hullám amplitúdóját határozzuk meg. Ehhez leválasztjuk az időfüggvény egyenkomponensét, ez ugyanis az a Va-val jelölt összetevő, amelyet a teljesítményosztó 1. kapujáról a 3-ra közvetlenül átjutó teljesítmény hoz létre. Az így nyert - tisztán AC - időfüggvény burkológörbéje adja a bemeneti reflexió abszolútértékének frekvenciamenetét. (Ennek érdekében a T hosszúságú időskálához az 1. ábra alapján rendeljük hozzá a B sávszélességet, vagyis a burkológörbét a mérési frekvencia tartományában értelmezzük.) Ezen lépések eredményét mutatja az 5. ábra.
6
U
0.3
0.2
0.1
Id őfüggvény Burkoló
0
-0.1
-0.2
-0.3 0
20
40
60
80
100
t
5. ábra
U
Ha nem csak egyetlen reflexiót engedünk meg, a d1, d2, … dn távolságokból jövő reflektált hullámokhoz kapcsolódóan Vr1, Vr2, …Vrn vektorokat kellene a 3-hoz hasonló vektorábrába berajzolni. Az összegzés eredményeként a 6. ábrán látható jellegű 1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
20
40
60
80
100
t
6. ábra időfüggvény adódik. Itt már nyilvánvalóan nem használható a periódusidőből történő frekvenciameghatározás. Helyette Fourier transzformációval [2.] áttérünk a különbségi frekvencia tartományába, azaz képezzük az időfüggvényhez tartozó amplitúdó-sűrűség spektrumot (lásd: 7. ábra). Az itt található helyi maximumok adják a reflexiós helyekre 7
amplitúdó; dB
jellemző különbségi frekvenciákat. Ha a frekvenciatengelyhez a (4.b.) összefüggésnek megfelelően távolságskálát rendelünk, leolvashatjuk a reflexiók helyét. A gyakorlatban az időfüggvény mintavételezése után egy T szélességű derékszögű időablakban N egyenletes eloszlású pontban megadott diszkrét időfüggvényhez jutunk, melyet FFT algoritmussal transzformálunk. 0
-5
-10
-15
-20
-25 0
20
40
60
80
100 f
7. ábra
U
Ha 6. ábrán látható időfüggvényhez is meghatározzuk a burkológörbét, megkapjuk a bemeneti reflexió frekvenciafüggését (az adójel frekvenciájának tartományában). 0.6
0.4
0.2
Id őfüggvény Burkoló
0
-0.2
-0.4
-0.6 0
20
40
60
80
100
t
8. ábra
8
Mivel a teljesítményosztón sem az adó, sem a reflektált jel teljesítményének egy része nem a vevőbemenet, vagy detektor felé megy, a gyakorlatban az egyenkomponens kiküszöbölése még nem a helyes amplitúdókat adja. Hogy megfelelően normalizált értékekhez jussunk, először a toldókábel végére helyezett rövidzárral végezzük el a mérést. Az amplitúdó-sűrűség spektrumban és az ebből előállított „távolságamplitúdó” függvényben megkeresett d0 maximummal a d=0 helyet, az időfüggvény 0(f) burkológörbéjével pedig a =1-hez tartozó függvényérték frekvenciafüggését definiáljuk. Ezután a toldókábelhez csatlakoztatott mérendő tápvonalra kapott távolságokat d0-lal csökkentjük, a burkológörbe pontjainak értékeit pedig elosztjuk 0(f) értékeivel, hogy megfelelően normalizált távolság- és amplittúdóértékeket kapjunk.
3.
Összehasonlítás a SiteMaster-rel végzett méréssel
A távolság meghatározáshoz mindkét mérési összeállítás azt az egyszerű elvet alkalmazza, melyet az (1.) … (4.) egyenletekkel írtunk le. Különbség az alábbiak szerint fogalmazható meg. A SiteMaster a mérés elvégzéséhez beépített reflexiós mérőhidat használ, mely egy szintén a műszer részét képező diszkontinuitáson keresztül gerjeszti a mérendő kábel bemenetét. Mint arról már fentebb is szó volt, így állhat elő a kiértékelés elvégzéséhez szükséges fa frekvencia is a mérőhíd kimenetén. A mérés előtti hitelesítés három különböző lezárással (Short, Open, Load) történik. A készülék az általa megmért időfüggvény pontjait nem, csak az abból számolt „DTF” és „Return Loss” adatokat menti el memóriába, vagy mágneslemezre. Az általunk készített összeállítás elvében a 2. ábrán látható elrendezésnek felel meg. Az alkalmazott mérőműszer egyik portját (hálózatanalizátor), vagy tracking generátorát (spektrumanalizátor) használjuk sweep generátorként, ami egy 50 ra illesztett 3 dB-es ellenállásosztót hajt meg. Az osztó 2. kapujához patch-kábelen keresztül a mérendő kábel csatlakozik, a 3. kapu pedig az analizátor bemenetére dolgozik. Az analizátor tölti be a detektor és az A/D konverter szerepét. Az analizátor beállítását és a megmért időfüggvény lekérdezését, valamint az előző fejezetben vázolt számításokat és a hozzájuk kapcsolódó megjelenítést, adattárolást a VEE vezérlőprogram végzi, mely GPIB buszon keresztül kapcsolódik az analizátorhoz. A vezérlő számítógépen működő program kezelése hasonló a SiteMaster-éhez. Itt is csak a kiszámolt „DTF” és „Return Loss” adatokat mentjük el a gép merevlemezére. A mentés a SiteMaster *.DAT filejaival teljesen megegyező formátumban történik. A mérési procedúra az azonosító adatok (mérési helyszín, kábelazonosító, mérést végző személy) és a mérési frekvenciahatárok rögzítésével kezdődik, majd a patch-kábel végére rövidzárat téve megmérjük, kiszámoltatjuk és eltároltatjuk a távolság- és bemeneti reflexió mérés referencia adatait (lásd fentebb: d0, 0(f)). Ez után menüből kiválasztható sorrendben elvégezhető - beleértve a MHA beiktatásakor szükséges vizsgálatot is - az összes mérés. A kiértékelés során a vezérlő program elhelyezi a szükséges limitvonalakat és maximum-, minimumhelyekhez rendelendő markereket is. 9
