MÉRÉSI SEGÉDLET a DTF (Disance To Faul) méréshez (DTF) V2 épüle VII.emele 721. Anenna Labor BUDAPESTI MŰSZAKI és GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szélessávú Hírközlés és Villamosságan Tanszék H-1111 Budapes, Goldmann György ér 3. V2 épüle VI. emele el.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89 Készíee : dr. Lénár Ferenc 212 1
Segédle a DTF (Disance To Faul) című hallgaói méréshez A mérés célja az FMCW (Frequency Modulaed Coninuous Wave) radar elvének szemléleése a gyakorlaban speciális erjedési úon koaxiális kábelen erjedő rádiófrekvenciás jelek segíségével. A hely függvényében felérképeze reflexiókból meghaározzuk a kábel S paraméerei. A kiérékelés során épíünk az alapveő jelfeldolgozási ismereekre. Demonsrációs céllal megvalósíunk egy kis haóávolságú radar, melly anennával kisugárzo levegőben erjedő - rádióhullámokkal mér ávolságo. 1. Bevezeés A héköznapi éleben sok helyen működnek olyan rádiófrekvenciás ápvonalakkal, elsősorban koaxiális kábelekkel megvalósío rádiófrekvenciás információávieli uak és rendszerek, melyekben az egyes uak hossza nagyon kényelmelenné, bizonyalanul megoldhaóvá enné ezen szakaszok hagyományos módon örénő S- paraméer mérésé. Tipikus példakén a nagyobb épüleekben megvalósío kábelelevízió hálózaok, vagy a GSM bázisállomásokon a földön elhelyeze berendezésekől a GSM anennákig fuó koaxiális kábelek emlíheők. A még beépíelen kábelszakaszoka ermészeesen meg lehe mérni úgy, hogy a kábel mindké végére ideiglenesen csalakozó szerelünk és csalakozajuk egy hálózaanalizáorhoz, melyen az S-paraméerek mérése akár auomaizálan is elvégezheő. Ez azonban nem jelen bizosíéko arra, hogy a beépíe kábel is megfelelő paraméerekkel rendelkezik majd. Ezér például GSM bázisállomások épíésekor előírják a leelepíe koaxiális kábelek szigorú prookoll szerini áadás-ávéeli mérései. Másrész egy hagyományos S-paraméer mérés eredményeiből csak az udjuk megállapíani, hogy a vizsgál kábel megfelel-e a köveelményeknek, vagy sem. Ha nem felel meg, a miér -re nem kapunk válasz. A megengedenél nagyobb reflexiónak öbb forrása lehe (úl kicsi sugáron hajlío-megör kábel, a külső szigeelés lefejésekor ávágo, vagy rögzíőbilinccsel összeroppano kábelköpeny, rosszul szerel csalakozó, sb). Ha nem ismerjük az oko, nem lehe eldöneni, hogy a hiba hogyan javíhaó. Ennek súlyos anyagi kihaásai lehenek, mer például a bázisállomásokon használaos speciális kis csillapíású semirigid koaxiális kábel nagyon drága és sok eseben a behúzása is nehéz, nagy körülekinés igénylő felada. Tehá célszerű a hibás kábel cseréjé elkerülni, ha a probléma más módon is orvosolhaó (pl. lehe, hogy csak a csalakozók szerelésé kell precízebben megisméelni, vagy csak jobban meghúzni a csalakozók rögzíésé, de elképzelheő, hogy nem is a kábelen van a hiba, hanem a hozzá csalakozao anennában). A hiba helye csak valamilyen radar elv alapján végze méréssel deríheő ki. I erre a feladara laboraóriumi eszközökkel-műszerekkel FMCW radar valósíunk meg. A mérés eredeileg egy HPIB buszon kereszül noebook-ról (vagy PC-ről) vezérelheő racking-generáoros HP8594E spekrumanalizáoron szülee meg bázisállomásokon végzendő mérések céljára. Léezik ilyen gyári eszköz is: korábban az Anrisu cég SieMaser eszközcsaládja vol az egyelen, manapság a Rohde-Schwarz és az Agilen is gyár olyan hordozhaó spekrumanalizáor (beépíe racking-generáorral), melye felkészíeek ilyen mérésekre is. Mivel a SieMaser 2
ada- és megjeleníési formáuma szabvány szerűen erjed el, mi is ez használjuk a cég honlapjáról szabadon leölheő megjeleníő szofver segíségével. 3
2. A mérés elve Használjunk valamilyen erjedési közegben egy ismer időfüggvény szerini frekvenciával modulál folyonos hullámú (FMCW) jele gerjeszéskén! Ha a visszaérkező reflekál (ve) jele összehasonlíjuk az adójellel, a pillananyi frekvenciák különbségéből meghaározhaó a reflekál jelre jellemző késleleési idő. (Az ismerebb impulzusradar eseében ez a késleleési idő közvelenül időméréssel nyerik.) A ve jel ampliúdója a erjedési közeg csillapíásán úl jellemző lesz a reflexió nagyságára. Speciális eseben előnyös lehe, ha a frekvenciamoduláció időfüggvénye pl. logarimikus, de a gyakorlai megvalósíások úlnyomó öbbségében lineáris sweep-e alkalmaznak. f f f +B d A részleesebb vizsgálahoz éelezzük fel, hogy a mérendő kábelünk homogén és veszeségmenes. Szignálgeneráorunkkal a mérési frekvenciaarományban állísunk elő időben lineárisan válozó frekvenciájú jele az 1. ábra folyonos görbéjének megfelelően. Ez az (1.) egyenle írja le. Egy sweep ermészeesen csak véges T ideig arha, mivel a rendelkezésre álló frekvenciaaromány is véges, azonban öbbször is megisméelhejük. A d hosszúságú kábel végén elhelyeze rövidzárról d időkésleleéssel visszaérkező reflekál hullám bemeneen apaszal frekvenciája is d késleleéssel kövei a bemenei jelé. A reflekál jel időfüggésé a (2.) egyenle adja meg. Mivel a sweep kezdeén és végén csak az adó, vagy csak a reflekál jel áll rendelkezésre, az előforduló maximális késleleési időre érdemes kiköni, hogy legyen max <<T. Ekkor úgy ekinhejük, minha a eljes T idő ala rendelkezésünkre állna mindké jel. f B f T a f d +T 1. ábra (1.) B f f T r (2.) A (3.) összefüggés szerin adódó különbségi frekvencia ehá jellemző lesz a reflexió ávolságára. 4
B f f f (3.) d a r T Ha a (4.a.) egyenlenek megfelelően figyelembe vesszük a kábelen érvényes v erjedési sebesség, a d késleleés, valamin a d ávolság közöi összefüggés, megadhaó a különbségi frekvencia és a reflexió helye közöi kapcsola. d v 2 (4.a.) d f d T v 2B (4.b.) A különbségi frekvencia kinyerésére öbbféle leheőség kínálkozik. Iránycsaoló, vagy reflexiós mérőhíd segíségével a kábel bemeneén megmérhejük a reflekál hullám ampliúdójának frekvenciafüggésé az 1. ábra szerin örénő sweep ala. Ha az f d frekvenciára is kíváncsiak vagyunk, a mérőhíd Tes kapuján lére kell hozni egy ismer diszkoninuiással egy ismer reflekál hullámo. A mérőjel egy részé így visszavezeve a híd reflexiós kimenei kapujára, már mind az f a, mind az f r frekvenciájú összeevő megkapjuk. A reflexiós mérőhíd helye egy egyszerű illesze eljesíményoszó használva a genaráor jelének egy részé a vevőbe irányíhajuk, miközben a fennmaradó eljesímény a mérendő kábel bemeneére kerül [1.]. A kábelről az oszóra visszaérkező reflekál jel egy része is a vevőre ju, így i szinén együ jelenik meg az f a, és az f r frekvenciájú komponens. Az f d frekvencia meghaározására a legkézenfekvőbb megoldásnak keverő használaa lászik. f d kinyerése örénhe úgy is, hogy az együ megjelenő f a, és f r frekvenciájú jeleke egy deekorra vezejük, melynek kimeneén a ké összeevő vekoriális eredőjének megfelelő burkoló kapjuk. Ennek frekvenciája is f d érékű lesz. A mérés során a eljesíményoszó és deekor kombinációjá használjuk. Tekinsük a 2. ábrán láhaó mérési összeállíás. lezárás mérendő kábel reflekál haladó (adó) 2. oldó kábel Gen. 1. 3dB oszó 3. de. A/D PC 2. ábra 5
U A sweep generáor az 1. kapun gerjeszi az illesze oszó. Az f a frekvenciájú jel egyik fele a 2. kapuhoz csalakozó kábelre ju, a V a V e 3. ábra V r d másik fele a 3. kapun á a csúcsdeekorra. A kábelről a 2. kapura f r frekvenciával visszaérkező reflekál jel fele szinén a deekoron jelenik meg, a maradék pedig az egyes kapun áhaladva a generáoron, ahol disszipálódik. A deekoron megjelenő f a, és f r frekvenciájú jelekhez rendel V a és V r vekoroka komplex síkon megjeleníve a 3. ábra V e vekorösszegéhez juunk. Mivel V r az f d különbségi frekvenciából adódó d körfrekvenciával forog V a körül, a V e vekoreredő hossza is f d frekvenciával pulzál V a körül. Ez muaja a 4. ábra azzal kiegészíve, hogy i már egy exponenciálisan frekvenciafüggő kábelcsillapíás is feléelezünk. A engely 1-as éréke a T sweep időnek felel meg. 1.8.6.4.2 2 4 6 8 1 4. ábra A gyakorlaban előforduló mérési frekvenciaarományok és kábelhosszak eseén az előálló f d frekvencia néhány khz-re adódik. A deekor jelé oszcilloszkópra vezeve meghaározhajuk a T d periódusidő, ebből f d, majd d éréké. Ugyanez elvégezheő A/D konverálás uán számíógéppel is. Kövekező lépéskén a kábelbemenere visszaérkező reflekál hullám ampliúdójá haározzuk meg. Ehhez leválaszjuk az időfüggvény egyenkomponensé, ez ugyanis az a V a -val jelöl összeevő, amelye a eljesíményoszó 1. kapujáról a 3-ra közvelenül ájuó eljesímény hoz lére. Az így nyer - iszán AC - időfüggvény burkológörbéje adja a bemenei reflexió abszolúérékének frekvenciameneé. (Ennek érdekében a T hosszúságú időskálához az 1. ábra alapján rendeljük hozzá a B sávszélessége, vagyis a burkológörbé a mérési frekvencia arományában érelmezzük.) Ezen lépések eredményé muaja az 5. ábra. 6
U U.3.2.1 Időfüggvény Burkoló -.1 -.2 -.3 2 4 6 8 1 5. ábra Ha nem csak egyelen reflexió engedünk meg, a d 1, d 2, d n ávolságokból jövő reflekál hullámokhoz kapcsolódóan V r1, V r2, V rn vekoroka kellene a 3-hoz hasonló vekorábrába berajzolni. Az összegzés eredményekén a 6. ábrán láhaó jellegű 1.2 1.8.6.4.2 2 4 6 8 1 6. ábra időfüggvény adódik. I már nyilvánvalóan nem használhaó a periódusidőből örénő frekvenciameghaározás. Helyee Fourier ranszformációval [2.] áérünk a különbségi frekvencia arományába, azaz képezzük az időfüggvényhez arozó ampliúdó-sűrűség spekrumo (lásd: 7. ábra). Az i alálhaó helyi maximumok adják a reflexiós helyekre 7
U ampliúdó; db jellemző különbségi frekvenciáka. Ha a frekvenciaengelyhez a (4.b.) összefüggésnek megfelelően ávolságskálá rendelünk, leolvashajuk a reflexiók helyé. A gyakorlaban az időfüggvény minavéelezése uán egy T szélességű derékszögű időablakban N egyenlees eloszlású ponban megado diszkré időfüggvényhez juunk, melye FFT algorimussal ranszformálunk. -5-1 -15-2 -25 2 4 6 8 1 7. ábra Ha 6. ábrán láhaó időfüggvényhez is meghaározzuk a burkológörbé, megkapjuk a bemenei reflexió frekvenciafüggésé (az adójel frekvenciájának arományában). f.6.4.2 Időfüggvény Burkoló -.2 -.4 -.6 2 4 6 8 1 8. ábra 8
Mivel a eljesíményoszón sem az adó, sem a reflekál jel eljesíményének egy része nem a vevőbemene, vagy deekor felé megy, a gyakorlaban az egyenkomponens kiküszöbölése még nem a helyes ampliúdóka adja. Hogy megfelelően normalizál érékekhez jussunk, először a oldókábel végére helyeze rövidzárral végezzük el a mérés. Az ampliúdó-sűrűség spekrumban és az ebből előállío ávolságampliúdó függvényben megkerese d maximummal a d= helye, az időfüggvény (f) burkológörbéjével pedig a =1-hez arozó függvényérék frekvenciafüggésé definiáljuk. Ezuán a oldókábelhez csalakozao mérendő ápvonalra kapo ávolságoka d -lal csökkenjük, a burkológörbe ponjainak érékei pedig eloszjuk (f) érékeivel, hogy megfelelően normalizál ávolság- és ampliúdóérékeke kapjunk. 3. Összehasonlíás a SieMaser-rel végze méréssel A ávolság meghaározáshoz mindké mérési összeállíás az az egyszerű elve alkalmazza, melye az (1.) (4.) egyenleekkel írunk le. Különbség az alábbiak szerin fogalmazhaó meg. A SieMaser a mérés elvégzéséhez beépíe reflexiós mérőhida használ, mely egy szinén a műszer részé képező diszkoninuiáson kereszül gerjeszi a mérendő kábel bemeneé. Min arról már fenebb is szó vol, így állha elő a kiérékelés elvégzéséhez szükséges f a frekvencia is a mérőhíd kimeneén. A mérés elői hielesíés három különböző lezárással (Shor, Open, Load) örénik. A készülék az álala megmér időfüggvény ponjai nem, csak az abból számol DTF és Reurn Loss adaoka meni el memóriába, vagy mágneslemezre. Az álalunk készíe összeállíás elvében a 2. ábrán láhaó elrendezésnek felel meg. Az alkalmazo mérőműszer egyik porjá (hálózaanalizáor), vagy racking generáorá (spekrumanalizáor) használjuk sweep generáorkén, ami egy 5 - ra illesze 3 db-es ellenállásoszó haj meg. Az oszó 2. kapujához pach-kábelen kereszül a mérendő kábel csalakozik, a 3. kapu pedig az analizáor bemeneére dolgozik. Az analizáor öli be a deekor és az A/D konverer szerepé. Az analizáor beállíásá és a megmér időfüggvény lekérdezésé, valamin az előző fejezeben vázol számíásoka és a hozzájuk kapcsolódó megjeleníés, adaárolás a VEE vezérlőprogram végzi, mely GPIB buszon kereszül kapcsolódik az analizáorhoz. A vezérlő számíógépen működő program kezelése hasonló a SieMaser-éhez. I is csak a kiszámol DTF és Reurn Loss adaoka menjük el a gép merevlemezére. A menés a SieMaser *.DAT filejaival eljesen megegyező formáumban örénik. A mérési procedúra az azonosíó adaok (mérési helyszín, kábelazonosíó, mérés végző személy) és a mérési frekvenciahaárok rögzíésével kezdődik, majd a pach-kábel végére rövidzára éve megmérjük, kiszámolajuk és elárolajuk a ávolság- és bemenei reflexió mérés referencia adaai (lásd fenebb: d, (f) ). Ez uán menüből kiválaszhaó sorrendben elvégezheő - beleérve a MHA beikaásakor szükséges vizsgálao is - az összes mérés. A kiérékelés során a vezérlő program elhelyezi a szükséges limivonalaka és maximum-, minimumhelyekhez rendelendő markereke is. 9