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Universidad de CaraboboFacultad de Ingeniería

Escuela de TelecomunicacionesCátedra de Instrumentación de las Comunicaciones

Luis Guillermo Ortega Garasi Enmanuel E. Rodríguez Paz María M. Brandt Cevallos

C.I: 20.497.955 C.I: 21.098.240 C.I: 20.664.692

Mediciones realizadas en el ámbito de Radiodifusión Digital(Digital Broadcasting)

Objetivo: Realizar una síntesis de las mediciones que son pertinentes en el ámbito del estudio y monitoreo de la radiodifusión digital (Digital Broadcasting).

Las mediciones realizadas en la radiodifusión digital se pueden separar en categorías específicas, en las cuales se dará a conocer una reseña a manera general sobre dichos procedimientos de medición y en qué consiste cada una. A continuación se presentan las categorías que engloban los distintos procedimientos que se realizan en este ámbito.

1. Errores de Rendimiento

Mediciones Realizadas:

BER Jitter

La medición básica del rendimiento de radiodifisión digital es el Bit Error Rate (BER). Este tipo de medición se puede realizar de dos formas:

A. Fuera de Servicio, donde el tráfico se remueve y una secuencia binaria pseudo-aleatoria se aplica al terminal den transmisor, y la data recibida es analizada bit por bit en busca de errores. Este es el método preferido para evaluar el rendimiento del radio particularmente durante la puesta en marcha desde que todo bit es analizado en búsqueda de errores.

B. En Servicio: donde el radio opera normalmente con carga de tráfico, y el error de rendimiento es medido internamente por paridad chequeando en los bloques de datos. Esto trabaja muy bien en proporciones moderadas y bajas de error, pero se convierte en un método inexacto durante ráfagas de errores, por ejemplo durante el desvanecimiento multitrayecto, donde existe posibilidad de cancelación de error de paridad en los bloques de datos. El resultado de esta simple prueba se muestra normalmente en el panel de control del radio.

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Es importante la medición de errores de rendimiento debido a que los sistemas de radio digitales deben proveer transmisiones de alta calidad. Se recomienda realizar estas mediciones en un periodo de un mes. Para un enlace de 2500 km a 64kbps de canal unidireccional, las estadísticas recomendadas son:

BER superior a 1x10-6 para menos de 0.4% de cualquier mes. BER superior a 1x10-3 para menos de 0.054% de cualquier mes. BER Residual no debe exceder 5x10-9 (integración de 15 minutos)

Se denomina Jitter a la variabilidad temporal durante el envío de señales digitales en el reloj de temporización de símbolo, el cual es usado para muestrear las señales I y Q del demodulador es una fuente de errores en radio digital. Si la señal del demodulador no es muestreada en el punto correcto, el efecto del “Eye Closure”, genera pérdidas en rendimiento.Los esquemas de modulación de orden superior (16 y 64QAM) son más sensibles progresivamente a estos efectos del Jitter, con incremento del deterioro del rendimiento en radio.

Existen tres clases de mediciones:

Jitter de entrada tolerable máximo: el cual es medido aplicando Jitter que se incrementa secuencialmente a una entrada de datos, y se determina el arranque de errores de bit.

Jitter de Salida Máximo, el cual es el nivel de jitter de salida con una señal con o sin Jitter. La función de transferencia de Jitter, la cual es una medida de cómo el Jitter se atenúa

pasando a través del sistema; una especificación necesaria para prevenir acumulación de Jitter en la red.

Las mediciones de Jitter generalmente son realizadas por los fabricantes, donde el equipo debe ser chequeado completamente para la especificación apropiada, pero de vez en cuando, son realizadas en campo.

2. Test de Estrés

Mediciones realizadas:

Desvanecimiento Plano Desvanecimiento Multitrayecto

Desvanecimiento plano como su nombre lo indica es una atenuación no dependiente de la frecuencia de la señal de entrada y ocurre típicamente durante periodos de fuertes lluvias, particularmente a frecuencias de microondas altas. Cuando la señal es muy baja, la relación señal- ruido se degrada y los errores ocurren en los datos transmitidos. Mientras mejor sea el diseño y la alineación del radio, mejor será el margen de desvanecimiento. El margen de desvanecimiento es definido como la cantidad de atenuación (ej. 50dB) de un nivel recibido normal, que es posible para un BER dado, tal como 10-3. Durante el desvanecimiento plano, la intensidad de la señal disminuye, pero el ruido añadido por el ambiente y otros componentes del radio no decrece, por lo tanto, la relación señal-ruido disminuye. Existen dos métodos para medir relación (S/N) versus medidas de BER.

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El método tradicional usando un atenuador a la entrada del receptor (variando S). El método de ruido aditivo usando un generador de ruido (variando N).

Método tradicional de medición de S/N vs BER

En el primer método, un atenuador se encuentra conectado a la entrada de microondas del receptor, lo que hace que la señal que se recibe puede ser atenuada en el receptor de ruido. Un medidor de potencia (Power Meter) se usa para chequear la proporción de relación (S/N) efectiva en la sección IF, o para medir el nivel de señal recibida, si ese parámetro está siendo usado para graficar la curva de BER. En el último caso, los niveles son muy bajos, entonces es normal medir la señal entera en el receptor y entonces, confiar en la precisión del atenuador para establecer el nivel de señal recibida, asumiendo que el nivel de señal que se aproxima no ha cambiado. Cuando el nivel de ruido se mide en algún punto en el IF, el nivel medido será probablemente mayor que el nivel de ruido en el regenerador siguiendo al demodulador. Esto es porque el filtrado adicional puede existir después del punto de medición. Esto puede ser tomado en cuenta haciendo una medición a través del filtro de banda equivalente de ruido en el IF. A veces la inaccesibilidad del atenuador de guía de onda hace de la medición lenta y de difícil repetición, además de que es susceptible a pérdidas de sincronización y variación de los niveles de campo debido a variaciones de portadora, además del tiempo consumido y los errores introducidos por los operadores al realizar las mediciones para completar la curva del BER.

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Diagrama de Bloques del Método de ruido aditivo

Para esta explicación, se usa el medidor de ruido e interferencia HP 3708A. En el método de ruido aditivo, el receptor de radio digital opera en niveles normales no atenuados, entonces el efecto de la figura de ruido de recepción es despreciable y posiblemente la pérdida de la sincronización se minimiza. La señal IF en el trayecto del receptor es conectada a través del HP 3708ª, se coloca el ancho de banda del sistema apropiado, de manera que el factor de ruido de cresta alta puede ser añadido a la señal de radio. La relación (S/N) es conocida con precisión, y el BER es chequeado usando el generador de patrón y detector de error. La configuración mostrada anteriormente presenta mediciones automáticas con el medidor programable de BER HP-IB, bajo el control de una computadora o el analizador de espectros. Las mediciones pueden ser realizadas manualmente con una gran variedad de medidores de BER no programables.

Este método presenta ventajas con respecto al anterior, las cuales se traducen en precisión mejor que 0.1 dB y repetividad del proceso, precisión independiente del nivel de variaciones de portadora en aplicaciones de campo, definición de densidad de ruido precisa y ancho de banda del sistema, además de automatización del proceso.

En la siguiente sección, se probará el radio sometiendo al receptor a desvanecimiento multitrayecto. Todos los sistemas de radio de microonda pueden sufrir de propagación multitrayecto donde la antena receptora capta no solamente la señal directa, también una señal secundaria la cual está ligeramente retardada relatico al haz directo. El haz secundario se forma debido a las variaciones del índice de refracción del aire o en reflexiones debido a edificios, entre otros. Este fenómeno es particularmente frecuente en días con clima con temperaturas altas, y cuando el trayecto del radio es a través de agua el resultado es el desvanecimiento selectivo de frecuencias. El grado de desvanecimiento multitrayecto depende fuertemente de las longitudes “hop”. Por esta razón los radio enlaces operando en las bandas de microondas por debajo de los 15GHz, con longitudes “hops” relativamente grandes, tiende a sufrir predominantemente de propagación multitrayecto donde sistemas con frecuencias más altas con longitudes “hops” más cortas son afectadas mayormente por desvanecimiento plano de atenuación debido a la lluvia.

Una de las técnicas más usadas para combatir la atenuación selectiva de frecuencias es mediante el uso de ecualizadores, que permiten levantar la frecuencia la cual se ha afectado por el desvanecimiento multitrayecto, el cual tiene un efecto de filtro notch sobre el espectro de la señal de

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radio digital, lo que provoca el aumento de la ISI, o interferencia Intersímbolo, que puede aumentar el BER. La presencia de actividad multitrayecto puede ser identificada mediante el monitoreo de la señal de radio digital recibida, a través de un analizador de espectros. El multitrayecto puede ser identificado en servicio mediante un analizador de constelación.

Visualización del efecto Notch a través del Analizador de Espectros

La Curva-M, también llamada Curva-W, es el test más común de rendimiento de ecualizadores. Es realizada moviendo un notch a cada una de las posiciones de cierto número de ellas. A cada posición, el notch se va haciendo más y más profundo, hasta que el radio alcanza cierto umbral de BER. Este umbral frecuenta el valor de 10 -3 o 10-6. Este método presenta ventajas, puede comparar diferentes modelos de radio, mientras más pequeña sea la curva mejor se puede adaptar con multitrayecto, además de que puede estimar el tiempo de inactividad del radio causado por el multitrayecto. Este test puede realizarse a través de un simulador de desvanecimiento multitrayecto, y el sistema de prueba de radio digital.

Figura: Propiedades de la Curva M

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3. Pruebas de Servicio

Las pruebas de servicio son convenientes para los operadores de radio digital ya que ellos necesitan mantener el servicio todo el tiempo, y la necesidad reducir el riesgo de componentes defectuosos que causan un deterioro. En las pruebas de servicio el descenso gradual del rendimiento es monitoreado, y la radio solo está en fuera de servicio cuando el mantenimiento de la misma es requerido.

Una manera de proporcionar este servicio es utilizando un análisis de constelación.

Análisis de Constelaciones

El diagrama de constelación es una representación gráfica (llamada I-Q) de los símbolos digitales recibidos en un periodo de tiempo. Existen distintos tipos de diagramas de constelación para los distintos tipos de modulación.

Una variedad de imperfecciones pueden existir en un sistema de radio digital, y cuanto más complejo sea el esquema de modulación, habrá mayores inconvenientes. Existen varios errores que se pueden presentar en un sistema de radio digital:

Errores de Amplitud

Un error de amplitud puede consistir, en valores de amplitudes que no son iguales en los cuatro estados de QPSK, niveles de I y Q diferentes o una modulación no lineal de I y Q.

Errores de ángulos en cuadratura

Son efectos que ocurren porque las portadoras I y Q no están exactamente a 90º. El resultado es un diagrama de modulación que tiene forma de un rombo o un trapezoide.

Errores de enganche de fase

Esto ocurre cuando la portadora recuperada en el demodulador no está en correcta fase con la señal de entrada resultando en un diagrama de constelación rotado.

Decisiones incorrectas de umbrales de demodulación

Las decisiones incorrectas de umbrales de demodulación tienen efectos parecidos a los del error de amplitud en el modulador. El resultado es un margen de reducción entre el valor del estado y la decisión de umbral.

El analizador de constelación cuantifica estos efectos, también puede hacer mucho más como medir el rendimiento de radio digital. Estos tipos de analizadores identifican las deficiencias en radio digital, y analiza la magnitud de las distorsiones.

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Para realizar las mediciones de constelación, el radio debe estar equipado con puntos de control adecuados en el demodulador proporcionando la post demodulación deI, Q y el tiempo de temporización.

Se puede utilizar el analizador de constelación para alinear el pre distorsionador y el amplificador de RF en un sistema de radio digital.

o Este es el primero de dos métodos para establecer el pre distorsionador usando el

analizador de espectro.

En el siguiente párrafo se describe el método de dos tonos. Se inyectan dos señales, una arriba y una abajo con la misma frecuencia IF. La señal sustituida pasa a través del pre distorsionador, up-converter, y el amplificador de RF. El analizador de espectro muestra el espectro de la señal. Para condiciones óptimas, los armónicos deben ser cierto número de dB por debajo de la señal principal, en la figura anterior se muestra con una diferencia de 45 dB. Este método solo prueba la combinación del up-converter y el pre distorsionador/ amplificador RF, del transmisor. Otros componentes como el modulador y cualquier componente receptor no son probados.

Para optimizar el pre distorsionador/ amplificador de RF, el analizador de constelación es usado en dos modos de operación. El primero, es usado en el modo de mediciones “repetidas”. Aquí el instrumento constantemente actualiza las mediciones rms como el pre distorsionador, se ajusta hasta acercarse a la configuración óptima. Cuando el ajuste está cerca del valor optimo, las mediciones rms se acercan a un valor mínimo. Otros ajustes se realizan utilizando el modo de mediciones “simple”. Esto crea una rms con distorsión no lineal, mediciones de AM-AM y AM-PS con un gran número de muestras (5000) para mejorar la precisión. El objetivo es reducir todas estas mediciones a un nivel mínimo así la constelación está cerca de un valor ideal.

o Cuantitativamente las mediciones proveen un diagnóstico de información, siendo

más fácil determinar cuándo se debe ajustar el pre distorsionador.o Alinea más de la radio que los dos tonos y los métodos de señales.

o Optimiza el rendimiento de la radio usando tráfico normal en lugar de un PRBS.

4. Pruebas de Diagnóstico

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Muchas pruebas son hechas en una radio digital de microondas durante su instalación, mantenimiento y reparación para medir y corregir deficiencias que suelen aparecer. Algunas medidas como la ocupación espectral, frecuencia y nivel de potencia son medidas de manera rutinaria en cada radio, mientras que otras medidas se realizan al momento de instalación como parte de un procedimiento de ajuste.

Ocupación Espectral

La prueba de ocupación espectral indica qué tan bien han sido suprimidas las bandas laterales no deseadas y las señales espurias por los filtros del transmisor, y medir así un ancho de banda con una fracción deseada de la potencia de la señal modulada. Para minimizar la interferencia de canales de radio adyacentes es muy importante que el radio cumpla con la máscara de ocupación provista por la autoridad regulatoria local(es decir los límites de amplitud y ancho de banda de la señal). Se suele hablar de la ocupación espectral al medir la interferencia de los canales adyacentes del transmisor y realizar el chequeo de los niveles de interferencia en la entrada del receptor. Los niveles de interferencia presentes en el receptor pueden también ser chequeados usando un analizador de espectros, estas interferencias pueden incluir:

Canales adyacentes: debido a pobre supresión de banda de transmisores adyacentes Co-canales: de otra radio con la misma frecuencia, posiblemente usando una

polarización opuesta Fuentes externas: tales como sistemas de radar

La interferencia causa el “cierre del ojo” en el demodulador y resulta en una disminución de la relación señal a ruido de la portadora y una pérdida del sensibilidad del receptor.

Potencia de Salida y Frecuencia

Dos de las medidas más básicas hechas en un sistema de microondas, medidas con los dos equipos de prueba más comunes usados en la radio digital de microondas, el medidor de potencia y el frecuencímetro. Un sistema transmisor de radio no puede transmitir a una potencia mayor ni a una frecuencia distinta a la establecida por el ente regulador que lo rija.

Retardo de Grupo

De un extremo a otro el retardo de grupo es medido durante la instalación y puesta en funcionamiento de una radio. La medida es hecha entre la entrada IF del transmisor y la salida IF del receptor. Esto prueba por cualquier distorsión presente en el transmisor, receptor, alimentación de la antena y medio. Existen equipos capaces de medir el retardo de grupo, colocándose uno de ellos en el sistema transmisor y otro en el sistema receptor para detectar y sincronizar la señal.

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Prueba de Ecualizador

Los ecualizadores juegan un doble papel en la radio. No sólo corrigen las distorsiones causadas por el desvanecimiento de multitrayectos aleatorios, sino que también corrigen cualquier rizado residual en la misma radio. Sin ecualizadores la planaridad de radios con formatos complejos como 64 QAM tendría que ser ajustados a una alta precisión. Sin embargo, dado que el ecualizador puede corregir para muchas distorsiones, la medición de planaridad es menos crítica. Esto quita la dificultad de las medidas de planaridad, pero hace que sea mucho más importante medir el rendimiento del ecualizador.

“Planaridad de la amplitud”

Los ecualizadores en el receptor de una radio digital de microondas corregirán muchas de las distorsiones de la amplitud y fase creadas en la propagación de la señal o por un pequeño desalineamiento de la misma radio. Sin embargo, los ecualizadores no pueden corregir fuertes desalineamientos en la radio o algunas distorsiones que causan enrizamientos espaciados muy próximamente en la banda de paso. Para asegurar que estas distorsiones extremas no estén presentes puede ser necesario realizar medidas de aplanamiento de la amplitud en secciones de la radio tales como el subsistema up-converter o la alimentación de la antena.

No Linealidad del Amplificador de Potencia

Casi todas las señales moduladas en radio digital presentan modulación de amplitud (AM) ya sea intencionalmente como en QAM o como resultado de una truncamiento del espectro como en el filtrado de 4-PSK. Cuando estas señales pasan a través de un amplificador no lineal son comprimidas y distorsionadas y resulta una interferencia intersímbolos (ISI) y un desplazamiento de estado de fase resultando en una pérdida de margen de S/N. Estos efectos pueden tomar lugar en cualquier punto de la sección de la portadora de la radio donde haya un dispositivo no lineal, pero predominantemente en el amplificador transmisor debido a la operación de alta potencia. En sistemas de modulación complejos como 64 QAM y 256QAM puede también ser necesario chequear la no linealidad en otras secciones tales como el up y down-converter y el amplificador ACG.

Una consecuencia de la intermodulación y la no linealidad del amplificador es el recrecimiento del espectro. Los productos de intermodulación crecen y pueden causar que la radio exceda sus límites de ocupación espectral.

Referencias Bibliográficas:

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