Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Radio definiowane programowo (SDR) do testowania i pomiaru anten

ghost666 16 Oct 2022 20:44 1632 0
Optex
  • Pomiar wzorców wzmocnienia jest kluczowym elementem oceny charakterystyki działania testowanej anteny. Radio definiowane programowo (SDR) to ekonomiczny i elastyczny system, który umożliwia wykonywanie różnych pomiarów na jednej platformie sprzętowej. Urządzenie tego rodzaju może generować i przesyłać różne sygnały i jest kompatybilne z szeroką gamą technologii cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP), w tym otwartych (open-source) rozwiązań oraz zestawów narzędzi do testowania i pomiaru anten (T&M). W poniższym artykule omówiono podstawy teorii fal radiowych i systemów antenowych, a także różne właściwości fal i parametry anten, w tym sprawność, kierunkowość i charakterystykę promieniowania. W materiale przedstawiono również podstawowe cechy SDR oraz to, dlaczego są one odpowiednim wyborem do zastosowań w weryfikowaniu systemów antenowych. Na koniec artykuł obejmie również podsumowanie możliwości różnych platform SDR i porównanie ich przydatności do pomiaru parametrów.

    Anteny i fale elektromagnetyczne

    Typowa antena to w zasadzie przetwornik, który zamienia napięcie (prąd elektryczny płynący przewodami) na sygnał radiowy (promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzące się w powietrzu) i na odwrót. W przypadku systemu nadajnika antena zamienia napięcie na sygnał. W mechanizmie odbiorczym antena przetwarza odebrany sygnał radiowy na napięcie. Anteny występują w szerokiej gamie kształtów, architektur, rozmiarów i są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym do komunikacji satelitarnej, nadawaniu, radarach, radioastronomii i komunikacji punkt-punkt.

    Komunikacja bezprzewodowa wykorzystuje fale radiowe jako medium do przesyłania sygnałów z jednego obszaru do drugiego. Właściwości fal elektromagnetycznych (EM) i anten, które mają kluczowe znaczenie dla porozumiewania się za pomocą przesyłu radiowego obejmują częstotliwość, długość fali, szerokość pasma, impedancję, intensywność promieniowania, współczynnik napięcia fali stojącej i moc odbitą. Niektóre podstawowe pojęcia objaśnione są poniżej:

    Częstotliwość działania: Częstotliwości, które są powszechnie używane w komunikacji bezprzewodowej, mieszczą się w zakresie od 100 MHz do ponad 10 GHz. W przypadku transmisji mikrofalowych wymagana jest linia widzenia między dwiema antenami, ponieważ sygnały rozchodzą się po torze prostym. Oznacza to, że odbiór między dwiema jednostkami zależy od niezakłóconego widoku, a zasięg anteny w dużym stopniu od jej wysokości.

    Długość fali: Długość fali sygnału odnosi się do różnicy między dwoma kolejnymi szczytami dodatnimi lub ujemnymi.

    Dopasowanie impedancji: Ilość mocy, która jest przesyłana z anteny do odbiornika lub z nadajnika do anteny, jest w dużym stopniu uzależniona od impedancji systemu. Aby osiągnąć maksymalny transfer mocy konieczne jest zapewnienie dopasowania impedancji anteny, obwodów i linii transmisyjnej.

    Moc odbita: Jeśli impedancja nie jest odpowiednio dostosowana część mocy jest odbijana z powrotem. Zmniejsza to sprawność, z jaką antena emituje moc w postaci fal radiowych.

    Szerokość pasma: Odnosi się do zakresu częstotliwości, w którym rozchodzi się sygnał. Uzyskuje się go, obliczając różnicę między górną i dolną częstotliwością przydzieloną danemu sygnałowi.

    Intensywność promieniowania: Maksymalna intensywność promieniowania jest wskaźnikiem kierunku, w którym takowe emitowane przez antenę jest największe. Maksymalny zasięg emisji jest określany jako natężenie.

    Kierunkowość: Kierunkowość d anteny odnosi się do stosunku maksymalnego natężenia promieniowania danej anteny w jednym kierunku (Smax) do natężenia promieniowania anteny referencyjnej emitującej taką samą ilość mocy uśrednionej we wszystkich, tj. izotropowo (Siso). Różne zastosowania wymagają jednostek o odmiennych charakterystykach kierunkowości.

    $$d = \frac {S_{max}}{S_{iso}} \qquad (1)$$

    Sprawność apertury: Sprawność apertury Apeff anteny odnosi się do stosunku jej powierzchni realnie wykorzystywanej do jej powierzchni fizycznej. Niedoskonałości w obszarze odbioru anteny zmniejszają sprawność apertury.

    $$Ap_{eff} = \frac {A_{eff}} \qquad (2)$$

    Sprawność anteny: Sprawność anteny Aneff odnosi się do stosunku wypromieniowanej mocy (Prad) do całkowitej dostarczonej do anteny (Ptot).

    $$An_{eff} = \frac {P_{rad}}{P_{tot}} \qquad (3)$$

    Wzorzec promieniowania jest schematyczną reprezentacją rozkładu promieniowania emitowanego lub odbieranego przez antenę. To graficzne odniesienie określa rozkład energii wypromieniowanej w przestrzeń w funkcji kierunku. Część pola promieniowania, która obejmuje największy obszar nazywana jest głównym kierunkiem. Reprezentuje ona region, który odbiera maksymalną energię wypromieniowaną przez antenę. Dla danej jednostki kierunek główny wskazuje jej kierunkowość. Części wzorca promieniowania, które odbierają małe ilości wypromieniowanej energii są określane jako płaty boczne. Te odnoszą się do obszarów, w których energia emitowana przez antenę jest marnowana.

    Antena emituje znaczną ilość energii w kierunku przeciwnym do jej głównego. Ten płat boczny jest określany jako tylny i odpowiada za znaczną część wytracanej energii. Wzór promieniowania na rysunku 1 przedstawia główny kierunek, płat tylny i boczne przykładowej jednostki.

    Wzory promieniowania są podzielone na kategorie w zależności od ich kształtów. Niektóre z typowych obejmują charakterystykę dookólną, wachlarzową lub inne. Ujęcie dookólne, powszechnie znane również jako wzór bezkierunkowy, znamionuje się kształtem pączka, gdy zostanie wykreślony w 3D. Jednak na wykresach 2D ten koncept ma postać przypominającą liczbę osiem. W ogólności nazwy często sugerują np. wzór wiązki określany kształtem ołówka, gdyż ma istotnie taki format. Podczas gdy wiązka o charakterze wachlarzowym może kojarzyć się z wachlarzem.

    Radio definiowane programowo (SDR) do testowania i pomiaru anten
    Rys.1. Charakterystyka promieniowania przedstawiająca płat główny, tylne i boczne.


    Jedną z najważniejszych cech charakterystyki promieniowania jest szerokość wiązki. Jak już wspomniano, główna odpowiada za maksymalną energię wypromieniowaną przez antenę. Kąt apertury, z którego ta moc jest wypromieniowywana jest określany szerokością wiązki. Z tym kątem związane są dwie metryki: szerokość wiązki o połowie mocy (HPBW) i pierwszej zerowej (FNBW). HPBW jest miarą szerokości kątowej w punktach, w których moc sygnału jest równa połowie wartości maksymalnej (szczytowej) we wiązce. Ta metryka jest krytyczna przy określaniu zdolności anteny do rozdzielania przestrzennie sygnału. Z drugiej strony FNBW jest miarą rozpiętości kątowej płata głównego i jest krytyczną wartością w analizie zakłóceń pomiędzy jednostkami. Rysunek 2 pokazuje HPBW i FNBW przykładowej anteny.

    Radio definiowane programowo (SDR) do testowania i pomiaru anten
    Rys.2. HPBW i FNBW.


    Ogólna sprawność anteny zależy od wielu parametrów i właściwości tego systemu. W ostatniej części tego artykułu omówione zostanie, w jaki sposób można mierzyć krytyczne wskaźniki tych urządzeń za pomocą rozwiązań testowych opartych na radiu definiowanym programowo.

    SDR i radio GNU

    SDR to mechanizm nadawczo-odbiorczy składający się z front-endu radiowego (RFE) i cyfrowego back-endu z różnymi wbudowanymi funkcjami DSP. RFE systemu SDR zawiera kanał nadawczy (Tx) i odbiorczy (Rx), które są zaprojektowane do obsługi szerokiego zakresu częstotliwości. Platformy SDR o najwyższej wydajności mają wiele niezależnych Tx i Rx i oferują chwilową szerokość pasma na poziomie 3 GHz.

    Wysokowydajne platformy SDR są wyposażone w programowalny moduł FPGA z bogatą gamą wbudowanych funkcji, w tym konwersją w górę, w dół, modulacją, demodulacją i pakietowaniem danych, wszystko sterowane i zasilane przez interfejs Ethernet. Platformy SDR o najwyższej przepustowości mogą przesyłać zasoby do 4 × 40/100 Gb/s przez interfejsy sieciowe qSFP+. Dane te mogą być następnie kierowane do karty interfejsu sieciowego systemu hosta w celu dalszego przetworzenia lub przechowywania.

    Niektóre z właściwości systemów SDR, które czynią je potężnym narzędziem dla aplikacji T&M obejmują wysoką elastyczność, szerokie pasmo, niskie opóźnienia, możliwość realizacji wielu wejść i wyjść sygnału naraz oraz doskonałe przetwarzanie DSP. Ponadto platformy SDR są kompatybilne z szeroką gamą zestawów narzędzi typu open-source, w tym GNU Radio i GNU Octave. Na przykład, korzystając z interfejsu API o ultrawysokiej rozdzielczości można tworzyć niestandardowe oprogramowanie w językach C, C++ lub Python.

    GNU Radio to zestaw instrumentów o otwartym kodzie źródłowym, który jest w stanie kontrolować wejście SDR-a w systemie hosta. Całość narzędzi zawiera GUI o nazwie GNU Radio Companion. Ten graficzny interfejs użytkownika wykorzystuje bloki przetwarzania w postaci graficznej, ułożone w stylu przypominającym schemat blokowy, reprezentujący tor przetwarzania danych.

    GNU Radio oferuje GUI wymagane do obsługi wielu funkcji T&M, w tym do tworzenia analizatorów widma, generatorów sygnałów, analizatorów diagramów konstelacji i filtrów grzebieniowych. Ponadto zestaw ten oferuje szeroką gamę możliwości kontrolowania parametrów radiowych, takich jak częstotliwość środkowa, lokalnego oscylatora, wzmocnienie i liczba kanałów. Te cechy i możliwości sprawiają, że GNU Radio jest popularnym wyborem dla aplikacji T&M.

    SDR-y dla aplikacji T&M

    Ponieważ SDR jest platformą niezależną od aplikacji może być używany w różnych zastosowaniach T&M. Chociaż system taki nie jest przeznaczony do żadnego konkretnego użytku T&M, takiego jak dedykowany, wysokiej klasy sprzęt testowy, jest bezkonkurencyjnym narzędziem, jeśli chodzi o aplikacje wymagające możliwości dostosowania się do rozmaitych scenariuszy badawczych, które odbiegają od zwykłych testów. Obejmuje to niekonwencjonalne sprawdziany typu pomiary opóźnień sieci, kompatybilności elektromagnetycznej czy zakłóceń elektromagnetycznych, czasu propagacji sygnału, błędów bitowych i parametrów fizycznych anten.

    Elastyczność i rekonfigurowalność platform SDR umożliwiły inżynierom szybkie wdrażanie i uruchamianie uniwersalnych rozwiązań T&M. Oznacza to, że teraz każdy inżynier w ramach firmy może mieć uniwersalną platformę, którą można łatwo dostosować do wykonywania różnych testów. W porównaniu z tradycyjnym modelem, w którym organizacja nabywa kilka sztuk rozmaitego sprzętu badawczego, którymi należy się dzielić, takie podejście może znacznie zwiększyć produktywność i obniżyć koszty zakupu oraz utrzymania.

    Przykłady pomiarów anten z wykorzystaniem SDR

    Przeprowadzono różne badania w celu oceny przydatności SDR w zastosowaniach testów antenowych. W tym artykule skupiono się na dwóch pomiarach. Pierwszym jest ocena charakterystyki działania anteny mikropaskowej. Wykorzystano radio definiowane programowo o odpowiednich parametrach i pakiet GNU Radio Companion. Korzystając z tych dwóch, wykonano różne pomiary charakterystyki emisji, w tym HPBW, sprawność przenoszenia mocy oraz ilość tej odbieranej w systemie.

    Pomiary uzyskane przy użyciu systemu opartego na SDR zostały następnie zestawione z tymi z komory bezechowej. Jak pokazano na rysunku 3, pomiary z mechanizmu bazującego na SDR były dokładne i porównywalne z tymi uzyskanymi z wysokiej klasy urządzenia testującego, które kosztuje znacznie więcej pieniędzy niż omawiany system. Zatem rozwiązanie oparte na SDR nie tylko zapewnia dokładne wyniki, ale jest również bardziej ekonomiczne w zakupie i utrzymaniu.

    Radio definiowane programowo (SDR) do testowania i pomiaru anten
    Rys.3. Porównanie charakterystyki promieniowania mierzonego za pomocą systemu opartego na SDR (czerwony) i wysokiej klasy komorze bezechowej (niebieski).


    W drugim badaniu zautomatyzowany mechanizm bazujący na SDR został wykorzystany do pomiaru charakterystyki promieniowania parabolicznej anteny talerzowej na obrotnicy w stosunku do różnych zdalnych źródeł — radiolatarni. Test ten obejmował wykorzystanie schematu blokowego strumienia przetwarzania w GNU Radio do pomiaru mocy sygnałów odbieranych przez antenę podłączoną do SDR i zapisanie wygenerowanych wyjściowych próbek IQ oraz znaczników czasu. Do rejestrowania kątów azymutu i znaczników użyto skryptu zapisującego te wartości do pliku. Następnie wykorzystano skrypt stworzony w Pythonie do interpolacji zmierzonych danych i wygenerowania wykresów biegunowych charakterystyki promieniowania anteny. Badanie to pokazuje ponadto, że mechanizm testowy oparty na SDR jest odpowiedni do automatyzacji procedury stosowanej np. do pomiaru wzorców promieniowania systemu antenowego w różnych kierunkach (kierunek obrotu i azymut/elewacja) oraz przy użyciu znaczników czasu.

    Podsumowanie

    W powyższym artykule omówiono podstawy technologii radiowej i w zakresie anten, jak i bazowe parametry ich systemów. Opisano również możliwości mechanizmów SDR oraz ich przydatność jako narzędzia do zastosowań w zakresie testów i badania systemów radiowych, w szczególności dla niektórych pomiarów antenowych. Elastyczność i rekonfigurowalność SDR, kompatybilność z szeroką gamą zestawów narzędzi typu open-source, takich jak GNU Radio, bogaty zakres strojenia i wysoka czułość odbiorników platform SDR sprawiają, że nadają się one do zastosowań T&M. Co więcej, jak wykazały badania, rozwiązania oparte na SDR mogą mierzyć wzorce promieniowania i inne pomiary z dokładnością bardzo zbliżoną do specjalistycznego i drogiego sprzętu T&M.

    Źródło: https://www.eeweb.com/sdrs-for-antenna-testing-and-measurement/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11516 posts with rating 9727, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Optex