Baz İstasyonu Modülasyonu

Aktif elemanların sistemde doğrusal olmayan etki gösterdiği herkes tarafından bilinmektedir. Bu tür cihazların hem tasarım hem de operasyonel aşamada performansını iyileştirmek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir.

A- A+

06.11.2017 tarihli yazı 11564 kez okunmuştur.

Bazen pasif cihazlarında lineer olmayan etkileri olabilmektedir. Bu olumsuz etkiler düzeltilmemişse performansı ciddi şekilde etkileyebilir. PIM pasif intermodülasyon anlamına gelmektedir. Lineer olmayan özelliklere sahip bir pasif cihazdan iki veya daha fazla sinyal geçtiği zaman üretilen intermodülasyon ürünleridir. Mekanik elemanların etkileşimleri genelde doğrusal olmayan davranışlara sebep olmaktadır. Bu genelde iki farklı metalin birleşiminde ortaya çıkar. Örnek olarak: gevşek kablo bağlantıları, kirli konektörler, düşük performanslı çoklayıcılar ve eskimiş antenler.

Pasif intermodülasyon telekomünikasyon sektöründe oldukça önemli bir konudur ve sorun giderme işlemi oldukça zordur. PIM hücre iletişiminde parazit oluşturabilir ve alıcı hassaslığını azaltabilir veya iletişimi tamamen engelleyebilir. Bu olumsuz etki onu oluşturan hücreyi etkileyebileceği gibi yanındaki alıcıları da etkileyebilir. Örneğin; Bir LTE frekans bandında, downlink frekans bant genişliği 1930 Mhz ila 1990 Mhz arasında değişirken uplink 1850 Mhz ile 1910 Mhz arasında değişmektedir. 1940 Mhz ve 1980 Mhz’de bulunan iki verici taşıyıcı PIM’li baz istasyon sisteminden gönderiyorsa, intermodülasyonu 1900 Mhz’de alıcı banda düşürecek bir bileşene yol açacaktır. Bu alıcıyı etkiler. Dahası, 2020 Mhz’de intermodülasyon öğesi diğer sistemleri de etkileyebilir.

Şekil 1: Pasif intermodülasyonun alıcı bandı düşürmesi

Spektrum dalgaları daha çok yoğunlaştığın da ve anten paylaşım düzenleri arttıkça, farklı taşıyıcıların intermodülasyonundan PIM üretimi ihtimalide artmaktadır. PIM’den kaçınmak için frekans planlamasının geleneksel yolunu kullanmakta imkansız hale gelir. Bahsedilen zorluklarla birlikte, CDMA / OFDM gibi yeni dijital modülasyon şemalarının benimsenmesi, iletişim sisteminin tepe gücünün de artması, PIM sorununun ciddiyetinin artmasına sebep olmaktadır.

PIM servis sağlayıcıları ve donanım tedarikçileri için önemli bir sorun olduğu bilinmektedir. Sorunun algılanması ve mümkün olduğunda çözülmesi, artan sistem güvenilirliği ve düşük işletme maliyeti sağlar. Bu yazıda, PIM’in kaynaklarını ve nedenlerini, onu tespit etmek ve çözmek için önerilen teknolojileri inceleyeceğiz.

PIM Sınıflaması

İlk gözlemler, PIM'in her biri farklı özelliklere sahip ve her biri farklı çözümler gerektiren üç farklı türe sahip olduğunu göstermektedir. Bunlar tasarım PIM (Design PIM), montaj PIM (Assembly PIM) ve paslı cıvata PIM (Rusty Bolt PIM) olarak sınıflandırılmaktadır.

Dizayn PIM

İletim hatları ile birlikte bazı pasif elemanların PIM’in oluşmasına sebep olduğu bilinmektedir. Dolayısıyla bir sistem tasarlanırken sistem üreticileri, PIM’in minimum düzeyde kabul edilebilecek şekilde pasif elemanlar seçerler. Sirkülatörler, çoklayıcılar, anahtarlar PIM etkisini oluşturabilecek elemanlardır. Tasarımcılar düşük maliyetli, küçük boyutlu veya daha düşük performanslı seçenekler seçerek daha yüksek düzeyde pasif intermodülasyon sistemini üretmek istemektedirler.

Şekil 2: Elemanların boyutları, gücü, maliyetinin PIM performansına etkisi

Tasarımcılar daha düşük performanslı bileşenleri kullanmayı seçerse, daha yüksek seviyelerde intermodülasyon alıcının bandına düşebilir ve bu bozulmaya neden olabilir.

Bu örneklerde, istenmeyen spektral emisyonların veya güç verimliliği kaybının, alıcı üzerindeki PIM'in duyarsızlaşma etkisiyle ilgili olmayabileceğini belirtmek önemlidir. Bu problem küçük hücreli radyo tasarımlarında önemlidir. PIM, çoklayıcı gibi pasif elemanlar ile alınan sinyalden çıkartılabilir, model alınabilir, algılanabilir.

Şekil 3: PIM üretme ve iptal etme algoritması

Algoritma, taşıyıcıların bilgisine sahip olduğundan ve alıcının, alınan sinyalden çıkarmadan önce intermodülasyon türünü belirlemek için alıcının korelasyonu kullanabileceği için çalışır.

Korelasyon, intermodülasyon tipini belirlemek için kullanılmadığında algoritma üzerindeki sınırlamalar ortaya çıkmaya başlıyor. Şekil 4 bunun örneğini vermektedir. Her bir yol için temel bant işlemesinin diğerinden bağımsız olduğunu varsayarsak, algoritmanın her ikisinin de bilgisine sahip olduğu ve dolayısıyla alıcıda gerçekleştirebileceği korelasyon / iptal konusunda sınırlı olduğu varsayılır.

Şekil 4: Aynı anteni paylaşan çok kaynaklar

PIM Sorununa Karmaşıklık Ekleme

Ayrı vericiler tek bir geniş bant anteni paylaştığında karmaşıklıkta paralel olarak artmaktadır. Yapılan tasarımlar, grup veya birkaç formatın karışımı olabilir. Örneğin; TDD + FDD; TDD: F + A + D, FDD: B3 gibi. Figür 5 böyle bir konfigürasyona genel bir bakış sunmaktadır. Burada bir yanı TDD çift bandı diğer yanı FDD tek bant olup bir çoklayıcı kullanılmaktadır. Sinyaller birleşiktir ve tek anten kullanılmaktadır. Tx1 ve Tx2 arasındaki intermodülasyon, birleştiriciden iletim hattına oradan da antenin kendisine pasif olarak gerçekleşir. Sonuçta meydana gelen intermodülasyon, FDD alıcısı ve Rx2 bandı içine düşer.

Şekil 5: FDD/TDD tek anten uygulaması

Figür 6 çift bant sistemin pratik olarak yapılışını göstermektedir. Bu durumlarda üçüncü dereceden pasif modülasyonun çok ötesinde düşünülmesi gerekmektedir. Burada, odak noktası bir bandın diğerinin alıcı bandına giren intermodülasyon yapısıdır.

Şekil 6: Çift bant PIM tepkisi

Montaj PIM

PIM’in ikinci kategorisi (Assembly) montaj PIM’dir. Sistem kurulum esnasında tatmin edici olarak çalışabilirken, hava koşulları ve kötü kurulum nedenleriyle sistemin performansı zamanlar bozulur. Bu gerçekleştiğinde, sinyal yolunun pasif elemanları (konektörler, kablolar, kablo bağlantı noktaları, dalga kılavuzu birleşim noktaları ve bileşenleri) doğrusal olmayan davranış göstermeye başlayacaktır. Aslında PIM’in oluşmasının en önemli sebepleri konektörler, bağlantılar ve antenlerin kendi iç besleyicileridir. Sonuçta ortaya çıkan etki, daha önce belirtildiği gibi tasarım PIM’e benzer olabilir. Bu nedenle, özellikle pasif intermodülasyon ürünlerinin varlığını arayan aynı PIM ölçüm teorisi kullanılabilir.

Montaj PIM’in faydaları;
►Bağlayıcı ara yüz (Tipik olarak N veya DIN7/DIN16)
►Kablo bağlantısı (Kablo / konektör bağlantısının mekanik kararlılığı)
►Malzemeler (Pirinç ve bakır önerilen, ferromanyetik malzemeler doğrusal olmayan özellikleri gösterir)
►Temizlik (Kir veya nemden kaynaklanan kirlilik)

►Kablonun önemi (Kablo kalitesi ve sağlamlığı)

►Mekanik sağlamlık (Rüzgar ve titreşime bağlı olarak bükülme)

►Elektrotermal yolla indüklenen PIM (Sıcaklık değişkeni nedeniyle RF sinyallerinin değişmesi)

Sıcaklık değişiklikleri, kirli hava veya aşırı titreşimlere maruz kalan ortamlar PIM’in oluşma olasılığını arttırabilir. Bununla birlikte benzer ölçüm teknikleri tasarım PIM de olduğu gibi kullanılabilse de montaj PIM’in varlığı hem performans hem de güvenilirlik açısından sistemin bozulmasının göstergesi olarak düşünülebilir. Eğer sorun çözülmemişse, PIM’in oluşmasına neden olan zayıf yönler, iletim yolunda daha ciddi problemler oluşmasına sebp olabilir. Bu gibi durumlarda kullanıcıların PIM’i iptal etmek istemedikleri ancak ana problemi gidermek amacıyla hatalardan haberdar olmak istemektedirler. Alınan hataları çözmek için ilk önce PIM’in nerede oluştuğunun belirlenmelidir. Sonra belirlenen elaman onarılır ya da tamamen değiştirilir.

Tasarım PIM’i ölçülebilir ve istikrarlı olarak düşünebiliriz. Ancak montaj PIM tam aksine kararsızdır. Montaj PIM, zor koşullarda daha rahat çalışabilmektedir.

Harici PIM (Paslı cıvata PIM)

PIM sadece kablolu iletim hattında sınırlı değildir, aynı zamanda antenin harici bir yerde de oluşabilir. Bunlardan en bilineni paslı cıvata PIM’dir. Böyle bir durumda, sinyaller verici antenden ayrıldıktan sonra pasif intermodülasyon meydana gelir, sonuçta intermodülasyon tekrar alıcıya yansıtılır. Paslı cıvata terimi, pek çok durumda, intermodülasyon kaynağının paslı bir metalik nesne olabileceği gerçeğinden kaynaklanmaktadır.

Metal nesnelerin neden olduğu yansımalar herkes tarafından bilinmektedir. Bununla birlikte metal nesneler alınan sinyalleri sadece yansıtmaz, aynı zamanda intermodülasyon ürünleri üretir ve yayarlar. İntermodülasyon, kablolu sinyal yolunda olduğu gibi iki farklı metalin veya farklı materyallerin birleşiminden meydana gelir. Elektromanyetik dalgalar, tekrar yayılabilen yüzey akımları oluşturur. Yeniden yansıyan sinyaller çok düşük genliklidir. Eğer verici bir baz istasyonun alıcısına yakınsa ve kendi modülasyon ürünü alıcı bandın içine düşerse sonuçta bir bozulma meydana gelir.

Şekil 6: Paslı Civata PIM

Bazı durumlarda, PIM kaynağının algılanması anten konumlandırma ile gerçekleştirilebilir. Anten konumu değiştirilirken PIM seviyesi izlenir. Diğer durumlarda, zaman gecikmesi tahmini de kaynağın yerini belirlemek için kullanılabilir. PIM seviyeleri statikse, PIM’i telafi etmek için standart algoritmik iptal teknikleri kullanılabilir. Bununla birlikte, birçok durumda titreşim, rüzgar ve mekanik hareket PIM’i etkisizleştirmeyi zorlaştırabilmektedir.

PIM Kaynağını Bulma

Hat Tarama
Çeşitli hat tarama teknikleri uygulanabilmektedir. Hat tarama, bir iletim sistemi içindeki sinyal kayıplarını ve yansımalarını bant boyunca ölçmektir. Bu teknik her zaman PIM’in olası nedenlerini kesin bir şekilde göstereceğinden emin olamayız. Hat tarama, iletim yolundaki sorunları tanımlamaya yardımcı olan bir teşhis aracı olarak düşünülebilir. Montaj sorunları PIM olarak gözükebilir. Bu montaj sorunları çözülmeden bırakılırsa daha ciddi iletim hattı arızalarına sebep olabilir. Hat tarama iki basit teste ayrılır: geri dönüş kayıpları (Return loss) ve geçiş kayıpları (insertion loss). Her ikisi de frekansa bağlıdır ve her ikisi de belirli bant içinde büyük ölçüde değişebilir. Geri dönüş kaybı anten sisteminin güç transfer verimliliğini ölçer. Bu minimum enerjinin iletim hattına yansımadır. Yansıyan herhangi bir güç iletilen sinyali bozabilir ve yeterince güçlü olduğunda vericide ciddi hasara neden olabilir. 20 dB'lik bir dönüş kaybı, gönderilen sinyalin % 1'inin vericiye geri yansıyacağını ve % 99'unun antene ulaştığını gösterir; bu genellikle iyi bir performans olarak kabul edilir. 10 dB'lik bir dönüş kaybı, sinyalin % 10'unun yansıtıldığını ve bunun zayıf sinyal olarak kabul edilmesi gerektiğini gösterir. Geri dönüş kaybı 0 dB olarak ölçülürse, gücün% 100'ü yansıtılır ve muhtemelen açık veya kısa devre olduğunu gösterir.

Zaman Domaini Yansımaları (TDR)

İleri TDR teknikleri, ilk başta optimal bir sistemin referans haritasını çıkarmak için kullanılır. İkincisi, iletim yolu bozukluklarının tam olarak nerede oluşmaya başladığını belirlemek için kullanılır. Böyle bir teknik operatörlerin PIM kaynaklarını bulmasına ve verimli onarım yapmalarına izin vermektedir. İletim hattı eşlemesi, operatör üzerinde önemli bir etkiye başlamadan önce erken arıza bulgularını gösterir. TDR iletim hattından geçen bir sinyalin yansımalarını ölçer. TDR bir darbe sinyali gönderir ve bilinmeyen iletim ortamındaki diğer yansımalar ile karşılaştırır. Figür 7’de TDR’nin basit bir şekli ifade edilmektedir.

Şekil 7: TDR kurulum blok diyagramı

Şekil 8 iletim hattı eşlemesinin basit bir örneğini sunmaktadır.

Şekil 8: İletim hattının eşlenmesi

Frekans Domaini Yansımaları (FDR)

FDR ve TDR’nin her ikisi de ortama darbe sinyali gönderme ve yansımaları analiz etme ilkesine dayanmaktadır. Ancak iki tekniğin uygulaması çok farklıdır. FDR tekniği, TDR tarafından kullanılan DC darbeler yerine RF sinyal tarama yöntemi kullanmaktadır. FDR ayrıca TDR’den daha çok duyarlıdır ve sistem performansındaki hataları veya bozulmayı daha hassas şekilde bulabilmektedir. FDR, kaynak sinyalinin iletim hattı içindeki arızalardan yansıyan sinyaller ve diğer yansıtıcı karakteristiklerle vektörel karışımını içermektedir. TDR, uyarı olarak çok büyük bir bant aralığını kullanmaktadır. FDR ise RF tarama yaparken belirli frekans aralığında çalışmaya imkân vermektedir.

Şekil 9: FDR çalışma ilkesi

PIM’e Olan Uzaklık

Hat tarama işlemi gerçekleşirken empedans uyuşmazlıkları meydana gelebilir. PIM, hat tarama sonuçlarının iletim hattı sorunlarını belirtmediği noktalarda çıkabilir. Bu nedenle, kullanıcılara yalnızca PIM’in varlığını göstermekle kalmayıp aynı zamanda iletim hattının neresinde oluştuğunu da belirlemelerine izin veren sofistike bir uygulama gereklidir.

Kapsamlı PIM hattı testi, algoritmanın intermodülasyon ürününün zaman gecikmesinin tahmini incelemesi haricinde, tasarım PIM iptali için tarif edilenle benzer modda çalışır. Bu örneklerde önceliğin, PIM yapay ürünün iptali değil, iletim yolu boyunca intermodülasyonun nerede gerçekleştiğinin belirlenmesi olduğuna dikkat edilmelidir. Bu kavram, PIM (DTP) mesafesi olarak da bilinir. Örneğin, iki aşamalı bir testte:

Aşama 1:

Aşama 2:

W₁ ve W₂frekansları; Ɵ₁ve Ɵ₂başlangıç aşamasındadır; t₀ başlangıç zamanıdır. IMD aşağıdaki gibi olacak:

Birçok sorun, PIM standardının sisteme yerleştirilmesiyle çözülebilir (PIM standardı, test ekipmanını kalibre etmek için kullanılan sabit miktarda PIM ürettiği bilinen bir cihazdır). PIM standardının kullanımı kullanıcıya, veri yolu boyunca belirli bir konumdaki/mesafedeki bilinen bir faza sahip bir referans IMD sağlar. Figür 10(a)’da gösterildiği gibi Ɵ₃₂referans olarak kullanılabilir.

Şekil 10: PIM mesafesi

İlk kalibrasyon işlemi yapıldıktan sonra, sistem yeniden yapılandırılır ve figür 10(b) ‘de görüldüğü gibi PIM ölçümü yapılır. Ɵ₃₂ ve Ɵ^ı₃₂arasındaki faz farkı PIM’e olan mesafeyi hesaplamak için kullanılabilir.

Burada D, PIM’e olan uzaklıktır. S, dalga ilerleme hızıdır (Ortama bağlıdır).

Montaj ve paslı cıvata PIM'i yavaş ve aşamalı süreç olabilir; baz istasyonu ilk kurulumdan sonra verimli bir şekilde çalışabilir, ancak zamanla bu tür PIM türleri daha belirgin hale gelebilir. PIM seviyesi, titreşim ya da rüzgâr gibi etkenlere maruz kalabileceğinden, bu gibi durumlarda PIM değişken olabilir. PIM’i iptal etmek veya maskelemek zordur. Ancak sorun çözülmezse daha ciddi sistem hatalarına sebep olabilir.
PIM mesafesi (DTP) teknolojisi, baz istasyonu operatörlerine zamanla sistemlerinin bozulmasını izleme imkanı sunmaktadır.

Sonuç

Pasif intermodülasyon yeni bir şey değildir. Uzun yıllardır var olan ve bilinen modülasyondur. Son zamanlarda endüstrideki iki farklı değişiklik pasif intermodülasyonu ön plana çıkarmaktadır.

Birincisi, gelişmiş algoritmalar, PIM’in varlığını/konumunu algılamak ve uygun olduğunda telafi etmek için akıllı bir yol sağlamaktadır. Daha önce radyo tasarımcıları belirli PIM performans gereksinimlerini karşılayan bileşenler seçmek zorunda kaldıysa da, PIM iptal algoritmaları yardımıyla şimdi yeni bir özgürlük derecesine kavuşmuşlardır. Yüksek performans için ya da aynı performans seviyesini yakalamak için daha düşük maliyet ve daha küçük elemanlar üreticiler için avantaj olmaktadır. Aynı zamanda iptal algoritmaları da donanım elemanlarına yardımcı olarak sistemin en iyi şekilde çalışmasını sağlamaktadır.

İkincisi, artan baz istasyonlarının sayısı ve çeşitliliği daha fazla zorluk oluşturmaktadır. İptal algoritmaları , iletilen ilk sinyallere bağlıdır. Kulelerde boşluğun yüksek olduğu durumlarda, veriler tek bir anteni paylaşabilir ve buda PIM’in etkilerinin daha fazla olmasına sebep olabilir. Bu gibi durumlarda, algoritma verici yolunun belirli bölümleri hakkında bilgi sahibi olabilir ve verimli çalışabilir. İletim yolunun tüm bölümlerinin bilinmediği durumlarda, birinci nesil gelişmiş PIM iptal algoritmalarının performansı veya uygulaması sınırlı olabilir.

Baz istasyonu kurulumlarındaki zorluklar artmaya devam ederken, PIM algılama ve iptal algoritmalarının radyo tasarımcılarına kısa vadede önemli kazançlar ve avantajlar sağlaması beklenir, ancak gelecekteki zorluklarla başa çıkabilmek için geliştirme çalışması gerekmektedir.

Kaynak:

►allaboutcircuits