Dipendenza delle misure di segnali GSM dai parametri di impostazione dell analizzatore di spettro digitale

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1 Dipendenza delle misure di segnali GSM dai parametri di impostazione dell analizzatore di spettro digitale Barellini A. 1,Bogi L. 2, Licitra G. 3, Silvi A.M. 2 1 ARPA Toscana Dip. Prov.le Pisa via V.Veneto, 27 Pisa 2 ARPA Toscana Dip. Prov.le Livorno via Marradi, 114 Livorno 3 ARPA Toscana Dir. Tecnica - STePPAS via Porpora, 22 Firenze Riassunto Il risultato di misure in banda stretta su segnali a radiofrequenza può essere determinato dalla scelta dei parametri di misura dell analizzatore di spettro utilizzato. Nel presente lavoro sono stati verificati i risultati di misure su segnali GSM in laboratorio e sul campo in dipendenza dei parametri che maggiormente influenzano la misura con riferimento alle indicazioni fornite dalle norme CEI e A) INTRODUZIONE La norma CEI Guida per la misura e la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz-300 GHz, con riferimento all esposizione umana [1] indica i parametri consigliati per l impostazione dell analizzatore di spettro nella misura a banda stretta delle sorgenti di campi elettromagnetici. In particolare, per i segnali generati da impianti di telefonia cellulare che trasmettono con tecnologia GSM, la Guida consiglia l utilizzo di valori di RBW maggiori od uguali a khz e tempi di sweep di 50- ms. Nel presente lavoro sono stati indagati i risultati di misure di segnali GSM in dipendenza della scelta dei parametri dell analizzatore di spettro sia con misure in laboratorio che con misure in situ. Le misure sono state effettuate sia utilizzando la normale modalità di misura dell analizzatore sia con la modalità Channel Power. B) CARATTERISTICHE DEL SEGNALE GSM E NORMA CEI Come noto [2], il sistema GSM utilizza una modulazione di tipo GMSK (Gaussian-Minimum Shift Keying) in cui la larghezza B del filtro di premodulazione di tipo gaussiano ed il periodo di bit T (pari all inverso del bit rate ν bit =270. kbps ovvero 3.7 µs) sono tali per cui vale la relazione BT= 0.3. Tali condizioni determinano il noto andamento dell ampiezza del segnale GSM in dipendenza della frequenza (riportato in figura 1a in funzione della frequenza normalizzata (f-f c )/T per un valore di BT=0.25, prossimo al valore utilizzato nella trasmissione GSM; f c è la frequenza di centro banda del canale GSM) Figura 1- a) andamento dell ampiezza del segnale GSM in funzione della frequenza normalizzata (f-f c )/T per BT=0.25. b) andamento della frazione della potenza totale trasmessa in funzione della frequenza normalizzata La scelta di tali parametri ha il fine di minimizzare l interferenza tra canali adiacenti che, in base alla canalizzazione prevista per il sistema GSM, distano tra loro 200 khz. Integrando la curva di figura 1a, si ottiene l andamento della frazione della potenza totale trasmessa in funzione della distanza in frequenza rispetto al centro banda del segnale GSM. Tale curva viene riportata in figura 1b, sempre per un valore di BT=0.25.

2 La determinazione dell intensità di campo elettrico prodotta in un punto da segnali GSM può essere ottenuta per mezzo di una catena strumentale in banda stretta costituita da un antenna, un cavo di collegamento a radiofrequenza ed un analizzatore di spettro. Le norme CEI [1] e [3] indicano i valori consigliati per i parametri di un analizzatore di spettro supereterodina per l effettuazione delle misure. Tali valori sono riportati in Tabella 1. Tabella 1- Parametri analizzatore di spettro supereterodina SPAN Sweep >= khz * >= khz 5-10 MHz 50- ms * la norma CEI indica RBW = khz Il filtro RBW ideale dovrebbe presentare una risposta piatta all interno della propria banda passante ed un attenuazione infinita al di fuori di essa. Nella realtà la maggior parte dei filtri utilizzati presentano una risposta in frequenza come quella riportata in figura 2 e vengono caratterizzati per mezzo della loro larghezza in frequenza a mezza altezza (attenuazione pari a 3 db rispetto al centro banda del filtro). La larghezza dei filtri varia tipicamente nell intervallo tra 1 khz e 3 MHz. Figura 2 - Risposta in frequenza del filtro RBW dell analizzatore supereterodina A valori per i filtri RBW pari a khz e 300 khz corrispondono nella scala normalizzata di figura 1b rispettivamente i valori di: (1a) ( f f c ) ( / 2) = = 0. 1 T 270. (1b) ( f f c ) (300 / 2) = = T 270. Analizzando la figura 1b, la frazione della potenza totale trasmessa entro tali valori delle ascisse risulta rispettivamente di circa il 70% entro khz e prossima al % entro 300 khz. Utilizzando la scala logaritmica, ciò equivale a dire che entro khz viene trasmessa tutta la potenza del segnale GSM a meno di 1.5 db. Pertanto mentre l utilizzo di un valore per il filtro RBW pari a 300 khz sull analizzatore di spettro consente di poter misurare per intero il segnale GSM, nel caso di un valore del filtro RBW di khz circa il 30% del segnale GSM rimane al di fuori della larghezza di banda del filtro RBW. Si può prevedere pertanto che l utilizzo di un filtro RBW pari a khz porti ad una sottostima della potenza determinata effettivamente in un punto dal segnale GSM C) STRUMENTAZIONE E METODI Lo scopo del presente lavoro è quello di verificare i risultati di misure di segnali GSM in dipendenza della scelta dei parametri utilizzati per l analizzatore di spettro supereterodina ed in particolare al variare del valore del filtro RBW, del filtro VBW e del tipo di detector utilizzato. La scelta del tipo di detector determina quale valore di potenza misurata viene assegnata ai pixel dello schermo dell analizzatore tra quelli disponibili per ciascuno di essi [4]. Le verifiche sono state effettuate tramite misure in laboratorio ed in situ. Le misure in laboratorio sono state eseguite utilizzando una catena strumentale costituita da un generatore di segnali GSM Agilent

3 mod. 4402B collegato per mezzo di un cavo coassiale a radiofrequenza ad un analizzatore di spettro supereterodina Agilent mod. 443C. Come noto [2], il GSM è un sistema di comunicazione cellulare a divisione di frequenza e di tempo (FDMA/TDMA). Ciascuna risorsa radio (portante) viene infatti condivisa ciclicamente tra più utenti suddividendone temporalmente l accesso. A ciascun utente viene assegnato un intervallo di tempo (timeslot) di durata pari a 577 µs per l accesso alla risorsa. Quest ultima può essere condivisa da un numero massimo di utenti cosicchè dopo un tempo pari alla durata di timeslot (tempo di trama) il primo utente ha nuovamente accesso alla risorsa radio. Il generatore di segnali permette di poter attivare o meno ciascuno degli timeslot all interno della portante GSM (rispettivamente numerati da 0 a 7). Pertanto, le misure sono state effettuate anche al variare del numero e della posizione all interno della trama dei timeslot attivi al fine di verificarne una eventuale dipendenza dei risultati. Le misure in situ sono state effettuate presso una Stazione Radio Base (SRB) GSM in esercizio per mezzo di una catena strumentale a banda stretta costituita da un antenna Austrian Research Center mod. PCD250 collegata allo stesso analizzatore di spettro utilizzato per le misure in laboratorio tramite un cavo coassiale ARC mod. RG-142. Le misure avevano lo scopo di verificare sul campo i risultati ottenuti in laboratorio D) RISULTATI 1) MISURE IN LABORATORIO Come introdotto nel paragrafo precedente le misure sono state effettuate misurando con l analizzatore di spettro il segnale GSM trasmesso dal generatore di segnali ed effettuando la media in potenza su un numero di tracce che assicurava la stabilità del risultato. Le misure sono state effettuate impostando l analizzatore con i parametri suggeriti dalla norma CEI (valore del filtro RBW dell analizzatore pari a khz e 300 khz, tempo di sweep pari a ms, Span pari a 5 MHz). Le misure sono state ripetute anche per due diversi valori del rapporto tra la larghezza del filtro VBW e quella del filtro RBW: pari ad 1, come indicato dalla stessa norma CEI, e pari a 10 come impostato automaticamente dall analizzatore nel caso dell effettuazione della media in potenza sulle tracce. Le misure sono state effettuate anche al variare del tipo di detector utilizzato nell analizzatore (modalità SAMPLE e modalità PEAK). La tabella 2 seguente riporta il confronto tra i risultati ottenuti. n. totale timeslot ON (ID timeslot ON) 4 ( ) 4 ( ) 2 (0-1) 1 (0) Tabella 2: Misure in laboratorio nella normale modalità di misura dell analizzatore Detector=PEAK Detector=SAMPLE , , , Sweep time L analisi dei risultati di tabella 2 mostra in primo luogo come, nel caso di utilizzo del detector in modalità SAMPLE, dimezzando il numero di timeslot attivi e mantenendo inalterati gli altri parametri di misura il valore ottenuto diminuisca di 3 db, come d altronde si poteva attendere. Dimezzando infatti il numero di timeslot attivi, dimezza la frazione del tempo di trama in cui la portante rimane in aria. In secondo luogo, sempre con il detector in modalità SAMPLE, viene confermata la sottostima teorica pari a

4 circa 1.5 db di misure effettuate con un valore del filtro RBW pari a khz rispetto a quello ottenuto con il filtro pari a 300 khz. Infine, risulta del tutto irrilevante l utilizzo di un rapporto pari a 1 o a 10 tra larghezza del filtro VBW e quello del filtro RBW. Mentre quest ultima caratteristica viene confermata anche per il detector in modalità PEAK, al contrario non si ottengono gli altri risultati attesi ed ottenuti con il detector in modalità SAMPLE. In particolare, i valori ottenuti con il filtro RBW pari a khz risultano inferiori a quelli con filtro pari a 300 khz entro 0.5 db. Inoltre, i valori ottenuti in modalità PEAK risultano sempre superiori ai rispettivi valori ottenuti in modalità SAMPLE nelle medesime condizioni. Ciò è giustificato dal diverso criterio con cui opera il detector in modalità PEAK rispetto a quello in modalità SAMPLE [4]. Negli analizzatori supereterodina, tipicamente, il segnale, dopo essere stato rivelato tramite il rivelatore d inviluppo, viene filtrato dal filtro VBW e successivamente viene campionato per mezzo di un ADC (nel caso dell analizzatore utilizzato la frequenza di campionamento è pari a khz). Per ciascun pixel sullo schermo risultano pertanto a disposizione un numero di campioni in uscita dall ADC pari a: t sweep * f ADC (2) n pixel dove t s è la durata della sweep, f ADC è la frequenza di campionamento del convertitore ADC e n pixel è il numero di pixel dello schermo dell analizzatore. Il detector in modalità PEAK seleziona il più alto dei campioni a disposizione del singolo pixel, mentre il detector in modalità SAMPLE seleziona, nel caso dell analizzatore utilizzato, il campione intermedio a disposizione [4] (fig. 3). Figura 3 Criterio di scelta dei differenti tipi di detector Nel caso dell analizzatore utilizzato, per il tempo di sweep utilizzato ( ms), risultano pertanto a disposizione mediamente 25 campioni per ogni pixel (che corrispondono a 250 µs). I due tipi di detector possono pertanto adottare scelte differenti qualora entro tale intervallo di tempo si passi da un timeslot acceso ad uno spento o viceversa. A titolo di esempio, ed al fine di valutare qualitativamente la statistica che si otterrebbe con i due tipi di detector, in figura 4 è riportato la scelta che adotterebbero i due tipi di detector nel tempo di trama (4.616 ms) nel caso di accensione dei timeslot 0,2,4 e 6 per l analizzatore utilizzato. Figura 4- Esempio di statistica nel caso di utilizzo del detector in modalità PEAK ed in modalità SAMPLE 1,0 0, ampiezza segnale GSM scelta detector PEAK scelta detector SAMPLE Ampiezza portante 0,6 0,4 0,2 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 0, t (µs)

5 La figura 4 mostra come nel caso del detector in modalità PEAK si ottenga per 13 volte su 1 il valore 1 (che equivale alla portante GSM accesa) mentre nel caso del detector in modalità SAMPLE ciò accade solo 9 volte. Per quanto la casistica sia ben più ampia di quella qui descritta, l esempio riportato approssima quanto può accadere in corrispondenza dello stesso pixel (e quindi della stessa frequenza) su sweep successive in base al tipo di detector utilizzato. I risultati che si ottengono con i due detector (13 risultati positivi contro 9) comportano, in termini logaritmici, una sovrastima nel caso del detector PEAK pari a 1.6 db rispetto al detector SAMPLE. Tale valore corrisponde approssimativamente a quanto riscontrato in tabella 2 per il valore del filtro RBW pari a 300 khz nelle condizioni dell esempio (timeslot 0,2,4,6 accesi). Analoghi esempi possono essere effettuati per le altre configurazioni dei timeslot accesi. Anche in questi casi i risultati sono in accordo con quanto riscontrato sperimentalmente. Analogamente possono essere giustificati i differenti valori (circa 1 db) che si ottengono con il detector in modalità PEAK attivando lo stesso numero di timeslot ma in posizioni differenti all interno della trama. Le misure sono state successivamente ripetute utilizzando la modalità Channel Power dell analizzatore di spettro che calcola la potenza ricevuta all interno di una banda di frequenza definita secondo la seguente espressione [3]: (3) B N s 1 CP = 10 Log NBW N i= 1 P i dove CP è il Channel Power (in dbm), B s è la banda di integrazione, NBW è la banda equivalente di rumore dell analizzatore di spettro (pari ad α RBW, con α parametro dipendente dal tipo di filtro IF utilizzato dall analizzatore e pari a 1.12 nel caso dell analizzatore utilizzato), N numero di pixel contenuti nella banda di integrazione e P i la potenza associata a ciascun pixel. Le misure sono state effettuate per differenti valori del filtro RBW e della banda di integrazione B s. Il tempo di sweep è stato impostato a ms, mentre è stato utilizzato il detector in modalità SAMPLE come da impostazione della modalità di calcolo dell analizzatore. La stessa modalità impostava automaticamente a 10 il rapporto tra la larghezza del filtro VBW e quella del filtro RBW. Il valore dell intervallo di frequenza (SPAN) visualizzato è sempre pari a 1.5 volte la banda di integrazione B s. Tabella 3 - Misure in laboratorio in modalità Channel Power n. totale timeslot ON (ID TS ON) 4 ( ) 1 (0) B s =200 khz B s =300 khz B s =500 khz B s =1 MHz (SPAN= 300kHz) (SPAN= 450kHz) (SPAN= 750kHz) (SPAN= 1.5MHz) ,13-12,7-11,62-11, ,73-11,1-11,03-11, ,24-10,99-10,95-10, , , Sweep time La tabella mostra come, in generale, per valori del filtro RBW piccoli rispetto alla banda di integrazione B s si ottengano gli stessi risultati (entro db) al variare dello stesso filtro RBW. Tali valori sono gli stessi ottenuti in precedenza (tabella 2) con il filtro RBW pari a 300 khz. Al contrario i valori misurati tendono a decrescere per valori del filtro RBW crescenti rispetto alla banda di integrazione fino ad avere una sottostima di circa 3 db per valori del filtro RBW superiori alla banda di integrazione. I risultati fanno pertanto ipotizzare la possibilità di poter utilizzare la funzione Channel Power in alternativa alla normale modalità di misura dell analizzatore. Qualora si voglia determinare il contributo di una singola portante GSM (B s = 200 khz) occorrerà scegliere un valore del filtro RBW pari a 10 khz o 30 khz. Nel caso si voglia determinare il contributo complessivo determinato da una SRB appartenente ad un gestore, la misura verrà effettuata su una banda di integrazione di qualche MHz. In tal caso, in base alle prove effettuate, il valore del filtro RBW potrà essere qualunque purchè soddisfi la relazione RBW 0.3 B s.

6 2) MISURE IN SITU In tabella 4 e 5 sono riportati i risultati ottenuti nelle misure effettuate in situ nelle due modalità di misura dell analizzatore di spettro (normale e Channel Power). Le misure sono state effettuate su una portante BCCH di una cella GSM. Come noto, anche nel caso di mancanza di traffico telefonico, gli timeslot della portante BCCH risultano sempre attivi venendo riempiti con i cosiddetti dummy burst [2]. La portante BCCH risulta l unica portante su cui è possibile conoscere durante la misura il numero di timeslot attivi. Tabella 4 - Misure in situ nella normale modalità di misura dell analizzatore n. totale timeslot ON (ID timeslot ON) Detector=PEAK Detector=SAMPLE Tabella 5: Misure in situ in modalità Channel Power Sweep time n. totale timeslot ON (ID TS ON) B s =200 khz B s =300 khz B s =500 khz B s =1 MHz (SPAN= 300kHz) (SPAN= 450kHz) (SPAN= 750kHz) (SPAN= 1.5MHz) Sweep time Tenendo conto delle condizioni meno controllate in cui si svolgono le misure in situ, i risultati sul campo confermano quanto ottenuto in laboratorio. Nella modalità normale di misura, l utilizzo del filtro RBW pari a khz determina anche in questo caso valori inferiori di circa 1.5 db rispetto a quelli ottenuti con il filtro RBW pari a 300 khz utilizzando il detector in modalità SAMPLE (tab. 4). Anche le misure effettuate in modalità Channel Power (tab. 5) mostrano le stesse caratteristiche individuate con le misure in laboratorio. E) CONCLUSIONI Nel presente lavoro sono stati verificati i risultati di misure di segnali GSM in dipendenza della scelta dei parametri utilizzati per l analizzatore di spettro supereterodina ed in particolare al variare del valore del filtro RBW e del tipo di detector utilizzato, tenendo in considerazione quanto suggerito dalle norme CEI e I risultati delle misure, effettuate in laboratorio e poi confermate da misure in situ, mostrano come risulti opportuno effettuare le misure utilizzando il detector in modalità SAMPLE unitamente all utilizzo di un filtro RBW pari a 300 khz. L utilizzo del filtro a khz determina infatti una sottostima del segnale di circa 1.5 db. L uso del detector in modalità PEAK al contrario determina una sovrastima del segnale tanto più marcata quanto minore è il numero di timeslot attivi sulla portante. Si potrebbe obiettare, d altro canto, che l utilizzo del filtro RBW a 300 khz potrebbe portare ad una sovrastima del segnale determinato da una singola portante a causa del contributo dei canali adiacenti. Tuttavia, l esperienza dimostra che raramente in una stessa cella GSM vengono implementate portanti contigue. Pertanto il contributo delle portanti adiacenti risulta ben inferiore a quella in esame qualora il punto di misura si trovi nella zona di influenza della cella analizzata. Problemi potrebbero sorgere nel caso di punti in cui siano paragonabili i contributi di celle adiacenti. Le misure mostrano come sia possibile, in alternativa, effettuare la misura utilizzando la funzione Channel Power dell analizzatore. In tal caso i risultati dipendono in maniera minima dalla scelta del filtro RBW a condizione che esso risulti ben inferiore alla banda di integrazione su cui si effettua il calcolo del Channel Power (RBW 0.3 B s ). Bibliografia [1] Norma CEI Guida per la misura e la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz-300 GHz, con riferimento all esposizione umana, Milano, 2001 [2] Bertazioli O., Favalli L., GSM il sistema europeo di comunicazione mobile: tecniche, architettura, 2000, Hoepli [3] Norma CEI Guida alla realizzazione di una Stazione Radio Base per rispettare i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza ; Appendice H: Metodologie di misura per segnali UMTS, Milano, 2004 [4]Agilent Technologies, Application Note 150 "Spectrum Analysis Basics", 2004

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