Utilizzo dell analizzatore di spettro per la ura di segnali a radiorequenza con banda superiore a quella dell ultimo iltro IF del ront-end. Borghi, I., Campana, P., Trinchero, D. Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Daniele.Trinchero@polito.it Riassunto Con il presente lavoro si intende suggerire una procedura sempliicata per la ura di segnali digitali a larga banda, quando non si dispone di uno strumento per l analisi della modulazione e con iltro IF del ront-end RF suicientemente ampio da comprendere tutto il segnale oggetto della ura. Utilizzando la procedura suggerita e veriicata nel corso del presente lavoro, disponendo di uno strumento che permette di urare la potenza di canale, anche se con banda IF molto limitata, è possibile separare i contributi di DownLink e UpLink ed estrapolare un lettura conrontabile con quella ottenuta da strumenti dedicati, entro un margine di incertezza ineriore a 0.3 db. A) INTRODUZIONE La diusione di apparecchiature wireless, oggi utilizzate non solo in ambienti domestici e lavorativi, ma anche per coperture in larga banda di regioni limitate e a volte estese di territorio, richiede procedure uristiche aidabili, ripetibili e di semplice attuazione, soprattutto quando la loro applicazione riguarda la ura dell esposizione. La soluzione ideale prevede l utilizzo di ricevitori o analizzatori di spettro vettoriali, con possibilità di analisi della modulazione nel dominio dei codici. Si tratta di una soluzione costosa, attuabile solo mediante ricevitori il cui ront-end a radiorequenza sia dotato di un iltro IF suicientemente ampio da comprendere tutto il segnale oggetto della ura. Inoltre l analizzatore o il ricevitore devono essere dotati di un architettura di processing numerico, per demodulare il segnale in ingresso. Più in generale è possibile prevedere soluzioni di ura di tipo tradizionale, estrapolando dallo spettro coeicienti utili a valutare il campo elettromagnetico ad esso associato, però non è possibile prescindere dalla disponibilità di un iltro IF tale da contenere tutta la banda del segnale. A questa limitazione si aggiunge l esigenza di distinguere il contributo di campo irradiato dal punto di accesso, rispetto a quello generato dalle stazioni-utente. Questo aspetto non rappresenta un problema nel caso di comunicazioni di tipo monodirezionale (broadcasting), come il DVB-T, o bidirezionale in Frequency Division Multiplexing (FDD), come l UMTS. Quando invece la ura deve essere eettuata su segnali bidirezionali in Time Division Multiplexing (TDD), come il Wi-Fi, l unica procedura che ore un adeguato grado di aidabilità e che permette di scindere il contributo in DownLink da quello in UpLink è quella nel dominio del tempo ( Span Zero ), che di nuovo può essere attuata solo disponendo di un iltro IF con banda passante maggiore a quella del segnale in ingresso. Con strumenti di ascia media è possibile disporre di iltri IF ino a 10 MHz (comprendendo pertanto i segnali DVB-T, DVB-H o UMTS), mentre la ura di segnali Wi-FI o Wi-Max può essere realizzata solo con strumenti di ascia più elevata. Questa memoria propone una procedura sempliicata, adattabile a qualsiasi strumento di ura, se dotato di detector RMS, calcolo della potenza di canale e rappresentazione della ura in media di potenza. B) CONFIGURAZIONE E IMPOSTAZIONE DEL BANCO DI MISURA L attività sperimentale è stata implementata, provata e veriicata su segnali Wireless a larga banda, modulati secondo standard IEEE 802.11b/g. Il banco di ura è stato allestito utilizzando componenti reali, in modo tale da veriicare le procedure sperimentali sia in ambiente controllato, che in applicazioni vicine alla realtà implementativa. Un PC avente unzione di server di rete è stato collegato ad un comune punto d accesso IEEE 802.11, la cui interaccia a radio requenza è stata a sua volta collegata con una stazione utente utilizzando alternativamente un link diretto (cavo a radiorequenza), e un link radio, montando antenne Wi-Fi di tipo commerciale. La stazione utente è stata realizzata mediante un notebook con scheda wireless esterna ed antenna intercambiabile, in modo tale da utilizzare la stessa stazione sia per le prove su cavo, che per le ure in aria. Il canale di trassione è stato mantenuto costante, disabilitando la unzione di requency hopping. Questa assunzione non costituisce una limitazione per la procedura di ura. La portante a radiorequenza del punto d accesso è stata collocata a 2.412 GHz (Canale 1), utilizzando una potenza in trassione pari a 50 mw. Inoltre è stata predisposta una procedura sotware per
mantenere il collegamento attivo e orzare una trassione continuativa di dati tra il punto d accesso e la stazione utente. Per la ura del segnale si è scelto un comune analizzatore di spettro (Agilent Technologies, modello E4402B), dotato di detector RMS, della unzione di ura della potenza di canale e della unzione di media in potenza del dato urato. Durante le urazioni in collegamento diretto l analizzatore è stato interacciato con l ambiente di propagazione mediante un accoppiatore direzionale, mentre durante le urazioni in aria, sia in camera anecoica che in ambiente reale, si è utilizzato come elemento di accoppiamento un dipolo accordato. C) SCELTA DELL AMBIENTE DI MISURA Le ure sono state eettuate in tre tipologie di ambienti: in ambiente controllato e collegamento diretto in ambiente controlllato e collegamento radio in ambiente reale e collegamento radio 1) MISURE IN COLLEGAMENTO DIRETTO La trassione da punto di accesso a stazione utente è stata realizzata mediante un collegamento diretto che utilizzava un normale cavo a radiorequenza. Il segnale trasmesso è stato prelevato mediante un accoppiatore direzionale, che ha permesso di separare i lussi di traico nelle due direzioni (uplink e downlink). A questo modo è stato possibile eettuare ure di test, tali da calcolare l esatta durata dei rame in downlink e uplink; inoltre è stato possibile urare la potenza del solo segnale trasmesso in downlink, senza che osse necessario estrarre il segnale in uplink dalla ura. Figura 1 Schemi a blocchi della ura in collegamento diretto A sinistra lo schema a blocchi utilizzato per urare il segnale in downlink. A destra lo schema a blocchi utilizzato per urare il segnale in uplink. Il blocchetto nero rappresenta un carico adattato. 2) MISURE IN ARIA IN AMBIENTE CONTROLLATO Una volta eettuate le ure si cavo, si è traserito il banco di ura in camera anecoica, in modo tale da disporre di un ambiente in cui osse possibile simulare una situazione reale, con la presenza contemporanea della componente in downlink e di quella in uplink, senza che lo spettro osse intererito da disturbi esterni, ading dovuti a cammini multipli e problemi di intererenza. Figura 2 Schema a blocchi della ura in aria camera controllato
3) MISURE IN ARIA AMBIENTE REALE La ura è stata eettuata cercando di riprodurre edelmente un ambiente di reale utilizzo. Per questo motivo punto di accesso e stazione utente sono stati posizionati in un ambiente complesso, in presenza di mobili, scaali e disordine diuso, quale è la situazione tipica in un laboratorio didattico. Mantenendo issa la posizione del punto di accesso e del dipolo accordato, la posizione della stazione utente è stata variata in modo tale da realizzare situazioni in cui il segnale in downlink avesse la stessa potenza del segnale in uplink, e situazioni in cui i due segnali ossero ortemente sbilanciati. Questa condizione è stata implementata sia allontanando la stazione utente dall antenna di ura (ad esempio in un locale adiacente), sia introducendo una barriera costituita da attenuatori a radiorequenza tra il dipolo e la stazione utente. Figura 3 Schemi a blocchi della ura in aria in ambiente reale Figura 4 Allestimento del banco di ura in ambiente reale D) PROCEDURA DI MISURA 1) MISURE IN COLLEGAMENTO DIRETTO In questa tipologia di ambiente la ura è più semplice, perché il canale TDD viene scomposto nelle sue componenti di downlink e uplink prima di arrivare all analizzatore di spettro. Pertanto, per conoscere la potenza del segnale, è suiciente eettuare ure con l analizzatore impostato come da Tabella 1, scegliendo un detector RMS, l opzione di visualizzazione in media di potenza e il calcolo diretto della potenza impegnata sul canale, mediante integrazione numerica della traccia su una banda assegnata (unzione di channel power). Tabella 1 conigurazione dell analizzatore di spettro SPAN INT BW RBW VBW RIV Pti 802.11b 30 MHz 22 MHz 100 KHz 1 MHz RMS 401 802.11g 30 MHz 22 MHz 100 KHz 3 MHz RMS 401 È possibile estrapolare dalla lettura eettuata precedentemente il valore che rappresenta la potenza massima trassibile in downlink, deinita come la potenza trasmessa in downlink nell ipotesi di azzeramento dell intervallo temporale destinato alla trassione in uplink. Se la trassione dei dati è uniorme e i lussi in downlink si mantengono costanti, è suiciente urare l intervallo di tempo
in cui il rame in downlink si mantiene attivo, e calcolarne il rapporto con la periodicizzazione dello stesso rame. A questo modo, la potenza massima può essere calcolata come T = P TDL è la potenza urata in channel power, T è la periodicizzazione del rame, TDL è l intervallo di tempo in cui il rame in downlink si mantiene attivo. La ura di T e TDL può essere eettuata con semplici ure in time domain (modalità di unzionamento dell analizzatore in zero span ), mantenendo tutti gli altri parametri di conigurazione dell analizzatore invariati. Se l analizzatore non dispone di iltri IF suicientemente grandi da contenere tutto la banda del segnale, è possibile urare i due parametri osservando una sottobanda del segnale, centrata su una requenza opportuna. Come requenza di sottobanda è possibile scegliere qualsiasi valore nella banda del segnale, ad esclusione della requenza centrale per le modulazioni OFDM. Figura 5 Misura nel dominio del tempo su una sottobanda del segnale 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010-50 -60-70 -80-90 -100-110 T Periodo [s] TDL La procedura unziona se il punto di accesso trasmette dati su rame di durata costante. È sempre consigliabile orzare la trassione al massimo bit rate, durante tutta la ase di ura, in modo tale da sempliicare l operazione sperimentale e rendere i rame costanti e ripetibili. Quando la trassione dei dati non è uniorme e i lussi in downlink cambiano in modo casuale, è necessario eettuare una ura nel dominio del tempo, mediata su un intervallo di tempo suicientemente lungo e comunque di durata pari a quella della ura in channel power. A questo modo, la potenza massima può essere calcolata come: = P P è la potenza urata in channel power, PDL associate ad uno o più sottoporzioni spettrali di rame in downlink urati in zero span, Pmed è il valore di potenza mediato tra tutti i rame (non solo quelli in downlink) urato in zero span. Ovviamente, come prima, in presenza di segnali a larga banda, non è necessario disporre di un analizzatore con iltri IF suicientemente grandi da contenere tutta la banda del segnale: anche in questo caso è possibile osservare una sottobanda dello stesso. 2) MISURE IN ARIA IN AMBIENTE CONTROLLATO In questa tipologia di ambiente la ura è più complessa, perché il canale TDD non è più separato nelle sue componenti di downlink e uplink prima di arrivare all analizzatore di spettro. Pertanto, per conoscere la potenza del segnale, è suiciente eettuare ure con l analizzatore impostato come da Tabella 1, scegliendo un detector RMS, l opzione di visualizzazione in media di potenza e il calcolo diretto della potenza impegnata sul canale, mediante integrazione numerica della traccia su una banda assegnata (unzione di channel power). In questo caso, tuttavia, la ura in media rappresenta il contributo di campo irradiato non solo dal punto di accesso, ma anche dalla (o dalle) stazione utente. Applicando lo stesso metodo descritto precedentemente, è possibile estrarre il contributo di campo associato alla sola trassione in downlink mediante la seguente operazione matematica: med
P DL = P P + P è la potenza urata in channel power, PDL associate ad uno o più sottoporzioni spettrali di rame in downlink urati in zero span, PUL è la media delle potenze istantanee associate ad uno o più sottoporzioni spettrali di rame in uplink urati in zero span. Per quanto riguarda la ura della potenza massima, si può applicare la stessa procedura descritta precedentemente: = P P è la potenza urata in channel power, PDL associate ad uno o più sottoporzioni spettrali di rame in downlink urati in zero span, Pmed è il valore di potenza mediato tra tutti i rame (non solo quelli in downlink) urato in zero span. 3) MISURE IN ARIA AMBIENTE REALE In questa tipologia di ambiente la orma spettrale spesso risulta ortemente degradata, essendo soggetta a enomeni di depolarizzazione, ading, attenuazione, ecc. Si veda a questo proposito la Figura 5, dove viene mostrata la dierenza tra lo spettro di un segnale WLAN urato in camera anecoica e quello di un segnale urato in un ambiente reale. DL med UL -25 Figura 5 Spettri di segnali WLAN acquisiti in ambiente controllato e reale -35-45 -55-65 -75 85 A sinistra lo spettro di un segnale WLAN urato in camera anecoica A destra lo spettro di un segnale WLAN urato in ambiente reale In questo caso la procedura applicata in camera anecoica risulta valida, anche perché la ura nel dominio del tempo viene eettuata a banda molto stretta e quindi risulta insensibile ai ading selettivi. Dalle prove eettuate è emerso che la requenza della sottobanda non deve essere scelta a caso, ma preeribilmente deve coincidere con quella in cui lo spettro del segnale raggiunge il suo valore massimo.