Méréstechnikai és monitorozó megoldásaink

Blog

Intermodulációs termékek azonosítása Anritsu műszerekkel I. rész

2020.05.06 15:28
Elsinco
Elsinco
Intermodulációs termékek azonosítása Anritsu műszerekkel I. rész

PIM, azaz a Passziv Intermoduláció egyre növekvő probléma forrás a cellás hálózatok üzemeltetőinek. A szolgáltatók, kivitelezők és üzemeltetők mind kiveszik a részüket a küzdelemből, hogy ez a makacs, és kiismerhetetlen jelenség ne okozhasson kárt a hálózat működésében. Ezt komoly szakértelemmel, tapasztalattal, és megfelelő műszerezettséggel teszik.

 

A PIM egy sok oldalú probléma, amit passzív elemek gerjesztenek, úgy mint: antennák, kábelek, csatlakozók, rozsdás fém elemek és egyéb RF komponensek. Az intermoduláció azonosításának kérdés körét most az Anritsu műszerein keresztül mutatjuk be.

Az első részben a rezes hálózaton keresztül tesztelünk.

A passzív intermoduláció (PIM) egy interferenciaforrás, mely az RF jelút lineáris, passzív elemeiben keletkezik a nagyszintű Downlink jelek hatására. A PIM források keverőként (mixer) viselkednek és új jeleket kreálnak, melyeket intermodulációs termékeknek hívunk.

A PIM gyakori okai:

  • Laza fém-fém kontaktok
  • rosszul meghúzott RF csatlakozók
  • fém forgácsok, sorják a csatlakozók belsejében
  • laza RF csatlakozók
  • fém lemezek a tetőn
  • laza csavarok
  • Rozsdás, korrodált felületek

A termékek helye a spektrumban kiszámítható:

az egyenlet pár: n*F1 ± m*F2 és n*F2 ± m*F1

pl.: az IM3 (harmadrendű termékek képlete): (2F1 ± F2), (2F2 ± F1).

Az intermodulációs termékek elhelyezkedése a spektrumban a forrás frekvenciákhoz közel

Egy harmonikus termék minél távolabb helyezkedik el a spektrumban az eredeti frekvenciáktól, tehát minél nagyobb rendű termék, annál kisebb a szintje, és annál nagyobb a sávszélessége.

Az intermodulációs termékek gyakran az Uplink sávba esnek, ahol a zajpadlót megemelve jelentősen degradálhatják a kapcsolat minőségét. Fontos kiemelni, hogy a termékek nem csak a szomszédos csatornáknak okozhatnak problémát, hanem a felharmonikusok révén magasabb sávokban is. Ezért az intermoduláció egy a szolgáltatókat és techológiákat is átívelő jelenség pl. 900MHz sáv keveredéséből 2F1 + F2 esetén 1800MHz-en is keletkeznek IM termékek.

PIM teszt eljárás

A PIM csatlakozók, kábelek, szűrők és antennák nem lineáris viselkedéséből fakad. Egy rendszer tesztelése PIM-re ezen elemek vizsgálatára koncentrálódik.

A mérés során két nagy szintű CW jelet vezetünk az RF jelútba. A CW jelek az antenna tápvonalán keresztül eljutnak az antennáig, és kisugárzásra kerülnek. Minél nagyobb szintű CW jeleket használunk, annál magasabb szintűek lesznek a IM termékek. A megfelelő, a hálózat normál működéséhez hasonló szintű jelekkel történő tesztelés javasolt.

A PIM generálásra hajlamos elemek a saját pozíciójukból a jelút minden irányába szétszórják a harmonikus termékeket. A műszer vevőként képes érzékelni, és mérni ezeket a jeleket. A mérés eredménye egy teljesítmény érték, mely a keveredéssel keletkezett harmonikus termékek erősségét állapítja meg, a bevezetett jelek függvényében. A harmadrendű termékek esetén a -150dBc szint már jónak tekinthető, kétszer 20 Watt-tal tesztelve. A mérés a teljes jelúton, és az antennát túlról is képes PIM-es elemek felderítésére. Az antennán túl spektrumanalizátorral is észlelhetjük a PIM analizátorral generált jeleket.

Komplex PIM teszt Anritsu spektrumanalizátorral + PIM Hunter probe-bal és az MW82119B-vel

Régi rendszerek esetén az elfogadható határérték IM termékekre -97dBm volt. Új telepítésekre vonatkozólag a határérték -107 dBm és -110 dBm környéke. Fontos megjegyezni, hogy letöltési sebesség 18%-kal romolhat már a PIM -105dBm-re emelkedésével is (-125dBm-ről)! A legtöbb esetben 40 Watt-tal tesztelünk, kihasználva a műszer maximális kapacitásait.

A Distance-to-PIM mérési menüt használva azonosíthatjuk is a jelútban a PIM-es elemet, annak távolságának megállapításával.

Egy új hálózat mely tökéletes Low-PIM elemekből és szakértelemmel lett építve még mindig szenvedhet intermodulációs zajjal. Ennek oka a külső PIM lehet.

External, tehát az antennán túli, a vezetékes hálózaton kívüli PIM forrás esetén a keresés további kiegészítők segíthetik.

Az Anritsu PIM Hunter Probe egy speciális antenna, mely IM3 termékek azonosítására szolgál 600MHz és 2700MHz között. A szonda Anritsu spektrum analizátorokkal kompatibilis, és effektív használatához egy sáváteresztő szűrőre is szükség van.

Az antenna szűk iránykarakterisztikájának köszönhetően csak a külső PIM forrás irányából fog megnövekedett szintet mutatni. Az IM3 érték a PIM forráshoz közel nő, és jelentősen csökken a forrástól távolodva, akár 15 cm távolodás is 10dB jelszint csökkenéssel járhat. A szint ingadozások helyét megjelöljük, ezek a lehetséges külső PIM források. A feladatot nehezíthetik az IM3 termékek többutas-terjedéséből terjedő "álforrások". A tényleges források megtalálása időigényes kihívás, még tapasztalt szakembereknek is.

A külső PIM források általában meglazult fém-fém kapcsolatok.

  • Légkondicionáló berendezések
  • Fém burkolókeretek, szegélyek
  • Lemezes kábeltálcák
  • Fém nyílászárók
  • Rozsdás, elöregedett fémszerkezetek

Minél közelebb vagyunk a tényleges PIM forráshoz, a spektrumanalizátor által jelzett szintek egyre kevésbé mozognak.

A külső PIM források akár megdöbbentő -50dBm (-93dBc) szinttel is képesek visszasugározni az antenna tápvonalába.

Anritsu MW82119B

A PIM Master MW82119B egy speciális hordozható, érintőképernyős kézi műszer RF rendszerek linearitásának vizsgálatához. A műszer teljesen integrált megoldást jelent PIM mérésre, így bármilyen külső elem nélkül teljes körűen használható. Az akkumulátor kapacitása ~3 óra intenzív használat mellett. A műszer töltés közben is használható, és cserélhető akkumulátoros.

Bemutató videó: https://www.youtube.com/watch?v=5EzaVR5tdUQ&feature=emb_title

A műszer két legfontosabb tulajdonsága a mérőjelek teljesítménye és a frekvenciája.

A CW jelek teljesítménye 20 dBm és 46 dBm között állítható, 0.1 dBm-es lépcsőkkel.

A műszer fix RF modulos, tehát csak egy frekvenciaopcióval rendelhető. A választható sávok:

  • 600 MHz
  • 700 MHz
  • 800 MHz
  • 850 MHz
  • 900 MHz
  • 1800 MHz
  • 1900/2100 MHz
  • 2100 MHz
  • 2600 MHz

Bár hátrány, hogy csak egy sávban tesztelhetünk, de a műszerhez így nem szükséges külső keverő és egyéb kiegészítők, és használata valamint szállítása is egyszerűsödik. Továbbá a legtöbb esetben a PIM tesztelést elég egy sávban elvégezni, ha ott nem találtunk PIM-et, akkor valószínűsíthető, hogy más sávokban sem találunk. Természetesen kivételek is vannak, de minél nagyobb teljesítménnyel tesztelünk, annál biztosabbak lehetünk benne hogy a rendszer minden eleme minden sávban lineárisan viselkedik.

A PIM mérőműszer blokkvázlata

Az MW82119B a PIM Master sorozat második, új generációs tagja. Az új műszer mérete és súlya is előrelépés az előző változat és a piac többi műszeréhez képest.

  • 350 mm x 314 mm x 152 mm
  • ~10Kg

Anritsu elsőként mutatta be Site Master sorozatában a Distance-To-Fault funkciót. Ez a hibahely kereső opció, és annak tovább fejlesztett változata, a Distance-To-PIM mérés is bekerült a műszer tudástárába. Ez a funkció lehetőséget nyújt megtalálni és azonosítani a PIM forrásokat a tápvonal kábelrendszereiben és az antenna mögött is.

PIM tesztelésre már több mint 20 éve van lehetőségünk. A kezdeti elvek alapján két 43dBm (20 Watt) szintű jel generálása elegendő volt a méréshez, hiszen ezzel a harmadrendű intermodulációs termékek szintje legtöbb esetben -107dBm (vagy -150dBc) volt. Az IEC 62037 szabvány ennek megfelelően a 43dBm-es teszt eljárást tette ajánlottá, mely kiválóan működött a 2G és 3G korszakban.

Az LTE és az 5G napjaiban megváltozott a helyzet, és szigorúbbak az elvárások a hálózatok felé. Emiatt a hálózati elemek linearitásának tesztelésére már 46dBm-es, 40 Watt szintű jeleket célszerű használni a modern távközlési hálózatokban. Az Anritsu megoldása ezért is használ két 40 Watt-os CW jelet.

A 2-portos PIM Master opció (0703) a 700MHz-es LTE sávra lehetővé teszi a két CW jel egyidejű bevezetését a 17-es és 14-es LTE sávokba, megkönnyítve a rendszer tesztelését.

A PIM Master funkciói:

  • PIM vs. Time

PIM vs Time menü pillanatképe

A PIM vs. idő egy rögzített frekvenciás teszt, mely eredményül a PIM termékek szintjét adja az időfüggvényében. Ez a mérés kiváló Pass/Fail tesztekhez, hiszen a PIM csúcsértékét rögzíthetjük. Ez a teszteljárás gyors és megbízható eredményt ad a rendszer stabilitásáról.

Ábramagyarázat:

  1. Real Time Clock (followed by GPS Coordinates if Option 31 is installed)
  2. Main Graph Area or Sweep Window or Measurement Grid
  3. Limit Line (Green line, set from Limit menu)
  4. Battery Status Icon
  5. Instrument Mode and Measurement Title
  6. Submenu Keys or Active Function Block
  7. PIM Summary Table
  8. Pass/Fail Indicator (set from Limit menu)
  9. Main Menu Keys
  10. Instrument Settings Summary
  • Swept PIM

A pásztázó-PIM mérési eljárás a harmonikus termékek szintjét a frekvencia ellenében vizsgálja. A teszt során a két jelből csak az egyszerre csak az egyik fix, a másikat mozgatjuk. Ennek hatására a harmonikus termékek a teljes spektrumot „teleszórják”. A PIM termékek eltérő fázisaik miatt szintben csúcsokat és minimum pontokat is okoznak. Ez az eljárás a valós körülményhez hasonló élő stressz helyzetet mutat a rendszeren.

  • Distance-to-PIM (DTP)

A DTP gyorsan és pontosan adja meg a PIM-es elemek távolságát a tápvonalon és az antennán túl is. Ez a mérési eljárás kulcsfontosságú a PIM által sújtott állomások hibafeltárásában. Az eljárás hasonlít a Distance-to-Fault, klasszikus hibahely kereső mérésekhez.

  • Trace Overlay

A DTP és DTF méréseket együtt is feldolgozhatjuk. A Trace overlay menüben az éppen aktív DTP mérés és egy korábban elmentett DTP/DTF trace-t hozhatunk fedésbe egymással. Ezzel megkönnyítjük a PIM-es elemek azonosítását, hiszen a DTF méréssel a hálózatot feltérképezhetjük, a DTP-vel pedig azonosíthatjuk a hibás csatlakozót, adaptert, kábelt stb.

Ezzel az eljárással az is könnyen megállapítható, hogy a PIM belső, vagy külső eredetű.

Trükkök PIM feltáráshoz:

Helyezzünk fém felületet az antenna elő és vessük össze a különbséget az eredeti és az új trace között. Ha az új mérés csúcs értéke közelebb van mint a korábbi csúcs, akkor a PIM külső eredetű.

Egy Site feltárásához általában két DTF mérés szükség. Az első esetben a kábelrendszer végére egy rövidzárt teszünk, így pontosan megmérhetjük az antenna távolságát. A második esetben a kábelrendszert egy precíz lezárással látjuk el, és megmérjük a rendszer minőségét. Ezután a DTP/DTF átfedés a hálózat teljes térképét eredményezi majd, ismert csatlakozókkal.

  • Noise Floor

A zajpadló mérés a teljes Rx sávot monitorozza miközben a műszer két CW jele nem aktív, tehát a sávban nincs mesterségesen generált IM termék. Ez a hálózat alap helyzetének validációját jelenti, és meggyőződhetünk a spektrum tisztaságáról mielőtt neki fognánk a mérésnek.

  • 2 x 40 W Test Capability

A PIM Master MW82119B-vel szabadon változtathatunk a CW jeleink szintjén 0,1dB-s lépésközzel. Mért nem tesztelünk mindig a lehető legnagyobb teljesítménnyel? Erre a különböző site méretek miatt van szükség. A szolgáltatók pontosan mindig azzal a teljesítményértékkel tesztelhetnek, ami közel áll a valósághoz. Ez kb. 20dBm beltéri DAS rendszerek esetén, és 46dBm is lehet macro site-ok esetén. A műszer teljesítményének a valóságban használt szintekre hangolása segít az RF infrastruktúra és az antenna környezete által keltett valós interferenciákat felderíteni.

PIM Master műszer, mint hibahely kereső

Az Anritsu PIM Mastere külön test porttal rendelkezik PIM mérésre és kábel/antenna analízisre. A PIM teszt port védelme szempontjából ez egy kiváló megoldás, hiszen így kevésbé használódik el az érzékeny PIM teszt csatlakozó. 

    • Return Loss / VSWR

    Ez a menü pontos reflexiós csillapítás és állóhullámarány mérésekre ad lehetőséget. Ezzel alátámasztható a kábelrendszer minősége, és megállapíthatók a hibák.

    • Cable Loss

    Ez az opció a teljes rendszer veszteségét állapítja meg.

    • Distance-to-Fault (DTF)

    A hibahely kereső opció lehetőséget biztosít a hálózat hibás elemeinek azonosítására. A frekvencia adatokat FFT során időtartománybeli adatokká alakítjuk, így a reflexiókat feldolgozva távolság adatokat kaphatunk.

    A kábelrendszert rövidzárral lezárva, és a terjedési tényező ismeretében a teljes rendszer hossza is pontosan mérhető, valamint megállapítható az egyes csatlakozók távolsága a rendszerben, tehát a kábeles hálózat térképe is elkészíthető.

    PIM mérés összefoglalás

    PIM források

    A passzív intermodulációt rezes hálózat esetén a vezetékrendszerben az antennáig, és az antennán túl is vizsgálni szükséges. Az internal PIM mérésére a DTF és DTP funkciók segítsége nélkülözhetetlen. Az external PIM felderítésében spektrumanalizátor és a PIM Hunter Probe segíthet, az PIM Master műszeren túl. A PIM méréshez és a mérést megelőző kalibrációhoz nyomaték kulcs, szűrők, PIM standard lezárások, disszipáló lezárások, fázis-stabil mérőkábelek és Open-short-load kalibrációs egység is szükséges. Az Anritsu PIM Master műszer a gyártó egyik legkomplexebb megoldása. Rengeteg hasznos funkciót foglal magába, és megfelelő kiegészítőre, valamint szaktudásra van szükség a leghatékonyabb használatához.

    Források:

    1. Anritsu Understanding PIM
    2. Using Distance-to-PIM (DTP) and Distance-to-Fault (DTF) trace overlay to speed site repair
    3. Identifying Sources of External PIM