LABORATORIJSKO TESTIRANJE DEMONSTRACIONOG MODEMA ZA 128QAM MODULACIJU PROTOKA 155MBIT/S I ZAHTEVI ZA IF/MW FRONT END

Perić Miroslav, Obradović Dragan, Perić Dragana - Institut IMTEL, Novi Beograd

Sadržaj - U ovom radu opisano je testiranje demonstracione ploče međufrekvencijskog modema za digitalne radio-relejne uređaje (RRU) protoka 155Mbit/s. U skladu sa ETSI standardima posmatrani su: RF spektar, prag prijema i otpornost na istokanalnu interferenciju. Razmatrani su zahtevi koje treba da ispuni RF front end da ne bi došlo do značajne degradacije pomenutih performansi. Definisan je pojam IP3-Noise tunela koji daje gabarite za linearnost predajnika sa jedne strane i šuma u sistemu sa druge strane, koji mora da bude ispunjen u svakoj tački RRU. Na taj način se uprošćava specifikacija karakteristika individualnih komponenti sistema i selekcija komercijalno raspoloživih komponenti. 1. UVOD

Digitalni RRU kapaciteta 155Mbit/s (STM-1) po jednom modulisanom nosiocu danas predstavljaju sam vrh svetske tehnologije. Prema ETSI standardima [1] i ITU-R preporukama za frekvencijske opsege ispod 18GHz mogu se koristiti razmaci kanala od oko 28MHz sa izuzetno strogim maskama za izgled RF spektra. To zahteva upotrebu modulacionih postupaka izuzetne spektralne efikasnosti. Obično se koristi 128QAM modulacija praćena odgovarajućim postupcima zaštitnog kodovanja. Dodatno, u cilju zadovoljenja RF maske potrebno je primeniti uobličavanje spektra filtrima u osnovnom opsegu. Pokazalo se da su već za 16QAM modulacione postupke analogni filtri nedovoljno efikasni [2], te se po pravilu koriste digitalni FIR filtri relativno visokog reda. Uzimajući u obrzir učestanost odmeravanja od nekoliko desetina MHz, za realizaciju obih filtara se obično može koristiti samo FPGA tehnologija. Na prijemnoj strani ETSI standardima je definisano više parametara. Uslovi za prag prijema (-71dBm za BER=10-3) i otpornost na istokanalnu interferenciju omogućavaju da faktor šuma i degradacija usled interferencije iznose u zbiru maksimalno 5.5dB (predpostaljena je širina kanala 28MHz, i zaštitnog kodovanje 128 TCM sa kodni količnikom 13/14 i Viterbijevim dekodovanjem i sa unutrašnji Reed Solomonovim kodom RS(252,246) što daje da potreban S/N za BER=10-3 iznosi 22.5dB [3] ).

clk

Provigent PVG310

Zaštitni RS koder i TCM maper

FIR

FIR

Digital IQ

modulat. sinc D/A

A/D Digital

IQ demod.

EQ

EQ

Derotator i

Viterbi

Zaštitni RS

dekoder

data

data

clk

Rx IF

Tx IF

Slika 1. Uprošćena šema predajnog dela PVG310 u

direktnom IF režimu

Otpornost na izobličenja (selektivni feding i izobličenja u kablu za povezivanje jedinice za unutrašnju montažu IDU i

jedinice za spoljnu montažu ODU) pri ovoj vrsti modulacije mogu biti ispunjena samo uz upotrebu složenih adaptivnih ekvilizatora. Imajući u vidu nabrojane zahteve odlučili smo se za realizaciju modema RRUa na bazi složenog DSP modema Provigent PVG310 (Slika 1). Budući da je demonstraciona ploča koja sadrži sam čip PVG310 sa pratećim D/A, A/D konvertorima i upravljačkim mikroprocesorskim sistemom komercijalni proizvod u ovom radu smo se fokusirali na potrebne performanse ostalih blokaova uređaja. 2. ČIP PVG310 I DEMONSTRACIONA PLOČA

Ulazni signal za PVG310 predstavlja bajt paralelna digitalna povorka simbolskog takta 19.44MS/s (155.52/8). Ova povorka se pakuje u ramove koji su kodovani Reed Solomonovim kodom (u konkretnom slučaju RS(252,246)). Na osnovu grešaka u prijemu ovog rama može se proceniti BER u prenosu. Signal se dalje vodi na kompleksni maper koji mapira signal u 128TCM modulaciju sa kodnim količnikom 13/14. Zatim se kompleksni signal filtrira FIR filtrom sa interpolatorom koji omogućava da takt samplovanja i binarni protok budu potpuno asinhroni čime se povećava fleksibilnost dizajna. Zatim sledi digitalni IQ modulator sa x/sin(x) kompenzatorom koji omogućava generisanje korisnog signala na principu "imidžinga". Na taj način, je prema teoremi odabiranja potrebno da učestanost odmeravanja bude samo dva puta veća od propusnog opsega signala. U konkretnom slučaju signal se za međufrekvenciju 140MHz, širinu spektra od 28MHz odmerava učestanošću 112MHz. Iza digitalnog IQ modulatora sledi D/A konvertor.

Slika 2. Spektar signala na izlazu iz D/A konvertora

Na prijemnoj strani (Slika 1) se međufrekvencijski

signal takođe odmerava istom frekvencijom, čime se obavlja i digitalna konverzija naniže. Zatim sledi blok za IQ demodulaciju i ekvilizaciju unapred (feed forward) koja ispravlja gruba izobličenja. Ovakav signal se vodi na blok za izdvajanje nosioca i izdvajanje takta sa odgovarajućim

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom II Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. II

387

interpolacijama i filtriranjem. Pre odlučivanja obavlja se fina ekvilizacija višestepenim decision feedback transferzalnim ekvilizatorom. U postupku odlučivanja primenjuje se meko dekodovanje sa Viterbijevim algoritmom, a zatim se dekoduje i Reed Solomonov kod. Posle zaštitnog dekodovanja dobija se bajt paralelna povorka na simbolskoj učestanosti 19.44MS/s. Za potrebe monitorisanja prijemnog signala može se posmatrati konstalacioni dijagram pre odlučivača (Slika 3.)

Slika 3. Konstalacioni dijagram na odlučivaču za 128QAM

modulaciju 3. FILTRIRANJE PREDAJNOG SIGNALA

Pre nego što se primeni postupak konverzije naviše potrebno je odstraniti ostale image komponente iz signala. Na osnovu slike 2. i maske za izgled RF spektra dolazimo do specifikacije međufrekvencijskog filtra date u tabeli 1.

U okviru tabele 1. namerno je izostavljena tačka koja se odnosi na varijaciju grupnog kašnjenja unutar propusnog opsega. Na osnovu teorije izobličenja oka su manja od 1% ukoliko je ona mnogo manja od simbolskog takta, što u ovom slučaju iznosi 4ns. U tom slučaju se kompletna moć adaptivnog filtra usmerava na kompenzaciju izobličenja usled selektivnog fedinga i IDU-ODU kabla. U cilju provere kvaliteta ekvilizatora stavili smo SAW filtar SAWTEK 856019 sa odgovarajućim baferskim pojačavačima koji se odlikuje izuzetno velikom varijacijom grupnog kašnjenja (Slika 4.). U ovom slučaju adaptivni ekvilizator (Slika 5.) nije u mogao u potpunosti da kompenzuje ova izobličenja te je sistem radio sa konstantnim BER-om od oko 10-6.

Slika 4. Izgled spektra posle filtriranja SAW filtrom

Tabela 1. Specifikacija predajnog IF filtra Centralna frekvencija 140MHz Propusni opseg (1dB) 28MHz Donja granica nepropusnog opsega 98 MHz Slabljenje donjeg nepropusnog opsega 50 dB Gornja granica nepropusnog opsega 168MHz Slabljenje gornjeg nepropusnog opsega 35 dB

Slika 5. Kompenzacione karakteristike ekvilizatora sa i bez SAW filtra

Slika 6. Uticaj nelinearnih izobličenja na izgled spektra pri slabljenju intermodulacionih produkata 40dB i BER=10-2

4. LINEARNOST PREDAJNIKA

Jedan od glavnih problema pri realizaciji front end-a sa 128QAM modulacijom je potreba za izuzetno linearnim predajnikom. Takođe se javlja i nepovoljan odnos srednje i vršne snage predajnika (4.7dB teorijski, bez uobličavanja spektra), koji za posledicu ima lošije iskorišćenje predajnog stepena. Praktično ova vrednost od 4.7dB predstavlja i minimalnu potrebnu vrednost back-off svih predajnih pojačavača u odnosu na tačku 1dB kompresije.

Jedan od najčešće korišćenih načina za karakterisanje nelinearnosti RF front enda je na osnovu dvotonskog testa i generisanja intermodulacionih produkata. Pokazano je da ako se intermodulacioni produkti slabe za više od 46dB ne dolazi do izobličenja spektra i sistem radi sa rezidulanim BER-om manjim od 10-12. Sa porastom nelinearnih izobličenja, i pored primenjenog zaštitnog kodovanja, BER drastično raste i već pri slabljenju intermodulacionih produkata od 40dB BER iznosi oko 10-2. Spektar signala u ovom slučaju prikazan je na slici 6.

388

Imajući u vidu da se tačka 1dB kompresije i tačka spoja intermodulacionih produkata trećeg reda IP3 kod većine pojačavača razlikuju za 10 do 12dB dolazimo do zaključka da su potrebne vrednosti IP3 za oko 17dB veće od snage signala u datoj tački sistema. 5. PRIMER IF/MW FRONT-ENDA

Komunikacija IDU i ODU se obavlja po jednom koaksijalnom kablu upotrebom kvadripleksera (Slika 7.). Predajna IF je 390MHz, prijemna 140MHz, IDU-ODU signalizacija se obavlja po master/slave principu ASK modulisana na 4MHz. Sistem takođe prenosi jednosmerno napajanje. Sam kvadriplekser je podeljen u dva bloka: međufrekvencijski za prenos 128QAM signala koji je kapacitivno spregnut sa koaksijalnim kablo i niskorekvencijski za prenos signalizacije i napajanja koji se sa koaksijalnim kablom spreže induktivno.

140 MHz

390 MHz

signalizacija

koaksijalni kabl

DC napajanje Slika 7. Frekvencijski plan IDU-ODU komunikacije i

struktura kvadripleksera Tabela 2. Karakteristike nekoliko tipičnih IDU-ODU kablova

Tip kabla

Spoljni prečnik (mm)

Slabljenje na 140 MHz

na 100m

Slabljenje na 390 MHz

na 100m

DC otpor petlje

na 100m WBC-400R 10.4 4.5 dB 8.1 dB 1.1 Ω

RG 214 10.8 8.2 dB 13.2 dB 0.95 Ω RG 58 5.0 20 dB 36 dB 5.3 Ω

LDF4.5-50A 21.8 1.9 dB 3.7 dB < 1.1 Ω

Ovakav frekvencijski plan zahteva izmene u primeni PVG310 čipa, te se umesto direktne IF modulacije primenjuje klasična IQ modulacija sa spoljnim analognim IQ modulatorom. U datoj konfiguraciji PVG310 sa pratećim

A/D konvertorima generiše signale u osnovnom opsegu koji se vode na klasičan IQ modulator. Za međufrekvenciju modulisanja odabrana je učestanost 390MHz, jer ona predstavlja komprpomis između slabljenja kabla, realizacije kvadripleksera za IDU-ODU komunikaciju i tržišno raspoloživih integrisanih kola IQ modulatora koja omogućavaju fazni debalans manji od 1°. U cilju razmatranja potrebnih karakteristika pojedinih blokova u pogledu linearnosti i faktora šuma definisali smo urpošćenu blok šemu kompletnog sistema prikazanog na slici 8. Na njoj su predstavljenje predajne i prijemne test tačke u kojima je definisana snaga signala. U svakoj od ovih tačaka moraju biti ispunjena dva uslova: a. Linearnost definiše da IP3 svakog stepena mora biti bar

17dB veća od snage signala u toj tački b. Faktor šuma mora biti manji od nivoa signala u toj tački

umanjenom za minimalnu vrednost signala koja odgovara faktoru šuma od 0dB (-77dBm za BER=10-3, AWGN širine 28MHz, i pomenutu 128TCM modulaciju).

Ova dva granična uslova nazvali sumo IP3-noise tunel. Na uprošćenoj blok šemi sistema sistema (Slika 8) ealizovanog sa 0, odnosno 350m kabla tipa WBC-400R ilustovali smo ispunjenost ovih uslova na predaji (Slika 9) i prijemu (Slika 10). Na predaji se signal iz IQ modulatora na predajnoj međufrekvenciji (390MHz) ulazi u kvadriplekser (TA). Kvadriplekser ovaj signal neznatno slabi i prosleđuje u koaksijalni kabl (TB). U zavisnosti od dužine koaksijalnog kabla signal i kvadriplekser slabe ovaj signal od 1 do 30dB (TC), što kompenzuje blok kompenzacije slabljenja IDU-ODU kabla (TD). Signal se zatim konvertuje naviše na drugu predajnu međufrekvencijsku učestanost oko 1.5-2.5GHz (TE) gde se nalazi predajni pojačavač varijabilnog pojačanja kojim se selektuje predajna snaga sistema (TF). Signal se zatim konvertuje naviše na mikrotalasni opseg (TG) i pojačava predpojačavačima i finalnim pojačavačem snage (TH). U ovoj tački snaga signala se sondira detekorom nivoa preko 20dB sprežnjaka i preko digitalne petlje realizovane pomoću A/D konvertora, mikrokontrolera i D/A konverora za upravljanje predajnim međufrekvencijskim AGC pojačavačem održava na konstantnom nivou. Uobičajeno je da opseg dinamike iznosi 30dB, a maksimalna izlazna snaga oko 25dBm. Signal se zatim vodi na mikrotalasni diplekserski filtar za spregu sa antenom i prijemnom granom. Na prijemu se očekuje nivo prijemnog signala od -77dBm u idealnim uslovima (faktor šuma 0dB), dok se realno

ODU IDU

RA

TCTA

Kva

drip

leks

er

Prov

igen

t PV

G31

0

Mikroprocesor

komp.D/A

A/D

IQ mod D/A

RG RH

Kva

drip

leks

er

TB

TETD TF TG

f1 f2

TH

A/D

D/A

RF

RC RD

f4 f3

RB

A/DD/A

RE

MW

dip

leks

er

f0

Slika 8. Uprošćena blok šema sistema

389

može očekivati vrednost ne manja od -74dBm) tačka (RA). Signal se zatim pojačava malošumnim predpojačavačem, za koji možemo uzeti da tipično pojačanje iznosi oko 20dB (RB). Signal se zatim konvertuje naniže na prvu prijemnu međufrekvenciju od oko 1-2.2GHz mešačem, poželjno sa potiskivanjem simetrične učestanosti koji unosi dodatno slabljenje od oko 8dB (RC). Na prvoj međufrekvenciji se nalazi AGC pojačavač velike dinamike od oko 60dB (RD). Signal se zatim konvertuje na drugu međufrekvenciju 140MHz (RE) i pojačava pre nego što uđe u kvadripleker (RF). Na ovoj učestanosti se nalazi senzor snage koji zajedno sa AGC pojačavačem na prevoj međufrekvenciji i mikrokontrolerom čini prijemnu AGC petlju. U zavisnosti od dužine kabla signal kroz kvadripleksere i kabl trpi slabljenje od 1 do 15dB (RG). Dalje se vodi na prijemni međufrekvencijski filtar i AGC pojačavač koji dodatno kompenzuju slabljenje kabla i fedinga, te se signal pre odmeravanja A/D konvertorom drži na konstantnom nivou od oko 0dBm.

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

TA TB TC TD TE TF TG THTest tacka

Sred

nja

snag

a (d

Bm

)

Slika 9. Primer IP3-Noise tunela na predaji

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

RA RB RC RD RE RF RG RHTest tacka

Sred

nja

snag

a (d

Bm

)

Slika 10. Primer IP3-Noise tunel na predaji

Uočavamo da zahvaljujući pravilnom izboru predajnih frekvencija i bloku za kompenzaciju slabljenja IDU-ODU kabla na predajnom delu faktor šuma praktično ni u jednoj tački nije kritičan. Sa drug strane postoje veoma strogi zahtevi u pogledu linearnosti za komponente posebno za mikrotalasni mikser, baferske pojačavače i izlazni pojačavač snage. Na prijemu sa druge strane pored problema faktora šuma koji je prisutan sve do druge međufrekvencije zbog velike dinamike sistema imamo problema i sa linearnošću komponenti, budući da su danas još uvek relativno retke komponente velike linearnosti sa relativno malim faktorom šuma. Na prijemu IDU-ODU komunikacija ne predstavlja nikakav problem.

Takođe treba obratiti pažnju da se snaga i predajnog i prijemnog signala u IDU-ODU kablu kreće između -25dBm i 0dBm, što pojednostavljuje zahteve za kvadriplekserske filtre. 6. ZAKLJUČAK

Testirana ploča Provigent PVG340 na bazi DSP modema PVG310 može se koristiti za realizaciju digitalnog radio-relejnog uređaja protoka 34Mbit/s, uz relativno jednostavne zahteve za IF/RF front end. Praktično najkritičnije komponente u sistemu su predajni pojačavač snage koji treba da ima IP3 od preko 40dBm, malošumni predpojačavač sa IP3 od oko -15dBm i faktorom šuma manjim od 4.5dB uključujući mikrotalasni diplekser. Takođe su kritične komponente i mikrotalasni mešači. Sve međufrekvencijske komponente se mogu realizovati od komercijalno raspoloživih komponenti. U toku daljeg istraživanja treba postaviti zahteve za mikrotalasne i IF sintetizatore kojih u lancu ima ukupno pet, posebno vodeći računa o efektima akumulacije faznog šuma. Literatura

[1] ETSI Standard EN 300 234 (V.1.2.1.), "High capacity DRRS carrying 1 x STM-1 signals and operating in frequency bands with about 30 MHz channel spacing and alternated arrangements", 1998.

[2] Zečević M., Obradović D.: "FIR filtar za uobličavanje spektra digitalnog radio-relejnog uređaja protoka 51.8Mbit/s", Zbornik radova XLVII konferencije ETRAN-a, tom II, str 276-377, Herceg Novi, 2003.

[3] Xiong F., Digital Modulation Techniques, Artech House, 2000.

[4] Provigent PVG310 Point to point modem, datasheet, April 2005.

[5] Provigent PVG 340 MDK Broadband Modem Development Kit, datasheet, December 2003.

[6] Institut IMTEL, Uputstvo za upotrebu i održavanje za RRU13A protoka 155Mbit/s, 2004.

Zahvalnica - Rad na ovom projektu delimično je finansiran sredstvima Ministarstva za Nauku i zaštitu životne sredine. Abstract - In this paper we describe testing of intermediate frequency modem demonstrational board for 155Mbit/s digital radio relay systems. The tests are performed according to ETSI standards for RF spectrum mask, receiver threshold and resistance to interference. According to these tests we give requirements for IF and microwave front end. We have defined term of "IP3-noise tunnel" which gives mask for linearity and noise figure in all test points of the system, which simplifies individual component specification and selection.

Laboratorial testing of demonstrational modem for 128QAM modulation with 155Mbit/s bit rate and

requirements for IF/MW front end

Perić M., Perić D., Obradović D.

Abstract – In this paper we describe testing of intermediate frequency modem demonstrational board for 155Mbit/s digital radio relay systems. The tests are performed according to ETSI standards for RF spectrum mask, receiver threshold and resistance to interference. According to these tests we give requirements for IF and microwave front end. We have defined term of "IP3-noise tunnel" which gives mask for linearity and noise figure in all test points of the system, which simplifies individual component specification and selection. LABORATORIAL TESTING OF DEMONSTRATIONAL MODEM FOR 128QAM MODULATION WITH 155Mbit/s

BIT RATE AND REQUIREMENTS FOR IF/MW FRONT END

M. Perić, D. Obradović, D. Perić

390