Часть 1. Сравнение репитеров сотовой связи RF-Link 1800/2100-75-23 и AliExpress Noname

Для сравнения выбраны модели идентичные по характеристикам Aliexpress желтый Noname и RF-Link 1800/2100-75-23. 

По паспорту оба усиливают диапазоны 1800 и 2100 МГц на 75 дБ и имеют выходную мощность 200 мВт (23 дБм).

Важное замечание -  в статье не рассматривается ценовая разница, да она есть. В статье сравниваются реальные характеристики выдаваемые репитерами.

 

Теория

 

Виды модуляции, используемые в современных средствах связи, предъявляют высокие требования к линейности трактов приема, передачи. Эти требования также касаются репитеров, ведь репитер становится частью системы, посредником между базовой станцией и мобильным терминалом абонента, и от качества изготовления, качества комплектующих, от знаний и опыта инженеров-разработчиков зависит надёжность связи или количество помех и проблем для пользователя, которые создаст репитер в случае несоблюдения некоторых требований при разработке и производстве о которых будет сказано ниже.

 

Что из себя представляет репитер? Если упростить, это двунаправленный полосовой линейный усилитель. На самом деле, это сложное электронное устройство, которое должно отвечать жёстким требованиям.

 

Основное функциональное назначение радиочастотного усилителя – повышение уровня (размаха колебаний, амплитуды или мощности) входного сигнала без недопустимых искажений его формы, спектрального состава, ухудшения отношения сигнал/шум. На практике получить неискаженный сигнал на выходе усилителя невозможно. Это объясняется тем, что в состав усилителя входят активные и пассивные элементы которые вносят свой отрицательный вклад, генерируя искажения.

 

К активным элементам относятся малошумящие и промежуточные (каскадируемые) усилители, электронные аттенюаторы, выходные транзисторы, детекторы уровня сигналов. К пассивным элементам относятся дуплексные и полосовые фильтры, конденсаторы, индуктивности.

 

Линейные и нелинейные искажения и их влияние на качество сигнала

 

К линейным искажениям относится неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Источником линейных искажений являются дуплексные и полосовые фильтры. Неравномерность АЧХ зависит от качества их изготовления. На неравномерность АЧХ так же оказывает значительное влияние степень согласования всех элементов в тракте усиления от входного до выходного разъёма, компоновка элементов, экранировка каскадов усиления. Чтобы усилитель в полосе рабочих частот не вносил линейных искажений, его АЧХ должна быть прямоугольной, а фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – линейной.

 

К нелинейным искажениям относятся компрессионные искажения, интермодуляционные искажения второго и третьего порядка, фазовые искажения сигнала.

 

Источниками нелинейных искажений являются активные компоненты, электронные аттенюаторы, малошумящий усилитель (МШУ), микросхемы усилителей промежуточных каскадов, выходные транзисторы работающие в режиме насыщения, детекторы уровня сигналов.

 

Для минимизации нелинейных искажений и поддержания усилителя в линейном режиме в тракт усиления вводится схема автоматической регулировки уровня входного сигнала (АРУ). Её задача сжатие динамического диапазона мощности входного сигнала, и поддержание усилителя вблизи точки насыщения.

 

Существуют различные способы количественной оценки линейности усилителя мощности. Точка пересечения третьего порядка (IP3) является хорошо известной характеристикой усилителя. Метод основан на тесте двухтональным сигналом. Так как современные системы связи создают очень сложные сигналы, относительно простое измерение IP3 часто не подходит в качестве индикатора для требуемой линейности. Кроме того, стандарты не определяют требования к измерению IP3. Для оценки качества сигнала с цифровой модуляцией на выходе репитера используются такие показатели как, модуль вектора ошибок (EVM) и коэффициент утечки мощности в соседний канал (ACLR). Увеличение линейных и нелинейных искажений приводит к уменьшению ACLR и увеличению EVM.

 

Модуль вектора ошибок (EVM)

 

EVM — важный показатель качества сигналов с цифровой модуляцией, выражающий разницу амплитуд и фаз измеряемого и идеального сигналов. Он выражается в процентах. Очень малое значение EVM означает, что проверяемый сигнал практически полностью идентичен
исходному.
Для WCDMA, 3CPP определяет максимальный предел EVM как 12.5% для модулируемого сигнала 16QAM и 17.5% для QPSK.
Для OFDM, 3CPP определяет максимальный предел EVM как 12.5% для модулируемого сигнала 16QAM, 8% для 64QAM и 17.5% для QPSK.

 

Коэффициент утечки мощности в соседний канал (ACLR)
Коэффициент мощности в соседнем канале (ACPR)

 

Эти параметры используется для оценки степени искажений, вызванных нелинейностью усилителей.

 

Для WCDMA, в спецификации 3GPP описаны минимальные пределы для первого и второго соседнего канала. Для первого это -45дБ, для второго это -50 дБ.

 

Для OFDM, в спецификации 3GPP описан предел в -44.2 дБ.

 

Увеличение линейных и нелинейных искажений приводит к уменьшению значения ACLR и увеличению EVM.

 

Тестирование репитера предполагает:

1. измерение усиливаемой им полосы частот OBW,
2. измерение АЧХ,
3. измерение коэффициента утечки мощности в соседний канал ACLR или коэффициента мощности в соседнем канале ACPR,
4. измерение величины вектора ошибки EVM,
5. измерение продуктов интермодуляции.

 

Образец первый — желтый репитер из дешевой ценовой категории (классика aliexpress)

 

Комплект поставки:

• Репитер;
• Блок питания;
• Упаковочная коробка;
• Инструкция.

 

Параметры по паспорту:

1. Диапазон частот: 18002100;
2. Усиление: 75дБ;
3. Выходная мощность: 23дБм +-3дБм;
4. Уровень шума: менее 5дБ;
5. Волновое сопротивление: 50 Ом;
6. Напряжение питания: АС 110-220в, DС 5-12В.

Внешний вид репитера.


Внешний вид индикатора.
 

• На корпусе отсутствуют какие-либо элементы управления;
• Из средств визуального контроля за работой репитера присутствуют: три светодиода и шести сегментный ЖК индикатор уровня выходного сигнала;
• Красный светодиод показывает наличия напряжения питания;
• Два зеленых индикатора показывают наличие сигнала на выходе усилителей Downlink 1800 и Downlink 2100;
• При уровне входного сигнала примерно -75 дБм, светодиоды мигают, при уровнях более -60 дБм, горят постоянно;
• Сегментные ЖК индикаторы более точно отображают уровень выходного сигнала каждого из усилителей каналов Downlink;
• Контроль и индикация каналов Uplink не предусмотрена;
• Индикация перегрузки усилителей репитера по выходам отсутствует.

 

Посмотрим что внутри.

 

Простейший бюджетный вариант.
По четыре каскада усиления в обе стороны.
ПАВ фильтры после каждого каскада усиления.
Дуплексные фильтры на объёмных диэлектрических резонаторах.
Усилители разных диапазонов объединены сумматорами.
Репитер имеет встроенный понижающий DC-DC преобразователь, что понижает риск выхода из строя репитера при неисправности внешнего блока питания.

Экранировка посредственная.
 

Репитер симметричный, выходная мощность одинаковая в нисходящем и восходящем каналах.

 

Собрано аккуратно. Пайка автоматизированная. Плата чистая, без остатков флюса.

 

В целом ничего интересного. Типичный представитель низшей ценовой категории.

 

Минусы

 

Отсутствует автоматическая регулировка уровня выходного сигнала(ALC).

 

Нет ступенчатой ручной регулировки усиления.

 

Индикаторы уровня сигнала только в каналах Downlink .

 

Детекторные диоды уровня выходного сигнала подключены непосредственно к полосковой линии после микросхемы выходного усилителя (источник интермодуляции).

 

Измерения

 

Амплитудно-частотная характеристика канала Downlink 1800

При уровне входного сигнала -60дБм, максимальный выходной уровень 0.28дБм.
Минимальное усиление 49дБ.
Неравномерность АЧХ в полосе 1805-1880мГц чуть более 11дБ.

 

Максимальное усиление канала 60дБ (по паспорту 75), если учесть неравномерность АЧХ на участках 1805-1831мГц и 1857-1880мГц, получается еще меньше.

 

Амплитудно-частотная характеристика канала Downlink 2100

При уровне входного сигнала -60дБм, максимальное усиление 69,5дБм (а по паспорту 75).
Минимальное усиление 62,1 дБ. Неравномерность АЧХ в полосе 2110-2170мГц чуть более 7дБ.

 

Амплитудно-частотная характеристика канала Uplink 1800

При уровне входного сигнала -60дБм, максимальное усиление 58дБ. Минимальное усиление 40дБ. Неравномерность АЧХ в полосе 1710-1785мГц чуть более 18дБ! На участке 1750-1785мГц неравномерность 13дБ.

 

Амплитудно-частотная характеристика канала Uplink 2100

При уровне входного сигнала -60дБм, максимальное усиление 56дБ. Минимальное усиление 49дБ. Неравномерность АЧХ в полосе 1920-1980мГц около 7 дБ.
Максимальное усиление Downlink 1800 на 10дБ меньше чем Downlink 2100.
Далее измерение мощности и оценка линейности и искажений усилителя будет производится при помощи широкополосного входного сигнала. Полоса сигнала 5мгц. Модуляция QPSK.

 

Максимальная выходная мощность Downlink 1800

 

Уровень входного сигнала -53дБм.

 

Выходная неискажаемая мощность (RMS) получается всего 8,6дБм. Пиковая мощность 11,5дБм.

 

При заявленной производителем мощности 23дБм +-3дБ.

Искажения в канале.
 

Теперь увеличим уровень входного сигнала на 3дБ.

 

Мощность (RMS) возросла до 12дБ, пиковая мощность (PEAK) до 15дБм, но появилась недопустимая утечка мощности в соседние каналы.
Соответственно, недопустимо возросли искажения сигнала.
При этом индикатор уровня выходного сигнала не достиг максимального значения (осталось одно деление).

Сигнальное созвездие рассыпалось. Пиковое значение ошибки вектора модуляции превышает значение 32% (норма до 15%). Усилитель перешёл в режиме насыщения, на выходе усилителя появились продукты интермодуляции 2-го и 3-го порядка.

 

Для примера: имитация работы двух базовых станций. Частоты 1820мГц и 1865мГц, полоса сигналов 5 МГц. Модуляция QPSK.

 

Уровень сигналов на входе репитера на 3дБ и 5дБ выше номинального.

 

Продукты интермодуляции в Uplink 1800 на частоте 1730 и 1775мГц, с уровнем 0дБм и +6дБм.

 

Интермодуляционные составляющие, попадая в канал Uplink, создают помехи в направлении базовой станции, что приводит к обрывам связи, снижению скорости или невозможности установить связь вообще. Также возможны претензии со стороны оператора за создание помех.

 

Этого можно было-бы избежать, если бы в усилителе присутствовала схема автоматической регулировки уровня входного сигнала, которая расширила бы динамический диапазон репитера по входу. Усилитель при изменении уровня сигнала на входе в некоторых пределах (в лучших моделях репитеров не менее 30дБ), оставался бы вблизи точки насыщения, т.е. в линейном режиме и продукты интермодуляции были бы минимальны.

 

Цена вопроса, два аттенюатора управляемые напряжением на входе и операционный усилитель (в простейшем варианте, для каждого из каналов), стоимостью не более 2$. Почему нет АРУ, стоит только догадываться.

 

Теперь посмотрим как ведёт себя усилитель на неравномерностях АЧХ.

 

Участок 1805-1810мГц. Номинальный уровень входного сигнала.

 

Участок 1780-1785мГц.. Номинальный уровень входного сигнала.

 

Линейные искажения в виде неравномерности АЧХ, также вызывают сильные искажения.

 

Максимальная выходная мощность Downlink 2100

 

Мощность Downlink 2100 здесь опять не соответствует заявленной производителем.

 

Максимальная мощность с приемлемыми искажениями около 9дБм.

 

Увеличим уровень сигнала на входе на 3дб.

Работа усилителя в режиме насыщения.
 

Появились сильные искажения, и даже в этом случае пиковая мощность далека от заветных 23дБм, заявленных в инструкции.

 

С продуктами интермодуляции и здесь всё плохо.

Входные сигналы 2130мГц и 2165мГц. Полоса каждого 5мГц.


Без сигнала на входе.
 

В Uplink ситуация с мощностью и искажениями повторяется, дальнейшее тестирование не имеет смысла.

 

 

Образец второй — черный репитер RF-Link 1800/2100-75-23 (более дорогая ценовая категория)

 

 

Комплект поставки:

1. Репитер;
2. Блок питания;
3. Шнур питания;
4. Инструкция;
5. Крепёж для крепления на стену;
6. Коробка упаковочная.

 

Характеристики:

1. Диапазоны: 18002100 МГц;
2. Усиление:
   Downlink: 75 дБ;
   Uplink: 70дБ;
3. Выходная мощность:
   Downlink: 23 дБм;
   Uplink: 20 дБм;
4. Волновое сопротивление: 50 Ом;
5. Диапазон ручной регулировки аттенюатора: 32 дБ, с шагом 1 дБ;
6. Диапазон автоматической регулировки уровня входного сигнала: не менее 30дБ;
7. Напряжение питания:
   Переменное напряжение 110-220 вольт;
   Постоянное напряжение 10 вольт.

 

Внешний вид

Индикатор и органы управления


Со снятой задней крышкой


Один из двух блоков со снятой крышкой
 

Разберём усилитель более подробно.
Канал Downlink.
Усилитель шестикаскадный.

 

После дуплексного фильтра, малошумящий усилитель, далее первый аттенюатор схемы АРУ, усилительный каскад, ручной аттенюатор, второй аттенюатор схемы АРУ, два усилительных каскада, предвыходной каскад усиления, выходной транзистор и дуплексный фильтр.
Канал Uplink построен аналогично. Выходной транзистор применён меньшей мощности.
После каждого каскада усиления включены полосовые ПАВ фильтры.

Детектор огибающей выходного сигнала схемы АРУ включен после выходного транзистора через направленный ответвитель, что исключает его влияние на выходной каскад.

 

Схема АРУ каждого из каналов усиления собрана на двух операционных усилителях и пяти транзисторах.

Каждый из каналов питает свой линейный стабилизатор напряжения, это сделано для дополнительной фильтрации напряжения питания выходного транзистора и промежуточных каскадов усиления.

Сумматоры объединяющие диапазонные усилители вынесены в отдельный экранированный блок.

Работой репитера управляют три микроконтроллера. По одному в каждом блоке усилителей, третий расположен на плате индикатора. Обмен данными между блоками и платой индикатора происходит по протоколу RS-485.

 

Микроконтроллер блока усилителей управляет аттенюаторами ручной регулировки усиления, индикаторами уровней выходного сигнала, индикатором перегрузки, также задает опорный уровень для схем АРУ.

Микроконтроллер и схема АРУ канала Uplink


Плата индикатора
 

На плате индикатора расположены кнопки ручной регулировки усиления, ЖК индикатор уровня выходного сигнала DownlinkUplink, индикатор перегрузки.

 

Блок диапазона 2100 МГц выполнен аналогично.

 

Пайка выполнена паяльным роботом, в редких местах следы ручной пайки.

 

Примечание: так как печатная плата унифицированная и изготовлена с расчетом на три диапазона 180021002600, необходима настройкасогласование каскадов для каждого диапазона, основные элементы паяет робот, элементы согласования (конденсаторы, индуктивности, резисторы и др.), устанавливаются вручную в процессе настройки репитера.

 

Тестирование

 

Амплитудно-частотная характеристика Downlink 1800

Уровень входного сигнала -60дБм.
Максимальное усиление 77,2дБ.
Минимальное 73дБ.
Неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне 4дБ.

 

Амплитудно-частотная характеристика Downlink 2100

Уровень входного сигнала -60 дБм
Максимальное усиление 74,9дб. Минимальное 71,6дБ. Неравномерность АЧХ 4,3дБ.
Здесь всё хорошо, добавить нечего.

 

Амплитудно-частотная характеристика Uplink 1800

 

Уровень входного сигнала -60дБм.
Максимальное усиление 69дБ. Минимальное 51дБ. Неравномерность 18дБ. Сильно завален участок 1780-1785мГц.

 

Амплитудно-частотная характеристика Uplink 2100

 

Максимальная выходная мощность Downlink 1800

 

Уровень сигнала на входе -50дБ.

 

Выходная мощность (RMS) 22,4дБм. Пиковая мощность 25,7 дБм.
Искажения сигнала минимальны.

Смотрите продолжение в следующей статье.

 

Источник: https://habr.com/ru/post/453830/