Как избежать самовозбуждения усилителя сотовой связи / Хабр

Операторы сотовой связи используют два частотных диапазона: 900 и 1800 МГц. В населённых пунктах с многоэтажной застройкой сотовая связь чаще всего работает в диапазоне 1800 МГц, а за городом и в местах малоэтажной застройки – в диапазоне 900 МГц. Это связано с особенностями распространения радиоволн и количеством свободных каналов.

Чем ниже частота (900 МГц), тем лучше и дальше распространяются радиоволны в условиях пересеченной местности. Благодаря этому базовые станции могут быть расположены далеко друг от друга. Ещё одним важным свойством радиосигнала низких частот является то, что они проникают в здания лучше, чем сигналы более высоких частот.

Радиоволны высоких частот (1800 МГц) быстро затухают на больших расстояниях и хуже проникают в здания и помещения. Однако эти, казалось бы, отрицательные свойства становятся преимуществом при использовании более высоких частот в городах: в каждой точке города каждое абонентское устройство, грубо говоря, “видит” лишь небольшое число базовых станций. Таким образом, базовые станции почти не “мешают” друг другу.

В стандарте GSM-1800 количество каналов значительно больше, чем в стандарте GSM-900, что позволяет одновременно работать большему количеству абонентов. Это ещё одна причина, почему в городах используется стандарт GSM-1800, а в малонаселённых районах – в основном, GSM-900.

Обследование объекта.

Сначала необходимо выяснить у заказчика, какие именно проблемы сотовой связи он хочет решить. В данной статье мы рассмотрим только усиление голосовой связи и не будем рассматривать усиление мобильного интернета (однако установка репитеров для мобильного интернета отличается от установки репитеров для мобильной связи лишь в небольших деталях).

Заказчик может захотеть усилить сигнал как одного какого-то оператора, так и сигналы нескольких или сразу всех операторов.
Распределение полос радиочастот (т.е. каналов) между операторами различается между регионами, эту информацию можно увидеть в следующих таблицах: для 900 МГц и 1800 МГц.

Из этих таблиц можно увидеть, на каких частотах могут работать интересующие нас операторы. Поэтому уже на этом этапе выполнения работ можно примерно оценить их сложность и стоимость.

Обследование объекта должно осуществляться с использованием анализатора спектра. Netmonitor на телефоне можно использовать только как вспомогательный инструмент, так как Netmonitor не является средством измерения и его показания не могут служить основанием для принятия каких-либо решений. Однако Netmonitor всё же может быть полезным, так как он, в отличие от анализатора спектра, показывает номер канала и название оператора. С помощью Netmonitor’а хорошо контролировать правильность измерений, проводимых анализатором спектра.

Перед выездом на объект инженер должен ознакомиться с картой расположения базовых станций. В основном, эти карты созданы любителями и не являются официальным источником информации. Но они могут помочь хотя бы примерно сориентироваться в ситуации. Эти карты легко доступны в интернете и постоянно обновляются.

При прибытии на объект инженер должен осмотреть его и определить места, где будет возможно поставить внешние и внутренние антенны.

Определение возможных мест установки антенн должно происходить с учётом нескольких факторов:

Определение радиочастотной обстановки.

На следующем этапе необходимо сделать замеры уровней сигналов Downlink (т.е. с базовых станций) в каждой точке возможной установки внешних антенн. Замеры необходимо проводить с помощью анализатора спектра и измерительной внешней антенны. Необходимо составить таблицы зависимостей уровня сигнала от частоты приёма.
Например, стоит задача усилить трёх операторов (Билайн, Мегафон и МТС) в Воронежской области. На рисунке (это вид сверху на крышу дома) показаны три точки, где есть доступ на крышу и где поэтому существует возможность установить внешние антенны (точки А1, А2 и А3).

Порядок действий таков:

1. В таблице распределения радиочастот находим, что в Воронежской области операторы работают на следующих частотах:

2. С помощью Netmonitor’а у каждого оператора в каждом частотном диапазоне выбираем канал, на котором находятся каналы downlink. Каналы следует выбирать так, чтобы частоты от разных операторов были как можно больше разнесены друг от друга (хотя бы на 5-10 МГц). Следует учесть, что базовая станция может работать всего на нескольких каналах, и эти каналы могут иногда меняться.

3. С помощью приведённых ниже формул рассчитываем частоты, которые соответствуют каждому выбранному каналу (n – номер канала).

4. Записываем полученные данные в таблицу. Например, могут получиться такие значения:

5. Получилось шесть частот, на которых мы будем проводить измерения. В каждой точке возможной установки внешней антенны необходимо найти, во-первых, направления, с которых уровни сигналов на каждой из шести частот имеют максимумы, и, во-вторых, записать значения этих максимумов. Все полученные данные необходимо занести в таблицу и нанести на рисунок. На следующем рисунке стрелками показаны направления, в которых сигналы имеют максимумы. Для наглядности длины стрелок пропорциональны уровням принимаемых сигналов.

6. Из таблицы и рисунка стало видно, что внешние антенны для усиления сигналов Билайна и МТСа можно ставить в точке А1 или А2, для усиления Мегафона – только в точке А3.

В рассмотренном нами примере все базовые станции работают как в диапазоне 900 МГц, так и в диапазоне 1800 МГц. На практике такого, скорее всего, никогда не будет, так как каждая БС работает в каком-то одном диапазоне.

Выбор расположения внутренних антенн

Мы решили первую задачу – определили для внешних антенн направления на нужные базовые станции.

Следующая задача – это определить для внутренних антенн необходимые зоны охвата внутри помещений:

• расположение внутренних антенн зависит от конфигурации внутренних помещений и от того, в каких помещениях заказчик хочет усилить сигнал;
• необходимо учесть из каких материалов сделаны внешние стены здания, перекрытия и внутренние перегородки. Сплошная металлическая кровля ослабляет сигнал на 40-60 дБ; толстые кирпичные, железобетонные стены и перекрытия ослабляют сигнал на 20-40 дБ; гипсокартонные, деревянные перегородки ослабляют сигнал на 10-20 дБ. При этом следует учитывать то, что более высокие частоты диапазона 1800 МГц ослабляются сильнее, нежели частоты диапазона 900 МГц.
• взаимное расположение внутренних и внешних антенн должно быть таким, чтобы не было самозбуждения усилителя, т.е. такой ситуации, в которой сигнал с внутренней антенны улавливается внешней антенной, усиливается, подаётся на внутреннюю антенну, и так далее.

Если грамотно и надёжно усилить сигнал Downlink (т.е. от БС к телефону), то проблем с сигналом Uplink (т.е. от телефона к БС) быть не должно. При использовании качественного репитера такой сигнал тоже усилится. Обычно канал усиления Uplink в репитере делают с усилением на 5…10 дБ меньшим, чем усиление канала Downlink. Чтобы телефон надёжно принимал сигнал Downlink, он должен быть не менее -80 дБм (в точке пространства, где находится телефон). Чтобы базовая станция надёжно принимала сигнал Uplink , он должен быть не менее -95 дБм (в точке пространства, где находится приёмная антенна базовой станции). Это связано с тем, что на базовых станциях используются малошумящие канальные фильтры и усилители, которые могут усиливать очень слабые сигналы от телефонов. Такой усилитель сужает полосу приема сигнала до 100 раз, уменьшая до 10…20 дб собственный уровень шумов приемника базовой станции.

Однако телефоны могут принимать только относительно мощные сигналы, так как в телефонах существует ряд технических ограничений на возможность приема сигнала с большей чувствительностью. Это обусловлено технической сложностью реализации в размерах телефона приемной антенны с высоким усилением и входного фильтра – преселектора приемника.

Режимы работы телефонов при приёме сигналов Downlink разной мощности:

Расчет сигнала Downlink

Проведём расчёт сигнала Downlink для каждой точки возможной установки внешних и внутренних антенн. Для этого необходимо сложить:

Необходимо сделать так, чтобы в том помещении, где мы хотим усилить сотовую связь, уровень сигнала Downlink не был ниже -80 … -75 дБм.

В таблице ниже приведено затухание сигнала в свободном пространстве в зависимости от расстояния до антенны. С использованием этой таблицы необходимо внести поправку на затухание внутри помещения (берётся максимальное расстояние от внутренней антенны до дальнего угла помещения).

Пример расчёта сигнала Downlink с БС Билайна в диапазоне 1800 МГц с установкой антенны в точке А2:

-81 дБм (сигнал Downlink с БС Билайна в точке А2 в диапазоне 1800 МГц)
14 дБ (усиление внешней антенны)
-4 дБ (внешняя антенна в точке А2, возможно, будет направлена между базовыми станциями Билайна и МТСа, поэтому усиление антенны будет несколько меньше номинального)
-7 дБ (примерные потери в разъёмах и кабеле длиной 10 м между внешней антенной и репитером)
Кр (коэффициент усиления репитера, мы его как раз и должны найти)
-7 дБ (примерные потери в разъёмах и кабеле длиной 10 м между репитером и внутренней антенной)
8 дБ (усиление внутренней антенны)
-58 дБ (примерное затухание сигнала в комнате на расстоянии 10 метров от антенны до дальнего угла комнаты)

Расчитаем: -81 14-4-7 Кр-7 8-58

Получилось (Кр-135) дБ.

Как уже говорилось, уровень сигнала Downlink должен быть не ниже -80 … -75 дБм. Поэтому Кр=135-75=60 дБ. Таким образом, минимальное усиление репитера должно быть не менее 60 дБ. Так как у каждого репитера есть погрешность в указании коэффициента усиления (примерно 3 дБ), неравномерность АЧХ (примерно 3 дБ) и коэффициент шума (примерно 6 дБ), то в итоге необходимо выбрать репитер с услением примерно 70 дБ. Конкретные характеристики каждого репитера необходимо смотреть в его паспорте, но не стоит забывать, что репитеры от незнакомых или ненадёжных производителей могут иметь весьма завышенный коэффициент усиления по паспорту, неравномерную АЧХ и коэффициент шума.

Таким образом, при установке репитера с усилением 70 дБ внутри помещения в дальнем его углу сигнал Downlink от Билайна будет равен -65 дБм.

Аналогичным образом необходимо рассчитать уровень сигнала Downlink от БС МТСа и Мегафона для той же конфигурации системы: та же внешняя антенна в точке А2, тот же усилитель, та же внутренняя антенна:

Расчёт развязки внешней антенны относительно внутренней

Затем необходимо примерно оценить, какая паразитная мощность будет доходить от внутренней антенны к внешней (обратный паразитный сигнал от внешней антенны до внутренней можно не брать в расчет, поскольку как упоминалось ранее, канал усиления Uplink имеет меньшее усиление). Оптимально, когда у вас есть в наличии скалярный анализатор цепей, позволяющий измерить прохождение сигнала от внешней антенны до внутренней. На внутренней антенне будет излучаться максимально возможная мощность от БС МТСа: -71 14-4-7 65-7 8=3 дБм

Внутренняя антенна удалена от внешней на 20 метров (это затухание -64 дБ, из таблицы) и, кроме того, между ними железобетонная стена (это примерно -40 дБ затухания). В сумме это даст до -101 дБм.
Таким образом, разница между паразитным сигналом (с внутренней на внешнюю антенну, -101 дБм) и самым слабым полезным сигналом Downlink (с БС Билайна, -81 дБм) составляет -20 дБм. Такая разница должна быть не менее -15…-20 дБм. Если эта разница менее -15…-20 дБм, то можно применить следующие способы исправления ситуации:
– разнести внутреннюю и внешнюю антенны на дополнительное расстояние;
– изменить плоскость поляризации внутренней антенны с вертикальной на горизонтальную (это даст выигрыш в развязке в 15 … 30 дБ);
– использовать репитер с меньшим усилением;
– запустить систему на объекте в тестовом режиме, так как некоторые параметры при расчёте были взяты лишь приблизительно (например, значение величины затухания сигнала при прохождении через железобетонную стену). На практике всё может оказаться немного по-другому.

Расчёты по развязке внутренней и внешней антенн необходимо проводить для всех сигналов одного диапазона. Если же один оператор работает в одном диапазоне, а второй – в другом, то их взаимное влияние в таком случае будет минимальным.

Выбор репитера с учётом радиочастотной обстановки

Таким образом, после изучения радиочастотной обстановки на объекте мы получили информацию о сигналах Downlink от различных операторов, а именно уровни каналов каждого оператора. В зависимости от того, какой оператор, на каких каналах и с какими уровнями передает сигналы, следует выбор той ли иной схемы усиления.

Кратко об усилении репитера

Рассмотрим репитер с коэффициентом усиления 50 дБ. Тут всё просто: подав на его вход сигнал с уровнем -83 дБм, мы получим на выходе -83 50=-33 дБм. Однако у каждого репитера помимо коэффициента усиления указывают максимальную выходную мощность (ещё эту величину называют “точка компрессии”). Это максимально возможный выходной сигнал усилителя, выше которого начинают расти искажения и падает общее усиление репитера. До этой величины усиление можно считать линейным.

Но дело в том, что все без исключения производители репитеров лукавят, указывая усиление и амплитудно-частотную характеристику для одного канала. А нам необходимо усилить множество каналов. При усилении нескольких каналов коэффициент усиления репитера уменьшается в перерасчёте на один канал. Но об этом чуть позже.
Репитер не должен работать в режиме, близком к точке компрессии (для рассматриваемого репитера это 20 дБм – эта величина указывается в паспорте репитера и называется максимальной выходной мощностью), так как будут расти интермодуляционные искажения.
Поэтому репитер должен работать в режиме, в котором мощность на выходе меньше точки компрессии на 10-15 дБ.
То есть в рассматриваемом нами репитере на вход можно подать максимум -40 дБм. Тогда на выходе репитера будет 10 дБм, что как раз на 10 дБ меньше точки компрессии для этого репитера.

Как проявляются интермодуляционные искажения

Если случится так, что на вход репитера приходят два сигнала с примерно одинаковой мощностью и с частотами, отличающимися на небольшую величину, то на выходе репитера будут не только два этих сигнала, но и сигналы с частотами, отличающимися от частот входных сигналов на их разницу.
Например, на вход подаются сигналы с частотами f1=952 МГц и f2=953 МГц. Тогда при работе репитера в режиме выше точки компрессии на выходе репитера будут не только усиленные сигналы f1=952 МГц и f2=953 МГц, но и сигналы, отличающиеся на их разницу ∆f=f2-f1=1 МГЦ, а именно f3=f1-∆f=951 МГц и f4=f2 ∆f=954 МГц. Эти паразитные сигналы будут тем больше, чем ближе к максимальной выходной мощности рабочая точка репитера.

Итак, повторим ещё раз: репитер не должен работать в режиме, близком к максимальной выходной мощности.

Что значит “коэффициент усиления репитера”

Рассмотрим репитер с коэффициентом усиления 50 дБ и максимальным выходным уровнем 20 дБм. Это значит, что репитер усилит ОДИН входящий канал с коэффициентом 50 дБ при условии, что больше нет никаких других входящих сигналов в диапазоне усиления репитера. Это идеальный случай и такого почти никогда не бывает. Всегда есть несколько каналов на входе и какие-то шумы и помехи. Каждый дополнительный канал уменьшает коэффициент усиления на величину 10Lg(N/2). Эта формула справедлива, когда уровни сигналов примерно одинаковы и различаются не более чем на 1 дб. Например, для 10 каналов на входе усиление репитера упадет примерно на 7 дб. И соответственно, максимальный выходной уровень будет уже 20-7 = 13 дБм.

Если на входе репитера присутствуют не только полезные сигналы, но и помехи, то они тоже будут уменьшать коэффициент усиления в перерасчёте на полезные каналы.

Таким образом, коэффицент усиления репитера зависит от количества усиливаемых каналов. Важно знать, что ночью базовая станция может работать всего на одном-двух каналах, так как количество звонков невелико. Соответственно, коэффициент усиления репитера будет большой. Днём же количество активных абонентов увеличивается, базовые станции автоматически увеличивают количество каналов, и коэффициент усиления репитера закономерно снижается.

АЧХ репитеров

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления репитера от частоты. АЧХ репитеров всегда нелинейная, имеет завалы на границах диапазонов по 3-8 дБ. Кроме того, АЧХ каждого конкретного репитера отличается от АЧХ другого репитера.
АЧХ идеального репитера диапазона GSM-900 с коэффициентом усиления 50 дБ должна выглядеть вот так:

Но мир электроники неидеален, и у настоящего репитера АЧХ выглядит вот так (на рисунке показан АЧХ репитера VECTOR R-610):

Как видим, репитер будет усиливать какие-то каналы лучше, а какие-то хуже. Особенно внимательными нужно быть при усилении каналов, находящихся на границах диапазонов.
В силу особенности схемотехники дешевых репитеров, чем выше усиление репитера, тем более неравномерную АЧХ он имеет. Авторам данной статьи попадались китайские и российские экземпляры репитеров, имеющие неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне до 18 дБ. Это также надо учитывать при установке.

Необходимо обратить внимание

Способы улучшения качества усиления

• Можно использовать канальные репитеры. Они усиливают только узкую полосу с нужными каналами. Такие репитеры несколько дороже обычных, но иногда только их применение сможет усилить сигнал в сложной радиочастотной обстановке.
• Необходимо покупать оборудование (репитеры, GSM антенны, кабели, разъёмы, фильтры и т.д.) только у надёжных поставщиков и желательно у тех, которые сами занимаются установкой репитеров, так как только тогда риск нарваться на левое оборудование с непонятными характеристиками будет минимален.
• Можно использовать фильтры сигналов Uplink и Downlink на те частоты, которые мы хотим усилить. Это способ, которые способны использовать только очень опытные установщики непосредственно взаимодействующие с производителями репитеров.