Самовозбуждение усилителя сотовой связи — самый неприятный и опасный режим его работы. В статье рассказывается как определить, что усилитель находится в режиме самовозбуждения, и как избежать сваливания в этот режим.



Если неправильно установить усилитель мобильной связи или 3G/4G интернета, то всегда есть риск познакомиться с сотрудниками радиочастотной службы. Скорее всего, на первый раз они вежливо попросят отключить прибор и больше не включать.

Правильно установленный репитер никогда не привлечет к себе лишнего внимания. В идеале с точки зрения базовой станции характер его излучения не должен отличаться от характера излучения обычного мобильного телефона. Поэтому для инженера-установщика репитеров существуют два основных принципа:

• используй репитер с как можно меньшими приемлемыми коэффициентом усиления и величиной выходной мощности
• добивайся как можно большей развязки между внутренними и внешними антеннами.

Оба этих принципа успешно реализуются еще на этапе создания проекта на объект. Так легко отсекается 90% всех возможных неприятностей.

Нарушение этих принципов ведет к появлению огромного количества потенциальных проблем, самая главная из которых – осцилляции, иногда называемые по-простому «самовозбуждение». Многие знают, что если поднести микрофон к колонке, то будет резкий свист. Так вот, самовозбуждение репитера – это схожее явление, но устроено оно несколько сложнее.

В любом случае большинство проблемных ситуаций вызваны обратной связью, возникающей между внутренней и внешней антеннами. Репитер является двунаправленным усилителем, усиливающим сигналы в обе стороны, т.е. сигналы от базовой станции к абоненту (нисходящий — Downlink) и от абонента к базовой станции (восходящий — Uplink). На репитерах, не имеющих ручной регулировки уровня усиления, случаи самовозбуждения по каналу Downlink встречаются намного чаще, так как коэффициент усиления канала Downlink всегда на 5-10 дБ выше, чем канала Uplink.

Глобально возможны две нехорошие ситуации с самовозбуждением: повышенный уровень шума, который может быть неустойчивым и периодически срываться в осцилляцию, и собственно сами осцилляции. Рассмотрим оба случая.

1. Повышенный уровень шума

1.1. Шум при невысоком уровне обратной связи

Если обратная связь имеет отрицательный коэффициент усиления от 0 до приблизительно -10 дБ, то это не переведет репитер в режим осцилляции, но повысит общий уровень шума всей системы. На телефоне это будет выглядеть как уверенный прием с 4–5 «палками». Но при этом связь будет очень нестабильной, так как отношение сигнал/шум очень мало.

Что делать? В первую очередь нужно улучшить развязку между антеннами (поставить их в другое место и/или поменять ориентацию плоскости поляризации), либо уменьшать коэффициент усиления репитера. Первый вариант всегда предпочтительнее, так как улучшит соотношение сигнал/шум.

2. Осцилляции

2.1. Осцилляции при невысоком уровне обратной связи

Шум при невысоком уровне обратной связи – явление нестабильное, при изменении радиочастотной обстановки превращающееся в осцилляции. Это может быть вызвано как увеличением уровня сигнала Downlink (например, внезапно мощно заработала еще одна БС на близкой частоте), так и изменением соотношения фаз сигналов Downlink и паразитного сигнала с внутренней антенны в точке расположения внешней антенны. В последнем случае могут происходить грустные вещи. Если сигнал Downlink и паразитный сигнал с внутренней антенны находятся в противофазе, то они частично взаимно гасят друг друга. Такая ситуация лишь ухудшает уровень шума. Если же они в фазе и паразитный сигнал с внутренней антенны имеет достаточную мощность, то система переходит в режим осцилляции. Так как сигналы мобильной связи – волны сантиметрового диапазона, то смещение одной из антенн буквально на 10 см может как улучшить, так и ухудшить общую ситуацию. Также двигать фазы может налипший на антенны снег, изменение планировки комнат, открывание окон и дверей и т.д.

2.2. Осцилляции при высоком уровне обратной связи

Тут всё понятно: коэффициент усиления больше 0 дБ, система сразу переходит в режим осцилляции, репитер свистит. Лечить стандартными способами: в первую очередь увеличиваем развязку, при необходимости уменьшаем коэффициент усиления.

2.2.1. Вот как приблизительно будет выглядеть спектр сигнала Downlink рядом с внутренней антенной:



На экране анализатора спектра все сигналы Downlink постоянно изменяются кроме одного сигнала в диапазоне 957 МГц, который имеет более-менее стабильные амплитуду и частоту. Это классическое самовозбуждение в нисходящем канале Downlink. Для его устранения надо разнести внешнюю и внутренние антенны. Внутренние антенны можно повернуть в горизонтальную поляризацию, это всегда полезно, поскольку увеличивает развязку между антеннами не менее чем на 10 дБ. Либо необходимо уменьшить усиление репитера. Но при уменьшении усиления репитера всегда получается более слабый сигнал, что не всегда приемлемо.

Видно, что сигналы имеют средние уровни -75...-90 дБм, поэтому интуитивно кажется, что уменьшать усиление нецелесообразно, так как уровни упадут еще ниже. Но это не так. Самовозбуждение приводит к тому, что репитер работает в режиме перегрузки. Если у усилителя есть АРУ, то она работает в режиме максимального ослабления уровня сигнала. Поэтому уменьшив усиление репитера можно в итоге получить гораздо больший сигнал, но уже без осцилляции.

2.2.2. Осцилляция в канале Uplink. Это самая неприятная осцилляция в том плане, что усилитель может давать сильные помехи для операторов связи и других абонентов.

Вот пример нехорошей спектральной картинки в канале Uplink рядом с внешней антенной:



На скриншоте видно два источника паразитных излучений:

• внутреннее самовозбуждение с нестабильной амплитудой (нестабильность на скриншоте, конечно, не видна) на частоте 921 МГц
• самовозбуждение на частоте 891 МГц с более-менее стабильной амплитудой.

Ниже пример спектра высокого уровня шума в канале Uplink, измеренный на тестовую антенну вблизи внешней антенны репитера. Такой шум будет ухудшать работу БС. Оператор связи обязательно обратится в радиочастотную службу для устранения причин помехи.



Вот пример нормального сигнала, шум около -80 дБм:

2.3. Паразитные внутренние осцилляции репитера

Паразитная внутренняя осцилляция возникает на частоте, близкой к частотам Rx/Tx репитера, или находится посередине между ними. Она может возникать, во-первых, из-за низкого качества самого репитера и, во-вторых, из-за ухудшения рабочих параметров дуплексеров из-за рассогласования радиочастотных входов или применения некачественных антенн. Из-за этих причин в дуплексере вырастает коэффициент передачи между Rx и Tx каналами, что вызывает внутреннее самовозбуждение.

Кроме этого, паразитная внутренняя осцилляция помимо загрязнения радиочастотного спектра ухудшает шумовые показатели репитера и снижает его коэффициент усиления.

На экране анализатора спектра это может выглядеть как один или два спектральных всплеска на частоте приблизительно посередине между диапазонами Uplink и Downlink:



Или это может быть один широкий или узкий спектральный всплеск на частоте приблизительно посередине между диапазонами Uplink и Downlink:



Также это может быть один спектральный всплеск с нестабильной амплитудой и частотой на частоте приблизительно между диапазонами Uplink и Downlink:

Проверка системы на устойчивость к осцилляциям

Сложно однозначно сказать, какой уровень сигнала репитера является оптимальным. Тут необходимо действовать по ситуации. В самом общем случае уровень шума в канале Uplink, измеряемый на расстоянии 1-2 метра от внешней антенны при помощи измерительной 8-9 дБ антенны, должен быть равен примерно -80 дБм (при полосе пропускания анализатора спектра, подключенного к измерительной антенне, равной 500 кГц).

Если монтаж репитера осуществляется в глухом месте на большом удалении от базовых станций, то можно смело использовать репитер с высоким усилением и большой выходной мощностью; при этом даже уровень шумового сигнала, излучаемого внешней антенной репитера, равный -60…..-50 дБм, будет еще приемлемым. Однако если такой же репитер с таким же уровнем шума будет работать в плотной городской застройке, то он таким сигналом просто-напросто «засветит» одну из ближайших БС (особенно если внешняя антенна репитера будет направлена в сторону базовой станции). Оператор за вашим шумом перестанет «видеть» отдаленных абонентов и обратится в радиочастотный центр с целью поиска и устранения источника помех.

После пусконаладки необходимо взять анализатор спектра с подключенной к нему измерительной антенной и провести измерения около всех установленных внутренних и внешних антенн. Полки шумового излучения репитера должны быть относительно ровными и иметь приемлемый уровень.

Необходимо к каждой антенне поднести ладонь. Этим способом мы немного сдвигаем фазу и уровень обратного сигнала. Если осцилляции не появились – то всё хорошо.

Также можно временно подключить репитер с бОльшим коэффициентом усиления. У системы должен быть запас прочности по усилению, поэтому репитер с бОльшим усилением не должен вызвать осцилляций. Если всё хорошо, то меняем усилитель на старый.

Авторы — Дахин Максим, Сирадзе Илья.