Fachhochschule Düsseldorf. Darstellung und Messung von Modulation und TDMA-Struktur im GSM-System

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1 Fachhochschule Düsseldorf Fachbereich Elektrotechnik Darstellung und Messung von Modulation und TDMA-Struktur im GSM-System Prof. Dr. P. Pogatzki Name: Matr.-Nr.: Testat:

2 Einleitung 2 Ziel dieses Versuches ist es, einige der wesentlichen Eigenschaften der im GSM-System verwendeten GMSK-Modulation sowie TDMA-Struktur mit einem vektoriellen Signalanalysator darzustellen und dabei die verschiedenen Meßmöglichkeiten kennenzulernen. Hinsichtlich der Theorie der Modulation/TDMA-Struktur sei an dieser Stelle auf das Vorlesungsscript verwiesen. In diesem Versuch werden zwei Geräte verwendet: Signalgenerator ESGD3000A der Firma HP Der Generator erlaubt neben der Erzeugung einfacher Sinussignale und analog modulierter Träger auch die komplexer Signale wie bei GSM, DECT, etc. verwendet. Diese Signale können abweichend von den in der Praxis geltenden Frequenzbändern im Frequenzbereich bis 3GHz erzeugt werden. Die Eigenschaften dieser Signale (Frequenz, Leistung, Mobilfunkstandard, Zeitschlitz, Burst-Typ, etc.) können menügesteuert verändert werden. Signalanalysator HP89410A der Firma HP Dieser Analysator ist für den Mobilfunk ein nahezu universelles Meßgerät bis maximal 10MHz mit insgesamt 4 verschiedenen Meßmodi: Scalar Vector Analog Demodulation Digital Demodulation Arbeitet als konventioneller Spektrumanalysator ohne Bezug zur Phase des Meßsignals Arbeitet als Spektrumanalysator mit Bezug zur Phase des Meßsignals, Darstellung von I- und Q-Komponente, Wechsel zwischen Zeit- und Frequenzbereich möglich Darstellung der Eigenschaften analog modulierter Signale wie AM, FM, etc. Darstellung und Demodulation digital modulierter Signale, es wird entweder das Modulationsverfahren ausgewählt oder direkt der Mobilfunkstandard wie GSM, DECT, etc. Je nach Modus des Analysators (dieser wird mit Instrument Mode gewählt), stehen verschiedene Darstellungsformen zur Verfügung: Spektrum, Betrag und Phase des Signals, I- und Q-Komponente, Phasenfehler und Betragsfehler, Gating-Funktionen, Trellis-Diagramme, Augendiagramme, Constellation- Diagramm, Symboltabelle, etc. Einige dieser Darstellungsarten sollen im folgenden Versuch bei der Charakterisierung von GSM-Signalen verwendet werden. Der Versuch ist in verschiedene Arbeitsabschnitte eingeteilt und beginnt mit der ersten Einstellung des Generators. 2

3 3 1. Generatoreinstellung 1.1 Frequenzwahl und Frequenzeinstellung Stellen Sie am Signalgenerator die Betriebsfrequenz ein. Wählen Sie einen Wert, der eine optimale Auswertung durch den Analysator erlaubt. Welcher Wert ergibt sich? f= 1.2 Leistungseinstellung Um einen Defekt des Analysators einerseits in jedem Fall zu vermeiden und andererseits eine gute Aussteuerung zu gewährleisten, ist eine Leistungseinstellung erforderlich. Die Voreinstellung liefert einen zu kleinen Wert. Stellen Sie daher eine Signalleistung von - 10dBm ein! 1.3 Datenformat Wechseln Sie mittels Mode in den GSM-Standard. Wählen Sie nun ein Datenformat aus, mit dem gemäß Standard fortlaufend Bursts erzeugt werden. Verwenden Sie für Ihre Entscheidung gegebenenfalls die Help-Funktion des Generators. 1.4 Datenart Standardmäßig sendet der Generator einen Normal Burst im Zeitschlitz 0. Prüfen Sie, welche Daten als Verkehrsdaten erzeugt werden! Sequenz= 1.5 Aktivierung Aktivieren Sie nun die Erzeugung des GSM-Bursts mittels GSM-on. Verbinden Sie den Generator mit dem Analysator (welcher Eingang?) und schalten Sie am Generator die RF ein! 3

4 4 2. Erste Messungen am HP Spektrum des Normal Burst Wie bereits erwähnt, kennt der HP89410 vier verschiedene Modi. Nach dem Starten des Gerätes geht dieses in den vektoriellen Modus. Die verschiedenen Modi werden mittels Instrument Mode ausgewählt. Die Einstellung erfolgt mittels Soft-Keys am Bildschirm des Meßgerätes. Weitere wichtige Funktionen des Gerätes werden im gleichen Tastenfeld Measurement mittels Frequency, Time, und Trigger sowie ResBW ausgewählt. Obwohl nun ein GSM-Signal am Eingang des Analysators anliegt, erscheint lediglich ein Rauschsignal. Überlegen Sie, woran dieses liegen könnte, wenn der Analysator als vektorieller Spektrumanalysator arbeitet und ein TDMA-Signal gemessen werden soll. Bedenken Sie dabei, daß der Analysator ein Meßgerät ist, bei dem nahezu alle Funktionen mittels digitaler Signalverarbeitung realisiert sind. Antwort= 2.2 Triggerung und Darstellung Führen Sie gemäß der obigen Überlegungen die entsprechenden Maßnahmen durch. Wählen Sie einen externen Trigger mit einem Level von 2 V. Geben Sie das gemessene Spektrum auf dem Drucker aus und vergleichen Sie das Ergebnis mit der Theorie aus der Vorlesung! 2.3 Zeit-Frequenz-Bezug Wechseln Sie mittels Measurement Data in den Zeitbereich! Was sehen Sie, wenn Sie Channel 1 anwählen und das Ergebnis logarithmisch darstellen? Vergleichen Sie die Einteilung der Zeitachse am Bildschirm mit der TDMA-Struktur von GSM. Welche Erklärung können Sie nun für das gemessene Spektrum geben? Versuchen Sie, das Problem zu beheben! 4

5 5 2.4 Speicherbelegung Drücken Preset auf dem HP89410 um das Gerät in den Ausgangszustand zu versetzen. Wechseln Sie nun in das Menü System Utility -> Memory Usage -> Configure Measurement Memory. Erhöhen Sie die Zahl der Frequenzpunkte auf 3201! 2.5 Frequenzpunkte Ändern Sie die Auflösung des Gerätes mittels ResBW im Bedienfeld Measurement. Ändern Sie nun die Zahl der Frequnzpunkte auf den zuvor erhöhten Maximalwert von Wiederholen Sie die Triggereinstellungen. 3. Messungen im Vektor-Modus 3.1 Einstellen des Span Betrachten Sie nun das gemessene Spektrum. Ist die Einteilung der Frequenzachse (Span) für ein einzelnes GSM-Signal sinnvoll? Betrachten Sie das Signal im Zeitbereich. Welcher Wert für die Zeitachse ergibt sich nun? Span= Zeitbereich= Verwenden Sie einen sinnvolleren Wert für den Span. Welche Auswirkung hat dieses auf die zeitliche Darstellung? Antwort= 3.2 Zeit-Frequenz-Bezug auflösen Lösen Sie im Menü Time die feste Verbindung Time Resolution - Span und versuchen Sie nun im Zeitbereich einen kompletten Burst darzustellen. Plotten Sie das Ergebnis! 5

6 Grid-Modus Wechseln Sie mittels Display in den 2-Grid-Modus und stellen Sie Spektrum sowie Zeitverlauf (logarithmisch) gleichzeitig dar. Kontrollieren Sie die Einstellung für den Span! Aktivieren Sie die Average -Funktion und plotten Sie das Ergebnis. 3.4 Interferenzleistung Bestimmen Sie die Interferenzleistung für den Nachbarkanal bezogen auf die Trägerleistung. Verwenden Sie dazu die Markerfunktionen des Analysators. Welcher Wert in dbc ergibt sich? I= 4. Messungen im Modus Digital Demodulation 4.1 Demodulation Setup Stellen Sie Single Grid ein und wählen Sie den GSM-Standard unter Demodulation Setup aus. Betreiben Sie nun wieder nur einen Normal Burst im Zeitschlitz 0. Wählen Sie als zu messende Größe IQ measured time aus und stellen Sie diese vektoriell dar! Erklären Sie das Meßergebnis und drucken Sie es aus! Wechseln Sie in den Modus Constellation. Was ist zu beobachten, wenn Sie BT am Generator mittels Modify Standard auf 0,2 verringern? Was geschieht, wenn Sie BT größer als 0,3 wählen? 4.2 Augendiagramm Um obige Erklärungen zu überprüfen, wechseln Sie in den Modus Augendiagramm und vergrößern Sie die Darstellungszeit auf 8 Symbole. Was ergibt sich für verschiedene Werte von BT für die ISI? Antwort= Drucken Sie das Meßergebnis ebenfalls aus. 6

7 7 4.3 Trellis Stellen Sie am Generator wieder den GSM-Standard her und erzeugen Sie als Daten Welches Trellis-Diagramm ergibt sich? Was ändert sich, wenn statt dessen gesendet wird? Erklärung= Ändern Sie nun wider die Einstellungen am Generator mittels Modify Standard auf Phase Polarity=invert und Diff. Encode=on. Überprüfen Sie Ihre Erklärung. 4.4 Table /Error Summary Statt des Augendiagramms stellen Sie nun Table/Error Summary ein? Überprüfen Sie die digitale Demodulation anhand verschiedener Einstellungen am Generator (z. B. nur 0, etc.). Ermitteln Sie die Position des Stealing Bit und überprüfen Sie Ihre Annahme! 7