Aspen Electronics

  • Home
  • About
  • Service Department
  • Suppliers
    • Components
    • Test & Measurement
    • Catalogues - Aspen
    • Catalogues - Suppliers
  • Products
    • Product Groups
    • A-Z of Test Equipment
    • A-Z of Components
    • NQIT
  • NEWS
    • Aspen News
    • Press Releases
  • FAQ
  • Buy Online
    • APC Test
    • Keysight Technologies
  • Contact
  • Home
  • About
  • Service Department
  • Suppliers
    • Components
    • Test & Measurement
    • Catalogues - Aspen
    • Catalogues - Suppliers
  • Products
    • Product Groups
    • A-Z of Test Equipment
    • A-Z of Components
    • NQIT
  • NEWS
    • Aspen News
    • Press Releases
  • FAQ
  • Buy Online
    • APC Test
    • Keysight Technologies
  • Contact

Managing Complex Land Mobile Radio Systems...

23/10/2018

 
 Anyone  responsible  for  a  multiple-site,  multiple-channel  land  mobile  radio  communications  system  knows  that  management  of  even  just  a  single  site  can  often  be  a  complex  task.    Failures  or  degradation in  performance  are  often initially  reported  by  end  users,  but multiple  trips  to  the  site  may  be  necessary  to  fully  diagnose  and  correct  the  issue.    For  sites  that  are  located  in  remote  areas  with  low  accessibility,  a  small  failure  can  become  a  major  hassle,  requiring  an  extensive  time  and  monetary  investment.
Picture
Picture
Fortunately,  Bird  has  developed  the  Model  3141  Channel  Power  Monitor  system  specifically  to  address  the  complexity  of land  mobile  radio  system management.    The  Bird  CPM  system  integrates high-quality,  yet  inexpensive,  power  monitoring  equipment  into  a  single  reporting  system  capable  of  providing  feedback  through  the  internet  via  integrated  web  software  or  SNMP  messages.    This  system  enables  a  single  manager  to  measure  and  track  the  performance  of  their  LMR  sites  over  time,  without  ever  leaving  the  comfort of  their  desk.    With  thoughtful placement  of  integrated  sensors,  a  manager  can  even  diagnose  most  aspects  of  a  full  radio  and  combiner  system  without  ever  visiting  the site,  ensuring  that  one  has  everything  needed  to  correct  the  issue  on  the  very  first  trip.
Components  of  a  CPM  Integrated  Combiner  System

The  power  and  versatility  of  the  Bird  Model  3141  Channel  Power  Monitor  system  comes  from  the  great  breadth  of  information  that  can  be  gathered  and  consolidated  from  the  output  of  multiple  low-cost sensors.    By  placing  sensors  in  specific  points  within  a  combined  multiple  channel  land  mobile  system,  one  can  diagnose  the  radios  to  the  output  antenna  and  all  points  in  between.

​A  typical land  mobile  radio  system  with  a  Bird  T-Pass  Combiner  system  is  shown  in  Figure  1.    Figure  1 is  similar  to  those  shown  in  the  CPM  manual,with  finer  details  of  the  T-Pass  Combiner system  included  in  the  diagram.The  individual  components  are  described  in  more  detail  below.
Picture
Component  A  of  Figure  1  shows  the  CPM  system.    The  CPM  is  itself  a  monitoring  and  reportingsystem;  it  collects  data  from  its  attached  sensors  via  a  data  cable  and  then  logs  and  reports  that  aggregated  data  via  its  front  panel,  web  interface,  SNMP  traps,  or  alarm  contacts.    This  is  the  primary interface  that  a  user  interacts  with  to  observe  the  status  of the  overall  system.    The  specific  setup  and  operation  of  the  CPM  is  covered  in  extensive  detail  in  the  Installation  and  Operation  Manual  for  the  Model  3141  Channel  Power  Monitor,  manual  number  7-9587. 

The  CPM  reads  system  status  information  directly  from  sensors  installed  in  the  system.   Currently  two  such  sensors  are  supported  by  the  CPM  system,  the  Model  4044  Non-Directional  Power  Sensor  and  the  Model  4043 Directional  Power  Sensor.    Additional  sensor  types  are  being  developed  for  specific  power  measurement  applications.

Component  B  in  Figure  1 shows  the  recommended  position  of  the  Model  4044  Non-Directional  Power  Sensor.    The  4044  is  a  small,  low-cost  sensor  that  provides  a  power  measurement  regardless  of  which  port  the  power  is  being  injected.  Since  it  is  a  non-directional  sensor,  it  can  only  provide  a  general  forward  power  measurement,  and  does  not  provide  reverse  power  or  VSWR  reading.

The  accuracy  of  the  4044  forward  power  measurement  is  dependent  on its being  well  matched  to  its  system.    In  other  words,it  requires  a  high return  loss,  and  thus  a  low  ratio  of  power  being  reflected  back  at  the  sensor.    For  this  reason,  the  4044  power  sensor  is  usually  installed  before  the combiner  isolator  (Component  E  on  Figure  1),  and  will  only  allow  power  to  flow  toward  the  antenna  and  not  back  toward  the  transmitter.    When  the  4044  is  installed  in  this  position,  the  isolator  provides  a  highreturn  loss  for  the  sensor,  while  isolating  the  4044  from  the  other  transmitters  on  the  combiner  system.   

This  configuration  results  in  the  power  reading  from  the  4044  being  a  highly  accurate  representation  of  the  power  being  produced  by  the  transmitter  itself.It  does  not,  however,  provide  a  measurement  of  how  much  power  may  be  reflected  back  toward  the  transmitter.    As the  4044  is  an inexpensive  sensor,  it  is recommended  that  one  be  installed  for  each  transmitter in  the  system.    This  allows  a  user to  quickly  verify  whether  a  particular  transmitter  is  producing  the  expected  power  output.

Component  C  in  Figure  2 shows  the  recommended  position  within  the  overall  system  of  the  Model  4043 Directional  Power  Sensor.    The  4043 is  a  more  advanced cousin  of  the  4044  sensor.  It  is  directional  in  nature  and  can  differentiate  between  powers detected on  each  port  of  the  sensor.    It  can provide  a forward  power  reading,  reverse  power  reading, and  VSWR  reading.    Unlike  the  4044 sensor,  the  4043 sensor  is  accurate  regardless  of  the  matching  of  the  network  and  can  provide  accurate  readings  even  if  there  is  a  complete  break  in  the  transmitter  path. This  makes  the  4043 ideal  for  characterizing  the  antenna  and  feedline  path  regardless  of  path  quality.

Because  the  4043 is more  powerful  than  the  4044  it  is  generally  installed to  characterize  the  combined  antenna  path  of  the  system.    In  this  position  it  can  analyze  the  quality  of  the  antenna  path  via  its VSWR  measurement.    It  can  also  provide  a  forward  power  measurement  for  comparison  against the  transmitter-specific  4044  sensors,  as  a  means  of  characterizing  overall combiner  performance. 

The  rest  of  the  components  on  the  diagram  make  up  the  overall  combiner/radio  system  into  which  the  CPM  system  integrates.    Component  D  represents  the  actual  radio  transmitters  that  will  ultimately  be  combined  into  a  single  transmitter  antenna  network.  

Component  E  in  Figure  1 is  the  previously  mentioned dual  isolator,  a  standard  and  necessary  component  of  a combiner  system.    The  dual  isolator  is  used  to  create  an  RF  diode  which  only  allows  RF  energy  to  flow  out  toward  the  antenna  system  and  not  toward  the  transmitter.    The  isolator  provides  for  directionality  in  the  system  and  diverts  any  RF  power  reflecting  back  from  the  combiner  to  a  load,  instead  of  back  to  the  transmitter.By  creating  directionality  in  the  system,  it  protects  the  radio  transmitters  from  a  high  reflected  power,  either  due  to  a  poor  match  on  the  antenna  system,  or  a  poor  match  due  to  tuning  issues  in the  combiner.    It  also  provides  additional  transmitter  to  transmitter 44139 isolation,  effectively  preventing  transmit  energy  from  feeding  through  one  port  of  the  combiner  and  back  out  an  adjacent  port.    In  doing  this,  the  isolator  serves  a  secondary  purpose  of  ensuring  that  the  only  RF  energy  for  a  particular  transmitter  reaches  a  particular 4044  sensor,  ensuring  accuracy  of  the  4044  sensor’s  measurement.

Component  F of  Figure  1  shows  the  cavities  that  make  up  a  standard  T-Pass  combiner  system.    The  cavities  provide  TX  to  TX  isolation,  clean  up  noise  in  the  transmitter  signals,  and  ultimately  combine  the  transmitter  signals  onto  a  single  line.    Note  that  the  T-Pass  configuration  shown  is  the  most  basic  T-Pass  setup:  one  cavity  per  transmitter.    In  an  actual  T-Pass  combiner  deployment,  there  may  be  multiple  cavities  per  channel,  each  cavity  adding  additional  filtering  to  the  system  to  clean  up  the  noise  response  of  the  transmitter.

Finally,  Component  Gin  Figure  1  shows  the  antenna  and  feedline  of  the  combined  radio  system.    The  4043 sensor  is  positioned  so  that  it  provides  VSWR  measurements  for  the  antenna  and  feedline  quality.

Analyzing  CPM  Measurements

The  Bird  Model  3141  Channel  Power  Monitor  system  is  designed  to  keep  a  constant  eye  on  the  status  of  a  land  mobile  radio  system.    To  this  end,  a  user  can  observe  system  power  measurements  in  real  time,  review  power  measurements  from  a  rolling  log  database,  or  even  configure the  CPM  to  report  alarm  conditions  as  they  occur.    In  most  cases,  the  user  will  not  interact  with  the  CPM  on  a  regular  basis,  only  looking  more  deeply  into  recorded  CPM  data  in  response  to  a  generated  alarm  condition.To  this  end,  the  position  of  the  various  4044  and  4043 sensors  within  the  system  allow  for  quick  diagnosis  of  certain  components  of  the  system,  while  diagnosis  of  other  components  may  require  a  little  more  data  analysis  on  the  part  of  the  user.
​Transmitter  Power  Output

In  the  standard  combiner  system  setup,  there  is  a  4044  sensor  installed  on  the  output  of  each  transmitter.    This  4044  sensor  can  be  used  to verify  that  the  power  being  produced  by  a  particular  transmitter  is  in  fact  the  full  expected  power  of  the  transmitter.    If  the  expected  power  is  not  seen in  this  reading,  this  can  indicate  a  failure  condition  within  the  transmitter  itself,  thus  indicating  to  a  deployed  field  tech  that  a  replacement  or  repair  of  the  transmitter  may  be  appropriate.    Figure  2  shows  an  example  of  transmitter  energy  flowing  through  a  system,  and  the  point  at  which  the  forward  power  should  be  read.The  measurement  provided  by  the  4044  verifies  that  the  transmitted  power  is  at  the  expected  level.    A  measured  power  level  below  the  expected  may  indicate  a  failure  condition  within  the  transmitter.    A  deployed  field  tech  could  then  use  this  information  to  determine  if  a  replacement  or  repair  is  appropriate.
Picture
To  analyze  the  status  of  a  particular  transmitter  check  the measurement  from the  4044  sensor  when  the  transmitter  is  keyed.    If  the  transmitter  is  part  of  a  repeater,  this  could  be  as  simple  as  keying  up  a  handheld  radio  for  that  particular  channel  and  verifying  that  the  CPM  display  shows  the  output  power  expected from  the  transmitter  into  the  combiner.

Because  this  is  a  simple  measurement  and  does  not  require  any  advanced  analysis,  an  alarm  can  easily  be  set  up  to  detect  a  transmitter  failure  condition.    Specifically,  the  3141  provides  a  minimum  forward  power  alarm.    A  threshold  for  minimum power  can  be  set  to  slightly  lower  than  the  expected  power  level  and  then  alarm  when  the  transmitter  may  be  failing.Reference  the  Installation  and  Operation  Manual  for  the  Model  3141  Channel  Power  Monitor,  manual  number  7-9587  for  more  details.

Furthermore,  one can  use  the  data  exporting  feature  of  the  CPM  interface  to  export  all  sensor  readings  on  a  minute  by  minute  basis  into  a  comma  delimited  file.    This  can  then  be  imported  into  a  spreadsheet  program  such  as  Microsoft  Excelandgraphed,  showing  the  progression  of  the transmitter failure  over  time.

Antenna  and  Feedline  Performance 

Another  component  of  a  combiner  system  that  is  fairly  simple  to  analyze  and  flag  via  generated  alarms  is  the  quality  of  the  combined  transmitter  feedline  and  antenna.    Since  the 4043 sensor  can differentiate  between  power  detected  on  each  of  its  ports,  it  can accurately  calculate  a  VSWR  measurement,  indicating  whether  the  antenna  system  and  the  combiner  system  are  well  matched.    If  the  VSWR  becomes  particularly  high,  this  can  indicate  a  break  in  the  feedline,  failure  of  the  antenna,  or  even  declining  quality  of  either  component.    Because  this  is  a  fairly  simple  measurement  with  a  direct  correlation  to  the  quality  of  the  antenna  and  feedline,  alarm  conditions  can  easily  be  set  and  data  over  time  analyzed  using  the  same  techniques  described  in  the  previous  section. See  Figure  3  for  details  on  the  flow  of  energy  through  the  system  and  the  sensor  point  for  collecting  feedline  and  antenna  VSWR  data.
Picture
One  point  to  note  regarding  the  4043 sensor:    the  4043 is  a  composite  power  sensor.    This  means  that  it  does  not  measure  power  by  individual  frequency  channel,  but  measures  all  power  present  on  the  line.So  while  during  normal  operation  the  VSWR  measurement  should  stay  fairly  consistent,  it  is  possible  to  see  much  greater  variation  in  forward  and  reflected power  readings  as  varying  numbers  of  transmitters  in  the  system  turn  on  and  off.    As  a  result,  it may  be  quite  difficult  to  apply  a  meaningful  alarm  based  on  the  4043 sensor  forward  power reading.    The  forward  power  reading  from  a  4043 can,  however, prove  very  useful  as  a  point  of  comparison  with  the  readings  from  the  transmitter  specific  4044  sensors,  as  outlined  in  the  next  section.

Combiner  Performance  - Cavity  Tuning  and  Drift

Bird  T-Pass  Cavity  Combiners  are  designed  to  combine  transmitter  signals  with  minimal  insertion  loss  and  high  degree  of  adjacent  channel  isolation  while  maintaining  the  highest  quality  of  transmitter  noise  suppression.    T-Pass  combiners  are  comprised  of  multiple  frequency-tuned  temperature-compensated  cavity  filters, which  are  inherently  low  loss  and  can  handle  high  power  without  drifting  in  frequency.    Inherently  robust,  many  T-Pass  systems  are  still  deployed  and  active  even  after  thirty  years  of  operation.    As  failures  in  T-Pass  cavity  combiners  are  extremely  rare,  usually  only  seen  in  cavities  that  have  been  retuned  year  after  year  to  accommodate  changing  sites,  it’s  very  unlikely  that  a  cavity  would  need  to  be replaced  on  a  site.   

A  typical  challenge  presented  to  the  field  technician  when  on  a  service  call  to  the  site,  is  to  determine  whether  or  not  the  combining  system  is  performing  as  expected  or  if  there  is  another  cause  for  a  RF  power  problem  at  the  site.    The  CPM  can  be  a  very  valuable  troubleshooting  tool  to  the  service  technician  while  on  site,  or  even  better  yet,  before  traveling  to  a  distant  site.  By  comparing  data  between  the  4044  and  4043 sensors,  it  is  possible  to  eliminate  the  cavity  combiner  entirely  as  a  source of  issues  if  detuning  or  cavity  drifting  is  suspected.

Problems  with  a  T-Pass  combiner  can  be  identified  and  characterized  by  comparing  the  power  measurement  from  a  particular  transmitter’s  associated  4044  sensor  with  the  forward  power  measurement  reading  on  the  4043 sensor  at  the  antenna  port  of  the  combiner.If  a  4044  sensor  is  showing  that  the  full  expected  power  is  being  emitted  by  the  transmitter,  but  the  forward  power  of  the  4043 sensor  is  showing  a  lower  than  expected  power  reaching  the  antenna  port,  then  there  may  be  something  in  the  transmitters  T-Pass  combiner  leg  attenuating  the  signal.    This  can  be  determined  by  making  sure  only  the  transmitter  of  interest  is  keyed  and  then  observing  the  power  for  that  single  channel  as  read  by  the  4043 sensor  at  the  output  of  the  combiner.    The  observed  RF  power  loss  per  channel  can  be  compared  to  previously  recorded  data.  See  Figure  4  for  an  example  of  the  transmit  path  and  which  data  points  are  compared  to  characterize  combiner  performance.

One  of  the  tremendous  benefits provided  by  the  CPM  is  remote  webpage  access  to  observe  these  measurements.  The  field  service  person  can  be  remotely  located  while  observing  the  webpage  data,  and  then  key-up  individual  channels  of  interest  using  a  handheld  radio  and  make  an  instant  determination  of  whether  or  not  the  combiner  is  performing  as  expected  by  observation  of  the  power  measurements  shown  on  the  CPM  webpage.    This  can  help  the  technician  be  better  prepared  with  information  and equipment  prior  to  heading  out  to  a  site  or  avoid  unnecessary  trips  to  the  location  all  together
Picture
To  perform  this  comparison,  one  first  would  want  to  export  the  continuous  data  collected  by  the  CPM  into  a  comma-delimited  file,  for  further  processing  in  spreadsheet  software  like  Microsoft  Excel.    Once  the  data  is  available  in  Excel,  it  should  be  filtered  such  that  the  only  entries  analyzed  are  those  where  the  particular  transmitter’s  4044  sensor  is  showing  power,  with no  other  4044  sensors  showing an  active  transmitter.    If  more  than  one  4044  sensor  shows  that  a  transmitter  is  active,  then  the  forward  power  reading  on  4043 would  be  a  composite  of  the  multiple transmitters’ power,  and  provide  a  misleading  point  of  comparison.    When  only  records  showing  just the  transmitter  of  interest  being  active  are  visible, then  a  user  can  subtract  the  expected  loss  of  the  combiner  (usually  provided  as  dBs  on  a  supplied  combiner  diagram)  from  the  forward  power  reading  of  the  4044  sensor and  compare  the  result  to  the  forward  power  of  the  4043 sensor.    For  example, if  a  particular  4044  sensor  shows  100W  going  through the  channel  and the  combiner leg has  3.0  dB  of  loss  (indicating  half  of  the  power  is  lost  through  the  combiner),  one  would  expect  to  see  roughly  50W  of  forward  power  being  detected  by  the  4043 sensor.    If  there  is  significantly  less  power  detected  by  the  4043 sensor,  it  is  possible  that  a  failure  or  detuning  in  the  combiner  leg  is  contributing  to  the  additional loss.

Once  the  CPM  data  is  imported  into  a  spreadsheet  program  and  records  where  more  than  one  channel  active  at  a  time  is hidden  from  the  data  set,  a  user  can  effectively  track  any  increases  in  channel  loss  over  time.    This  is  done  by  creating  a  new  column in  the  spreadsheet  with  the  dB  difference  between  the  4044  forward  power  and  the  4043 power.    Any  changes  in  loss,  and  by  association drift  in  a cavities  tuned  frequency,  could  be  attributed  to  heating  issues  within  the  radio  shelter,  or  with failure  of  the cavities temperature  compensation  mechanism.

Combiner  Performance  – Isolator  Performance

While  the  cavities  in  Bird  T-Pass  Combiners  are  inherently  robust,  the  isolators  that  further  protect  transmitters  from  high  power  can  be more  susceptible  to  failure.    Under  normal  operation  an  isolator’s  primary  function is  to  provide  additional  transmitter  to  transmitter  isolation,  preventing  multiple  high  power  signals  from  mixing  within transmitter  amplifiers.    Additionally,  the  isolator  protects  high  reflected  energy  from  feeding  back  into  a  transmitter,  as  might  occur  in  a  failed  antenna  or  transmission  line.    If  an  isolator  receives  more  power  than  it  is  rated  to  handle,  either  from  high  reflected  power  or  high  power  transmitters  on  site,  it  may  fail.

Luckily  this  can  easily  be  detected  through  further  analysis  of  CPM  measurements.    An  isolator  can  fail  in  a  variety  of  ways,  depending  on  its  construction.    If  an  isolator  fails  closed,  that  is  the  isolator  is  adding  additional  attenuation  to  the  T-Pass  leg,  it  is  possible  to  detect  this  using  the  same  technique  as  discussed  in  the  previous  section.

However,  many  times  an  isolator  will  continue  to  pass  a  signal  in  the  forward  direction,  but  not  provide the  same  level  of  reverse  flow  protection.    In  this  case,  any  power  that  is  directed  back  toward  the  isolator  passes  uninhibited  to  the  transmitter,  rather  than  being restricted  as in  normal  operation.    Such  an  error  condition  can  be  easily  detected  by  comparing  the  power  levels  detected  by  adjacent  transmitter’s 4044  sensors.    If  one  transmitter  is  keyed  up  and  a  second  transmitter’s  associated  4044 sensor shows  a  significant  bump  in  detected  energy,  despite  the  second  transmitter  not  being  keyed,  this  may  indicate  a  failed  isolator  on  the  second  transmitter’s  T-Pass  leg.    This  is  because  the  cavities  in  a  combiner  system  usually  only  provide  a  minimal  amount  of  TX  to  TX  isolation,  as  low  as  7  dB  depending  on  TX  frequency  spacing,  with  the  bulk  of  TX  to  TX  isolation,  50  to  60  dB,  being  provided  by the  isolator.    Any  energy  making  it  back  through  the  failed  isolator  would  only  by  moderately  attenuated  and  still  be  detectable  by  a  4044  sensor.    See  Figure  5  for  an  example  of  the  transmit  energy  path  through  a  failed  isolator  and  the  data  points  of  interest.
Picture
High  Performance  for  Minimal  Cost  and  Effort

Bird  developed  the  Model  3141  Channel  Power  Monitor  system  to  address  the  increasing  complexity  of  the  land  mobile  radio  system  management  task.    A  low  cost,  and  highly  scalable  solution,  the  CPM  is  an  excellent  complement  to  any  of  Bird  highly  dependable  T-Pass  combiner  systems. Though  programmable  alarm  reporting,  advanced  data  logging,  and  at-a-glance  diagnostics,  Bird  provides  a  system  that  enables  a  manager  to  guarantee  smooth  operation  of  any  size  public  safety  network.

Comments are closed.
© 2019 Aspen Electronics Ltd,
an APC Technology Group plc Company

​About Us  |  Privacy Policy  |  Contact Us