Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

מערכת מדידה להפצת גלים רציפים - בדיקה, אימות ומדידות

Published: June 25, 2021 doi: 10.3791/62124
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1National Telecommunications and Information Administration, Institute for Telecommunication Sciences

Summary

דוח זה מתאר את ההתקנה, האימות והאימות, ונובע ממדידות התפשטות באמצעות מערכת מדידה של ערוץ גל רציף, שנשמעת בתדר רדיו.

Abstract

צלילי ערוץ משמשים למדידת מאפייני ערוץ עבור מערכות רדיו. ישנם מספר סוגים של צלילי ערוץ המשמשים כיום: גל רציף (CW), דופק ישיר, תחום תדירות באמצעות מנתח רשת וקטורית (VNA), מבוסס מתאם, ומתאם צולב של עיכוב זמן נסחף. לכל אחד מהם יתרונות וחסרונות ייחודיים. למערכות CW יש טווח דינמי גדול יותר ממערכות אחרות עם אות שיכול להתפשט עוד יותר לתוך הסביבה. מכיוון שקצב דגימת השמע מאפשר גדלי קבצים קטנים יותר ממערכות אחרות, איסוף הנתונים יכול להיות רציף ונמשך מספר שעות. מאמר זה דן במערכת סאונד של ערוץ CW, אשר שימשה לביצוע מדידות אובדן התפשטות רבות בערים שונות בארצות הברית של אמריקה. מדידות התפשטות כאלה צריכות להיות מדויקות, ניתנות לשחזור וללא חפצים או הטיות. מאמר זה מראה כיצד להגדיר את המדידה, כיצד לאמת ולוודא שהמערכת מבצעת מדידות אמינות, ולבסוף, הוא מציג תוצאות מכמה ממסעות המדידה כגון מדידות החזרה, מדידות אובדן עומס (כאשר אובדן העומס מוגדר כהפסד העודף מאובדן שידור בחלל פנוי) ומדידות הדדיות.

Introduction

המכון למדעי הטלקומוניקציה (באנגלית: Institute for Telecommunication Sciences) היא מעבדת המחקר של מינהל הטלקומוניקציה והמידע הלאומי (NTIA), סוכנות של משרד המסחר האמריקאי. IT יש היסטוריה ארוכה של ביצוע מדויק, נחשב היטב תדר רדיו (RF) מדידות הפצה. הגידול בשיתוף הספקטרום לווה בצורך במדידות מדויקות הניתנות לשחזור המספקות הבנה טובה יותר של סביבת הרדיו ששירותים מרובים יצטרכו לשתף. בשנים האחרונות, השירותים הצבאיים מפתחים הסדרי שיתוף ספקטרום עם ספקים סלולריים מסחריים ברצועת השירותים האלחוטיים המתקדמים (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. זה יאפשר לספקים אלחוטיים מסחריים להשתמש בלהקה AWS-3 לפני phasing שירותים צבאיים מחוץ ללהקה. השימוש ברצועה יהיה מתואם הן על ידי מערכות בידוד גיאוגרפית והן על ידי מידול תרחישי הפרעה תדירות. כדי לחלוק רצועה זו של ספקטרום, מדידות התפשטות נחוצות כדי לפתח ולשפר מודלים להפצה להערכת הפרעות RF בין המערכות האלחוטיות הצבאיות והמסחריות בתוך הלהקה.

ארגון ספקטרום ההגנה (DSO) אחראי על ניהול המעבר של AWS-3 והטיל על IT ואחרים לבצע סדרה של מדידות שנשמעות בערוץ. מדידות אלה ישמשו לבניית מודלים חדשים לחישוב ההשפעה של עלווה ומבנים מעשה ידי אדם בסביבה (הידועים בשם בלגן). מודלים משופרים של התפשטות המביאים בחשבון את העומס עלולים להוביל לפחות הגבלות על משדרים מסחריים בקרבת מערכות צבאיות. מערכת CW-ערוץ-sounder הנדון במאמר זה שימשה בחמש השנים האחרונות כדי לאסוף נתוני מדידת הפצת רדיו ולחשב את ההחלשה של העומס. מערכת מדידה זו מפיקה תוצאות מדויקות, חוזרות ונשנות ובלתי משוחדות, ו- DSO עודדה את ITS לשתף את הידע המוסדי שלה - כולל שיטות המדידה הטובות ביותר למדידה ועיבוד של נתוני הפצת RF - עם הקהילה הטכנית הרחבה יותר.

שיטות המדידה הטובות ביותר דורשות הבנת מערכת מרמת הרכיב לרמת המערכת המורכבת. שיטות מדידה מומלצות אלה תועדו במזכר הטכני של NTIA TM-19-5352 שפורסם לאחרונה המתאר סדרה של שיטות עבודה מומלצות להכנה ואימות של מערכות מדידת הפצת רדיו. ITS השלים לאחרונה מאמר JoVE על כיול VNA המשמש למדידת הפסדי רכיבים ולזיהוי רכיבים פגומים עבור מערכת מדידה זו3. מאמר זה הוא המשך לתיעוד שיטות מדידה מומלצות אלה עבור הקהילה הרחבה יותר. למרות ששיטות עבודה מומלצות נדונות במאמר זה עבור סאונד של ערוץ CW, ניתן להשתמש באותן טכניקות כדי לאמת מערכות צלילי ערוץ אחרות: מערכות VNA; מערכות CW; מערכות מבוססות קורלציה ברוחב פס מלא; מערכות דופק ישירות; ומערכות מבוססות מתאם הזזה4,5,6.

מאמר זה מתאר בפירוט כיצד להגדיר מערכת מדידת סאונד ערוץ CW באמצעות מנתח אותות וקטורית (VSA), מנתח ספקטרום (SA), שני מתנדים רובידיום, מד כוח, מחולל אותות וקטוריים (VSG), ומסננים שונים מחיצות כוח למדידות בסביבת מדידה חיצונית7,8. הצד המשדר של המערכת מורכב VSG, אשר מייצר אות CW כי הוא מוגבר על ידי מגבר כוח. לאחר מכן זה מפוצל על ידי זוג כיווני כדי להסיט חלק מהאות למד הכוח, המאפשר למשתמש לפקח על פלט המערכת. שאר האות נשלח לצד המקבל של המערכת באמצעות ערוץ ההפצה. הצד המקבל מורכב ממסנן בעל מעבר נמוך כדי להפחית הפרעות והרמוניות המיוצרות על ידי מגבר הכוח. האות המסונן מפוצל במפריד כוח ומוזן ל- SA לניטור במהלך המדידה יחד עם חותמת זמן ומיקום מערכת מיקום גלובלית (GPS). החצי השני של האות נשלח ל- VSA כדי להיות downconverted לתוך נתוני quadrature בשלב (I-Q) בטווח של 1-5 kHz. קצב הדגימה נקבע על ידי טווח המכשיר9 ומונחה על ידי משמרות ספקטרום דופלר הצפויות, שהן פונקציה של מהירות הרכב. סידרת הזמן המתקבלת מועברת לאחר מכן למחשב לצורך עיבוד וניתוח נתונים.

שעוני רובידיום משמשים הן במשדר והן במקלט כדי לספק מדידות מדויקות ביותר ותדרים יציבים מאוד. שעון הרובידיום בקצה המקבל יש התאמת תדירות עדינה ליישור המדויק של תדרי השידור והקבלה. בדרך כלל, התדרים מותאמים להיות בטווח של 0.1 הרץ זה מזה לבדיקה. שעוני רובידיום חיוניים למדידות התפשטות CW ברמת דיוק גבוהה. הם מבטיחים דיוק מדויק של בסיס הזמן במהלך המדידות ומונעים נדידת תדרים של המשדר והמקלט. מאמר זה מפרט גם כיצד לאמת ולוודא שמערכת מבצעת מדידות מדויקות בסביבת מעבדה, הן עם אנטנה והן בלעדיה, לפני ביצוע מדידות בסביבה חיצונית. המערכת שימשה לסדרה נרחבת של בדיקות חיצוניות ופנימיות בתדרים הנעים בין 430 מגה-הרץ ל-5.5 ג'יגה-הרץ ולכוחות שידור רבים ושונים7,8,10.

Protocol

הערה: מערכת הצלילים של הערוצים ITS מוצגת באיור 1 ובאיור 2, והגדרת הערכת ספסל מוצגת באיור 3. עיין בנתונים אלה בעת הגדרת שעון הקול של ערוץ CW כדי להבטיח שכל הרכיבים מוגדרים כראוי. הסעיפים הבאים מסבירים כיצד לאמת ולאמת מערכת לפני ביצוע מדידות.

1. הגדרת מערכת מדידה

הערה: סעיף זה מתאר כיצד מערכת מוגדרת למדידות שדה. ראשית, יש להסביר ולמדוד את אובדן המערכת הן בצד המשדר והן בצד המקבל של המערכת בנפרד לפני הרכבת המערכת המלאה. לאחר מכן, המערכת המלאה מורכבת, ומכשירים בודדים מוגדרים, מכוילים ומסונכרנים כדי להתכונן לאימות ואימות מעבדה.

  1. מדוד את פרמטרי ה- S, באמצעות VNA2, עבור רכיבי מערכת בודדים לפני הרכבת המערכת: כבלים, מנחתים, מפצלי חשמל, מצמדים כיווניים ומסנני מעבר נמוך.
    הערה: פעולה זו תאפיין הפסדים ותזהה כבלים שבורים, או התקן מחוץ למפרט.
  2. הרכב את כבל Type N בפלט של מגבר החשמל, המצמד הכיווני, מסנן הפס וכבל Type N שיחובר לאנטנה והשתמש ב- VNA כדי למדוד את שרשרת הרכיבים.
    הערה: מדידה זו תכלול השתקפויות פנימיות שאינן נראות על-ידי מדידת רכיבים בודדים עם VNA.
  3. רשום את ערך S21 , שיהיה מספר שלילי, וישמש כהפסדי המערכת המשדרת. השתמש בערכים אלה כדי לתקן את רמת האות שהתקבלה שנידונה בסעיף התוצאות הייצוגיות.
  4. משדר כיוונון מערכת
    1. חבר את כל ההתקנים למקור מתח: ספק כוח (UPS) שאינו ניתן לניתוק או קבוצה מוגנת מפני נחשולי מתח של שקעים. ודא שכל המכשירים נמצאים במצב כבוי בעת חיבור רכיבים יחד.
    2. הרכיבו את ציוד המשדר (איור 1).
      1. חבר את פלט 10 MHz של מתנד הרובידיום ליציאת Ref IN של VSG באמצעות כבל כידון-ניל-קונסלמן (BNC). חבר יציאת RF OUT של VSG לקלט של יציאת IN המצמד הכיווני באמצעות כבל Type N. לא מוכנס מגבר חשמל עד לשלב 3.2 של פרוטוקול.
      2. חבר את יציאת ה- OUT של המצמד הכיווני למסנן המעבר המתאים ליציאת הקלט (במידת הצורך) באמצעות מחבר מסוג N נקבה לנקבה.
        הערה: מסנן bandpass משמש למזעור תדרים הרמוניים ברצועות אחרות.
  5. הרכב את כבל Type N שיחובר לאנטנה המקבלת, המסנן, הכבל בין המסנן למפצל החשמל וכבל Type N שיחובר ל- VSA; השתמש ב- VNA כדי למדוד מערכת רכיבים זו.
  6. בצע את אותה מדידה, אך באמצעות אותם רכיבים המחוברים ל- SA. רשום את ערכי S21 , שישמשו כהפסדי המערכת המקבלים בצד VSA של מפצל המתח ובצד ה- SA של מפצל המתח. השתמש בערכים אלה כדי לתקן את רמת האות שהתקבלה שנידונה בסעיף התוצאות הייצוגיות.
  7. קבלת כיוונון מערכת
    1. חבר את כל ההתקנים למקור מתח: UPS או ערכה מוגנת מפני נחשולי מתח של שקעים. ודא שכל המכשירים נמצאים במצב כבוי בעת חיבור רכיבים יחד.
    2. הרכיבו את הציוד המקבל (איור 2).
      1. חבר כבל Type N לקלט של מסנן bandpass. חבר את הפלט של מסנן bandpass לקלט של חוצץ הכוח (יציאה 1).
      2. חבר את יציאה 2 של חוצץ המתח ליציאת RF IN ב- VSA. חבר את יציאה 3 של חוצץ החשמל ליציאת RF IN ב- SA.
      3. באמצעות כבל תקע BNC לבננה, חבר את ה - Frequency Adj של מתנד הרובידיום ל - DC מתוך ספק הכוח של הזרם הישיר (DC).
      4. חבר פלט של 10 MHz של מתנד הרובידיום ליציאת Ext Ref In ב- VSA באמצעות כבל BNC. חבר פלט של 10 מגה-הרץ של מתנד הרובידיום ליציאת Ext Trig/Ref In במנתח הספקטרום.
  8. הפעל את ה- VSG וודא שהוא מוגדר ל - RF כבוי. כוח על מד הכוח. הפעל את כל המכשירים ואפשר לכלים להתחמם במשך שעה לפני ביצוע מדידות כלשהן.
  9. קבע את תצורת ה- VSA במצב VSA 89601B. במצב VSA, הגדר את התדר המרכזי לתדירות העניין של CW. לבסוף, בחר את מספר הנקודות שנלקחו עם האורך הרצוי של המדידה הכוללת בראש.
    הערה: למרות שהמערכת פועלת באמצעות CW, יש להגדיר את הטווח כך שיתפוס את כל ההזזות והדוהייה של דופלר. רוחב הפס של הרזולוציה קובע את המסנן המשמש את ה- VSA למדידת צריכת חשמל בזמן שהוא גורף את טווח התדרים, כך שבחירת רוחב פס ברזולוציה נמוכה מאפשרת מדידה מדויקת יותר. כהחלפה, רוחב פס ברזולוציה נמוכה יותר לוקח זמן רב יותר לכל נקודה.
  10. קביעת התצורה של ה- VSA עם ההגדרות הבאות: בחר מצב VSA 89601B; תדר מרכזי: פרק MHz (לדוגמה, 1770 מגה-הרץ); טווח: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3.81938 הרץ; NumPts: מקסימום (491026 pts, 409601 pts) - תלוי ב- VSA; רנג: -42 dBm; ערך קנה מידה עליון של גרף עליון: -30 dBm.
  11. ודא כי שיוך האבטחה נשלט על-ידי תוכנת בקרת מכשירים המשתמשת בפקודות סטנדרטיות הניתנות לתכנות עבור פקודות של מכשירים הניתנים לתכנות (SCPI), כך שניתן יהיה לאסוף ולשמור סריקות מתמשכות.
    1. הגדר את שיוך האבטחה כך שתדרי ההתחלה והעצירה יתאימו לתדר המרכזי של VSA. כאשר ה- RBW קובע באופן דומה את גודל המסנן המשמש את שיוך האבטחה, הגדר את ה- RBW לאותו ערך כמו הטווח של מדידת VSA.
    2. הגדר את רוחב הפס של הווידאו לערך זהה לזה של רוחב הפס של הרזולוציה ומצב הזיהוי לדגימה כדי לרשום נתונים לא מזועזעים. השאר את ההנחתה כבויה, ודא ש- SA לא יהיה עמוס יתר על המידה, ולשמור את preamp on.
    3. קביעת התצורה של שיוך האבטחה עם הפריטים הבאים עבור כל ניקוי: StartFreq: אותו תדר מרכז כמו בהגדרת VSA (לדוגמה, 1770 מגה-הרץ); StopFreq: אותו תדר מרכז כמו בהגדרת VSA (לדוגמה, 1770 מגה-הרץ); RBW (MHz): 0.003; פולקסווגן (MHz): 0.003; גלאי: מדגם; זמן סריקה: 500 אלפיות השנייה; PTS / עקבות: 461; הפעלה מראש; הנחתה: 0; הנחתה אוטומטית: כבוי.
    4. ב- SA, הקש Enter כדי לגשת לתפריטים. אפשר הפניה חיצונית על-ידי לחיצה על לחצן Shift ובחירה בלחצן מערכת במנתח הספקטרום. לאחר מכן, בחר עוד | הגדרות יציאה | | קלט של שלוחה שופט באמצעות המקשים הרכים ליד המסך.
  12. קבע את תצורת ה- VSG על-ידי בחירת פלט CW.
    1. הגדר את התדירות ל- 1770 מגה-הרץ. בצע את ההליך בסעיף 4.22 כדי לקבוע את הטווח הליניארי של מגבר ההספק.
    2. הגדר את משרעת היציאה VSG ל- -4 dBm, הגבול העליון לטווח הליניארי של מגבר הכוח.
  13. כייל את מד הכוח.
    1. חבר את ראש מד הכוח ליציאת הייחוס (ערוץ A או B) ואת הקצה השני של מד הכוח ליציאת מדידה.
    2. הגדר את תדירות מד הכוח ל- 1770 מגה-הרץ עבור יציאת הייחוס המשמשת לעיל. אפס וכייל את מד הכוח. ודא שקריאת מד המתח נשארת בטווח של 0.2 dBB של 0 dBm.
    3. נתק/י את ראש מד הכוח מיציאת הייחוס וחבר/י את ראש מד הכוח לפלט ההנחתה המוצג באיור 1.
  14. כיול ה- VSA: כלי עזר | כיול | כיול. הפעל RF על VSG.
    הערה: ודא שיש אות במנתח הספקטרום. אם רמת האות יורדת ל- -120 dBm, ההפניה החיצונית אינה מופעלת. אם האות חזק מדי, הוא יעמיס יתר על המידה על המערכת המקבלת ויפגע ב- VSA או ב- SA. שים לב לרמות אות הקלט המרביות (המוצגות בדרך כלל בחלק הקדמי של המכשיר), והישאר לפחות 10 dB מתחת לרמה זו.
  15. סנכרן את מתנדי הרובידיום על-ידי הגדרת המתח, אך אל תחרוג ממתח הכניסה המרבי המותר ביציאת הסינכרון של הרובידיום.
    1. שנה את TimeLen בגרף העליון במסך VSA ל- 100 אלפיות השנייה. הגדר את ציר ה- y בתרשים התחתון ל- I-Q.
    2. לחץ על זרם/מתח בלוח הקדמי של ספק הכוח. שנה את המתח קצת בכל פעם וצפה בנקודה במסך VSA: אם הוא מסתובב קדימה ואחורה, אל תעשה כלום, התדרים מיושרים. אם הוא מסתובב בכיוון אחד בעקביות, שנה את קריאת מד הכוח (מתח) עד שהנקודה בתרשים ה- I-Q מתחילה להאט, והיא נעה באיטיות קדימה ואחורה (תנועת מטוטלת) (איור 4).
    3. הגדר את TimeLen בגרף העליון במסך VSA בחזרה ל- 1 s, והגדר את ציר ה- y בחזרה לערך גודל יומן הרישום.
  16. קח 10 רשומות רכישה ב- SA כדי לוודא שכל הפרמטרים הוגדרו כראוי ושרמת האות במסך ה- SA תואמת לרמת האות במסך התחתון של VSA.

2. אימות ואימות מעבדה

  1. מבלי לחבר אנטנות, הכנס מנחת משתנה בין הצד המשדר של המערכת לבין הצד המקבל של המערכת (איור 5). הסר את מגבר צריכת החשמל מהגדרת המדידה עבור אימות זה.
  2. הגדר את הנחתת ההנחתה בשלבים ל- 0 dB ואת מספר הרשומות בהקלטת קלט VSA > ל- 120.
    הערה: רשומה אחת שווה לערכת TimeLen ב- VSA.
  3. הגדר את מספר הסריקות ב- SA ל- 120 רשומות. שנה את משרעת הפלט של VSG ל- 0 dBm ולחץ על לחצן RF ON ב- VSG.
  4. הגדר סמן שיא כדי למצוא את הערך של עוצמת האות, וודא שהאות נראה אות ב- VSA. הפעל את ה- VSA על-ידי לחיצה על לחצן הקלט בחלק העליון של המסך. התחל מדידת שיוך אבטחה באמצעות תוכנת בקרת המכשירים.
  5. שנה את מנחת הצעדים ל- 10 dB וחזור על שלבים 4-10. עבור דרך כל ההגדרות של ההנחתה המדורגת ורשום את הערכים עבור כל הגדרת הנחתה.
    הערה: כאשר ההנחתה מתקרבת ל- 90 עד 110 dB, האות ייעשה רועש יותר כאשר הוא מתקרב לרצפת רעש המערכת של המכשיר. ערכי המדידה ליד רצפת הרעש של המערכת יהיו משתנים מאוד.
  6. כדי לאמת את רמות האות שהתקבלו ב- VSA, חשב ממוצע חלונות של 0.5 שניות לרשומת VSA של 120 s, וממוצע כל סריקה של שיוך האבטחה. הוסף את רמת עוצמת הפלט VSG, את הצד המשדר ואת אובדן המערכת הצדדית המקבלת ואת הגדרת ההנחתה המדורגת.
    הערה: הערך של הסכום הנ"ל בשלב 2.6 צריך להיות שווה לרמות האותות הממוצעות שהתקבלו שנרשמו על-ידי ה- VSA וה- SA בתוך 0.5 dB, עבור החלקות מדורגות הנמוכות מ- 80 dB. אם הם לא, לחזור ולזכור הפסדי מערכת.

3. מדידות שדה

הערה: בדוק ואמת תמיד את המערכת לפני כל קמפיין מדידה.

  1. השלם את שלבים 1.1-1.3 לפני כל קמפיין מדידה חדש, והגדר את הצד המשדר של המערכת, כפי שנדון בסעיף 1.4.
    הערה: זה שוכן בדרך כלל בתא על גלגלים (COW), אשר נשאר קבוע במהלך מדידות.
  2. חבר את מגבר ההספק בין VSG למצמד הכיווני, כמתואר בשלב 1.4.2.1.
    1. השתמש במצמד כיווני שיכול להתמודד עם רמות ההספק הנוצרות על-ידי מגבר הכוח. הוסף מנחת של 50 dB למצמד הכיווני ביציאה המשובצת כדי להישאר בתוך רמות כוח הקלט שצוינו של מד המתח, וחבר את מד המתח ליציאה זו. חבר את כבל הפלט Type N מהמצמד הכיווני לאנטנה המשדרת.
    2. הגדר את הצד המקבל של המערכת, כפי שנדון בשלבים 1.5-1.6, בתוך רכב נייד. חבר את האנטנה המקבלת לכבל Type N המחובר למסנן.
    3. בנוסף לשלבי הגדרת SA 1.11.3-1.11.4, יש להגדיר את אנטנת ה- GPS ב- SA.
      1. הפוך את רשומת ה- GPS לזמינה: הגדרות עלבת | הפוך | רשומת GPS לזמינה ג'י-פי-אס סטנדרטי.
      2. הפוך GPS לזמין במנתח הספקטרום על-ידי החזקת לחצן Shift ובחירה בלחצן מערכת במנתח הספקטרום. לאחר מכן, בחר עוד | | ג'י-פי-אס GPS-ON & GPS Info-ON באמצעות המקשים הרכים ליד המסך.
      3. הנח את אנטנת ה- GPS על גג רכב מדידת המקלט. ודא שתוכנת המדידה קוראת גם מחרוזות NMEA מה- GPS עבור כל סריקה.
  3. המשך בהתקנה כפי שנדון בשלבים 1.11-1.17 והגדר את מספר הרשומות בקלט VSA | הקלטה בהתבסס על זמן מדידה משוער. הגדר את מספר רשומות SA למספר רשומות VSA בתוספת כ- 300 רשומות, וציין כי שיוך האבטחה סוחף לאט יותר מאשר ה- VSA.
  4. התחל את המדידה על-ידי הפעלה ראשונה של ה- VSA על-ידי לחיצה על לחצן הקלט בחלק העליון של המסך. הפעל את מדידת מנתח הספקטרום.
  5. לאחר המדידה, שמור את קובץ ההקלטה של VSA | שמור | שמור הקלטה. אפשרויות שמירה | שמור כותרות עם נתונים. בעת שמירת הקובץ, צרף _VSA לסוף הקובץ. שנה את שם קובץ הנתונים עבור מנתח הספקטרום כך שיתאים לשם הקובץ של ה- VSA, אך צרף _SA עבור מנתח הספקטרום.

Representative Results

התוצאות הבאות התקבלו במהלך אימות שדה של המערכת המוצגת. המשדר היה ממוקם על קולר מסה מאחורי מחלקת המסחר מעבדות בולדר בבולדר, קולורדו. המקלט נסע דרך בולדר, קולורדו, ברכב מדידה שתוכנן במיוחד (ראו איור 6), וננקטו מדידות מתמשכות. ה- SA מאחסן את הנתונים הנסחפים כתבנית סדר גודל של יומן רישום במבנה נתוני אירוע, בעוד שנתוני ה- GPS מאוחסנים במבנה נתוני אירוע נפרד בתוך אותו קובץ. דוגמה לנתונים לטאטוא אחד מוצגת באיור 7. הנתונים המאוחסנים מומרים לחשמל ליניארי בווטס; ממוצע מחושב עבור כל הנקודות בסריקה זו ולאחר מכן מומר בחזרה לגודל יומן הרישום. מידע ה- GPS מוקצה לערך ממוצע זה עבור הסריקה המוצגת על-ידי ה- X האדום בערך של −71.5 dBm. תהליך זה נעשה עבור כל סריקה בקובץ.

לאחר מכן, נתוני I-Q של פס הבסיס מ- VSA מעובדים כפי שמוצג במשוואה 1. העוצמה ב- dBm מחושבת עבור כל דגימת I-Q. ה- VSA אוסף נתוני שיא, אשר יש להמיר ל- dBm, במהלך שלב זה.

Equation 1(1)

במהלך המדידה, נתוני I-Q של פס הבסיס מאוחסנים בקובץ זמני. אין מידע GPS נרכש על ידי VSA. אורך הקובץ נבחר כך שמספר הרשומות המבוקשות שווה למספר השניות של זמן הכונן. לאחר סיום המדידה, הנתונים נכתבים לקובץ שהמבנה שלו מתוכנת מראש על ידי מפתחי התוכנה של VSA. הנתונים שנשמרו בקובץ זה כוללים את הפרש הזמן בין דגימות מדידה, התדירות ודגימות הנתונים המורכבות. שלב העיבוד כרוך בהחלקת הגודל של נתוני I-Q של פס הבסיס על פני חלון של 500 אלפיות השנייה עבור כל ערכת הנתונים כדי להעריך מרחק נסיעה של 40 גל. איור 8 מראה כיצד העוצמה הממוצעת המוחלקת משתווה לנתונים הגולמיים עבור חלק גדול יותר של מבחן כונן. הנתונים הגולמיים מוצגים על ידי העקבות הכחולים, והעוצמה הממוצעת המוחלקת מוצגת על ידי המעקב האדום.

ערכות הנתונים VSA ו- SA מיושרות באמצעות פיתול מעגלי. נקודת הנתונים של VSA בכל שנייה מיושרת עם דגימות ה- SA שנוצרו בכל שנייה כדי להעביר את קואורדינטות ה- GPS מה- SA לנקודות הנתונים של VSA. מודל רגרסיה ליניארית מיישר את הנתונים על-ידי מזעור השאריות בין רמות ההספק הנמדדות של שתי ערכות הנתונים. הנתונים המיושרים מוצגים על-ידי התוויית כוח ה-SA ב-dBm על ציר ה-x וכוח ה-VSA ב-dBm על ציר ה-y (איור 9). מכיוון שרצפת הרעש של מערכת SA גבוהה יותר מרצפת הרעש של מערכת VSA, הגרף יציג עקמומיות כלפי מטה בנקודות מתחת ל- -115 dBm עבור ערכות נתונים קרובות לרצפת הרעש. איור 9 ואיור 10 מציגים את היישור של עוצמת ה-VSA ואת עוצמת ה-SA לעומת הזמן שחלף בשניות. חותמת הזמן של ה- GPS מהעוצמה הממוצעת של SA מצורפת לאחר מכן לנקודת הנתונים הראשונה של סדרת נתוני ההספק המוחליקה בממוצע של VSA. ההיסט האנכי בין שתי ערכות הנתונים מסולק על-ידי תיקון עבור אובדן כבלים ממפריד הכוח ל- SA; עם זאת, מכיוון שרק נתוני VSA עם חותמת הזמן משמשים, שלב נוסף זה אינו נחוץ. נתונים אלה נשמרים לאחר מכן ומשמשים במודל Longley-Rice/שטח לא סדיר (ITM)11,12 כדי לחזות הפסדי שטח. נתוני VSA מתוקנים על-ידי הוספת הפסדי מערכת והסרת רווחי מערכת כדי להשיג אובדן שידור בסיסי מדוד (BTL) או רווח שידור בסיסי (BTG) לאורך נתיב הכונן כפי שמוצג באיור 11 ובאיור 12 ונמסר על ידי משוואה 2.

Equation 2(2)

איפה, BTL הוא אובדן השידור הבסיסי, Pt ו- Pr הם כוחות המשדרים והמקבלים ב- dBm, Gt ו- Gr הם הרווחים של אנטנות שידור וקבלה ב- dBi, בהתאמה, ו- Lt ו- Lr הם הפסדי המערכת עבור מערכת המשדר והמערכת המקבלת ב- dB, בהתאמה.

באיור 11, הכוכב הסגול הוא המיקום המשדר. הנקודות הצהובות והסגולות מייצגות את רמות האות הגבוהות והנמוכות ביותר שהתקבלו, בהתאמה. עלילה של ה-BTG הנמדד (X שחור), ה-BTG (כחול +'s), רווח העברת שטח פנוי (FSTG) (עיגולים אדומים) ורצפת רעש המערכת (נקודות ורודות) מוצגת באיור 12. כאשר ה- ITM BTG שווה ל- FSTG, אין אינטראקציות שטח, וניתן להניח שכל ההפסדים (ההבדל בין FSTG ל- MBTG) מגיעים מבניינים, עלווה או אינטראקציות אחרות עם הסביבה שמסביב. זה מוצג באיור 13, שבו הקו השחור הוא השטח שנמשך ממסד הנתונים של השטח של USGS13, הקו האדום והמנווקו הוא קו הראייה (LOS) בין האנטנה המשדרת לאנטנה המקבלת, והקווים הכחולים, המנוקדים והמנוקדים הם אזורי הפרזנל הראשונים העליונים והתחתונים14 שבהם רוב האנרגיה מותאמת לשפות אחרות.

Figure 1
איור 1: דיאגרמה של רכיבים וחיבורים משדרים. צד משדר של צליל גל רציף (CW) -ערוץ. קיצורים: RF = תדר רדיו; שופט = הפניה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: דיאגרמה של קבלת רכיבים וחיבורים. צד מקבל של צליל ערוץ גל רציף (CW). קיצורים: GPS = מערכת מיקום גלובלית; RF = תדר רדיו; Ext Ref = הפניה חיצונית; נמלת GPS = אנטנת GPS; שלוחה טריגונומטריה/ שופט = גורם מפעיל חיצוני / הפניה; TCP/IP = פרוטוקול בקרת שידור/פרוטוקול אינטרנט; Freq Adj = תדירות מותאמת; DC = זרם ישיר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: מערכת סאונד של ערוץ CW במעבדה. פריסת ספסל של המכון למדעי הטלקומוניקציה (ITS) צליל ערוץ עבור אימות המערכת ובדיקת דיוק המציגה את הרכיבים העיקריים. קיצורים: VSA = מנתח אותות וקטוריים; VSG = מחולל אותות וקטוריים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: תצוגת I-Q. התאמת תדירות באמצעות התוויית שלב וריבוע (I-Q). קיצורים: CW = גל מתמשך; TimeLen = אורך זמן; ציר I = ציר בשלבים; ציר Q = ציר מרובע. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: הגדרת מערכת אימות ואימות. הגדרת מערכת עבור מדידות אימות ואימות. קיצורים: I-Q = מרובע בשלב; RF = תדר רדיו; שופט = הפניה; GPS = מערכת מיקום גלובלית; שלוחה טריגונומטריה/ Ref = גורם מפעיל חיצוני / הפניה; TCP/IP = פרוטוקול בקרת שידור/פרוטוקול אינטרנט; פרק Adj = תדירות מותאמת; DC = זרם ישיר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: סלולארי על גלגלים (COW) ורכב מדידה. תמונה המציגה טנדר ירוק המשמש לקבלת מערכת וסלולר על גלגלים (COW) המשמשים לאחסון מערכת שידור. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: מנתח ספקטרום סורק וממוצע סריקה. סריקה בודדת ללכידת נתוני מנתח ספקטרום המורכבת מ- 461 נקודות על פני זמן סריקה של 0.5 שניות. קיצור: SA = מנתח ספקטרום. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: מנתח האותות הווקטוריים קיבל כוח וממוצע נע. נתוני סדר גודל בשלבים וברביע (I-Q) (מעקב כחול) עבור פרוסה קטנה של ריצה גדולה יותר בהשוואה לעוצמה הממוצעת (עקבות אדומים) המחושבת על-פני חלון של 0.5 שניות. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9: יישור אות VSA ו- SA. יישור כוח מנתח אותות וקטוריים וכוח מנתח ספקטרום. קיצורים: VSA = מנתח אותות וקטוריים; SA = מנתח ספקטרום. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10: VSA ו- SA קיבלו חשמל לאחר יישור אות. כוח מנתח אותות וקטוריים מיושרים וכוח מנתח ספקטרום לעומת זמן שחלף בשניות. קיצורים: VSA = מנתח אותות וקטוריים; SA = מנתח ספקטרום. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 11
איור 11: מיקום גיאוגרפי של רווח שידור בסיסי מדוד. רווח שידור בסיסי נמדד לאורך נתיב הכונן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 12
איור 12: רווח שידור בסיסי מדוד ומודל. רווח שידור בסיסי נמדד (x של כחול), מודל שטח לא סדיר (ITM) רווח שידור בסיסי (BTG) (BTG) (שחור +'s), רווח שידור שטח פנוי (עיגולים אדומים) ורצפת רעש מערכת (נקודות ורודות) לעומת זמן שחלף לאורך נתיב הכונן. קיצורים: MBTG = רווח שידור בסיסי נמדד; ITM = דגם שטח לא סדיר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 13
איור 13: פרופיל שטח ואזור פרנל ראשון. פרופיל שטח של המכון הגיאולוגי של ארצות הברית (קו שחור) לזמן שחלף 1636.2 שניות. אזור הפרזנל העליון (הראשון) (כחול, קו מקווקו) ונמוך (ראשון) אזור פרנל (כחול, קו מקווקו) משורטטים גם יחד עם קו הראייה (אדום, קו מקווקו) בין האנטנה המשדרת לבין האנטנה המקבלת. קיצורים: USGS = הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית; NED = מסד נתונים של העלאה לאומית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

חשוב מאוד לבדוק מערכת כמתואר בפרוטוקול זה לפני ניסיון לבצע מדידות בסביבה חיצונית. בדרך זו, ניתן לעקוב ולזהות רכיבים או אי-יציבות פגומים במערכת המדידה ולפתור אותם. השלבים הקריטיים בפרוטוקול זה הם 1) בדוק תחילה את הרכיבים הבודדים, וודא שהם פועלים בתוך המפרט שלהם, 2) להרכיב צדדי שידור וקבלה בנפרד ולבדוק את שרשרת הרכיבים, 3) להרכיב את הצד המשדר והמקבל על ידי החדרת מנחת מדורג ומדידת רמות האות כאשר ההנחתה משתנה כדי לוודא שרמות האות שהתקבלו ב- VSA וב- SA מחושבות כמחשבות. פתרון בעיות נוסף יכול להתבצע באמצעות VSG, כגון זה המוצג בטבלת החומרים, שיש לו אפשרות ליצור סימולציות דהייה, אשר ניתן להשתמש בהן כדי לבדוק את המערכת באמצעות צורות גל מדומות בסביבות דהייה שונות נתקל בסביבות התפשטות בעולם האמיתי. ברגע שמערכת המדידה פועלת כראוי, ניתן לבצע מדידות בסביבה חיצונית מתוך ביטחון שהמדידות יהיו מדויקות.

צעד חשוב נוסף הוא לפקח על הכוח המשדר לאורך המדידה כדי לוודא שהמערכת פועלת כראוי. מגבר הכוח מאופיין ונבדק בנפרד כדי להבין את הליניאריות שלו ואת ספקטרום הפליטה מחוץ לפס. מגבר הכוח עשוי להיות מאומת על הספסל עם שאר ההתקנה, אך יש להקפיד להפחית את עוצמת האות מתחת לקלט הכוח המדורג המרבי ל- VSA באמצעות מנחתים בעלי דירוג הולם. אין להשתמש באנטנת ה- GPS ולא בהגדרותיה לצורך אימות ואימות מעבדה. מכיוון שמסך ה- VSA אינו מסוגל לספק ניטור בזמן אמת של הסביבה, הוספת שיוך אבטחה כצג בזמן אמת מסייעת לקבוע את המצב הנוכחי של המערכת. ישנם מספר סוגים של מערכות מדידה שנשמעות ערוצים כדי ללכוד מאפייני ערוץ עבור מערכות רדיו: CW, פעימה ישירה, תחום תדר באמצעות VNA, מבוסס מתאם, מתאם חוצה עיכוב זמן נסחף.

מגבלה אחת של מערכת זו היא שאות CW הבוחן את הסביבה המקומית אינו מכיל מידע אודות תחום זמן כגון פרופילי השהיית זמן. פרופיל השהיית זמן מספק מידע על התזמון של השתקפויות המקור של האות בסביבה המקומית. עם זאת, יתרון של שימוש באות CW הוא שקל יותר לקבל הרשאה לשדר בתדר אחד ברצועות שונות באמצעות אות CW פס צר במקום לנסות לשדר אות פס רחב. מערכות CW יכולות להיות בעלות טווח דינמי גדול יותר ממערכות אחרות, והאות יכול בדרך כלל להתפשט עוד יותר בסביבה. אות CW כולל גם קצבי דגימת שמע המביאים לגדלי קבצים קטנים יותר מאשר סוגים אחרים של מערכות צלילי ערוצים. עם מערכת זו, אוספי נתונים הם רציפים ויכולים להימשך מספר שעות. ניתן להשתמש במערכת מדידת הקול של ערוץ CW הנדונה במאמר זה בתדרים שונים, בהתאם לטווח הרכיבים המורכבים השונים. ניתן להשתמש במערכת בסביבת התפשטות חיצונית או בסביבת התפשטות פנימית15.

Acknowledgments

תודה למשרד ספקטרום הביטחון (DSO) על מימון העבודה המוצגת במאמר זה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cabling Micro-Coax Various lengths
Directional Coupler Anatech Electronics, Inc. AM1650DC833
Filter 1 K&L Microwave, Inc. 8FV50-1802-T95-O/O
GPS Antenna Trimble SMA connection to SA
Instrument Control & Processing Software MATLAB Used to store and process measurement data
Power Amplifier Ophir RF 5263-003
Power Divider Mini-Circuits ZAPD-20+
Power Meter and Power Sensor Keysight E4417A/E4412A
Receiving Antenna Cobham OA2-0.3-10.0V/1505
Rubidium Frequency Standard Stanford Research Systems FS725
SA Agilent N9344C
Transmitting Antenna COMTELCO BS1710XL6
Vector Signal Generator Rohde & Schwarz SMIQ
VSA Keysight Technologies N9030A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
  2. Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., McKenna, P. M., Anderson, C. R. Best practices for radio propagation measurements. NTIA Technical Memo TM-19-535. U.S. Dept. of Commerce. , Available from: https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3211.aspx (2018).
  3. Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., Tran, S. Calibration of a Vector Network Analyzer for Measurements in Radio Frequency Propagation Channels. Journal of Visualized Experiments. (160), e60874 (2020).
  4. Quimby, J. T., et al. Channel sounder measurement verification: conducted tests. NTIA Joint Report JR-20-549. U.S. Department of Commerce. , Available from: https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3241.aspx (2020).
  5. Molisch, A. Wireless communications. 2nd edition. , J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (2010).
  6. Anderson, C. R. Design and implementation of an ultrabroadband millimeter-wavelength vector sliding correlator channel sounder and in-building multipath measurements at 2.5 & 60 GHz. Virginia Polytechnic Institute and State University. , Master's Thesis (2002).
  7. Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., Stange, I. A high-performance CW mobile channel sounder. Proceedings of the 2017 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI. , Washington, D.C. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3186.aspx (2017).
  8. Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., McFarland, M. A., Lemmon, J. A fast-fading mobile channel measurement system. Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). , Pittsburgh, PA. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2686.aspx 584-587 (2012).
  9. Vector signal analysis basics. Keysight Technologies. , Available from: https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-02891/application-notes/5990-7451.pdf?success=true (2020).
  10. Johnk, R. T., et al. A mobile propagation measurement system. Proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC. , Austin, TX. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3210.aspx (2009).
  11. Hufford, G. A., Longley, A. G., Kissick, W. A. A guide to the use of the ITS Irregular Terrain Model in the area prediction mode. NTIA Technical Report 82-100. , Available from: http://www.its.bldrdoc.gov/publications/2091.aspx (1982).
  12. Drocella, E., et al. 3.5 GHz Exclusion zone analysis and methodology. NTIA Technical Report 15-517. , Available from: https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2805.aspx (2015).
  13. The national map. United States Geological Survey. , Available from: https://viewer.nationalmap.gov/basic (2017).
  14. Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Propagation by diffraction. Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).
  15. Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , M.S. Thesis (2015).

Tags

הנדסה בעיה 172 גל רציף מדידות הפצת רדיו בדיקה אימות אימות מערכת
מערכת מדידה להפצת גלים רציפים - בדיקה, אימות ומדידות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T.,… More

Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., Tran, S., Chang, M. Continuous-Wave Propagation Channel-Sounding Measurement System - Testing, Verification, and Measurements. J. Vis. Exp. (172), e62124, doi:10.3791/62124 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter