Summary
Den här rapporten beskriver installationen, valideringen och verifieringen och resultatet av spridningsmätningar med hjälp av ett mätsystem för kontinuerlig våg, radiofrekvenskanalljudande.
Abstract
Kanalljudare används för att mäta kanalegenskaper för radiosystem. Det finns flera typer av kanalljudare som används idag: kontinuerlig våg (CW), direktpuls, frekvensdomän med hjälp av en vektornätverksanalysator (VNA), korrelationsbaserad och svept tidsfördröjning korskorretelator. Var och en av dessa har unika fördelar och nackdelar. CW-system har ett större dynamiskt omfång än andra system med en signal som kan spridas vidare till miljön. Eftersom ljud samplings frekvensen tillåter mindre fil storlekar än andra system kan datainsamlingen vara kontinuerlig och pågå i flera timmar. Denna artikel diskuterar ett CW-kanaliserar soundersystem, som har använts för att göra talrika förökningsförlustmätningar i olika städer i Förenta staterna. Sådana förökningsmätningar bör vara exakta, reproducerbara och fria från artefakter eller fördomar. Den här artikeln visar hur du ställer in mätningen, hur man validerar och verifierar att systemet gör tillförlitliga mätningar, och slutligen visar den resultat från några av mätkampanjerna som repeatability-mätningar, mätningar av skräpförlust (där skräpförlust definieras som överskottsförlust från förlust av fritt utrymme) och ömsesidighetsmätningar.
Introduction
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) är forskningslaboratoriet vid National Telecommunications and Information Administration (NTIA), en byrå vid U.S. Department of Commerce. ITS har en lång historia av att genomföra exakta, väl ansedda radiofrekvens (RF) förökningsmätningar. Ökningen av spektrumdelningen har åtföljts av behovet av exakta, reproducerbara mätningar som ger en bättre förståelse för den radiomiljö som flera tjänster måste dela. Under de senaste åren har de militära tjänsterna utvecklat spektrumdelningsarrangemang med kommersiella trådlösa operatörer i Advanced Wireless Services (AWS)-3 band (1755-1780 MHz)1. Detta kommer att göra det möjligt för kommersiella trådlösa operatörer att använda AWS-3-bandet innan de fasar ut militära tjänster ur bandet. Användningen av bandet kommer att samordnas både genom att isolera system geografiskt och genom modellering av frekvensstörningsscenarier. För att dela detta spektrumband är förökningsmätningar nödvändiga för att utveckla och förbättra förökningsmodeller för utvärdering av RF-interferens mellan de militära och kommersiella trådlösa systemen inom bandet.
Defense Spectrum Organization (DSO) ansvarar för hanteringen av AWS-3-övergången och har gett ITS och andra i uppdrag att utföra en serie kanalljudande mätningar. Dessa mätningar kommer att användas för att bygga nya modeller för beräkning av effekterna av lövverk och konstgjorda strukturer i miljön (gemensamt känd som röra). Förbättrad förökningsmodellering som står för röran kan leda till färre restriktioner för kommersiella sändare i närheten av militära system. CW-kanal-ljudsystem som diskuteras i den här artikeln har använts under de senaste fem åren för att samla in radioutbredning mätdata och beräkna röran dämpning. Detta mätsystem ger exakta, repeterbara och opartiska resultat, och DSO uppmuntrade ITS att dela med sig av sina institutionella kunskaper, inklusive bästa mätmetoder för mätning och bearbetning av RF-spridningsdata- med det bredare tekniska samfundet.
Bästa mätmetoder kräver att man förstår ett system från komponentnivå till monterad systemnivå. Dessa bästa mätmetoder har dokumenterats i det nyligen offentliggjorda NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 som beskriver en uppsättning bästa praxis för förberedelse och kontroll av radioutbredningssystem. ITS slutförde nyligen en JoVE-artikel om kalibrering av en VNA som används för att mäta komponentförluster och identifiera dåliga komponenter för detta mätsystem3. Den här artikeln är en fortsättning på att dokumentera dessa bästa mätmetoder för samhället i stort. Även om metodtips diskuteras i den här artikeln för en CW-kanalsljudare, kan samma tekniker användas för att verifiera andra kanalljudsystem: VNA-system; CW-system; Korrelationsbaserade system med full bandbredd. Direktpulssystem. och glidande korrelatorbaserade system4,5,6.
Den här artikeln beskriver i detalj hur man ställer in ett CW-kanals ljudsystem med hjälp av en vektorsignalanalysator (VSA), en spektrumanalysator (SA), två rubidiumoscillatorer, en effektmätare, en vektorsignalgenerator (VSG) och olika filter och effektdelare för mätningar i en utomhusmätningsmiljö7,8. Den sändande sidan av systemet består av VSG, som genererar en CW-signal som förstärks av en effektförstärkare. Detta delas sedan av ett riktningspar för att avleda en del av signalen till strömmätaren, vilket gör det möjligt för användaren att övervaka systemets utgång. Resten av signalen skickas till den mottagande sidan av systemet via spridningskanalen. Den mottagande sidan består av ett lågpassfilter för att minska störningar och övertoner som produceras av effektförstärkaren. Den filtrerade signalen delas i en effektavdelare och matas in i SA för övervakning under mätningen tillsammans med en tidsstämpel och GPS-plats (Global Positioning System). Den andra halvan av signalen skickas till VSA för att nedkonverteras till I-Q-data i fas (I-Q) i intervallet 1-5 kHz. Provtagningshastigheten bestäms av instrumentets spännvidd9 och styrs av de förväntade Dopplerspektrumförskjutningarna, som är en funktion av fordonets hastighet. Den resulterande tidsserien överförs sedan till en dator för efterbearbetning och dataanalys.
Rubidiumklockor används vid både sändaren och mottagaren för att ge mycket exakta mätningar och mycket stabila frekvenser. Rubidiumklockan i mottagaränden har en fin frekvensjustering för den exakta justeringen av överförings- och mottagningsfrekvenserna. Vanligtvis justeras frekvenserna till 0,1 Hz från varandra för testning. Rubidiumklockor är nödvändiga för CW-förökningsmätningar med hög noggrannhet. De säkerställer exakt tidsbasnoggrannhet under mätningarnas gång och förhindrar frekvensavdrift hos sändaren och mottagaren. Den här artikeln beskriver också hur man validerar och verifierar att ett system gör exakta mätningar i laboratoriemiljö, både med och utan antenn, innan man gör mätningar i en utomhusmiljö. Systemet har använts för en omfattande serie utomhus- och inomhustester vid frekvenser från 430 MHz till 5,5 GHz och för många olika överföringskrafter7,8,10.
Protocol
OBS: ITS-kanalljudsystemet visas i figur 1 och figur 2, och en bänkskiva utvärderingsinställning visas i figur 3. Referera till dessa siffror när du konfigurerar CW-kanalljudaren för att säkerställa att alla komponenter är korrekt konfigurerade. I följande avsnitt förklaras hur du verifierar och validerar ett system innan mätningar görs.
1. Installation av mätsystem
OBS: I det här avsnittet beskrivs hur ett system ställs in för fältmätningar. För det första måste systemförluster i både den sändande och den mottagande sidan av systemet redovisas och mätas separat innan hela systemet monteras. Sedan monteras hela systemet och enskilda instrument konfigureras, kalibreras och synkroniseras för att förbereda för labbverifiering och validering.
- Mät S-parametrarna med hjälp av en VNA2 för enskilda systemkomponenter innan du monterar systemet: kablar, dämpare, kraftdelare, riktningskopplingar och lågpassfilter.
OBS: Detta kommer att karakterisera förluster och identifiera trasiga kablar, eller en enhet utanför specifikationen. - Montera typ N-kabeln vid effektförstärkarens utgång, riktningskopplingen, bandpassfiltret och typ N-kabeln som ska anslutas till antennen och använd VNA för att mäta komponentkedjan.
OBS: Denna mätning kommer att omfatta interna reflektioner som inte ses genom att mäta enskilda komponenter med en VNA. - Registrera S21-värdet , som kommer att vara ett negativt tal, och kommer att användas som överföringssystemförluster. Använd dessa värden för att korrigera den mottagna signalnivån som diskuteras i avsnittet representativa resultat.
- Sända systeminställningar
- Anslut alla enheter till en strömkälla: antingen en avbrottsfri strömförsörjning (UPS) eller en överspänningsskyddad uppsättning uttag. Se till att alla instrument är avstängda när du kopplar ihop komponenter.
- Montera sändarutrustningen (figur 1).
- Anslut 10 MHz-utgången från rubidium oscillatorn till Ref IN-porten i VSG med hjälp av en Bayonet-Neill-Concelman (BNC) kabel. Anslut VSG:s RF OUT-port till ingången till riktningskopplingen IN-porten med en typ N-kabel. Ingen effektförstärkare sätts in förrän protokollsteg 3.2.
- Anslut ut-porten på riktningskopplingen till ingångsportens lämpliga bandpassfilter (om det behövs) med hjälp av en typ N-koppling mellan hona och hona.
OBS: Ett bandpassfilter används för att minimera harmoniska frekvenser i andra band.
- Montera typ N-kabeln som ska anslutas till mottagarantennen, filtret, kabeln mellan filtret och strömdelaren och typ N-kabeln som ska anslutas till VSA; använda VNA för att mäta detta system med komponenter.
- Gör samma mätning, men genom samma komponenter som är anslutna till sa. Registrera S21-värdena , som kommer att användas som mottagningssystemförluster på VSA-sidan av kraftklyven och SA-sidan av kraftklyven. Använd dessa värden för att korrigera den mottagna signalnivån som diskuteras i avsnittet representativa resultat.
- Mottagning av systeminställningar
- Anslut alla enheter till en strömkälla: antingen en UPS eller en överspänningsskyddad uppsättning uttag. Se till att alla instrument är i ett avstedat läge när du kopplar ihop komponenter.
- Montera mottagningsutrustningen (figur 2).
- Anslut en typ N-kabel till ingångsfiltret. Anslut bandpassfiltrets utgång till effektavdelarens ingång (port 1).
- Anslut port 2 på effektavdelaren till RF IN-porten på VSA. Anslut port 3 på effektavdelaren till RF IN-porten på SA.
- Använd en BNC till banankontaktsladd, anslut frekvensadjen för rubidiumoscillatorn till DC OUT från likströms (DC) strömförsörjningen.
- Anslut en 10 MHz-utgång från rubidiumoscillatorn till Ext Ref In-porten på VSA med en BNC-kabel. Anslut en 10 MHz-utgång av rubidiumoscillatorn till Ext Trig/Ref In-porten på spektrumanalysatorn.
- Slå på VSG och se till att den är inställd på RF OFF. Slå på effektmätaren. Slå på alla instrument och låt instrumenten värmas upp i en timme innan du gör några mätningar.
- Konfigurera VSA i VSA 89601B-läge. När du är i VSA-läge ställer du in mittfrekvensen på CW-frekvensen av intresse. Slutligen väljer du antalet poäng som tas med önskad längd på den övergripande mätningen i åtanke.
OBS: Även om systemet fungerar med en CW måste intervallet ställas in för att fånga eventuella Doppler-skift och blekning. Upplösningsbandbredden bestämmer filtret som används av VSA för att mäta effekt när den sveper över frekvensintervallet, så om du väljer en bandbredd med låg upplösning kan en mer exakt mätning. Som en kompromiss tar en bandbredd med lägre upplösning en större tid per punkt. - Konfigurera VSA med följande inställningar: välj VSA 89601B-läge; centrumfrekvens: Freq MHz (t.ex. 1770 MHz); spännvidd: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-beror på VSA; Rng: -42 dBm; övre diagram övre skalvärde: -30 dBm.
- Se till att säkerhets platsen styrs av instrumentkontrollprogramvara som använder programmerbara standardkommandon för SCPI-kommandon (programmerbara instrument), så att kontinuerliga svep kan samlas in och sparas.
- Ställ in sa:et så att start- och stoppfrekvenserna matchar VSA-centerfrekvensen. Eftersom RBW på samma sätt bestämmer den filterstorlek som används av sa- och asse-värde ställer du in RBW på samma värde som VSA-mätningens intervall.
- Ställ in videobandbredden till samma värde som upplösningsbandbredden och identifieringsläget för att ta prov på att spela in osparade data. Lämna dämpningen av, se till att SA inte överbelastas och håll förförstärkaren på.
- Konfigurera sa med följande för varje svep: StartFreq: Samma mittfrekvens som i VSA-installationen (t.ex. 1770 MHz); StopFreq: Samma mittfrekvens som i VSA-installationen (t.ex. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; Detektor: prov. sveptid: 500 ms; pts/spår: 461; förförstärkare PÅ; dämpning: 0; automatisk dämpning: Av.
- Tryck på Retur i sa-sidan för att komma åt menyerna. Aktivera extern referens genom att trycka på Skift-knappen och välja knappen System på spektrumanalysatorn. Välj sedan Mer | Portinställningar | Ext-ingång | Ref använder softkeys nära skärmen.
- Konfigurera VSG genom att välja en CW-utgång.
- Ställ in frekvensen på 1770 MHz. Följ proceduren i avsnitt 4.22 för att bestämma effektförstärkarens linjära räckvidd.
- Ställ in VSG-utgångsamplituden på -4 dBm, den övre gränsen till effektförstärkarens linjära räckvidd.
- Kalibrera effektmätaren.
- Anslut strömmätarhuvudet till referensporten (kanal A eller B) och den andra änden av effektmätaren till en mätport.
- Ställ in effektmätarfrekvensen på 1770 MHz för referensporten som används ovan. Nollställ och kalibrera effektmätaren. Se till att effektmätarens avläsning förblir inom 0,2 dB på 0 dBm.
- Koppla ur effektmätarhuvudet från referensporten och anslut effektmätarhuvudet till utgången av dämparen som visas i figur 1.
- Kalibrera VSA: Verktyg | Kalibrering | Kalibrering. Aktivera RF på VSG.
OBS: Se till att det finns en signal på spektrumanalysatorn. Om signalnivån sjunker till -120 dBm är den externa referensen inte på. Om signalen är för stark överbelastas mottagningssystemet och skadar antingen VSA eller SA. Var medveten om maximala ingångssignalnivåer (visas vanligtvis på instrumentets framsida) och håll dig minst 10 dB under denna nivå. - Synkronisera rubidiumoscillatorerna genom att ställa in spänningen, men överskrid inte den maximala ingångsspänningen som tillåts på rubidiumsynkroniseringsporten.
- Ändra TimeLen i det övre diagrammet på VSA-skärmen till 100 ms. Ställ in y-axeln på det nedre diagrammet på I-Q.
- Tryck på ström/spänning på strömförsörjningens frontpanel. Ändra spänningen lite i taget och titta på pricken på VSA-skärmen: om den roterar fram och tillbaka, gör ingenting, frekvenserna är justerade. Om den roterar i en riktning konsekvent, ändra effektmätarens avläsning (spänning) tills pricken på I-Q-tomten börjar sakta ner, och den rör sig långsamt fram och tillbaka (pendelrörelse) (bild 4).
- Ställ in TimeLen i det övre diagrammet på VSA-skärmen tillbaka till 1 s och ställ tillbaka y-axeln till Log Magnitude.
- Ta 10 förvärvsposter på sa-adresserna för att verifiera att alla parametrar har ställts in korrekt och att signalnivån på SA-skärmen matchar signalnivån på VSA:s nedre skärm.
2. Verifiering och validering av labb
- Utan att fästa antenner sätter du in ett variabelt dämpare mellan systemets sändande sida och systemets mottagande sida (figur 5). Ta bort effektförstärkaren från mätinställningen för den här verifieringen.
- Ställ in den stegade dämpardämpningen till 0 dB och antalet poster på VSA-indata > inspelning till 120.
OBS: En post är lika med TimeLen som anges på VSA. - Ställ in antalet svep på SA till 120 poster. Ändra utmatningsamplituden för VSG till 0 dBm och tryck på RF ON-knappen på VSG.
- Ställ in en toppmarkör för att hitta värdet på signalstyrkan och kontrollera att en signal visas på VSA. Starta VSA genom att trycka på inspelningsknappen högst upp på skärmen. Starta en SA-mätning med hjälp av instrumentkontrollprogramvaran.
- Ändra det stegade dämparen till 10 dB och upprepa steg 4-10. Gå igenom alla inställningar för det stegade dämparen och registrera värdena för varje dämpningsinställning.
OBS: När dämparen närmar sig 90 till 110 dB blir signalen bullrigare när den närmar sig instrumentets systembullergolv. Mätvärdena nära systemets bullergolv kommer att vara mycket varierande. - Om du vill verifiera VSA-mottagna signalnivåer beräknar du ett fönstergenomsnitt på 0,5 s till 120 s VSA-post och i genomsnitt varje svepning av sa-programmet. Lägg till VSG-uteffektnivån, den sändande sidan och mottagande sidosystemförlusterna och den stegade dämparinställningen.
OBS: Värdet av ovannämnda summa i steg 2.6 bör motsvara de genomsnittliga mottagna signalnivåer som registrerats av VSA och SA inom 0,5 dB, för stegade dämpningar mindre än 80 dB. Om de inte gör det, gå tillbaka och omvärdera systemförluster.
3. Fältmätningar
OBS: Testa och verifiera alltid systemet före varje mätkampanj.
- Slutför steg 1.1-1.3 före varje ny mätkampanj och ställ in systemets sändande sida, som diskuteras i avsnitt 1.4.
OBS: Detta är vanligtvis inrymt i en cellulär-på-hjul (COW), som förblir fast under mätningar. - Anslut effektförstärkaren mellan VSG och riktningskopplingen enligt beskrivningen i steg 1.4.2.1.
- Använd en riktningskoppling som kan hantera de effektnivåer som genereras av effektförstärkaren. Lägg till ett 50 dB-dämpare i riktningsfästet vid den kopplade porten för att hålla dig inom effektmätarens angivna ingångseffektnivåer och anslut strömmätaren till denna port. Anslut utgången typ N-kabeln från riktningskopplingen till sändande antenn.
- Ställ in den mottagande sidan av systemet, som diskuteras i steg 1.5-1.6, inuti ett mobilt fordon. Anslut mottagarantennen till typ N-kabeln som är ansluten till filtret.
- Förutom SA-installationen steg 1.11.3-1.11.4 måste GPS-antennen ställas in i SA.
- Aktivera GPS-posten: Meas Settings | Aktivera GPS-| Standard GPS.
- Aktivera GPS på spektrumanalysatorn genom att hålla ned Skift-knappen och välja systemknappen på spektrumanalysatorn. Välj sedan Mer | GPS-| GPS-ON & GPS Info-ON med softkeys nära skärmen.
- Placera GPS-antennen på taket på mottagarens mätfordon. Se till att mätprogramvaran också läser i NMEA-strängar från GPS:en för varje svep.
- Fortsätt installationen enligt vad som beskrivs i steg 1.11-1.17 och ange antalet poster på VSA-indata | Inspelning baserad på beräknad mättid. Ange antalet SA-poster till antalet VSA-poster plus cirka 300 poster och notera att sa-programmet sveper långsammare än VSA.
- Börja mätningen genom att först starta VSA genom att trycka på inspelningsknappen högst upp på skärmen. Initiera mätningen av spektrumanalysatorn.
- Efter mätningen sparar du VSA-inspelningsfilen | Spara | Spara inspelning. Spara alternativ | Spara rubriker med data. När du sparar filen lägger du till en _VSA i slutet av filen. Ändra namnet på datafilen för spektrumanalysatorn så att det matchar VSA:s filnamn, men lägg till _SA för spektrumanalysatorn.
Representative Results
Följande resultat erhölls vid en fältverifiering av det presenterade systemet. Sändaren fanns på Kohler Mesa bakom Department of Commerce Boulder Laboratories i Boulder, Colorado. Mottagaren kördes genom Boulder, Colorado, i ett specialdesignat mätfordon (se figur 6), och kontinuerliga mätningar gjordes. Sa lagrar svepta data som logg storleks format i en händelse data struktur, medan GPS-data lagras i en separat händelse data struktur i samma fil. Ett exempel på data för ett svep visas i figur 7. Lagrade data konverteras till linjär effekt i Watts; Ett medelvärde beräknas för alla punkter i svepet och konverteras sedan tillbaka till logg storlek. GPS-informationen tilldelas detta medelvärde för svepet som visas av det röda X:et till ett värde av −71,5 dBm. Den här processen görs för varje svep i filen.
Därefter bearbetas basbandet I-Q-data från VSA enligt vad som visas i ekvation 1. Effekten i dBm beräknas för varje I-Q-prov. VSA samlar in toppdata, som måste konverteras till dBm, under det här steget.
(1)
Under mätningen lagras basbandet I-Q-data i en tillfällig fil. Ingen GPS-information förvärvas av VSA. Filens längd väljs så att antalet begärda poster är lika med antalet sekunders körtid. När mätningen är klar skrivs data till en fil vars struktur är förprogrammerad av VSA-programvaruutvecklarna. Data som sparas i den här filen inkluderar tidsskillnaden mellan mätexempel, frekvensen och de komplexa dataproverna. Bearbetningssteget innebär utjämning av storleken på basbandet I-Q-data över ett 500 ms-fönster för hela datauppsättningen till ungefär en 40-våglängdskörningssträcka. Figur 8 visar hur den utjämnade medelvärdeseffekten jämförs med rådata för en större del av ett drivtest. Rådata visas av det blå spåret, och den utjämnade medelvärdeseffekten visas av den röda spårningen.
VSA- och SA-datamängderna justeras med hjälp av en cirkulär faltning. VSA-datapunkten vid varje sekund är i linje med de SA-prover som genereras vid varje sekund för att överföra GPS-koordinaterna från SA till VSA-datapunkterna. En linjär regressionsmodell justerar data genom att minimera resterna mellan de uppmätta effektnivåerna för de två datamängderna. De justerade data presenteras genom att satseffekten i dBm ritas på x-axeln och VSA-kraften i dBm på y-axeln (bild 9). Eftersom SA-systemets bullergolv är högre än VSA-systemets brusgolv, visar diagrammet en nedåtgående krökning vid punkter under cirka -115 dBm för datauppsättningar nära bullergolvet. Figur 9 och figur 10 visar justeringen av VSA-effekten och SA-effekten jämfört med den förflutna tiden i sekunder. GPS-tidsstämpeln från SA-medelvärdeseffekten fästs sedan till den första datapunkten i VSA:s genomsnittliga utjämnade effektdataserie. Den vertikala förskjutningen mellan de två datamängderna elimineras genom korrigering för kabelförlust från effektavdelaren till SA. Men eftersom endast de tidsstämplade VSA-data används är detta extra steg onödigt. Dessa data sparas sedan och används i Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 för att förutsäga terrängförluster. VSA-uppgifterna korrigeras genom att systemförluster läggs till och systemvinster tas bort för att erhålla den uppmätta grundläggande överföringsförlusten (BTL) eller den grundläggande överföringsvinsten (BTG) längs drivvägen enligt figur 11 och figur 12 och som anges i ekvation 2.
(2)
Där BTL är den grundläggande överföringsförlusten, Pt och Pr är överförings- och mottagningskrafter i dBm, Gt och Gr är vinsterna av sändande respektive mottagande antenner i dBi, och Lt och Lr är systemförlusterna för överföringssystemet och mottagningssystemet i dB. respektive.
I figur 11 är den lila stjärnan den sändande platsen. De gula och lila prickarna representerar de högsta respektive lägsta mottagna signalnivåerna. En plot av den uppmätta BTG (svarta x), ITM-modellerade BTG (blå +'s), frirumsöverföringsvinst (FSTG) (röda cirklar) och systemets brusgolv (rosa prickar) visas i figur 12. När ITM BTG är lika med FSTG finns det inga terränginteraktioner, och alla förluster (skillnad mellan FSTG och MBTG) kan antas komma från byggnader, lövverk eller andra interaktioner med den omgivande miljön. Detta visas i figur 13, där den svarta linjen är terrängen som dras från USGS terrängdatabas13, den röda, streckade linjen är linjen (LOS) mellan sändande antenn och den mottagande antennen, och de blå, prickade och streckade linjerna är de övre och nedre första Fresnel-zonerna14 där det mesta av energin är lokaliserad.
Bild 1: Diagram över överförande komponenter och anslutningar. Sända sida av kontinuerlig våg (CW)-kanal sounder. Förkortningar: RF = radiofrekvens; Referens = referens. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 2: Diagram över mottagande komponenter och anslutningar. Mottagningssida av CW-kanalljudare (Continuous Wave). Förkortningar: GPS = Global Positioning System; RF = radiofrekvens; Ext Ref = extern referens; GPS-myr = GPS-antenn; Ext Trig/Ref = extern utlösare/referens; TCP/IP = protokoll för överföringskontroll/internetprotokoll; Freq Adj = Frekvensjusterad; DC = likström. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 3: CW-kanals ljudsystem i laboratorium. En bänkutplacering av Institute for Telecommunication Sciences (ITS) kanalljudare för systemvalidering och noggrannhetstestning som visar huvudkomponenterna. Förkortningar: VSA = vektorsignalanalysator; VSG = vektorsignalgenerator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 4: I-Q-skärm. Frekvensjustering med hjälp av ifas- och fyrhjulingsdiagram (I-Q). Förkortningar: CW = continuous-wave; TimeLen = tidslängd; I-axel = fasaxel; Q-axel = fyrhjulingsaxel. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 5: Inställningar för verifierings- och valideringssystem. Systeminställning för verifierings- och valideringsmätningar. Förkortningar: I-Q = in-phase quadrature; RF = radiofrekvens; Referens = referens; GPS = Globalt positioneringssystem; Ext Trig/Ref = extern utlösare/referens; TCP/IP = protokoll för överföringskontroll/internetprotokoll; Freq Adj = justerad frekvens; DC = likström. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 6: Cellhjul (COW) och mätbil. Foto som visar grön skåpbil som används för att ta emot system och cellulära hjul (COW) som används för att hysa överföringssystem. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 7: Spektrumanalysator svep och svepgenomsnitt. Enkel svepning för spektrumanalysdatafångst bestående av 461 poäng under en sveptid på 0,5 s. Förkortning: SA = spektrumanalysator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 8: Vektorsignalanalysator fick effekt och glidande medelvärde. I-fas- och quadrature -data (I-Q) (blå spårning) för en liten del av en större körning jämfört med medeleffekten (röd spårning) beräknad över ett fönster på 0,5 s. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 9: VSA- och SA-signaljustering. Justering av vektorsignalanalysators kraft och spektrumanalysatoreffekt. Förkortningar: VSA = vektorsignalanalysator; SA = spektrumanalysator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 10: VSA och SA fick ström efter signaljustering. Justerad vektorsignalanalysatoreffekt och spektrumanalysatoreffekt jämfört med förfluten tid i sekunder. Förkortningar: VSA = vektorsignalanalysator; SA = spektrumanalysator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 11: Geolokalisering av uppmätt basöverföringsvinst. Uppmätt basöverföringsvinst längs drivvägen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 12: Uppmätt och modellerad grundläggande överföringsvinst. Uppmätt grundläggande överföringsvinst (blå x), oregelbunden terrängmodell (ITM) grundläggande överföringsvinst (BTG) (svart +'s), frirymdsöverföringsvinst (röda cirklar) och systemljudgolv (rosa prickar) jämfört med förfluten tid längs körvägen. Förkortningar: MBTG = Uppmätt grundläggande överföringsvinst; ITM = Oregelbunden terrängmodell. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 13: Terrängprofil och första Fresnel-zonen. United States Geological Survey terrängprofil (svart linje) för förfluten tid 1636,2 s. Den övre (första) Fresnel-zonen (blå, prickad linje) och nedre (första) Fresnel-zonen (blå, streckad linje) ritas också tillsammans med siktlinjen (röd, streckad linje) mellan den sändande antennen och mottagande antennen. Förkortningar: USGS = United States Geological Survey; NED = nationell höjddatabas. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Discussion
Det är mycket viktigt att testa ett system som beskrivs i detta protokoll innan du försöker göra mätningar i en utomhusmiljö. På så sätt kan alla dåliga komponenter eller instabiliteter spåras och identifieras i mätsystemet och kan lösas. De kritiska stegen i detta protokoll är att 1) testa de enskilda komponenterna först och kontrollera att de arbetar inom ramen för sin specifikation, 2) montera sändande och mottagande sidor separat och testa kedjan av komponenter, 3) montera överförings- och mottagningssidan genom att sätta in ett stegad dämpare och mäta signalnivåerna när dämpningen ändras för att se till att de mottagna signalnivåerna i VSA och SA är som beräknat. Ytterligare felsökning kan utföras med hjälp av en VSG, till exempel den som visas i tabellen av material, som har ett alternativ för att generera blekningssimuleringar, som kan användas för att testa systemet med simulerade vågformer i olika blekningsmiljöer som påträffas i verkliga spridningsmiljöer. När mätsystemet fungerar korrekt kan mätningar göras i en utomhusmiljö med förtroende för att mätningarna kommer att vara korrekta.
Ett annat viktigt steg är att övervaka överföringseffekten under hela mätningen för att verifiera att systemet fungerar korrekt. Effektförstärkaren karakteriseras och testas separat för att förstå dess linjäritet och out-of-band utsläppsspektra. Effektförstärkaren kan valideras på bänkskivan med resten av installationen, men man måste vara noga med att minska signaleffekten under den maximala nominella effektingången till VSA med hjälp av lämpligt klassade dämpare. Varken GPS-antennen eller dess inställningar bör användas för laboratorieverifiering och validering. Eftersom VSA:s skärm inte kan tillhandahålla övervakning i realtid av miljön, hjälper tillägget av en SA som en realtidsövervakare till att bestämma systemets aktuella tillstånd. Det finns flera typer av kanalljudande mätsystem för att fånga kanalegenskaper för radiosystem: CW, direktpuls, frekvensdomän med hjälp av en VNA, korrelationsbaserad, svept tidsfördröjning korskorretelator.
En begränsning av det här systemet är att en CW-signal som söker efter den lokala miljön inte innehåller tidsdomäninformation, till exempel tidsfördröjningsprofiler. En tidsfördröjningsprofil ger information om tidpunkten för källreflektioner av signalen i den lokala miljön. En fördel med att använda en CW-signal är dock att det är lättare att få tillstånd att sända på en frekvens i olika band med hjälp av smalbands-CW-signalen snarare än att försöka överföra en bredbandssignal. CW-system kan ha ett större dynamiskt omfång än andra system, och signalen kan vanligtvis spridas ytterligare i miljön. En CW-signal har också ljudprovtagningshastigheter som resulterar i mindre filstorlekar än andra typer av kanalljudsystem. Med det här systemet är datainsamlingarna kontinuerliga och kan pågå i flera timmar. CW-kanals ljudsystem som diskuteras i den här artikeln kan användas vid olika frekvenser, beroende på de olika monterade komponenternas räckvidd. Systemet kan användas i en utomhusutbredningsmiljö eller en inomhusutbredningsmiljö15.
Acknowledgments
Tack till Defense Spectrum Office (DSO) för att finansiera det arbete som presenteras i den här artikeln.
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 |
References
- Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Molisch, A. Wireless communications. 2nd edition. , J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- The national map. United States Geological Survey. , Available from: https://viewer.nationalmap.gov/basic (2017).
- Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Propagation by diffraction. Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).
- Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , M.S. Thesis (2015).
