Name: 连续波传播信道探测测量系统 - 测试、验证和测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-06-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 36 s
Description: 了解连续波信道探测系统的组装与验证方法，用于射频工程中的无线电传播测量。该协议确保数据采集准确可靠，适用于城市、农村和森林等多种环境。

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感谢国防频谱办公室（DSO）对本文所展示工作的资助。

注意：ITS 信道探测系统如图1和图2所示，台式评估装置如图3所示。在搭建连续波（CW）信道探测系统时，请参考这些图示，以确保所有组件均正确配置。以下章节将说明在进行测量之前如何对系统进行验证与确认。
1. 测量系统设置
注意：本节介绍如何搭建用于野外测量的系统。首先，在组装完整系统之前，必须分别对系统的发射端和接收端的系统损耗进行评估和测量。然后，组装完整系统，并对各个仪器进行配置、校准和同步，以准备进行实验室验证和确认。
<ol>
	<li>在组装系统之前，使用矢量网络分析仪（VNA）2测量各个系统组件的S参数：电缆、衰减器、功率分配器、定向耦合器和低通滤波器。 
	注意：这将表征损耗，并识别损坏的电缆或不符合规格的器件。</li>
	<li>将N型电缆连接至功率放大器输出端、定向耦合器、带通滤波器以及将连接至天线的N型电缆，然后使用VNA测量该组件链路。 
	注意：此测量将包含使用VNA测量单个组件时无法观测到的内部反射。</li>
	<li>记录S21值（该值为负数），并将其用作发射系统的损耗。在代表性结果部分讨论接收信号电平时，使用这些值进行校正。</li>
	<li>发射系统设置
	<ol>
		<li>将所有设备接入电源：可使用不间断电源（UPS）或带浪涌保护的插座组。在连接各组件时，确保所有仪器处于断电状态。</li>
		<li>组装发射设备（图1）。
		<ol>
			<li>使用BNC电缆将铷原子钟的10 MHz输出连接至矢量信号发生器（VSG）的Ref IN端口。使用N型电缆将VSG的RF OUT端口连接至定向耦合器的输入端口（IN）。在协议步骤3.2之前不插入功率放大器。</li>
			<li>使用N型母对母接头将定向耦合器的OUT端口连接至相应带通滤波器的输入端口（如需要）。 
			注意：使用带通滤波器以最小化其他频段中的谐波频率。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>组装将连接至接收天线的N型电缆、滤波器、滤波器与功率分配器之间的电缆，以及将连接至矢量信号分析仪（VSA）的N型电缆；使用VNA测量该组件系统。</li>
	<li>进行相同的测量，但通过连接至频谱分析仪（SA）的相同组件进行。记录S21值，这些值将用作功率分配器VSA侧和SA侧的接收系统损耗。在代表性结果部分讨论接收信号电平时，使用这些值进行校正。</li>
	<li>接收系统设置
	<ol>
		<li>将所有设备接入电源：可使用UPS或带浪涌保护的插座组。在连接各组件时，确保所有仪器处于断电状态。</li>
		<li>组装接收设备（图2）。
		<ol>
			<li>将N型电缆连接至带通滤波器的输入端。将带通滤波器的输出连接至功率分配器的输入端口（端口1）。</li>
			<li>将功率分配器的端口2连接至VSA的RF IN端口。将功率分配器的端口3连接至SA的RF IN端口。</li>
			<li>使用BNC转香蕉插头线缆，将铷原子钟的Frequency Adj端口连接至直流（DC）电源的DC OUT端口。</li>
			<li>使用BNC电缆将铷原子钟的10 MHz输出连接至VSA的Ext Ref In端口。将铷原子钟的另一路10 MHz输出连接至频谱分析仪的Ext Trig/Ref In端口。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>开启VSG电源，并确保其设置为RF OFF。开启功率计电源。打开所有仪器电源，并在进行任何测量前让仪器预热一小时。</li>
	<li>将VSA配置为VSA 89601B模式。在VSA模式下，将中心频率设置为感兴趣的连续波（CW）频率。最后，根据整体测量所需的时长选择采样点数。 
	&#8203;注意：尽管系统使用连续波运行，但扫描范围必须设置为能够捕获任何多普勒频移和衰落。分辨率带宽决定了VSA在频率跨度上扫描时用于测量功率的滤波器，因此选择较低的分辨率带宽可实现更精确的测量。作为权衡，较低的分辨率带宽会增加每个点的测量时间。</li>
	<li>将VSA配置如下：选择VSA 89601B模式；中心频率：Freq MHz（例如，1770 MHz）；跨度：3 kHz；TimeLen：1 s；ResBW：3.81938 Hz；NumPts：最大值（491026点，409601点）——取决于VSA型号；Rng：-42 dBm；顶部图形上标值：-30 dBm。</li>
	<li>确保SA由使用可编程仪器标准命令（SCPI）的仪器控制软件控制，以便能够连续采集并保存扫描数据。
	<ol>
		<li>设置SA的起始频率和终止频率与VSA的中心频率一致。由于分辨率带宽（RBW）同样决定了SA使用的滤波器大小，因此将RBW设置为与VSA测量跨度相同的值。</li>
		<li>将视频带宽（VBW）设置为与分辨率带宽相同，并将检测模式设为“采样”以记录未经平均的数据。关闭衰减功能，确保SA不会过载，并保持前置放大器开启。</li>
		<li>为每次扫描配置SA如下：StartFreq：与VSA设置相同的中心频率（例如，1770 MHz）；StopFreq：与VSA设置相同的中心频率（例如，1770 MHz）；RBW (MHz)：0.003；VBW (MHz)：0.003；检测器：采样；扫描时间：500 ms；每迹线点数：461；前置放大器：开启；衰减：0；自动衰减：关闭。</li>
		<li>在SA上按下Enter键进入菜单。按下Shift键并选择频谱分析仪上的System按钮，启用外部参考。然后使用屏幕附近的软键选择More | Port Settings | Ext Input | Ref。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过选择连续波（CW）输出来配置VSG。
	<ol>
		<li>将频率设置为1770 MHz。按照第4.2节2中的程序确定功率放大器的线性范围。</li>
		<li>将VSG输出幅度设置为-4 dBm，即功率放大器线性范围的上限。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准功率计。
	<ol>
		<li>将功率计探头插入参考端口（通道A或B），并将功率计另一端接入测量端口。</li>
		<li>将功率计参考端口的频率设置为1770 MHz。对功率计进行归零和校准。确保功率计读数保持在0 dBm的±0.2 dB范围内。</li>
		<li>从参考端口拔下功率计探头，并将其连接至图1所示衰减器的输出端。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准VSA：Utilities | Calibration | Calibration。开启VSG的RF ON。 
	&#8203;注意：确保频谱分析仪上有信号显示。如果信号电平降至-120 dBm，则说明外部参考未启用。如果信号过强，将导致接收系统过载，并可能损坏VSA或SA。注意各仪器标称的最大输入信号电平（通常标注在仪器前面板），并至少保持低于该电平10 dB。</li>
	<li>通过调节电压同步两个铷原子钟，但不得超过铷同步端口允许的最大输入电压。
	<ol>
		<li>将VSA屏幕上部图形的TimeLen更改为100 ms。将底部图形的y轴设置为I-Q。</li>
		<li>按下电源供应器前面板上的Current/Voltage按钮。逐步微调电压并观察VSA屏幕上的光点：若光点来回摆动，则无需操作，表示频率已对齐；若光点持续单向旋转，则调节电源输出电压（即功率计读数），直至I-Q图上的光点开始减速并缓慢来回摆动（类似钟摆运动）（图4）。</li>
		<li>将VSA屏幕上部图形的TimeLen恢复为1 s，并将y轴恢复为对数幅度（Log Magnitude）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在SA上采集10次记录，以验证所有参数均已正确设置，并确认SA屏幕上的信号电平与VSA下部屏幕的信号电平一致。</li>
</ol>
2. 实验室验证与确认
<ol>
	<li>不连接天线，将一个可变衰减器插入系统发射端与接收端之间（图5）。在本次验证中，从测量装置中移除功率放大器。</li>
	<li>将步进衰减器的衰减值设为 0 dB，并将矢量信号分析仪（VSA）输入 &#62; 记录中的记录数设为 120。 
	注：一个记录等于 VSA 上设置的TimeLen。</li>
	<li>将频谱分析仪（SA）的扫描次数设为 120 次记录。将矢量信号发生器（VSG）的输出幅度设为 0 dBm，并按下 VSG 上的RF ON按钮。</li>
	<li>设置一个峰值标记以读取信号强度值，并确认 VSA 上可见信号。通过点击屏幕顶部的Record按钮启动 VSA。使用仪器控制软件启动 SA 测量。</li>
	<li>将步进衰减器调整为 10 dB，重复步骤 4–10。依次测试步进衰减器的所有设置，并记录每个衰减设置下的测量值。 
	注：当衰减器接近 90 至 110 dB 时，信号将因接近仪器的系统噪声底而变得更为嘈杂。接近系统噪声底的测量值将表现出高度波动性。</li>
	<li>为验证 VSA 接收信号电平，对 120 秒的 VSA 记录数据计算 0.5 秒时间窗的平均值，并对 SA 的每次扫描结果进行平均。将 VSG 输出功率、发射端与接收端系统损耗以及步进衰减器设置值相加。 
	注：在步进衰减小于 80 dB 的情况下，上述第 2.6 步计算的总和应与 VSA 和 SA 记录的平均接收信号电平在 0.5 dB 以内相符。若不符，请返回并重新测量系统损耗。</li>
</ol>
3. 野外测量
注意：每次测量前都必须测试并验证系统。
<ol>
	<li>每次新的测量任务开始前，完成步骤 1.1–1.3，并按照第 1.4 节所述设置系统的发射端。 
	&#8203;注意：系统通常安装在移动通信车（COW）中，测量期间该车辆保持固定不动。</li>
	<li>按照步骤 1.4.2.1 所述，将功率放大器连接在矢量信号发生器（VSG）与定向耦合器之间。
	<ol>
		<li>使用能够承受功率放大器输出功率水平的定向耦合器。在定向耦合器的耦合端口添加一个 50 dB 衰减器，以确保功率计输入功率在其规定范围内，并将功率计连接至该端口。将定向耦合器输出端的 N 型电缆连接至发射天线。</li>
		<li>在移动车辆内按照步骤 1.5–1.6 所述设置系统的接收端。将接收天线连接至连接滤波器的 N 型电缆。</li>
		<li>除完成频谱分析仪（SA）设置步骤 1.11.3–1.11.4 外，还需在频谱分析仪中设置 GPS 天线。
		<ol>
			<li>启用 GPS 记录功能：测量设置 | 启用 GPS 记录 | 标准 GPS。</li>
			<li>按住频谱分析仪上的 Shift 按钮，然后选择 System 按钮，启用频谱分析仪的 GPS 功能。随后使用屏幕附近的软键选择 更多 | GPS | GPS-ON &amp;#38; GPS Info-ON。</li>
			<li>将 GPS 天线放置在接收测量车辆的车顶。确保测量软件在每次扫描时也能读取来自 GPS 的 NMEA 数据字符串。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>继续按照步骤 1.11–1.17 所述完成设置，并根据预估的测量时间在矢量信号分析仪（VSA）的 输入 | 录制 中设置记录数量。将频谱分析仪（SA）的记录数设置为比矢量信号分析仪（VSA）的记录数多约 300 条，注意频谱分析仪的扫描速度慢于矢量信号分析仪。</li>
	<li>开始测量时，首先在屏幕顶部按下 Record 按钮启动矢量信号分析仪（VSA），然后启动频谱分析仪的测量。</li>
	<li>测量完成后，保存矢量信号分析仪（VSA）的录制文件：| 保存 | 保存录制。保存选项 | 随数据保存文件头。保存文件时，在文件名末尾添加 _VSA。将频谱分析仪的数据文件重命名为与矢量信号分析仪文件相同的名称，但为频谱分析仪文件在末尾添加 _SA。</li>
</ol>

<ol><li>Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%221755-1850+MHz+Airborne+Operations%3A+Air+Combat+Training+System+Sub-Working+Group+Final+Report%22">1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report</a>. , (2014).</li>
<li>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: 
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<li>Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., Stange, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-performance+CW+mobile+channel+sounder%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+2017+IEEE+International+Symposium+on+Electromagnetic+Compatibility+%26+Signal%2FPower+Integrity+%28EMCSI%22%5BJournal%5D)">A high-performance CW mobile channel sounder.</a> 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).</li>
<li>Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., McFarland, M. A., Lemmon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fast-fading+mobile+channel+measurement+system%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+2012+IEEE+International+Symposium+on+Electromagnetic+Compatibility+%28EMC%29%22%5BJournal%5D)">A fast-fading mobile channel measurement system.</a> 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).</li>
<li>Vector signal analysis basics. Keysight Technologies. , Available from: 
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<li>Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Interdisciplinary+Telecommunications+Program%2C+University+of+Colorado+at+Boulder%22">Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder</a>. , M.S. Thesis (2015).</li>
</ol>

在尝试进行户外环境测量之前，按照本方案所述对系统进行测试至关重要。通过这种方式，可以追踪并识别测量系统中的任何故障组件或不稳定性，并加以解决。本方案的关键步骤包括：1）首先测试各个独立组件，并验证其是否在其技术规格范围内正常工作；2）分别组装发射端和接收端，并测试各组件链路的性能；3）通过插入步进衰减器并改变衰减量，测量信号电平，以确保矢量信号分析仪（VSA）和频谱分析仪（SA）接收到的信号电平与计算值一致。为进一步排查问题，可使用具有衰落仿真生成功能的矢量信号发生器（VSG）（如材料表中所示设备），利用该功能在多种模拟的真实传播环境中常见的衰落条件下，使用仿真波形对系统进行测试。一旦测量系统正常运行，即可在户外环境中开展测量，并确保测量结果的准确性。
另一个重要步骤是在整个测量过程中监测发射功率，以验证系统是否正常运行。功率放大器需单独进行表征和测试，以了解其线性度和带外辐射频谱。功率放大器可在实验台上与其余设备一起验证，但必须注意使用额定衰减器将信号功率降低至低于矢量信号分析仪（VSA）的最大额定输入功率。在实验室验证和确认过程中，不应使用GPS天线及其设置。由于VSA的屏幕无法提供对环境的实时监测，增加一台频谱分析仪（SA）作为实时监测工具，有助于确定系统的当前状态。目前有多种信道探测测量系统可用于获取无线系统的信道特性：连续波（CW）、直接脉冲、基于矢量网络分析仪（VNA）的频域方法、基于相关性的方法、扫频时延互相关器。
该系统的一个局限性在于，用于探测局部环境的连续波（CW）信号不包含时域信息，例如时间延迟剖面。时间延迟剖面可提供有关信号在局部环境中反射源返回时间的信息。然而，使用连续波信号的一个优势是，相较于尝试发射宽带信号，使用窄带连续波信号在不同频段的单一频率上获得发射许可更为容易。连续波系统的动态范围通常大于其他系统，且信号在环境中通常具有更远的传播距离。连续波信号还具有音频采样率，所产生的文件大小小于其他类型的信道探测系统。使用该系统时，数据采集是连续的，可持续数小时。本文讨论的连续波信道探测测量系统可根据所组装组件的频率范围，在不同频率下运行。该系统可用于室外传播环境或室内传播环境15。

电信科学研究所（Institute for Telecommunication Sciences，ITS）是美国商务部下属机构国家电信与信息管理局（National Telecommunications and Information Administration，NTIA）的研究实验室。ITS 长期从事准确且广受认可的射频（RF）传播测量工作。随着频谱共享的增加，人们越来越需要准确、可重复的测量数据，以更深入地理解多个服务系统将共享的无线电环境。过去几年中，军方已开始与商用无线运营商在先进无线服务（Advanced Wireless Services，AWS）-3 频段（1755–1780 MHz）1 内建立频谱共享安排。这将允许商用无线运营商在军方逐步退出该频段之前使用 AWS-3 频段。该频段的使用将通过地理上隔离系统以及建模频率干扰场景两种方式加以协调。为了实现该频段的共享，必须开展传播测量，以建立并改进传播模型，用于评估军用系统与商用无线系统在该频段内的射频干扰情况。
国防频谱组织（DSO）负责管理 AWS-3 频段的过渡工作，并已委托 ITS 及其他机构开展一系列信道探测测量。这些测量将用于建立新模型，以计算环境中植被和人造结构（统称为杂波）对信号传播的影响。改进后的、考虑杂波影响的传播模型，可能减少对军事系统附近商业发射机的限制。本文讨论的连续波信道探测系统在过去五年中已被用于收集无线电波传播测量数据并计算杂波衰减。该测量系统能够产生准确、可重复且无偏的结果，DSO 鼓励 ITS 将其机构知识——包括射频传播数据测量与处理的最佳实践——与更广泛的技术社区共享。
最佳测量实践需要从部件级到组装系统级全面理解整个系统。这些最佳测量实践已记录在最近发布的NTIA技术备忘录TM-19-5352中，该备忘录描述了一套用于射频传播测量系统的准备与验证的最佳实践方法。美国国家标准与技术研究院通信技术实验室（ITS）近期完成了一篇JoVE文章，介绍了用于测量该测量系统中部件损耗并识别不良部件的矢量网络分析仪（VNA）的校准方法3。本文旨在进一步向更广泛的科研社区记录和推广这些最佳测量实践。尽管本文讨论的最佳实践以连续波（CW）信道探测系统为例，但这些技术同样适用于其他类型信道探测系统的验证：包括VNA系统、CW系统、全带宽相关型系统、直接脉冲系统以及基于滑动相关的系统4,5,6。
本文详细描述了如何在室外测量环境中使用矢量信号分析仪（VSA）、频谱分析仪（SA）、两个铷原子钟、功率计、矢量信号发生器（VSG）以及多种滤波器和功分器，搭建连续波（CW）信道探测测量系统7,8。系统的发射端由VSG组成，其生成的连续波信号经功率放大器放大后，通过定向耦合器进行分路，其中一部分信号被引导至功率计，以便用户监测系统输出功率。其余信号则通过传播信道传输至系统的接收端。接收端包含一个低通滤波器，用于抑制功率放大器产生的干扰和高次谐波。滤波后的信号由功分器分为两路：一路输入至SA，用于在测量过程中结合时间戳和全球定位系统（GPS）位置信息进行实时监测；另一路输入至VSA，将其下变频为1–5 kHz范围内的同相正交（I-Q）数据。采样率由仪器的频跨9决定，并根据预期的多普勒频谱偏移进行设置，而多普勒频移与车辆运动速度相关。最终获得的时间序列数据被传输至计算机，用于后续处理和数据分析。
发射端和接收端均使用铷钟，以提供高精度的测量和高稳定的频率。接收端的铷钟具有精细的频率调节功能，可精确对准发射频率与接收频率。通常，在测试期间会将两个频率调节至相互偏差在0.1 Hz以内。对于高精度连续波（CW）传播测量而言，铷钟至关重要。它们确保在整个测量过程中具有精确的时间基准，并防止发射机和接收机出现频率漂移。本文还详细介绍了在户外环境测量之前，如何在实验室条件下（无论是否连接天线）验证和确认系统是否能够进行准确测量。该系统已用于一系列广泛的室内外测试，测试频率范围从430 MHz至5.5 GHz，并涵盖了多种不同的发射功率7,8,10。

<table><tbody><tr><td>布线</td><td>微同轴</td><td></td><td>不同长度</td></tr><tr><td>定向耦合器</td><td>Anatech Electronics, Inc.</td><td></td><td>AM1650DC833</td></tr><tr><td>过滤器 1</td><td>K&amp;amp;L 微波公司</td><td></td><td>8FV50-1802-T95-O/O</td></tr><tr><td>GPS天线</td><td>特林布尔</td><td></td><td>SMA 与 SA 的连接</td></tr><tr><td>仪器控制 &amp;和处理软件</td><td>MATLAB</td><td></td><td>用于存储和处理测量数据</td></tr><tr><td>功率放大器</td><td>Ophir RF</td><td></td><td>5263-003</td></tr><tr><td>功率分配器</td><td>Mini-Circuits</td><td></td><td>ZAPD-20+</td></tr><tr><td>功率计和功率传感器</td><td>Keysight</td><td></td><td>E4417A/E4412A</td></tr><tr><td>接收天线</td><td>Cobham</td><td></td><td>OA2-0.3-10.0V/1505</td></tr><tr><td>铷频率标准</td><td>斯坦福研究系统</td><td></td><td>FS725</td></tr><tr><td>SA</td><td>安捷伦</td><td></td><td>N9344C</td></tr><tr><td>发射天线</td><td>COMTELCO</td><td></td><td>BS1710XL6</td></tr><tr><td>矢量信号发生器</td><td>Rohde &amp;安普 & 施瓦茨</td><td></td><td>SMIQ</td></tr><tr><td>VSA</td><td>是德科技</td><td></td><td>N9030A</td></tr></tbody></table>

连续波传播信道探测测量系统——测试、验证与测量

Continuous-Wave Propagation Channel-Sounding Measurement System - Testing, Verification, and Measurements

信道探测器用于测量无线电系统的信道特性。目前使用的信道探测器有多种类型：连续波（CW）型、直接脉冲型、基于矢量网络分析仪（VNA）的频域型、基于相关性的探测器以及扫频时延互相关器。每种类型都有其独特的优缺点。连续波系统相比其他系统具有更大的动态范围，其信号在环境中传播距离更远。由于音频采样率允许生成比其他系统更小的文件，因此数据采集可以连续进行并持续数小时。本文介绍了一种连续波信道探测系统，该系统已在美国多个城市进行了大量传播损耗测量。此类传播测量应具备准确性、可重复性，并避免人为误差或偏差。本文阐述了如何设置测量系统，如何验证和确认系统正在生成可靠的测量数据，最后展示了部分测量实验的结果，包括可重复性测量、杂波损耗测量（其中杂波损耗定义为超出自由空间传输损耗的额外损耗）以及互易性测量。

在对所述系统进行现场验证期间获得了以下结果。发射器位于科罗拉多州博尔德市商务部博尔德实验室后方的科勒梅萨。接收器安装在一辆专门设计的测量车辆中，在科罗拉多州博尔德市内行驶（见图6），并持续采集测量数据。频谱分析仪（SA）将扫描数据以对数幅度格式存储在事件数据结构中，而GPS数据则存储在同一文件内的另一个独立事件数据结构中。一次扫描的数据示例如图7所示。存储的数据被转换为以瓦特（W）为单位的线性功率；对该次扫描中所有数据点计算平均值，然后再转换回对数幅度。该次扫描的平均值被赋予相应的GPS信息，如图中红色X标记所示，其值为−71.5 dBm。此过程对文件中的每一次扫描均重复执行。
接下来，对来自矢量信号分析仪（VSA）的基带I-Q数据进行处理，如公式1所示。对每个I-Q样本计算其以dBm为单位的功率。在此步骤中，VSA采集的峰值数据必须转换为dBm单位。
<img alt="以分贝毫瓦为单位的功率计算公式；电气工程中 PRMS_dBm 的方程。" src="/files/ftp_upload/62124/62124eq01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 1">(1)
测量期间，基带I-Q数据被存储在一个临时文件中。VSA不会获取任何GPS信息。该文件的长度设置为：请求的记录数等于行驶时间的秒数。一旦测量完成，数据将被写入一个由VSA软件开发者预先编程好结构的文件中。保存到该文件中的数据包括测量样本之间的时间差、频率以及复数数据样本。处理步骤包括对整个数据集在500 ms时间窗口内对基带I-Q数据的幅度进行平滑，以近似对应40个波长的行驶距离。图8展示了在较大范围的路测中，平滑后的平均功率与原始数据的对比情况。原始数据由蓝色曲线表示，平滑后的平均功率由红色曲线表示。
使用循环卷积对 VSA 和 SA 数据集进行对齐。将 VSA 每秒的数据点与 SA 每秒生成的采样点对齐，以将 GPS 坐标从 SA 传递到 VSA 数据点。通过最小化两组数据测量功率水平之间的残差，建立线性回归模型以实现数据对齐。对齐后的数据通过在 x 轴上绘制 SA 功率（dBm）和在 y 轴上绘制 VSA 功率（dBm）来呈现（图 9）。由于 SA 系统的噪声基底高于 VSA 系统的噪声基底，因此对于接近噪声基底的数据集，在约 -115 dBm 以下的区域，曲线会呈现向下弯曲的趋势。图 9 和 图 10 显示了 VSA 功率与 SA 功率随时间（秒）变化的对齐情况。随后，将 SA 平均功率的 GPS 时间戳附加到 VSA 平均平滑功率数据序列的第一个数据点上。通过校正从功率分配器到 SA 的电缆损耗，消除两组数据之间的垂直偏移；但由于仅使用带时间戳的 VSA 数据，此额外步骤并非必要。这些数据随后被保存，并用于 Longley-Rice/不规则地形模型（ITM）11,12 以预测地形损耗。通过向 VSA 数据添加系统损耗并减去系统增益，得到沿行驶路线测得的基本传输损耗（BTL）或基本传输增益（BTG），如 图 11 和 图 12 所示，并由公式 2 给出。
<img alt="BTL 公式：BTL(dB)=Pt-Pr+(Gt-Lt)+(Gr-Lr)；信号损耗分析方程。" src="/files/ftp_upload/62124/62124eq02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 2">(2)
其中，BTL 为基本传输损耗， Pt 和 Pr 分别为以 dBm 为单位的发射功率和接收功率， Gt 和 Gr 分别为发射天线和接收天线的增益，单位为dBi，且 Lt 和 Lr 分别为发射系统和接收系统的系统损耗（dB）。
在图11中，紫色星号表示发射位置。黄色和紫色圆点分别代表接收到的最高和最低信号强度。在图12中展示了实测BTG（黑色叉号）、ITM建模BTG（蓝色加号）、自由空间传输增益（FSTG）（红色圆圈）以及系统噪声底限（粉色圆点）的曲线图。当ITM BTG等于FSTG时，表示不存在地形影响，所有损耗（FSTG与MBTG之间的差值）可归因于建筑物、植被或其他与周围环境的相互作用。这一点在图13中有所体现，其中黑色线表示从美国地质调查局（USGS）地形数据库提取的地形13，红色虚线表示发射天线与接收天线之间的视距（LOS）连线，蓝色点划线和虚线分别表示第一菲涅尔区的上下边界，在该区域内大部分能量集中分布14。
<img alt="射频系统设置示意图；用于发射的信号生成、放大和滤波。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：发射组件及连接示意图。 连续波（CW）信道探测系统的发射端。缩写：RF = radio frequency；Ref = reference。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="射频分析示意图，包含矢量信号分析仪、频谱分析仪、GPS、带通滤波器、功分器。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：接收组件及连接示意图。 连续波（CW）信道探测器的接收端。缩写：GPS = 全球定位系统；RF = 射频；Ext Ref = 外部参考；GPS Ant = GPS 天线；Ext Trig/Ref = 外部触发/参考；TCP/IP = 传输控制协议/互联网协议；Freq Adj = 频率调节；DC = 直流。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="光谱仪设置，包含频谱分析仪、铷钟、VSA、VSG 和功率放大器。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 3"> 
图 3：实验室中的连续波信道探测系统。 美国电信科学研究所（ITS）信道探测系统的台式部署，用于系统验证与精度测试，展示了主要组件。缩写：VSA = 矢量信号分析仪；VSG = 矢量信号发生器。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="频域与时域分析图，显示功率与频率关系以及来回运动。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 4"> 
图 4：I-Q 显示图。 使用同相与正交（I-Q）图进行频率调节。缩写：CW = 连续波；TimeLen = 时间长度；I-axis = 同相轴；Q-axis = 正交轴。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="射频系统示意图，包含功率计、铷原子振荡器、信号分析仪设置及GPS天线集成。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图5"> 
图5：验证与确认系统设置。 用于验证与确认测量的系统配置。缩写：I-Q = 同相正交；RF = 射频；Ref = 参考；GPS = 全球定位系统；Ext Trig/Ref = 外部触发/参考；TCP/IP = 传输控制协议/互联网协议；Freq Adj = 频率调整；DC = 直流。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="移动气象站装置、高天线、数据采集车、户外环境监测。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig06.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图6"> 
图6：移动通信车（COW）与测量车。 照片显示用于接收系统的绿色车辆，以及用于安置发射系统的移动通信车（COW）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示幅度与扫描点关系的信号分析图，用于频谱分析仪扫描和扫描平均。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Figure 7"> 
图7：频谱分析仪扫描与扫描平均。 频谱分析仪数据采集的单次扫描，共包含461个扫描点，扫描时间为0.5 s。缩写：SA = 频谱分析仪。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="时间与接收功率图，原始数据与平滑数据对比，信号分析，dBm 刻度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig08.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 8"> 
图 8：矢量信号分析仪接收功率与移动平均值。 一段较短时间段内的同相与正交（I-Q）幅度数据（蓝色曲线），与在 0.5 秒时间窗内计算的平均功率（红色曲线）进行比较。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig08large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="功率相关性图，VSA 与 SA，残差 43.2561，线性回归分析结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig09.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 9"> 
图 9：VSA 与 SA 信号对齐。 矢量信号分析仪功率与频谱分析仪功率的对齐。缩写：VSA = 矢量信号分析仪；SA = 频谱分析仪。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig09large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="接收功率（dBm）时间序列；SA 和 VSA 方法，数据分析图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig10.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 10"> 
图 10：信号对齐后的 VSA 与 SA 接收功率。 对齐后的矢量信号分析仪功率与频谱分析仪功率随时间（秒）的变化。缩写：VSA = 矢量信号分析仪；SA = 频谱分析仪。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的高清版本。</a>
<img alt="显示dB水平的无线电传输增益图，OpenStreetMap底图，标注位置，信号路径。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig11.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图11"> 
图11：实测基本传输增益的地理定位。 沿行驶路线测得的基本传输增益。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="传输增益随时间变化的曲线图；MBTG、自由空间、ITM、噪声底分析，单位为 dB。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig12.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 12"> 
图 12：实测与建模的基本传输增益。沿行驶路线随经过时间变化的基本传输增益实测值（蓝色叉号）、不规则地形模型（ITM）基本传输增益（BTG）（黑色加号）、自由空间传输增益（红色圆圈）以及系统噪声底（粉色点）的对比。缩写：MBTG = 实测基本传输增益；ITM = 不规则地形模型。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="地形剖面图；高程与距离关系图，含菲涅尔区、视距、NED 数据集。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig13.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 13"> 
图 13：地形剖面与第一菲涅尔区。 美国地质调查局（USGS）地形剖面（黑色实线），对应时间为 1636.2 秒。图中同时绘制了上部（第一）菲涅尔区（蓝色虚线）和下部（第一）菲涅尔区（蓝色点划线），以及发射天线与接收天线之间的视距线（红色虚线）。缩写：USGS = United States Geological Survey；NED = national elevation database。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig13large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本报告介绍了使用连续波射频信道探测测量系统进行传播测量的设置、验证与确认过程及测量结果。

信道探测器用于测量无线电系统的信道特性。目前有多种类型的信道探测器：连续波……

传播测量为模型和政策提供依据。在进行此类重要测量之前，对测量系统进行验证和确认至关重要。我们已采用该技术来验证其他测量系统，以确保测量结果的一致性。该系统易于组装和使用。采用本方案可确保您在更复杂的环境中进行测量前，充分理解系统的操作原理。本方案未涉及当设备相互靠近放置时可能出现的电磁干扰或电磁兼容性问题。这些问题容易被新入行的射频工程师忽视，因此与经验更丰富的工程师合作非常重要。该装置的某些方面仅用文字难以完全解释清楚，图片有助于正确组装测量组件。在组装系统之前，使用矢量网络分析仪（VNA）测量电缆、衰减器、功率分配器、定向耦合器和低通滤波器的S参数。为了用VNA测量发射系统，需组装连接功率放大器输出端、定向耦合器、带通滤波器以及将连接至天线的N型电缆。使用VNA测量该组件链路并记录S21值，该值为负数。使用矢量网络分析仪（VNA）测量接收设备时，组装将连接至接收天线的N型电缆、滤波器、滤波器与功分器之间的电缆，以及将连接至矢量信号分析仪（VSA）的N型电缆。使用VNA测量接收机VSA侧的S21参数，然后将连接频谱分析仪侧的电缆接到VNA上，再次测量各组件以获取其S21值。在进行任何测量之前，打开矢量信号发生器、功率计和功率放大器的电源，确保矢量信号发生器设置为射频关闭（RF off）状态。在进行任何测量之前，让仪器预热一小时。仪器预热完成后，将VSA配置为VSA 89601B模式。配置完频谱分析仪后，按下频谱分析仪上的Enter键以访问菜单，同时在选择System按钮时按住Shift键，以启用外部参考信号。使用软键选择更多、端口设置、外部输入和参考，并选择连续波输出。配置矢量信号发生器（VSG）时，将频率设置为 1,717 兆赫。将 VSG 输出幅度设置为负四分贝毫瓦，并将上限设置为功率放大器的线性范围。为校准功率计，将探头插入参考端口，另一端插入测量端口。将功率计的频率设置为 1,770 兆赫兹，进行归零和校准操作，并确保功率计读数保持在 0 分贝毫瓦的 ±0.2 分贝范围内。然后将功率计探头从参考端口拔下，并连接至衰减器的输出端。 为了同步铷原子振荡器，需设置电压，注意不要超过铷同步端口允许的最大输入电压，并将时间轴设为100毫秒，y轴设为IQ。为了对齐电源频率，观察VSA屏幕上的点，同时按下电源上的当前电压按钮。如果该点来回旋转，则表示频率已对齐；如果该点持续向一个方向旋转，则需调节电压，直到IQ图上的点开始减速，并以钟摆运动的方式来回移动。当频率对齐后，将时间轴调回至1秒，将y轴调回至对数幅度。为校准VSA，选择“工具”、“校准”和“校准”，并将VSG上的RF按钮设为开启。然后在频谱分析仪上获取10次采集记录，以验证所有参数均已正确设置，且频谱分析仪的信号电平与VSA的信号电平一致。为验证实验室设置，将一个可变衰减器插入系统的发射端与接收端之间，不连接天线，并将步进衰减器的衰减值设为0 dB，VSA上的记录数设为120。将扫描次数设置为120条记录，VSG的输出幅度设为0 dBm。将VSG上的射频按钮设为开启状态。设置峰值标记以获取信号强度的数值。如果在VSA上能够观察到信号，按下“Record”开始验证，然后在仪器控制软件中启动SA测量。在此代表性分析中，采集了单次扫描频谱分析仪的数据，共包含461个数据点，扫描时间为0.5秒，绘制出频谱图，并将GPS信息分配给平均值。随后将同相和正交幅度数据与整个数据集在0.5秒时间窗口内的平滑平均功率进行比较，以近似40个波长的行驶距离。将矢量信号分析仪（VSA）和频谱分析仪的对准数据绘制成随时间变化的函数，可用于预测地形损耗。通过对VSA数据增加系统损耗并减去系统增益进行校正，从而获得行驶路线上的实测基本传输损耗或增益，如图所示。在此分析中，不规则地形模型的基本传输增益与自由空间传输增益相等，表明不存在地形影响。当不规则地形模型的基本传输增益等于自由空间传输增益时，可以认为所有损耗均来自建筑物、植被或其他与周围环境的相互作用。在测量前检查系统的各个组件至关重要。电缆损坏非常常见。该系统最初还需在实验室中进行测试，以了解路径衰减的测量与计算方法。在设施附近进行较短距离的户外测量，将有助于理解复杂环境中的测量结果。发射天线与接收天线之间的传播路径应包括有遮挡和无遮挡的路径。这些遮挡物可以是树木、建筑物或其他结构。该系统已用于研究不同环境下的室外传播，例如森林地区、城市地区和农村地区。我们已根据测量结果为客户提供衰减估计值。在确认测量结果经过验证后，即可进一步建立模型。

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