Summary
Dit rapport beschrijft de installatie, validatie en verificatie en resultaten van propagatiemetingen met behulp van een continugolf, radiofrequentiekanaal klinkend meetsysteem.
Abstract
Kanaalpeilers worden gebruikt om kanaalkarakteristieken voor radiosystemen te meten. Er zijn verschillende soorten kanaalsounders die tegenwoordig worden gebruikt: continue golf (CW), directe puls, frequentiedomein met behulp van een vectornetwerkanalysator (VNA), correlatiegebaseerde en swept-time delay cross-correlator. Elk van deze heeft unieke voor- en nadelen. CW-systemen hebben een groter dynamisch bereik dan andere systemen met een signaal dat zich verder in de omgeving kan voortplanten. Omdat de audiosamplingfrequenties kleinere bestandsgrootten mogelijk maken dan andere systemen, kan het verzamelen van gegevens continu zijn en enkele uren duren. Dit artikel bespreekt een CW-kanaals sounder-systeem, dat is gebruikt om talloze propagatieverliesmetingen uit te voeren in verschillende steden in de Verenigde Staten van Amerika. Dergelijke propagatiemetingen moeten nauwkeurig, reproduceerbaar en vrij van artefacten of vooroordelen zijn. Dit artikel laat zien hoe de meting moet worden ingesteld, hoe u kunt valideren en verifiëren dat het systeem betrouwbare metingen uitvoert, en ten slotte toont het resultaten van enkele van de meetcampagnes, zoals herhaalbaarheidsmetingen, metingen van rommelverlies (waarbij rommelverlies wordt gedefinieerd als het overtollige verlies van transmissieverlies in de vrije ruimte) en wederkerigheidsmetingen.
Introduction
Het Institute for Telecommunication Sciences (ITS) is het onderzoekslaboratorium van de National Telecommunications and Information Administration (NTIA), een agentschap van het Amerikaanse ministerie van Handel. ITS heeft een lange geschiedenis in het uitvoeren van nauwkeurige, goed aangeschreven radiofrequentie (RF) propagatiemetingen. De toename van het delen van spectrum is gepaard gegaan met de behoefte aan nauwkeurige, reproduceerbare metingen die een beter begrip geven van de radioomgeving die meerdere diensten zullen moeten delen. De afgelopen jaren hebben de militaire diensten spectrum-sharing-regelingen ontwikkeld met commerciële draadloze providers in de Advanced Wireless Services (AWS) -3-band (1755-1780 MHz)1. Hierdoor kunnen commerciële draadloze providers de AWS-3-band gebruiken voordat militaire diensten uit de band worden gefaseerd. Het gebruik van de band zal worden gecoördineerd door zowel systemen geografisch te isoleren als door frequentie-interferentiescenario's te modelleren. Om deze spectrumband te delen, zijn propagatiemetingen nodig om propagatiemodellen te ontwikkelen en te verbeteren voor de evaluatie van RF-interferentie tussen de militaire en commerciële draadloze systemen binnen de band.
De Defense Spectrum Organization (DSO) is verantwoordelijk voor het beheer van de AWS-3-transitie en heeft ITS en anderen belast met het uitvoeren van een reeks kanaalpeilende metingen. Deze metingen zullen worden gebruikt om nieuwe modellen te bouwen voor de berekening van de impact van gebladerte en door de mens gemaakte structuren in de omgeving (gezamenlijk bekend als rommel). Verbeterde propagatiemodellering die rekening houdt met rommel zou kunnen leiden tot minder beperkingen op commerciële zenders in de buurt van militaire systemen. Het CW-kanaal-sounder-systeem dat in dit artikel wordt besproken, is de afgelopen vijf jaar gebruikt om meetgegevens voor radiovoortplanting te verzamelen en de rommelverzwakking te berekenen. Dit meetsysteem produceert nauwkeurige, herhaalbare en onbevooroordeelde resultaten en DSO moedigde ITS aan om zijn institutionele kennis - inclusief de beste meetpraktijken voor de meting en verwerking van RF-propagatiegegevens - te delen met de bredere technische gemeenschap.
De beste meetmethoden vereisen inzicht in een systeem van het componentniveau tot het geassembleerde systeemniveau. Deze beste meetpraktijken zijn gedocumenteerd in het onlangs gepubliceerde NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 dat een reeks best practices beschrijft voor de voorbereiding en verificatie van radiopropagatiemeetsystemen. ITS heeft onlangs een JoVE-artikel voltooid over het kalibreren van een VNA die wordt gebruikt om componentverliezen te meten en slechte componenten voor dit meetsysteem te identificeren3. Dit artikel is een voortzetting in het documenteren van deze beste meetpraktijken voor de bredere gemeenschap. Hoewel in dit artikel best practices worden besproken voor een CW-kanaallood, kunnen dezelfde technieken worden gebruikt om andere kanaalpeilersystemen te verifiëren: VNA-systemen; CW-systemen; op correlatie gebaseerde systemen met volledige bandbreedte; directe pulssystemen; en op schuifcorrelator gebaseerde systemen4,5,6.
In dit artikel wordt in detail beschreven hoe u een CW-kanaals sounder meetsysteem instelt met behulp van een vector signaal analyzer (VSA), een spectrum analyzer (SA), twee rubidium oscillatoren, een vermogensmeter, een vector signaalgenerator (VSG) en verschillende filters en vermogensverdelers voor metingen in een buitenmeetomgeving7,8. De zendzijde van het systeem bestaat uit de VSG, die een CW-signaal genereert dat wordt versterkt door een eindversterker. Dit wordt vervolgens gesplitst door een directioneel paar om een deel van het signaal naar de vermogensmeter te leiden, waardoor de gebruiker de systeemuitvoer kan controleren. De rest van het signaal wordt via het voortplantingskanaal naar de ontvangende kant van het systeem gestuurd. De ontvangstzijde bestaat uit een laagdoorlaatfilter om interferentie en harmonischen geproduceerd door de eindversterker te verminderen. Het gefilterde signaal wordt gesplitst in een vermogensverdeler en in de SA ingevoerd voor bewaking tijdens de meting, samen met een tijdstempel en gps-locatie (Global Positioning System). De andere helft van het signaal wordt naar de VSA gestuurd om te worden omgezet in in-fase kwadratuur (I-Q) gegevens in het bereik van 1-5 kHz. De bemonsteringsfrequentie wordt bepaald door de overspanning van het instrument9 en wordt geleid door de verwachte dopplerspectrumverschuivingen, die een functie zijn van de snelheid van het voertuig. De resulterende tijdreeks wordt vervolgens overgebracht naar een computer voor nabewerking en data-analyse.
Rubidium klokken worden gebruikt op zowel de zender als de ontvanger om zeer nauwkeurige metingen en zeer stabiele frequenties te bieden. De rubidiumklok aan de ontvangende kant heeft een fijne frequentieaanpassing voor de precieze uitlijning van de zend- en ontvangstfrequenties. Meestal worden de frequenties aangepast om binnen 0,1 Hz van elkaar te zijn voor testen. Rubidiumklokken zijn essentieel voor zeer nauwkeurige CW-propagatiemetingen. Ze zorgen voor een nauwkeurige tijdbasisnauwkeurigheid in de loop van de metingen en voorkomen frequentiedrift van de zender en ontvanger. In dit artikel wordt ook beschreven hoe u kunt valideren en verifiëren dat een systeem nauwkeurige metingen uitvoert in een laboratoriumomgeving, zowel met als zonder antenne, voordat u metingen uitvoert in een buitenomgeving. Het systeem is gebruikt voor een uitgebreide reeks buiten- en binnentests met frequenties variërend van 430 MHz tot 5,5 GHz en voor veel verschillende zendvermogens7,8,10.
Protocol
OPMERKING: Het ITS-kanaalpeilersysteem wordt weergegeven in figuur 1 en figuur 2 en een benchtop-evaluatie-opstelling wordt weergegeven in figuur 3. Raadpleeg deze cijfers bij het instellen van de CW-kanaallood om ervoor te zorgen dat alle componenten correct zijn geconfigureerd. In de volgende secties wordt uitgelegd hoe u een systeem verifieert en valideert voordat u metingen uitvoert.
1. Instellen van het meetsysteem
OPMERKING: In dit gedeelte wordt beschreven hoe een systeem is ingesteld voor veldmetingen. Ten eerste moeten systeemverliezen in zowel de verzendende als de ontvangende kant van het systeem afzonderlijk worden verantwoord en gemeten voordat het volledige systeem wordt geassembleerd. Vervolgens wordt het volledige systeem geassembleerd en worden individuele instrumenten geconfigureerd, gekalibreerd en gesynchroniseerd om zich voor te bereiden op laboratoriumverificatie en -validatie.
- Meet de S-parameters, met behulp van een VNA2, voor afzonderlijke systeemcomponenten voordat u het systeem assembleert: kabels, verzwakkers, vermogenssplitters, directionele koppelingen en laagdoorlaatfilters.
OPMERKING: Dit zal verliezen karakteriseren en gebroken kabels identificeren, of een apparaat dat niet aan de specificaties voldoet. - Monteer de Type N-kabel aan de uitgang van de eindversterker, de directionele koppeling, het bandpassfilter en de Type N-kabel die op de antenne wordt aangesloten en gebruik de VNA om de componentenketen te meten.
OPMERKING: Deze meting omvat interne reflecties die niet worden gezien door afzonderlijke componenten met een VNA te meten. - Noteer de S21-waarde , die een negatief getal zal zijn en zal worden gebruikt als de verliezen van het verzendende systeem. Gebruik deze waarden om het ontvangen signaalniveau te corrigeren dat wordt besproken in de sectie representatieve resultaten.
- Installatie van het verzendsysteem
- Sluit alle apparaten aan op een voedingsbron: een UPS (uninterruptible power supply) of een overspanningsbeveiligde set stopcontacten. Zorg ervoor dat alle instrumenten zijn uitgeschakeld terwijl u componenten aan elkaar koppelt.
- Monteer de zendapparatuur (figuur 1).
- Sluit de 10 MHz uitgang van de rubidium oscillator aan op de Ref IN poort van de VSG met behulp van een Bajonet-Neill-Concelman (BNC) kabel. Sluit de RF OUT-poort van de VSG aan op de ingang van de directionele koppeling IN-poort met behulp van een Type N-kabel. Er wordt geen eindversterker geplaatst tot protocolstap 3.2.
- Sluit de OUT-poort van de directionele koppeling aan op het voor de ingangspoort geschikte banddoorgangsfilter (indien nodig) met behulp van een type N female naar female connector.
OPMERKING: Een bandpassfilter wordt gebruikt om harmonische frequenties in andere banden te minimaliseren.
- Monteer de Type N-kabel die wordt aangesloten op de ontvangstantenne, het filter, de kabel tussen het filter en de voedingssplitter en de Type N-kabel die op de VSA wordt aangesloten; gebruik de VNA om dit systeem van componenten te meten.
- Voer dezelfde meting uit, maar via dezelfde componenten die op de SA zijn aangesloten. Noteer de S21-waarden , die worden gebruikt als de verliezen van het ontvangende systeem aan de VSA-kant van de stroomsplitser en de SA-kant van de stroomsplitser. Gebruik deze waarden om het ontvangen signaalniveau te corrigeren dat wordt besproken in de sectie representatieve resultaten.
- Systeeminstellingen ontvangen
- Sluit alle apparaten aan op een voedingsbron: een UPS of een overspanningsbeveiliging. Zorg ervoor dat alle instrumenten zijn uitgeschakeld terwijl u componenten aan elkaar koppelt.
- Monteer de ontvangstapparatuur (figuur 2).
- Sluit een Type N-kabel aan op de ingang van het bandpassfilter. Sluit de uitgang van het bandpassfilter aan op de ingang van de vermogensverdeler (poort 1).
- Sluit poort 2 van de voedingsverdeler aan op de RF IN-poort op de VSA. Sluit poort 3 van de voedingsverdeler aan op de RF IN-poort op de SA.
- Sluit met behulp van een BNC-snoer de Frequency Adj van de rubidiumoscillator aan op de DC OUT van de gelijkstroom (DC) voeding.
- Sluit een 10 MHz uitgang van de rubidium oscillator aan op de Ext Ref In poort op de VSA met behulp van een BNC kabel. Sluit een 10 MHz uitgang van de rubidium oscillator aan op de Ext Trig/Ref In poort op de spectrum analyzer.
- Schakel de VSG in en zorg ervoor dat deze is ingesteld op RF UIT. Schakel de vermogensmeter in. Zet alle instrumenten aan en laat de instrumenten een uur opwarmen voordat je metingen doet.
- Configureer de VSA in de VSA 89601B-modus. Stel in de VSA-modus de middenfrequentie in op de CW-frequentie van belang. Selecteer ten slotte het aantal genomen punten met de gewenste lengte van de totale meting in gedachten.
OPMERKING: Hoewel het systeem werkt met een CW, moet de overspanning worden ingesteld om eventuele Doppler-verschuivingen en -vervaging op te vangen. De resolutiebandbreedte bepaalt het filter dat door de VSA wordt gebruikt om het vermogen te meten terwijl het over het frequentiebereik veegt, dus het selecteren van een bandbreedte met lage resolutie maakt een nauwkeurigere meting mogelijk. Als afweging kost een lagere resolutiebandbreedte meer tijd per punt. - Configureer de VSA met de volgende instellingen: selecteer VSA 89601B-modus; middenfrequentie: Freq MHz (bijv. 1770 MHz); spanwijdte: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-afhankelijk van VSA; Rng: -42 dBm; bovenste grafiek bovenste schaalwaarde: -30 dBm.
- Zorg ervoor dat de SA wordt bestuurd door instrumentbesturingssoftware die programmeerbare standaardcommando's gebruikt voor SCPI-opdrachten (Programmeble Instruments), zodat continue sweeps kunnen worden verzameld en opgeslagen.
- Stel de SA zo in dat de start- en stopfrequenties overeenkomen met de VSA-middenfrequentie. Aangezien de RBW op dezelfde manier de filtergrootte bepaalt die door de SA wordt gebruikt, stelt u de RBW in op dezelfde waarde als de overspanning van de VSA-meting.
- Stel de videobandbreedte in op dezelfde waarde als de resolutiebandbreedte en de detectiemodus om te samplen om ongemiddelde gegevens op te nemen. Laat demping uit, zorg ervoor dat de SA niet overbelast raakt en houd de voorversterker aan.
- Configureer de SA met het volgende voor elke sweep: StartFreq: Dezelfde middenfrequentie als in de VSA-opstelling (bijv. 1770 MHz); StopFreq: Dezelfde middenfrequentie als in de VSA-opstelling (bijv. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detector: monster; veegtijd: 500 ms; pts/spoor: 461; voorversterker AAN; demping: 0; automatische demping: Uit.
- Druk op de SA op Enter om de menu's te openen. Schakel Externe verwijzing in door op de Shift-knop te drukken en de systeemknop op de spectrumanalysator te selecteren. Selecteer vervolgens Meer | Poortinstellingen | Ext-ingang | Ref met behulp van de softkeys in de buurt van het scherm.
- Configureer de VSG door een CW-uitgang te selecteren.
- Stel de frequentie in op 1770 MHz. Volg de procedure in paragraaf 4.22 om het lineaire bereik van de eindversterker te bepalen.
- Stel de VSG-uitgangsamplitude in op -4 dBm, de bovengrens van het lineaire bereik van de eindversterker.
- Kalibreer de vermogensmeter.
- Sluit de kop van de vermogensmeter aan op de referentiepoort (kanaal A of B) en het andere uiteinde van de vermogensmeter op een meetpoort.
- Stel de frequentie van de vermogensmeter in op 1770 MHz voor de hierboven gebruikte referentiepoort. Nul en kalibreer de vermogensmeter. Zorg ervoor dat de meterstand binnen 0,2 dB van 0 dBm blijft.
- Koppel de kop van de vermogensmeter los van de referentiepoort en sluit de kop van de vermogensmeter aan op de uitgang van de verzwakker in figuur 1.
- Kalibreer de VSA: hulpprogramma's | Kalibratie | Kalibratie. Schakel RF in op de VSG.
OPMERKING: Zorg ervoor dat er een signaal op de spectrumanalysator staat. Als het signaalniveau daalt tot -120 dBm, is de externe referentie niet ingeschakeld. Als het signaal te sterk is, zal het het ontvangstsysteem overbelasten en de VSA of SA beschadigen. Houd rekening met de maximale ingangssignaalniveaus (meestal weergegeven aan de voorkant van het instrument) en blijf ten minste 10 dB onder dit niveau. - Synchroniseer de rubidiumoscillatoren door de spanning in te stellen, maar overschrijd de maximale ingangsspanning die is toegestaan op de rubidiumsynchronisatiepoort niet.
- Wijzig TimeLen in de bovenste grafiek op het VSA-scherm naar 100 ms. Stel de y-as op de onderste plot in op I-Q.
- Druk op Current/Voltage op het voorpaneel van de voeding. Verander de spanning een beetje per keer en kijk naar de stip op het VSA-scherm: als het heen en weer draait, doe niets, de frequenties zijn uitgelijnd. Als het consequent in één richting draait, wijzigt u de aflezing van de vermogensmeter (spanning) totdat de stip op de I-Q-plot begint te vertragen en langzaam heen en weer beweegt (slingerbeweging) (figuur 4).
- Stel TimeLen in de bovenste grafiek op het VSA-scherm terug op 1 s en stel de y-as weer in op Log Magnitude.
- Neem 10 acquisitierecords op de SA om te controleren of alle parameters correct zijn ingesteld en of het signaalniveau op het SA-scherm overeenkomt met het signaalniveau op het VSA-onderste scherm.
2. Laboratoriumverificatie en -validatie
- Zonder antennes te bevestigen, plaatst u een variabele verzwakker tussen de zendzijde van het systeem en de ontvangstzijde van het systeem (figuur 5). Verwijder de eindversterker uit de meetopstelling voor deze verificatie.
- Stel de getrapte verzwakkerdemping in op 0 dB en het aantal records op de VSA Input > Recording op 120.
OPMERKING: Eén record is gelijk aan de TimeLen die op de VSA is ingesteld. - Stel het aantal sweeps op de SA in op 120 records. Wijzig de uitgangsamplitude van de VSG in 0 dBm en druk op de RF ON-knop op de VSG.
- Stel een piekmarkering in om de waarde van de signaalsterkte te bepalen en controleer of er een signaal op de VSA wordt gezien. Start de VSA door op de opnameknop boven aan het scherm te drukken. Start een SA-meting met behulp van de instrumentbesturingssoftware.
- Wijzig de getrapte verzwakker in 10 dB en herhaal stap 4-10. Doorloop alle instellingen van de getrapte verzwakker en noteer de waarden voor elke dempingsinstelling.
OPMERKING: Naarmate de verzwakker 90 tot 110 dB nadert, wordt het signaal luidruchtiger naarmate het de systeemruisvloer van het instrument nadert. Meetwaarden in de buurt van de geluidsvloer van het systeem zullen zeer variabel zijn. - Om de VSA-ontvangen signaalniveaus te verifiëren, berekent u een venstergemiddelde van 0,5 s tot het VSA-record van 120 s en gemiddeld elke sweep van de SA. Voeg het VSG-uitgangsvermogensniveau, de verliezen aan de zendzijde en de ontvangende zijde van het systeem en de instelling van de getrapte verzwakker toe.
OPMERKING: De waarde van de bovengenoemde som in stap 2.6 moet gelijk zijn aan de gemiddelde ontvangen signaalniveaus die door de VSA en de SA zijn geregistreerd binnen 0,5 dB, voor getrapte dempingen van minder dan 80 dB. Als ze dat niet doen, ga dan terug en hermeet systeemverliezen.
3. Veldmetingen
OPMERKING: Test en verifieer het systeem altijd vóór elke meetcampagne.
- Voer stap 1.1-1.3 uit vóór elke nieuwe meetcampagne en stel de zendzijde van het systeem in, zoals besproken in punt 1.4.
OPMERKING: Dit is meestal ondergebracht in een cellular-on-wheels (COW), die tijdens de metingen vast blijft staan. - Sluit de eindversterker aan tussen de VSG en de directionele koppeling, zoals beschreven in stap 1.4.2.1.
- Gebruik een directionele koppeling die de vermogensniveaus aankan die door de eindversterker worden gegenereerd. Voeg een verzwakker van 50 dB toe aan de richtingskoppeling op de gekoppelde poort om binnen de opgegeven ingangsvermogensniveaus van de vermogensmeter te blijven en sluit de vermogensmeter aan op deze poort. Sluit de type N-uitgangskabel van de directionele koppeling aan op de zendantenne.
- Stel de ontvangstzijde van het systeem in, zoals besproken in stappen 1.5-1.6, in een mobiel voertuig. Sluit de ontvangstantenne aan op de Type N-kabel die op het filter is aangesloten.
- Naast de SA-installatiestappen 1.11.3-1.11.4 moet de GPS-antenne in de SA worden ingesteld.
- Schakel het GPS-record in: Meas-instellingen | GPS-| inschakelen Standaard GPS.
- Schakel GPS in op de spectrumanalysator door de Shift-knop ingedrukt te houden en de systeemknop op de spectrumanalysator te selecteren. Selecteer vervolgens Meer | GPS-| GPS-ON & GPS Info-ON met behulp van de softkeys bij het scherm.
- Plaats de GPS-antenne op het dak van het meetvoertuig van de ontvanger. Zorg ervoor dat de meetsoftware ook NMEA-strings van de GPS voor elke sweep inleest.
- Ga verder met de installatie zoals besproken in stappen 1.11-1.17 en stel het aantal records in op de VSA-invoer | Registratie op basis van geschatte meettijd. Stel het aantal SA-records in op het aantal VSA-records plus ongeveer 300 records, waarbij u opmerkt dat de SA langzamer veegt dan de VSA.
- Begin de meting door eerst de VSA te starten door op de opnameknop boven aan het scherm te drukken. Start de meting van de spectrumanalysator.
- Sla na de meting het VSA-opnamebestand op | Opslaan | Opname opslaan. Opties opslaan | Sla kopteksten met gegevens op. Wanneer u het bestand opslaat, voegt u een _VSA toe aan het einde van het bestand. Wijzig de naam van het gegevensbestand voor de spectrumanalysator zodat deze overeenkomt met de bestandsnaam van de VSA, maar voeg _SA toe voor de spectrumanalysator.
Representative Results
De volgende resultaten werden verkregen tijdens een veldverificatie van het gepresenteerde systeem. De zender bevond zich op de Kohler Mesa achter het Department of Commerce Boulder Laboratories in Boulder, Colorado. De ontvanger werd door Boulder, Colorado, gereden in een speciaal ontworpen meetvoertuig (zie figuur 6) en er werden continue metingen verricht. De SA slaat de geveegde gegevens op als log-magnitude-indeling in een gebeurtenisgegevensstructuur, terwijl de GPS-gegevens worden opgeslagen in een afzonderlijke gebeurtenisgegevensstructuur in hetzelfde bestand. Een voorbeeld van gegevens voor één sweep is weergegeven in figuur 7. De opgeslagen gegevens worden omgezet naar lineair vermogen in Watt; een gemiddelde wordt berekend voor alle punten in die sweep en vervolgens weer omgezet naar log magnitude. De GPS-informatie wordt toegewezen aan deze gemiddelde waarde voor de door de rode X getoonde sweep bij een waarde van −71,5 dBm. Dit proces wordt gedaan voor elke sweep in het bestand.
Vervolgens worden de basisband I-Q-gegevens van de VSA verwerkt zoals weergegeven in vergelijking 1. Het vermogen in dBm wordt berekend voor elk I-Q monster. De VSA verzamelt tijdens deze stap piekgegevens, die moeten worden geconverteerd naar dBm.
(1)
Tijdens de meting worden de basisband I-Q-gegevens opgeslagen in een tijdelijk bestand. Er wordt geen GPS-informatie verkregen door de VSA. De lengte van het bestand wordt zo gekozen dat het aantal aangevraagde records gelijk is aan het aantal seconden rijtijd. Zodra de meting is voltooid, worden de gegevens naar een bestand geschreven waarvan de structuur is voorgeprogrammeerd door de VSA-softwareontwikkelaars. Gegevens die in dit bestand zijn opgeslagen, omvatten het tijdsverschil tussen meetmonsters, de frequentie en de complexe gegevensmonsters. De verwerkingsstap omvat het afvlakken van de grootte van de basisband I-Q-gegevens over een venster van 500 ms voor de hele dataset om een rijafstand van 40 golflengten te benaderen. Figuur 8 laat zien hoe het afgevlakte gemiddelde vermogen zich verhoudt tot de ruwe gegevens voor een groter deel van een rijtest. De onbewerkte gegevens worden weergegeven door het blauwe spoor en het afgevlakte gemiddelde vermogen wordt weergegeven door het rode spoor.
De VSA- en SA-datasets worden uitgelijnd met behulp van een circulaire convolutie. Het VSA-gegevenspunt op elke seconde wordt uitgelijnd met de SA-monsters die op elke seconde worden gegenereerd om de GPS-coördinaten van de SA naar de VSA-gegevenspunten over te brengen. Een lineair regressiemodel lijnt de gegevens uit door de resten tussen de gemeten vermogensniveaus van de twee gegevenssets te minimaliseren. De uitgelijnde gegevens worden gepresenteerd door het SA-vermogen in dBm op de x-as en het VSA-vermogen in dBm op de y-as uit te zetten (figuur 9). Omdat de sa-systeemruisvloer hoger is dan de VSA-systeemruisvloer, toont de grafiek een neerwaartse kromming op punten onder ongeveer -115 dBm voor datasets dicht bij de ruisvloer. Figuur 9 en figuur 10 tonen de uitlijning van het VSA-vermogen en het SA-vermogen ten opzichte van de verstreken tijd in seconden. De GPS-tijdstempel van het SA-gemiddelde vermogen wordt vervolgens bevestigd aan het eerste gegevenspunt van de VSA-gegevensreeks met gemiddeld afgevlakte vermogen. De verticale verschuiving tussen de twee datasets wordt geëlimineerd door te corrigeren voor kabelverlies van de stroomverdeler naar de SA; omdat echter alleen de VSA-gegevens met tijdstempel worden gebruikt, is deze extra stap niet nodig. Deze gegevens worden vervolgens opgeslagen en gebruikt in het Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 om terreinverliezen te voorspellen. De VSA-gegevens worden gecorrigeerd door systeemverliezen toe te voegen en systeemwinsten te verwijderen om het gemeten basistransmissieverlies (BTL) of basistransmissiewinst (BTG) langs de aandrijfroute te verkrijgen, zoals weergegeven in figuur 11 en figuur 12 en gegeven door vergelijking 2.
(2)
waarbij BTL het basistransmissieverlies is, Pt en Pr de zend- en ontvangstvermogens in dBm, Gt en Gr de winst zijn van respectievelijk de zend- en ontvangstantennes in dBi, en Lt en Lr de systeemverliezen zijn voor het zendsysteem en het ontvangstsysteem in dB; respectievelijk.
In figuur 11 is de paarse ster de zendlocatie. De gele en paarse stippen vertegenwoordigen respectievelijk de hoogste en laagste ontvangen signaalniveaus. Een plot van de gemeten BTG (zwarte x's), de ITG-gemodelleerde BTG (blauwe +'s), vrije ruimte transmissiewinst (FSTG) (rode cirkels) en de systeemruisvloer (roze stippen) is weergegeven in figuur 12. Wanneer de ITM BTG gelijk is aan de FSTG, zijn er geen terreininteracties en kunnen alle verliezen (verschil tussen FSTG en MBTG) worden verondersteld afkomstig te zijn van gebouwen, gebladerte of andere interacties met de omgeving. Dit wordt weergegeven in figuur 13, waar de zwarte lijn het terrein is dat uit de USGS-terreindatabase is getrokken13, de rode, onderbroken lijn de zichtlijn (LOS) is tussen de zendantenne en de ontvangstantenne, en de blauwe, gestippelde en stippellijnen zijn de bovenste en onderste eerste Fresnel-zones14 waar de meeste energie is gelokaliseerd.
Figuur 1: Diagram van verzendende componenten en verbindingen. Zendzijde van continue golf (CW)-kanaals sounder. Afkortingen: RF = radiofrequentie; Ref = referentie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Diagram van ontvangende componenten en verbindingen. Ontvangstzijde van continue golf (CW) kanaallood. Afkortingen: GPS = Global Positioning System; RF = radiofrequentie; Ext Ref = externe referentie; GPS Mier = GPS-antenne; Ext Trig/Ref = externe Trigger/Referentie; TCP/IP = transmissie controle protocol/internet protocol; Freq Adj = Frequentie-aangepast; DC = gelijkstroom. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: CW-kanaalloodsysteem in het laboratorium. Een benchtop-implementatie van het Institute for Telecommunication Sciences (ITS) kanaallood voor systeemvalidatie en nauwkeurigheidstests die de belangrijkste componenten laten zien. Afkortingen: VSA = vector signal analyzer; VSG = vector signaalgenerator. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: I-Q display. Frequentieaanpassing met behulp van in-fase en kwadratuur (I-Q) plot. Afkortingen: CW = continuous-wave; TimeLen = tijdsduur; I-as = infase-as; Q-as = kwadratuuras. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Verificatie- en validatiesysteem instellen. Systeeminstellingen voor verificatie- en validatiemetingen. Afkortingen: I-Q = in-fase kwadratuur; RF = radiofrequentie; Ref = referentie; GPS = Global Positioning System; Ext Trig/Ref = externe trigger/Referentie; TCP/IP = transmissie controle protocol/internet protocol; Freq Adj = frequentie aangepast; DC = gelijkstroom. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Cellular-on-wheels (COW) en meetwagen. Foto met groene bestelwagen gebruikt voor ontvangstsysteem en cellular-on-wheels (COW) gebruikt om het zendsysteem te huisvesten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Spectrum analyzer sweep en sweep average. Single sweep voor spectrum analyzer data capture bestaande uit 461 punten over een sweep-tijd van 0,5 s. Afkorting: SA = spectrum analyzer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Vector signaalanalysator ontvangen vermogen en voortschrijdend gemiddelde. In-fase en kwadratuur (I-Q) magnitudegegevens (blauw spoor) voor een klein deel van een grotere run in vergelijking met het gemiddelde vermogen (rood spoor) berekend over een venster van 0,5 s. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: VSA en SA signaaluitlijning. Uitlijning van vector signaal analyzer vermogen en spectrum analyzer vermogen. Afkortingen: VSA = vector signal analyzer; SA = spectrum analyzer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: VSA en SA ontvingen stroom na signaaluitlijning. Uitgelijnd vectorsignaalanalysatorvermogen en spectrumanalysatorvermogen versus verstreken tijd in seconden. Afkortingen: VSA = vector signal analyzer; SA = spectrum analyzer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Geolocatie van gemeten basistransmissiewinst. Gemeten basis transmissieversterking langs de aandrijfroute. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 12: Gemeten en gemodelleerde basistransmissiewinst. Gemeten basis transmissieversterking (blauwe x's), Irregular-Terrain Model (ITM) basis transmissieversterking (BTG) (zwarte +'s), vrije ruimte transmissiewinst (rode cirkels) en systeemruisvloer (roze stippen) versus verstreken tijd langs de rijroute. Afkortingen: MBTG = Gemeten basis transmissiewinst; ITG = Model met onregelmatig terrein. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 13: Terreinprofiel en eerste Fresnelzone. United States Geological Survey terreinprofiel (zwarte lijn) voor verstreken tijd 1636.2 s. De bovenste (eerste) Fresnel-zone (blauw, stippellijn) en onderste (eerste) Fresnel-zone (blauwe, stippellijn) zijn ook uitgezet samen met de zichtlijn (rode, stippellijn) tussen de zendantenne en de ontvangstantenne. Afkortingen: USGS = United States Geological Survey; NED = nationale hoogtedatabase. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
Het is erg belangrijk om een systeem te testen zoals beschreven in dit protocol voordat u probeert metingen uit te voeren in een buitenomgeving. Op deze manier kunnen eventuele slechte componenten of instabiliteiten in het meetsysteem worden opgespoord en geïdentificeerd en kunnen ze worden opgelost. De kritieke stappen in dit protocol zijn om 1) eerst de afzonderlijke componenten te testen en te controleren of ze binnen hun specificatie werken, 2) zend- en ontvangstzijden afzonderlijk te monteren en de keten van componenten te testen, 3) de zend- en ontvangstzijde te monteren door een getrapte verzwakker in te brengen en de signaalniveaus te meten terwijl de demping wordt gewijzigd om ervoor te zorgen dat de ontvangen signaalniveaus in de VSA en SA zijn zoals berekend. Verdere probleemoplossing kan worden uitgevoerd met behulp van een VSG, zoals die in de tabel met materialen, die een optie heeft om fadingsimulaties te genereren, die kunnen worden gebruikt om het systeem te testen met behulp van gesimuleerde golfvormen in verschillende fading-omgevingen die worden aangetroffen in echte propagatieomgevingen. Zodra het meetsysteem correct werkt, kunnen metingen worden uitgevoerd in een buitenomgeving met de zekerheid dat de metingen nauwkeurig zullen zijn.
Een andere belangrijke stap is het bewaken van het zendvermogen tijdens de meting om te controleren of het systeem correct werkt. De eindversterker wordt afzonderlijk gekarakteriseerd en getest om de lineariteit en out-of-band emissiespectra te begrijpen. De eindversterker kan op de tafel worden gevalideerd met de rest van de opstelling, maar er moet voor worden gezorgd dat het signaalvermogen onder het maximale nominale ingangsvermogen naar de VSA wordt teruggebracht met behulp van de juiste verzwakkers. Noch de GPS-antenne, noch de instellingen ervan mogen worden gebruikt voor laboratoriumverificatie en -validatie. Omdat het scherm van de VSA niet in staat is om real-time monitoring van de omgeving te bieden, helpt de toevoeging van een SA als een real-time monitor de huidige status van het systeem te bepalen. Er zijn verschillende soorten kanaal-klinkende meetsystemen om kanaalkenmerken voor radiosystemen vast te leggen: CW, directe puls, frequentiedomein met behulp van een VNA, correlatie-gebaseerde, swept-time delay cross-correlator.
Een beperking van dit systeem is dat een CW-signaal dat de lokale omgeving onderzoekt, geen tijddomeininformatie bevat, zoals tijdvertragingsprofielen. Een tijdvertragingsprofiel geeft informatie over de timing van bronreflecties van het signaal in de lokale omgeving. Een voordeel van het gebruik van een CW-signaal is echter dat het gemakkelijker is om toestemming te krijgen om op één frequentie in verschillende banden te verzenden met behulp van het smalbandige CW-signaal in plaats van te proberen een breedbandsignaal te verzenden. CW-systemen kunnen een groter dynamisch bereik hebben dan andere systemen en het signaal kan zich meestal verder verspreiden in de omgeving. Een CW-signaal heeft ook audiosamplingfrequenties die resulteren in kleinere bestandsgrootten dan andere soorten kanaalgeluidssystemen. Met dit systeem zijn gegevensverzamelingen continu en kunnen ze enkele uren duren. Het CW-kanaals sounder meetsysteem dat in dit artikel wordt besproken, kan op verschillende frequenties worden gebruikt, afhankelijk van het bereik van de verschillende geassembleerde componenten. Het systeem kan worden gebruikt in een buitenvermeerderingsomgeving of een binnenvermeerderingsomgeving15.
Acknowledgments
Met dank aan het Defense Spectrum Office (DSO) voor de financiering van het werk dat in dit artikel wordt gepresenteerd.
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).
