Artykuł metodologiczny

System pomiarowy sondowania kanałów o rozchodzącej się fali ciągłej - testowanie, weryfikacja i pomiary

3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/62124

⸱

25 czerwca 2021

 ,  ,  , 
1National Telecommunications and Information Administration, Institute for Telecommunication Sciences

W tym artykule

Podsumowanie

Ten raport opisuje konfigurację, walidację i weryfikację, a także wyniki pomiarów propagacji przy użyciu systemu pomiaru kanałów o częstotliwości radiowej fali ciągłej.

Streszczenie

Sygnalizatory kanałowe są używane do pomiaru charakterystyki kanałów dla systemów radiowych. Obecnie stosuje się kilka rodzajów sygnalizatorów akustycznych kanałów: fala ciągła (CW), impuls bezpośredni, domena częstotliwości wykorzystująca wektorowy analizator sieci (VNA), oparty na korelacji i korelator krzyżowy opóźnienia w czasie przemiatania. Każdy z nich ma unikalne zalety i wady. Systemy CW mają większy zakres dynamiki niż inne systemy z sygnałem, który może rozprzestrzeniać się dalej w środowisku. Ponieważ częstotliwości próbkowania dźwięku pozwalają na mniejsze rozmiary plików niż w innych systemach, zbieranie danych może być ciągłe i trwać kilka godzin. W artykule omówiono system sygnalizatora akustycznego z kanałem CW, który został wykorzystany do wykonania licznych pomiarów strat propagacyjnych w różnych miastach w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Takie pomiary propagacji powinny być dokładne, powtarzalne i wolne od artefaktów lub uprzedzeń. W tym artykule pokazano, jak skonfigurować pomiar, jak zweryfikować i zweryfikować, czy system wykonuje wiarygodne pomiary, a na koniec przedstawiono wyniki niektórych kampanii pomiarowych, takich jak pomiary powtarzalności, pomiary strat bałaganu (gdzie utrata bałaganu jest definiowana jako nadmierna strata wynikająca ze strat transmisji w wolnej przestrzeni) oraz pomiary wzajemności.

Wprowadzenie

Instytut Nauk Telekomunikacyjnych (ITS) jest laboratorium badawczym Narodowej Administracji Telekomunikacji i Informacji (NTIA), agencji Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych. ITS ma długą historię prowadzenia dokładnych, cenionych pomiarów propagacji częstotliwości radiowych (RF). Wzrostowi współdzielenia widma towarzyszy potrzeba dokładnych, powtarzalnych pomiarów, które pozwolą lepiej zrozumieć środowisko radiowe, z którego będzie musiało korzystać wiele usług. Przez ostatnie kilka lat służby wojskowe rozwijały porozumienia o współdzieleniu widma z komercyjnymi operatorami bezprzewodowymi w paśmie Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. Umożliwi to komercyjnym operatorom bezprzewodowym korzystanie z pasma AWS-3 przed stopniowym wycofywaniem usług wojskowych z tego pasma. Wykorzystanie pasma będzie koordynowane zarówno poprzez izolację geograficzną systemów, jak i modelowanie scenariuszy zakłóceń częstotliwości. Aby współdzielić to pasmo widma, konieczne są pomiary propagacji w celu opracowania i ulepszenia modeli propagacji do oceny zakłóceń RF między wojskowymi i komercyjnymi systemami bezprzewodowymi w tym paśmie.

Organizacja Defense Spectrum (DSO) jest odpowiedzialna za zarządzanie przejściem na AWS-3 i zleciła ITS i innym wykonanie serii pomiarów sondujących kanały. Pomiary te zostaną wykorzystane do budowy nowych modeli do obliczania wpływu liści i struktur stworzonych przez człowieka na środowisko (łącznie znanych jako bałagan). Ulepszone modelowanie propagacji, które uwzględnia bałagan, może prowadzić do zmniejszenia ograniczeń dotyczących komercyjnych nadajników w pobliżu systemów wojskowych. System sygnalizatora kanałowego CW omówiony w tym artykule był używany przez ostatnie pięć lat do zbierania danych pomiarowych propagacji fal radiowych i obliczania tłumienia zakłóceń. Ten system pomiarowy daje dokładne, powtarzalne i bezstronne wyniki, a DSO zachęciło ITS do podzielenia się swoją wiedzą instytucjonalną - w tym najlepszymi praktykami pomiarowymi w zakresie pomiaru i przetwarzania danych propagacji RF - z szerszą społecznością techniczną.

Najlepsze praktyki pomiarowe wymagają zrozumienia systemu od poziomu komponentu do poziomu systemu zmontowanego. Te najlepsze praktyki pomiarowe zostały udokumentowane w niedawno opublikowanym Memorandum Technicznym NTIA TM-19-5352, które opisuje zestaw najlepszych praktyk w zakresie przygotowania i weryfikacji systemów pomiaru propagacji fal radiowych. ITS niedawno zakończył artykuł JoVE na temat kalibracji VNA używanego do pomiaru strat komponentów i identyfikowania uszkodzonych komponentów dla tego systemu pomiarowego3. Ten artykuł jest kontynuacją dokumentowania tych najlepszych praktyk pomiarowych dla szerszej społeczności. Chociaż w tym artykule omówiono najlepsze praktyki dotyczące sygnalizatora akustycznego z kanałem CW, te same techniki można wykorzystać do weryfikacji innych systemów sygnalizatorów kanałowych: systemów VNA; Systemy CW; systemy oparte na korelacjach o pełnej przepustowości; systemy impulsów bezpośrednich; oraz systemy oparte na przesuwnych korelatorach4,5,6.

Ten artykuł szczegółowo opisuje, jak skonfigurować system pomiaru echosondy kanałowej CW za pomocą wektorowego analizatora sygnałów (VSA), analizatora widma (SA), dwóch oscylatorów rubidowych, miernika mocy, generatora sygnału wektorowego (VSG) oraz różnych filtrów i dzielników mocy do pomiarów w środowisku pomiarowym na zewnątrz7,8. Strona nadawcza systemu składa się z VSG, który generuje sygnał CW, który jest wzmacniany przez wzmacniacz mocy. Jest on następnie dzielony przez parę kierunkową, która przekierowuje część sygnału do miernika mocy, co pozwala użytkownikowi monitorować wyjście systemu. Reszta sygnału jest wysyłana do strony odbiorczej systemu za pośrednictwem kanału propagacji. Strona odbiorcza składa się z filtra dolnoprzepustowego w celu zmniejszenia zakłóceń i harmonicznych wytwarzanych przez wzmacniacz mocy. Przefiltrowany sygnał jest dzielony w dzielniku mocy i wprowadzany do SA w celu monitorowania podczas pomiaru wraz ze znacznikiem czasu i lokalizacją Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS). Druga połowa sygnału jest wysyłana do VSA w celu konwersji w dół na dane kwadraturowe w fazie (I-Q) w zakresie 1-5 kHz. Częstotliwość próbkowania jest określana przez instrument span9 i jest kierowana przez oczekiwane przesunięcia widma Dopplera, które są funkcją prędkości pojazdu. Wynikowe szeregi czasowe są następnie przesyłane do komputera w celu przetwarzania końcowego i analizy danych.

Zegary rubidowe są używane zarówno w nadajniku, jak i odbiorniku, aby zapewnić bardzo dokładne pomiary i bardzo stabilne częstotliwości. Zegar rubidowy po stronie odbiorczej ma precyzyjną regulację częstotliwości w celu precyzyjnego wyrównania częstotliwości nadawczych i odbiorczych. Zazwyczaj częstotliwości są dostosowywane tak, aby mieściły się w zakresie 0,1 Hz od siebie na potrzeby testów. Zegary rubidowe są niezbędne do bardzo dokładnych pomiarów propagacji CW. Zapewniają one precyzyjną dokładność podstawy czasu w trakcie pomiarów i zapobiegają dryfowi częstotliwości nadajnika i odbiornika. W tym artykule opisano również, jak zweryfikować i zweryfikować, czy system wykonuje dokładne pomiary w warunkach laboratoryjnych, zarówno z anteną, jak i bez niej, przed wykonaniem pomiarów w środowisku zewnętrznym. System został wykorzystany do obszernej serii testów zewnętrznych i wewnętrznych na częstotliwościach od 430 MHz do 5,5 GHz oraz dla wielu różnych mocy nadawczych7,8,10.

Protokół

UWAGA: System sygnalizatora kanałowego ITS jest pokazany w Rysunek 1 i Rysunek 2, a konfiguracja oceny na stole jest pokazana w Rysunek 3. Zapoznaj się z tymi liczbami podczas konfiguracji sygnalizatora akustycznego z kanałem CW, aby upewnić się, że wszystkie komponenty są prawidłowo skonfigurowane. W poniższych sekcjach wyjaśniono, jak zweryfikować i zweryfikować system przed wykonaniem pomiarów.

1. Ustawienia systemu pomiarowego

UWAGA: Ta sekcja opisuje, jak system jest skonfigurowany do pomiarów w terenie. Po pierwsze, straty systemowe zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej systemu muszą być uwzględnione i zmierzone oddzielnie przed zmontowaniem całego systemu. Następnie montowany jest cały system, a poszczególne instrumenty są konfigurowane, kalibrowane i synchronizowane w celu przygotowania do weryfikacji i walidacji laboratoryjnej.

  1. Zmierz parametry S, używając klasy VNA2, dla poszczególnych komponentów systemu przed montażem systemu:, tłumików, rozdzielaczy mocy, łączników kierunkowych i filtrów dolnoprzepustowych.
    UWAGA: Spowoduje to scharakteryzowanie strat i zidentyfikowanie uszkodzonych lub urządzenia niezgodnego ze specyfikacją.
  2. Zamontuj typu N na wyjściu wzmacniacza mocy, łącznika kierunkowego, filtra pasmowo-przepustowego i typu N, który zostanie podłączony do anteny, i użyj VNA do pomiaru łańcucha komponentów.
    UWAGA: Ten pomiar będzie obejmował odbicia wewnętrzne, które nie są widoczne przy pomiarze poszczególnych elementów za pomocą VNA.
  3. Zapisz wartość S21, która będzie liczbą ujemną i będzie używana jako straty systemu nadawczego. Użyj tych wartości, aby skorygować poziom odbieranego sygnału omówiony w sekcji reprezentatywnych wyników.
  4. Konfiguracja systemu nadawczego
    1. Podłącz wszystkie urządzenia do źródła zasilania: zasilacza awaryjnego (UPS) lub zestawu gniazdek zabezpieczonych przed przepięciami. Upewnij się, że wszystkie instrumenty są wyłączone podczas łączenia komponentów ze sobą.
    2. Zmontuj sprzęt nadawczy (Rysunek 1).
      1. Podłącz wyjście 10 MHz oscylatora rubidowego do portu Ref IN VSG za pomocą Bayonet-Neill-Concelman (BNC). Podłącz port RF OUT VSG do wejścia portu IN łącznika kierunkowego za pomocą typu N. Żadna moc amplifier nie jest wkładany aż do kroku 3.2 protokołu.
      2. Podłącz port OUT łącznika kierunkowego do odpowiedniego filtra pasmowoprzepustowego portu wejściowego (w razie potrzeby) za pomocą złącza żeńskiego typu N na żeńskie.
        UWAGA: Filtr pasmowoprzepustowy służy do minimalizacji częstotliwości harmonicznych w innych pasmach.
  5. Zmontuj typu N, który będzie podłączony do anteny odbiorczej, filtra, między filtrem a rozdzielaczem zasilania oraz typu N, który będzie podłączony do VSA; użyj VNA do pomiaru tego układu komponentów.
  6. Wykonaj ten sam pomiar, ale za pomocą tych samych komponentów podłączonych do SA. Zapisz wartości S21, które będą używane jako straty systemu odbiorczego po stronie VSA rozgałęźnika mocy i po stronie SA rozgałęźnika mocy. Użyj tych wartości, aby skorygować poziom odbieranego sygnału omówiony w sekcji reprezentatywnych wyników.
  7. Konfiguracja systemu odbiorczego
    1. Podłącz wszystkie urządzenia do źródła zasilania: zasilacza UPS lub zestawu gniazdek zabezpieczonych przed przepięciami. Upewnij się, że wszystkie instrumenty są wyłączone podczas łączenia komponentów ze sobą.
    2. Zmontuj sprzęt odbiorczy (Rysunek 2).
      1. Podłącz typu N do wejścia filtra pasmowoprzepustowego. Podłącz wyjście filtra pasmowoprzepustowego do wejścia dzielnika mocy (port 1).
      2. Podłącz port 2 dzielnika mocy do portu RF IN w VSA. Podłącz port 3 dzielnika mocy do portu RF IN w SA.
      3. Za pomocą przewodu BNC do wtyczki bananowej podłącz regulację częstotliwości oscylatora rubidowego do wyjścia DC OUT zasilacza prądu stałego (DC).
      4. Podłącz wyjście oscylatora rubidowego 10 MHz do portu Ext Ref In w VSA za pomocą BNC. Podłącz wyjście 10 MHz oscylatora rubidowego do portu Ext Trig/Ref In w analizatorze widma.
  8. Włącz VSG i upewnij się, że jest ustawiony na RF OFF. Włącz miernik mocy. Włącz wszystkie instrumenty i pozwól im się rozgrzać przez godzinę przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów.
  9. Skonfiguruj VSA w trybie VSA 89601B. W trybie VSA ustaw częstotliwość środkową na interesującą Cię częstotliwość CW. Na koniec wybierz liczbę punktów wykonanych z myślą o żądanej długości całego pomiaru.
    UWAGA: Chociaż system działa w trybie CW, zakres musi być ustawiony tak, aby uchwycić wszelkie przesunięcia dopplerowskie i zanikanie. Szerokość pasma rozdzielczości określa filtr używany przez VSA do pomiaru mocy w miarę przemiatania przez zakres częstotliwości, więc wybór pasma o niskiej rozdzielczości pozwala na bardziej precyzyjny pomiar. W zamian za to mniejsza przepustowość rozdzielczości zajmuje więcej czasu na punkt.
  10. Skonfiguruj VSA z następującymi ustawieniami: wybierz tryb VSA 89601B; częstotliwość środkowa: Freq MHz (np. 1770 MHz); zakres: 3 kHz; Czas oczekiwania: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; NumPts: max (491026 pkt, 409601 pkt) - zależy od VSA; Rng: -42 dBm; górna wartość górnej skali wykresu: -30 dBm.
  11. Upewnij się, że SA jest kontrolowane przez oprogramowanie sterujące instrumentem, które wykorzystuje programowalne standardowe polecenia dla poleceń programowalnych instrumentów (SCPI), tak aby ciągłe przemiatanie mogło być zbierane i zapisywane.
    1. Ustaw skojarzenie zabezpieczeń w taki sposób, aby częstotliwości początkowe i końcowe były zgodne z częstotliwością środkową VSA. Ponieważ RBW w podobny sposób określa rozmiar filtra używanego przez skojarzenie zabezpieczeń, ustaw RBW na tę samą wartość, co zakres pomiaru VSA.
    2. Ustaw przepustowość wideo na tę samą wartość, co szerokość pasma rozdzielczości i tryb wykrywania próbkowania, aby rejestrować nieuśrednione dane. Pozostaw tłumienie wyłączone, upewniając się, że SA nie będzie przeciążone, i pozostaw włączony przedwzmacniacz
      3. .
    3. Skonfiguruj skojarzenie zabezpieczeń z następującymi elementami dla każdego przebiegu: StartFreq: taka sama częstotliwość środkowa jak w konfiguracji VSA (np. 1770 MHz); StopFreq: taka sama częstotliwość środkowa jak w konfiguracji VSA (np. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detektor: próbka; czas przemiatania: 500 ms; pkt/ślad: 461; przedwzmacniacz włączony; tłumienie: 0; automatyczne tłumienie: wyłączone.
    4. W skojarzeniu zabezpieczeń naciśnij Enter, aby uzyskać dostęp do menu. Włącz odniesienie zewnętrzne, naciskając przycisk Shift i wybierając przycisk System na analizatorze widma. Następnie wybierz pozycję Więcej | Ustawienia portów | Wejście zewnętrzne | Ref za pomocą programowych w pobliżu ekranu.
  12. Skonfiguruj VSG, wybierając wyjście CW.
    1. Ustaw częstotliwość na 1770 MHz. Postępuj zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 4.22, aby określić zakres liniowy wzmacniacza mocy.
    2. Ustaw amplitudę wyjściową VSG na -4 dBm, górną granicę zakresu liniowego wzmacniacza mocy.
  13. Skalibruj miernik mocy.
    1. Podłącz głowicę miernika mocy do portu odniesienia (kanał A lub B), a drugi koniec miernika mocy do portu pomiarowego.
    2. Ustaw częstotliwość miernika mocy na 1770 MHz dla portu odniesienia używanego powyżej. Wyzeruj i skalibruj miernik mocy. Upewnij się, że odczyt miernika mocy mieści się w zakresie 0.2 dB od 0 dBm.
    3. Odłącz głowicę miernika mocy od portu odniesienia i podłącz głowicę miernika mocy do wyjścia tłumika pokazanego na Rysunek 1.
  14. Kalibracja VSA: Narzędzia | Kalibracja | Kalibracja. Włącz RF VSG.
    UWAGA: Upewnij się, że w analizatorze widma jest sygnał. Jeśli poziom sygnału spadnie do -120 dBm, odniesienie zewnętrzne nie jest włączone. Jeśli sygnał jest zbyt silny, przeciąży system odbiorczy i uszkodzi VSA lub SA. Należy pamiętać o maksymalnych poziomach sygnału wejściowego (zwykle wyświetlanych z przodu instrumentu) i pozostać co najmniej 10 dB poniżej tego poziomu.
  15. Zsynchronizuj oscylatory rubidowe, ustawiając napięcie, ale nie przekraczaj maksymalnego napięcia wejściowego dozwolonego na porcie synchronizacji rubidu.
    1. Zmień TimeLen na górnym wykresie na ekranie VSA na 100 ms. Ustaw oś y na dolnym wykresie na I-Q.
    2. Naciśnij Prąd/Voltage na przednim panelu zasilacza. Zmieniaj napięcie po trochu i obserwuj kropkę na ekranie VSA: jeśli obraca się w przód iw tył, nic nie rób, częstotliwości są wyrównane. Jeśli obraca się konsekwentnie w jednym kierunku, zmieniaj odczyt miernika mocy (napięcie), aż kropka na wykresie I-Q zacznie zwalniać i będzie się powoli poruszać w przód iw tył (ruch wahadła) (Rysunek 4).
    3. Ustaw wartość TimeLen na górnym wykresie na ekranie VSA z powrotem na 1 s i ustaw oś y z powrotem na Log Magnitude.
  16. Wykonaj 10 rekordów akwizycji na skojarzeniu zabezpieczeń, aby sprawdzić, czy wszystkie parametry zostały ustawione poprawnie i czy poziom sygnału na ekranie SA odpowiada poziomowi sygnału na dolnym ekranie VSA.

2. Weryfikacja i walidacja laboratorium

  1. Bez podłączania anten włóż zmienny tłumik między stronę nadawczą systemu a stronę odbiorczą systemu (Rysunek 5). Wyjmij wzmacniacz mocy z ustawień pomiarowych w celu tej weryfikacji.
  2. Ustaw stopniowane tłumienie tłumika na 0 dB, a liczbę nagrań na wejściu VSA > nagrywaniu na 120.
    UWAGA: Jeden rekord jest równy >TimeLen ustawionemu w VSA.
  3. Ustaw liczbę zamiatania w skojarzeniu zabezpieczeń na 120 rekordów. Zmień amplitudę wyjściową VSG na 0 dBm i naciśnij przycisk RF ON na VSG.
  4. Ustaw znacznik szczytu, aby znaleźć wartość siły sygnału i sprawdź, czy sygnał jest widoczny w VSA. Uruchom VSA, naciskając przycisk nagrywania u góry ekranu. Rozpocznij pomiar SA za pomocą oprogramowania sterującego przyrządem.
  5. Zmień tłumik stopniowany na 10 dB i powtórz kroki 4-10. Przejrzyj wszystkie ustawienia tłumika stopniowego i zapisz wartości dla każdego ustawienia tłumienia.
    UWAGA: Gdy tłumik zbliża się do 90 do 110 dB, sygnał będzie stawał się głośniejszy, gdy zbliża się do poziomu szumów systemu instrumentu. Wartości pomiarowe w pobliżu poziomu szumów systemu będą bardzo zmienne.
  6. Aby zweryfikować poziomy odebranego sygnału VSA, oblicz średnią okienkową 0,5 s do rekordu VSA 120 s i uśrednij każde przemiatanie SA. Dodaj poziom mocy wyjściowej VSG, straty systemu po stronie nadawczej i odbiorczej oraz ustawienie tłumika stopniowego.
    UWAGA: Wartość powyższej sumy w kroku 2.6 powinna być równa uśrednionym poziomom odbieranego sygnału zarejestrowanym przez VSA i SA w granicach 0,5 dB, dla stopniowanych tłumień mniejszych niż 80 dB. Jeśli tak się nie stanie, wróć i ponownie zmierz straty systemowe.

3. Pomiary terenowe

UWAGA: Zawsze testuj i weryfikuj system przed każdą kampanią pomiarową.

  1. Wykonaj kroki 1.1-1.3 przed każdą nową kampanią pomiarową i skonfiguruj stronę nadawczą systemu, jak omówiono w sekcji 1.4.
    UWAGA: Jest on zwykle umieszczony w sieci komórkowej na kółkach (COW), która pozostaje nieruchoma podczas pomiarów.
  2. Podłącz wzmacniacz mocy między VSG a łącznikiem kierunkowym, jak opisano w kroku 1.4.2.1.
    1. Użyj łącznika kierunkowego, który poradzi sobie z poziomami mocy generowanymi przez wzmacniacz mocy. Dodaj tłumik 50 dB do sprzęgacza kierunkowego na sprzężonym porcie, aby pozostać w określonych poziomach mocy wejściowej miernika mocy, i podłącz miernik mocy do tego portu. Podłącz wyjściowy typu N od łącznika kierunkowego do anteny nadawczej.
    2. Skonfiguruj stronę odbiorczą systemu, zgodnie z opisem w krokach 1.5-1.6, wewnątrz pojazdu mobilnego. Podłącz antenę odbiorczą do typu N podłączonego do filtra.
    3. Oprócz kroków konfiguracji SA 1.11.3-1.11.4 antena GPS musi być skonfigurowana w SA.
      1. Włącz zapis GPS: Ustawienia pomiarów | Włącz zapis GPS | Standardowy GPS.
      2. Włącz GPS w analizatorze widma, przytrzymując przycisk Shift i wybierając przycisk System na analizatorze widma. Następnie wybierz pozycję Więcej | Odbiornik GPS | GPS-ON I GPS Info-ON za pomocą programowych w pobliżu ekranu.
      3. Umieść antenę GPS na dachu odbiornika pojazdu pomiarowego. Upewnij się, że oprogramowanie pomiarowe odczytuje również ciągi NMEA z GPS dla każdego przebiegu.
  3. Kontynuuj konfigurację zgodnie z opisem w krokach 1.11-1.17 i ustaw liczbę rekordów w menu VSA Input | Nagrywanie na podstawie szacowanego czasu pomiaru. Ustaw liczbę rekordów skojarzenia zabezpieczeń na liczbę rekordów VSA plus około 300 rekordów, zwracając uwagę, że skojarzenie zabezpieczeń jest zamiatane wolniej niż rekord VSA.
  4. Rozpocznij pomiar od pierwszego uruchomienia VSA, naciskając przycisk nagrywania u góry ekranu. Rozpocznij pomiar analizatorem widma.
  5. Po pomiarze zapisz nagranie VSA file | Zapisz | Zapisz nagranie. Opcje zapisu | Zapisz nagłówki z danymi. Zapisując plik, dołącz _VSA na końcu pliku. Zmień nazwę pliku danych analizatora widma, aby była zgodna z nazwą pliku VSA, ale dołącz _SA dla analizatora widma.

Wyniki

Poniższe wyniki uzyskano podczas weryfikacji terenowej przedstawionego systemu. Nadajnik znajdował się na Kohler Mesa, za laboratoriami Department of Commerce Boulder Laboratories w Boulder w Kolorado. Odbiornik był transportowany przez Boulder w Kolorado w specjalnie zaprojektowanym pojeździe pomiarowym (patrz Rysunek 6), a pomiary prowadzono w sposób ciągły. Analizator widma (SA) przechowuje dane z przeskanowania w formacie logarytmicznym wielkości w strukturze danych zdarzeń, natomiast dane GPS są przechowywane w oddzielnej strukturze danych zdarzeń w tym samym pliku. Przykład danych dla jednego przeskanowania pokazano na Rysunku 7. Przechowywane dane są przeliczane na liniową moc w watach; obliczana jest średnia dla wszystkich punktów w tym przeskanowaniu, a następnie konwertowana z powrotem na wielkość logarytmiczną. Informacje GPS są przypisane do tej wartości średniej dla przeskanowania, oznaczonego czerwonym krzyżykiem X przy wartości −71.5 dBm. Proces ten jest powtarzany dla każdego przeskanowania w pliku.

Następnie dane I-Q pasma podstawowego z VSA są przetwarzane zgodnie z równaniem 1. Moc w dBm jest obliczana dla każdej próbki I-Q. W tym kroku VSA zbiera dane szczytowe, które muszą zostać przeliczone na dBm.

Wzór na obliczanie mocy w decybelach-miliwatach; równanie dla PRMS_dBm w inżynierii elektrycznej.(1)

Podczas pomiaru dane pasma podstawowego I-Q są zapisywane w pliku tymczasowym. VSA nie pozyskuje informacji GPS. Długość pliku jest dobierana tak, aby liczba żądanych rekordów była równa liczbie sekund czasu jazdy. Po zakończeniu pomiaru dane są zapisywane w pliku o strukturze zaprogramowanej przez twórców oprogramowania VSA. Dane zapisane w tym pliku obejmują różnicę czasu między próbkami pomiarowymi, częstotliwość oraz złożone próbki danych. Etap przetwarzania obejmuje wygładzanie amplitudy danych pasma podstawowego I-Q w oknie 500 ms dla całego zestawu danych, aby przybliżyć dystans jazdy odpowiadający 40 długościom fali. Rysunek 8 przedstawia porównanie wygładzonej średniej mocy z surowymi danymi dla większej części testu jazdy. Surowe dane przedstawiono na niebieskiej linii, a wygładzoną średnią moc na linii czerwonej.

Zestawy danych VSA i SA są dopasowane za pomocą splotu kołowego. Punkt danych VSA dla każdej sekundy jest dopasowany do próbek SA generowanych w każdej sekundzie, aby przenieść współrzędne GPS z danych SA na punkty danych VSA. Model regresji liniowej dopasowuje dane poprzez minimalizację rezyduów pomiędzy zmierzonymi poziomami mocy obu zestawów danych. Dopasowane dane są przedstawione na wykresie, gdzie na osi x naniesiono moc SA w dBm, a na osi y moc VSA w dBm (Rysunek 9). Ponieważ poziom szumów systemu SA jest wyższy niż poziom szumów systemu VSA, na wykresie pojawi się zakrzywienie w dół w punktach poniżej około -115 dBm dla zestawów danych zbliżonych do poziomu szumów. Rysunek 9 oraz Rysunek 10 przedstawiają dopasowanie mocy VSA i mocy SA w funkcji upływu czasu w sekundach. Znacznik czasu GPS ze średniej mocy SA jest następnie przypisany do pierwszego punktu danych w serii danych mocy VSA wygładzonej średnią. Przesunięcie pionowe między dwoma zestawami danych zostaje wyeliminowane poprzez korektę strat w kablu od dzielnika mocy do SA; jednak, ponieważ wykorzystywane są jedynie dane VSA ze znacznikiem czasu, ten dodatkowy krok jest zbędny. Dane te są następnie zapisywane i wykorzystywane w modelu Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 do przewidywania strat terenowych. Dane VSA są korygowane poprzez dodanie strat systemowych i odjęcie wzmocnień systemowych, aby uzyskać zmierzoną podstawową stratę transmisji (BTL) lub podstawowe wzmocnienie transmisji (BTG) wzdłuż trasy przejazdu, jak pokazano na Rysunku 11 i Rysunku 12 oraz zgodnie z równaniem 2.

Wzór BTL: BTL(dB)=Pt-Pr+(Gt-Lt)+(Gr-Lr); równanie analizy strat sygnału.(2)

gdzie BTL to podstawowa strata transmisji, Pt i Pr to moce nadawcza i odbiorcza w dBm, Gt i Gr to odpowiednio zyski anteny nadawczej i odbiorczej w dBi, a Lt i Lr to odpowiednio straty systemowe dla systemu nadawczego i systemu odbiorczego w dB.

Na Rysunku 11 fioletowa gwiazdka oznacza miejsce nadawania. Żółte i fioletowe kropki reprezentują odpowiednio najwyższy i najniższy poziom odebranego sygnału. Wykres zmierzonego BTG (czarne x), BTG modelowanego w ITM (niebieskie +), wzmocnienia transmisji w wolnej przestrzeni (FSTG) (czerwone okręgi) oraz poziomu szumów systemu (różowe kropki) przedstawiono na Rysunku 12. Gdy BTG z modelu ITM jest równe FSTG, nie występują oddziaływania terenu, a wszystkie straty (różnica między FSTG a MBTG) mogą być przypisane budynkom, roślinności lub innym oddziaływaniom z otoczeniem. Jest to pokazane na Rysunku 13, gdzie czarna linia to teren pobrany z bazy danych terenowych USGS13, czerwona przerywana linia to linia bezpośredniej widoczności (LOS) między anteną nadawczą a odbiorczą, a niebieskie linie kropkowano-przerywane to górna i dolna pierwsza strefa Fresnela14, w której zlokalizowana jest większość energii.

Schemat układu częstotliwości radiowej; generowanie sygnału, wzmacnianie, filtrowanie przed transmisją.
Rycina 1: Schemat komponentów nadawczych i połączeń. Strona nadawcza sondy akustycznej z kanałem fali ciągłej (CW). Skróty: RF = częstotliwość radiowa; Ref = referencja. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat analizy RF z analizatorem sygnałów wektorowych, analizatorem widma, GPS, filtrem pasmowo-przepustowym, dzielnikiem mocy.
Rysunek 2: Schemat komponentów odbiorczych i połączeń. Strona odbiorcza sondy kanału fali ciągłej (CW). Skróty: GPS = Global Positioning System; RF = radio frequency; Ext Ref = external reference; GPS Ant = antena GPS; Ext Trig/Ref = external Trigger/Reference; TCP/IP = transmission control protocol/internet protocol; Freq Adj = Frequency-adjusted; DC = direct current. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Układ spektroskopowy z analizatorem widma, zegarami rubidowymi, VSA, VSG i wzmacniaczem mocy.
Rysunek 3: System sondowania kanału CW w laboratorium. Laboratoryjna konfiguracja sondy kanału opracowanej przez Institute for Telecommunication Sciences (ITS) do walidacji systemu i testów dokładności, przedstawiająca główne komponenty. Skróty: VSA = wektorowy analizator widma; VSG = wektorowy generator sygnałów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza w dziedzinie częstotliwości i czasu, wykres; pokazujący moc w funkcji częstotliwości oraz ruch posprzeczny.
Rycina 4: Wyświetlacz I-Q. Regulacja częstotliwości z wykorzystaniem wykresu składowej w fazie i kwadraturowej (I-Q). Skróty: CW = fala ciągła; TimeLen = długość czasu; I-axis = oś w fazie; Q-axis = oś kwadraturowa. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Schemat systemu RF z miernikiem mocy, oscylatorem rubidowym, konfiguracją analizatora sygnałów, integracją anteny GPS.
Rysunek 5: Konfiguracja systemu weryfikacji i walidacji. Konfiguracja systemu do pomiarów weryfikacyjnych i walidacyjnych. Skróty: I-Q = kwadratura w fazie; RF = częstotliwość radiowa; Ref = referencja; GPS = Global Positioning System; Ext Trig/Ref = zewnętrzny wyzwalacz/referencja; TCP/IP = protokół sterowania transmisją/protokół internetowy; Freq Adj = częstotliwość dostrojona; DC = prąd stały. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Konfiguracja mobilnej stacji pogodowej, wysoka antena, furgonetka do zbierania danych, zewnętrzny monitoring środowiskowy.
Rycina 6: Mobilna stacja bazowa (COW) i furgonetka pomiarowa. Zdjęcie przedstawia zieloną furgonetkę wykorzystywaną jako system odbiorczy oraz mobilną stację bazową (COW), w której mieści się system nadawczy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres analizy sygnału przedstawiający amplitudę w funkcji punktów sweep dla sweep SA i średniej z sweepu.
Rycina 7: Sweep i średnia z sweepu analizatora widma. Pojedynczy sweep dla przechwytywania danych z analizatora widma, składający się z 461 punktów przy czasie sweepu 0,5 s. Skrót: SA = analizator widma (spectrum analyzer). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres czasu w funkcji mocy odebranej, porównanie danych surowych i wygładzonych, analiza sygnału, skala dBm.
Rycina 8: Moc odebrana analizatorem sygnałów wektorowych i średnia krocząca. Dane amplitudy składowej w fazie i kwadraturowej (I-Q) (ślad niebieski) dla niewielkiego fragmentu dłuższego pomiaru w porównaniu z mocą średnią (ślad czerwony) obliczoną w oknie 0,5 s. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres korelacji mocy, VSA vs SA, reszty 43,2561, wyniki analizy regresji liniowej.
Rysunek 9: Dopasowanie sygnałów VSA i SA. Dopasowanie mocy wektorowego analizatora sygnałów i analizatora widma. Skróty: VSA = wektorowy analizator sygnałów; SA = analizator widma. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Szereg czasowy mocy odebranej (dBm); analiza danych na wykresie dla metody SA i VSA.
Rysunek 10: Moc odebrana VSA i SA po wyrównaniu sygnału. Moc z wektorowego analizatora sygnałów i analizatora widma w funkcji upływu czasu w sekundach. Skróty: VSA = wektorowy analizator sygnałów; SA = analizator widma. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Mapa wzmocnienia transmisji radiowej pokazująca poziomy dB, podkład OpenStreetMap, zaznaczona lokalizacja, trasa sygnału.
Rysunek 11: Geolokalizacja zmierzonego podstawowego wzmocnienia transmisji. Zmierzone podstawowe wzmocnienie transmisji wzdłuż trasy przejazdu. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres wzmocnienia transmisji w funkcji czasu; MBTG, przestrzeń swobodna, ITM, analiza poziomu szumów w dB.
Rycina 12: Zmierzone i zamodelowane podstawowe wzmocnienie transmisji. Zmierzone podstawowe wzmocnienie transmisji (niebieskie x), podstawowe wzmocnienie transmisji (BTG) według modelu terenu nieregularnego (ITM) (czarne +), wzmocnienie transmisji w przestrzeni swobodnej (czerwone kółka) oraz poziom szumów systemu (różowe kropki) w funkcji czasu upływającego wzdłuż trasy przejazdu. Skróty: MBTG = zmierzone podstawowe wzmocnienie transmisji; ITM = model terenu nieregularnego (Irregular-Terrain Model). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres profilu terenu; wysokość względem odległości z zaznaczonymi strefami Fresnela, linią widoczności i zbiorem danych NED.
Rycina 13: Profil terenu i pierwsza strefa Fresnela. Profil terenu United States Geological Survey (linia czarna) dla czasu 1636,2 s. Górna (pierwsza) strefa Fresnela (linia niebieska, kropkowana) oraz dolna (pierwsza) strefa Fresnela (linia niebieska, przerywana) są naniesione wraz z linią widoczności (linia czerwona, przerywana) pomiędzy anteną nadawczą a anteną odbiorczą. Skróty: USGS = United States Geological Survey; NED = national elevation database. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Bardzo ważne jest, aby przetestować system zgodnie z opisem w tym protokole przed próbą wykonania pomiarów w środowisku zewnętrznym. W ten sposób wszelkie uszkodzone komponenty lub niestabilności mogą być śledzone i identyfikowane w systemie pomiarowym oraz mogą być usuwane. Krytycznymi krokami w tym protokole są: 1) najpierw przetestowanie poszczególnych komponentów i sprawdzenie, czy działają zgodnie ze swoją specyfikacją, 2) oddzielne zmontowanie strony nadawczej i odbiorczej oraz przetestowanie łańcucha komponentów, 3) zmontowanie strony nadawczej i odbiorczej poprzez włożenie stopniowanego tłumika i zmierzenie poziomów sygnału w miarę zmiany tłumienia, aby upewnić się, że odbierane poziomy sygnału w VSA i SA są zgodne z obliczeniami. Dalsze rozwiązywanie problemów można przeprowadzić za pomocą VSG, takiego jak ten pokazany w Tabeli materiałów, który ma opcję generowania symulacji zanikania, które można wykorzystać do przetestowania systemu przy użyciu symulowanych przebiegów w różnych środowiskach zanikania występujących w rzeczywistych środowiskach propagacji. Gdy system pomiarowy działa prawidłowo, pomiary można wykonywać w środowisku zewnętrznym, mając pewność, że pomiary będą dokładne.

Kolejnym ważnym krokiem jest monitorowanie mocy nadawczej przez cały czas trwania pomiaru, aby sprawdzić, czy system działa prawidłowo. Wzmacniacz mocy jest charakteryzowany i testowany oddzielnie, aby zrozumieć jego liniowość i widma emisji poza pasmem. Wzmacniacz mocy może być walidowany na blacie stołu z resztą konfiguracji, ale należy zachować ostrożność, aby zmniejszyć moc sygnału poniżej maksymalnej znamionowej mocy wejściowej do VSA przy użyciu odpowiednio dobranych tłumików. Ani antena GPS, ani jej ustawienia nie powinny być używane do weryfikacji i walidacji laboratoryjnej. Ponieważ ekran VSA nie jest w stanie zapewnić monitorowania środowiska w czasie rzeczywistym, dodanie skojarzenia zabezpieczeń jako monitora w czasie rzeczywistym pomaga określić bieżący stan systemu. Istnieje kilka rodzajów systemów pomiarowych sondujących kanały, które rejestrują charakterystykę kanałów dla systemów radiowych: CW, impuls bezpośredni, dziedzina częstotliwości za pomocą VNA, oparty na korelacji, korelator krzyżowy opóźnienia w czasie wymiatania.

Jednym z ograniczeń tego systemu jest to, że sygnał CW sondujący środowisko lokalne nie zawiera informacji w dziedzinie czasu, takich jak profile opóźnienia czasowego. Profil opóźnienia czasowego dostarcza informacji o czasie odbić sygnału od źródła w środowisku lokalnym. Jednak zaletą korzystania z sygnału CW jest to, że łatwiej jest uzyskać pozwolenie na nadawanie na jednej częstotliwości w różnych pasmach przy użyciu wąskopasmowego sygnału CW niż próbować przesyłać sygnał szerokopasmowy. Systemy CW mogą mieć większy zakres dynamiki niż inne systemy, a sygnał może zwykle rozchodzić się dalej w środowisku. Sygnał CW ma również częstotliwości próbkowania dźwięku, które skutkują mniejszymi rozmiarami plików niż inne typy systemów dźwiękowych kanałów. Dzięki temu systemowi zbieranie danych jest ciągłe i może trwać kilka godzin. Omawiany w tym artykule system pomiarowy sygnalizatora akustycznego z kanałem CW może być używany na różnych częstotliwościach, w zależności od zasięgu różnych montowanych komponentów. System może być używany w środowisku propagacji na zewnątrz lub w środowisku propagacji wewnątrz15.

Podziękowania

Podziękowania dla Defense Spectrum Office (DSO) za sfinansowanie pracy przedstawionej w tym artykule.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
OkablowanieMicro-CoaxRóżne długości
Łącznik kierunkowyAnatech Electronics, Inc.
AM1650DC833 Filtr 1K& L Kuchenka mikrofalowa, Inc.Antena GPS 8FV50-1802-T95-O/O
TrimblePołączenie SMA z SA
Instrument Control & Oprogramowanie do przetwarzaniaMATLABSłuży do przechowywania i przetwarzania danych pomiarowych
Wzmacniacz mocyOphir RF5263-003
Rozdzielacz mocyMini-obwodyZAPD-20 +
Miernik mocy i czujnik mocyKeysightE4417A/E4412A Antena
odbiorczaCobhamOA2-0,3-10,0V/1505
Częstotliwość rubidu StandardowesystemyFS725
SAAgilentN9344C
Antena nadawczaCOMTELCOBS1710XL6
Wektorowy generator sygnałuRohde & SMIQ
VSAKeysight TechnologiesN9030A
badawcze Stanford

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

ciągły nadajnik fal dla sondowania kanałówpomiary propagacjiwektorowy analizator siecianalizator widmastraty transmisjitłumienie ścieżkistraty z powodu odbić od przeszkódpomiary wzajemnościweryfikacja systemu RF
System pomiarowy sondowania kanałów o rozchodzącej się fali ciągłej - testowanie, weryfikacja i pomiary
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.