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

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 korelatorach^4,5,6.

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 zewnątrz^7,8. 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 nadawczych^7,8,10.

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. 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

Następujące wyniki zostały uzyskane podczas weryfikacji terenowej prezentowanego systemu. Nadajnik znajdował się na Kohler Mesa za Boulder Laboratories Departamentu Handlu w Boulder w stanie Kolorado. Odbiornik został przewieziony przez Boulder w stanie Kolorado w specjalnie zaprojektowanym pojeździe pomiarowym (patrz Rysunek 6), a pomiary ciągłe były wykonywane. Skojarzenie zabezpieczeń przechowuje dane przemiatane w formacie logarytmu wielkości w strukturze danych zdarzenia, podczas gdy dane GPS są przechowywane w oddzielnej strukturze danych zdarzenia w tym samym pliku. Przykład danych dla jednego zamiatania jest pokazany w Rysunek 7. Przechowywane dane są przekształcane na moc liniową w watach; Średnia jest obliczana dla wszystkich punktów w tym przebiegu, a następnie przekształcana z powrotem na logarytmiczną wielkość. Informacje GPS są przypisane do tej średniej wartości przemiatania pokazanej przez czerwony X przy wartości −71,5 dBm. Ten proces jest wykonywany dla każdego zamiatania w pliku.

Następnie, dane I-Q pasma podstawowego z VSA są przetwarzane tak, jak pokazano w równaniu 1. Moc w dBm jest obliczana dla każdej próbki I-Q. Na tym etapie VSA zbiera dane szczytowe, które należy przekonwertować na dBm.

(1)

Podczas pomiaru, dane I-Q pasma podstawowego są przechowywane w pliku tymczasowym. VSA nie pobiera żadnych informacji GPS. Długość pliku jest wybierana w taki sposób, aby liczba żądanych rekordów była równa liczbie sekund czasu dysku. Po zakończeniu pomiaru dane są zapisywane do pliku, którego struktura jest wstępnie zaprogramowana przez twórców oprogramowania VSA. Dane zapisane w tym pliku obejmują różnicę czasu między próbkami pomiarowymi, częstotliwość i złożone próbki danych. Etap przetwarzania polega na wygładzeniu wielkości danych I-Q pasma podstawowego w oknie 500 ms dla całego zestawu danych w celu przybliżenia odległości jazdy o długości 40 długości fali. Rysunek 8 pokazuje, jak wygładzona średnia moc wypada w porównaniu z surowymi danymi dla większej części testu dysku. Surowe dane są pokazane przez niebieską ścieżkę, a wygładzona średnia moc jest pokazana przez czerwoną ścieżkę.

Zestawy danych VSA i SA są wyrównane za pomocą konwolucji kołowej. Punkt danych VSA w każdej sekundzie jest wyrównywany z próbkami SA generowanymi co sekundę w celu przeniesienia współrzędnych GPS z SA do punktów danych VSA. Model regresji liniowej wyrównuje dane, minimalizując resztki między zmierzonymi poziomami mocy dwóch zestawów danych. Wyrównane dane są prezentowane poprzez wykreślenie mocy SA w dBm na osi x i mocy VSA w dBm na osi y (Rysunek 9). Ponieważ poziom szumów systemu SA jest wyższy niż poziom szumów systemu VSA, wykres pokaże krzywiznę w dół w punktach poniżej około -115 dBm dla zestawów danych znajdujących się blisko poziomu szumów. Rysunek 9 i Rysunek 10 pokazuje wyrównanie mocy VSA i mocy SA w stosunku do czasu, który upłynął w sekundach. Znacznik czasu GPS ze średniej mocy SA jest następnie dołączany do pierwszego punktu danych serii danych VSA o średniej wygładzonej mocy. Przesunięcie pionowe między dwoma zestawami danych jest eliminowane przez korektę strat od dzielnika mocy do SA; jednakże, ponieważ używane są tylko dane VSA ze znacznikiem czasu, ten dodatkowy krok jest niepotrzebny. Dane te są następnie zapisywane i wykorzystywane w Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)^11,12 do przewidywania strat terenu. Dane VSA są korygowane przez dodanie strat systemowych i usunięcie zysków systemowych w celu uzyskania zmierzonej podstawowej straty transmisji (BTL) lub podstawowego wzmocnienia transmisji (BTG) wzdłuż trasy jazdy, jak pokazano na Rysunek 11 i Rysunek 12 i podane równaniem 2.

(2)

gdzie, BTL to podstawowa strata transmisyjna, P_t i P_r to moc nadawcza i odbiorcza w dBm, G_t i G_r to zyski anten nadawczych i odbiorczych odpowiednio w dBi, a L_t i L_r to straty systemowe dla systemu nadawczego i odbiorczego w dB, odpowiednio.

W Rysunek 11, fioletowa gwiazda to miejsce transmisji. Żółte i fioletowe kropki reprezentują odpowiednio najwyższy i najniższy odbierany poziom sygnału. Wykres zmierzonego BTG (czarne x), modelowanego przez ITM BTG (niebieskie +), wzmocnienia transmisji w wolnej przestrzeni (FSTG) (czerwone kółka) i poziomu szumów systemu (różowe kropki) pokazano w Rysunek 12. Gdy ITM BTG jest równy FSTG, nie ma interakcji z terenem, a wszystkie straty (różnica między FSTG a MBTG) można założyć, że pochodzą z budynków, listowia lub innych interakcji z otaczającym środowiskiem. Jest to pokazane na Rysunek 13, gdzie linia to teren pobrany z bazy danych terenu USGS¹³, czerwona, przerywana linia to linia wzroku (LOS) między anteną nadawczą a odbiorczą, a niebieska, przerywana i przerywana linia to górna i dolna pierwsza strefa Fresnela¹⁴, gdzie zlokalizowana jest większość energii.

Rysunek 1: Schemat komponentów i połączeń transmisyjnych. Strona nadawcza sygnalizatora akustycznego kanału o fali ciągłej (CW). Skróty: RF = częstotliwość radiowa; Ref = odniesienie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat komponentów odbiorczych i połączeń. Strona odbiorcza sygnalizatora akustycznego kanału o fali ciągłej (CW). Skróty: GPS = Globalny System Pozycjonowania; RF = częstotliwość radiowa; Ext Ref = odniesienie zewnętrzne; GPS Ant = antena GPS; Ext Trig/Ref = zewnętrzny wyzwalacz/odniesienie; TCP/IP = protokół kontroli transmisji/protokół internetowy; Regulacja częstotliwości = Regulacja częstotliwości; DC = prąd stały. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: System sygnalizatora kanałowego CW w laboratorium. Laboratoryjne wdrożenie sygnalizatora kanałowego Instytutu Nauk Telekomunikacyjnych (ITS) do walidacji systemu i testowania dokładności pokazującego główne komponenty. Skróty: VSA = wektorowy analizator sygnałów; VSG = wektorowy generator sygnałów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Wyświetlacz I-Q. Regulacja częstotliwości za pomocą wykresu fazowego i kwadraturowego (I-Q). Skróty: CW = fala ciągła; TimeLen = długość czasu; oś I = oś w fazie; Oś Q = oś kwadraturowa. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Konfiguracja systemu weryfikacji i walidacji. Konfiguracja systemu do pomiarów weryfikacyjnych i walidacyjnych. Skróty: I-Q = kwadratura w fazie; RF = częstotliwość radiowa; Ref = odniesienie; GPS = Globalny System Pozycjonowania; Ext Trig/Ref = zewnętrzny wyzwalacz/Odniesienie; TCP/IP = protokół kontroli transmisji/protokół internetowy; Regulacja częstotliwości = regulowana częstotliwość; DC = prąd stały. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Komórka na kołach (COW) i furgonetka pomiarowa. Zdjęcie przedstawiające zielony furgon używany jako system odbiorczy oraz komórkowy na kołach (COW) używany do umieszczenia systemu nadawczego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Analizator widma i średnia przemiatanie. Pojedyncze przemiatanie do przechwytywania danych z analizatora widma składające się z 461 punktów w czasie przemiatania 0,5 s. Skrót: SA = analizator widma. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Wektorowy analizator sygnałów odbiera moc i średnią ruchomą. Dane dotyczące wielkości wewnątrzfazowej i kwadraturowej (I-Q) (niebieski ślad) dla małego wycinka większego cyklu w porównaniu ze średnią mocą (czerwony ślad) obliczoną w oknie 0,5 s. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Wyrównanie sygnału VSA i SA. Wyrównanie mocy wektorowego analizatora sygnałów i mocy analizatora widma. Skróty: VSA = wektorowy analizator sygnałów; SA = analizator widma. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10: VSA i SA otrzymały zasilanie po wyrównaniu sygnału. Wyrównana moc wektorowego analizatora sygnału i moc analizatora widma w funkcji czasu, który upłynął w sekundach. Skróty: VSA = wektorowy analizator sygnałów; SA = analizator widma. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 11: Geolokalizacja zmierzonego podstawowego wzmocnienia transmisji. Zmierzono podstawowe wzmocnienie przekładni wzdłuż trasy jazdy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 12: Zmierzone i zamodelowane podstawowe wzmocnienie transmisji. Zmierzone podstawowe wzmocnienie transmisji (niebieskie x), podstawowe wzmocnienie transmisji (BTG) w modelu nieregularnego terenu (ITM) (czarne +), wzmocnienie transmisji w wolnej przestrzeni (czerwone kółka) i systemowy poziom szumów (różowe kropki) w porównaniu z czasem, który upłynął na trasie przejazdu. Skróty: MBTG = Zmierzone podstawowe wzmocnienie transmisji; ITM = nieregularny model terenu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 13: Profil terenu i pierwsza strefa Fresnela. Profil terenu United States Geological Survey (linia) dla czasu, który upłynął 1636,2 s. Górna (pierwsza) strefa Fresnela (niebieska, przerywana linia) i dolna (pierwsza) strefa Fresnela (niebieska, przerywana linia) są również wykreślane wraz z linią linii wzroku (czerwona, przerywana linia) między anteną nadawczą a odbiorczą. Skróty: USGS = United States Geological Survey; NED = krajowa baza danych wysokościowych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Okablowanie	Micro-Coax		Różne długości
Łącznik kierunkowy	Anatech Electronics, Inc.
AM1650DC833 Filtr 1	K& L Kuchenka mikrofalowa, Inc.		Antena GPS 8FV50-1802-T95-O/O
	Trimble		Połączenie SMA z SA
Instrument Control & Oprogramowanie do przetwarzania	MATLAB		Służy do przechowywania i przetwarzania danych pomiarowych
Wzmacniacz mocy	Ophir RF		5263-003
Rozdzielacz mocy	Mini-obwody		ZAPD-20 +
Miernik mocy i czujnik mocy	Keysight		E4417A/E4412A Antena
odbiorcza	Cobham		OA2-0,3-10,0V/1505
Częstotliwość rubidu Standardowe	systemy		FS725
SA	Agilent		N9344C
Antena nadawcza	COMTELCO		BS1710XL6
Wektorowy generator sygnału	Rohde &		SMIQ
VSA	Keysight Technologies		N9030A