Summary
Denne rapport beskriver opsætning, validering og verifikation samt resultater fra formeringsmålinger ved hjælp af et kontinuerligt bølge, radiofrekvenskanallydende målesystem.
Abstract
Kanallydere bruges til at måle kanalegenskaber for radiosystemer. Der er flere typer kanal sounders, der anvendes i dag: kontinuerlig bølge (CW), direkte puls, frekvensdomæne ved hjælp af en vektornetværksanalysator (VNA), korrelationsbaseret og fejet tidsforsinkelseskorrelator. Hver af disse har unikke fordele og ulemper. CW-systemer har et større dynamisk område end andre systemer med et signal, der kan forplante sig længere ud i miljøet. Da lydsamplingshastighederne tillader mindre filstørrelser end andre systemer, kan dataindsamlingen være kontinuerlig og vare i flere timer. Denne artikel diskuterer et CW-kanal sounder system, som er blevet brugt til at foretage adskillige formeringstabsmålinger i forskellige byer i USA. Sådanne formeringsmålinger skal være nøjagtige, reproducerbare og fri for artefakter eller forstyrrelser. Denne artikel viser, hvordan man konfigurerer målingen, hvordan man validerer og verificerer, at systemet foretager pålidelige målinger, og endelig viser den resultater fra nogle af målekampagnerne såsom repeterbarhedsmålinger, rodtabsmålinger (hvor rodtab defineres som det overskydende tab fra tab af ledig plads) og gensidighedsmålinger.
Introduction
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet for National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et agentur under det amerikanske handelsministerium. ITS har en lang historie med at udføre nøjagtige, velansete radiofrekvensudbredelsesmålinger (RF). Stigningen i frekvensdelingen er blevet ledsaget af behovet for nøjagtige, reproducerbare målinger, der giver en bedre forståelse af radiomiljøet, som flere tjenester skal dele. I de sidste par år har de militære tjenester udviklet frekvensdelingsordninger med kommercielle trådløse operatører i Advanced Wireless Services (AWS)-3-båndet (1755-1780 MHz)1. Dette vil gøre det muligt for kommercielle trådløse operatører at bruge AWS-3-båndet, inden militære tjenester udfases fra båndet. Brugen af båndet vil blive koordineret ved både at isolere systemer geografisk og ved at modellere frekvensinterferensscenarier. For at dele dette spektrumbånd er formeringsmålinger nødvendige for at udvikle og forbedre formeringsmodeller til evaluering af RF-interferens mellem de militære og kommercielle trådløse systemer inden for båndet.
Defense Spectrum Organization (DSO) er ansvarlig for styringen af AWS-3-overgangen og har givet ITS og andre til opgave at udføre en række kanallydende målinger. Disse målinger vil blive brugt til at opbygge nye modeller til beregning af virkningen af løv og menneskeskabte strukturer i miljøet (samlet kendt som rod). Forbedret formeringsmodellering, der tegner sig for rod, kan føre til færre begrænsninger for kommercielle sendere i nærheden af militære systemer. CW-kanal-sounder-systemet, der diskuteres i denne artikel, er blevet brugt i de sidste fem år til at indsamle data om radioudbredelsesmåling og beregne roddæmpning. Dette målesystem giver nøjagtige, repeterbare og upartiske resultater, og DSO opfordrede ITS til at dele sin institutionelle viden - herunder bedste målepraksis til måling og behandling af RF-formeringsdata - med det bredere tekniske samfund.
Bedste målepraksis kræver forståelse af et system fra komponentniveau til samlet systemniveau. Disse bedste målemetoder er blevet dokumenteret i det nyligt offentliggjorte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352, der beskriver et sæt bedste praksis for forberedelse og verifikation af radioformeringsmålesystemer. ITS afsluttede for nylig en JoVE-artikel om kalibrering af en VNA, der bruges til at måle komponenttab og identificere dårlige komponenter til dette målesystem3. Denne artikel er en fortsættelse af dokumentationen af disse bedste målemetoder for det bredere samfund. Selvom bedste praksis diskuteres i denne artikel for en CW-kanals ekkod, kan de samme teknikker bruges til at verificere andre kanallydsystemer: VNA-systemer; CW-systemer; fuld båndbredde, korrelationsbaserede systemer; direkte pulssystemer; og glidende korrelatorbaserede systemer4,5,6.
Denne artikel beskriver detaljeret, hvordan man opsætter et CW-kanals ekkodmålingssystem ved hjælp af en vektorsignalanalysator (VSA), en spektrumanalysator (SA), to rubidiumoscillatorer, en effektmåler, en vektorsignalgenerator (VSG) og forskellige filtre og effektdelere til målinger i et udendørs målemiljø7,8. Den transmitterende side af systemet består af VSG, som genererer et CW-signal, der boostes af en effektforstærker. Dette opdeles derefter af et retningspar for at omdirigere noget af signalet til effektmåleren, som giver brugeren mulighed for at overvåge systemudgangen. Resten af signalet sendes til den modtagende side af systemet via formeringskanalen. Modtagersiden består af et lavpasfilter for at reducere interferens og harmoniske stoffer produceret af effektforstærkeren. Det filtrerede signal opdeles i en effektdeler og føres ind i SA til overvågning under målingen sammen med et tidsstempel og GPS-placering (Global Positioning System). Den anden halvdel af signalet sendes til VSA for at blive nedkonverteret til in-phase quadrature (I-Q) data i området 1-5 kHz. Samplingshastigheden bestemmes af instrumentspænd9 og styres af de forventede Doppler-spektrumforskydninger, som er en funktion af køretøjets hastighed. Den resulterende tidsserie overføres derefter til en computer til efterbehandling og dataanalyse.
Rubidiumure bruges ved både senderen og modtageren til at give meget nøjagtige målinger og meget stabile frekvenser. Rubidiumuret i den modtagende ende har en fin frekvensjustering for den nøjagtige justering af de transmitterende og modtagende frekvenser. Typisk justeres frekvenserne til at være inden for 0,1 Hz fra hinanden til test. Rubidiumure er afgørende for CW-formeringsmålinger med høj nøjagtighed. De sikrer præcis tidsbasenøjagtighed i løbet af målingerne og forhindrer frekvensdrift af senderen og modtageren. Denne artikel beskriver også, hvordan man validerer og verificerer, at et system foretager nøjagtige målinger i en laboratorieindstilling, både med og uden antenne, inden man foretager målinger i et udendørs miljø. Systemet er blevet brugt til en lang række udendørs og indendørs tests ved frekvenser fra 430 MHz til 5,5 GHz og til mange forskellige sendekræfter7,8,10.
Protocol
BEMÆRK: ITS-kanallydsystemet er vist i figur 1 og figur 2, og en benchtop evalueringsopsætning er vist i figur 3. Henvis til disse tal, mens du konfigurerer CW-kanals ekkod for at sikre, at alle komponenter er korrekt konfigureret. I de følgende afsnit forklares, hvordan du verificerer og validerer et system, inden du foretager målinger.
1. Opsætning af målesystem
BEMÆRK: Dette afsnit beskriver, hvordan et system er konfigureret til feltmålinger. For det første skal systemtab i både den transmitterende og den modtagende side af systemet redegøres for og måles separat, inden det fulde system samles. Derefter samles det fulde system, og individuelle instrumenter konfigureres, kalibreres og synkroniseres for at forberede sig på laboratorieverifikation og validering.
- Mål S-parametrene ved hjælp af en VNA2 for individuelle systemkomponenter, inden systemet samles: kabler, dæmpere, strømsplittere, retningskoblinger og lavpasfiltre.
BEMÆRK: Dette vil karakterisere tab og identificere ødelagte kabler eller en enhed, der ikke er specifikation. - Saml Type N-kablet ved udgangen af effektforstærkeren, retningskoblingen, båndpasfilteret og Type N-kablet, der skal tilsluttes antennen, og brug VNA til at måle komponentkæden.
BEMÆRK: Denne måling vil omfatte interne refleksioner, der ikke ses ved at måle individuelle komponenter med en VNA. - Optag S21-værdien , som vil være et negativt tal, og vil blive brugt som de transmitterende systemtab. Brug disse værdier til at korrigere det modtagne signalniveau, der diskuteres i afsnittet med repræsentative resultater.
- Transmission af systemopsætning
- Tilslut alle enheder til en strømkilde: enten en uafbrydelig strømforsyning (UPS) eller et overspændingsbeskyttet sæt stikkontakter. Sørg for, at alle instrumenter er i slukket tilstand, mens du tilslutter komponenter sammen.
- Saml det transmitterende udstyr (figur 1).
- Tilslut 10 MHz-udgangen fra rubidiumoscillatoren til Ref IN-porten i VSG ved hjælp af et Bayonet-Neill-Concelman (BNC) kabel. Tilslut RF OUT-porten på VSG til indgangen til retningskoblingen IN-porten ved hjælp af et Type N-kabel. Der indsættes ingen effektforstærker før protokoltrin 3.2.
- Tilslut retningskoblingens OUT-port til det relevante båndpasfilter (hvis nødvendigt) ved hjælp af et Type N-stik fra hun til hun.
BEMÆRK: Et båndpasfilter bruges til at minimere harmoniske frekvenser i andre bånd.
- Saml Type N-kablet, der skal tilsluttes modtagerantennen, filteret, kablet mellem filteret og strømsplitteren og Type N-kablet, der skal tilsluttes VSA; Brug VNA til at måle dette system af komponenter.
- Foretag den samme måling, men gennem de samme komponenter, der er tilsluttet SA. Registrer S21-værdierne , som vil blive brugt som modtagende systemtab på VSA-siden af strømsplitteren og SA-siden af strømsplitteren. Brug disse værdier til at korrigere det modtagne signalniveau, der diskuteres i afsnittet med repræsentative resultater.
- Modtagelse af systemopsætning
- Tilslut alle enheder til en strømkilde: enten en UPS eller et overspændingsbeskyttet sæt stikkontakter. Sørg for, at alle instrumenter er i slukket tilstand, mens du tilslutter komponenter sammen.
- Saml modtagerudstyret (figur 2).
- Tilslut et Type N-kabel til indgangen til båndpasfilteret. Tilslut udgangen fra båndpasfilteret til indgangen til effektdeleren (port 1).
- Tilslut port 2 på strømdeleren til RF IN-porten på VSA. Tilslut port 3 på strømdeleren til RF IN-porten på SA.
- Brug en BNC til bananstikledning til at tilslutte frekvensadj for rubidiumoscillatoren til DC OUT af jævnstrømsforsyningen (DC).
- Tilslut en 10 MHz-udgang fra rubidiumoscillatoren til Ext Ref In-porten på VSA ved hjælp af et BNC-kabel. Tilslut en 10 MHz-udgang fra rubidiumoscillatoren til Ext Trig/Ref In-porten på spektrumanalysatoren.
- Tænd for VSG, og sørg for, at den er indstillet til RF OFF. Tænd for effektmåleren. Tænd for alle instrumenter, og lad instrumenterne varme op i en time, før du foretager målinger.
- Konfigurer VSA i VSA 89601B-tilstand. Mens du er i VSA-tilstand, skal du indstille centerfrekvensen til CW-frekvensen af interesse. Til sidst skal du vælge antallet af punkter, der er taget med den ønskede længde af den samlede måling i tankerne.
BEMÆRK: Selvom systemet fungerer ved hjælp af en CW, skal spændvidden indstilles til at fange eventuelle Doppler-skift og fading. Opløsningsbåndbredden bestemmer det filter, der bruges af VSA til at måle strøm, når det fejer over frekvensspændet, så valg af en båndbredde med lav opløsning giver mulighed for en mere præcis måling. Som en afvejning tager en båndbredde med lavere opløsning en større tid pr. Punkt. - Konfigurer VSA med følgende indstillinger: Vælg VSA 89601B-tilstand; centerfrekvens: Freq MHz (f.eks. 1770 MHz); spændvidde: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts) - afhænger af VSA; Rng: -42 dBm; øverste graf øvre skala værdi: -30 dBm.
- Sørg for, at SA styres af instrumentstyringssoftware, der bruger programmerbare standardkommandoer til SCPI-kommandoer (programmerbare instrumenter), så kontinuerlige fejninger kan indsamles og gemmes.
- Indstil SA således, at start- og stopfrekvenserne svarer til VSA-centerfrekvensen. Da RBW på samme måde bestemmer den filterstørrelse, der anvendes af sa'en, skal rbw'en indstilles til den samme værdi som spændvidden for VSA-målingen.
- Indstil videobåndbredden til den samme værdi som opløsningsbåndbredden og registreringstilstanden for at prøve for at optage ikke-lagrede data. Lad dæmpningen være slukket, og sørg for, at SA ikke overbelastes, og hold forforstærkeren tændt.
- Konfigurer SA med følgende for hver fejning: StartFreq: Samme centerfrekvens som i VSA-opsætningen (f.eks. 1770 MHz); StopFreq: Samme centerfrekvens som i VSA-opsætningen (f.eks. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detektor: prøve; fejetid: 500 ms; pts/spor: 461; forforstærker tændt; dæmpelse: 0; automatisk dæmpning: Fra.
- Tryk på Enter på SA for at få adgang til menuerne. Aktivér ekstern reference ved at trykke på Skift-knappen og vælge knappen System på spektrumanalysatoren. Vælg derefter Flere | | Ext input | Ref ved hjælp af softkeys nær skærmen.
- Konfigurer VSG ved at vælge en CW-udgang.
- Indstil frekvensen til 1770 MHz. Følg proceduren i afsnit 4.22 for at bestemme effektforstærkerens lineære område.
- Indstil VSG-udgangsamplituden til -4 dBm, den øvre grænse for effektforstærkerens lineære område.
- Kalibrer effektmåleren.
- Sæt effektmålerhovedet i referenceporten (kanal A eller B) og den anden ende af effektmåleren i en måleport.
- Indstil effektmålerfrekvensen til 1770 MHz for den referenceport, der er brugt ovenfor. Nulr og kalibrer effektmåleren. Sørg for, at effektmålerens aflæsning forbliver inden for 0,2 dB på 0 dBm.
- Tag strømmålerhovedet ud af referenceporten, og tilslut effektmålerhovedet til udgangen fra dæmperen vist i figur 1.
- Kalibrer VSA: Utilities | Kalibrering | Kalibrering. Tænd FOR RF PÅ VSG.
BEMÆRK: Sørg for, at der er et signal på spektrumanalysatoren. Hvis signalniveauet falder til -120 dBm, er den eksterne reference ikke tændt. Hvis signalet er for stærkt, vil det overbelaste modtagersystemet og beskadige enten VSA eller SA. Vær opmærksom på maksimale indgangssignalniveauer (normalt vist på forsiden af instrumentet), og hold dig mindst 10 dB under dette niveau. - Synkroniser rubidiumoscillatorerne ved at indstille spændingen, men overskrid ikke den maksimale indgangsspænding, der er tilladt på rubidiumsynkroniseringsporten.
- Skift TimeLen på den øverste graf på VSA-skærmen til 100 ms. Indstil y-aksen på det nederste plot til I-Q.
- Tryk på Strøm/Spænding på strømforsyningens frontpanel. Skift spændingen lidt ad gangen, og se prikken på VSA-skærmen: Hvis den roterer frem og tilbage, skal du ikke gøre noget, frekvenserne er justeret. Hvis den roterer i en retning konsekvent, skal du ændre effektmåleraflæsningen (spændingen), indtil prikken på I-Q-plottet begynder at bremse, og den bevæger sig langsomt frem og tilbage (pendulbevægelse) (figur 4).
- Indstil TimeLen på den øverste graf på VSA-skærmen tilbage til 1 s, og indstil y-aksen tilbage til Logstørrelse.
- Tag 10 registreringer af anskaffelse på SA for at kontrollere, at alle parametre er indstillet korrekt, og at signalniveauet på SA-skærmen svarer til signalniveauet på VSA's nederste skærm.
2. Lab verifikation og validering
- Uden at fastgøre antenner skal du indsætte en variabel dæmper mellem systemets sendeside og systemets modtagende side (figur 5). Fjern effektforstærkeren fra måleopsætningen til denne verifikation.
- Indstil den trinvise dæmpningsdæmpning til 0 dB, og antallet af poster på VSA-indgangsdæmpningen > recording til 120.
BEMÆRK: En post er lig med TimeLen , der er indstillet på VSA. - Indstil antallet af fejninger på SA til 120 poster. Skift udgangsamplituden for VSG til 0 dBm, og tryk på RF ON-knappen på VSG.
- Indstil en topmarkør for at finde værdien af signalstyrken, og kontroller, at der ses et signal på VSA. Start VSA ved at trykke på Optage knappen øverst på skærmen. Start en SA-måling ved hjælp af instrumentstyringssoftwaren.
- Skift den trinvise dæmper til 10 dB, og gentag trin 4-10. Gå gennem alle indstillinger for den trinvise dæmper, og registrer værdierne for hver aladningsindstilling.
BEMÆRK: Når dæmperen nærmer sig 90 til 110 dB, bliver signalet mere støjende, når det nærmer sig instrumentets systemstøjgulv. Måleværdier nær støjgulvet i systemet vil være meget varierende. - For at kontrollere vsa-modtagne signalniveauer skal du beregne et vinduesgennemsnit på 0,5 s til VSA-posten på 120 s og gennemsnit hver fejning af SA. Tilføj VSG-udgangseffektniveauet, de transmitterende side- og modtagesidesystemtab og den trinvise dæmperindstilling.
BEMÆRK: Værdien af ovennævnte sum i trin 2.6 skal svare til de gennemsnitlige modtagne signalniveauer, der er registreret af VSA og SA inden for 0,5 dB, for trinvise dæmpninger mindre end 80 dB. Hvis de ikke gør det, skal du gå tilbage og måle systemtab igen.
3. Feltmålinger
BEMÆRK: Test og verificer altid systemet før hver målingskampagne.
- Udfør trin 1.1-1.3 før hver ny målekampagne, og konfigurer den transmitterende side af systemet, som beskrevet i afsnit 1.4.
BEMÆRK: Dette er typisk anbragt i en cellular-on-wheels (COW), som forbliver fast under målinger. - Tilslut effektforstærkeren mellem VSG og retningskoblingen som beskrevet i trin 1.4.2.1.
- Brug en retningskobling, der kan håndtere de effektniveauer, der genereres af effektforstærkeren. Tilføj en 50 dB dæmper til retningskoblingen i den koblede port for at holde sig inden for de angivne indgangseffektniveauer for effektmåleren, og fastgør effektmåleren til denne port. Tilslut udgangstype N-kablet fra retningskoblingen til sendeantennen.
- Konfigurer den modtagende side af systemet, som beskrevet i trin 1.5-1.6, inde i et mobilt køretøj. Tilslut modtagerantennen til type N-kablet, der er tilsluttet filteret.
- Ud over SA-opsætningstrinnene 1.11.3-1.11.4 skal GPS-antennen konfigureres i SA.
- Aktivér GPS-posten: Meas-indstillinger | Aktivér GPS-| Standard GPS.
- Aktivér GPS på spektrumanalysatoren ved at holde Shift-knappen nede og vælge knappen System på spektrumanalysatoren. Vælg derefter Flere | GPS-| GPS-ON & GPS Info-ON ved hjælp af softkeys nær skærmen.
- Placer GPS-antennen på taget af modtagermålekøretøjet. Sørg for, at målesoftwaren også læser i NMEA-strenge fra GPS'en for hver fejning.
- Fortsæt opsætningen som beskrevet i trin 1.11-1.17, og indstil antallet af poster på VSA -| Registrering baseret på estimeret måletid. Indstil antallet af SA-poster til antallet af VSA-poster plus ca. 300 poster, og bemærk, at SA fejer langsommere end VSA.
- Start målingen ved først at starte VSA ved at trykke på knappen Optag øverst på skærmen. Start spektrumanalysatormålingen.
- Efter målingen skal du gemme VSA-optagelsesfilen | Spar | Gem optagelse. Gem indstillinger | Gem overskrifter med data. Når du gemmer filen, skal du føje en _VSA til slutningen af filen. Skift navnet på datafilen for spektrumanalysatoren, så den svarer til VSA'ens filnavn, men tilføj _SA for spektrumanalysatoren.
Representative Results
Følgende resultater blev opnået under en feltverifikation af det præsenterede system. Senderen var placeret på Kohler Mesa bag Department of Commerce Boulder Laboratories i Boulder, Colorado. Modtageren blev kørt gennem Boulder, Colorado, i et specielt designet målekøretøj (se figur 6), og der blev foretaget kontinuerlige målinger. SA gemmer de fejede data som logstørrelsesformat i en hændelsesdatastruktur, mens GPS-dataene gemmes i en separat hændelsesdatastruktur i den samme fil. Et eksempel på data for en fejning er vist i figur 7. De lagrede data konverteres til lineær effekt i watt; et gennemsnit beregnes for alle punkter i den pågældende fejning og konverteres derefter tilbage til logstørrelse. GPS-oplysningerne tildeles denne middelværdi for fejningen vist med det røde X ved en værdi på -71,5 dBm. Denne proces udføres for hver fejning i filen.
Dernæst behandles baseband I-Q-dataene fra VSA som vist i ligning 1. Effekten i dBm beregnes for hver I-Q-prøve. VSA indsamler spidsbelastningsdata, som skal konverteres til dBm, i løbet af dette trin.
(1)
Under målingen gemmes baseband I-Q-dataene i en midlertidig fil. VSA indhenter ingen GPS-oplysninger. Længden af filen vælges således, at antallet af poster, der anmodes om, er lig med antallet af sekunders køretid. Når målingen er afsluttet, skrives dataene til en fil, hvis struktur er forprogrammeret af VSA-softwareudviklerne. Data gemt i denne fil omfatter tidsforskellen mellem måleprøver, hyppigheden og de komplekse dataprøver. Behandlingstrinnet indebærer udjævning af størrelsen af baseband I-Q-dataene over et vindue på 500 ms for hele datasættet for at tilnærme sig en køreafstand på 40 bølgelængder. Figur 8 viser, hvordan den udjævnede middeleffekt er sammenlignet med de rå data for en større del af en køreprøve. De rå data vises af det blå spor, og den udjævnede middelkraft vises af det røde spor.
VSA- og SA-datasættene justeres ved hjælp af en cirkulær konvolution. VSA-datapunktet i hvert sekund er justeret med de SA-prøver, der genereres i hvert sekund for at overføre GPS-koordinaterne fra SA til VSA-datapunkterne. En lineær regressionsmodel justerer dataene ved at minimere resterne mellem de målte effektniveauer for de to datasæt. De justerede data præsenteres ved at plotte SA-effekten i dBm på x-aksen og VSA-effekten i dBm på y-aksen (figur 9). Da SA-systemets støjgulv er højere end VSA-systemets støjgulv, viser grafen en nedadgående krumning i punkter under ca. -115 dBm for datasæt tæt på støjgulvet. Figur 9 og figur 10 viser justeringen af VSA-effekten og SA-effekten i forhold til den forløbne tid i sekunder. GPS-tidsstemplet fra SA-middeleffekten knyttes derefter til det første datapunkt i VSA-dataserien med gennemsnitlig udjævning af effekt. Den lodrette forskydning mellem de to datasæt elimineres ved at korrigere for kabeltab fra effektdeleren til SA; Men da kun de tidsstemplede VSA-data bruges, er dette ekstra trin unødvendigt. Disse data gemmes derefter og bruges i Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 til at forudsige terræntab. VSA-dataene korrigeres ved at tilføje systemtab og fjerne systemgevinster for at opnå det målte grundlæggende transmissionstab (BTL) eller den grundlæggende transmissionsforstærkning (BTG) langs drivruten som vist i figur 11 og figur 12 og givet ved ligning 2.
(2)
hvor BTL er det grundlæggende transmissionstab, Pt og Pr er sende- og modtagekræfterne i dBm, Gt og Gr er gevinsterne ved de transmitterende og modtagende antenner i henholdsvis dBi, og Lt og Lr er systemtabene for sendesystemet og modtagesystemet i dB, henholdsvis.
I figur 11 er den lilla stjerne det transmitterende sted. De gule og lilla prikker repræsenterer henholdsvis de højeste og laveste modtagne signalniveauer. Et plot af de målte BTG (sorte x'er), den ITM-modellerede BTG (blå +'er), frirumstransmissionsforstærkning (FSTG) (røde cirkler) og systemets støjgulv (lyserøde prikker) er vist i figur 12. Når ITM BTG er lig med FSTG, er der ingen terræninteraktioner, og alle tab (forskel mellem FSTG og MBTG) kan antages at komme fra bygninger, løv eller andre interaktioner med det omgivende miljø. Dette er vist i figur 13, hvor den sorte linje er terrænet trukket fra USGS terrændatabase13, den røde, stiplede linje er line-of-sight (LOS) linjen mellem den transmitterende antenne og den modtagende antenne, og de blå, stiplede og stiplede linjer er de øvre og nedre første Fresnel-zoner14, hvor det meste af energien er lokaliseret.
Figur 1: Diagram over transmitterende komponenter og forbindelser. Transmitterende side af kontinuerlig bølge (CW)-kanal sounder. Forkortelser: RF = radiofrekvens; Ref = reference. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Diagram over modtagende komponenter og forbindelser. Modtagende side af kontinuerlig bølge (CW) kanal sounder. Forkortelser: GPS = Global Positioning System; RF = radiofrekvens; Ext Ref = ekstern reference; GPS Ant = GPS-antenne; Ext Trig/Ref = ekstern udløser/reference; TCP/ IP = transmissionskontrolprotokol / internetprotokol; Freq Adj = Frekvensjusteret; DC = jævnstrøm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: CW-kanallydsystem i laboratoriet. En benchtop implementering af Institute for Telecommunication Sciences (ITS) kanal sounder til systemvalidering og nøjagtighedstest, der viser hovedkomponenterne. Forkortelser: VSA = vektorsignalanalysator; VSG = vektorsignalgenerator. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: I-Q-skærm. Frekvensjustering ved hjælp af in-phase og quadrature (I-Q) plot. Forkortelser: CW = kontinuerlig bølge; TimeLen = tidslængde; I-akse = in-fase akse; Q-akse = kvadraturakse. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Opsætning af verifikations- og valideringssystem. Systemopsætning til verifikations- og valideringsmålinger. Forkortelser: I-Q = in-fase kvadratur; RF = radiofrekvens; Ref = reference; GPS = Globalt positioneringssystem; Ext Trig/Ref = ekstern udløser/reference; TCP/ IP = transmissionskontrolprotokol / internetprotokol; Freq Adj = frekvens justeret; DC = jævnstrøm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Cellular-on-wheels (COW) og målevogn. Foto, der viser grøn varevogn, der bruges til modtagesystem og cellular-on-wheels (COW), der bruges til at huse transmissionssystem. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Spektrumanalysator fejer og fejer gennemsnit. Enkelt fejning til spektrumanalysatordatafangst bestående af 461 point over en fejetid på 0,5 s. Forkortelse: SA = spektrumanalysator. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Vektorsignalanalysator modtog strøm og glidende gennemsnit. In-phase og quadrature (I-Q) størrelsesdata (blåt spor) for et lille udsnit af et større løb sammenlignet med middeleffekten (rødt spor) beregnet over et vindue på 0,5 s. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: VSA- og SA-signaljustering. Justering af vektorsignalanalysatoreffekt og spektrumanalysatoreffekt. Forkortelser: VSA = vektorsignalanalysator; SA = spektrumanalysator. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: VSA og SA modtog strøm efter signaljustering. Justeret vektorsignalanalysatoreffekt og spektrumanalysatoreffekt vs forløbet tid i sekunder. Forkortelser: VSA = vektorsignalanalysator; SA = spektrumanalysator. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: Geolokalisering af målt basistransmissionsgevinst. Målt grundlæggende transmissionsforøgelse langs drivruten. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 12: Målt og modelleret grundlæggende transmissionsforøgelse. Målt grundlæggende transmissionsforstærkning (blå x'er), Irregular-Terrain Model (ITM) grundlæggende transmissionsforstærkning (BTG) (sorte +'er), transmissionsforstærkning med ledig plads (røde cirkler) og systemstøjgulv (lyserøde prikker) vs. forløbet tid langs drivruten. Forkortelser: MBTG = Målt grundlæggende transmissionsforøgelse; ITM = Uregelmæssig terrænmodel. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 13: Terrænprofil og første Fresnel-zone. United States Geological Survey terrænprofil (sort linje) for forløbet tid 1636,2 s. Den øvre (første) Fresnel-zone (blå, stiplet linje) og nedre (første) Fresnel-zone (blå, stiplet linje) er også afbildet sammen med line-of-sight-linjen (rød, stiplet linje) mellem sendeantennen og modtagerantennen. Forkortelser: USGS = United States Geological Survey; NED = national højdedatabase. Klik her for at se en større version af denne figur.
Discussion
Det er meget vigtigt at teste et system som beskrevet i denne protokol, før man forsøger at foretage målinger i et udendørs miljø. På denne måde kan eventuelle dårlige komponenter eller ustabiliteter spores og identificeres i målesystemet og kan løses. De kritiske trin i denne protokol er at 1) teste de enkelte komponenter først og kontrollere, at de fungerer inden for deres specifikation, 2) samle transmitterende og modtagende sider separat og teste komponentkæden, 3) samle den transmitterende og modtagende side ved at indsætte en trinvis dæmper og måle signalniveauerne, når dæmpningen ændres for at sikre, at de modtagne signalniveauer i VSA og SA er som beregnet. Yderligere fejlfinding kan udføres ved hjælp af en VSG, som den, der er vist i table of Materials, der har mulighed for at generere falmesimuleringer, som kan bruges til at teste systemet ved hjælp af simulerede bølgeformer i forskellige falmede miljøer, der opstår i virkelige formeringsmiljøer. Når målesystemet fungerer korrekt, kan målinger foretages i et udendørs miljø med tillid til, at målingerne er nøjagtige.
Et andet vigtigt skridt er at overvåge transmissionseffekten under hele målingen for at kontrollere, at systemet fungerer korrekt. Effektforstærkeren er karakteriseret og testet separat for at forstå dens linearitet og out-of-band emissionsspektre. Effektforstærkeren kan valideres på bordpladen sammen med resten af opsætningen, men man skal sørge for at reducere signaleffekten til under den maksimale nominelle effektindgang til VSA ved hjælp af passende nominelle dæmpere. Hverken GPS-antennen eller dens indstillinger bør bruges til laboratorieverifikation og validering. Da VSA's skærm ikke er i stand til at levere realtidsovervågning af miljøet, hjælper tilføjelsen af en SA som en realtidsmonitor med at bestemme systemets aktuelle tilstand. Der er flere typer kanallydende målesystemer til at fange kanalegenskaber for radiosystemer: CW, direkte puls, frekvensdomæne ved hjælp af en VNA, korrelationsbaseret, fejet tidsforsinkelseskorrelator.
En begrænsning af dette system er, at et CW-signal, der undersøger det lokale miljø, ikke indeholder tidsdomæneoplysninger såsom tidsforsinkelsesprofiler. En tidsforsinkelsesprofil giver information om tidspunktet for kilderefleksioner af signalet i det lokale miljø. En fordel ved at bruge et CW-signal er imidlertid, at det er lettere at få tilladelse til at transmittere på en frekvens i forskellige bånd ved hjælp af smalbånds CW-signalet i stedet for at forsøge at transmittere et bredbåndssignal. CW-systemer kan have et større dynamisk område end andre systemer, og signalet kan normalt forplante sig længere i miljøet. Et CW-signal har også lydsamplingshastigheder, der resulterer i mindre filstørrelser end andre typer kanallydende systemer. Med dette system er dataindsamlinger kontinuerlige og kan vare i flere timer. CW-kanal sounder målesystemet, der diskuteres i denne artikel, kan bruges ved forskellige frekvenser afhængigt af rækkevidden af de forskellige samlede komponenter. Systemet kan bruges i et udendørs formeringsmiljø eller et indendørs formeringsmiljø15.
Acknowledgments
Tak til Defense Spectrum Office (DSO) for at finansiere det arbejde, der præsenteres i denne artikel.
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).
