Summary
Denne rapporten beskriver oppsett, validering og verifisering, og resultater fra overføringsmålinger ved hjelp av et målesystem for radiofrekvenskanallyd med kontinuerlig bølge.
Abstract
Kanallodd brukes til å måle kanalegenskaper for radiosystemer. Det finnes flere typer kanallodd som brukes i dag: kontinuerlig bølge (CW), direkte puls, frekvensdomene ved hjelp av en vektornettverksanalysator (VNA), korrelasjonsbasert og feidetidsforsinkelse krysskorrelasjon. Hver av disse har unike fordeler og ulemper. Faktisk vekt-systemer har et større dynamisk område enn andre systemer med et signal som kan forplante seg lenger inn i miljøet. Ettersom lydprøvefrekvensene tillater mindre filstørrelser enn andre systemer, kan datainnsamlingen være kontinuerlig og vare i flere timer. Denne artikkelen diskuterer et CW-kanals ekkoloddsystem, som har blitt brukt til å gjøre mange forplantningstapsmålinger i forskjellige byer i USA. Slike forplantningsmålinger bør være nøyaktige, reproduserbare og fri for artefakter eller fordommer. Denne artikkelen viser hvordan du konfigurerer målingen, hvordan du validerer og kontrollerer at systemet foretar pålitelige målinger, og til slutt viser det resultater fra noen av målekampanjene, for eksempel repeterbarhetsmålinger, rottapsmålinger (der rottap er definert som overflødig tap fra tap av fritt romoverføring) og gjensidighetsmålinger.
Introduction
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet til National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et byrå fra det amerikanske handelsdepartementet. ITS har en lang historie med å utføre nøyaktige, anerkjente radiofrekvens (RF) forplantningsmålinger. Økningen i spektrumdeling har blitt ledsaget av behovet for nøyaktige, reproduserbare målinger som gir en bedre forståelse av radiomiljøet som flere tjenester må dele. De siste årene har de militære tjenestene utviklet spektrumdelingsordninger med kommersielle trådløse operatører i Advanced Wireless Services (AWS)-3-båndet (1755-1780 MHz)1. Dette vil tillate kommersielle trådløse operatører å bruke AWS-3-båndet før de faser militære tjenester ut av bandet. Bruken av båndet vil bli koordinert av både isolerende systemer geografisk og ved å modellere frekvensinterferensscenarier. For å dele dette spekteret er det nødvendig med forplantningsmålinger for å utvikle og forbedre forplantningsmodeller for evaluering av RF-forstyrrelser mellom militære og kommersielle trådløse systemer i båndet.
Defense Spectrum Organization (DSO) er ansvarlig for styringen av AWS-3-overgangen og har gitt ITS og andre i oppgave å utføre en rekke kanallydende målinger. Disse målingene vil bli brukt til å bygge nye modeller for beregning av virkningen av løvverk og menneskeskapte strukturer i miljøet (samlet kjent som rot). Forbedret forplantningsmodellering som står for rot kan føre til færre restriksjoner på kommersielle sendere i nærheten av militære systemer. CW-kanal-ekkoloddsystemet som er omtalt i denne artikkelen, har blitt brukt de siste fem årene til å samle inn radioutbredelsesmålingsdata og beregne rotdemping. Dette målesystemet gir nøyaktige, repeterbare og objektive resultater, og DSO oppfordret ITS til å dele sin institusjonelle kunnskap, inkludert beste målepraksis for måling og behandling av RF-forplantningsdata - med det bredere tekniske samfunnet.
Gode målerutiner krever forståelse av et system fra komponentnivå til samlet systemnivå. Disse beste målepraksisene er dokumentert i det nylig publiserte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 som beskriver et sett med beste praksis for forberedelse og verifisering av radioutbredelsesmålingssystemer. ITS fullførte nylig en JoVE-artikkel om kalibrering av en VNA som brukes til å måle komponenttap og identifisere dårlige komponenter for dette målesystemet3. Denne artikkelen er en fortsettelse i å dokumentere disse beste målepraksisene for det bredere fellesskapet. Selv om gode fremgangsmåter drøfter i denne artikkelen for et CW-kanalslodd, kan de samme teknikkene brukes til å bekrefte andre kanalloddsystemer: VNA-systemer; CW-systemer; full båndbredde, korrelasjonsbaserte systemer; direkte pulssystemer; og glidende korrelasjonsbaserte systemer4,5,6.
Denne artikkelen beskriver i detalj hvordan du konfigurerer et CW-kanals lydmålermålingssystem ved hjelp av en vektorsignalanalysator (VSA), en spektrumanalysator (SA), to rubidiumoscillatorer, en kraftmåler, en vektorsignalgenerator (VSG) og ulike filtre og effektdelere for målinger i et utendørs målemiljø7,8. Sendersiden av systemet består av VSG, som genererer et CW-signal som forsterkes av en effektforsterker. Dette deles deretter av et retningspar for å avlede noe av signalet til kraftmåleren, noe som gjør at brukeren kan overvåke systemutgangen. Resten av signalet sendes til mottakssiden av systemet via overføringskanalen. Mottakssiden består av et low-pass filter for å redusere interferens og harmonikk produsert av effektforsterkeren. Det filtrerte signalet deles i en strømdeler og mates inn i sikkerhetstilordningen for overvåking under målingen sammen med et tidsstempel og GPS-plassering (Global Positioning System). Den andre halvdelen av signalet sendes til VSA for å bli nedkonvertert til in-fase quadrature (I-Q) data i området 1-5 kHz. Samplingsfrekvensen bestemmes av instrumentet span9 og styres av de forventede Doppler spektrumskiftene, som er en funksjon av kjøretøyets hastighet. Den resulterende tidsserien overføres deretter til en datamaskin for etterbehandling og dataanalyse.
Rubidiumklokker brukes både på senderen og mottakeren for å gi svært nøyaktige målinger og svært stabile frekvenser. Rubidiumklokken på mottakersiden har en fin frekvensjustering for nøyaktig justering av overførings- og mottaksfrekvensene. Vanligvis justeres frekvensene til å være innenfor 0,1 Hz fra hverandre for testing. Rubidiumklokker er avgjørende for CW-forplantningsmålinger med høy nøyaktighet. De sikrer nøyaktig tidsbasenøyaktighet i løpet av målingene og forhindrer frekvensdrift av senderen og mottakeren. Denne artikkelen beskriver også hvordan du validerer og kontrollerer at et system foretar nøyaktige målinger i en laboratorieinnstilling, både med og uten antenne, før du foretar målinger i et utendørs miljø. Systemet har blitt brukt til en omfattende serie utendørs og innendørs tester ved frekvenser fra 430 MHz til 5,5 GHz og for mange forskjellige overføringskrefter7,8,10.
Protocol
MERK: ITS-kanalloddsystemet er vist i figur 1 og figur 2, og et benktopevalueringsoppsett vises i figur 3. Referer til disse tallene mens du konfigurerer CW-kanalloddet for å sikre at alle komponentene er riktig konfigurert. Delene nedenfor forklarer hvordan du kontrollerer og validerer et system før du foretar målinger.
1. Oppsett av målesystem
MERK: Denne delen beskriver hvordan et system er konfigurert for feltmålinger. For det første må systemtap i både sender- og mottakssiden av systemet redegjøres for og måles separat før hele systemet monteres. Deretter settes hele systemet sammen, og individuelle instrumenter konfigureres, kalibreres og synkroniseres for å forberede laboratorieverifisering og validering.
- Mål S-parametrene ved hjelp av en VNA2 for individuelle systemkomponenter før du monterer systemet: kabler, dempere, strømsplittere, retningskoblinger og lavpassfiltre.
MERK: Dette vil karakterisere tap og identifisere ødelagte kabler, eller en enhet ut av spesifikasjon. - Monter Type N-kabelen ved utgangen på effektforsterkeren, retningskoblingen, båndpassfilteret og Type N-kabelen som skal kobles til antennen, og bruk VNA til å måle komponentkjeden.
MERK: Denne målingen vil inkludere interne refleksjoner som ikke ses ved å måle individuelle komponenter med en VNA. - Registrer S21-verdien , som vil være et negativt tall, og vil bli brukt som overføringssystemtap. Bruk disse verdiene til å korrigere det mottatte signalnivået som er omtalt i delen for representative resultater.
- Overfører systemoppsett
- Koble alle enheter til en strømkilde: enten en avbruddsfri strømforsyning (UPS) eller et overspenningsbeskyttet sett med stikkontakter. Kontroller at alle instrumentene er slått av mens du hekter sammen komponenter.
- Monter senderutstyret (figur 1).
- Koble 10 MHz-utgangen til rubidiumoscillatoren til Ref IN-porten til VSG ved hjelp av en Bayonet-Neill-Concelman (BNC)-kabel. Koble RF OUT-porten til VSG til inngangen til den retningsmessige koblings-IN-porten ved hjelp av en Type N-kabel. Ingen effektforsterker er satt inn før protokolltrinn 3.2.
- Koble OUT-porten på retningskoblingen til inngangsportens passende båndpassfilter (om nødvendig) ved hjelp av en Type N-hunn til hunnkontakt.
MERK: Et bandpassfilter brukes til å minimere harmoniske frekvenser i andre bånd.
- Monter Type N-kabelen som skal kobles til mottaksantennen, filteret, kabelen mellom filteret og strømsplitteren, og Type N-kabelen som skal kobles til VSA; bruk VNA til å måle dette systemet med komponenter.
- Foreta samme måling, men gjennom de samme komponentene som er koblet til sikkerhetstilordningen. Registrer S21-verdiene , som vil bli brukt som tap av mottakssystem på VSA-siden av strømsplitteren og SA-siden av strømsplitteren. Bruk disse verdiene til å korrigere det mottatte signalnivået som er omtalt i delen for representative resultater.
- Mottar systemoppsett
- Koble alle enheter til en strømkilde: enten en UPS eller et overspenningsbeskyttet sett med stikkontakter. Kontroller at alle instrumentene er slått av mens du hekter sammen komponenter.
- Montere mottaksutstyret (figur 2).
- Koble en Type N-kabel til inngangen til bandpassfilteret. Koble utgangen til bandpassfilteret til inngangen til strømdeleren (port 1).
- Koble port 2 på strømdeleren til RF IN-porten på VSA. Koble port 3 på strømdeleren til RF IN-porten på sikkerhetstilordningen.
- Bruk en BNC til bananpluggledning, koble frekvensadj for rubidiumoscillatoren til DC OUT for likestrømsforsyningen (DC).
- Koble en 10 MHz-utgang fra rubidiumoscillatoren til Ext Ref In-porten på VSA ved hjelp av en BNC-kabel. Koble en 10 MHz-utgang fra rubidiumoscillatoren til Ext Trig/Ref In-porten på spektrumanalysatoren.
- Slå på VSG og sørg for at den er satt til RF OFF. Slå på strømmåleren. Slå på alle instrumentene, og la instrumentene varmes opp i en time før du foretar målinger.
- Konfigurer VSA i VSA 89601B-modus. Når du er i VSA-modus, setter du senterfrekvensen til CW-frekvensen av interesse. Til slutt velger du antall poeng tatt med ønsket lengde på den totale målingen i tankene.
MERK: Selv om systemet fungerer ved hjelp av en CW, må spennet stilles inn for å fange opp eventuelle Doppler-skift og falming. Oppløsningsbåndbredden bestemmer filteret som brukes av VSA til å måle strøm når det feier over frekvensområdet, slik at valg av båndbredde med lav oppløsning gir en mer presis måling. Som en avveining tar en båndbredde med lavere oppløsning større tid per punkt. - Konfigurer VSA med følgende innstillinger: Velg VSA 89601B-modus; senterfrekvens: Freq MHz (f.eks. 1770 MHz); spennvidde: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; Antall punkt: maks (491026 punkt, 409601 punkt)-avhenger av VSA; Rng: -42 dBm; øvre graf øvre skala verdi: -30 dBm.
- Kontroller at sikkerhetstilordningen styres av instrumentkontrollprogramvare som bruker programmerbare standardkommandoer for programmerbare instrumenter (SCPI)-kommandoer, slik at kontinuerlige sveip kan samles inn og lagres.
- Angi sa slik at start- og stoppfrekvensene samsvarer med VSA-senterfrekvensen. Ettersom RBW på samme måte bestemmer filterstørrelsen som brukes av sikkerhetstilordningen, setter du RBW til samme verdi som vsa-målet.
- Sett videobåndbredden til samme verdi som oppløsningsbåndbredden og søkemodusen som skal prøves for å registrere data som ikke er lagret. La demping være av, kontroller at sikkerhetstilordningen ikke blir overbelastet, og behold forhåndsstempelet på.
- Konfigurer sikkerhetstilordningen med følgende for hver sveip: StartFreq: Samme senterfrekvens som i VSA-oppsettet (f.eks. 1770 MHz); StopFreq: Samme senterfrekvens som i VSA-oppsettet (f.eks. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detektor: prøve; feietid: 500 ms; pts/spor: 461; forhåndssamp PÅ; demping: 0; automatisk demping: Av.
- Trykk ENTER i sikkerhetstilordningen for å få tilgang til menyene. Aktiver Ekstern referanse ved å trykke på Skift-knappen og velge System-knappen på spektrumanalysatoren. Velg deretter Mer | | for portinnstillinger Ext Inndata | Ref ved hjelp av tastene i nærheten av skjermen.
- Konfigurer VSG ved å velge en faktisk vekt-utdata.
- Sett frekvensen til 1770 MHz. Følg prosedyren i avsnitt 4.22 for å bestemme det lineære området til effektforsterkeren.
- Sett VSG-utgangsamplituden til -4 dBm, den øvre grensen til det lineære området til effektforsterkeren.
- Kalibrer kraftmåleren.
- Koble strømmålerhodet til referanseporten (kanal A eller B) og den andre enden av strømmåleren til en måleport.
- Sett kraftmålerfrekvensen til 1770 MHz for referanseporten som brukes ovenfor. Null og kalibrer kraftmåleren. Kontroller at strømmåleravlesningen forblir innenfor 0,2 dB på 0 dBm.
- Koble strømmålerhodet fra referanseporten, og koble strømmålerhodet til utgangen på demperen som vises i figur 1.
- Kalibrere VSA: Verktøy | Kalibrering | Kalibrering. Slå RF PÅ VSG.
MERK: Kontroller at det er et signal på spektrumanalysatoren. Hvis signalnivået faller ned til -120 dBm, er ikke den eksterne referansen på. Hvis signalet er for sterkt, vil det overbelaste mottakssystemet og skade enten VSA eller SA. Vær oppmerksom på maksimale inngangssignalnivåer (vanligvis vist på forsiden av instrumentet), og hold minst 10 dB under dette nivået. - Synkroniser rubidiumoscillatorene ved å stille inn spenningen, men ikke overskrid den maksimale inngangsspenningen som er tillatt på rubidiumsynkroniseringsporten.
- Endre TimeLen på toppgrafen på VSA-skjermen til 100 ms. Sett y-aksen på det nederste plottet til I-Q.
- Trykk på Strøm/spenning på frontpanelet på strømforsyningen. Endre spenningen litt om gangen og se prikken på VSA-skjermen: Hvis den roterer frem og tilbake, gjør ingenting, er frekvensene justert. Hvis den roterer i én retning konsekvent, endrer du strømmåleravlesningen (spenningen) til prikken på I-Q-plottet begynner å avta, og den beveger seg sakte frem og tilbake (pendelbevegelse) (figur 4).
- Sett TimeLen på det øverste diagrammet på VSA-skjermen tilbake til 1 s, og sett y-aksen tilbake til Log Magnitude.
- Ta 10 registreringer av anskaffelse på sikkerhetstilordningen for å kontrollere at alle parameterne er riktig angitt, og at signalnivået på SA-skjermen samsvarer med signalnivået på vsa-skjermen.
2. Labverifisering og validering
- Uten å feste antenner, sett inn en variabel demper mellom sendersiden av systemet og mottakssiden av systemet (figur 5). Fjern effektforsterkeren fra måleoppsettet for denne bekreftelsen.
- Sett den trappede dempingen av dempingen til 0 dB og antall poster på VSA Input > Recording til 120.
MERK: Én post er lik TimeLen som er angitt på VSA. - Sett antall sveip på sikkerhetstilordningen til 120 poster. Endre utgangsamplituden til VSG til 0 dBm, og trykk på RF ON-knappen på VSG.
- Angi en toppmarkør for å finne verdien av signalstyrken, og kontroller at et signal vises på VSA. Start VSA ved å trykke på Record-knappen øverst på skjermen. Start en SA-måling ved hjelp av instrumentkontrollprogramvaren.
- Endre den trappede demperen til 10 dB, og gjenta trinn 4-10. Gå gjennom alle innstillingene til den trappede demperen og registrer verdiene for hver dempingsinnstilling.
MERK: Når demperen nærmer seg 90 til 110 dB, blir signalet mer støyende når det nærmer seg instrumentets systemstøygulv. Måleverdier nær støygulvet i systemet vil være svært variable. - Hvis du vil kontrollere at VSA mottok signalnivåer, beregner du et gjennomsnitt på 0,5 vinduer til VSA-posten på 120 s og gjennomsnittlig hver sveiping av sikkerhetstilordningen. Legg til VSG-utgangseffektnivået, overføringssiden og tap av sidesystem og den trappede dempingsinnstillingen.
MERK: Verdien av den nevnte summen i trinn 2.6 skal være lik gjennomsnittlig mottatte signalnivåer registrert av VSA og SA innen 0,5 dB, for trappede dempinger mindre enn 80 dB. Hvis de ikke gjør det, gå tilbake og remeasure system tap.
3. Feltmålinger
MERK: Test og bekreft alltid systemet før hver målekampanje.
- Fullfør trinn 1.1-1.3 før hver nye målekampanje, og sett opp overføringssiden av systemet, som beskrevet i avsnitt 1.4.
MERK: Dette er vanligvis plassert i en cellulær-på-hjul (COW), som forblir fast under målinger. - Koble strømforsterkeren mellom VSG og retningskoblingen, som beskrevet i trinn 1.4.2.1.
- Bruk en retningskobling som kan håndtere effektnivåene som genereres av effektforsterkeren. Legg til en 50 dB-demper i retningskoblingen ved den koblede porten for å holde deg innenfor de angitte inngangseffektnivåene til kraftmåleren, og fest kraftmåleren til denne porten. Koble utgangen Type N-kabelen fra retningskoblingen til senderantennen.
- Sett opp mottakssiden av systemet, som beskrevet i trinn 1.5-1.6, inne i et mobilt kjøretøy. Koble mottaksantennen til Type N-kabelen som er koblet til filteret.
- I tillegg til SA-oppsetttrinnene 1.11.3-1.11.4 må GPS-antennen konfigureres i sikkerhetstilordningen.
- Aktiver GPS-posten: Meas-innstillinger | Aktiver | for GPS-post Standard GPS.
- Aktiver GPS på spektrumanalysatoren ved å holde nede Skift-knappen og velge System-knappen på spektrumanalysatoren. Velg deretter Mer | GPS-| GPS-ON & GPS Info-ON ved hjelp av tastene nær skjermen.
- Plasser GPS-antennen på taket på mottakerens målekjøretøy. Forsikre deg om at måleprogramvaren også leser i NMEA-strenger fra GPS-en for hver sveip.
- Fortsett installasjonen som beskrevet i trinn 1.11-1.17, og angi antall poster på VSA Input | Registrering basert på estimert måletid. Sett antall SA-poster til antall VSA-poster pluss omtrent 300 poster, og legg merke til at sikkerhetstilordningen feier langsommere enn VSA.
- Start målingen ved først å starte VSA ved å trykke på Record-knappen øverst på skjermen. Start spektrumanalysatormålingen.
- Etter målingen lagrer du VSA-opptaksfilen | Lagre | Lagre innspilling. Alternativer for lagring | Lagre meldingshoder med data. Når du lagrer filen, legger du til en _VSA på slutten av filen. Endre navnet på datafilen for spektrumanalysatoren slik at den samsvarer med filnavnet til VSA, men legg til _SA for spektrumanalysatoren.
Representative Results
Følgende resultater ble oppnådd under en feltverifisering av det presenterte systemet. Senderen lå på Kohler Mesa bak Department of Commerce Boulder Laboratories i Boulder, Colorado. Mottakeren ble kjørt gjennom Boulder, Colorado, i et spesialdesignet målekjøretøy (se figur 6), og kontinuerlige målinger ble tatt. Sikkerhetstilordningen lagrer de feide dataene som loggstørrelsesformat i en hendelsesdatastruktur, mens GPS-dataene lagres i en egen hendelsesdatastruktur i samme fil. Et eksempel på data for én sveip vises i figur 7. De lagrede dataene konverteres til lineær kraft i watt; En middelverdi beregnes for alle punkter i feiingen og konverteres deretter tilbake til loggstørrelse. GPS-informasjonen tilordnes denne gjennomsnittsverdien for sveipingen som vises av den røde X-en til en verdi av −71,5 dBm. Denne prosessen gjøres for hver sveip i filen.
Deretter behandles baseband I-Q-dataene fra VSA som vist i ligning 1. Kraften i dBm beregnes for hver I-Q-prøve. VSA samler inn toppdata, som må konverteres til dBm, i løpet av dette trinnet.
(1)
Under målingen lagres baseband I-Q-dataene i en midlertidig fil. VSA innhenter ingen GPS-informasjon. Lengden på filen velges slik at det forespurte antallet poster er lik antall sekunder med stasjonstid. Når målingen er fullført, skrives dataene til en fil hvis struktur er forhåndsprogrammert av VSA-programvareutviklerne. Data som er lagret i denne filen inkluderer tidsforskjellen mellom måleprøver, frekvensen og de komplekse dataprøvene. Behandlingstrinnet innebærer utjevning av størrelsen på baseband I-Q-dataene over et vindu på 500 ms for hele datasettet til omtrent en 40-bølgelengde kjøreavstand. Figur 8 viser hvordan den utjevnede gjennomsnittseffekten er sammenlignet med rådataene for en større del av en stasjonstest. Rådataene vises med den blå sporet, og den utjevnede gjennomsnittseffekten vises av den røde sporingen.
VSA- og SA-datasettene justeres ved hjelp av en sirkulær konvolusjon. VSA-datapunktet i hvert sekund er på linje med SA-prøvene som genereres i hvert sekund for å overføre GPS-koordinatene fra sikkerhetstilordningen til VSA-datapunktene. En lineær regresjonsmodell justerer dataene ved å minimere restene mellom de målte effektnivåene i de to datasettene. De justerte dataene presenteres ved å tegne inn SA-potensen i dBm på x-aksen og VSA-potensen i dBm på y-aksen (figur 9). Siden SA-systemets støygulv er høyere enn VSA-systemets støygulv, vil grafen vise en nedadgående krumning på punkter under omtrent -115 dBm for datasett nær støygulvet. Figur 9 og figur 10 viser justeringen av VSA-strømmen og SA-potensen i forhold til den forløpte tiden i sekunder. GPS-tidsstempelet fra SA-middelets gjennomsnittseffekt festes deretter til det første datapunktet i VSA-serien med gjennomsnittlig jevnet kraft. Den vertikale forskyvningen mellom de to datasettene elimineres ved å korrigere for kabeltap fra strømdeleren til sikkerhetstilordningen. Siden bare de tidsstemplede VSA-dataene brukes, er imidlertid dette ekstra trinnet unødvendig. Disse dataene lagres og brukes deretter i LONGLEY-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 for å forutsi terrengtap. VSA-dataene korrigeres ved å legge til systemtap og fjerne systemgevinster for å oppnå det målte grunnleggende overføringstapet (BTL) eller grunnleggende overføringsforsterkning (BTG) langs stasjonsruten som vist i figur 11 og figur 12 og gitt ved ligning 2.
(2)
hvor BTL er det grunnleggende overføringstapet, Pt og Pr er overførings- og mottakskreftene i dBm, Gt og Gr er gevinstene ved overførings- og mottaksantenner i henholdsvis dBi, og Lt og Lr er systemtapene for overføringssystemet og mottakssystemet i dB, henholdsvis.
I figur 11 er den lilla stjernen sendestedet. De gule og lilla prikkene representerer henholdsvis de høyeste og laveste mottatte signalnivåene. Et plott av de målte BTG -ene (svart x), ITM-modellerte BTG (blå +er), overføringsforsterkning i ledig plass (FSTG) (røde sirkler) og systemets støygulv (rosa prikker) vises i figur 12. Når ITM BTG er lik FSTG, er det ingen terrenginteraksjoner, og alle tap (forskjell mellom FSTG og MBTG) kan antas å komme fra bygninger, løvverk eller andre interaksjoner med omgivelsene. Dette vises i figur 13, der den svarte linjen er terrenget trukket fra USGS terrengdatabase13, den røde, stiplede linjen er synslinjen (LOS) mellom senderantennen og mottaksantennen, og de blå, prikkede og stiplede linjene er de øvre og nedre første Fresnel-sonene14 der mesteparten av energien er lokalisert.
Figur 1: Diagram over overføring av komponenter og tilkoblinger. Sender side av kontinuerlig bølge (CW)-kanalslodd. Forkortelser: RF = radiofrekvens; Ref = referanse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Diagram over mottak av komponenter og tilkoblinger. Mottakssiden av CW-kanallyderen (continuous-wave). Forkortelser: GPS = Globalt posisjoneringssystem; RF = radiofrekvens; Ext Ref = ekstern referanse; GPS-myr = GPS-antenne; Ext Trig/Ref = ekstern utløser/referanse; TCP/IP = protokoll for overføringskontroll/Internett-protokoll; Freq Adj = Frekvensjustert; DC = likestrøm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: CW-kanalloddsystem i laboratoriet. En benktopdistribusjon av Channel Sounder (Institute for Telecommunication Sciences) for systemvalidering og nøyaktighetstesting som viser hovedkomponentene. Forkortelser: VSA = vektor signal analysator; VSG = vektor signal generator. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: I-Q-skjerm. Frekvensjustering ved hjelp av in-fase og quadrature (I-Q) plott. Forkortelser: Faktisk vekt = kontinuerlig bølge; TimeLen = tidslengde; I-akse = faseakse; Q-akse = kvadratisk akse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Oppsett av verifiserings- og valideringssystem. Systemoppsett for verifiserings- og valideringsmålinger. Forkortelser: I-Q = in-phase quadrature; RF = radiofrekvens; Ref = referanse; GPS = Globalt posisjoneringssystem; Ext Trig/Ref = ekstern utløser/referanse; TCP/IP = protokoll for overføringskontroll/Internett-protokoll; Freq Adj = frekvens justert; DC = likestrøm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Cellular-on-wheels (COW) og målebil. Bilde som viser grønn varebil som brukes til mottakssystem og cellular-on-wheels (COW) som brukes til å huse overføringssystem. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Spectrum analyzer feie og feie gjennomsnitt. Enkelt sveip for spektrumanalysatordatafangst bestående av 461 poeng over en 0,5 s feietid. Forkortelse: SA = spektrumanalysator. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Vektorsignalanalysatoren fikk kraft og glidende gjennomsnitt. Data i I-Q-størrelse (in-phase and quadrature) for en liten del av et større løp sammenlignet med gjennomsnittseffekten (rød spor) beregnet over et vindu på 0,5. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: VSA- og SA-signaljustering. Justering av vektorsignalanalysatorkraft og spektrumanalysatorkraft. Forkortelser: VSA = vektor signal analysator; SA = spektrumanalysator. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: VSA og SA fikk strøm etter signaljustering. Justert vektor signal analysator kraft og spektrum analysator kraft vs forløpt tid i sekunder. Forkortelser: VSA = vektor signal analysator; SA = spektrumanalysator. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 11: Geolokasjon av målt grunnoverføringsgevinst. Målt grunnoverføringsøkning langs kjøreruten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 12: Målt og modellert grunnoverføringsgevinst. Målt grunnleggende overføringsforsterkning (blå x), ITM (Irregular-Terrain Model) grunnleggende overføringsforsterkning (BTG) (svart +s), overføringsforsterkning i ledig plass (røde sirkler) og systemstøygulv (rosa prikker) vs. forløpt tid langs kjøreruten. Forkortelser: MBTG = Målt grunnleggende overføringsforsterkning; ITM = Modell for uregelmessig terreng. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 13: Terrengprofil og første Fresnel-sone. U.S. Geological Survey terrengprofil (svart linje) for forløpt tid 1636.2 s. Den øvre (første) Fresnel-sonen (blå, prikket linje) og nedre (første) Fresnel-sone (blå, stiplet linje) plottes også sammen med synslinjen (rød, stiplet linje) mellom den overførende antennen og mottaksantennen. Forkortelser: USGS = U.S. Geological Survey; NED = nasjonal høydedatabase. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Det er svært viktig å teste et system som beskrevet i denne protokollen før du prøver å gjøre målinger i et utendørs miljø. På denne måten kan eventuelle dårlige komponenter eller ustabilitet spores og identifiseres i målesystemet og kan løses. De kritiske trinnene i denne protokollen er å 1) teste de enkelte komponentene først, og kontrollere at de opererer innenfor spesifikasjonen, 2) montere overførings- og mottakssider separat og teste kjedet av komponenter, 3) montere overførings- og mottakssiden ved å sette inn en trappet dempings- og måle signalnivåer når dempingen endres for å sikre at de mottatte signalnivåene i VSA og SA er som beregnet. Videre feilsøking kan utføres ved hjelp av en VSG, for eksempel den som vises i materialtabellen, som har et alternativ for å generere falmingssimuleringer, som kan brukes til å teste systemet ved hjelp av simulerte bølgeformer i ulike falmingsmiljøer som oppstår i virkelige forplantningsmiljøer. Når målesystemet fungerer som det skal, kan målinger gjøres i et utemiljø med tillit til at målingene vil være nøyaktige.
Et annet viktig trinn er å overvåke senderkraften gjennom hele målingen for å bekrefte at systemet fungerer som det skal. Kraftforsterkeren karakteriseres og testes separat for å forstå dens linearitet og utslippsspektra utenfor båndet. Strømforsterkeren kan valideres på benken med resten av oppsettet, men det må utvises forsiktighet for å redusere signaleffekten under den maksimale nominelle strøminngangen til VSA ved hjelp av riktig rangerte dempere. Verken GPS-antennen eller dens innstillinger bør brukes til laboratorieverifisering og validering. Siden VSAs skjerm ikke er i stand til å gi sanntidsovervåking av miljøet, bidrar tillegg av en sikkerhetstilordning som en sanntidsmonitor til å bestemme systemets nåværende tilstand. Det finnes flere typer kanallydende målesystemer for å fange kanalkarakteristikker for radiosystemer: CW, direkte puls, frekvensdomene ved hjelp av en VNA, korrelasjonsbasert, feidetidsforsinkelse krysskorrelasjon.
En begrensning i dette systemet er at et faktisk vekt-signal som undersøker det lokale miljøet, ikke inneholder tidsdomeneinformasjon, for eksempel tidsforsinkelsesprofiler. En tidsforsinkelsesprofil gir informasjon om tidspunktet for kilderefleksjoner av signalet i lokalmiljøet. En fordel med å bruke et CW-signal er imidlertid at det er lettere å få tillatelse til å overføre på en frekvens i forskjellige bånd ved hjelp av CW-signalet for smalt bånd i stedet for å prøve å overføre et bredbåndssignal. Faktisk vekt-systemer kan ha et større dynamisk område enn andre systemer, og signalet kan vanligvis forplante seg videre i miljøet. Et faktisk vekt-signal har også lydprøvefrekvenser som resulterer i mindre filstørrelser enn andre typer kanallydende systemer. Med dette systemet er datainnsamlinger kontinuerlige og kan vare i flere timer. CW-kanals sounder-målesystemet som er omtalt i denne artikkelen, kan brukes ved forskjellige frekvenser, avhengig av rekkevidden til de forskjellige monterte komponentene. Systemet kan brukes i et utendørs forplantningsmiljø eller et innendørs forplantningsmiljø15.
Acknowledgments
Takk til Forsvarets spektrumkontor (DSO) for å finansiere arbeidet som presenteres i denne artikkelen.
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).
