Summary
Bu rapor, sürekli dalga, radyo frekansı kanal ses taşıyan bir ölçüm sistemi kullanılarak yapılan kurulum, doğrulama ve doğrulama ve yayma ölçümlerinin sonuçlarını açıklar.
Abstract
Kanal sounder'ları radyo sistemleri için kanal özelliklerini ölçmek için kullanılır. Günümüzde kullanılan çeşitli kanal sounder türleri vardır: sürekli dalga (CW), doğrudan darbe, vektör ağ çözümleyicisi (VNA) kullanan frekans etki alanı, korelasyon tabanlı ve süpürülmüş zaman gecikme çapraz korelatör. Bunların her birinin benzersiz avantajları ve dezavantajları vardır. CW sistemleri, çevreye daha fazla yayılabilen bir sinyale sahip diğer sistemlerden daha büyük bir dinamik aralığa sahiptir. Ses örnekleme hızları diğer sistemlerden daha küçük dosya boyutlarına izin verdiğinden, veri toplama sürekli olabilir ve birkaç saat sürebilir. Bu makalede, Amerika Birleşik Devletleri'nin çeşitli şehirlerinde çok sayıda yayılma kaybı ölçümü yapmak için kullanılan bir CW kanallı sounder sistemi ele alınmıştır. Bu tür yayılma ölçümleri doğru, tekrarlanabilir ve eserlerden veya önyargılardan arındırılmış olmalıdır. Bu makalede ölçümün nasıl ayarlanabileceği, sistemin güvenilir ölçümler yaptığının nasıl doğrulanıp doğrulanabileceği ve son olarak tekrarlanabilirlik ölçümleri, dağınıklık kaybı ölçümleri (dağınıklık kaybının serbest alan iletim kaybından kaynaklanan fazla kayıp olarak tanımlandığı) ve karşılıklılık ölçümleri gibi bazı ölçüm kampanyalarının sonuçları gösterilebilir.
Introduction
Telekomünikasyon Bilimleri Enstitüsü (ITS), ABD Ticaret Bakanlığı'nın bir kuruluşu olan Ulusal Telekomünikasyon ve Enformasyon İdaresi'nin (NTIA) araştırma laboratuvarıdır. ITS, doğru, saygın radyo frekansı (RF) yayılma ölçümleri yapma konusunda uzun bir geçmişe sahiptir. Spektrum paylaşımındaki artışa, birden fazla hizmetin paylaşmak zorunda kalacağı radyo ortamının daha iyi anlaşılmasını sağlayan doğru, tekrarlanabilir ölçümlere duyulan ihtiyaç eşlik etti. Son birkaç yıldır, askeri hizmetler Gelişmiş Kablosuz Hizmetler (AWS)-3 bandındaki (1755-1780 MHz)1 ticari kablosuz taşıyıcılarla spektrum paylaşım düzenlemeleri geliştiriyor. Bu, ticari kablosuz iletişim operatörlerinin askeri hizmetleri bant dışına çıkarmadan önce AWS-3 bandını kullanmalarına olanak sağlayacaktır. Bandın kullanımı hem sistemleri coğrafi olarak izole ederek hem de frekans parazit senaryolarının modelilmesiyle koordine edilecektir. Bu spektrum bandını paylaşmak için, bant içindeki askeri ve ticari kablosuz sistemler arasındaki RF parazitinin değerlendirilmesi için yayılma modelleri geliştirmek ve iyileştirmek için yayılma ölçümleri gereklidir.
Savunma Spektrumu Kuruluşu (DSO), AWS-3 geçişinin yönetiminden sorumludur ve ITS ve diğerlerini bir dizi kanal sesi ölçümü yapmakla görevlendirmiştir. Bu ölçümler, ortamdaki yeşillik ve insan yapımı yapıların etkisinin hesaplanması için yeni modeller oluşturmak için kullanılacaktır (topluca dağınıklık olarak bilinir). Dağınıklığı oluşturan gelişmiş yayılma modellemesi, askeri sistemlerin çevresindeki ticari vericilerde daha az kısıtlamaya yol açabilir. Bu makalede tartışılan CW kanal-sounder sistemi, son beş yıldır radyo yayma ölçüm verilerini toplamak ve dağınıklık zayıflamasını hesaplamak için kullanılmıştır. Bu ölçüm sistemi doğru, tekrarlanabilir ve tarafsız sonuçlar üretir ve DSO, ITS'yi RF yayma verilerinin ölçümü ve işlenmesi için en iyi ölçüm uygulamalarını içeren kurumsal bilgilerini daha geniş teknik toplulukla paylaşmaya teşvik etti.
En iyi ölçüm uygulamaları, bir sistemin bileşen düzeyinden monte edilmiş sistem düzeyine kadar anlaşılmasını gerektirir. Bu en iyi ölçüm uygulamaları, radyo yayma ölçüm sistemlerinin hazırlanması ve doğrulanması için bir dizi en iyi uygulamayı açıklayan yakın zamanda yayınlanan NTIA Teknik Memorandum TM-19-5352'de belgelenmiştir. ITS kısa süre önce bileşen kayıplarını ölçmek ve bu ölçüm sistemi için kötü bileşenleri belirlemek için kullanılan bir VNA'nın kalibre edilmesiyle ilgili bir JoVE makalesini tamamladı3. Bu makale, geniş toplum için bu en iyi ölçüm uygulamalarının belgelemesinde bir devamıdır. Bu makalede bir CW kanallı sounder için en iyi uygulamalar tartışılsa da, aynı teknikler diğer kanal sounder sistemlerini doğrulamak için kullanılabilir: VNA sistemleri; FA sistemleri; tam bant genişliğine sahip, korelasyona dayalı sistemler; doğrudan darbe sistemleri; ve kayan korelatör tabanlı sistemler4,5,6.
Bu makalede, bir vektör sinyal çözümleyicisi (VSA), bir spektrum çözümleyicisi (SA), iki rubidium osilatör, bir güç ölçer, bir vektör sinyal üreteci (VSG) ve dış mekan ölçüm ortamında ölçümler için çeşitli filtreler ve güç bölücüler kullanılarak CW kanalı ses ölçüm sisteminin nasıl kurulaca ilişkin ayrıntılı olarak açıklanmaktadır7,8. Sistemin iletim tarafı, bir güç amplifikatörü tarafından güçlendirilen bir CW sinyali üreten VSG'den oluşur. Bu daha sonra, sinyalin bir kısmını güç ölçere yönlendirmek için yönlü bir çift tarafından bölünür, bu da kullanıcının sistem çıkışını izlemesini sağlar. Sinyalin geri kalanı yayılma kanalı üzerinden sistemin alıcı tarafına gönderilir. Alıcı taraf, güç amplifikatörü tarafından üretilen paraziti ve harmonikleri azaltmak için düşük geçişli bir filtreden oluşur. Filtrelenmiş sinyal bir güç bölücüye bölünür ve ölçüm sırasında bir zaman damgası ve Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) konumu ile birlikte izleme için SA'ya beslenir. Sinyalin diğer yarısı, 1-5 kHz aralığında faz içi quadrature (I-Q) verilerine dönüştürülmek üzere VSA'ya gönderilir. Örnekleme hızı, enstrüman span9 tarafından belirlenir ve aracın hızının bir işlevi olan beklenen Doppler spektrum kaymaları tarafından yönlendirilir. Elde edilen zaman serisi daha sonra postprocesing ve veri analizi için bir bilgisayara aktarılır.
Rubidium saatler, son derece doğru ölçümler ve son derece kararlı frekanslar sağlamak için hem vericide hem de alıcıda kullanılır. Alıcı uçta rubidium saat, iletim ve alma frekanslarının hassas hizalaması için ince bir frekans ayarına sahiptir. Genellikle, frekanslar test için birbirinin 0,1 Hz'i içinde olacak şekilde ayarlanır. Rubidium saatler yüksek hassasiyetli CW yayılma ölçümleri için gereklidir. Ölçümler boyunca hassas zaman tabanı doğruluğu sağlar ve vericinin ve alıcının frekans sürüklenmesini önler. Bu makalede ayrıca, bir sistemin dış ortamda ölçüm yapmadan önce hem antenli hem de antensiz olarak laboratuvar ortamında doğru ölçümler yaptığının nasıl doğrulanıp doğrulanılacağı ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Sistem, 430 MHz ile 5,5 GHz arasında değişen frekanslarda kapsamlı bir dizi dış mekan ve iç mekan testi ve birçok farklı iletim gücü için kullanılmıştır7,8,10.
Protocol
NOT: ITS kanal sounder sistemi Şekil 1 ve Şekil 2'de, tezgah üstü değerlendirme kurulumu ise Şekil 3'te gösterilmiştir. Tüm bileşenlerin düzgün yapılandırıldığından emin olmak için CW kanallı sounder'ı kurarken bu rakamlara başvurun. Aşağıdaki bölümlerde, ölçüm yapmadan önce bir sistemin nasıl doğrulanıp doğrulanılacağı açıklanmaktadır.
1. Ölçüm sistemi kurulumu
NOT: Bu bölümde, sistemin alan ölçümleri için nasıl ayarlandırılacağı açıklanmaktadır. İlk olarak, sistemin hem iletim hem de alıcı tarafındaki sistem kayıpları, tam sistem monte edilmeden önce ayrı ayrı hesaba verilmeli ve ölçülmelidir. Daha sonra, tam sistem monte edilir ve laboratuvar doğrulaması ve doğrulamasına hazırlanmak için tek tek cihazlar yapılandırılır, kalibre edilir ve senkronize edilir.
- Sistemi monte etmeden önce tek tek sistem bileşenleri için bir VNA2 kullanarak S parametrelerini ölçün: kablolar, zayıflayıcılar, güç ayırıcılar, yönlü bağlayıcılar ve düşük geçişli filtreler.
NOT: Bu, kayıpları karakterize eder ve bozuk kabloları veya spesifikasyon dışı bir cihazı tanımlar. - Type N kablosunu güç amplifikatörü, yönlü bağlayıcı, bandpass filtresi ve antene bağlanacak Type N kablosunun çıkışına monte edin ve bileşen zincirini ölçmek için VNA'yı kullanın.
NOT: Bu ölçüm, tek tek bileşenlerin VNA ile ölçülmesiyle görülmeyen dahili yansımaları içerecektir. - Negatif bir sayı olacak ve iletim sistemi kayıpları olarak kullanılacak olan S21 değerini kaydedin. Temsili sonuçlar bölümünde açıklanan alınan sinyal düzeyini düzeltmek için bu değerleri kullanın.
- Sistem kurulumu iletilir
- Tüm cihazları bir güç kaynağına takın: kesintisiz güç kaynağı (UPS) veya aşırı gerilim korumalı bir çıkış seti. Bileşenleri birbirine bağlarken tüm cihazların kapalı durumda olduğundan emin olun.
- İletim ekipmanını monte etmek (Şekil 1).
- Rubidium osilatörün 10 MHz çıkışını Süngü-Neill-Concelman (BNC) kablosu kullanarak VSG'nin Ref IN bağlantı noktasına bağlayın. VSG'nin RF OUT bağlantı noktasını, Bir Type N kablosu kullanarak yönlü bağlayıcı IN bağlantı noktasının girişine bağlayın. Protokol Adım 3.2'ye kadar güç amplifikatörü takılı değildir.
- Yönlü bağlayıcının OUT bağlantı noktasını, Tip N dişiden dişiye konektör kullanarak giriş bağlantı noktasına uygun bandpass filtresine (gerekirse) bağlayın.
NOT: Diğer bantlardaki harmonik frekansları en aza indirmek için bir bandpass filtresi kullanılır.
- Alıcı antene, filtreye, filtre ile güç ayırıcı arasındaki kabloya ve VSA'ya bağlanacak Type N kablosuna bağlanın; bu bileşen sistemini ölçmek için VNA'yı kullanın.
- Aynı ölçümü yapın, ancak SA'ya bağlı aynı bileşenler aracılığıyla. Güç ayırıcının VSA tarafında ve güç ayırıcının SA tarafında alıcı sistem kayıpları olarak kullanılacak olan S21 değerlerini kaydedin. Temsili sonuçlar bölümünde açıklanan alınan sinyal düzeyini düzeltmek için bu değerleri kullanın.
- Sistem kurulumu alınıyor
- Tüm cihazları bir güç kaynağına takın: UPS veya dalgalanma korumalı bir çıkış seti. Bileşenleri birbirine bağlarken tüm cihazların güçlendirilmiş durumda olduğundan emin olun.
- Alıcı ekipmanı monte etmek (Şekil 2).
- Bandpass filtresinin girişine bir Type N kablosu bağlayın. Bandpass filtresinin çıkışını güç bölücünün girişine bağlayın (bağlantı noktası 1).
- Güç bölücünün 2 numaralı bağlantı noktasını VSA'daki RF IN bağlantı noktasına bağlayın. Güç bölücünün 3 numaralı bağlantı noktasını SA'daki RF IN bağlantı noktasına bağlayın.
- Muz takma kablosu için BNC kullanarak, rubidium osilatörün Frekans Ayrl'sını doğrudan akım (DC) güç kaynağının DC OUT'una bağlayın.
- Rubidium osilatörün 10 MHz çıkışını bir BNC kablosu kullanarak VSA'daki Ext Ref In bağlantı noktasına bağlayın. Rubidium osilatörün 10 MHz çıkışını spektrum analizöründeki Ext Trig/Ref In bağlantı noktasına bağlayın.
- VSG'yi kapatın ve RF KAPASI olarak ayarlandığından emin olun. Güç ölçerin gücü. Tüm aletleri açın ve herhangi bir ölçüm yapmadan önce cihazların bir saat ısınmasına izin verin.
- VSA 89601B modunda VSA'yı yapılandırın. VSA modundayken, merkez frekansı ilgi alanı CW frekansı olarak ayarlayın. Son olarak, genel ölçümün istenen uzunluğunu göz önünde bulundurarak alınan puan sayısını seçin.
NOT: Sistem bir CW kullanarak çalışsa da, açıklık herhangi bir Doppler kayması ve solması yakalamak için ayarlanmalıdır. Çözünürlük bant genişliği, VSA'nın frekans boyunca süpürürken gücü ölçmek için kullandığı filtreyi belirler, bu nedenle düşük çözünürlüklü bir bant genişliği seçmek daha hassas bir ölçüm sağlar. Bir denge olarak, daha düşük çözünürlüklü bant genişliği puan başına daha fazla zaman alır. - VSA'yı aşağıdaki ayarlarla yapılandırın: VSA 89601B modunu seçin; merkez Frekans: Freq MHz (örneğin, 1770 MHz); açıklık: 3 kHz; TimeLen: 1 sn; ResBW: 3.81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-VSA'ya bağlıdır; Rng: -42 dBm; üst grafik üst ölçek değeri: -30 dBm.
- SA'nın programlanabilir araçlar (SCPI) komutları için programlanabilir standart komutlar kullanan enstrüman kontrol yazılımı tarafından kontrol edildiklerinden emin olun, böylece sürekli süpürmeler toplanabilir ve kaydedilebilir.
- SA'yı, başlatma ve durdurma frekansları VSA merkez frekansı ile eşleşecek şekilde ayarlayın. RBW benzer şekilde SA tarafından kullanılan filtre boyutunu belirlediğinden, RBW'yi VSA ölçümünün yayılma alanıyla aynı değere ayarlayın.
- Video bant genişliğini çözünürlük bant genişliği ve kaydedilmemiş verileri kaydetmek için örnekleme için algılama moduyla aynı değere ayarlayın. Zayıflamayı bırakın, SA'nın aşırı yüklenmeyeceğinden emin olun ve preamp'ı açık tutun.
- SA'yı her süpürme için aşağıdakilerle yapılandırın: StartFreq: VSA kurulumundakiyle aynı orta frekans (örneğin, 1770 MHz); StopFreq: VSA kurulumundakiyle aynı orta frekans (örneğin, 1770 MHz); RBW (MHz): 0.003; VBW (MHz): 0.003; dedektör: örnek; süpürme süresi: 500 ms; pts/trace: 461; preamp ON; zayıflama: 0; otomatik zayıflama: Kapalı.
- Menülere erişmek için SA'da Enter tuşuna basın. Shift düğmesine basarak ve spektrum çözümleyicisinde Sistem düğmesini seçerek Dış Başvuruyu etkinleştirin. Ardından, Diğer | Bağlantı Noktası Ayarları | Ext Giriş | Ekranın yanındaki yazılım tuşlarını kullanarak ref.
- Bir CW çıkışı seçerek VSG'yi yapılandırın.
- Frekansı 1770 MHz olarak ayarlayın.
- VSG çıkış genliğini güç amplifikatörünün doğrusal aralığına üst sınır olan -4 dBm olarak ayarlayın.
- Güç ölçeri kalibre edin.
- Güç ölçer kafasını referans bağlantı noktasına (kanal A veya B) ve güç ölçerin diğer ucunun bir ölçüm bağlantı noktasına takın.
- Yukarıda kullanılan referans bağlantı noktası için güç ölçer frekansını 1770 MHz olarak ayarlayın. Sıfır ve güç ölçer kalibre. Güç ölçer okumasının 0 dBm'nin 0,2 dB'si içinde kaldığından emin olun.
- Güç ölçer kafasını referans bağlantı noktasından çıkarın ve güç ölçer kafasını Şekil 1'de gösterilen zayıflayıcının çıkışına bağlayın.
- VSA'yı kalibre etme: Yardımcı Programlar | Kalibrasyon | Kalibrasyon. RF'i VSG'de açın.
NOT: Spektrum analizöründe bir sinyal olduğundan emin olun. Sinyal seviyesi -120 dBm'ye düşerse, dış referans açık değildir. Sinyal çok güçlüyse, alıcı sistemi aşırı yükler ve VSA veya SA'ya zarar verir. Maksimum giriş sinyali seviyelerine dikkat edin (genellikle cihazın önünde gösterilir) ve bu seviyenin en az 10 dB altında kalın. - Gerilimi ayarlayarak rubidium osilatörlerini senkronize edin, ancak rubidium senkronizasyon bağlantı noktasında izin verilen maksimum giriş voltajını aşmayın.
- VSA ekranındaki üst grafikteki TimeLen'i 100 ms olarak değiştirin. Alt çizimdeki y eksenini I-Q olarak ayarlayın.
- Güç kaynağının ön panelinde Akım/Voltaj'a basın. Voltajı her seferinde biraz değiştirin ve VSA ekranındaki noktayı izleyin: ileri geri dönüyorsa, hiçbir şey yapmayın, frekanslar hizalanır. Tutarlı bir şekilde bir yönde dönerse, I-Q grafiğindeki nokta yavaşlamaya başlayana ve yavaşça ileri geri hareket edene kadar güç ölçer okumasını (voltaj) değiştirin (Şekil 4).
- VSA ekranındaki üst grafikte TimeLen'i 1 s'ye ayarlayın ve y eksenini yeniden Günlük Büyüklüğü olarak ayarlayın.
- Tüm parametrelerin doğru ayarlandığını ve SA ekranındaki sinyal seviyesinin VSA alt ekranındaki sinyal düzeyiyle eşleştiğini doğrulamak için SA'da 10 edinme kaydı alın.
2. Laboratuvar doğrulaması ve doğrulaması
- Antenleri takmadan, sistemin iletim tarafı ile alıcı tarafı arasına değişken bir zayıflayıcı yerleştirin (Şekil 5). Bu doğrulama için güç amplifikatörünü ölçüm kurulumundan çıkarın.
- Kademeli zayıflayıcı zayıflamasını 0 dB'ye ve VSA Giriş > Kaydındaki kayıt sayısını 120 olarak ayarlayın.
NOT: Bir kayıt VSA'da ayarlanan TimeLen'e eşittir. - SA'daki tarama sayısını 120 kayıt olarak ayarlayın. VSG'nin çıkış genliğini 0 dBm olarak değiştirin ve VSG'deki RF ON düğmesine basın.
- Sinyal gücünün değerini bulmak için bir tepe işareti ayarlayın ve VSA'da bir sinyal görüldüğünü doğrulayın. Ekranın üst kısmındaki Kaydet düğmesine basarak VSA'yı başlatın. Cihaz kontrol yazılımını kullanarak bir SA ölçümü başlatın.
- Kademeli zayıflayıcıyı 10 dB olarak değiştirin ve 4-10 arası adımları yineleyin. Kademeli zayıflayıcının tüm ayarlarını gözden geçirin ve her zayıflama ayarı için değerleri kaydedin.
NOT: Zayıflayıcı 90 ila 110 dB'ye yaklaştıkça, sinyal cihazın sistem gürültüsü zeminine yaklaştıkça daha gürültülü hale gelecektir. Sistemin gürültü zeminine yakın ölçüm değerleri oldukça değişken olacaktır. - VSA'nın alınan sinyal düzeylerini doğrulamak için, 120 s VSA kaydına 0,5 s pencereli ortalama hesaplayın ve SA'nın her taramasını ortalama olarak hesaplayın. VSG çıkış güç seviyesini, gönderen tarafı ve alıcı yan sistem kayıplarını ve kademeli zayıflayıcı ayarını ekleyin.
NOT: 2.6 adımında yukarıda belirtilen toplamın değeri, 80 dB'den küçük kademeli zayıflamalar için VSA ve SA tarafından 0,5 dB içinde kaydedilen ortalama alınan sinyal düzeylerine eşit olmalıdır. Bunu yapmazlarsa, geri dönün ve sistem kayıplarını yeniden dikkate alıp.
3. Alan ölçümleri
NOT: Her ölçüm kampanyasından önce sistemi her zaman test edin ve doğrulayın.
- Her yeni ölçüm kampanyasından önce 1.1-1.3 arası adımları tamamlayın ve bölüm 1.4'te anlatıldığı gibi sistemin iletim tarafını ayarlayın.
NOT: Bu genellikle ölçümler sırasında sabit kalan tekerlekler üzerinde hücresel (COW) bir evde yer alandır. - 1.4.2.1 adımında açıklandığı gibi, güç amplifikatörü VSG ve yönlü bağlayıcı arasında bağlayın.
- Güç amplifikatörü tarafından üretilen güç seviyelerini işleyebilen yönlü bir bağlayıcı kullanın. Güç ölçerin belirtilen giriş güç seviyeleri içinde kalmak için birleştirilmiş bağlantı noktasındaki yönlü bağlayıcıya 50 dB zayıflama makinesi ekleyin ve güç ölçeri bu bağlantı noktasına takın. Çıkış Tip N kablosunu yönlü bağlayıcıdan iletim antenine bağlayın.
- 1.5-1.6 adımlarında anlatıldığı gibi, sistemin alıcı tarafını bir mobil aracın içine ayarlayın. Alıcı anteni filtreye bağlı Tip N kablosuna bağlayın.
- SA kurulum adımları 1.11.3-1.11.4'e ek olarak, GPS anteninin SA'da kurulması gerekir.
- GPS kaydını etkinleştirme: Meas Ayarları | GPS Kayıt | Etkinleştir Standart GPS.
- Shift düğmesini basılı tutarak ve spektrum çözümleyicisinde Sistem düğmesini seçerek spektrum çözümleyicisinde GPS'i etkinleştirin. Ardından, Diğer | GPS | GPS-ON ve GPS Info-ON ekranın yakınındaki yumuşak tuşları kullanarak.
- GPS antenini alıcı ölçüm aracının tavanına yerleştirin. Ölçüm yazılımının her tarama için GPS'ten NMEA dizelerinde de okunduklarından emin olun.
- 1.11-1.17 adımlarında anlatıldığı gibi kuruluma devam edin ve VSA Giriş | kayıt sayısını ayarlayın Tahmini ölçüm süresine göre kayıt. SA kayıtlarının sayısını VSA kayıtlarının sayısına ve yaklaşık 300 kayıta ayarlayın ve SA'nın VSA'dan daha yavaş süpürdür.
- Önce ekranın üst kısmındaki Kaydet düğmesine basarak VSA'yı başlatarak ölçüme başlayın. Spektrum analizörü ölçümünü başlatın.
- Ölçümden sonra VSA kayıt dosyasını | | Kaydet Kaydı Kaydet. Kaydetme Seçenekleri | Üstbilgileri Verilerle Kaydedin. Dosyayı kaydederken, dosyanın sonuna bir _VSA . Spektrum çözümleyicisinin veri dosyasının adını VSA'nın dosya adıyla eşleşecek şekilde değiştirin, ancak spektrum çözümleyicisi için _SA .
Representative Results
Sunulan sistemin saha doğrulaması sırasında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Verici, Boulder, Colorado'daki Ticaret Bakanlığı Boulder Laboratuvarları'nın arkasındaki Kohler Mesa'da bulunuyordu. Alıcı Boulder, Colorado'dan özel olarak tasarlanmış bir ölçüm aracıyla sürüldü (bkz. Şekil 6) ve sürekli ölçümler yapıldı. SA, süpürülen verileri bir olay veri yapısında günlük büyüklüğü biçimi olarak depolarken, GPS verileri aynı dosyada ayrı bir olay veri yapısında depolanır. Şekil 7'de bir süpürme için veri örneği gösterilmiştir. Depolanan veriler Watts'ta doğrusal güce dönüştürülür; a mean, bu süpürmedeki tüm noktalar için hesaplanır ve sonra günlük büyüklüğüne geri dönüştürülür. GPS bilgileri, kırmızı X tarafından −71,5 dBm değerinde gösterilen süpürme için bu ortalama değere atanır. Bu işlem dosyadaki her tarama için yapılır.
Daha sonra, VSA'dan gelen temel bant I-Q verileri denklem 1'de gösterildiği gibi işlenir. dBm'deki güç her I-Q örneği için hesaplanır. VSA, bu adım sırasında dBm'ye dönüştürülmesi gereken en yüksek verileri toplar.
(1)
Ölçüm sırasında, temel bant I-Q verileri geçici bir dosyada saklanır. VSA tarafından GPS bilgisi alınmaz. Dosyanın uzunluğu, istenen kayıt sayısının sürücü süresinin saniye sayısına eşit olacak şekilde seçilir. Ölçüm tamamlandıktan sonra, veriler yapısı VSA yazılım geliştiricileri tarafından önceden programlanmış bir dosyaya yazılır. Bu dosyaya kaydedilen veriler, ölçüm örnekleri, sıklık ve karmaşık veri örnekleri arasındaki zaman farkını içerir. İşleme adımı, temel bant I-Q verilerinin büyüklüğünün 500 ms'lik bir pencere üzerinde, yaklaşık 40 dalga boyu sürüş mesafesine yakın bir veri kümesi için yumuşatılmasını içerir. Şekil 8 , düzeltilmiş ortalama gücün bir sürücü testinin daha büyük bir kısmı için ham verilerle nasıl karşılaştırıldığını gösterir. Ham veriler mavi iz tarafından gösterilir ve düzeltilmiş ortalama güç kırmızı izleme tarafından gösterilir.
VSA ve SA veri kümeleri dairesel bir konvolüm kullanılarak hizalanır. Her saniyedeki VSA veri noktası, GPS koordinatlarını SA'dan VSA veri noktalarına aktarmak için her saniyede oluşturulan SA örnekleriyle hizalanır. Doğrusal regresyon modeli, iki veri kümesinin ölçülen güç düzeyleri arasındaki artıkları en aza indirerek verileri hizalar. Hizalanmış veriler, x ekseninde dBm'deki SA gücü ve y eksenindeki dBm'deki VSA gücü çizilerek sunulur (Şekil 9). SA sistemi gürültü zemini VSA sistem gürültü zemininden daha yüksek olduğundan, grafik gürültü zeminine yakın veri kümeleri için yaklaşık -115 dBm'nin altındaki noktalarda aşağı doğru bir eğrilik gösterecektir. Şekil 9 ve Şekil 10, VSA gücünün ve SA gücünün saniyeler içinde geçen süreye göre hizalamasını gösterir. SA ortalama gücünün GPS zaman damgası daha sonra VSA ortalama yumuşatılmış güç veri serisinin ilk veri noktasına eklenir. İki veri kümesi arasındaki dikey uzaklık, güç bölücüden SA'ya kablo kaybı için düzeltilerek ortadan kalkar; ancak, yalnızca zaman damgalı VSA verileri kullanıldığından, bu ek adım gereksizdir. Bu veriler daha sonra longley-rice/düzensiz arazi modeli (ITM)11,12 arazi kayıplarını tahmin etmek için kaydedilir ve kullanılır. VSA verileri, Şekil 11 ve Şekil 12'de gösterildiği gibi sürücü yolu boyunca ölçülen temel iletim kaybını (BTL) veya temel iletim kazancını (BTG) elde etmek için sistem kayıpları eklenerek ve sistem kazanımları kaldırılarak düzeltilir ve denklem 2 ile verilir.
(2)
btl temel iletim kaybıdır, Pt ve Pr dBm iletim ve alma güçleridir, Gt ve Gr dBi iletim ve alıcı antenlerin kazançlarıdır, Lt ve Lr ise dB'deki iletim sistemi ve alma sistemi için sistem kayıplarıdır, sırasıyla.
Şekil 11'de mor yıldız iletim yeridir. Sarı ve mor noktalar sırasıyla en yüksek ve en düşük alınan sinyal seviyelerini temsil eder. Ölçülen BTG (siyah x'ler), ITM modelli BTG (mavi +'lar), serbest alan iletim kazancı (FSTG) (kırmızı daireler) ve sistem gürültü zemininin (pembe noktalar) bir grafiği Şekil 12'de gösterilmiştir. ITM BTG, FSTG'ye eşit olduğunda, arazi etkileşimleri yoktur ve tüm kayıpların (FSTG ve MBTG arasındaki fark) binalardan, yeşilliklerden veya çevredeki çevreyle diğer etkileşimlerden geldiği varsayılabilir. Bu, siyah çizginin USGS arazi veritabanından çekilen arazi olduğu Şekil 13'te gösterilmiştir13, kırmızı, kesik çizgi, iletim anteni ile alıcı anten arasındaki görüş hattı (LOS) hattıdır ve mavi, noktalı ve kesikli çizgiler, enerjinin çoğunun lokalize olduğu üst ve alt ilk Fresnel bölgeleri14'tür.
Şekil 1: Bileşenlerin ve bağlantıların iletim şeması. Sürekli dalga (CW) kanallı sounder'ın iletim tarafı. Kısaltmalar: RF = radyo frekansı; Ref = başvuru. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Alıcı bileşenlerin ve bağlantıların şeması. Sürekli dalga (CW) kanal sounder'ının alıcı tarafı. Kısaltmalar: GPS = Küresel Konumlandırma Sistemi; RF = radyo frekansı; Ext Ref = dış başvuru; GPS Karınca = GPS anteni; Ext Trig/Ref = harici Tetikleyici/Referans; TCP/IP = iletim denetimi protokolü/internet protokolü; Freq Adj = Frekans ayarlı; DC = doğru akım. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Laboratuvarda CW kanal ses sistemi. Ana bileşenleri gösteren sistem doğrulama ve doğruluk testi için Telekomünikasyon Bilimleri Enstitüsü (ITS) kanal sounder'ının tezgah üstü dağıtımı. Kısaltmalar: VSA = vektör sinyal analizörü; VSG = vektör sinyal üreteci. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: I-Q ekran. Faz içi ve ikinci dereceden (I-Q) çizimi kullanılarak frekans ayarı. Kısaltmalar: CW = sürekli dalga; TimeLen = zaman uzunluğu; I ekseni = faz içi eksen; Q ekseni = dörtgen ekseni. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Doğrulama ve doğrulama sistemi kurulumu. Doğrulama ve doğrulama ölçümleri için sistem kurulumu. Kısaltmalar: I-Q = faz içi dörtgen; RF = radyo frekansı; Ref = başvuru; GPS = Küresel Konumlandırma Sistemi; Ext Trig/Ref = dış tetikleyici/Başvuru; TCP/IP = iletim denetimi protokolü/internet protokolü; Freq Adj = frekans ayarlandı; DC = doğru akım. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Hücresel tekerlekler (COW) ve ölçüm minibüsü. Alan sistem için kullanılan yeşil minibüsü ve iletim sistemini barındırmak için kullanılan tekerlekler üzerindeki hücresel (COW) gösteren fotoğraf. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Spektrum analizörü süpürme ve süpürme ortalaması. 0,5 sn süpürme süresi boyunca 461 noktadan oluşan spektrum analizörü veri yakalama için tek tarama. Kısaltma: SA = spektrum analizörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Vektör sinyal analizörü güç ve hareketli ortalama aldı. 0,5 sn'lik bir pencere üzerinden hesaplanan ortalama güce (kırmızı izleme) kıyasla daha büyük bir çalışmanın küçük bir dilimi için faz içi ve ikinci dereceden (I-Q) büyüklük verileri (mavi izleme). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: VSA ve SA sinyal hizalaması. Vektör sinyal analizörü gücünün ve spektrum analizör gücünün hizalanması. Kısaltmalar: VSA = vektör sinyal analizörü; SA = spektrum analizörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: VSA ve SA sinyal hizalayıktan sonra güç aldı. Hizalanmış vektör sinyal analizörü gücü ve spektrum analizörü gücü ile geçen süre saniyeler içinde. Kısaltmalar: VSA = vektör sinyal analizörü; SA = spektrum analizörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11: Ölçülen temel iletim kazancının coğrafi konumlanması. Sürücü rotası boyunca ölçülen temel iletim kazancı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 12: Ölçülen ve modellenen temel iletim kazancı. Ölçülen temel iletim kazancı (mavi x'ler), Düzensiz Arazi Modeli (ITM) temel iletim kazancı (BTG) (siyah +'lar), serbest alan iletim kazancı (kırmızı daireler) ve sistem gürültü zemini (pembe noktalar) ile sürücü rotası boyunca geçen süre. Kısaltmalar: MBTG = Ölçülen temel iletim kazancı; ITM = Düzensiz Arazi Modeli. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 13: Arazi profili ve ilk Fresnel bölgesi. Geçen süre için Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırma arazi profili (siyah çizgi) 1636.2 sn. Üst (ilk) Fresnel bölgesi (mavi, noktalı çizgi) ve alt (ilk) Fresk bölgesi (mavi, kesik çizgi) de gönderen anten ile alıcı anten arasındaki görüş hattı çizgisi (kırmızı, kesik çizgi) ile birlikte çizilir. Kısaltmalar: USGS = Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırma; NED = ulusal yükseklik veritabanı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Discussion
Açık havada ölçüm yapmaya çalışmadan önce bu protokolde açıklandığı gibi bir sistemi test etmek çok önemlidir. Bu şekilde, herhangi bir kötü bileşen veya kararsızlık ölçüm sisteminde izlenebilir ve tanımlanabilir ve çözülebilir. Bu protokoldeki kritik adımlar 1) önce tek tek bileşenleri test etmek ve spesifikasyonları dahilinde çalıştıklarını doğrulamak, 2) iletim ve alma taraflarını ayrı ayrı birleştirmek ve bileşenler zincirini test etmek, 3) VSA ve SA'daki alınan sinyal seviyelerinin hesaplandığından emin olmak için kademeli bir zayıflama yerleştirerek ve zayıflama değiştikçe sinyal seviyelerini ölçerek iletim ve alma tarafını monte etmektir. Daha fazla sorun giderme, malzeme tablosunda gösterilen gibi, gerçek dünyadaki yayılma ortamlarında karşılaşılan çeşitli soldurma ortamlarında simüle edilmiş dalga formlarını kullanarak sistemi test etmek için kullanılabilecek solma simülasyonları oluşturma seçeneğine sahip bir VSG kullanılarak gerçekleştirilebilir. Ölçüm sistemi doğru çalıştığında, ölçümlerin doğru olacağından emin olarak açık havada ölçümler yapılabilir.
Bir diğer önemli adım, sistemin doğru çalıştığını doğrulamak için ölçüm boyunca iletim gücünü izlemektir. Güç amplifikatörü, doğrusallığını ve bant dışı emisyon spektrumunu anlamak için ayrı ayrı karakterize edilir ve test edilir. Güç amplifikatörü, kurulumun geri kalanıyla birlikte tezgahta doğrulanabilir, ancak uygun şekilde derecelendirilmiş zayıflayıcılar kullanılarak VSA'ya maksimum nominal güç girişinin altındaki sinyal gücünü azaltmaya özen gösterilmelidir. Laboratuvar doğrulaması ve doğrulaması için GPS anteni veya ayarları kullanılmamalıdır. VSA'nın ekranı ortamın gerçek zamanlı izlenmesini sağlayabildiğinden, gerçek zamanlı monitör olarak bir SA eklenmesi sistemin mevcut durumunu belirlemeye yardımcı olur. Radyo sistemleri için kanal özelliklerini yakalamak için çeşitli kanal ses ölçüm sistemleri vardır: CW, doğrudan darbe, VNA kullanan frekans etki alanı, korelasyon tabanlı, süpürülmüş zaman gecikme çapraz korelatör.
Bu sistemin bir sınırlaması, yerel ortamı araştıran bir CW sinyalinin zaman gecikmesi profilleri gibi zaman etki alanı bilgileri içermemesidir. Zaman gecikmesi profili, sinyalin yerel ortamdaki kaynak yansımalarının zamanlaması hakkında bilgi verir. Bununla birlikte, bir CW sinyali kullanmanın bir avantajı, geniş bantlı bir sinyal iletmeye çalışmak yerine dar bant CW sinyalini kullanarak çeşitli bantlarda bir frekansta iletme izni almanın daha kolay olmasıdır. CW sistemleri diğer sistemlere göre daha büyük bir dinamik aralığa sahip olabilir ve sinyal genellikle ortamda daha fazla yayılabilir. CW sinyali ayrıca, diğer kanal ses sistemleri türlerine göre daha küçük dosya boyutlarına neden olan ses örnekleme hızlarına sahiptir. Bu sistemle veri koleksiyonları süreklidir ve birkaç saat sürebilir. Bu makalede ele verilen CW kanallı sounder ölçüm sistemi, çeşitli monte edilmiş bileşenlerin aralığına bağlı olarak farklı frekanslarda kullanılabilir. Sistem dış mekan yayılma ortamında veya iç mekan yayılma ortamında kullanılabilir15.
Acknowledgments
Bu makalede sunulan çalışmaları finanse ettiği için Savunma Spektrum Ofisi'ne (DSO) teşekkürler.
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).
