이 보고서는 연속 파, 무선 주파수 채널 사운드 측정 시스템을 사용하여 전파 측정의 설정, 유효성 검사 및 검증 및 결과를 설명합니다.
채널 사운더는 무선 시스템의 채널 특성을 측정하는 데 사용됩니다. 오늘날 사용되는 채널 사운더에는 연속 파(CW), 직접 펄스, 벡터 네트워크 분석기(VNA), 상관 관계 기반 및 스윕 시간 지연 크로스 코렐레이터를 사용하는 주파수 도메인이 있습니다. 이들 각각은 독특한 장점과 단점을 가지고 있습니다. CW 시스템은 환경에 더 전파할 수 있는 신호로 다른 시스템보다 더 큰 동적 범위를 가지고 있습니다. 오디오 샘플링 속도가 다른 시스템보다 파일 크기를 작을 수 있기 때문에 데이터 수집이 몇 시간 동안 지속되고 지속될 수 있습니다. 이 문서에서는 미국의 여러 도시에서 수많은 전파 손실 측정을 하는 데 사용 된 CW 채널 sounder 시스템에 대해 설명합니다. 이러한 전파 측정은 정확하고 재현 가능하며 아티팩트 나 바이어스가 없어야합니다. 이 문서에서는 측정 을 설정하는 방법, 시스템이 신뢰할 수있는 측정을 하고 있는지 검증하고 확인하는 방법, 마지막으로 반복성 측정, 혼란 손실 측정 (혼란 손실이 자유 공간 전송 손실로 인한 초과 손실로 정의되는 경우) 및 상호주의 측정과 같은 일부 측정 캠페인의 결과를 보여줍니다.
통신과학연구소(ITS)는 미국 상무부 기관인 국가통신정보관리국(NTIA)의 연구실입니다. ITS는 정확하고 잘 알려진 무선 주파수(RF) 전파 측정을 수행한 오랜 역사를 가지고 있습니다. 스펙트럼 공유의 증가는 여러 서비스가 공유해야 할 무선 환경에 대한 더 나은 이해를 제공하는 정확하고 재현 가능한 측정의 필요성을 동반했습니다. 지난 몇 년 동안, 군사 서비스는 고급 무선 서비스 (AWS)-3 대역 (1755-1780 MHz)1에서 상용 무선 통신 사업자와 스펙트럼 공유 계약을 개발하고있다. 이를 통해 상용 무선 통신 사업자는 대역에서 군사 서비스를 조질하기 전에 AWS-3 대역을 사용할 수 있습니다. 대역의 사용은 시스템을 지리적으로 격리하고 주파수 간섭 시나리오를 모델링하여 조정됩니다. 이러한 스펙트럼 을 공유하기 위해서는 대역 내의 군사 및 상용 무선 시스템 간의 RF 간섭 평가를 위한 전파 모델을 개발하고 개선하기 위해 전파 측정이 필요합니다.
국방 스펙트럼 조직(DSO)은 AWS-3 전환관리를 담당하며 ITS 와 다른 사람들에게 일련의 채널 사운드 측정을 수행하도록 임무를 맡았습니다. 이러한 측정은 환경(전체적으로 혼란이라고 함)에서 단풍 과 인공 구조물의 영향을 계산하기 위한 새로운 모델을 구축하는 데 사용됩니다. 혼란에 대한 계정 개선 전파 모델링은 군사 시스템 부근의 상용 송신기에 대한 제한을 줄일 수 있습니다. 이 문서에서 논의된 CW 채널-sounder 시스템은 지난 5년 동안 무선 전파 측정 데이터를 수집하고 중단된 감쇠를 계산하는 데 사용되었습니다. 이 측정 시스템은 정확하고 반복 가능하며 편견없는 결과를 생성하며 DSO는 RF 전파 데이터의 측정 및 처리를 위한 모범 측정 관행을 보다 광범위한 기술 커뮤니티와 공유하도록 권장했습니다.
최상의 측정 방법은 구성 요소 수준에서 조립된 시스템 수준까지 시스템을 이해해야 합니다. 이러한 모범 측정 사례는 최근 발표된 NTIA 기술 각서 TM-19-5352에 문서화되어 무선 전파 측정 시스템의 준비 및 검증을 위한 일련의 모범 사례를 설명합니다. ITS는 최근 구성 요소 손실을 측정하고이 측정 시스템에 대한 잘못된 구성 요소를 식별하는 데 사용되는 VNA를 보정하는 JoVE 기사를 완료했습니다3. 이 문서는 더 넓은 커뮤니티를 위한 이러한 최상의 측정 사례를 문서화하는 데 연속적인 것입니다. 이 문서에서CW 채널 sounder에 대한 모범 사례에 대해 설명하지만, 이러한 동일한 기술은 다른 채널 sounder 시스템을 확인하는 데 사용할 수 있습니다: VNA 시스템; CW 시스템; 전체 대역폭, 상관 관계 기반 시스템; 직접 펄스 시스템; 및 슬라이딩 코렐레이터 기반 시스템4,5,6.
이 문서에서는 벡터 신호 분석기(VSA), 스펙트럼 분석기(SA), 루비듐 발진기 2대, 파워 미터, 벡터 신호 발생기(VSG), 실외 측정 환경에서 측정을 위한 다양한 필터 및 전력 분배기를 사용하여 CW 채널 소더 측정 시스템을 설정하는 방법을 자세히 설명합니다7,8. 시스템의 송신 측면은 전력 증폭기에 의해 증폭되는 CW 신호를 생성하는 VSG로 구성됩니다. 그러면 방향 쌍으로 분할되어 신호의 일부를 전원 미터로 전환하여 사용자가 시스템 출력을 모니터링할 수 있습니다. 나머지 신호는 전파 채널을 통해 시스템의 수신 측으로 전송됩니다. 수신 측은 전원 증폭기에서 생성된 간섭및 고조파를 줄이기 위한 로우 패스 필터로 구성됩니다. 여과된 신호는 전력 분배기로 분할되어 타임스탬프 및 GPS(글로벌 포지셔닝 시스템) 위치와 함께 측정 중에 모니터링을 위해 SA로 공급됩니다. 신호의 나머지 절반은 1-5kHz 범위에서 위상 사분면(I-Q) 데이터로 다운변환되는 VSA로 전송됩니다. 샘플링 속도는 계측기 span9에 의해 결정되며 차량의 속도의 함수인 예상 도플러 스펙트럼 시프트에 의해 유도됩니다. 그런 다음 결과 타임 시리즈는 후처리 및 데이터 분석을 위해 컴퓨터로 전송됩니다.
루비듐 클럭은 송신기와 수신기 모두에서 매우 정확한 측정과 매우 안정적인 주파수를 제공하는 데 사용됩니다. 수신 측의 루비듐 클럭은 전송 및 수신 주파수의 정확한 정렬을 위한 미세한 주파수 조정을 갖는다. 일반적으로 주파수는 테스트를 위해 서로 0.1Hz 이내로 조정됩니다. 루비듐 클럭은 고정밀 CW 전파 측정에 필수적입니다. 측정 과정에서 정확한 시간 기본 정확도를 보장하고 송신기 및 수신기의 주파수 드리프트를 방지합니다. 이 문서에서는 실외 환경에서 측정하기 전에 시스템이 안테나유무드 또는 없이 실험실 환경에서 정확한 측정을 하고 있는지 확인하고 확인하는 방법에 대해서도 자세히 설명합니다. 이 시스템은 430MHz에서 5.5GHz에 이르는 주파수에서 광범위한 실외 및 실내 테스트에 사용되었으며 다양한 전송 능력7,8,10에 사용되었습니다.
실외 환경에서 측정을 시도하기 전에 이 프로토콜에 설명된 대로 시스템을 테스트하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 방식으로 측정 시스템에서 불량 구성 요소 나 비부채를 추적하고 식별할 수 있으며 해결할 수 있습니다. 이 프로토콜의 중요한 단계는 먼저 개별 부품을 테스트하고, 2) 자신의 사양 내에서 작동하는지 확인하고, 2) 송신 및 수신 측면을 별도로 조립하고 구성 요소의 체인을 테스트하고, 3) 단계별 감쇠기를 삽입하고 감쇠가 VSA에 수신된 신호 레벨을 확인하고 SA에 수신된 신호 레벨을 확인하기 위해 신호 수준을 측정하여 송신 및 수신 측을 조립한다. 재 질 표에 표시된 것과 같은 VSG를 사용하여 추가 문제 해결을 수행할 수 있으며, 이는 실제 전파 환경에서 발생하는 다양한 페이딩 환경에서 시뮬레이션된 파형을 사용하여 시스템을 테스트하는 데 사용할 수 있는 페이딩 시뮬레이션을 생성하는 옵션을 가지고 있습니다. 측정 시스템이 올바르게 작동하면 측정이 정확할 것이라는 확신을 가지고 실외 환경에서 측정할 수 있습니다.
또 다른 중요한 단계는 측정 전체의 송신 력을 모니터링하여 시스템이 올바르게 작동하는지 확인하는 것입니다. 파워 앰프는 선형성과 대역 외 방출 스펙트럼을 이해하기 위해 별도로 특성화및 테스트됩니다. 파워 앰프는 나머지 설정과 함께 벤치탑에서 검증될 수 있지만, 적절히 정격 된 감쇠기를 사용하여 VSA에 대한 최대 정격 전력 입력 이하의 신호 전력을 줄이기 위해 주의를 기울여야 합니다. GPS 안테나나 그 설정은 실험실 검증 및 검증에 사용되어서는 안 됩니다. VSA의 화면이 환경에 대한 실시간 모니터링을 제공할 수 없기 때문에 실시간 모니터로 SA를 추가하면 시스템의 현재 상태를 결정하는 데 도움이 됩니다. CW, 직접 펄스, VNA를 사용하는 주파수 도메인, 상관 관계 기반, 스윕 시간 지연 크로스 코렐레이터 : 무선 시스템의 채널 특성을 캡처하는 채널 사운드 측정 시스템의 여러 유형이 있습니다.
이 시스템의 한 가지 제한 사항은 로컬 환경을 검색하는 CW 신호에 시간 지연 프로필과 같은 시간 도메인 정보가 포함되어 있지 않다는 것입니다. 시간 지연 프로파일은 로컬 환경에서 신호의 소스 반사 타이밍에 대한 정보를 제공합니다. 그러나, CW 신호를 사용하는 이점은 광대역 신호를 전송하는 대신 협대역 CW 신호를 사용하여 다양한 대역에서 하나의 주파수로 전송할 수 있는 권한을 얻는 것이 더 쉽다는 것이다. CW 시스템은 다른 시스템보다 더 큰 동적 범위를 가질 수 있으며 신호는 일반적으로 환경에서 더 많이 전파될 수 있습니다. CW 신호에는 다른 유형의 채널 사운드 시스템보다 파일 크기가 작아질 수 있는 오디오 샘플링 속도도 있습니다. 이 시스템을 사용하면 데이터 수집이 연속적이며 몇 시간 동안 지속될 수 있습니다. 이 문서에서 설명한 CW 채널 소더 측정 시스템은 다양한 조립 된 구성 요소의 범위에 따라 다른 주파수에서 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 실외 전파 환경 또는 실내 전파 환경에서 사용할 수 있습니다15.
이 문서에 제시 된 작업에 대한 자금 조달을위한 국방 스펙트럼 사무실 (DSO)에 감사드립니다.
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 |