Denne rapport beskriver opsætning, validering og verifikation samt resultater fra formeringsmålinger ved hjælp af et kontinuerligt bølge, radiofrekvenskanallydende målesystem.
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.
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.
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.
Tak til Defense Spectrum Office (DSO) for at finansiere det arbejde, der præsenteres i denne artikel.
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 |