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공학

Kontinuierliches Wellenausbreitungskanal-Sondierungsmesssystem - Prüfung, Verifizierung und Messungen

Published: June 25, 2021
doi:
10.3791/62124
, , ,
1National Telecommunications and Information Administration,Institute for Telecommunication Sciences

Summary

Dieser Bericht beschreibt den Aufbau, die Validierung und die Verifizierung sowie die Ergebnisse von Ausbreitungsmessungen mit einem kontinuierlichen, hochfrequenten Kanalsondierungssystem.

Abstract

Kanallote werden verwendet, um Kanaleigenschaften für Funksysteme zu messen. Es gibt verschiedene Arten von Kanalloten, die heute verwendet werden: Kontinuierlicher Impuls (CW), Direktimpuls, Frequenzbereich mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA), korrelationsbasierter und Swept-Time-Delay-Kreuzkorrelator. Jeder von ihnen hat einzigartige Vor- und Nachteile. CW-Systeme haben einen größeren Dynamikbereich als andere Systeme mit einem Signal, das sich weiter in die Umgebung ausbreiten kann. Da die Audioabtastraten kleinere Dateigrößen als andere Systeme ermöglichen, kann die Datenerfassung kontinuierlich sein und mehrere Stunden dauern. Dieser Artikel behandelt ein CW-Kanal-Echolotsystem, mit dem zahlreiche Ausbreitungsverlustmessungen in verschiedenen Städten der Vereinigten Staaten von Amerika durchgeführt wurden. Solche Ausbreitungsmessungen sollten genau, reproduzierbar und frei von Artefakten oder Verzerrungen sein. Dieser Artikel zeigt, wie Sie die Messung einrichten, wie Sie validieren und verifizieren, dass das System zuverlässige Messungen durchführt, und schließlich zeigt er Ergebnisse aus einigen der Messkampagnen wie Wiederholbarkeitsmessungen, Clutter-Loss-Messungen (wobei Clutter-Loss als überschüssiger Verlust durch Freiraum-Übertragungsverlust definiert ist) und Reziprozitätsmessungen.

Introduction

Das Institute for Telecommunication Sciences (ITS) ist das Forschungslabor der National Telecommunications and Information Administration (NTIA), einer Behörde des US-Handelsministeriums. ITS hat eine lange Geschichte der Durchführung genauer, angesehener Hochfrequenz-Ausbreitungsmessungen (RF). Die Zunahme der gemeinsamen Nutzung von Frequenzen ging einher mit dem Bedarf an genauen, reproduzierbaren Messungen, die ein besseres Verständnis der Funkumgebung ermöglichen, die mehrere Dienste gemeinsam nutzen müssen. In den letzten Jahren haben die Militärdienste Vereinbarungen zur gemeinsamen Nutzung von Frequenzen mit kommerziellen Mobilfunkanbietern im Advanced Wireless Services (AWS)-3-Band (1755-1780 MHz)1 entwickelt. Dies ermöglicht es kommerziellen Mobilfunkanbietern, das AWS-3-Band zu nutzen, bevor militärische Dienste aus dem Band auslaufen. Die Nutzung des Bandes wird sowohl durch geographische Isolierungssysteme als auch durch die Modellierung von Frequenzinterferenzszenarien koordiniert. Um dieses Spektrum zu teilen, sind Ausbreitungsmessungen notwendig, um Ausbreitungsmodelle für die Bewertung von HF-Interferenzen zwischen den militärischen und kommerziellen drahtlosen Systemen innerhalb des Bandes zu entwickeln und zu verbessern.

Die Defense Spectrum Organization (DSO) ist für das Management des AWS-3-Übergangs verantwortlich und hat ITS und andere mit der Durchführung einer Reihe von Kanalsondierungsmessungen beauftragt. Diese Messungen werden verwendet, um neue Modelle für die Berechnung der Auswirkungen von Laub und künstlichen Strukturen auf die Umwelt (zusammenfassend als Clutter bezeichnet) zu erstellen. Eine verbesserte Ausbreitungsmodellierung, die Unordnung berücksichtigt, könnte zu weniger Einschränkungen für kommerzielle Sender in der Nähe militärischer Systeme führen. Das in diesem Artikel besprochene CW-Kanal-Sounder-System wird seit fünf Jahren verwendet, um Radioausbreitungsmessdaten zu sammeln und die Clutter-Dämpfung zu berechnen. Dieses Messsystem liefert genaue, wiederholbare und unvoreingenommene Ergebnisse, und DSO ermutigte ITS, sein institutionelles Wissen – einschließlich bewährter Messpraktiken für die Messung und Verarbeitung von HF-Ausbreitungsdaten – mit der breiteren technischen Gemeinschaft zu teilen.

Bewährte Messmethoden erfordern das Verständnis eines Systems von der Komponentenebene bis zur Ebene des montierten Systems. Diese bewährten Messpraktiken wurden im kürzlich veröffentlichten NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 dokumentiert, das eine Reihe von Best Practices für die Vorbereitung und Verifizierung von Funkausbreitungsmesssystemen beschreibt. ITS hat kürzlich einen JoVE-Artikel über die Kalibrierung eines VNA zur Messung von Bauteilverlusten und zur Identifizierung fehlerhafter Komponenten für dieses Messsystem fertiggestellt3. Dieser Artikel ist eine Fortsetzung der Dokumentation dieser bewährten Messmethoden für die breitere Gemeinschaft. Obwohl in diesem Artikel Best Practices für ein CW-Kanal-Echolot erläutert werden, können dieselben Techniken verwendet werden, um andere Kanal-Sounder-Systeme zu überprüfen: VNA-Systeme; CW-Systeme; korrelationsbasierte Systeme mit voller Bandbreite; Direktpulssysteme; und Gleitkorrelator-basierte Systeme4,5,6.

Dieser Artikel beschreibt im Detail, wie Sie ein CW-Kanal-Echolot-Messsystem mit einem Vektorsignalanalysator (VSA), einem Spektrumanalysator (SA), zwei Rubidium-Oszillatoren, einem Leistungsmesser, einem Vektorsignalgenerator (VSG) und verschiedenen Filtern und Leistungsteilern für Messungen in einer Außenmessumgebung einrichten7,8. Die Sendeseite des Systems besteht aus dem VSG, das ein CW-Signal erzeugt, das von einem Leistungsverstärker verstärkt wird. Dies wird dann durch ein Richtungspaar geteilt, um einen Teil des Signals an den Leistungsmesser umzuleiten, wodurch der Benutzer den Systemausgang überwachen kann. Der Rest des Signals wird über den Ausbreitungskanal an die Empfangsseite des Systems gesendet. Die Empfangsseite besteht aus einem Tiefpassfilter, um Störungen und Oberschwingungen zu reduzieren, die von der Endstufe erzeugt werden. Das gefilterte Signal wird in einen Leistungsteiler aufgeteilt und zur Überwachung während der Messung zusammen mit einem Zeitstempel und einem GPS-Standort (Global Positioning System) in den SA eingespeist. Die andere Hälfte des Signals wird an die VSA gesendet, um in phasenweise Quadraturdaten (I-Q) im Bereich von 1-5 kHz herunterkonvertiert zu werden. Die Abtastrate wird durch die Gerätespanne9 bestimmt und durch die erwarteten Dopplerspektrumverschiebungen geleitet, die eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs sind. Die resultierende Zeitreihe wird dann zur Nachbearbeitung und Datenanalyse an einen Computer übertragen.

Rubidium-Uhren werden sowohl am Sender als auch am Empfänger verwendet, um hochgenaue Messungen und hochstabile Frequenzen zu liefern. Die Rubidiumuhr am Empfangsende verfügt über eine feine Frequenzeinstellung zur exakten Ausrichtung der Sende- und Empfangsfrequenzen. Typischerweise werden die Frequenzen so eingestellt, dass sie zum Testen innerhalb von 0,1 Hz voneinander liegen. Rubidium-Uhren sind für hochgenaue CW-Ausbreitungsmessungen unerlässlich. Sie sorgen für eine präzise Zeitbasisgenauigkeit im Verlauf der Messungen und verhindern Frequenzdrift von Sender und Empfänger. In diesem Artikel wird auch beschrieben, wie Sie überprüfen und überprüfen können, ob ein System genaue Messungen in einer Laborumgebung sowohl mit als auch ohne Antenne durchführt, bevor Messungen in einer Außenumgebung durchgeführt werden. Das System wurde für eine umfangreiche Reihe von Außen- und Innentests bei Frequenzen von 430 MHz bis 5,5 GHz und für viele verschiedene Sendeleistungen7,8,10 eingesetzt.

Protocol

HINWEIS: Das ITS-Kanal-Sounder-System ist in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt, und ein Benchtop-Evaluierungsaufbau ist in Abbildung 3 dargestellt. Beziehen Sie sich beim Einrichten des CW-Kanal-Echolots auf diese Zahlen, um sicherzustellen, dass alle Komponenten ordnungsgemäß konfiguriert sind. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, wie ein System vor der Durchführung von Messungen überprüft und validiert wird. 1. Einrichtung des Messsystems HINWEIS: In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie ein System für Feldmessungen eingerichtet ist. Erstens müssen Systemverluste sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite des Systems separat berücksichtigt und gemessen werden, bevor das gesamte System zusammengebaut wird. Dann wird das gesamte System zusammengebaut und die einzelnen Instrumente werden konfiguriert, kalibriert und synchronisiert, um sich auf die Laborverifizierung und -validierung vorzubereiten. Messen Sie die S-Parameter mit einem VNA2 für einzelne Systemkomponenten, bevor Sie das System konfektionieren: Kabel, Dämpfungsglieder, Leistungsteiler, Richtkoppler und Tiefpassfilter.HINWEIS: Dadurch werden Verluste charakterisiert und defekte Kabel oder ein Gerät außerhalb der Spezifikation identifiziert. Montieren Sie das Typ-N-Kabel am Ausgang des Leistungsverstärkers, des Richtkopplers, des Bandpassfilters und des Typ-N-Kabels, das an die Antenne angeschlossen wird, und verwenden Sie den VNA, um die Komponentenkette zu messen.HINWEIS: Diese Messung umfasst interne Reflexionen, die bei der Messung einzelner Komponenten mit einem VNA nicht sichtbar sind. Notieren Sie den S21-Wert , der eine negative Zahl ist und als Verluste des Übertragungssystems verwendet wird. Verwenden Sie diese Werte, um den empfangenen Signalpegel zu korrigieren, der im Abschnitt “Repräsentative Ergebnisse” beschrieben wird. Einrichten des Übertragungssystems Schließen Sie alle Geräte an eine Stromquelle an: entweder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) oder eine überspannungsgeschützte Reihe von Steckdosen. Stellen Sie sicher, dass sich alle Geräte im ausgeschalteten Zustand befinden, während Sie Komponenten miteinander verbinden. Montieren Sie die Sendeausrüstung (Abbildung 1). Verbinden Sie den 10-MHz-Ausgang des Rubidium-Oszillators über ein Bajonett-Neill-Concelman-Kabel (BNC) mit dem Ref IN-Port des VSG. Verbinden Sie den RF OUT-Port des VSG über ein Typ-N-Kabel mit dem Eingang des IN-Ports des Richtkopplers. Bis Protokoll Step 3.2 wird keine Endstufe eingesetzt. Verbinden Sie den OUT-Anschluss des Richtkopplers mit einem Typ-N-Buchsen-zu-Buchse-Anschluss mit dem entsprechenden Bandpassfilter des Eingangsanschlusses.HINWEIS: Ein Bandpassfilter wird verwendet, um Oberschwingungsfrequenzen in anderen Bändern zu minimieren. Montieren Sie das Typ-N-Kabel, das an die Empfangsantenne, den Filter, das Kabel zwischen dem Filter und dem Leistungsteiler angeschlossen wird, und das Typ-N-Kabel, das an den VSA angeschlossen wird. Verwenden Sie den VNA, um dieses Komponentensystem zu messen. Führen Sie die gleiche Messung durch, aber durch die gleichen Komponenten, die mit dem SA verbunden sind. Notieren Sie die S21-Werte , die als empfangende Systemverluste auf der VSA-Seite des Leistungsteilers und der SA-Seite des Leistungsteilers verwendet werden. Verwenden Sie diese Werte, um den empfangenen Signalpegel zu korrigieren, der im Abschnitt “Repräsentative Ergebnisse” beschrieben wird. Empfangende Systemeinrichtung Schließen Sie alle Geräte an eine Stromquelle an: entweder eine USV oder einen überspannungsgeschützten Satz von Steckdosen. Stellen Sie sicher, dass sich alle Geräte ausgeschaltet befinden, während Sie Komponenten miteinander verbinden. Montieren Sie die Empfangsausrüstung (Abbildung 2). Schließen Sie ein Typ-N-Kabel an den Eingang des Bandpassfilters an. Verbinden Sie den Ausgang des Bandpassfilters mit dem Eingang des Leistungsteilers (Port 1). Schließen Sie Port 2 des Leistungsteilers an den RF IN-Port des VSA an. Schließen Sie Port 3 des Leistungsteilers an den RF IN-Port des SA an. Verbinden Sie mit einem BNC-zu-Bananen-Steckerkabel den Frequency Adj des Rubidium-Oszillators mit dem DC OUT des Gleichstrom-Netzteils (DC). Schließen Sie einen 10-MHz-Ausgang des Rubidium-Oszillators über ein BNC-Kabel an den Ext Ref In-Port des VSA an. Schließen Sie einen 10-MHz-Ausgang des Rubidium-Oszillators an den Ext Trig/Ref In-Port des Spektrumanalysators an. Schalten Sie das VSG ein und stellen Sie sicher, dass es auf RF OFF eingestellt ist. Schalten Sie den Leistungsmesser ein. Schalten Sie alle Instrumente ein und lassen Sie die Instrumente eine Stunde lang aufwärmen, bevor Sie Messungen durchführen. Konfigurieren Sie den VSA im VSA 89601B-Modus. Stellen Sie im VSA-Modus die Mittenfrequenz auf die interessierende CW-Frequenz ein. Wählen Sie abschließend die Anzahl der Punkte aus, die unter Berücksichtigung der gewünschten Länge der Gesamtmessung belegt wurden.HINWEIS: Obwohl das System mit einem CW arbeitet, muss die Spanne so eingestellt sein, dass Dopplerverschiebungen und Fading erfasst werden. Die Auflösungsbandbreite bestimmt den Filter, der vom VSA verwendet wird, um die Leistung zu messen, während er über den Frequenzbereich streicht, sodass die Auswahl einer Bandbreite mit niedriger Auflösung eine präzisere Messung ermöglicht. Als Kompromiss nimmt eine geringere Auflösungsbandbreite eine längere Zeit pro Punkt in Anspruch. Konfigurieren Sie den VSA mit den folgenden Einstellungen: Wählen Sie den VSA 89601B-Modus; Mittenfrequenz: Freq MHz (z. B. 1770 MHz); Spanne: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; Anzahl: max (491026 Pts, 409601 Pts) – abhängig von VSA; Rng: -42 dBm; obere Grafik oberer Skalenwert: -30 dBm. Stellen Sie sicher, dass der SA von einer Gerätesteuerungssoftware gesteuert wird, die programmierbare Standardbefehle für SCPI-Befehle (Programmable Instruments) verwendet, damit kontinuierliche Sweeps gesammelt und gespeichert werden können. Stellen Sie den SA so ein, dass die Start- und Stoppfrequenzen mit der VSA-Mittenfrequenz übereinstimmen. Da die RBW in ähnlicher Weise die von der SA verwendete Filtergröße bestimmt, legen Sie die RBW auf den gleichen Wert wie die Spanne der VSA-Messung fest. Legen Sie die Videobandbreite auf den gleichen Wert wie die Auflösungsbandbreite und den Erkennungsmodus zum Abtasten fest, um nicht gespeicherte Daten aufzuzeichnen. Lassen Sie die Dämpfung ausgeschaltet, um sicherzustellen, dass der SA nicht überlastet wird, und lassen Sie den Vorverstärker eingeschaltet. Konfigurieren Sie den SA für jeden Sweep mit Folgendem: StartFreq: Gleiche Mittenfrequenz wie im VSA-Setup (z. B. 1770 MHz); StopFreq: Gleiche Mittenfrequenz wie im VSA-Setup (z. B. 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; Detektor: Probe; Sweep-Zeit: 500 ms; Pts/Spur: 461; Vorverstärker EIN; Dämpfung: 0; Automatische Dämpfung: Aus. Drücken Sie auf dem SA die Eingabetaste , um auf die Menüs zuzugreifen. Aktivieren Sie die externe Referenz, indem Sie die Umschalttaste drücken und die Systemtaste auf dem Spektrumanalysator auswählen. Wählen Sie dann Weitere | Porteinstellungen | Ext-Input-| Ref mit den Softkeys in der Nähe des Bildschirms. Konfigurieren Sie die VSG, indem Sie einen CW-Ausgang auswählen. Stellen Sie die Frequenz auf 1770 MHz ein. Befolgen Sie das Verfahren in Abschnitt 4.22 , um den linearen Bereich des Leistungsverstärkers zu bestimmen. Stellen Sie die VSG-Ausgangsamplitude auf -4 dBm ein, die obere Grenze für den linearen Bereich des Leistungsverstärkers. Kalibrieren Sie den Leistungsmesser. Stecken Sie den Stromzählerkopf in den Referenzanschluss (Kanal A oder B) und das andere Ende des Leistungsmessers in einen Messanschluss. Stellen Sie die Frequenz des Leistungsmessers für den oben verwendeten Referenzport auf 1770 MHz ein. Null und kalibrieren Sie den Leistungsmesser. Stellen Sie sicher, dass der Leistungsmesserstand innerhalb von 0,2 dB von 0 dBm bleibt. Trennen Sie den Leistungsmesserkopf vom Referenzanschluss, und schließen Sie den Leistungsmesserkopf an den Ausgang des in Abbildung 1 dargestellten Dämpfungsglieds an. Kalibrieren des VSA: Dienstprogramme | | Kalibrierung. Schalten Sie RF ON die VSG ein.HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass sich ein Signal auf dem Spektrumanalysator befindet. Wenn der Signalpegel auf -120 dBm sinkt, ist die externe Referenz nicht eingeschaltet. Wenn das Signal zu stark ist, überlastet es das empfangende System und beschädigt entweder die VSA oder SA. Achten Sie auf die maximalen Eingangssignalpegel (normalerweise auf der Vorderseite des Instruments angezeigt) und bleiben Sie mindestens 10 dB unter diesem Pegel. Synchronisieren Sie die Rubidium-Oszillatoren durch Einstellen der Spannung, überschreiten Sie jedoch nicht die maximale Eingangsspannung, die am Rubidium-Synchronisationsanschluss zulässig ist. Ändern Sie TimeLen im oberen Diagramm auf dem VSA-Bildschirm in 100 ms. Legen Sie die y-Achse im unteren Diagramm auf I-Q fest. Drücken Sie Strom/Spannung auf der Vorderseite des Netzteils. Ändern Sie die Spannung ein wenig nach dem anderen und beobachten Sie den Punkt auf dem VSA-Bildschirm: Wenn er sich hin und her dreht, tun Sie nichts, die Frequenzen werden ausgerichtet. Wenn er sich konstant in eine Richtung dreht, ändern Sie den Leistungsmesserstand (Spannung), bis der Punkt auf dem I-Q-Diagramm langsamer wird und sich langsam hin und her bewegt (Pendelbewegung) (Abbildung 4). Setzen Sie TimeLen im oberen Diagramm auf dem VSA-Bildschirm wieder auf 1 s und die y-Achse wieder auf Log Magnitude. Nehmen Sie 10 Aufzeichnungen der Erfassung auf dem SA auf, um zu überprüfen, ob alle Parameter korrekt eingestellt wurden und ob der Signalpegel auf dem SA-Bildschirm mit dem Signalpegel auf dem unteren VSA-Bildschirm übereinstimmt. 2. Laborverifizierung und Validierung Setzen Sie ohne Anschließen von Antennen ein variables Dämpfungsglied zwischen der Sendeseite des Systems und der Empfangsseite des Systems ein (Abbildung 5). Entfernen Sie den Leistungsverstärker für diese Überprüfung aus dem Mess-Setup. Stellen Sie die Dämpfung des abgestuften Dämpfungsglieds auf 0 dB und die Anzahl der Datensätze auf dem VSA-Eingang > Aufzeichnung auf 120 ein.HINWEIS: Ein Datensatz entspricht dem timeLen-Wert , der auf dem VSA festgelegt ist. Legen Sie die Anzahl der Sweeps auf dem SA auf 120 Datensätze fest. Ändern Sie die Ausgangsamplitude des VSG auf 0 dBm und drücken Sie die RF ON-Taste am VSG. Legen Sie eine Spitzenmarkierung fest, um den Wert der Signalstärke zu ermitteln, und überprüfen Sie, ob ein Signal auf dem VSA angezeigt wird. Starten Sie den VSA, indem Sie oben auf dem Bildschirm auf die Schaltfläche Aufnahme klicken. Starten Sie eine SA-Messung mit der Gerätesteuerungssoftware. Ändern Sie das stufenweise Dämpfungsglied auf 10 dB und wiederholen Sie die Schritte 4-10. Gehen Sie alle Einstellungen des stufenweisen Dämpfungsglieds durch und notieren Sie die Werte für jede Dämpfungseinstellung.HINWEIS: Wenn sich das Dämpfungsglied 90 bis 110 dB nähert, wird das Signal lauter, wenn es sich dem Systemrauschen des Instruments nähert. Die Messwerte in der Nähe des Grundrauschens des Systems sind sehr variabel. Um die empfangenen VSA-Signalpegel zu überprüfen, berechnen Sie einen 0,5-s-Fensterdurchschnitt für den 120-s-VSA-Datensatz und den Durchschnitt jedes Sweeps des SA. Fügen Sie den VSG-Ausgangsleistungspegel, die Verluste des sende- und empfangsseitigen Systems sowie die Einstellung des abgestuften Dämpfungsglieds hinzu.ANMERKUNG: Der Wert der oben genannten Summe in Schritt 2.6 sollte den gemittelten empfangenen Signalpegeln entsprechen, die von der VSA und der SA innerhalb von 0,5 dB aufgezeichnet wurden, für abgestufte Dämpfungen unter 80 dB. Wenn dies nicht der Fall ist, gehen Sie zurück und messen Sie die Systemverluste erneut. 3. Feldmessungen HINWEIS: Testen und verifizieren Sie das System immer vor jeder Messkampagne. Führen Sie die Schritte 1.1-1.3 vor jeder neuen Messkampagne aus und richten Sie die sendende Seite des Systems ein, wie in Abschnitt 1.4 beschrieben.HINWEIS: Dies ist typischerweise in einem Cellular-on-Wheels (COW) untergebracht, das während der Messungen fixiert bleibt. Schließen Sie die Endstufe zwischen dem VSG und dem Richtkoppler an, wie in Schritt 1.4.2.1 beschrieben. Verwenden Sie einen Richtkoppler, der mit den vom Leistungsverstärker erzeugten Leistungspegeln umgehen kann. Fügen Sie dem Richtkoppler am gekoppelten Anschluss ein 50-dB-Dämpfungsglied hinzu, um innerhalb der angegebenen Eingangsleistungspegel des Leistungsmessers zu bleiben, und schließen Sie den Leistungsmesser an diesen Anschluss an. Schließen Sie das Ausgangskabel Typ N vom Richtkoppler an die Sendeantenne an. Richten Sie die Empfangsseite des Systems, wie in den Schritten 1.5-1.6 beschrieben, in einem mobilen Fahrzeug ein. Schließen Sie die Empfangsantenne an das Typ-N-Kabel an, das mit dem Filter verbunden ist. Zusätzlich zu den SA-Setup-Schritten 1.11.3-1.11.4 muss die GPS-Antenne im SA eingerichtet werden. GPS-Aufzeichnung aktivieren: Meas-Einstellungen | GPS-Aufzeichnung | aktivieren Standard-GPS. Aktivieren Sie GPS auf dem Spektrumanalysator, indem Sie die Umschalttaste gedrückt halten und die Systemtaste auf dem Spektrumanalysator auswählen. Wählen Sie dann Weitere | GPS-| GPS-ON & GPS Info-ON mit den Softkeys in der Nähe des Bildschirms. Platzieren Sie die GPS-Antenne auf dem Dach des Empfängermessfahrzeugs. Stellen Sie sicher, dass die Messsoftware für jeden Sweep auch NMEA-Strings aus dem GPS einliest. Setzen Sie die Einrichtung wie in den Schritten 1.11-1.17 beschrieben fort, und legen Sie die Anzahl der Datensätze auf der VSA -| Aufzeichnung basierend auf geschätzter Messzeit. Legen Sie die Anzahl der SA-Einträge auf die Anzahl der VSA-Datensätze plus etwa 300 Datensätze fest, und beachten Sie, dass der SA langsamer fegt als der VSA. Beginnen Sie die Messung, indem Sie zuerst den VSA starten, indem Sie oben auf dem Bildschirm auf die Taste Record (Aufnahme ) klicken. Initiieren Sie die Messung des Spektrumanalysators. Speichern Sie nach der Messung die VSA-Aufzeichnungsdatei | | speichern Aufzeichnung speichern. Optionen speichern | Speichern Sie Kopfzeilen mit Daten. Hängen Sie beim Speichern der Datei eine _VSA an das Ende der Datei an. Ändern Sie den Namen der Datendatei für den Spektrumanalysator so, dass er mit dem Dateinamen des VSA übereinstimmt, aber fügen Sie _SA für den Spektrumanalysator an.

Representative Results

Die folgenden Ergebnisse wurden während einer Feldverifikation des vorgestellten Systems erhalten. Der Sender befand sich auf der Kohler Mesa hinter den Boulder Laboratories des Handelsministeriums in Boulder, Colorado. Der Empfänger wurde in einem speziell entwickelten Messfahrzeug durch Boulder, Colorado, gefahren (siehe Abbildung 6), und es wurden kontinuierliche Messungen durchgeführt. Der SA speichert die aufgezeichneten Daten als Protokollgrößenformat in einer Ereignisdatenstruktur, während die GPS-Daten in einer separaten Ereignisdatenstruktur in derselben Datei gespeichert werden. Ein Beispiel für Daten für einen Sweep ist in Abbildung 7 dargestellt. Die gespeicherten Daten werden in lineare Leistung in Watt umgewandelt; Ein Mittelwert wird für alle Punkte in diesem Sweep berechnet und dann wieder in die logarithmische Größe konvertiert. Die GPS-Informationen werden diesem Mittelwert für den sweep zugeordnet, der durch das rote X bei einem Wert von −71,5 dBm angezeigt wird. Dieser Vorgang wird für jeden Sweep in der Datei ausgeführt. Als nächstes werden die Basisband-I-Q-Daten aus dem VSA wie in Gleichung 1 gezeigt verarbeitet. Die Leistung in dBm wird für jede I-Q-Probe berechnet. Der VSA sammelt in diesem Schritt Spitzendaten, die in dBm konvertiert werden müssen. (1) Während der Messung werden die Basisband-I-Q-Daten in einer temporären Datei gespeichert. Es werden keine GPS-Informationen von der VSA erfasst. Die Länge der Datei wird so gewählt, dass die Anzahl der angeforderten Datensätze der Anzahl der Sekunden der Fahrzeit entspricht. Sobald die Messung abgeschlossen ist, werden die Daten in eine Datei geschrieben, deren Struktur von den VSA-Softwareentwicklern vorprogrammiert ist. Zu den in dieser Datei gespeicherten Daten gehören die Zeitdifferenz zwischen Messproben, die Häufigkeit und die komplexen Datenproben. Der Verarbeitungsschritt beinhaltet die Glättung der Größe der Basisband-I-Q-Daten über ein 500-ms-Fenster für den gesamten Datensatz, um sich einer Fahrstrecke von 40 Wellenlängen anzunähern. Abbildung 8 zeigt, wie die geglättete mittlere Leistung im Vergleich zu den Rohdaten für einen größeren Teil eines Fahrversuchs abschneidet. Die Rohdaten werden durch die blaue Spur angezeigt, und die geglättete mittlere Leistung wird durch die rote Spur angezeigt. Die VSA- und SA-Datensätze werden mithilfe einer zirkulären Faltung ausgerichtet. Der VSA-Datenpunkt in jeder Sekunde wird mit den SA-Stichproben ausgerichtet, die in jeder Sekunde generiert werden, um die GPS-Koordinaten vom SA zu den VSA-Datenpunkten zu übertragen. Ein lineares Regressionsmodell gleicht die Daten aus, indem die Residuen zwischen den gemessenen Leistungsstufen der beiden Datensätze minimiert werden. Die ausgerichteten Daten werden dargestellt, indem die SA-Leistung in dBm auf der x-Achse und die VSA-Leistung in dBm auf der y-Achse dargestellt werden (Abbildung 9). Da das SA-Systemrauschen höher ist als das VSA-Systemrauschen, zeigt das Diagramm eine Abwärtskrümmung an Punkten unter etwa -115 dBm für Datensätze in der Nähe des Grundrauschens. Abbildung 9 und Abbildung 10 zeigen die Ausrichtung der VSA-Leistung und der SA-Leistung an der verstrichenen Zeit in Sekunden. Der GPS-Zeitstempel der mittleren SA-Leistung wird dann an den ersten Datenpunkt der VSA-Datenreihe mit durchschnittlich geglätteter Leistung angehängt. Der vertikale Offset zwischen den beiden Datensätzen wird eliminiert, indem der Kabelverlust vom Stromteiler zum SA korrigiert wird. Da jedoch nur die mit einem Zeitstempel versehenen VSA-Daten verwendet werden, ist dieser zusätzliche Schritt nicht erforderlich. Diese Daten werden dann gespeichert und im Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 verwendet, um Geländeverluste vorherzusagen. Die VSA-Daten werden korrigiert, indem Systemverluste addiert und Systemgewinne entfernt werden, um den gemessenen Grundübertragungsverlust (BTL) oder den Grundübertragungsgewinn (BTG) entlang der Antriebsroute zu erhalten, wie in Abbildung 11 und Abbildung 12 dargestellt und in Gleichung 2 angegeben. (2) wobei BTL der grundlegende Übertragungsverlust, Pt und Pr die Sende- und Empfangsleistungen in dBm, Gt und Gr die Gewinne der Sende- und Empfangsantennen in dBi und Lt und Lr die Systemverluste für das Sende- und Empfangssystem in dB sind, beziehungsweise. In Abbildung 11 ist der violette Stern der Sendeort. Die gelben und violetten Punkte stellen die höchsten bzw. niedrigsten empfangenen Signalpegel dar. Ein Diagramm der gemessenen BTG (schwarze x), der ITM-modellierten BTG (blau +’s), der Freiraumübertragungsverstärkung (FSTG) (rote Kreise) und des Systemrauschens (rosa Punkte) ist in Abbildung 12 dargestellt. Wenn das ITM BTG dem FSTG entspricht, gibt es keine Geländewechselwirkungen, und es kann davon ausgegangen werden, dass alle Verluste (Differenz zwischen FSTG und MBTG) von Gebäuden, Laub oder anderen Wechselwirkungen mit der Umgebung stammen. Dies ist in Abbildung 13 dargestellt, wo die schwarze Linie das Gelände ist, das aus der USGS-Geländedatenbank13 gezogen wird, die rote, gestrichelte Linie die LOS-Linie (Line of Sight) zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne und die blauen, gepunkteten und gestrichelten Linien die obere und untere erste Fresnel-Zone14 sind, in der der größte Teil der Energie lokalisiert ist. Abbildung 1: Diagramm der übertragenden Komponenten und Verbindungen. Sendeseite des Cw-Kanal-Echolots. Abkürzungen: RF = Radiofrequenz; Ref = Referenz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Diagramm der empfangenden Komponenten und Verbindungen. Empfangsseite des CW-Kanalschoners. Abkürzungen: GPS = Global Positioning System; RF = Hochfrequenz; Ext Ref = externe Referenz; GPS Ant = GPS-Antenne; Ext Trig/Ref = externer Trigger/Referenz; TCP/IP = Übertragungssteuerungsprotokoll/Internetprotokoll; Freq Adj = Frequenzbereinigt; DC = Gleichstrom. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: CW-Kanal-Sounder-System im Labor. Ein Benchtop-Einsatz des Institute for Telecommunication Sciences (ITS) Channel Sounder zur Systemvalidierung und Genauigkeitsprüfung mit den Hauptkomponenten. Abkürzungen: VSA = Vector Signal Analyzer; VSG = Vektorsignalgenerator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 4: I-Q-Anzeige. Frequenzanpassung mithilfe von Phasen- und Quadraturdiagramm (I-Q). Abkürzungen: CW = Dauerwelle; TimeLen = Zeitlänge; I-Achse = Phasenachse; Q-Achse = Quadraturachse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5: Einrichtung des Verifizierungs- und Validierungssystems. Systemeinrichtung für Verifizierungs- und Validierungsmessungen. Abkürzungen: I-Q = Phasenquadura; RF = Hochfrequenz; Ref = Referenz; GPS = Global Positioning System; Ext Trig/Ref = externer Trigger/Referenz; TCP/IP = Übertragungssteuerungsprotokoll/Internetprotokoll; Freq Adj = frequenzbereinigt; DC = Gleichstrom. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 6: Cellular-on-Wheels (COW) und Messwagen. Das Foto zeigt den grünen Lieferwagen für das Empfangssystem und das Cellular-on-Wheels (COW) für das Sendesystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 7: Sweep- und Sweep-Durchschnitt des Spektrumanalysators. Single Sweep für die Datenerfassung des Spektrumanalysators, bestehend aus 461 Punkten über eine Sweep-Zeit von 0,5 s. Abkürzung: SA = Spektrumanalysator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 8: Empfangene Leistung des Vektorsignalanalysators und gleitender Durchschnitt. In-Phase- und Quadratur- (I-Q) Magnitudendaten (blaue Spur) für eine kleine Scheibe eines größeren Laufs im Vergleich zur mittleren Leistung (rote Spur), die über ein 0,5-s-Fenster berechnet wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 9: Ausrichtung von VSA- und SA-Signalen. Ausrichtung der Leistung des Vektorsignalanalysators und der Leistung des Spektrumanalysators. Abkürzungen: VSA = Vector Signal Analyzer; SA = Spektrumanalysator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 10: VSA und SA wurden nach der Signalausrichtung mit Strom versorgt. Ausrichtung der Leistung des Vektorsignalanalysators und der Leistung des Spektrumanalysators im Vergleich zur verstrichenen Zeit in Sekunden. Abkürzungen: VSA = Vector Signal Analyzer; SA = Spektrumanalysator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 11: Geolokalisierung der gemessenen Grundübertragungsverstärkung. Gemessene Grundübertragungsverstärkung entlang der Antriebsstrecke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 12: Gemessene und modellierte Grundübertragungsverstärkung. Gemessene Grundübertragungsverstärkung (blaue x), Irregular-Terrain Model (ITM), grundlegende Übertragungsverstärkung (BTG) (schwarz +), Freiraumübertragungsverstärkung (rote Kreise) und Systemrauschen (rosa Punkte) im Vergleich zur verstrichenen Zeit entlang der Fahrroute. Abkürzungen: MBTG = Gemessener Grundübertragungsgewinn; ITM = Modell mit unregelmäßigem Gelände. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 13: Geländeprofil und erste Fresnelzone. Geländeprofil des United States Geological Survey (schwarze Linie) für die verstrichene Zeit 1636,2 s. Die obere (erste) Fresnel-Zone (blaue, gepunktete Linie) und die untere (erste) Fresnel-Zone (blaue, gestrichelte Linie) werden ebenfalls zusammen mit der Sichtlinie (rote, gestrichelte Linie) zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne aufgetragen. Abkürzungen: USGS = United States Geological Survey; NED = nationale Höhendatenbank. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Es ist sehr wichtig, ein System wie in diesem Protokoll beschrieben zu testen, bevor Sie versuchen, Messungen in einer Außenumgebung durchzuführen. Auf diese Weise können fehlerhafte Komponenten oder Instabilitäten im Messsystem aufgespürt und identifiziert und aufgelöst werden. Die kritischen Schritte in diesem Protokoll bestehen darin, 1) zuerst die einzelnen Komponenten zu testen und zu überprüfen, ob sie innerhalb ihrer Spezifikation arbeiten, 2) Sende- und Empfangsseite separat zusammenzubauen und die Kette der Komponenten zu testen, 3) die Sende- und Empfangsseite zusammenzubauen, indem ein abgestuftes Dämpfungsglied eingefügt und die Signalpegel gemessen werden, wenn die Dämpfung geändert wird, um sicherzustellen, dass die empfangenen Signalpegel im VSA und SA wie berechnet sind. Eine weitere Fehlerbehebung kann mithilfe eines VSG durchgeführt werden, z. B. des in der Materialtabelle gezeigten, das über eine Option zum Generieren von Fading-Simulationen verfügt, mit denen das System mit simulierten Wellenformen in verschiedenen Fading-Umgebungen getestet werden kann, die in realen Ausbreitungsumgebungen auftreten. Sobald das Messsystem ordnungsgemäß funktioniert, können Messungen in einer Außenumgebung mit der Gewissheit durchgeführt werden, dass die Messungen genau sind.

Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Überwachung der Sendeleistung während der gesamten Messung, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Der Leistungsverstärker wird separat charakterisiert und getestet, um seine Linearität und Out-of-Band-Emissionsspektren zu verstehen. Der Leistungsverstärker kann auf der Tischplatte mit dem Rest des Setups validiert werden, aber es muss darauf geachtet werden, dass die Signalleistung unter die maximale Nennleistungsaufnahme für den VSA mit entsprechenden Nenndämpfungsgliedern reduziert wird. Weder die GPS-Antenne noch ihre Einstellungen sollten für die Überprüfung und Validierung im Labor verwendet werden. Da der Bildschirm des VSA nicht in der Lage ist, die Umgebung in Echtzeit zu überwachen, hilft das Hinzufügen eines SA als Echtzeitmonitor, den aktuellen Status des Systems zu bestimmen. Es gibt verschiedene Arten von Kanalsondierungsmesssystemen zur Erfassung der Kanaleigenschaften für Funksysteme: CW, Direktimpuls, Frequenzbereich mit einem VNA- und korrelationsbasierten Swept-Time-Delay-Kreuzkorrelator.

Eine Einschränkung dieses Systems besteht darin, dass ein CW-Signal, das die lokale Umgebung untersucht, keine Zeitbereichsinformationen wie Zeitverzögerungsprofile enthält. Ein Zeitverzögerungsprofil gibt Aufschluss über den Zeitpunkt der Quellenreflexionen des Signals in der lokalen Umgebung. Ein Vorteil der Verwendung eines CW-Signals besteht jedoch darin, dass es einfacher ist, die Erlaubnis zur Übertragung auf einer Frequenz in verschiedenen Bändern mit dem Schmalband-CW-Signal zu erhalten, anstatt zu versuchen, ein Breitbandsignal zu übertragen. CW-Systeme können einen größeren Dynamikbereich als andere Systeme haben, und das Signal kann sich normalerweise weiter in der Umgebung ausbreiten. Ein CW-Signal hat auch Audio-Sampling-Raten, die zu kleineren Dateigrößen führen als andere Arten von Kanal-Sounding-Systemen. Mit diesem System sind die Datenerfassungen kontinuierlich und können mehrere Stunden dauern. Das in diesem Artikel besprochene CW-Kanal-Echolot-Messsystem kann je nach Reichweite der verschiedenen montierten Komponenten bei unterschiedlichen Frequenzen eingesetzt werden. Das System kann in einer Ausbreitungsumgebung im Freien oder in einer Vermehrungsumgebung im Innenbereich eingesetzt werden15.

Acknowledgements

Vielen Dank an das Defense Spectrum Office (DSO) für die Finanzierung der in diesem Artikel vorgestellten Arbeit.

Materials

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
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References

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  2. 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)
  3. 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).
  4. 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)
  5. Molisch, A. . Wireless communications. 2nd edition. , (2010).
  6. 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. , (2002).
  7. 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. , (2017).
  8. 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). , 584-587 (2012).
  9. 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)
  10. Johnk, R. T., et al. A mobile propagation measurement system. Proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC. , (2009).
  11. . 3.5 GHz Exclusion zone analysis and methodology. NTIA Technical Report 15-517 Available from: https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2805.aspx (2015)
  12. The national map. United States Geological Survey Available from: https://viewer.nationalmap.gov/basic (2017)
  13. Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Propagation by diffraction. Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).
  14. Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , (2015).

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Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., Tran, S., Chang, M. Continuous-Wave Propagation Channel-Sounding Measurement System – Testing, Verification, and Measurements. J. Vis. Exp. (172), e62124, doi:10.3791/62124 (2021).
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