Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

نظام قياس قناة الانتشار الموجي المستمر - الاختبار والتحقق والقياسات

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

Summary

يصف هذا التقرير الإعداد والتحقق والتحقق من الصحة والتحقق والنتائج الناتجة عن قياسات الانتشار باستخدام نظام قياس مستمر الموجات وقنوات الترددات الراديوية.

Abstract

تستخدم أجهزة سبر القنوات لقياس خصائص القناة للأنظمة الراديوية. هناك عدة أنواع من أجهزة سبر القنوات المستخدمة اليوم: الموجة المستمرة (CW) ، النبض المباشر ، مجال التردد باستخدام محلل الشبكة المتجهة (VNA) ، القائم على الارتباط ، والربط عبر تأخير الوقت الكاسح. كل من هذه لها مزايا وعيوب فريدة من نوعها. وتتمتع أنظمة الأسلحة الكيميائية بنطاق ديناميكي أكبر من الأنظمة الأخرى ذات الإشارة التي يمكن أن تنتشر أكثر في البيئة. نظرا لأن معدلات أخذ العينات الصوتية تسمح بأحجام ملفات أصغر من الأنظمة الأخرى ، يمكن أن يكون جمع البيانات مستمرا ويستمر لعدة ساعات. تناقش هذه المقالة نظام مسبار قناة CW ، والذي تم استخدامه لإجراء العديد من قياسات فقدان الانتشار في مدن مختلفة في الولايات المتحدة الأمريكية. يجب أن تكون قياسات الانتشار هذه دقيقة وقابلة للتكرار وخالية من القطع الأثرية أو التحيزات. توضح هذه المقالة كيفية إعداد القياس، وكيفية التحقق من صحة النظام والتحقق من أنه يقوم بإجراء قياسات موثوقة، وأخيرا، تعرض نتائج بعض حملات القياس مثل قياسات قابلية التكرار، وقياسات فقدان الفوضى (حيث يتم تعريف فقدان الفوضى على أنه الخسارة الزائدة الناجمة عن فقدان الإرسال في الفضاء الحر)، وقياسات المعاملة بالمثل.

Introduction

معهد علوم الاتصالات (ITS) هو مختبر أبحاث الإدارة الوطنية للاتصالات والمعلومات (NTIA) ، وهي وكالة تابعة لوزارة التجارة الأمريكية. تتمتع ITS بتاريخ طويل في إجراء قياسات دقيقة ومحترمة لانتشار الترددات الراديوية (RF). وقد اقترنت الزيادة في تقاسم الطيف بالحاجة إلى قياسات دقيقة وقابلة للتكرار توفر فهما أفضل للبيئة الراديوية التي سيتعين على خدمات متعددة تقاسمها. وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، دأبت الخدمات العسكرية على وضع ترتيبات لتقاسم الطيف مع شركات الاتصالات اللاسلكية التجارية في النطاق 3-3 للخدمات اللاسلكية المتقدمة (1755-1780 ميغاهرتز)(1). سيسمح ذلك لشركات الاتصالات اللاسلكية التجارية باستخدام نطاق AWS-3 قبل التخلص التدريجي من الخدمات العسكرية من النطاق. وسيتم تنسيق استخدام النطاق من خلال أنظمة العزل جغرافيا ونمذجة سيناريوهات تداخل الترددات. ولتقاسم نطاق الطيف هذا، من الضروري إجراء قياسات الانتشار لتطوير وتحسين نماذج الانتشار لتقييم تداخل الترددات اللاسلكية بين الأنظمة اللاسلكية العسكرية والتجارية داخل النطاق.

منظمة الطيف الدفاعي (DSO) مسؤولة عن إدارة انتقال AWS-3 وكلفت ITS وغيرها بإجراء سلسلة من قياسات سبر القناة. سيتم استخدام هذه القياسات لبناء نماذج جديدة لحساب تأثير أوراق الشجر والهياكل التي من صنع الإنسان في البيئة (المعروفة مجتمعة باسم الفوضى). ويمكن أن يؤدي تحسين نمذجة الانتشار التي تمثل الفوضى إلى فرض قيود أقل على أجهزة الإرسال التجارية بالقرب من الأنظمة العسكرية. تم استخدام نظام مسبار قناة CW الذي تمت مناقشته في هذه المقالة على مدى السنوات الخمس الماضية لجمع بيانات قياس الانتشار الراديوي وحساب توهين الفوضى. ينتج عن نظام القياس هذا نتائج دقيقة وقابلة للتكرار وغير متحيزة، وشجعت واحة دبي للسيليكون أنظمة النقل الذكية على مشاركة معرفتها المؤسسية - بما في ذلك أفضل ممارسات القياس لقياس ومعالجة بيانات انتشار الترددات اللاسلكية - مع المجتمع التقني الأوسع.

تتطلب أفضل ممارسات القياس فهم النظام من مستوى المكون إلى مستوى النظام المجمع. وقد تم توثيق أفضل ممارسات القياس هذه في المذكرة الفنية NTIA TM-19-5352 التي نشرت مؤخرا والتي تصف مجموعة من أفضل الممارسات لإعداد أنظمة قياس الانتشار الراديوي والتحقق منها. أكملت ITS مؤخرا مقالة JoVE حول معايرة VNA المستخدمة لقياس خسائر المكونات وتحديد المكونات السيئة لنظام القياس هذا 3. هذه المقالة هي استمرار في توثيق أفضل ممارسات القياس هذه للمجتمع الأوسع. وعلى الرغم من مناقشة أفضل الممارسات في هذه المقالة من أجل مسبار قناة CW، يمكن استخدام هذه التقنيات نفسها للتحقق من الأنظمة الأخرى المسنودة للقنوات: أنظمة VNA؛ ونظم ال نظم الأسلحة الكيميائية؛ عرض النطاق الترددي الكامل ، والأنظمة القائمة على الارتباط ؛ أنظمة النبض المباشر والأنظمة المنزلقة القائمة على الارتباط4،5،6.

توضح هذه المقالة بالتفصيل كيفية إعداد نظام قياس مسبار قناة CW باستخدام محلل إشارة متجه (VSA) ، ومحلل الطيف (SA) ، واثنين من مذبذبات الروبيديوم ، ومقياس طاقة ، ومولد إشارة متجه (VSG) ، والعديد من المرشحات وفواصل الطاقة للقياسات في بيئة قياس خارجية7,8. يتكون جانب الإرسال من النظام من VSG ، الذي يولد إشارة CW التي يتم تعزيزها بواسطة مضخم الطاقة. ثم يتم تقسيم هذا بواسطة زوجين اتجاهيين لتحويل بعض الإشارة إلى عداد الطاقة ، مما يسمح للمستخدم بمراقبة إخراج النظام. يتم إرسال بقية الإشارة إلى الجانب المتلقي من النظام عبر قناة الانتشار. يتكون الجانب المتلقي من مرشح منخفض التمرير لتقليل التداخل والتوافقيات التي ينتجها مضخم الطاقة. يتم تقسيم الإشارة المصفاة في مقسم طاقة ويتم إدخالها في SA للمراقبة أثناء القياس إلى جانب طابع زمني وموقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يتم إرسال النصف الآخر من الإشارة إلى VSA ليتم تحويلها إلى بيانات تربيع في الطور (I-Q) في نطاق 1-5 كيلو هرتز. يتم تحديد معدل أخذ العينات من خلال امتداد الجهاز9 ويسترشد بتحولات طيف دوبلر المتوقعة ، والتي هي دالة على سرعة السيارة. ثم يتم نقل السلاسل الزمنية الناتجة إلى جهاز كمبيوتر للمعالجة اللاحقة وتحليل البيانات.

تستخدم ساعات الروبيديوم في كل من جهاز الإرسال والاستقبال لتوفير قياسات دقيقة للغاية وترددات مستقرة للغاية. تحتوي ساعة الروبيديوم في الطرف المتلقي على تعديل تردد دقيق للمحاذاة الدقيقة لترددات الإرسال والاستقبال. عادة ، يتم ضبط الترددات لتكون في حدود 0.1 هرتز من بعضها البعض للاختبار. ساعات الروبيديوم ضرورية لقياسات انتشار الأسلحة الكيميائية عالية الدقة. فهي تضمن دقة قاعدة زمنية دقيقة على مدار القياسات وتمنع انحراف تردد جهاز الإرسال والمستقبل. توضح هذه المقالة أيضا كيفية التحقق من صحة النظام والتحقق من أنه يقوم بإجراء قياسات دقيقة في بيئة مختبرية، سواء مع هوائي أو بدونه، قبل إجراء قياسات في بيئة خارجية. وقد استخدم النظام لإجراء سلسلة واسعة من الاختبارات الخارجية والداخلية على ترددات تتراوح من 430 ميغاهرتز إلى 5.5 غيغاهرتز وللعديد من قوى الإرسال المختلفة7،8،10.

Protocol

ملاحظة: يظهر نظام مسبار قناة ITS في الشكل 1 والشكل 2، ويظهر إعداد تقييم على الطاولة في الشكل 3. يرجى الرجوع إلى هذه الأرقام أثناء إعداد مسبار قناة CW لضمان تكوين جميع المكونات بشكل صحيح. توضح الأقسام التالية كيفية التحقق من النظام والتحقق من صحته قبل إجراء القياسات.

1. إعداد نظام القياس

ملاحظة: يصف هذا القسم كيفية إعداد نظام للقياسات الميدانية. أولا، يجب حساب خسائر النظام في كل من جانب الإرسال والاستقبال من النظام وقياسها بشكل منفصل قبل تجميع النظام بأكمله. بعد ذلك ، يتم تجميع النظام الكامل ، ويتم تكوين الأدوات الفردية ومعايرتها ومزامنتها للتحضير للتحقق من المختبر والتحقق من صحته.

  1. قم بقياس معلمات S، باستخدام VNA2، لمكونات النظام الفردية قبل تجميع النظام: الكابلات، والموهنات، ومقسمات الطاقة، وقارنات التوصيل الاتجاهية، ومرشحات التمرير المنخفض.
    ملاحظة: سيؤدي ذلك إلى توصيف الخسائر وتحديد الكابلات المكسورة أو جهاز خارج المواصفات.
  2. قم بتجميع كبل Type N عند مخرج مضخم الطاقة وقارنة التوصيل الاتجاهية ومرشح ممر النطاق الترددي وكبل النوع N الذي سيتم توصيله بالهوائي واستخدم VNA لقياس سلسلة المكونات.
    ملاحظة: سيتضمن هذا القياس انعكاسات داخلية لا يمكن رؤيتها عن طريق قياس المكونات الفردية باستخدام VNA.
  3. سجل قيمة S21 ، والتي ستكون رقما سالبا ، وسيتم استخدامها كخسائر نظام الإرسال. استخدم هذه القيم لتصحيح مستوى الإشارة المستلمة الذي تمت مناقشته في قسم النتائج التمثيلية.
  4. إعداد نظام الإرسال
    1. قم بتوصيل جميع الأجهزة بمصدر طاقة: إما مصدر طاقة غير منقطع (UPS) أو مجموعة من المنافذ المحمية من زيادة التيار الكهربائي. تأكد من أن جميع الأدوات في حالة إيقاف التشغيل أثناء توصيل المكونات معا.
    2. تجميع معدات الإرسال (الشكل 1).
      1. قم بتوصيل خرج 10 ميجاهرتز لمذبذب الروبيديوم بمنفذ Ref IN الخاص ب VSG باستخدام كابل Bayonet-Neill-Concelman (BNC). قم بتوصيل منفذ RF OUT الخاص ب VSG بإدخال منفذ IN الخاص بقارنة التوصيل الاتجاهية باستخدام كبل من النوع N. لا يتم إدخال أي مضخم طاقة حتى خطوة البروتوكول 3.2.
      2. قم بتوصيل منفذ OUT الخاص بقارنة التوصيل الاتجاهية بمرشح ممر النطاق الترددي المناسب لمنفذ الإدخال (إذا لزم الأمر) باستخدام موصل من النوع N أنثى إلى أنثى.
        ملاحظة: يستخدم مرشح ممر النطاق الترددي لتقليل الترددات التوافقية في النطاقات الأخرى.
  5. قم بتجميع كابل النوع N الذي سيتم توصيله بهوائي الاستقبال والمرشح والكبل بين المرشح وفاصل الطاقة وكبل النوع N الذي سيتم توصيله ب VSA ؛ استخدم VNA لقياس نظام المكونات هذا.
  6. قم بإجراء نفس القياس ، ولكن من خلال نفس المكونات المتصلة ب SA. سجل قيم S21 ، والتي سيتم استخدامها كخسائر نظام الاستقبال على جانب VSA من مقسم الطاقة وجانب SA من مقسم الطاقة. استخدم هذه القيم لتصحيح مستوى الإشارة المستلمة الذي تمت مناقشته في قسم النتائج التمثيلية.
  7. إعداد نظام الاستقبال
    1. قم بتوصيل جميع الأجهزة بمصدر طاقة: إما UPS أو مجموعة من المنافذ المحمية من زيادة التيار الكهربائي. تأكد من أن جميع الأدوات في حالة إيقاف التشغيل أثناء توصيل المكونات معا.
    2. تجميع معدات الاستقبال (الشكل 2).
      1. قم بتوصيل كبل من النوع N بإدخال مرشح تمرير النطاق الترددي. قم بتوصيل مخرجات مرشح ممر النطاق الترددي بإدخال مقسم الطاقة (المنفذ 1).
      2. قم بتوصيل المنفذ 2 من مقسم الطاقة بمنفذ RF IN على VSA. قم بتوصيل المنفذ 3 من مقسم الطاقة بمنفذ RF IN على SA.
      3. باستخدام سلك توصيل BNC إلى الموز ، قم بتوصيل Frequency Adj الخاص بمذبذب الروبيديوم بمخرج التيار المستمر من مصدر الطاقة الحالي المباشر (DC).
      4. قم بتوصيل خرج 10 ميجاهرتز من مذبذب الروبيديوم بمنفذ Ext Ref In على VSA باستخدام كبل BNC. قم بتوصيل خرج 10 ميجاهرتز من مذبذب الروبيديوم بمنفذ Ext Trig/Ref In على محلل الطيف.
  8. قم بتشغيل VSG وتأكد من ضبطه على RF OFF. الطاقة على عداد الطاقة. قم بتشغيل جميع الأدوات ، واسمح للأدوات بالإحماء لمدة ساعة قبل إجراء أي قياسات.
  9. تكوين VSA في وضع VSA 89601B. أثناء وجودك في وضع VSA ، اضبط التردد المركزي على تردد CW للاهتمام. أخيرا ، حدد عدد النقاط المأخوذة مع وضع الطول المطلوب للقياس الكلي في الاعتبار.
    ملاحظة: على الرغم من أن النظام يعمل باستخدام CW، يجب ضبط الامتداد لالتقاط أي تحولات دوبلر وتلاشى. يحدد عرض النطاق الترددي للدقة المرشح الذي يستخدمه VSA لقياس الطاقة أثناء اكتساحه عبر امتداد التردد ، لذا فإن اختيار عرض نطاق ترددي منخفض الدقة يسمح بقياس أكثر دقة. كمقايضة ، يستغرق عرض النطاق الترددي الأقل دقة وقتا أكبر لكل نقطة.
  10. قم بتكوين VSA باستخدام الإعدادات التالية: حدد وضع VSA 89601B ؛ التردد المركزي: تردد MHz (على سبيل المثال، 1770 MHz )؛ امتداد: 3 كيلو هرتز ؛ تايم لين: 1 ثانية. ResBW: 3.81938 هرتز; NumPts: الحد الأقصى (491026 نقطة ، 409601 نقطة) - يعتمد على VSA ؛ Rng: -42 ديسيبل ؛ قيمة الرسم البياني العلوي للمقياس العلوي: -30 ديسيبل.
  11. تأكد من التحكم في SA بواسطة برنامج التحكم في الأجهزة الذي يستخدم أوامر قياسية قابلة للبرمجة لأوامر الأدوات القابلة للبرمجة (SCPI) ، بحيث يمكن جمع عمليات المسح المستمرة وحفظها.
    1. قم بتعيين SA بحيث تتطابق ترددات البدء والتوقف مع تردد مركز VSA. نظرا لأن RBW يحدد بالمثل حجم المرشح المستخدم من قبل SA ، فقم بتعيين RBW إلى نفس قيمة نطاق قياس VSA.
    2. اضبط النطاق الترددي للفيديو على نفس قيمة النطاق الترددي للدقة ووضع الكشف لأخذ عينات لتسجيل البيانات غير المتوسطة. اترك التوهين مغلقا ، مع التأكد من عدم تحميل SA بشكل زائد ، والحفاظ على تشغيل preamp.
    3. قم بتكوين SA بما يلي لكل عملية اجتياح: StartFreq: نفس تردد المركز كما هو الحال في إعداد VSA (على سبيل المثال ، 1770 ميجاهرتز) ؛ StopFreq: نفس تردد المركز كما هو الحال في إعداد VSA (على سبيل المثال ، 1770 ميجاهرتز) ؛ RBW (ميغاهرتز): 0.003; فولكس فاجن (ميغاهرتز): 0.003; كاشف: عينة. وقت الاجتياح: 500 مللي ثانية ؛ نقطة / تتبع: 461 ؛ preamp على; التوهين: 0 ؛ التوهين التلقائي: إيقاف.
    4. على SA، اضغط على Enter للوصول إلى القوائم. قم بتمكين المرجع الخارجي عن طريق الضغط على الزر Shift وتحديد زر النظام على محلل الطيف. ثم حدد المزيد من | | إعدادات المنفذ | الإدخال الفرعي المرجع باستخدام المفاتيح اللينة بالقرب من الشاشة.
  12. قم بتكوين VSG عن طريق تحديد إخراج CW.
    1. اضبط التردد على 1770 ميجاهرتز. اتبع الإجراء الوارد في القسم 4.22 لتحديد المدى الخطي لمضخم الطاقة.
    2. اضبط سعة خرج VSG على -4 ديسيبل في الدقيقة، وهو الحد الأعلى للنطاق الخطي لمضخم الطاقة.
  13. معايرة عداد الطاقة.
    1. قم بتوصيل رأس عداد الطاقة بالمنفذ المرجعي (القناة A أو B) والطرف الآخر من عداد الطاقة بمنفذ قياس.
    2. اضبط تردد عداد الطاقة على 1770 ميجاهرتز للمنفذ المرجعي المستخدم أعلاه. صفر ومعايرة عداد الطاقة. تأكد من بقاء قراءة عداد الطاقة في حدود 0.2 ديسيبل من 0 ديسيبل.
    3. افصل رأس عداد الطاقة من المنفذ المرجعي، وقم بتوصيل رأس عداد الطاقة بخرج المخفف الموضح في الشكل 1.
  14. معايرة VSA: المرافق | | المعايرة المعايرة. قم بتشغيل RF على VSG.
    ملاحظة: تأكد من وجود إشارة على محلل الطيف. إذا انخفض مستوى الإشارة إلى -120 ديسيبل، فهذا يعني أن المرجع الخارجي ليس قيد التشغيل. إذا كانت الإشارة قوية جدا ، فسوف تفرط في تحميل نظام الاستقبال وتتلف إما VSA أو SA. كن على دراية بمستويات إشارة الإدخال القصوى (تظهر عادة في الجزء الأمامي من الجهاز) ، وابق على الأقل 10 ديسيبل تحت هذا المستوى.
  15. قم بمزامنة مؤشرات التذبذب الروبيديوم عن طريق ضبط الجهد ، ولكن لا تتجاوز الحد الأقصى لجهد الإدخال المسموح به في منفذ مزامنة الروبيديوم.
    1. قم بتغيير TimeLen على الرسم البياني العلوي على شاشة VSA إلى 100 مللي ثانية. اضبط المحور y على المخطط السفلي على I-Q.
    2. اضغط على التيار / الجهد على اللوحة الأمامية لمصدر الطاقة. قم بتغيير الجهد قليلا في كل مرة وشاهد النقطة على شاشة VSA: إذا كانت تدور ذهابا وإيابا ، فلا تفعل شيئا ، يتم محاذاة الترددات. إذا كان يدور في اتجاه واحد باستمرار ، فقم بتغيير قراءة عداد الطاقة (الجهد) حتى تبدأ النقطة الموجودة على مخطط I-Q في التباطؤ ، وتتحرك ببطء ذهابا وإيابا (حركة البندول) (الشكل 4).
    3. اضبط TimeLen على الرسم البياني العلوي على شاشة VSA مرة أخرى إلى 1 ثانية، واضبط المحور y مرة أخرى على Log Magnitude.
  16. خذ 10 سجلات للاكتساب على SA للتحقق من أن جميع المعلمات قد تم تعيينها بشكل صحيح ، وأن مستوى الإشارة على شاشة SA يتطابق مع مستوى الإشارة على الشاشة السفلية VSA.

2. التحقق من المختبر والتحقق من صحته

  1. بدون توصيل هوائيات، أدخل مخففا متغيرا بين جانب الإرسال من النظام والجانب المتلقي من النظام (الشكل 5). قم بإزالة مضخم الطاقة من إعداد القياس لهذا التحقق.
  2. اضبط توهين المخفف المتدرج على 0 ديسيبل وعدد السجلات الموجودة على تسجيل > إدخال VSA على 120.
    ملاحظة: سجل واحد يساوي TimeLen تعيين على VSA.
  3. اضبط عدد عمليات الاجتياح على SA على 120 سجلا. قم بتغيير سعة إخراج VSG إلى 0 ديسيبل في الدقيقة ، واضغط على زر RF ON على VSG.
  4. قم بتعيين علامة ذروة لإيجاد قيمة قوة الإشارة ، وتحقق من رؤية إشارة على VSA. ابدأ تشغيل VSA عن طريق الضغط على زر التسجيل في الجزء العلوي من الشاشة. ابدأ قياس SA باستخدام برنامج التحكم في الأداة.
  5. قم بتغيير المخفف المتدرج إلى 10 ديسيبل، وكرر الخطوات من 4 إلى 10. انتقل إلى جميع إعدادات المخفف المتدرج وسجل القيم لكل إعداد تخفيف.
    ملاحظة: عندما يقترب المخفف من 90 إلى 110 ديسيبل، ستصبح الإشارة أكثر ضوضاء عند اقترابها من أرضية ضوضاء النظام في الجهاز. ستكون قيم القياس بالقرب من أرضية الضوضاء في النظام متغيرة للغاية.
  6. للتحقق من مستويات الإشارة المستلمة من VSA، احسب متوسط نافذة 0.5 s إلى سجل VSA 120 s، ومتوسط كل عملية مسح ل SA. أضف مستوى طاقة خرج VSG ، والجانب المرسل وخسائر نظام الاستقبال ، وإعداد المخفف المتدرج.
    ملاحظة: ينبغي أن تساوي قيمة المجموع المذكور أعلاه في الخطوة 2.6 متوسط مستويات الإشارة المستلمة التي سجلها VSA وSA في حدود 0.5 ديسيبل، بالنسبة للتوهينات المتدرجة التي تقل عن 80 ديسيبل. إذا لم يفعلوا ذلك ، فارجع وأعد قياس خسائر النظام.

3. القياسات الميدانية

ملاحظة: قم دائما باختبار النظام والتحقق منه قبل كل حملة قياس.

  1. أكمل الخطوات من 1.1 إلى 1.3 قبل كل حملة قياس جديدة، وقم بإعداد جانب الإرسال من النظام، كما هو موضح في القسم 1.4.
    ملاحظة: عادة ما يتم وضع هذا في خلية على عجلات (COW) ، والتي تظل ثابتة أثناء القياسات.
  2. قم بتوصيل مضخم الطاقة بين VSG وقارنة التوصيل الاتجاهية، كما هو موضح في الخطوة 1.4.2.1.
    1. استخدم قارنة توصيل اتجاهية يمكنها التعامل مع مستويات الطاقة الناتجة عن مضخم الطاقة. أضف مخففا بقوة 50 ديسيبل إلى قارنة التوصيل الاتجاهية في المنفذ المقترن للبقاء ضمن مستويات طاقة الإدخال المحددة لعداد الطاقة، وقم بتوصيل عداد الطاقة بهذا المنفذ. قم بتوصيل كبل الإخراج من النوع N من قارنة التوصيل الاتجاهية إلى هوائي الإرسال.
    2. قم بإعداد الجانب المتلقي من النظام ، كما هو موضح في الخطوات 1.5-1.6 ، داخل مركبة متنقلة. قم بتوصيل هوائي الاستقبال بكبل النوع N المتصل بالفلتر.
    3. بالإضافة إلى خطوات إعداد SA 1.11.3-1.11.4 ، يجب إعداد هوائي GPS في SA.
      1. تمكين سجل GPS: إعدادات Meas | تمكين | سجل GPS نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) القياسي.
      2. قم بتمكين GPS على محلل الطيف عن طريق الضغط باستمرار على زر Shift وتحديد زر النظام على محلل الطيف. ثم حدد المزيد من | نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) | GPS-ON & GPS INFO-ON باستخدام المفاتيح اللينة بالقرب من الشاشة.
      3. ضع هوائي GPS على سطح مركبة قياس جهاز الاستقبال. تأكد من أن برنامج القياس يقرأ أيضا في سلاسل NMEA من GPS لكل عملية مسح.
  3. تابع الإعداد كما هو موضح في الخطوات 1.11-1.17، وقم بتعيين عدد السجلات على | إدخال VSA التسجيل بناء على وقت القياس المقدر. قم بتعيين عدد سجلات SA إلى عدد سجلات VSA بالإضافة إلى حوالي 300 سجل ، مع ملاحظة أن SA تجتاح أبطأ من VSA.
  4. ابدأ القياس عن طريق بدء تشغيل VSA أولا عن طريق الضغط على الزر تسجيل في الجزء العلوي من الشاشة. بدء قياس محلل الطيف.
  5. بعد القياس، احفظ ملف تسجيل VSA | وفر | حفظ التسجيل. حفظ الخيارات | حفظ الرؤوس بالبيانات. عند حفظ الملف، قم بإلحاق _VSA بنهاية الملف. قم بتغيير اسم ملف البيانات الخاص بمحلل الطيف لمطابقة اسم ملف VSA، ولكن قم بإلحاق _SA لمحلل الطيف.

Representative Results

تم الحصول على النتائج التالية أثناء التحقق الميداني من النظام المعروض. كان جهاز الإرسال موجودا على Kohler Mesa خلف مختبرات بولدر التابعة لوزارة التجارة في بولدر ، كولورادو. تم قيادة جهاز الاستقبال عبر بولدر ، كولورادو ، في مركبة قياس مصممة خصيصا (انظر الشكل 6) ، وتم أخذ قياسات مستمرة. يقوم SA بتخزين البيانات التي تم اجتياحها كتنسيق حجم السجل في بنية بيانات الحدث ، بينما يتم تخزين بيانات GPS في بنية بيانات حدث منفصلة داخل نفس الملف. ويرد في الشكل 7 مثال على بيانات عملية مسح واحدة. يتم تحويل البيانات المخزنة إلى طاقة خطية بالواط. يتم حساب المتوسط لجميع النقاط في هذا الاجتياح ثم يتم تحويله مرة أخرى إلى حجم السجل. يتم تعيين معلومات GPS لهذه القيمة المتوسطة للمسح الذي يظهره X الأحمر بقيمة -71.5 ديسيبل. تتم هذه العملية لكل عملية مسح في الملف.

بعد ذلك ، تتم معالجة بيانات I-Q الأساسية من VSA كما هو موضح في المعادلة 1. يتم حساب الطاقة بالديسيبل لكل عينة I-Q. يقوم VSA بتجميع بيانات الذروة ، والتي يجب تحويلها إلى dBm ، خلال هذه الخطوة.

Equation 1(1)

أثناء القياس، يتم تخزين بيانات I-Q ذات النطاق الأساسي في ملف مؤقت. لا يتم الحصول على معلومات GPS من قبل VSA. يتم اختيار طول الملف بحيث يكون عدد السجلات المطلوبة مساويا لعدد ثواني وقت محرك الأقراص. بمجرد الانتهاء من القياس ، تتم كتابة البيانات إلى ملف تتم برمجة هيكله مسبقا بواسطة مطوري برامج VSA. تتضمن البيانات المحفوظة في هذا الملف الفرق الزمني بين عينات القياس والتردد وعينات البيانات المعقدة. تتضمن خطوة المعالجة تنعيم حجم بيانات I-Q ذات النطاق الأساسي عبر نافذة 500 مللي ثانية لمجموعة البيانات بأكملها لتقريب مسافة القيادة ذات الطول الموجي 40. يوضح الشكل 8 كيف يقارن متوسط الطاقة الملساء بالبيانات الأولية لجزء أكبر من اختبار القيادة. يتم عرض البيانات الخام بواسطة التتبع الأزرق ، ويتم عرض متوسط الطاقة الملساء بواسطة التتبع الأحمر.

تتم محاذاة مجموعات بيانات VSA و SA باستخدام التفاف دائري. تتم محاذاة نقطة بيانات VSA في كل ثانية مع عينات SA التي تم إنشاؤها في كل ثانية لنقل إحداثيات GPS من SA إلى نقاط بيانات VSA. يقوم نموذج الانحدار الخطي بمحاذاة البيانات عن طريق تقليل البقايا بين مستويات الطاقة المقاسة لمجموعتي البيانات. يتم تقديم البيانات المحاذاة عن طريق رسم طاقة SA بالديسيبل بالديسيبل على المحور x وقوة VSA بالديسيبل على المحور y (الشكل 9). نظرا لأن أرضية ضوضاء نظام SA أعلى من أرضية ضوضاء نظام VSA ، فسيظهر الرسم البياني انحناء لأسفل عند نقاط أقل من -115 ديسيبل تقريبا لمجموعات البيانات القريبة من أرضية الضوضاء. يوضح الشكل 9 والشكل 10 محاذاة طاقة VSA وطاقة SA مقابل الوقت المنقضي بالثواني. ثم يتم إرفاق الطابع الزمني GPS من متوسط الطاقة SA بنقطة البيانات الأولى من سلسلة بيانات الطاقة متوسطة السلاسة VSA. يتم التخلص من الإزاحة الرأسية بين مجموعتي البيانات عن طريق تصحيح فقدان الكابلات من مقسم الطاقة إلى SA ؛ ومع ذلك ، نظرا لاستخدام بيانات VSA المختومة زمنيا فقط ، فإن هذه الخطوة الإضافية غير ضرورية. ثم يتم حفظ هذه البيانات واستخدامها في نموذج Longley-Rice / Irregular Terrain Model (ITM) 11,12 للتنبؤ بخسائر التضاريس. يتم تصحيح بيانات VSA عن طريق إضافة خسائر النظام وإزالة مكاسب النظام للحصول على فقدان الإرسال الأساسي المقاس (BTL) أو كسب الإرسال الأساسي (BTG) على طول مسار القيادة كما هو موضح في الشكل 11 والشكل 12 ويعطى بواسطة المعادلة 2.

Equation 2(2)

حيث أن BTL هي فقدان الإرسال الأساسي ، Pt و Pr هما قوتا الإرسال والاستقبال في dBm ، Gt و Gr هما مكاسب هوائيات الإرسال والاستقبال في dBi ، على التوالي ، و Lt و Lr هما فقدان النظام لنظام الإرسال ونظام الاستقبال في ديسيبل ، على التوالي.

في الشكل 11 ، النجم الأرجواني هو موقع الإرسال. تمثل النقطتان الصفراء والأرجوانية أعلى وأدنى مستويات الإشارة المستلمة ، على التوالي. يوضح الشكل 12 مخططا ل BTG المقاسة (Black x's) ، و BTG (الأزرق +'s) على غرار ITM ، وكسب الإرسال في المساحة الحرة (FSTG) (الدوائر الحمراء) ، وأرضية ضوضاء النظام (النقاط الوردية). عندما يساوي ITM BTG FSTG ، لا توجد تفاعلات تضاريس ، ويمكن افتراض أن جميع الخسائر (الفرق بين FSTG و MBTG) تأتي من المباني أو أوراق الشجر أو التفاعلات الأخرى مع البيئة المحيطة. ويظهر ذلك في الشكل 13، حيث الخط الأسود هو التضاريس التي تم سحبها من قاعدة بيانات التضاريس USGS13، والخط الأحمر المتقطع هو خط البصر (LOS) بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال، والخطوط الزرقاء والمنقطة والمتقطعة هي مناطق فريسنل الأولى العلوية والسفلية14 حيث يتم توطين معظم الطاقة.

Figure 1
الشكل 1: رسم تخطيطي لمكونات الإرسال والاتصالات. الجانب الناقل من مسبار قناة الموجة المستمرة (CW). الاختصارات: RF = تردد الراديو; المرجع = المرجع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: رسم تخطيطي لمكونات الاستقبال والاتصالات. الجانب المتلقي لقناة الموجة المستمرة (CW) أكثر صحة. الاختصارات: GPS = نظام تحديد المواقع العالمي; RF = تردد الراديو ؛ المرجع الفرعي = مرجع خارجي؛ GPS Ant = هوائي GPS ؛ Ext Trig/Ref = الزناد/المرجع الخارجي؛ TCP/IP = بروتوكول التحكم في الإرسال/بروتوكول الإنترنت؛ تردد Adj = تردد معدل; DC = التيار المباشر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: نظام مسبار قناة CW في المختبر. نشر قناة معهد علوم الاتصالات (ITS) على الطاولة للتحقق من صحة النظام واختبار الدقة الذي يظهر المكونات الرئيسية. الاختصارات: VSA = محلل إشارة متجه ؛ VSG = مولد إشارة متجه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: شاشة I-Q. ضبط التردد باستخدام مخطط الطور والتربيع (I-Q). الاختصارات: CW = موجة مستمرة; TimeLen = الطول الزمني; I-axis = محور في الطور ؛ Q-axis = المحور التربيعي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: إعداد نظام التحقق والتحقق. إعداد النظام للتحقق والتحقق من صحة القياسات. الاختصارات: I-Q = التربيع في الطور. RF = تردد الراديو ؛ المرجع = المرجع; GPS = نظام تحديد المواقع العالمي; Ext Trig/Ref = الزناد/المرجع الخارجي؛ TCP/IP = بروتوكول التحكم في الإرسال/بروتوكول الإنترنت؛ تردد Adj = تردد معدل. DC = التيار المباشر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: العجلات الخلوية (COW) وشاحنة القياس. صورة تظهر شاحنة خضراء تستخدم لنظام الاستقبال وخلوية على عجلات (COW) تستخدم لإيواء نظام الإرسال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: كنس محلل الطيف ومتوسط الاجتياح. مسح واحد لالتقاط بيانات محلل الطيف يتكون من 461 نقطة خلال وقت اكتساح 0.5 ثانية. اختصار: SA = محلل الطيف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: محلل إشارة متجه تلقى الطاقة والمتوسط المتحرك. بيانات الحجم داخل الطور والتربيع (I-Q) (التتبع الأزرق) لشريحة صغيرة من تشغيل أكبر مقارنة بمتوسط القدرة (التتبع الأحمر) المحسوب عبر نافذة 0.5 ثانية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: محاذاة إشارة VSA و SA. محاذاة طاقة محلل الإشارة المتجهة وطاقة محلل الطيف. الاختصارات: VSA = محلل إشارة متجه ؛ SA = محلل الطيف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10: تلقى VSA و SA الطاقة بعد محاذاة الإشارة. محاذاة قدرة محلل إشارة متجه وقدرة محلل الطيف مقابل الوقت المنقضي بالثواني. الاختصارات: VSA = محلل إشارة متجه ؛ SA = محلل الطيف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11: تحديد الموقع الجغرافي لمكاسب الإرسال الأساسية المقاسة. قياس كسب ناقل الحركة الأساسي على طول مسار القيادة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12: قياس ونمذجة مكاسب الإرسال الأساسية. كسب ناقل الحركة الأساسي المقاس (الأزرق x)، وكسب الإرسال الأساسي لطراز التضاريس غير المنتظمة (ITM) (BTG) (الأسود +'s)، وكسب الإرسال في المساحة الحرة (الدوائر الحمراء)، وأرضية ضوضاء النظام (النقاط الوردية) مقابل الوقت المنقضي على طول مسار القيادة. الاختصارات: MBTG = قياس كسب الإرسال الأساسي; ITM = نموذج التضاريس غير المنتظمة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 13
الشكل 13: ملف تعريف التضاريس ومنطقة فريسنل الأولى. ملف تعريف تضاريس هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (الخط الأسود) للوقت المنقضي 1636.2 ثانية. كما يتم رسم منطقة فريسنل العليا (الأولى) (الخط الأزرق المنقط) ومنطقة فريسنل السفلى (الأولى) (الخط الأزرق المتقطع) جنبا إلى جنب مع خط خط البصر (الأحمر ، الخط المتقطع) بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال. الاختصارات: USGS = هيئة المسح الجيولوجي للولايات المتحدة; NED = قاعدة بيانات الارتفاع الوطنية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

من المهم جدا اختبار نظام كما هو موضح في هذا البروتوكول قبل محاولة إجراء قياسات في بيئة خارجية. وبهذه الطريقة ، يمكن تتبع أي مكونات سيئة أو عدم استقرار وتحديدها في نظام القياس ويمكن حلها. الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول هي 1) اختبار المكونات الفردية أولا ، والتحقق من أنها تعمل ضمن مواصفاتها ، 2) تجميع جوانب الإرسال والاستقبال بشكل منفصل واختبار سلسلة المكونات ، 3) تجميع جانب الإرسال والاستقبال عن طريق إدخال مخفف متدرج وقياس مستويات الإشارة أثناء تغيير التوهين للتأكد من أن مستويات الإشارة المستلمة في VSA و SA كما تم حسابها. يمكن إجراء مزيد من استكشاف الأخطاء وإصلاحها باستخدام VSG ، مثل ذلك الموضح في جدول المواد ، والذي يحتوي على خيار لإنشاء محاكاة باهتة ، والتي يمكن استخدامها لاختبار النظام باستخدام أشكال موجية محاكاة في بيئات تلاشي مختلفة تصادف في بيئات الانتشار في العالم الحقيقي. بمجرد أن يعمل نظام القياس بشكل صحيح ، يمكن إجراء القياسات في بيئة خارجية مع الثقة في أن القياسات ستكون دقيقة.

خطوة أخرى مهمة هي مراقبة طاقة الإرسال طوال القياس للتحقق من أن النظام يعمل بشكل صحيح. يتميز مضخم الطاقة ويختبر بشكل منفصل لفهم خطيته وأطياف الانبعاثات خارج النطاق. يمكن التحقق من صحة مضخم الطاقة على سطح الطاولة مع بقية الإعداد ، ولكن يجب توخي الحذر لتقليل طاقة الإشارة إلى أقل من الحد الأقصى لإدخال الطاقة المقدر إلى VSA باستخدام مخففات مصنفة بشكل مناسب. لا ينبغي استخدام هوائي GPS ولا إعداداته للتحقق من المختبر والتحقق من صحته. نظرا لأن شاشة VSA غير قادرة على توفير مراقبة في الوقت الفعلي للبيئة ، فإن إضافة SA كشاشة في الوقت الفعلي تساعد في تحديد الحالة الحالية للنظام. هناك عدة أنواع من أنظمة قياس سبر القناة لالتقاط خصائص القناة للأنظمة الراديوية: CW ، النبض المباشر ، مجال التردد باستخدام VNA ، القائم على الارتباط ، التأخير عبر التأخير في الوقت الكاسح.

ويتمثل أحد قيود هذا النظام في أن إشارة الأسلحة الكيميائية التي تسبر البيئة المحلية لا تحتوي على معلومات عن المجال الزمني مثل ملفات تعريف التأخير الزمني. يوفر ملف تعريف التأخير الزمني معلومات حول توقيت انعكاسات مصدر الإشارة في البيئة المحلية. بيد أن إحدى مزايا استخدام إشارة الأسلحة الكيميائية هي أنه من الأسهل الحصول على إذن بالإرسال على تردد واحد في نطاقات مختلفة باستخدام إشارة الأسلحة الكيميائية ضيقة النطاق بدلا من محاولة إرسال إشارة واسعة النطاق. يمكن أن يكون لأنظمة الأسلحة الكيميائية نطاق ديناميكي أكبر من الأنظمة الأخرى ، ويمكن للإشارة عادة أن تنتشر بشكل أكبر في البيئة. تحتوي إشارة CW أيضا على معدلات أخذ عينات صوتية تؤدي إلى أحجام ملفات أصغر من الأنواع الأخرى من أنظمة سبر القنوات. باستخدام هذا النظام ، تكون عمليات جمع البيانات مستمرة ويمكن أن تستمر لعدة ساعات. يمكن استخدام نظام قياس مسبار قناة CW الذي تمت مناقشته في هذه المقالة بترددات مختلفة ، اعتمادا على نطاق المكونات المجمعة المختلفة. ويمكن استخدام النظام في بيئة انتشار خارجية أو بيئة انتشار داخلية15.

Acknowledgments

شكرا لمكتب الطيف الدفاعي (DSO) لتمويل العمل المقدم في هذه المقالة.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
  2. 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).
  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. 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).
  5. Molisch, A. Wireless communications. 2nd edition. , J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (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. , Master's Thesis (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. , Washington, D.C. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3186.aspx (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). , Pittsburgh, PA. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2686.aspx 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. , Austin, TX. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3210.aspx (2009).
  11. 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).
  12. 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).
  13. The national map. United States Geological Survey. , Available from: https://viewer.nationalmap.gov/basic (2017).
  14. Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Propagation by diffraction. Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).
  15. Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , M.S. Thesis (2015).

Tags

الهندسة، العدد 172، الموجة المستمرة، القياسات، الانتشار الراديوي، الاختبار، التحقق من الصحة، التحقق من النظام
نظام قياس قناة الانتشار الموجي المستمر - الاختبار والتحقق والقياسات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter