Summary
이 보고서는 연속 파, 무선 주파수 채널 사운드 측정 시스템을 사용하여 전파 측정의 설정, 유효성 검사 및 검증 및 결과를 설명합니다.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
참고: ITS 채널 sounder 시스템은 도 1 과 그림 2에 표시되며 벤치탑 평가 설정은 그림 3에 표시됩니다. 모든 구성 요소가 제대로 구성되었는지 확인하기 위해 CW 채널 sounder를 설정하는 동안 이러한 수치를 참조하십시오. 다음 섹션에서는 측정하기 전에 시스템을 확인하고 검증하는 방법을 설명합니다.
1. 측정 시스템 설정
참고: 이 섹션에서는 필드 측정을 위해 시스템을 설정하는 방법을 설명합니다. 첫째, 전체 시스템이 조립되기 전에 시스템의 송신 및 수신 측 모두에서 시스템 손실을 설명하고 별도로 측정해야 한다. 그런 다음 전체 시스템이 조립되고 개별 계측기가 구성, 보정 및 동기화되어 실험실 검증 및 검증을 준비합니다.
- 케이블, 감쇠기, 전원 스플리터, 방향 결합기 및 로우 패스 필터 : 시스템을 조립하기 전에 개별 시스템 구성 요소에 대한 VNA2를 사용하여 S 매개 변수를 측정합니다.
참고: 이는 손실을 특성화하고 깨진 케이블 또는 사양이 없는 장치를 식별합니다. - 안테나에 연결되는 전원 증폭기, 방향 커플러, 밴드패스 필터 및 타입 N 케이블의 출력에 N형 케이블을 조립하고 VNA를 사용하여 부품 체인을 측정합니다.
참고: 이 측정에는 VNA를 사용하는 개별 구성 요소를 측정하여 볼 수 없는 내부 반사가 포함됩니다. - 음수인 S21 값을 기록하고 송신 시스템 손실로 사용됩니다. 이러한 값을 사용하여 대표 결과 섹션에서 설명하는 수신된 신호 수준을 수정합니다.
- 전송 시스템 설정
- 모든 장치를 전원에 연결합니다: 무정전 전원 공급 장치(UPS) 또는 서지 보호 콘센트 세트. 구성 요소를 함께 연결하면서 모든 계측기가 전원이 꺼진 상태인지 확인합니다.
- 송신 장비를 조립합니다(그림 1).
- 바이요네트-닐-콘셀만(BNC) 케이블을 사용하여 루비듐 발진기의 10MHz 출력을 VSG의 Ref IN 포트에 연결합니다. VSG의 RF OUT 포트를 N형 케이블을 사용하여 방향 커플러 IN 포트의 입력에 연결합니다. 프로토콜 3.2 단계까지 전원 증폭기가 삽입되지 않습니다.
- 방향 커플러의 OUT 포트를 입력 포트에 연결(필요한 경우) 여성 커넥터에 N형 여성을 사용하여 적절한 밴드패스 필터를 사용합니다.
참고: 밴드패스 필터를 사용하여 다른 대역에서 고조파 주파수를 최소화합니다.
- 수신 안테나, 필터, 필터와 파워 스플리터 사이의 케이블 및 VSA에 연결될 타입 N 케이블에 연결되는 타입 N 케이블을 조립하는 행위; VNA를 사용하여 이 구성 요소 시스템을 측정합니다.
- 동일한 측정을 하지만 SA에 연결된 동일한 구성 요소를 통해 확인합니다. 전원 스플리터의 VSA 측및 전원 스플리터의 SA 측에서 수신 시스템 손실로 사용되는 S21 값을 기록합니다. 이러한 값을 사용하여 대표 결과 섹션에서 설명하는 수신된 신호 수준을 수정합니다.
- 시스템 설정 수신
- 모든 장치를 UPS 또는 서지 보호 콘센트 집합인 전원에 연결합니다. 구성 요소를 함께 연결하면서 모든 계측기가 전원이 꺼진 상태인지 확인합니다.
- 수신 장비를 조립합니다(그림 2).
- 밴드패스 필터의 입력에 N형 케이블을 연결합니다. 밴드패스 필터의 출력을 전원 분배기(포트 1)의 입력에 연결합니다.
- 전원 분배기의 포트 2를 VSA의 RF IN 포트에 연결합니다. 전원 분배기의 포트 3을 SA의 RF IN 포트에 연결합니다.
- BNC를 바나나 플러그 코드에 사용하여 루비듐 발진기의 주파수 Adj 를 직접 전류(DC) 전원 공급 장치의 DC OUT 에 연결합니다.
- BNC 케이블을 사용하여 VSA의 엑스트 Ref In 포트에 루비듐 발진기의 10MHz 출력을 연결합니다. 루비듐 발진기의 10 MHz 출력을 스펙트럼 분석기의 Ext Trig/Ref In 포트에 연결합니다.
- VSG에 전원을 공급하고 RF OFF로 설정되어 있는지 확인합니다. 파워 미터의 전원. 모든 계측기를 켜고 계측기를 한 시간 동안 워밍업한 후 측정할 수 있습니다.
- VSA 89601B 모드에서 VSA를 구성합니다. VSA 모드에 있는 동안 중심 주파수를 CW 관심 주파수로 설정합니다. 마지막으로 전체 측정의 원하는 길이를 염두에 두고 채취한 포인트 수를 선택합니다.
참고: 시스템이 CW를 사용하여 작동하지만 도플러 의 교대 및 페이드를 캡처하려면 범위를 설정해야 합니다. 해상도 대역폭은 VSA가 주파수 범위를 휩쓸 때 전력을 측정하는 데 사용되는 필터를 결정하므로 저해상도 대역폭을 선택하면 보다 정밀한 측정이 가능합니다. 절충을 통해 해상도 대역폭이 낮아지면 포인트당 더 많은 시간이 걸립니다. - VSA 89601B 모드를 선택합니다. 중심 주파수: 프레스 MHz (예: 1770MHz); 범위 : 3 kHz; 타임렌: 1s; ResBW: 3.81938 Hz; NumPts: 최대 (491026 pts, 409601 pts)-VSA에 따라 달라집니다; Rng: -42 dBm; 상단 그래프 상위 규모 값: -30 dBm.
- SA가 프로그래밍 가능한 계측기(SCPI) 명령에 프로그래밍 가능한 표준 명령을 사용하는 계측기 제어 소프트웨어에 의해 제어되어 연속 스윕을 수집하고 저장할 수 있도록 합니다.
- 시작 및 정지 주파수가 VSA 중심 주파수와 일치하도록 SA를 설정합니다. RBW가 마찬가지로 SA에서 사용하는 필터 크기를 결정하므로 RBW를 VSA 측정 의 범위와 동일한 값으로 설정합니다.
- 비디오 대역폭을 해상도 대역폭 및 감지 모드와 동일한 값으로 설정하여 샘플링하여 평균되지 않은 데이터를 기록합니다. 감쇠를 끄고 SA가 과부하되지 않도록 하고 프리앰프를 계속 켜십시오.
- 각 스윕에 대해 다음과 같이 SA를 구성: StartFreq: VSA 설정과 동일한 중심 주파수(예: 1770 MHz); StopFreq: VSA 설정(예: 1770MHz)과 동일한 중심 주파수; RBW (MHz): 0.003; VBW (MHz): 0.003; 검출기: 샘플; 스윕 시간 : 500 ms; pts/추적: 461; 프리앰프 켜기; 감쇠: 0; 자동 감쇠: 꺼져 있습니다.
- SA에서 Enter 를 눌러 메뉴에 액세스합니다. Shift 버튼을 누르고 스펙트럼 분석기에서 시스템 단추를 선택하여 외부 참조를 활성화합니다. 그런 다음 더 많은 | 선택합니다. 포트 설정 | 내수 입력 | 화면 근처의 소프트키를 사용하여 참조합니다.
- CW 출력을 선택하여 VSG를 구성합니다.
- 주파수를 1770MHz로 설정합니다. 4.22 절의 절차를 따라 전력 증폭기의 선형 범위를 결정합니다.
- VSG 출력 진폭을 -4 dBm으로 설정하여 전력 증폭기의 선형 범위로 상한을 설정합니다.
- 파워 미터를 보정합니다.
- 전원 미터 헤드를 참조 포트(채널 A 또는 B)와 파워 미터의 다른 쪽 끝을 측정 포트에 연결합니다.
- 상기에 사용된 기준 포트에 대해 전력계 주파수를 1770MHz로 설정합니다. 전원 미터를 0및 보정합니다. 전원 미터 판독값이 0dBm의 0.2dB 내에 남아 있는지 확인합니다.
- 기준 포트에서 파워 미터 헤드를 분리하고 도 1에 표시된 감쇠기의 출력에 파워 미터 헤드를 연결합니다.
- VSA 보정: 유틸리티 | 교정 | 교정. VSG 에서 RF 를 켭니다.
참고: 스펙트럼 분석기에 신호가 있는지 확인합니다. 신호 수준이 -120 dBm으로 떨어지면 외부 참조가 켜지지 않습니다. 신호가 너무 강하면 수신 시스템에 과부하가 되어 VSA 또는 SA가 손상됩니다. 최대 입력 신호 수준(일반적으로 계측기 전면에 표시됨)을 인식하고 이 수준 보다 최소 10dB를 유지하십시오. - 전압을 설정하여 루비듐 발진기를 동기화하지만 루비듐 동기화 포트에 허용되는 최대 입력 전압을 초과하지 않습니다.
- VSA 화면의 상단 그래프에서 TimeLen 을 100ms로 변경합니다. 하단 플롯의 y축을 I-Q로 설정합니다.
- 전원 공급 장치 전면 패널에서 전류/전압 을 누릅니다. 전압을 한 번에 조금 변경하고 VSA 화면의 점을 봅니다: 앞뒤로 회전하면 아무 것도 하지 않으면 주파수가 정렬됩니다. 한 방향으로 일관되게 회전하면 I-Q 플롯의 점이 느려지기 시작할 때까지 파워 미터 판독(전압)을 변경하고 천천히 앞뒤로 이동합니다(진자 모션)(그림 4).
- VSA 화면의 위그래프에 TimeLen 을 다시 1s로 설정하고 y축을 다시 로그 크기로 설정합니다.
- SA에서 10개의 획득 레코드를 사용하여 모든 매개 변수가 올바르게 설정되었는지, SA 화면의 신호 수준이 VSA 하부 화면의 신호 수준과 일치하는지 확인합니다.
2. 실험실 검증 및 유효성 검사
- 안테나를 부착하지 않고 시스템의 송신 측과 시스템의 수신 측 사이에 가변 감쇠기를 삽입합니다(그림 5). 이 검증을 위해 측정 설정에서 전원 증폭기제거합니다.
- 단계별 감쇠기를 0dB로 설정하고 VSA 입력 > 기록 수를 120으로 설정합니다.
참고: 하나의 레코드는 VSA에서 설정된 TimeLen 과 동일합니다. - SA의 스윕 수를 120레코드로 설정합니다. VSG의 출력 진폭을 0 dBm으로 변경하고 VSG의 RF ON 버튼을 누릅니다.
- 피크 마커를 설정하여 신호 강도의 값을 찾고 VSA에서 볼 수 있는 신호를 확인합니다. 화면 상단의 레코드 버튼을 눌러 VSA를 시작합니다. 계측기 제어 소프트웨어를 사용하여 SA 측정을 시작합니다.
- 단계별 감쇠기를 10dB로 변경하고 4-10 단계를 반복합니다. 단계별 감쇠기의 모든 설정을 살펴보고 각 감쇠 설정의 값을 기록합니다.
참고: 감쇠기가 90~110dB에 가까워지면 계측기의 시스템 소음 바닥에 접근할 때 신호가 시끄워집니다. 시스템의 노이즈 플로어 근처의 측정 값은 매우 가변적입니다. - VSA 수신 신호 수준을 확인하려면 0.5s 창의 평균을 120s VSA 레코드로 계산하고 SA의 각 스윕을 평균합니다. VSG 출력 전력 레벨, 송신 측 및 수신 측 시스템 손실 및 단계별 감쇠기 설정을 추가합니다.
참고: 앞서 언급한 2.6단계 의 합계값은 VSA와 SA가 기록한 평균 수신 신호 수준과 동일해야 하며, 이는 80dB 미만의 단계별 감쇠에 대해서입니다. 그렇지 않은 경우 돌아가서 시스템 손실을 다시 측정합니다.
3. 현장 측정
참고: 모든 측정 캠페인 전에 항상 시스템을 테스트하고 확인합니다.
- 각 새 측정 캠페인 전에 1.1-1.3 단계를 완료하고 섹션 1.4에서 설명한 대로 시스템의 송신 측면을 설정합니다.
참고: 일반적으로 측정 중에 고정된 셀룰러 온 휠(COW)에 보관됩니다. - 1.4.2.1 단계에서 설명한 대로 VSG와 방향 커플러 사이의 파워 앰프를 연결합니다.
- 전원 증폭기에서 생성된 전원 레벨을 처리할 수 있는 방향 커플러를 사용합니다. 결합된 포트의 방향 성 커플러에 50dB 감쇠기를 추가하여 전원 미터의 지정된 입력 전원 수준 내에 머무르고 이 포트에 전원 미터를 부착합니다. 방향 커플러에서 출력 Type N 케이블을 송신 안테나에 연결합니다.
- 모바일 차량 내부의 1.5-1.6 단계에서 설명한 대로 시스템의 수신 측을 설정합니다. 수신 안테나를 필터에 연결된 N형 케이블에 연결합니다.
- SA 설정 단계 1.11.3-1.11.4 외에도 GPS 안테나를 SA에 설치해야 합니다.
- GPS 레코드 사용: Meas 설정 | GPS 레코드 | 사용 표준 GPS.
- Shift 버튼을 누르고 스펙트럼 분석기에서 시스템 버튼을 선택하여 스펙트럼 분석기에서 GPS를 활성화합니다. 그런 다음 더 많은 | 선택합니다. GPS | 화면 근처의 소프트키를 사용하여 GPS-ON 및 GPS 정보-온.
- 수신기 측정 차량의 지붕에 GPS 안테나를 놓습니다. 측정 소프트웨어가 각 스윕에 대해 GPS에서 NMEA 문자열로 읽습니다.
- 1.11-1.17 단계에서 설명한 대로 설정을 계속하고 VSA 입력|의 레코드 수를 설정 합니다. 예상 측정 시간을 기준으로 기록합니다. SA 레코드 수를 VSA 레코드 수와 약 300개의 레코드로 설정하여 SA가 VSA보다 느리게 스윕된다는 점에 유의하십시오.
- 화면 상단의 레코드 버튼을 눌러 VSA를 먼저 시작하여 측정을 시작합니다. 스펙트럼 분석기 측정을 시작합니다.
- 측정 후 VSA 레코딩 파일을 저장 | | 저장 기록을 저장합니다. 옵션 저장 | 데이터로 헤더를 저장합니다. 파일을 저장할 때 파일 끝에 _VSA 를 부수습니다. 스펙트럼 분석기의 데이터 파일 이름을 VSA의 파일 이름과 일치하도록 변경하지만 스펙트럼 분석기에는 _SA 더합니다.
Representative Results
제시된 시스템의 현장 검증 중에 다음과 같은 결과를 얻었다. 송신기는 콜로라도 볼더의 상무부 볼더 연구소 뒤의 콜러 메사에 위치했다. 수신기는 콜로라도 볼더를 통해 특별히 설계된 측정 차량( 그림 6 참조)을 통해 구동되었으며 연속 측정을 수행했습니다. SA는 스윕 데이터를 이벤트 데이터 구조에 로그 크기 형식으로 저장하고 GPS 데이터는 동일한 파일 내의 별도의 이벤트 데이터 구조에 저장됩니다. 한 스윕에 대한 데이터의 예는 그림 7에 표시됩니다. 저장된 데이터는 와트의 선형 전력으로 변환됩니다. 평균은 해당 스윕의 모든 점에 대해 계산된 다음 로그 크기로 다시 변환됩니다. GPS 정보는 -71.5 dBm값으로 빨간색 X가 표시된 스윕에 대한 이 평균 값에 할당됩니다. 이 프로세스는 파일의 모든 스윕에 대해 수행됩니다.
다음으로 VSA의 베이스밴드 I-Q 데이터는 방정식 1에 도시된 대로 처리됩니다. dBm의 전력은 모든 I-Q 샘플에 대해 계산됩니다. VSA는 이 단계에서 dBm으로 변환해야 하는 피크 데이터를 수집합니다.
(1)
측정 하는 동안 베이스 밴드 I-Q 데이터는 임시 파일에 저장 됩니다. VSA에서 GPS 정보를 수집하지 않습니다. 요청된 레코드 수가 드라이브 시간 수와 같도록 파일 길이가 선택됩니다. 측정이 완료되면 VSA 소프트웨어 개발자가 구조를 미리 프로그래밍하는 파일에 데이터가 기록됩니다. 이 파일에 저장된 데이터에는 측정 샘플, 빈도 및 복잡한 데이터 샘플 간의 시차가 포함됩니다. 처리 단계는 40파장 주행 거리를 근사화하기 위해 전체 데이터 세트에 대해 500ms 창을 통해 베이스밴드 I-Q 데이터의 크기를 스무딩하는 것을 포함한다. 그림 8 은 드라이브 테스트의 큰 부분에 대한 원시 데이터와 비교하여 부드러운 평균 전력을 보여줍니다. 원시 데이터는 파란색 추적에 의해 표시되며, 매끄러운 평균 전력은 빨간색 추적에 의해 표시됩니다.
VSA 및 SA 데이터 집합은 원형 컨볼루션을 사용하여 정렬됩니다. 각 초마다 VSA 데이터 포인트는 SA에서 VSA 데이터 포인트로 GPS 좌표를 전송하기 위해 매 초마다 생성된 SA 샘플과 정렬됩니다. 선형 회귀 모델은 두 데이터 집합의 측정된 전원 수준 간의 잔여를 최소화하여 데이터를 정렬합니다. 정렬된 데이터는 x 축의 dBm에 SA 전력을 플로팅하고 y축의 dBm에서 VSA 전원을 플로팅하여 표시됩니다(그림 9). SA 시스템 노이즈 플로어가 VSA 시스템 노이즈 플로어보다 높기 때문에 노이즈 플로어 에 가까운 데이터 세트의 경우 그래프는 약 -115dBm 이하지점에서 하향 곡률을 표시합니다. 도 9 및 도 10은 VSA 전력과 SA 전원의 정렬과 경과된 시간의 초를 보여 준다. 그런 다음 SA 평균 전력 데이터 시리즈의 첫 번째 데이터 지점에 SA 평균 전원 의 GPS 타임 스탬프가 부착됩니다. 전원 분배기에서 SA로의 케이블 손실을 보정하여 두 데이터 집합 간의 수직 오프셋이 제거됩니다. 그러나 타임스탬프가 찍힌 VSA 데이터만 사용하므로 이 추가 단계는 필요하지 않습니다. 그런 다음 이러한 데이터를 저장하여 LONGley-Rice/불규칙지형 모델(ITM)11,12에 저장하여 사용하여 지형 손실을 예측합니다. VSA 데이터는 시스템 손실을 추가하고 시스템 이득을 제거하여 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 드라이브 경로를 따라 측정된 기본 전송 손실(BTL) 또는 기본 전송 이득(BTG)을 획득하여 수정되며, 수학도 2에 의해 주어진다.
(2)
여기서, BTL은 기본 전송 손실, Pt 및 Pr는 dBm, Gt 및 Gr에서 송신 및 수신 능력이며, dBi에서 각각 송신 및 수신 안테나의 이득이며, Lt 및 Lr은 dB에서 송신 시스템 및 수신 시스템에 대한 시스템 손실이며, 각각.
도 11에서, 보라색 별은 송신 위치이다. 노란색과 보라색 점은 각각 가장 높고 가장 낮은 수신 신호 수준을 나타냅니다. 측정된 BTG(블랙 x's), ITM 모델링 BTG(파란색+'s), 자유 공간 전송 게인(FSTG) (빨간색 원), 시스템 노이즈 플로어(분홍색 점)의 플롯이 도 12에 표시됩니다. ITM BTG가 FSTG와 같으면 지형 상호 작용이 없으며 모든 손실(FSTG와 MBTG 간의 차이)은 건물, 단풍 또는 주변 환경과의 다른 상호 작용에서 비롯될 수 있습니다. 이는 도 13에 나타내며, 여기서 검은선은 USGS 지형 데이터베이스13에서 뽑아낸 지형이고, 빨간색, 파선선은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 선(LOS) 선이며, 파란색, 점선 및 파선선은 대부분의 에너지가 국한되는 상부 및 하부 제1 프레스넬 영역(14)이다.
그림 1: 구성 요소 및 연결을 전송하는 다이어그램입니다. 연속 파 (CW)-채널 sounder의 전송 측. 약어 : RF = 무선 주파수; 참조 = 참조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 구성 요소 및 연결 수신 다이어그램입니다. 연속 파 (CW) 채널 sounder의 측면을 수신. 약어: GPS = 글로벌 포지셔닝 시스템; RF = 무선 주파수; Ext Ref = 외부 참조; GPS 개미 = GPS 안테나; 덱트 트리그/Ref = 외부 트리거/참조; TCP/IP = 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜; Freq Adj = 주파수 조정; DC = 직접 전류입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 실험실에서 CW 채널 sounder 시스템. 주요 구성 요소를 보여주는 시스템 검증 및 정확도 테스트를 위해 통신 과학 연구소(ITS) 채널의 벤치탑 배치. 약어: VSA = 벡터 신호 분석기; VSG = 벡터 신호 발생기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: I-Q 디스플레이. 단계 및 이차(I-Q) 플롯을 사용하여 주파수 조정. 약어: CW = 연속파; TimeLen = 시간 길이; I축 = 위상 축; Q축 = 이차 축. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 검증 및 검증 시스템 설정입니다. 검증 및 유효성 검사 측정을 위한 시스템 설정. 약어: I-Q = 위상 사분면; RF = 무선 주파수; 참조 = 참조; GPS = 글로벌 포지셔닝 시스템; 덱트 트리그/Ref = 외부 트리거/참조; TCP/IP = 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜; Freq Adj = 주파수 조정; DC = 직접 전류입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 셀룰러 온 휠(COW) 및 측정 밴. 시스템 수신에 사용되는 녹색 밴과 휴대 전화 전송 시스템에 사용되는 셀룰러 휠 (COW)을 보여주는 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 스펙트럼 분석기 스윕 및 스윕 평균. 스펙트럼 분석기 데이터 캡처를 위한 단일 스윕은 0.5s 스윕 시간 동안 461포인트로 구성됩니다. 약어: SA = 스펙트럼 분석기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 벡터 신호 분석기는 전력 및 이동 평균을 받았습니다. 0.5s 창에 계산된 평균 전력(적색 추적)에 비해 더 큰 실행의 작은 조각에 대한 위상 및 이차(I-Q) 크기 데이터(파란색 추적). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: VSA 및 SA 신호 정렬. 벡터 신호 분석기 전력 및 스펙트럼 분석기 전력의 정렬. 약어: VSA = 벡터 신호 분석기; SA = 스펙트럼 분석기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 10: VSA 및 SA는 신호 정렬 후 전력을 받았습니다. 정렬된 벡터 신호 분석기 전력 및 스펙트럼 분석기 전력 과 경과 시간 초. 약어: VSA = 벡터 신호 분석기; SA = 스펙트럼 분석기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11: 측정된 기본 전송 게인의 지리적 위치. 드라이브 경로를 따라 기본 전송 게인을 측정했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 12: 기본 전송 게인을 측정하고 모델링합니다. 기본 전송 게인(파란색 x's), 비정기 지형 모델(ITM) 기본 전송 게인(BTG), 자유 공간 전송 게인(빨간 원), 시스템 노이즈 플로어(핑크 도트) 및 드라이브 경로를 따라 경과된 시간. 약어: MBTG = 측정된 기본 전송 게인; ITM = 불규칙한 지형 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 13: 지형 프로파일 및 첫 번째 프레넬 영역. 미국 지질 조사 지형 프로파일 (블랙 라인) 경과 시간 1636.2 s. 상부(첫 번째) 프레넬 존(파란색, 점선) 및 하부(첫 번째) 프레넬 존(파란색, 파선 선)도 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 시야선(빨간색, 파선)과 함께 플롯된다. 약어: USGS = 미국 지질 조사; NED = 국가 고도 데이터베이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
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.
Acknowledgments
이 문서에 제시 된 작업에 대한 자금 조달을위한 국방 스펙트럼 사무실 (DSO)에 감사드립니다.
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
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