نظام قياس قناة الانتشار الموجي المستمر - الاختبار والتحقق والقياسات
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
Representative Results
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.
Acknowledgements
شكرا لمكتب الطيف الدفاعي (DSO) لتمويل العمل المقدم في هذه المقالة.
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 |
References
- Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. . 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
- 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)
- 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).
- 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)
- Molisch, A. . Wireless communications. 2nd edition. , (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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)
- Johnk, R. T., et al. A mobile propagation measurement system. Proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC. , (2009).
- . 3.5 GHz Exclusion zone analysis and methodology. NTIA Technical Report 15-517 Available from: https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2805.aspx (2015)
- The national map. United States Geological Survey Available from: https://viewer.nationalmap.gov/basic (2017)
- Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Propagation by diffraction. Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).
- Yoza, N. P. Narrowband 5 GHz mobile channel characterization. Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , (2015).
