מערכת מדידה להפצת גלים רציפים - בדיקה, אימות ומדידות
Summary
דוח זה מתאר את ההתקנה, האימות והאימות, ונובע ממדידות התפשטות באמצעות מערכת מדידה של ערוץ גל רציף, שנשמעת בתדר רדיו.
Abstract
צלילי ערוץ משמשים למדידת מאפייני ערוץ עבור מערכות רדיו. ישנם מספר סוגים של צלילי ערוץ המשמשים כיום: גל רציף (CW), דופק ישיר, תחום תדירות באמצעות מנתח רשת וקטורית (VNA), מבוסס מתאם, ומתאם צולב של עיכוב זמן נסחף. לכל אחד מהם יתרונות וחסרונות ייחודיים. למערכות CW יש טווח דינמי גדול יותר ממערכות אחרות עם אות שיכול להתפשט עוד יותר לתוך הסביבה. מכיוון שקצב דגימת השמע מאפשר גדלי קבצים קטנים יותר ממערכות אחרות, איסוף הנתונים יכול להיות רציף ונמשך מספר שעות. מאמר זה דן במערכת סאונד של ערוץ CW, אשר שימשה לביצוע מדידות אובדן התפשטות רבות בערים שונות בארצות הברית של אמריקה. מדידות התפשטות כאלה צריכות להיות מדויקות, ניתנות לשחזור וללא חפצים או הטיות. מאמר זה מראה כיצד להגדיר את המדידה, כיצד לאמת ולוודא שהמערכת מבצעת מדידות אמינות, ולבסוף, הוא מציג תוצאות מכמה ממסעות המדידה כגון מדידות החזרה, מדידות אובדן עומס (כאשר אובדן העומס מוגדר כהפסד העודף מאובדן שידור בחלל פנוי) ומדידות הדדיות.
Introduction
המכון למדעי הטלקומוניקציה (באנגלית: Institute for Telecommunication Sciences) היא מעבדת המחקר של מינהל הטלקומוניקציה והמידע הלאומי (NTIA), סוכנות של משרד המסחר האמריקאי. IT יש היסטוריה ארוכה של ביצוע מדויק, נחשב היטב תדר רדיו (RF) מדידות הפצה. הגידול בשיתוף הספקטרום לווה בצורך במדידות מדויקות הניתנות לשחזור המספקות הבנה טובה יותר של סביבת הרדיו ששירותים מרובים יצטרכו לשתף. בשנים האחרונות, השירותים הצבאיים מפתחים הסדרי שיתוף ספקטרום עם ספקים סלולריים מסחריים ברצועת השירותים האלחוטיים המתקדמים (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. זה יאפשר לספקים אלחוטיים מסחריים להשתמש בלהקה AWS-3 לפני phasing שירותים צבאיים מחוץ ללהקה. השימוש ברצועה יהיה מתואם הן על ידי מערכות בידוד גיאוגרפית והן על ידי מידול תרחישי הפרעה תדירות. כדי לחלוק רצועה זו של ספקטרום, מדידות התפשטות נחוצות כדי לפתח ולשפר מודלים להפצה להערכת הפרעות RF בין המערכות האלחוטיות הצבאיות והמסחריות בתוך הלהקה.
ארגון ספקטרום ההגנה (DSO) אחראי על ניהול המעבר של AWS-3 והטיל על IT ואחרים לבצע סדרה של מדידות שנשמעות בערוץ. מדידות אלה ישמשו לבניית מודלים חדשים לחישוב ההשפעה של עלווה ומבנים מעשה ידי אדם בסביבה (הידועים בשם בלגן). מודלים משופרים של התפשטות המביאים בחשבון את העומס עלולים להוביל לפחות הגבלות על משדרים מסחריים בקרבת מערכות צבאיות. מערכת CW-ערוץ-sounder הנדון במאמר זה שימשה בחמש השנים האחרונות כדי לאסוף נתוני מדידת הפצת רדיו ולחשב את ההחלשה של העומס. מערכת מדידה זו מפיקה תוצאות מדויקות, חוזרות ונשנות ובלתי משוחדות, ו- DSO עודדה את ITS לשתף את הידע המוסדי שלה – כולל שיטות המדידה הטובות ביותר למדידה ועיבוד של נתוני הפצת RF – עם הקהילה הטכנית הרחבה יותר.
שיטות המדידה הטובות ביותר דורשות הבנת מערכת מרמת הרכיב לרמת המערכת המורכבת. שיטות מדידה מומלצות אלה תועדו במזכר הטכני של NTIA TM-19-5352 שפורסם לאחרונה המתאר סדרה של שיטות עבודה מומלצות להכנה ואימות של מערכות מדידת הפצת רדיו. ITS השלים לאחרונה מאמר JoVE על כיול VNA המשמש למדידת הפסדי רכיבים ולזיהוי רכיבים פגומים עבור מערכת מדידה זו3. מאמר זה הוא המשך לתיעוד שיטות מדידה מומלצות אלה עבור הקהילה הרחבה יותר. למרות ששיטות עבודה מומלצות נדונות במאמר זה עבור סאונד של ערוץ CW, ניתן להשתמש באותן טכניקות כדי לאמת מערכות צלילי ערוץ אחרות: מערכות VNA; מערכות CW; מערכות מבוססות קורלציה ברוחב פס מלא; מערכות דופק ישירות; ומערכות מבוססות מתאם הזזה4,5,6.
מאמר זה מתאר בפירוט כיצד להגדיר מערכת מדידת סאונד ערוץ CW באמצעות מנתח אותות וקטורית (VSA), מנתח ספקטרום (SA), שני מתנדים רובידיום, מד כוח, מחולל אותות וקטוריים (VSG), ומסננים שונים מחיצות כוח למדידות בסביבת מדידה חיצונית7,8. הצד המשדר של המערכת מורכב VSG, אשר מייצר אות CW כי הוא מוגבר על ידי מגבר כוח. לאחר מכן זה מפוצל על ידי זוג כיווני כדי להסיט חלק מהאות למד הכוח, המאפשר למשתמש לפקח על פלט המערכת. שאר האות נשלח לצד המקבל של המערכת באמצעות ערוץ ההפצה. הצד המקבל מורכב ממסנן בעל מעבר נמוך כדי להפחית הפרעות והרמוניות המיוצרות על ידי מגבר הכוח. האות המסונן מפוצל במפריד כוח ומוזן ל- SA לניטור במהלך המדידה יחד עם חותמת זמן ומיקום מערכת מיקום גלובלית (GPS). החצי השני של האות נשלח ל- VSA כדי להיות downconverted לתוך נתוני quadrature בשלב (I-Q) בטווח של 1-5 kHz. קצב הדגימה נקבע על ידי טווח המכשיר9 ומונחה על ידי משמרות ספקטרום דופלר הצפויות, שהן פונקציה של מהירות הרכב. סידרת הזמן המתקבלת מועברת לאחר מכן למחשב לצורך עיבוד וניתוח נתונים.
שעוני רובידיום משמשים הן במשדר והן במקלט כדי לספק מדידות מדויקות ביותר ותדרים יציבים מאוד. שעון הרובידיום בקצה המקבל יש התאמת תדירות עדינה ליישור המדויק של תדרי השידור והקבלה. בדרך כלל, התדרים מותאמים להיות בטווח של 0.1 הרץ זה מזה לבדיקה. שעוני רובידיום חיוניים למדידות התפשטות CW ברמת דיוק גבוהה. הם מבטיחים דיוק מדויק של בסיס הזמן במהלך המדידות ומונעים נדידת תדרים של המשדר והמקלט. מאמר זה מפרט גם כיצד לאמת ולוודא שמערכת מבצעת מדידות מדויקות בסביבת מעבדה, הן עם אנטנה והן בלעדיה, לפני ביצוע מדידות בסביבה חיצונית. המערכת שימשה לסדרה נרחבת של בדיקות חיצוניות ופנימיות בתדרים הנעים בין 430 מגה-הרץ ל-5.5 ג’יגה-הרץ ולכוחות שידור רבים ושונים7,8,10.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשוב מאוד לבדוק מערכת כמתואר בפרוטוקול זה לפני ניסיון לבצע מדידות בסביבה חיצונית. בדרך זו, ניתן לעקוב ולזהות רכיבים או אי-יציבות פגומים במערכת המדידה ולפתור אותם. השלבים הקריטיים בפרוטוקול זה הם 1) בדוק תחילה את הרכיבים הבודדים, וודא שהם פועלים בתוך המפרט שלהם, 2) להרכיב צדדי שידור וקבלה בנפרד ולבדוק את שרשרת הרכיבים, 3) להרכיב את הצד המשדר והמקבל על ידי החדרת מנחת מדורג ומדידת רמות האות כאשר ההנחתה משתנה כדי לוודא שרמות האות שהתקבלו ב- VSA וב- SA מחושבות כמחשבות. פתרון בעיות נוסף יכול להתבצע באמצעות VSG, כגון זה המוצג בטבלת החומרים, שיש לו אפשרות ליצור סימולציות דהייה, אשר ניתן להשתמש בהן כדי לבדוק את המערכת באמצעות צורות גל מדומות בסביבות דהייה שונות נתקל בסביבות התפשטות בעולם האמיתי. ברגע שמערכת המדידה פועלת כראוי, ניתן לבצע מדידות בסביבה חיצונית מתוך ביטחון שהמדידות יהיו מדויקות.
צעד חשוב נוסף הוא לפקח על הכוח המשדר לאורך המדידה כדי לוודא שהמערכת פועלת כראוי. מגבר הכוח מאופיין ונבדק בנפרד כדי להבין את הליניאריות שלו ואת ספקטרום הפליטה מחוץ לפס. מגבר הכוח עשוי להיות מאומת על הספסל עם שאר ההתקנה, אך יש להקפיד להפחית את עוצמת האות מתחת לקלט הכוח המדורג המרבי ל- VSA באמצעות מנחתים בעלי דירוג הולם. אין להשתמש באנטנת ה- GPS ולא בהגדרותיה לצורך אימות ואימות מעבדה. מכיוון שמסך ה- VSA אינו מסוגל לספק ניטור בזמן אמת של הסביבה, הוספת שיוך אבטחה כצג בזמן אמת מסייעת לקבוע את המצב הנוכחי של המערכת. ישנם מספר סוגים של מערכות מדידה שנשמעות ערוצים כדי ללכוד מאפייני ערוץ עבור מערכות רדיו: CW, פעימה ישירה, תחום תדר באמצעות VNA, מבוסס מתאם, מתאם חוצה עיכוב זמן נסחף.
מגבלה אחת של מערכת זו היא שאות CW הבוחן את הסביבה המקומית אינו מכיל מידע אודות תחום זמן כגון פרופילי השהיית זמן. פרופיל השהיית זמן מספק מידע על התזמון של השתקפויות המקור של האות בסביבה המקומית. עם זאת, יתרון של שימוש באות CW הוא שקל יותר לקבל הרשאה לשדר בתדר אחד ברצועות שונות באמצעות אות CW פס צר במקום לנסות לשדר אות פס רחב. מערכות CW יכולות להיות בעלות טווח דינמי גדול יותר ממערכות אחרות, והאות יכול בדרך כלל להתפשט עוד יותר בסביבה. אות CW כולל גם קצבי דגימת שמע המביאים לגדלי קבצים קטנים יותר מאשר סוגים אחרים של מערכות צלילי ערוצים. עם מערכת זו, אוספי נתונים הם רציפים ויכולים להימשך מספר שעות. ניתן להשתמש במערכת מדידת הקול של ערוץ CW הנדונה במאמר זה בתדרים שונים, בהתאם לטווח הרכיבים המורכבים השונים. ניתן להשתמש במערכת בסביבת התפשטות חיצונית או בסביבת התפשטות פנימית15.
Acknowledgements
תודה למשרד ספקטרום הביטחון (DSO) על מימון העבודה המוצגת במאמר זה.
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).
