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Engineering

Sistema di misurazione del canale di propagazione ad onda continua - Test, verifica e misurazioni

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

Summary

Questo rapporto descrive la configurazione, la convalida e la verifica e i risultati delle misurazioni di propagazione utilizzando un sistema di misurazione a onde continue e radiofrequenza che suona il canale.

Abstract

I sonda di canale vengono utilizzati per misurare le caratteristiche dei canali per i sistemi radio. Esistono diversi tipi di ecoscandagli di canale utilizzati oggi: onda continua (CW), impulso diretto, dominio di frequenza utilizzando un analizzatore di rete vettoriale (VNA), basato sulla correlazione e cross-correlator di ritardo del tempo spazzato. Ognuno di questi ha vantaggi e svantaggi unici. I sistemi CW hanno una gamma dinamica più ampia rispetto ad altri sistemi con un segnale che può propagarsi ulteriormente nell’ambiente. Poiché le frequenze di campionamento audio consentono file di dimensioni inferiori rispetto ad altri sistemi, la raccolta dei dati può essere continua e durare per diverse ore. Questo articolo discute un sistema di ecoscandaglio a canale CW, che è stato utilizzato per effettuare numerose misurazioni della perdita di propagazione in varie città degli Stati Uniti d’America. Tali misurazioni di propagazione dovrebbero essere accurate, riproducibili e prive di artefatti o pregiudizi. Questo articolo mostra come impostare la misurazione, come convalidare e verificare che il sistema stia effettuando misurazioni affidabili e, infine, mostra i risultati di alcune delle campagne di misurazione come le misurazioni di ripetibilità, le misurazioni della perdita di disordine (in cui la perdita di disordine è definita come la perdita in eccesso dalla perdita di trasmissione dello spazio libero) e le misurazioni di reciprocità.

Introduction

L’Institute for Telecommunication Sciences (ITS) è il laboratorio di ricerca della National Telecommunications and Information Administration (NTIA), un’agenzia del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. ITS ha una lunga storia di conduzione di misurazioni di propagazione a radiofrequenza (RF) accurate e ben considerate. L’aumento della condivisione dello spettro è stato accompagnato dalla necessità di misurazioni accurate e riproducibili che forniscano una migliore comprensione dell’ambiente radio che più servizi dovranno condividere. Negli ultimi anni, i servizi militari hanno sviluppato accordi di condivisione dello spettro con operatori wireless commerciali nella banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. Ciò consentirà agli operatori wireless commerciali di utilizzare la banda AWS-3 prima di eliminare gradualmente i servizi militari dalla banda. L’uso della banda sarà coordinato sia da sistemi di isolamento geografico che da scenari di interferenza di frequenza. Per condividere questa banda di spettro, sono necessarie misure di propagazione per sviluppare e migliorare i modelli di propagazione per la valutazione delle interferenze RF tra i sistemi wireless militari e commerciali all’interno della banda.

La Defense Spectrum Organization (DSO) è responsabile della gestione della transizione AWS-3 e ha incaricato ITS e altri di eseguire una serie di misurazioni che sondano il canale. Queste misurazioni saranno utilizzate per costruire nuovi modelli per il calcolo dell’impatto del fogliame e delle strutture artificiali nell’ambiente (collettivamente noto come disordine). Una migliore modellazione della propagazione che tenga conto del disordine potrebbe portare a meno restrizioni sui trasmettitori commerciali nelle vicinanze dei sistemi militari. Il sistema CW-channel-sounder discusso in questo articolo è stato utilizzato negli ultimi cinque anni per raccogliere dati di misurazione della propagazione radio e calcolare l’attenuazione del disordine. Questo sistema di misurazione produce risultati accurati, ripetibili e imparziali e DSO ha incoraggiato ITS a condividere le sue conoscenze istituzionali, comprese le migliori pratiche di misurazione per la misurazione e l’elaborazione dei dati di propagazione RF, con la più ampia comunità tecnica.

Le migliori pratiche di misurazione richiedono la comprensione di un sistema dal livello del componente al livello del sistema assemblato. Queste migliori pratiche di misurazione sono state documentate nel Memorandum tecnico NTIA TM-19-5352 recentemente pubblicato che descrive una serie di migliori pratiche per la preparazione e la verifica dei sistemi di misurazione della propagazione radio. ITS ha recentemente completato un articolo JoVE sulla calibrazione di un VNA utilizzato per misurare le perdite di componenti e identificare i componenti danneggiati per questo sistema di misurazione3. Questo articolo è una continuazione nel documentare queste migliori pratiche di misurazione per la comunità più ampia. Sebbene le procedure consigliate siano discusse in questo articolo per un ecoscandaglio a canale CW, queste stesse tecniche possono essere utilizzate per verificare altri sistemi di ecoscandaglio di canale: sistemi VNA; Sistemi CW; sistemi basati su correlazioni a larghezza di banda completa; sistemi a impulsi diretti; e sistemi scorrevoli basati su correlatori4,5,6.

Questo articolo descrive in dettaglio come configurare un sistema di misurazione dell’ecoscandaglio a canale CW utilizzando un analizzatore di segnali vettoriali (VSA), un analizzatore di spettro (SA), due oscillatori di rubidio, un misuratore di potenza, un generatore di segnali vettoriali (VSG) e vari filtri e divisori di potenza per misurazioni in un ambiente di misurazione esterno7,8. Il lato trasmittente del sistema è costituito dal VSG, che genera un segnale CW potenziato da un amplificatore di potenza. Questo viene quindi diviso da una coppia direzionale per deviare parte del segnale verso il misuratore di potenza, che consente all’utente di monitorare l’uscita del sistema. Il resto del segnale viene inviato al lato ricevente del sistema tramite il canale di propagazione. Il lato ricevente è costituito da un filtro passa-basso per ridurre le interferenze e le armoniche prodotte dall’amplificatore di potenza. Il segnale filtrato viene suddiviso in un divisore di potenza e immesso nella SA per il monitoraggio durante la misurazione insieme a un timestamp e alla posizione GPS (Global Positioning System). L’altra metà del segnale viene inviata al VSA per essere convertita in dati di quadratura in fase (I-Q) nell’intervallo di 1-5 kHz. La frequenza di campionamento è determinata dallo strumento span9 ed è guidata dagli spostamenti previsti dello spettro Doppler, che sono una funzione della velocità del veicolo. La serie temporale risultante viene quindi trasferita a un computer per la post-elaborazione e l’analisi dei dati.

Gli orologi al rubidio vengono utilizzati sia dal trasmettitore che dal ricevitore per fornire misurazioni altamente accurate e frequenze altamente stabili. L’orologio al rubidio all’estremità ricevente ha una regolazione fine della frequenza per l’allineamento preciso delle frequenze di trasmissione e ricezione. In genere, le frequenze vengono regolate per essere entro 0,1 Hz l’una dall’altra per il test. Gli orologi al rubidio sono essenziali per le misurazioni di propagazione CW ad alta precisione. Garantiscono una precisione precisa della base temporale nel corso delle misurazioni e impediscono la deriva di frequenza del trasmettitore e del ricevitore. Questo articolo spiega anche come convalidare e verificare che un sistema stia effettuando misurazioni accurate in un ambiente di laboratorio, sia con che senza antenna, prima di effettuare misurazioni in un ambiente esterno. Il sistema è stato utilizzato per una vasta serie di test all’aperto e all’interno a frequenze che vanno da 430 MHz a 5,5 GHz e per molte diverse potenze di trasmissione7,8,10.

Protocol

NOTA: il sistema di ecoscandaglio del canale ITS è illustrato nella Figura 1 e nella Figura 2 e nella Figura 3 è illustrata una configurazione di valutazione da banco. Fare riferimento a queste figure durante la configurazione dell’ecoscandaglio a canale CW per garantire che tutti i componenti siano configurati correttamente. Nelle sezioni seguenti viene illustrato come verificare e convalidare un sistema prima di effettuare misurazioni. 1. Configurazione del sistema di misurazione NOTA: in questa sezione viene descritto come viene configurato un sistema per le misurazioni sul campo. In primo luogo, le perdite di sistema sia nel lato trasmittente che in quello ricevente del sistema devono essere contabilizzate e misurate separatamente prima che il sistema completo sia assemblato. Quindi, l’intero sistema viene assemblato e i singoli strumenti vengono configurati, calibrati e sincronizzati per prepararsi alla verifica e alla convalida in laboratorio. Misurare i parametri S, utilizzando un VNA2, per i singoli componenti del sistema prima di assemblare il sistema: cavi, attenuatori, splitter di potenza, accoppiatori direzionali e filtri passa-basso.NOTA: questo caratterizzerà le perdite e identificherà i cavi rotti o un dispositivo fuori specifica. Assemblare il cavo di tipo N all’uscita dell’amplificatore di potenza, dell’accoppiatore direzionale, del filtro passa-banda e del cavo di tipo N che verrà collegato all’antenna e utilizzare il VNA per misurare la catena dei componenti.NOTA: questa misurazione includerà riflessioni interne che non vengono visualizzate misurando singoli componenti con un VNA. Registrare il valore S21 , che sarà un numero negativo, e verrà utilizzato come perdite del sistema di trasmissione. Utilizzare questi valori per correggere il livello di segnale ricevuto descritto nella sezione dei risultati rappresentativi. Configurazione del sistema di trasmissione Collegare tutti i dispositivi a una fonte di alimentazione: un gruppo di continuità (UPS) o un set di prese protette da sovratensioni. Assicurarsi che tutti gli strumenti siano in uno stato di spegnimento durante il collegamento dei componenti. Assemblare l’apparecchiatura trasmittente (Figura 1). Collegare l’uscita a 10 MHz dell’oscillatore al rubidio alla porta Ref IN del VSG utilizzando un cavo Bayonet-Neill-Concelman (BNC). Collegare la porta RF OUT del VSG all’ingresso della porta IN dell’accoppiatore direzionale utilizzando un cavo di tipo N. Nessun amplificatore di potenza viene inserito fino al protocollo Step 3.2. Collegare la porta OUT dell’accoppiatore direzionale al filtro passa-banda appropriato della porta di ingresso (se necessario) utilizzando un connettore femmina-femmina di tipo N.NOTA: un filtro passa-banda viene utilizzato per ridurre al minimo le frequenze armoniche in altre bande. Assemblare il cavo di tipo N che verrà collegato all’antenna ricevente, al filtro, al cavo tra il filtro e lo splitter di alimentazione e al cavo di tipo N che verrà collegato al VSA; utilizzare il VNA per misurare questo sistema di componenti. Effettuare la stessa misurazione, ma attraverso gli stessi componenti collegati alla SA. Registrare i valori S21 , che verranno utilizzati come perdite del sistema ricevente sul lato VSA dello splitter di potenza e sul lato SA dello splitter di potenza. Utilizzare questi valori per correggere il livello di segnale ricevuto descritto nella sezione dei risultati rappresentativi. Configurazione del sistema ricevente Collegare tutti i dispositivi a una fonte di alimentazione: un UPS o un set di prese protette da sovratensioni. Assicurarsi che tutti gli strumenti siano in uno stato di spegnimento mentre si agganciano i componenti insieme. Assemblare l’apparecchiatura ricevente (Figura 2). Collegare un cavo di tipo N all’ingresso del filtro passa-banda. Collegare l’uscita del filtro passa-banda all’ingresso del divisore di potenza (porta 1). Collegare la porta 2 del divisore di potenza alla porta RF IN del VSA. Collegare la porta 3 del divisore di potenza alla porta RF IN sulla SA. Utilizzando un cavo BNC a banana plug, collegare l’Adj di frequenza dell’oscillatore al rubidio al DC OUT dell’alimentatore a corrente continua (DC). Collegare un’uscita a 10 MHz dell’oscillatore al rubidio alla porta Ext Ref In sul VSA utilizzando un cavo BNC. Collegare un’uscita a 10 MHz dell’oscillatore al rubidio alla porta Ext Trig/Ref In dell’analizzatore di spettro. Accendere il VSG e assicurarsi che sia impostato su RF OFF. Accendere il misuratore di potenza. Accendi tutti gli strumenti e lascia che gli strumenti si riscaldino per un’ora prima di effettuare qualsiasi misurazione. Configurare il VSA in modalità VSA 89601B. In modalità VSA, impostare la frequenza centrale sulla frequenza CW di interesse. Infine, selezionare il numero di punti presi tenendo presente la lunghezza desiderata della misurazione complessiva.NOTA: sebbene il sistema funzioni utilizzando un CW, lo span deve essere impostato per acquisire eventuali spostamenti Doppler e dissolvenze. La larghezza di banda della risoluzione determina il filtro utilizzato dal VSA per misurare la potenza mentre attraversa l’intervallo di frequenza, quindi la selezione di una larghezza di banda a bassa risoluzione consente una misurazione più precisa. Come compromesso, una larghezza di banda a risoluzione inferiore richiede un tempo maggiore per punto. Configurare il VSA con le seguenti impostazioni: selezionare la modalità VSA 89601B; frequenza centrale: Freq MHz (ad esempio, 1770 MHz); span: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3,81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-dipende da VSA; Rng: -42 dBm; valore della scala superiore del grafico superiore: -30 dBm. Assicurarsi che la SA sia controllata da un software di controllo degli strumenti che utilizza comandi standard programmabili per i comandi SCPI (Programmable Instruments), in modo che le sweep continue possano essere raccolte e salvate. Impostare la SA in modo che le frequenze di inizio e di arresto corrispondano alla frequenza centrale VSA. Poiché l’RBW determina in modo analogo la dimensione del filtro utilizzato dalla SA, impostare l’RBW sullo stesso valore dell’intervallo della misurazione VSA. Impostare la larghezza di banda video sullo stesso valore della larghezza di banda della risoluzione e sulla modalità di rilevamento da campionare per registrare dati non mediati. Lasciare spenta l’attenuazione, assicurandosi che l’SA non sia sovraccarico e mantenere il preamplificatore acceso. Configurare la SA con quanto segue per ogni sweep: StartFreq: stessa frequenza centrale della configurazione VSA (ad esempio, 1770 MHz); StopFreq: stessa frequenza centrale della configurazione VSA (ad esempio, 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; rivelatore: campione; tempo di sweep: 500 ms; pts/traccia: 461; preamplificatore ON; attenuazione: 0; attenuazione automatica: Spento. Nella SA, premere Invio per accedere ai menu. Abilitare Riferimento esterno premendo il pulsante Maiusc e selezionando il pulsante Sistema sull’analizzatore di spettro. Quindi, seleziona Altre | Impostazioni porta | | di ingresso ext Rif usando i softkey vicino allo schermo. Configurare il VSG selezionando un output CW. Impostare la frequenza su 1770 MHz. Seguire la procedura di cui al punto 4.22 per determinare l’intervallo lineare dell’amplificatore di potenza. Impostare l’ampiezza dell’uscita VSG su -4 dBm, il limite superiore sulla gamma lineare dell’amplificatore di potenza. Calibrare il misuratore di potenza. Collegare la testa del misuratore di potenza alla porta di riferimento (canale A o B) e l’altra estremità del misuratore di potenza a una porta di misurazione. Impostare la frequenza del misuratore di potenza su 1770 MHz per la porta di riferimento utilizzata sopra. Zero e calibrare il misuratore di potenza. Assicurarsi che la lettura del misuratore di potenza rimanga entro 0,2 dB da 0 dBm. Scollegare la testa del misuratore di potenza dalla porta di riferimento e collegare la testa del misuratore di potenza all’uscita dell’attenuatore mostrato nella Figura 1. Calibrare il VSA: utilità | | di calibrazione Calibrazione. AttivaRE RF il VSG.NOTA: assicurarsi che sull’analizzatore di spettro sia presente un segnale. Se il livello del segnale scende a -120 dBm, il riferimento esterno non è attivo. Se il segnale è troppo forte, sovraccaricherà il sistema ricevente e danneggerà il VSA o l’SA. Prestare attenzione ai livelli massimi del segnale di ingresso (di solito visualizzati sulla parte anteriore dello strumento) e rimanere almeno 10 dB al di sotto di questo livello. Sincronizzare gli oscillatori al rubidio impostando la tensione, ma non superare la tensione di ingresso massima consentita sulla porta di sincronizzazione del rubidio. Modificare TimeLen nel grafico superiore sullo schermo VSA a 100 ms. Impostate l’asse y sul plottaggio inferiore su I-Q. Premere Corrente/Tensione sul pannello frontale dell’alimentatore. Cambia la tensione un po ‘alla volta e guarda il punto sullo schermo VSA: se ruota avanti e indietro, non fare nulla, le frequenze sono allineate. Se ruota in una direzione in modo coerente, modificare la lettura del misuratore di potenza (tensione) fino a quando il punto sul grafico I-Q inizia a rallentare e si muove lentamente avanti e indietro (movimento del pendolo) (Figura 4). Impostare TimeLen sul grafico superiore dello schermo VSA su 1 s e impostare nuovamente l’asse y su Magnitudo registro. Acquisire 10 record di acquisizione sulla SA per verificare che tutti i parametri siano stati impostati correttamente e che il livello del segnale sullo schermo SA corrisponda al livello del segnale sullo schermo inferiore VSA. 2. Verifica e validazione in laboratorio Senza collegare antenne, inserire un attenuatore variabile tra il lato trasmittente del sistema e il lato ricevente del sistema (Figura 5). Rimuovere l’amplificatore di potenza dalla configurazione di misurazione per questa verifica. Impostare l’attenuazione graduale dell’attenuatore su 0 dB e il numero di record sull’ingresso VSA > registrazione su 120.Nota : un record è uguale al TimeLen impostato sul VSA. Impostare il numero di sweep sulla SA su 120 record. Modificare l’ampiezza di uscita del VSG a 0 dBm e premere il pulsante RF ON sul VSG. Impostare un indicatore di picco per trovare il valore della potenza del segnale e verificare che un segnale sia visualizzato sul VSA. Avvia il VSA premendo il pulsante Registra nella parte superiore dello schermo. Avviare una misurazione SA utilizzando il software di controllo dello strumento. Modificare l’attenuatore a gradini a 10 dB e ripetere i passaggi da 4 a 10. Passare attraverso tutte le impostazioni dell’attenuatore a gradini e registrare i valori per ogni impostazione di attenuazione.NOTA: quando l’attenuatore si avvicina a 90-110 dB, il segnale diventerà più rumoroso man mano che si avvicina al livello di rumore del sistema dello strumento. I valori di misurazione vicino al livello di rumore del sistema saranno molto variabili. Per verificare i livelli del segnale ricevuto VSA, calcolare una media finestrata di 0,5 s per il record VSA di 120 s e una media di ogni sweep della SA. Aggiungere il livello di potenza di uscita VSG, le perdite del sistema lato trasmittente e lato ricezione e l’impostazione dell’attenuatore a gradini.NOTA: il valore della somma di cui sopra nel passaggio 2.6 deve essere uguale ai livelli medi di segnale ricevuto registrati dal VSA e dal SA entro 0,5 dB, per attenuazioni a gradini inferiori a 80 dB. Se non lo fanno, torna indietro e rimisura le perdite del sistema. 3. Misurazioni sul campo NOTA: testare e verificare sempre il sistema prima di ogni campagna di misurazione. Completare i passaggi 1.1-1.3 prima di ogni nuova campagna di misurazione e impostare il lato trasmittente del sistema, come discusso nella sezione 1.4.NOTA: questo è in genere alloggiato in un cellulare su ruote (COW), che rimane fisso durante le misurazioni. Collegare l’amplificatore di potenza tra il VSG e l’accoppiatore direzionale, come descritto al punto 1.4.2.1. Utilizzare un accoppiatore direzionale in grado di gestire i livelli di potenza generati dall’amplificatore di potenza. Aggiungere un attenuatore da 50 dB all’accoppiatore direzionale sulla porta accoppiata per rimanere entro i livelli di potenza in ingresso specificati del misuratore di potenza e collegare il misuratore di potenza a questa porta. Collegare il cavo di uscita di tipo N dall’accoppiatore direzionale all’antenna trasmittente. Impostare il lato ricevente del sistema, come discusso nei passaggi 1.5-1.6, all’interno di un veicolo mobile. Collegare l’antenna ricevente al cavo di tipo N collegato al filtro. Oltre ai passaggi di configurazione SA 1.11.3-1.11.4, l’antenna GPS deve essere configurata nella SA. Abilita il record GPS: Impostazioni Meas | Abilita registrazione GPS | GPS standard. Abilitare il GPS sull’analizzatore di spettro tenendo premuto il pulsante Maiusc e selezionando il pulsante Sistema sull’analizzatore di spettro. Quindi, seleziona Altro | | GPS GPS-ON & GPS Info-ON utilizzando i softkey vicino allo schermo. Posizionare l’antenna GPS sul tetto del veicolo di misurazione del ricevitore. Assicurarsi che il software di misurazione legga anche le stringhe NMEA dal GPS per ogni sweep. Continuare l’installazione come descritto nei passaggi 1.11-1.17 e impostare il numero di record nell’input VSA | Registrazione basata sul tempo di misurazione stimato. Impostare il numero di record SA sul numero di record VSA più circa 300 record, osservando che la SA esegue lo sweep più lentamente della VSA. Inizia la misurazione avviando prima il VSA premendo il pulsante Registra nella parte superiore dello schermo. Avviare la misurazione dell’analizzatore di spettro. Dopo la misurazione, salvare il file di registrazione VSA | Salva | Salva registrazione. Salva opzioni | Salva intestazioni con dati. Quando si salva il file, aggiungere un _VSA alla fine del file. Modificare il nome del file di dati per l’analizzatore di spettro in modo che corrisponda al nome del file del VSA, ma aggiungere _SA per l’analizzatore di spettro.

Representative Results

I seguenti risultati sono stati ottenuti durante una verifica sul campo del sistema presentato. Il trasmettitore si trovava sulla Kohler Mesa dietro il Dipartimento del Commercio Boulder Laboratories a Boulder, in Colorado. Il ricevitore è stato guidato attraverso Boulder, Colorado, in un veicolo di misurazione appositamente progettato (vedi Figura 6) e sono state effettuate misurazioni continue. La SA memorizza i dati spazzati in formato di magnitudo del registro in una struttura di dati dell’evento, mentre i dati GPS sono memorizzati in una struttura di dati dell’evento separata all’interno dello stesso file. Un esempio di dati per una sweep è illustrato nella Figura 7. I dati memorizzati vengono convertiti in potenza lineare in Watt; una media viene calcolata per tutti i punti in quella sweep e quindi riconvertita in magnitudo di registro. Le informazioni GPS sono assegnate a questo valore medio per la sweep mostrata dalla X rossa con un valore di -71,5 dBm. Questo processo viene eseguito per ogni sweep nel file. Successivamente, i dati I-Q in banda base del VSA vengono elaborati come mostrato nell’equazione 1. La potenza in dBm viene calcolata per ogni campione I-Q. Il VSA raccoglie i dati di picco, che devono essere convertiti in dBm, durante questo passaggio. (1) Durante la misurazione, i dati I-Q in banda base vengono memorizzati in un file temporaneo. Nessuna informazione GPS viene acquisita dal VSA. La lunghezza del file viene scelta in modo tale che il numero di record richiesti sia uguale al numero di secondi di tempo di unità. Una volta terminata la misurazione, i dati vengono scritti in un file la cui struttura è preprogrammata dagli sviluppatori di software VSA. I dati salvati in questo file includono la differenza di tempo tra i campioni di misurazione, la frequenza e i campioni di dati complessi. La fase di elaborazione prevede l’attenuazione della grandezza dei dati I-Q in banda base su una finestra di 500 ms per l’intero set di dati per approssimare una distanza di guida di 40 lunghezze d’onda. La Figura 8 mostra come la potenza media levigata si confronta con i dati grezzi per una porzione più ampia di un drive test. I dati grezzi sono mostrati dalla traccia blu e la potenza media levigata è mostrata dalla traccia rossa. I set di dati VSA e SA sono allineati utilizzando una convoluzione circolare. Il punto dati VSA ad ogni secondo è allineato con i campioni SA generati ad ogni secondo per trasferire le coordinate GPS dalla SA ai punti dati VSA. Un modello di regressione lineare allinea i dati riducendo al minimo i residui tra i livelli di potenza misurati dei due set di dati. I dati allineati vengono presentati tracciando la potenza SA in dBm sull’asse x e la potenza VSA in dBm sull’asse y (Figura 9). Poiché il livello di rumore del sistema SA è superiore al livello di rumore del sistema VSA, il grafico mostrerà una curvatura verso il basso in punti inferiori a circa -115 dBm per i set di dati vicini al livello di rumore. La Figura 9 e la Figura 10 mostrano l’allineamento della potenza VSA e della potenza SA rispetto al tempo trascorso in secondi. Il timestamp GPS della potenza media SA viene quindi collegato al primo punto dati della serie di dati di potenza mediamente lisciata VSA. L’offset verticale tra i due set di dati viene eliminato correggendo la perdita di cavo dal divisore di potenza al SA; tuttavia, poiché vengono utilizzati solo i dati VSA con data e ora, questo passaggio aggiuntivo non è necessario. Questi dati vengono quindi salvati e utilizzati nel Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 per prevedere le perdite di terreno. I dati VSA vengono corretti aggiungendo perdite di sistema e rimuovendo i guadagni di sistema per ottenere la perdita di trasmissione di base misurata (BTL) o il guadagno di trasmissione di base (BTG) lungo il percorso di azionamento, come mostrato in Figura 11 e Figura 12 e dato dall’equazione 2. (2) dove BTL è la perdita di trasmissione di base, Pt e Pr sono le potenze trasmittenti e riceventi in dBm, Gt e Gr sono i guadagni delle antenne trasmittenti e riceventi in dBi, rispettivamente, e Lt e Lr sono le perdite di sistema per il sistema trasmittente e il sistema ricevente in dB, rispettivamente. Nella Figura 11, la stella viola è la posizione di trasmissione. I punti gialli e viola rappresentano rispettivamente i livelli di segnale ricevuti più alti e più bassi. Un grafico del BTG misurato (x nere), del BTG modellato ITM (blu +), del guadagno di trasmissione dello spazio libero (FSTG) (cerchi rossi) e del livello di rumore del sistema (punti rosa) è mostrato nella Figura 12. Quando l’ITM BTG è uguale al FSTG, non ci sono interazioni con il terreno e tutte le perdite (differenza tra FSTG e MBTG) possono essere assunte come provenienti da edifici, fogliame o altre interazioni con l’ambiente circostante. Questo è mostrato nella Figura 13, dove la linea nera è il terreno estratto dal database del terreno USGS13, la linea rossa tratteggiata è la linea di vista (LOS) tra l’antenna trasmittente e l’antenna ricevente, e le linee blu, tratteggiate e tratteggiate sono le prime zone di Fresnel superiore e inferiore14 dove la maggior parte dell’energia è localizzata. Figura 1: Diagramma dei componenti e delle connessioni di trasmissione. Lato di trasmissione dell’ecoscandaglio a onda continua (CW). Abbreviazioni: RF = radiofrequenza; Ref = riferimento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Diagramma dei componenti riceventi e delle connessioni. Lato ricevente dell’ecoscandaglio del canale a onda continua (CW). Abbreviazioni: GPS = Global Positioning System; RF = radiofrequenza; Ext Ref = riferimento esterno; GPS Ant = antenna GPS; Ext Trig/Ref = Trigger/Reference esterno; TCP/IP = protocollo di controllo della trasmissione/protocollo internet; Freq Adj = Frequenza regolata; DC = corrente continua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Sistema audioer a canale CW in laboratorio. Una distribuzione da banco dell’ecoscandaglio del canale dell’Institute for Telecommunication Sciences (ITS) per la convalida del sistema e i test di accuratezza che mostrano i componenti principali. Abbreviazioni: VSA = analizzatore di segnali vettoriali; VSG = generatore di segnali vettoriali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Display I-Q. Regolazione della frequenza utilizzando grafici in fase e quadratura (I-Q). Abbreviazioni: CW = onda continua; TimeLen = lunghezza del tempo; Asse I = asse in fase; Asse Q = asse di quadratura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: Configurazione del sistema di verifica e convalida. Configurazione del sistema per le misurazioni di verifica e convalida. Abbreviazioni: I-Q = quadratura in fase; RF = radiofrequenza; Ref = riferimento; GPS = Sistema di posizionamento globale; Ext Trig/Ref = trigger/riferimento esterno; TCP/IP = protocollo di controllo della trasmissione/protocollo internet; Freq Adj = frequenza regolata; DC = corrente continua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6: Cellular-on-wheels (COW) e furgone di misurazione. Foto che mostra il furgone verde utilizzato per il sistema di ricezione e il cellulare su ruote (COW) utilizzato per ospitare il sistema di trasmissione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 7: Sweep dell’analizzatore di spettro e media di sweep. Sweep singolo per l’acquisizione dei dati dell’analizzatore di spettro costituito da 461 punti in un tempo di sweep di 0,5 s. Abbreviazione: SA = analizzatore di spettro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 8: L’analizzatore di segnali vettoriali ha ricevuto potenza e media mobile. Dati di magnitudo in fase e quadratura (I-Q) (traccia blu) per una piccola fetta di una corsa più grande rispetto alla potenza media (traccia rossa) calcolata su una finestra di 0,5 s. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 9: Allineamento del segnale VSA e SA. Allineamento della potenza dell’analizzatore di segnali vettoriali e della potenza dell’analizzatore di spettro. Abbreviazioni: VSA = analizzatore di segnali vettoriali; SA = analizzatore di spettro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 10: VSA e SA hanno ricevuto energia dopo l’allineamento del segnale. Potenza dell’analizzatore di segnali vettoriali allineato e potenza dell’analizzatore di spettro rispetto al tempo trascorso in secondi. Abbreviazioni: VSA = analizzatore di segnali vettoriali; SA = analizzatore di spettro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 11: Geolocalizzazione del guadagno di trasmissione di base misurato. Guadagno di trasmissione di base misurato lungo il percorso di guida. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 12: Guadagno di trasmissione di base misurato e modellato. Guadagno di trasmissione di base misurato (x blu), modello ITM (Irregular-Terrain Model), guadagno di trasmissione di base (BTG) (nero +), guadagno di trasmissione dello spazio libero (cerchi rossi) e livello di rumore del sistema (punti rosa) rispetto al tempo trascorso lungo il percorso di guida. Abbreviazioni: MBTG = Guadagno di trasmissione di base misurato; ITM = Modello a terreno irregolare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 13: Profilo del terreno e prima zona di Fresnel. Profilo del terreno dello United States Geological Survey (linea nera) per il tempo trascorso 1636,2 s. Anche la zona di Fresnel superiore (prima) (linea tratteggiata blu) e la zona di Fresnel inferiore (blu, linea tratteggiata) sono tracciate insieme alla linea di vista (linea rossa e tratteggiata) tra l’antenna trasmittente e l’antenna ricevente. Abbreviazioni: USGS = United States Geological Survey; NED = banca dati nazionale di elevazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

È molto importante testare un sistema come descritto in questo protocollo prima di tentare di effettuare misurazioni in un ambiente esterno. In questo modo, eventuali componenti difettosi o instabilità possono essere rintracciati e identificati nel sistema di misurazione e possono essere risolti. I passaggi critici in questo protocollo sono 1) testare prima i singoli componenti e verificare che funzionino all’interno delle loro specifiche, 2) assemblare separatamente i lati di trasmissione e ricezione e testare la catena di componenti, 3) assemblare il lato di trasmissione e ricezione inserendo un attenuatore a gradini e misurando i livelli del segnale man mano che l’attenuazione viene modificata per assicurarsi che i livelli di segnale ricevuti in VSA e SA siano calcolati. Un’ulteriore risoluzione dei problemi può essere eseguita utilizzando un VSG, come quello mostrato nella Tabella dei materiali, che ha un’opzione per generare simulazioni di dissolvenza, che possono essere utilizzate per testare il sistema utilizzando forme d’onda simulate in vari ambienti di dissolvenza incontrati in ambienti di propagazione del mondo reale. Una volta che il sistema di misurazione funziona correttamente, le misurazioni possono essere effettuate in un ambiente esterno con la certezza che le misurazioni saranno accurate.

Un altro passo importante è monitorare la potenza di trasmissione durante tutta la misurazione per verificare che il sistema funzioni correttamente. L’amplificatore di potenza è caratterizzato e testato separatamente per comprenderne la linearità e gli spettri di emissioni fuori banda. L’amplificatore di potenza può essere convalidato sul banco con il resto della configurazione, ma è necessario prestare attenzione a ridurre la potenza del segnale al di sotto della potenza nominale massima in ingresso al VSA utilizzando attenuatori opportunamente nominali. Né l’antenna GPS né le sue impostazioni devono essere utilizzate per la verifica e la convalida in laboratorio. Poiché lo schermo del VSA non è in grado di fornire il monitoraggio in tempo reale dell’ambiente, l’aggiunta di una SA come monitor in tempo reale aiuta a determinare lo stato corrente del sistema. Esistono diversi tipi di sistemi di misurazione del suono del canale per acquisire le caratteristiche del canale per i sistemi radio: CW, impulso diretto, dominio della frequenza utilizzando un VNA, correlatore incrociato basato sulla correlazione, ritardo del tempo spazzato.

Una limitazione di questo sistema è che un segnale CW che sonda l’ambiente locale non contiene informazioni sul dominio del tempo come i profili di ritardo temporale. Un profilo di ritardo temporale fornisce informazioni sulla tempistica delle riflessioni sorgente del segnale nell’ambiente locale. Tuttavia, un vantaggio dell’utilizzo di un segnale CW è che è più facile ottenere il permesso di trasmettere su una frequenza in varie bande utilizzando il segnale CW a banda stretta piuttosto che cercare di trasmettere un segnale a banda larga. I sistemi CW possono avere una gamma dinamica più ampia rispetto ad altri sistemi e il segnale di solito può propagarsi ulteriormente nell’ambiente. Un segnale CW ha anche frequenze di campionamento audio che si traducono in file di dimensioni inferiori rispetto ad altri tipi di sistemi di suono del canale. Con questo sistema, le raccolte di dati sono continue e possono durare per diverse ore. Il sistema di misurazione dell’ecoscandaglio a canale CW discusso in questo articolo può essere utilizzato a frequenze diverse, a seconda della gamma dei vari componenti assemblati. Il sistema può essere utilizzato in un ambiente di propagazione esterno o in un ambiente di propagazione interno15.

Acknowledgements

Grazie al Defense Spectrum Office (DSO) per aver finanziato il lavoro presentato in questo articolo.

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).
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  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)
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  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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