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Sistema de medição de som de canais de propagação contínua - Testes, verificação e medições

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

Summary

Este relatório descreve a configuração, validação e verificação e resulta de medições de propagação usando um sistema de medição de ondas contínuas, de rádio, de som de canais de radiofrequência.

Abstract

As sondas do canal são usadas para medir características do canal para sistemas de rádio. Existem vários tipos de sondas de canal usadas hoje: onda contínua (CW), pulso direto, domínio de frequência usando um analisador de rede vetorial (VNA), baseado em correlação e correlator de tempo varrido. Cada uma delas tem vantagens e desvantagens únicas. Os sistemas CW têm um alcance dinâmico maior do que outros sistemas com um sinal que pode se propagar ainda mais no ambiente. Como as taxas de amostragem de áudio permitem tamanhos de arquivos menores do que outros sistemas, a coleta de dados pode ser contínua e durar várias horas. Este artigo discute um sistema de sondas do canal CW, que tem sido usado para fazer numerosas medições de perda de propagação em várias cidades dos Estados Unidos da América. Tais medidas de propagação devem ser precisas, reprodutíveis e livres de artefatos ou vieses. Este artigo mostra como configurar a medição, como validar e verificar se o sistema está fazendo medições confiáveis e, finalmente, mostra resultados de algumas das campanhas de medição, como medições de repetibilidade, medidas de perda de desordem (onde a perda de desordem é definida como a perda excessiva da perda de transmissão de espaço livre) e medidas de reciprocidade.

Introduction

O Institute for Telecommunication Sciences (ITS) é o laboratório de pesquisa da National Telecommunications and Information Administration (NTIA), uma agência do Departamento de Comércio dos EUA. A ITS tem uma longa história de realização de medições precisas e bem conceituadas de propagação de radiofrequência (RF). O aumento do compartilhamento de espectro tem sido acompanhado pela necessidade de medições precisas e reprodutíveis que proporcionem uma melhor compreensão do ambiente de rádio que vários serviços terão que compartilhar. Nos últimos anos, os serviços militares vêm desenvolvendo acordos de compartilhamento de espectro com operadoras sem fio comerciais na banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. Isso permitirá que as operadoras sem fio comerciais usem a banda AWS-3 antes de retirar os serviços militares da banda. O uso da banda será coordenado por sistemas isoladores geograficamente e modelando cenários de interferência de frequência. Para compartilhar essa faixa de espectro, as medições de propagação são necessárias para desenvolver e melhorar os modelos de propagação para a avaliação da interferência de RF entre os sistemas militares e comerciais sem fio dentro da banda.

A Defense Spectrum Organization (DSO) é responsável pelo gerenciamento da transição AWS-3 e encarregou a ITS e outras com a realização de uma série de medições de som de canais. Essas medidas serão utilizadas para a construção de novos modelos para o cálculo do impacto das folhagens e das estruturas artificiais no ambiente (coletivamente conhecida como desordem). Uma modelagem de propagação melhorada que explica a desordem poderia levar a menos restrições aos transmissores comerciais nas proximidades de sistemas militares. O sistema cw-channel-sounder discutido neste artigo tem sido usado nos últimos cinco anos para coletar dados de medição de propagação de rádio e calcular a atenuação da desordem. Este sistema de medição produz resultados precisos, repetitivos e imparciales, e o DSO encorajou a ITS a compartilhar seu conhecimento institucional – incluindo as melhores práticas de medição para a medição e processamento de dados de propagação de RF com a comunidade técnica mais ampla.

As melhores práticas de medição exigem a compreensão de um sistema do nível do componente para o nível do sistema montado. Essas melhores práticas de medição foram documentadas no memorando técnico TM-19-5352 recentemente publicado que descreve um conjunto de melhores práticas para a preparação e verificação de sistemas de medição de radioapropriação de rádio. Its concluiu recentemente um artigo da JoVE sobre a calibração de um VNA usado para medir perdas de componentes e identificar componentes ruins para este sistema de medição3. Este artigo é uma continuação na documentação dessas melhores práticas de medição para a comunidade em geral. Embora as melhores práticas sejam discutidas neste artigo para um sounder de canal CW, essas mesmas técnicas podem ser usadas para verificar outros sistemas de sondagem de canais: sistemas VNA; Sistemas CW; sistemas de largura de banda completa e baseados em correlação; sistemas de pulso direto; e sistemas baseados em correlator deslizante4,5,6.

Este artigo descreve em detalhes como configurar um sistema de medição de sondagem do canal CW usando um analisador de sinal vetorial (VSA), um analisador de espectro (SA), dois osciladores de rubídio, um medidor de energia, um gerador de sinal vetorial (VSG) e vários filtros e divisores de energia para medições em um ambiente de medição ao ar livre7,8. O lado transmissor do sistema consiste no VSG, que gera um sinal CW que é impulsionado por um amplificador de energia. Isso é então dividido por um casal direcional para desviar parte do sinal para o medidor de alimentação, o que permite ao usuário monitorar a saída do sistema. O resto do sinal é enviado para o lado receptor do sistema através do canal de propagação. O lado receptor consiste em um filtro de baixa passagem para reduzir a interferência e harmônicas produzidas pelo amplificador de energia. O sinal filtrado é dividido em um divisor de energia e alimentado no SA para monitoramento durante a medição, juntamente com um carimbo de tempo e localização do Sistema de Posicionamento Global (GPS). A outra metade do sinal é enviada ao VSA para ser desconvertida em dados de quadratura em fase (I-Q) na faixa de 1-5 kHz. A taxa de amostragem é determinada pelo instrumento span9 e é guiada pelas mudanças esperadas do espectro Doppler, que são uma função da velocidade do veículo. A série temporal resultante é então transferida para um computador para pós-processamento e análise de dados.

Os relógios de rubídio são usados tanto no transmissor quanto no receptor para fornecer medições altamente precisas e frequências altamente estáveis. O relógio de rubídio na extremidade receptora tem um ajuste de frequência fino para o alinhamento preciso das frequências de transmissão e recebimento. Normalmente, as frequências são ajustadas para estar dentro de 0,1 Hz umas das outras para testes. Relógios de rubídio são essenciais para medições de propagação CW de alta precisão. Eles garantem precisão precisa da base de tempo ao longo das medições e evitam a deriva de frequência do transmissor e do receptor. Este artigo também detalha como validar e verificar se um sistema está fazendo medições precisas em um ambiente de laboratório, com e sem antena, antes de fazer medições em um ambiente externo. O sistema tem sido usado para uma extensa série de testes ao ar livre e interior em frequências que variam de 430 MHz a 5,5 GHz e para muitos diferentes poderes de transmissão7,8,10.

Protocol

NOTA: O sistema de sonda de canal ITS é mostrado na Figura 1 e Figura 2, e uma configuração de avaliação benchtop é mostrada na Figura 3. Consulte esses números durante a configuração do sounder do canal CW para garantir que todos os componentes estejam configurados corretamente. As seções a seguir explicam como verificar e validar um sistema antes de fazer medições. 1. Configuração do sistema de medição NOTA: Esta seção descreve como um sistema é configurado para medições de campo. Em primeiro lugar, as perdas do sistema tanto na transmissão quanto no lado receptor do sistema devem ser contabilizadas e medidas separadamente antes que o sistema completo seja montado. Em seguida, o sistema completo é montado e os instrumentos individuais são configurados, calibrados e sincronizados para preparar para verificação e validação do laboratório. Meça os parâmetros S, utilizando um VNA2, para componentes individuais do sistema antes de montar o sistema: cabos, atenuantes, divisores de energia, acoadores direcionais e filtros de baixa passagem.NOTA: Isso caracterizará perdas e identificará cabos quebrados ou um dispositivo fora da especificação. Monte o cabo Tipo N na saída do amplificador de energia, o acoplador direcional, o filtro bandpass e o cabo Tipo N que será conectado à antena, e use o VNA para medir a cadeia de componentes.NOTA: Esta medição incluirá reflexos internos que não são vistos medindo componentes individuais com um VNA. Registo o valor S21 , que será um número negativo, e será usado como perda do sistema de transmissão. Use esses valores para corrigir o nível de sinal recebido discutido na seção de resultados representativos. Configuração do sistema de transmissão Conecte todos os dispositivos a uma fonte de alimentação: uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) ou um conjunto de tomadas protegida por surtos. Certifique-se de que todos os instrumentos estão desligados enquanto ligam os componentes. Montar o equipamento de transmissão (Figura 1). Conecte a saída de 10 MHz do oscilador de rubídio à porta Ref IN do VSG usando um cabo Bayonet-Neill-Concelman (BNC). Conecte a porta RF OUT do VSG à entrada do acoalador direcional na porta usando um cabo Tipo N. Nenhum amplificador de energia é inserido até o passo 3.2 do protocolo. Conecte a porta OUT do acodorador direcional ao filtro de passagem de banda apropriado da porta de entrada (se necessário) usando um conector feminino tipo N para o conector feminino.NOTA: Um filtro de bandpass é usado para minimizar frequências harmônicas em outras bandas. Monte o cabo Tipo N que será conectado à antena receptora, ao filtro, ao cabo entre o filtro e o divisor de energia e ao cabo Tipo N que será conectado ao VSA; usar o VNA para medir este sistema de componentes. Faça a mesma medição, mas através dos mesmos componentes conectados ao SA. Registo os valores S21 , que serão usados como as perdas do sistema receptor no lado VSA do divisor de energia e no lado SA do divisor de energia. Use esses valores para corrigir o nível de sinal recebido discutido na seção de resultados representativos. Configuração do sistema receptor Conecte todos os dispositivos a uma fonte de energia: um UPS ou um conjunto de tomadas protegido por surtos. Certifique-se de que todos os instrumentos estejam desligados enquanto conectam componentes. Montar o equipamento receptor (Figura 2). Conecte um cabo tipo N à entrada do filtro bandpass. Conecte a saída do filtro bandpass à entrada do divisor de energia (porta 1). Conecte a porta 2 do divisor de energia à porta RF IN no VSA. Conecte a porta 3 do divisor de energia à porta RF IN no SA. Utilizando um BNC ao cabo de plugue de banana, conecte o Adj de frequência do oscilador de rubídio ao DC OUT da fonte de alimentação de corrente direta (DC). Conecte uma saída de 10 MHz do oscilador de rubídio à porta Ext Ref In no VSA usando um cabo BNC. Conecte uma saída de 10 MHz do oscilador de rubídio à porta Ext Trig/Ref In no analisador de espectro. Ligue o VSG e certifique-se de que ele está definido como RF OFF. Potência no medidor de energia. Ligue todos os instrumentos e deixe os instrumentos aquecerem por uma hora antes de fazer qualquer medição. Configure o VSA no modo VSA 89601B. Enquanto estiver no modo VSA, defina a frequência central para a frequência de interesse cw. Por fim, selecione o número de pontos tomados com o comprimento desejado da medição geral em mente.NOTA: Embora o sistema funcione usando um CW, o vão deve ser definido para capturar quaisquer mudanças do Doppler e desvanecimento. A largura de banda de resolução determina o filtro usado pelo VSA para medir a energia à medida que varre o vão de frequência, de modo que selecionar uma largura de banda de baixa resolução permite uma medição mais precisa. Como uma troca, uma largura de banda de menor resolução leva um tempo maior por ponto. Configure o VSA com as seguintes configurações: selecione o modo VSA 89601B; frequência central: Freq MHz (por exemplo, 1770 MHz); intervalo: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3.81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-depende de VSA; Rng: -42 dBm; valor superior da escala superior do gráfico superior: -30 dBm. Certifique-se de que o SA seja controlado por um software de controle de instrumentos que usa comandos padrão programáveis para comandos SCPI (Programáveis), para que as varreduras contínuas possam ser coletadas e salvas. Defina o SA de tal forma que as frequências de início e parada correspondam à frequência central VSA. Como o RBW determina da mesma forma o tamanho do filtro usado pelo SA, defina o RBW ao mesmo valor que o comprimento da medição VSA. Defina a largura de banda de vídeo para o mesmo valor que a largura de banda de resolução e o modo de detecção para amostrar para registrar dados não verificados. Deixe a atenuação desligada, certificando-se de que o SA não será sobrecarregado e mantenha o pré-acordo ligado. Configure a SA com o seguinte para cada varredura: StartFreq: Mesma frequência central da configuração VSA (por exemplo, 1770 MHz); StopFreq: Mesma frequência central da configuração VSA (por exemplo, 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detector: amostra; tempo de varredura: 500 ms; pts/rastreamento: 461; pré-acordo ON; atenuação: 0; atenuação automática: Desligado. No SA, pressione Enter para acessar os menus. Habilite a referência externa pressionando o botão Shift e selecionando o botão Sistema no analisador de espectro. Em seguida, selecione Mais | Configurações da porta | | de entrada de ramal Ref usando as teclas macias perto da tela. Configure o VSG selecionando uma saída CW. Defina a frequência para 1770 MHz. Siga o procedimento na seção 4.22 para determinar a faixa linear do amplificador de energia. Defina a amplitude de saída VSG para -4 dBm, o limite superior para a faixa linear do amplificador de energia. Calibrar o medidor de energia. Conecte a cabeça do medidor de alimentação na porta de referência (canal A ou B) e na outra extremidade do medidor de energia em uma porta de medição. Defina a frequência do medidor de energia para 1770 MHz para a porta de referência usada acima. Zero e calibrar o medidor de energia. Certifique-se de que a leitura do medidor de potência permaneça dentro de 0,2 dB de 0 dBm. Desligue a cabeça do medidor de alimentação da porta de referência e conecte a cabeça do medidor de potência à saída do atenuador mostrado na Figura 1. Calibrar o VSA: Utilitários | | de calibração Calibração. Ligue o RF NO VSG.NOTA: Certifique-se de que há um sinal no analisador de espectro. Se o nível de sinal cair para -120 dBm, a referência externa não está ativada. Se o sinal for muito forte, sobrecarregará o sistema receptor e danificará o VSA ou a SA. Esteja atento aos níveis máximos de sinal de entrada (geralmente mostrados na parte frontal do instrumento) e fique pelo menos 10 dB abaixo deste nível. Sincronize os osciladores de rubídio definindo a tensão, mas não exceda a tensão máxima de entrada permitida na porta de sincronização de rubídio. Altere o TimeLen no gráfico superior na tela VSA para 100 ms. Coloque o eixo y na trama inferior para I-Q. Pressione corrente/tensão no painel frontal da fonte de alimentação. Mude a tensão um pouco de cada vez e observe o ponto na tela VSA: se girar para frente e para trás, não faça nada, as frequências estão alinhadas. Se ele girar em uma direção consistentemente, altere a leitura do medidor de potência (tensão) até que o ponto na trama do Q comece a desacelerar, e ele se mova lentamente para frente e para trás (movimento do pêndulo) (Figura 4). Defina o TimeLen no gráfico superior na tela VSA de volta para 1 s e defina o eixo y de volta à Magnitude do Log. Pegue 10 registros de aquisição no SA para verificar se todos os parâmetros foram definidos corretamente, e que o nível de sinal na tela SA corresponde ao nível de sinal na tela inferior VSA. 2. Verificação e validação de laboratório Sem anexar antenas, insira um atenuador variável entre o lado transmissor do sistema e o lado receptor do sistema (Figura 5). Remova o amplificador de energia da configuração de medição para esta verificação. Defina a atenuação do atenuador escalonado para 0 dB e o número de registros no VSA Input > Recording para 120.NOTA: Um registro é igual ao conjunto TimeLen no VSA. Defina o número de varreduras na SA para 120 registros. Altere a amplitude de saída do VSG para 0 dBm e pressione o botão RF ON no VSG. Defina um marcador de pico para encontrar o valor da força do sinal e verifique se um sinal é visto no VSA. Inicie o VSA apertando o botão Gravar na parte superior da tela. Inicie uma medição SA usando o software de controle de instrumentos. Mude o atenuador escalonado para 10 dB, e repita os passos 4-10. Passe por todas as configurações do atenuador escalonado e regise os valores para cada configuração de atenuação.NOTA: À medida que o atenuante se aproxima de 90 a 110 dB, o sinal ficará mais barulhento à medida que se aproxima do piso de ruído do sistema do instrumento. Os valores de medição próximos ao piso de ruído do sistema serão altamente variáveis. Para verificar os níveis de sinal recebidos pelo VSA, calcule uma média de 0,5 s com janelas para o registro VSA de 120 s e, em média, cada varredura da SA. Adicione o nível de potência de saída VSG, o lado transmissor e as perdas do sistema lateral receptor e a configuração do atenuante escalonado.NOTA: O valor da soma acima mencionada na etapa 2.6 deve ser igual aos níveis médios de sinal recebidos registrados pelo VSA e pela SA dentro de 0,5 dB, para atenuações intensificadas inferiores a 80 dB. Se não o fizerem, volte e remedida as perdas do sistema. 3. Medições de campo NOTA: Teste sempre e verifique o sistema antes de cada campanha de medição. Complete as etapas 1.1-1.3 antes de cada nova campanha de medição e configure o lado de transmissão do sistema, conforme discutido na seção 1.4.NOTA: Isso é normalmente alojado em um celular sobre rodas (COW), que permanece fixo durante as medições. Conecte o amplificador de potência entre o VSG e o acoalador direcional, conforme descrito na etapa 1.4.2.1. Use um acoalador direcional que possa lidar com os níveis de energia gerados pelo amplificador de energia. Adicione um atenuante de 50 dB ao aco sentido na porta acoplada para ficar dentro dos níveis de alimentação de entrada especificados do medidor de alimentação e anexar o medidor de alimentação a esta porta. Conecte o cabo tipo N de saída do acoplador direcional à antena transmissora. Configurar o lado receptor do sistema, conforme discutido nas etapas 1.5-1.6, dentro de um veículo móvel. Conecte a antena receptora ao cabo Tipo N conectado ao filtro. Além das etapas de configuração SA 1.11.3-1.11.4, a antena GPS precisa ser configurada no SA. Habilite o registro gps: Configurações de meas | Habilite o | de registro de registro gps GPS padrão. Habilite o GPS no analisador de espectro segurando o botão Shift e selecionando o botão Sistema no analisador de espectro. Em seguida, selecione Mais | | GPS GPS-ON & GPS Info-ON usando as teclas macias perto da tela. Coloque a antena GPS no teto do veículo de medição do receptor. Certifique-se de que o software de medição também lê em strings NMEA do GPS para cada varredura. Continue a configuração como discutido nas etapas 1.11-1.17 e defina o número de registros no | de entrada VSA Gravação com base no tempo estimado de medição. Defina o número de registros de SA para o número de registros VSA mais cerca de 300 registros, observando que o SA varre mais lentamente do que o VSA. Inicie a medição iniciando primeiro o VSA pressionando o botão Gravar na parte superior da tela. Inicie a medição do analisador de espectro. Após a medição, salve o arquivo de gravação VSA | Salve | Salve a gravação. Salvar opções | Salve cabeçalhos com dados. Ao salvar o arquivo, anexar um _VSA até o final do arquivo. Altere o nome do arquivo de dados para o analisador de espectro para corresponder ao nome de arquivo do VSA, mas anexar _SA para o analisador de espectro.

Representative Results

Os seguintes resultados foram obtidos durante uma verificação de campo do sistema apresentado. O transmissor estava localizado no Kohler Mesa atrás do Departamento de Comércio boulder laboratories em Boulder, Colorado. O receptor foi conduzido através de Boulder, Colorado, em um veículo de medição especialmente projetado (ver Figura 6), e medições contínuas foram tomadas. A SA armazena os dados varridos como formato de magnitude de log em uma estrutura de dados de eventos, enquanto os dados gps são armazenados em uma estrutura de dados de eventos separada dentro do mesmo arquivo. Um exemplo de dados para uma varredura é mostrado na Figura 7. Os dados armazenados são convertidos em potência linear em Watts; uma média é calculada para todos os pontos nessa varredura e, em seguida, convertida de volta em magnitude de log. As informações do GPS são atribuídas a este valor médio para a varredura mostrada pelo X vermelho a um valor de −71,5 dBm. Este processo é feito para cada varredura no arquivo. Em seguida, os dados de base I-Q do VSA são processados como mostrado na equação 1. O poder no dBm é calculado para cada amostra de Q. O VSA coleta dados de pico, que devem ser convertidos em dBm, durante esta etapa. (1) Durante a medição, os dados do I-Q da banda base são armazenados em um arquivo temporário. Nenhuma informação de GPS é adquirida pela VSA. O comprimento do arquivo é escolhido de tal forma que o número de registros solicitados seja igual ao número de segundos de tempo de unidade. Uma vez concluída a medição, os dados são escritos em um arquivo cuja estrutura é pré-programada pelos desenvolvedores de software VSA. Os dados salvos neste arquivo incluem a diferença de tempo entre amostras de medição, a frequência e as amostras de dados complexas. A etapa de processamento envolve a suavização da magnitude dos dados da banda base I-Q em uma janela de 500 ms para todo o conjunto de dados para aproximar uma distância de condução de 40 comprimentos de onda. A Figura 8 mostra como a energia média suavizada se compara aos dados brutos de uma porção maior de um teste de unidade. Os dados brutos são mostrados pelo traço azul, e o poder médio suavizada é mostrado pelo traço vermelho. Os conjuntos de dados VSA e SA estão alinhados usando uma convolução circular. O ponto de dados VSA em cada segundo está alinhado com as amostras de SA geradas a cada segundo para transferir as coordenadas GPS do SA para os pontos de dados VSA. Um modelo de regressão linear alinha os dados minimizando os resíduos entre os níveis de potência medidos dos dois conjuntos de dados. Os dados alinhados são apresentados plotando a potência SA no dBm no eixo x e a potência VSA no dBm no eixo y (Figura 9). Como o piso de ruído do sistema SA é mais alto do que o piso de ruído do sistema VSA, o gráfico mostrará uma curvatura para baixo em pontos abaixo de aproximadamente -115 dBm para conjuntos de dados próximos ao piso de ruído. As figuras 9 e a Figura 10 mostram o alinhamento da potência VSA e da potência SA versus o tempo decorrido em segundos. O carimbo de tempo gps da energia média SA é então anexado ao primeiro ponto de dados da série de dados de energia suavizada média VSA. O deslocamento vertical entre os dois conjuntos de dados é eliminado corrigindo a perda do cabo do divisor de energia para o SA; no entanto, como apenas os dados VSA carimbados são usados, este passo extra é desnecessário. Esses dados são então salvos e usados no Modelo de Terreno Longo-Arroz/Irregular (ITM)11,12 para prever perdas de terreno. Os dados vsa são corrigidos adicionando perdas do sistema e removendo ganhos do sistema para obter a perda de transmissão básica medida (BTL) ou ganho básico de transmissão (BTG) ao longo da rota de acionamento, como mostrado na Figura 11 e Figura 12 e dada pela equação 2. (2) onde, BTL é a perda básica de transmissão, Pt e Pr são os poderes de transmissão e recebimento em dBm, Gt e Gr são os ganhos das antenas transmissoras e receptoras no dBi, respectivamente, e Lt e Lr são as perdas do sistema para o sistema de transmissão e sistema receptor em dB, respectivamente. Na Figura 11, a estrela roxa é o local de transmissão. Os pontos amarelo e roxo representam os maiores e mais baixos níveis de sinal recebidos, respectivamente. Um gráfico do BTG medido (preto x’s), o BTG modelado em ITM (azul +’s), o ganho de transmissão de espaço livre (FSTG) (círculos vermelhos) e o piso de ruído do sistema (pontos rosa) é mostrado na Figura 12. Quando o ITM BTG é igual ao FSTG, não há interações de terreno, e todas as perdas (diferença entre FSTG e MBTG) podem ser assumidas a partir de edifícios, folhagens ou outras interações com o ambiente circundante. Isso é mostrado na Figura 13, onde a linha preta é o terreno retirado do banco de dados de terrenos USGS13, a linha vermelha e tracejada é a linha de linha de visão (LOS) entre a antena de transmissão e a antena receptora, e as linhas azuis, pontilhadas e tracejadas são as primeiras zonas de Fresnel superior e inferior14 onde a maior parte da energia é localizada. Figura 1: Diagrama de componentes e conexões de transmissão. Lado de transmissão do sounder de onda contínua (CW)-canal. Abreviaturas: RF = radiofrequência; Ref = referência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: Diagrama de componentes e conexões receptoras. Lado receptor do sounder do canal de onda contínua (CW). Abreviaturas: GPS = Sistema de Posicionamento Global; RF = radiofrequência; Ext Ref = referência externa; Formiga GPS = antena GPS; Ramal/Ref ext = gatilho/referência externo; TCP/IP = protocolo de controle de transmissão/protocolo de internet; Freq Adj = Frequência ajustada; DC = corrente direta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: Sistema de sonda de canal CW em laboratório. Uma implantação no banco do testador do canal Institute for Telecommunication Sciences (ITS) para testes de validação e precisão do sistema mostrando os principais componentes. Abreviaturas: VSA = analisador de sinal vetorial; VSG = gerador de sinal vetorial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: Exibição I-Q. Ajuste de frequência utilizando o enredo em fase e quadratura (I-Q). Abreviaturas: CW = onda contínua; TimeLen = tempo; Eixo I = eixo em fase; Eixo Q = eixo de quadratura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: Configuração do sistema de verificação e validação. Configuração do sistema para medições de verificação e validação. Abreviaturas: I-Q = quadratura em fase; RF = radiofrequência; Ref = referência; GPS = Sistema de Posicionamento Global; Ramal/Ref ext = gatilho/referência externo; TCP/IP = protocolo de controle de transmissão/protocolo de internet; Freq Adj = frequência ajustada; DC = corrente direta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6: Celular sobre rodas (COW) e van de medição. Foto mostrando van verde usada para receber sistema e celular sobre rodas (COW) usado para abrigar sistema de transmissão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 7: Análise de espectro varre e varre a média. Varredura única para captura de dados do analisador de espectro consistindo de 461 pontos ao longo de um tempo de varredura de 0,5 s. Abreviação: SA = analisador de espectro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 8: O analisador de sinal vetorial recebeu potência e média móvel. Dados de magnitude em fase e quadratura (I-Q) (traço azul) para uma pequena fatia de uma corrida maior em comparação com a potência média (traço vermelho) calculada sobre uma janela de 0,5 s. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 9: Alinhamento de sinal VSA e SA. Alinhamento da potência do analisador de sinal vetorial e potência do analisador de espectro. Abreviaturas: VSA = analisador de sinal vetorial; SA = analisador de espectro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 10: VSA e SA receberam energia após o alinhamento do sinal. Energia do analisador de sinal vetorial alinhada e potência do analisador de espectro vs tempo decorrido em segundos. Abreviaturas: VSA = analisador de sinal vetorial; SA = analisador de espectro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 11: Geolocalização do ganho de transmissão básica medido. Ganho de transmissão básica medido ao longo da rota de acionamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 12: Ganho de transmissão básica medido e modelado. Ganho de transmissão básica medido (azul x’s), modelo irregular de terreno (ITM) ganho básico de transmissão (BTG) (preto +’s), ganho de transmissão de espaço livre (círculos vermelhos) e piso de ruído do sistema (pontos rosa) vs. tempo decorrido ao longo da rota de acionamento. Abreviaturas: MBTG = Ganho de transmissão básica medido; ITM = Modelo de terreno irregular. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 13: Perfil de terreno e primeira zona de Fresnel. Perfil de terreno do Serviço Geológico dos Estados Unidos (linha preta) pelo tempo decorrido 1636,2 s. A zona superior (primeira) fresnel (linha azul, pontilhada) e inferior (primeira) zona de fresnel (azul, linha tracejada) também são traçadas juntamente com a linha de visão (linha vermelha, tracejada) entre a antena de transmissão e a antena receptora. Abreviaturas: USGS = United States Geological Survey; NED = banco de dados de elevação nacional. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

É muito importante testar um sistema como descrito neste protocolo antes de tentar fazer medições em um ambiente ao ar livre. Dessa forma, quaisquer componentes ou instabilidades ruins podem ser rastreados e identificados no sistema de medição e podem ser resolvidos. As etapas críticas deste protocolo são para 1) testar primeiro os componentes individuais e verificar se eles estão operando dentro de sua especificação, 2) montar os lados de transmissão e recebimento separadamente e testar a cadeia de componentes, 3) montar o lado de transmissão e recebimento inserindo um atenuante escalonado e medindo os níveis de sinal à medida que a atenuação é alterada para garantir que os níveis de sinal recebidos no VSA e SA sejam conforme calculado. Outras soluções de problemas podem ser realizadas usando um VSG, como o mostrado na Tabela de Materiais, que tem a opção de gerar simulações de desbotamento, que podem ser usadas para testar o sistema usando formas de onda simuladas em vários ambientes desbotamento encontrados em ambientes de propagação do mundo real. Uma vez que o sistema de medição esteja funcionando corretamente, as medições podem ser feitas em um ambiente ao ar livre com a confiança de que as medidas serão precisas.

Outro passo importante é monitorar a energia de transmissão durante toda a medição para verificar se o sistema está funcionando corretamente. O amplificador de energia é caracterizado e testado separadamente para entender sua linearidade e espectros de emissões fora da banda. O amplificador de potência pode ser validado no banco com o resto da configuração, mas deve-se tomar cuidado para reduzir a potência do sinal abaixo da entrada de energia nominal máxima para o VSA usando atenuadores devidamente classificados. Nem a antena GPS nem suas configurações devem ser usadas para verificação e validação de laboratório. Como a tela do VSA não é capaz de fornecer monitoramento em tempo real do ambiente, a adição de um SA como monitor em tempo real ajuda a determinar o estado atual do sistema. Existem vários tipos de sistemas de medição de som de canal para capturar características do canal para sistemas de rádio: CW, pulso direto, domínio de frequência usando um VNA, baseado em correlação, interseção de tempo varrido.

Uma limitação desse sistema é que um sinal CW que sonda o ambiente local não contém informações de domínio de tempo, como perfis de atraso de tempo. Um perfil de atraso de tempo fornece informações sobre o tempo de reflexões de origem do sinal no ambiente local. No entanto, uma vantagem de usar um sinal CW é que é mais fácil obter permissão para transmitir em uma frequência em várias bandas usando o sinal CW de banda estreita em vez de tentar transmitir um sinal de banda larga. Os sistemas CW podem ter um alcance dinâmico maior do que outros sistemas, e o sinal geralmente pode se propagar ainda mais no ambiente. Um sinal CW também tem taxas de amostragem de áudio que resultam em tamanhos de arquivo menores do que outros tipos de sistemas de som de canal. Com esse sistema, a coleta de dados é contínua e pode durar várias horas. O sistema de medição de sondas do canal CW discutido neste artigo pode ser usado em diferentes frequências, dependendo da gama dos vários componentes montados. O sistema pode ser usado em um ambiente de propagação ao ar livre ou em um ambiente de propagação interna15.

Acknowledgements

Obrigado ao Escritório de Espectro de Defesa (DSO) pelo financiamento do trabalho apresentado neste artigo.

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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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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