Измерительная система непрерывного распространения волн - тестирование, верификация и измерения
Summary
В настоящем отчете описывается установка, валидация и верификация, а также результаты измерений распространения с использованием непрерывно-волновой системы измерения радиочастотного зондирования.
Abstract
Канальные эхолоты используются для измерения характеристик каналов радиосистем. Сегодня используется несколько типов канальных эхолотов: непрерывно-волновые (CW), прямые импульсные, частотная область с использованием векторного анализатора цепей (VNA), корреляционные и кросс-коррелятор с задержкой времени. Каждый из них имеет уникальные преимущества и недостатки. Системы ХО имеют больший динамический диапазон, чем другие системы, с сигналом, который может распространяться дальше в окружающую среду. Поскольку частота дискретизации звука позволяет использовать файлы меньшего размера, чем в других системах, сбор данных может быть непрерывным и длиться в течение нескольких часов. В этой статье обсуждается система эхолота CW-канала, которая использовалась для проведения многочисленных измерений потерь распространения в различных городах Соединенных Штатов Америки. Такие измерения распространения должны быть точными, воспроизводимыми и свободными от артефактов или предубеждений. В этой статье показано, как настроить измерение, как проверить и проверить, что система делает надежные измерения, и, наконец, она показывает результаты некоторых измерительных кампаний, таких как измерения повторяемости, измерения потерь беспорядка (где потеря беспорядка определяется как избыточная потеря от потерь передачи свободного пространства) и измерения взаимности.
Introduction
Институт телекоммуникационных наук (ITS) является исследовательской лабораторией Национального управления телекоммуникаций и информации (NTIA), агентства Министерства торговли США. ITS имеет долгую историю проведения точных, хорошо зарекомендовавших себя измерений распространения радиочастот (RF). Расширение совместного использования спектра сопровождается необходимостью точных, воспроизводимых измерений, которые обеспечивают лучшее понимание радиосреды, которую должны будут использовать многочисленные службы. В течение последних нескольких лет военные службы разрабатывают соглашения о совместном использовании спектра с коммерческими операторами беспроводной связи в диапазоне Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 МГц)1. Это позволит коммерческим операторам беспроводной связи использовать диапазон AWS-3 до постепенного выхода военных сервисов из диапазона. Использование диапазона будет координироваться как географическими изолирующими системами, так и моделированием сценариев частотных помех. Чтобы разделить эту полосу спектра, измерения распространения необходимы для разработки и улучшения моделей распространения для оценки радиочастотных помех между военными и коммерческими беспроводными системами в пределах диапазона.
Организация Defense Spectrum Organization (DSO) отвечает за управление переходом на AWS-3 и поручила ITS и другим организациям выполнить серию измерений с использованием каналов. Эти измерения будут использоваться для построения новых моделей для расчета воздействия листвы и искусственных структур на окружающую среду (в совокупности известных как беспорядок). Улучшенное моделирование распространения, которое учитывает беспорядок, может привести к уменьшению ограничений на коммерческие передатчики в непосредственной близости от военных систем. Система CW-канал-эхолот, обсуждаемая в этой статье, использовалась в течение последних пяти лет для сбора данных измерений распространения радио и расчета затухания беспорядка. Эта система измерений дает точные, воспроизводимые и непредвзятые результаты, и DSO призвала ITS делиться своими институциональными знаниями, включая лучшие методы измерения для измерения и обработки данных о распространении радиочастот, с более широким техническим сообществом.
Лучшие методы измерения требуют понимания системы от уровня компонентов до уровня собранной системы. Эти передовые методы измерений были задокументированы в недавно опубликованном Техническом меморандуме NTIA TM-19-5352, в котором описывается набор передовых методов подготовки и проверки систем измерения распространения радио. Its недавно завершила статью JoVE о калибровке VNA, используемой для измерения потерь компонентов и выявления плохих компонентов для этой измерительной системы3. Эта статья является продолжением документирования этих лучших методов измерения для более широкого сообщества. Хотя в этой статье обсуждаются лучшие практики для эхолота CW-канала, эти же методы могут быть использованы для проверки других систем канального эхолота: систем VNA; Системы ХО; системы с полной пропускной способностью, основанные на корреляции; системы прямых импульсов; и системы на основе скользящих корреляторов4,5,6.
В данной статье подробно описано, как настроить систему измерения эхолота CW-канала с использованием векторного анализатора сигналов (VSA), анализатора спектра (SA), двух рубидиевых генераторов, измерителя мощности, векторного генератора сигналов (VSG) и различных фильтров и делителей мощности для измерений в наружной измерительной среде7,8. Передающая сторона системы состоит из VSG, который генерирует сигнал CW, который усиливается усилителем мощности. Затем он разделяется направленной парой, чтобы направить часть сигнала на измеритель мощности, что позволяет пользователю контролировать выход системы. Остальная часть сигнала отправляется на приемную сторону системы по каналу распространения. Приемная сторона состоит из фильтра нижних частот для уменьшения помех и гармоник, создаваемых усилителем мощности. Отфильтрованный сигнал разделяется в делитель мощности и подается в SA для мониторинга во время измерения вместе с отметкой времени и местоположением глобальной системы позиционирования (GPS). Другая половина сигнала отправляется в VSA для преобразования в внутрифазные квадратурные (I-Q) данные в диапазоне 1-5 кГц. Частота дискретизации определяется диапазоном прибора9 и ориентируется на ожидаемые доплеровские сдвиги спектра, которые являются функцией скорости транспортного средства. Полученные временные ряды затем передаются на компьютер для постобработки и анализа данных.
Рубидиевые часы используются как на передатчике, так и на приемнике для обеспечения высокоточных измерений и высокостабильных частот. Рубидиевые часы на приемном конце имеют тонкую регулировку частоты для точного выравнивания частот передачи и приема. Как правило, частоты настраиваются так, чтобы они находились в пределах 0,1 Гц друг от друга для тестирования. Рубидиевые часы необходимы для высокоточных измерений распространения ХО. Они обеспечивают точную точность базы времени в ходе измерений и предотвращают дрейф частоты передатчика и приемника. В этой статье также подробно описывается, как проверить и проверить, что система делает точные измерения в лабораторных условиях, как с антенной, так и без нее, прежде чем проводить измерения в наружной среде. Система использовалась для обширной серии наружных и внутренних испытаний на частотах от 430 МГц до 5,5 ГГц и для многих различных передающих мощностей7,8,10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Очень важно протестировать систему, как описано в этом протоколе, прежде чем пытаться сделать измерения в наружной среде. Таким образом, любые плохие компоненты или нестабильности могут быть прослежены и идентифицированы в измерительной системе и могут быть устранены. Критическими шагами в этом протоколе являются: 1) сначала протестировать отдельные компоненты и убедиться, что они работают в соответствии со своей спецификацией, 2) собрать передающую и приемную стороны отдельно и протестировать цепочку компонентов, 3) собрать передающую и приемную сторону, вставив ступенчатый аттенюатор и измерив уровни сигнала по мере изменения затухания, чтобы убедиться, что уровни принятого сигнала в VSA и SA рассчитаны. Дальнейшее устранение неполадок может быть выполнено с помощью VSG, такого как показанный в Таблице материалов, который имеет возможность генерировать моделирование затухания, которое может быть использовано для тестирования системы с использованием смоделированных форм сигналов в различных затухающих средах, встречающихся в реальных средах распространения. Как только измерительная система работает правильно, измерения могут быть сделаны в наружной среде с уверенностью, что измерения будут точными.
Другим важным шагом является мониторинг мощности передачи на протяжении всего измерения, чтобы убедиться, что система работает правильно. Усилитель мощности характеризуется и тестируется отдельно, чтобы понять его линейность и внеполосные спектры излучения. Усилитель мощности может быть проверен на столешнице вместе с остальной частью установки, но необходимо позаботиться о том, чтобы уменьшить мощность сигнала ниже максимальной номинальной мощности на VSA с использованием аттенюаторов с соответствующим номинальным рейтингом. Ни GPS-антенна, ни ее настройки не должны использоваться для лабораторной проверки и валидации. Поскольку экран VSA не способен обеспечить мониторинг окружающей среды в режиме реального времени, добавление SA в качестве монитора в реальном времени помогает определить текущее состояние системы. Существует несколько типов систем измерения канального зондирования для захвата характеристик каналов для радиосистем: CW, прямой импульс, частотная область с использованием VNA, основанный на корреляции, кросс-коррелятор с задержкой времени.
Одним из ограничений этой системы является то, что сигнал CW, исследующий локальную среду, не содержит информации о временной области, такой как профили задержки времени. Профиль временной задержки дает информацию о времени отражения источника сигнала в локальной среде. Однако преимущество использования сигнала CW заключается в том, что легче получить разрешение на передачу на одной частоте в различных диапазонах, используя узкополосный сигнал CW, а не пытаться передать широкополосный сигнал. Системы CW могут иметь больший динамический диапазон, чем другие системы, и сигнал обычно может распространяться дальше в окружающей среде. Сигнал CW также имеет частоту дискретизации звука, что приводит к меньшим размерам файлов, чем другие типы систем зондирования каналов. С помощью этой системы сбор данных является непрерывным и может длиться в течение нескольких часов. Измерительная система CW-канала может использоваться на разных частотах, в зависимости от диапазона различных собранных компонентов. Система может использоваться в наружной среде распространения или в внутренней среде распространения15.
Acknowledgements
Спасибо Управлению оборонного спектра (DSO) за финансирование работы, представленной в этой статье.
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).
