Sürekli Dalga Yayma Kanal Ses Ölçüm Sistemi - Test, Doğrulama ve Ölçümler
Summary
Bu rapor, sürekli dalga, radyo frekansı kanal ses taşıyan bir ölçüm sistemi kullanılarak yapılan kurulum, doğrulama ve doğrulama ve yayma ölçümlerinin sonuçlarını açıklar.
Abstract
Kanal sounder’ları radyo sistemleri için kanal özelliklerini ölçmek için kullanılır. Günümüzde kullanılan çeşitli kanal sounder türleri vardır: sürekli dalga (CW), doğrudan darbe, vektör ağ çözümleyicisi (VNA) kullanan frekans etki alanı, korelasyon tabanlı ve süpürülmüş zaman gecikme çapraz korelatör. Bunların her birinin benzersiz avantajları ve dezavantajları vardır. CW sistemleri, çevreye daha fazla yayılabilen bir sinyale sahip diğer sistemlerden daha büyük bir dinamik aralığa sahiptir. Ses örnekleme hızları diğer sistemlerden daha küçük dosya boyutlarına izin verdiğinden, veri toplama sürekli olabilir ve birkaç saat sürebilir. Bu makalede, Amerika Birleşik Devletleri’nin çeşitli şehirlerinde çok sayıda yayılma kaybı ölçümü yapmak için kullanılan bir CW kanallı sounder sistemi ele alınmıştır. Bu tür yayılma ölçümleri doğru, tekrarlanabilir ve eserlerden veya önyargılardan arındırılmış olmalıdır. Bu makalede ölçümün nasıl ayarlanabileceği, sistemin güvenilir ölçümler yaptığının nasıl doğrulanıp doğrulanabileceği ve son olarak tekrarlanabilirlik ölçümleri, dağınıklık kaybı ölçümleri (dağınıklık kaybının serbest alan iletim kaybından kaynaklanan fazla kayıp olarak tanımlandığı) ve karşılıklılık ölçümleri gibi bazı ölçüm kampanyalarının sonuçları gösterilebilir.
Introduction
Telekomünikasyon Bilimleri Enstitüsü (ITS), ABD Ticaret Bakanlığı’nın bir kuruluşu olan Ulusal Telekomünikasyon ve Enformasyon İdaresi’nin (NTIA) araştırma laboratuvarıdır. ITS, doğru, saygın radyo frekansı (RF) yayılma ölçümleri yapma konusunda uzun bir geçmişe sahiptir. Spektrum paylaşımındaki artışa, birden fazla hizmetin paylaşmak zorunda kalacağı radyo ortamının daha iyi anlaşılmasını sağlayan doğru, tekrarlanabilir ölçümlere duyulan ihtiyaç eşlik etti. Son birkaç yıldır, askeri hizmetler Gelişmiş Kablosuz Hizmetler (AWS)-3 bandındaki (1755-1780 MHz)1 ticari kablosuz taşıyıcılarla spektrum paylaşım düzenlemeleri geliştiriyor. Bu, ticari kablosuz iletişim operatörlerinin askeri hizmetleri bant dışına çıkarmadan önce AWS-3 bandını kullanmalarına olanak sağlayacaktır. Bandın kullanımı hem sistemleri coğrafi olarak izole ederek hem de frekans parazit senaryolarının modelilmesiyle koordine edilecektir. Bu spektrum bandını paylaşmak için, bant içindeki askeri ve ticari kablosuz sistemler arasındaki RF parazitinin değerlendirilmesi için yayılma modelleri geliştirmek ve iyileştirmek için yayılma ölçümleri gereklidir.
Savunma Spektrumu Kuruluşu (DSO), AWS-3 geçişinin yönetiminden sorumludur ve ITS ve diğerlerini bir dizi kanal sesi ölçümü yapmakla görevlendirmiştir. Bu ölçümler, ortamdaki yeşillik ve insan yapımı yapıların etkisinin hesaplanması için yeni modeller oluşturmak için kullanılacaktır (topluca dağınıklık olarak bilinir). Dağınıklığı oluşturan gelişmiş yayılma modellemesi, askeri sistemlerin çevresindeki ticari vericilerde daha az kısıtlamaya yol açabilir. Bu makalede tartışılan CW kanal-sounder sistemi, son beş yıldır radyo yayma ölçüm verilerini toplamak ve dağınıklık zayıflamasını hesaplamak için kullanılmıştır. Bu ölçüm sistemi doğru, tekrarlanabilir ve tarafsız sonuçlar üretir ve DSO, ITS’yi RF yayma verilerinin ölçümü ve işlenmesi için en iyi ölçüm uygulamalarını içeren kurumsal bilgilerini daha geniş teknik toplulukla paylaşmaya teşvik etti.
En iyi ölçüm uygulamaları, bir sistemin bileşen düzeyinden monte edilmiş sistem düzeyine kadar anlaşılmasını gerektirir. Bu en iyi ölçüm uygulamaları, radyo yayma ölçüm sistemlerinin hazırlanması ve doğrulanması için bir dizi en iyi uygulamayı açıklayan yakın zamanda yayınlanan NTIA Teknik Memorandum TM-19-5352’de belgelenmiştir. ITS kısa süre önce bileşen kayıplarını ölçmek ve bu ölçüm sistemi için kötü bileşenleri belirlemek için kullanılan bir VNA’nın kalibre edilmesiyle ilgili bir JoVE makalesini tamamladı3. Bu makale, geniş toplum için bu en iyi ölçüm uygulamalarının belgelemesinde bir devamıdır. Bu makalede bir CW kanallı sounder için en iyi uygulamalar tartışılsa da, aynı teknikler diğer kanal sounder sistemlerini doğrulamak için kullanılabilir: VNA sistemleri; FA sistemleri; tam bant genişliğine sahip, korelasyona dayalı sistemler; doğrudan darbe sistemleri; ve kayan korelatör tabanlı sistemler4,5,6.
Bu makalede, bir vektör sinyal çözümleyicisi (VSA), bir spektrum çözümleyicisi (SA), iki rubidium osilatör, bir güç ölçer, bir vektör sinyal üreteci (VSG) ve dış mekan ölçüm ortamında ölçümler için çeşitli filtreler ve güç bölücüler kullanılarak CW kanalı ses ölçüm sisteminin nasıl kurulaca ilişkin ayrıntılı olarak açıklanmaktadır7,8. Sistemin iletim tarafı, bir güç amplifikatörü tarafından güçlendirilen bir CW sinyali üreten VSG’den oluşur. Bu daha sonra, sinyalin bir kısmını güç ölçere yönlendirmek için yönlü bir çift tarafından bölünür, bu da kullanıcının sistem çıkışını izlemesini sağlar. Sinyalin geri kalanı yayılma kanalı üzerinden sistemin alıcı tarafına gönderilir. Alıcı taraf, güç amplifikatörü tarafından üretilen paraziti ve harmonikleri azaltmak için düşük geçişli bir filtreden oluşur. Filtrelenmiş sinyal bir güç bölücüye bölünür ve ölçüm sırasında bir zaman damgası ve Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) konumu ile birlikte izleme için SA’ya beslenir. Sinyalin diğer yarısı, 1-5 kHz aralığında faz içi quadrature (I-Q) verilerine dönüştürülmek üzere VSA’ya gönderilir. Örnekleme hızı, enstrüman span9 tarafından belirlenir ve aracın hızının bir işlevi olan beklenen Doppler spektrum kaymaları tarafından yönlendirilir. Elde edilen zaman serisi daha sonra postprocesing ve veri analizi için bir bilgisayara aktarılır.
Rubidium saatler, son derece doğru ölçümler ve son derece kararlı frekanslar sağlamak için hem vericide hem de alıcıda kullanılır. Alıcı uçta rubidium saat, iletim ve alma frekanslarının hassas hizalaması için ince bir frekans ayarına sahiptir. Genellikle, frekanslar test için birbirinin 0,1 Hz’i içinde olacak şekilde ayarlanır. Rubidium saatler yüksek hassasiyetli CW yayılma ölçümleri için gereklidir. Ölçümler boyunca hassas zaman tabanı doğruluğu sağlar ve vericinin ve alıcının frekans sürüklenmesini önler. Bu makalede ayrıca, bir sistemin dış ortamda ölçüm yapmadan önce hem antenli hem de antensiz olarak laboratuvar ortamında doğru ölçümler yaptığının nasıl doğrulanıp doğrulanılacağı ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Sistem, 430 MHz ile 5,5 GHz arasında değişen frekanslarda kapsamlı bir dizi dış mekan ve iç mekan testi ve birçok farklı iletim gücü için kullanılmıştır7,8,10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Açık havada ölçüm yapmaya çalışmadan önce bu protokolde açıklandığı gibi bir sistemi test etmek çok önemlidir. Bu şekilde, herhangi bir kötü bileşen veya kararsızlık ölçüm sisteminde izlenebilir ve tanımlanabilir ve çözülebilir. Bu protokoldeki kritik adımlar 1) önce tek tek bileşenleri test etmek ve spesifikasyonları dahilinde çalıştıklarını doğrulamak, 2) iletim ve alma taraflarını ayrı ayrı birleştirmek ve bileşenler zincirini test etmek, 3) VSA ve SA’daki alınan sinyal seviyelerinin hesaplandığından emin olmak için kademeli bir zayıflama yerleştirerek ve zayıflama değiştikçe sinyal seviyelerini ölçerek iletim ve alma tarafını monte etmektir. Daha fazla sorun giderme, malzeme tablosunda gösterilen gibi, gerçek dünyadaki yayılma ortamlarında karşılaşılan çeşitli soldurma ortamlarında simüle edilmiş dalga formlarını kullanarak sistemi test etmek için kullanılabilecek solma simülasyonları oluşturma seçeneğine sahip bir VSG kullanılarak gerçekleştirilebilir. Ölçüm sistemi doğru çalıştığında, ölçümlerin doğru olacağından emin olarak açık havada ölçümler yapılabilir.
Bir diğer önemli adım, sistemin doğru çalıştığını doğrulamak için ölçüm boyunca iletim gücünü izlemektir. Güç amplifikatörü, doğrusallığını ve bant dışı emisyon spektrumunu anlamak için ayrı ayrı karakterize edilir ve test edilir. Güç amplifikatörü, kurulumun geri kalanıyla birlikte tezgahta doğrulanabilir, ancak uygun şekilde derecelendirilmiş zayıflayıcılar kullanılarak VSA’ya maksimum nominal güç girişinin altındaki sinyal gücünü azaltmaya özen gösterilmelidir. Laboratuvar doğrulaması ve doğrulaması için GPS anteni veya ayarları kullanılmamalıdır. VSA’nın ekranı ortamın gerçek zamanlı izlenmesini sağlayabildiğinden, gerçek zamanlı monitör olarak bir SA eklenmesi sistemin mevcut durumunu belirlemeye yardımcı olur. Radyo sistemleri için kanal özelliklerini yakalamak için çeşitli kanal ses ölçüm sistemleri vardır: CW, doğrudan darbe, VNA kullanan frekans etki alanı, korelasyon tabanlı, süpürülmüş zaman gecikme çapraz korelatör.
Bu sistemin bir sınırlaması, yerel ortamı araştıran bir CW sinyalinin zaman gecikmesi profilleri gibi zaman etki alanı bilgileri içermemesidir. Zaman gecikmesi profili, sinyalin yerel ortamdaki kaynak yansımalarının zamanlaması hakkında bilgi verir. Bununla birlikte, bir CW sinyali kullanmanın bir avantajı, geniş bantlı bir sinyal iletmeye çalışmak yerine dar bant CW sinyalini kullanarak çeşitli bantlarda bir frekansta iletme izni almanın daha kolay olmasıdır. CW sistemleri diğer sistemlere göre daha büyük bir dinamik aralığa sahip olabilir ve sinyal genellikle ortamda daha fazla yayılabilir. CW sinyali ayrıca, diğer kanal ses sistemleri türlerine göre daha küçük dosya boyutlarına neden olan ses örnekleme hızlarına sahiptir. Bu sistemle veri koleksiyonları süreklidir ve birkaç saat sürebilir. Bu makalede ele verilen CW kanallı sounder ölçüm sistemi, çeşitli monte edilmiş bileşenlerin aralığına bağlı olarak farklı frekanslarda kullanılabilir. Sistem dış mekan yayılma ortamında veya iç mekan yayılma ortamında kullanılabilir15.
Acknowledgements
Bu makalede sunulan çalışmaları finanse ettiği için Savunma Spektrum Ofisi’ne (DSO) teşekkürler.
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).
