Denne rapporten beskriver oppsett, validering og verifisering, og resultater fra overføringsmålinger ved hjelp av et målesystem for radiofrekvenskanallyd med kontinuerlig bølge.
Kanallodd brukes til å måle kanalegenskaper for radiosystemer. Det finnes flere typer kanallodd som brukes i dag: kontinuerlig bølge (CW), direkte puls, frekvensdomene ved hjelp av en vektornettverksanalysator (VNA), korrelasjonsbasert og feidetidsforsinkelse krysskorrelasjon. Hver av disse har unike fordeler og ulemper. Faktisk vekt-systemer har et større dynamisk område enn andre systemer med et signal som kan forplante seg lenger inn i miljøet. Ettersom lydprøvefrekvensene tillater mindre filstørrelser enn andre systemer, kan datainnsamlingen være kontinuerlig og vare i flere timer. Denne artikkelen diskuterer et CW-kanals ekkoloddsystem, som har blitt brukt til å gjøre mange forplantningstapsmålinger i forskjellige byer i USA. Slike forplantningsmålinger bør være nøyaktige, reproduserbare og fri for artefakter eller fordommer. Denne artikkelen viser hvordan du konfigurerer målingen, hvordan du validerer og kontrollerer at systemet foretar pålitelige målinger, og til slutt viser det resultater fra noen av målekampanjene, for eksempel repeterbarhetsmålinger, rottapsmålinger (der rottap er definert som overflødig tap fra tap av fritt romoverføring) og gjensidighetsmålinger.
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet til National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et byrå fra det amerikanske handelsdepartementet. ITS har en lang historie med å utføre nøyaktige, anerkjente radiofrekvens (RF) forplantningsmålinger. Økningen i spektrumdeling har blitt ledsaget av behovet for nøyaktige, reproduserbare målinger som gir en bedre forståelse av radiomiljøet som flere tjenester må dele. De siste årene har de militære tjenestene utviklet spektrumdelingsordninger med kommersielle trådløse operatører i Advanced Wireless Services (AWS)-3-båndet (1755-1780 MHz)1. Dette vil tillate kommersielle trådløse operatører å bruke AWS-3-båndet før de faser militære tjenester ut av bandet. Bruken av båndet vil bli koordinert av både isolerende systemer geografisk og ved å modellere frekvensinterferensscenarier. For å dele dette spekteret er det nødvendig med forplantningsmålinger for å utvikle og forbedre forplantningsmodeller for evaluering av RF-forstyrrelser mellom militære og kommersielle trådløse systemer i båndet.
Defense Spectrum Organization (DSO) er ansvarlig for styringen av AWS-3-overgangen og har gitt ITS og andre i oppgave å utføre en rekke kanallydende målinger. Disse målingene vil bli brukt til å bygge nye modeller for beregning av virkningen av løvverk og menneskeskapte strukturer i miljøet (samlet kjent som rot). Forbedret forplantningsmodellering som står for rot kan føre til færre restriksjoner på kommersielle sendere i nærheten av militære systemer. CW-kanal-ekkoloddsystemet som er omtalt i denne artikkelen, har blitt brukt de siste fem årene til å samle inn radioutbredelsesmålingsdata og beregne rotdemping. Dette målesystemet gir nøyaktige, repeterbare og objektive resultater, og DSO oppfordret ITS til å dele sin institusjonelle kunnskap, inkludert beste målepraksis for måling og behandling av RF-forplantningsdata – med det bredere tekniske samfunnet.
Gode målerutiner krever forståelse av et system fra komponentnivå til samlet systemnivå. Disse beste målepraksisene er dokumentert i det nylig publiserte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 som beskriver et sett med beste praksis for forberedelse og verifisering av radioutbredelsesmålingssystemer. ITS fullførte nylig en JoVE-artikkel om kalibrering av en VNA som brukes til å måle komponenttap og identifisere dårlige komponenter for dette målesystemet3. Denne artikkelen er en fortsettelse i å dokumentere disse beste målepraksisene for det bredere fellesskapet. Selv om gode fremgangsmåter drøfter i denne artikkelen for et CW-kanalslodd, kan de samme teknikkene brukes til å bekrefte andre kanalloddsystemer: VNA-systemer; CW-systemer; full båndbredde, korrelasjonsbaserte systemer; direkte pulssystemer; og glidende korrelasjonsbaserte systemer4,5,6.
Denne artikkelen beskriver i detalj hvordan du konfigurerer et CW-kanals lydmålermålingssystem ved hjelp av en vektorsignalanalysator (VSA), en spektrumanalysator (SA), to rubidiumoscillatorer, en kraftmåler, en vektorsignalgenerator (VSG) og ulike filtre og effektdelere for målinger i et utendørs målemiljø7,8. Sendersiden av systemet består av VSG, som genererer et CW-signal som forsterkes av en effektforsterker. Dette deles deretter av et retningspar for å avlede noe av signalet til kraftmåleren, noe som gjør at brukeren kan overvåke systemutgangen. Resten av signalet sendes til mottakssiden av systemet via overføringskanalen. Mottakssiden består av et low-pass filter for å redusere interferens og harmonikk produsert av effektforsterkeren. Det filtrerte signalet deles i en strømdeler og mates inn i sikkerhetstilordningen for overvåking under målingen sammen med et tidsstempel og GPS-plassering (Global Positioning System). Den andre halvdelen av signalet sendes til VSA for å bli nedkonvertert til in-fase quadrature (I-Q) data i området 1-5 kHz. Samplingsfrekvensen bestemmes av instrumentet span9 og styres av de forventede Doppler spektrumskiftene, som er en funksjon av kjøretøyets hastighet. Den resulterende tidsserien overføres deretter til en datamaskin for etterbehandling og dataanalyse.
Rubidiumklokker brukes både på senderen og mottakeren for å gi svært nøyaktige målinger og svært stabile frekvenser. Rubidiumklokken på mottakersiden har en fin frekvensjustering for nøyaktig justering av overførings- og mottaksfrekvensene. Vanligvis justeres frekvensene til å være innenfor 0,1 Hz fra hverandre for testing. Rubidiumklokker er avgjørende for CW-forplantningsmålinger med høy nøyaktighet. De sikrer nøyaktig tidsbasenøyaktighet i løpet av målingene og forhindrer frekvensdrift av senderen og mottakeren. Denne artikkelen beskriver også hvordan du validerer og kontrollerer at et system foretar nøyaktige målinger i en laboratorieinnstilling, både med og uten antenne, før du foretar målinger i et utendørs miljø. Systemet har blitt brukt til en omfattende serie utendørs og innendørs tester ved frekvenser fra 430 MHz til 5,5 GHz og for mange forskjellige overføringskrefter7,8,10.
Det er svært viktig å teste et system som beskrevet i denne protokollen før du prøver å gjøre målinger i et utendørs miljø. På denne måten kan eventuelle dårlige komponenter eller ustabilitet spores og identifiseres i målesystemet og kan løses. De kritiske trinnene i denne protokollen er å 1) teste de enkelte komponentene først, og kontrollere at de opererer innenfor spesifikasjonen, 2) montere overførings- og mottakssider separat og teste kjedet av komponenter, 3) montere overførings- og mottakssiden ved å sette inn en trappet dempings- og måle signalnivåer når dempingen endres for å sikre at de mottatte signalnivåene i VSA og SA er som beregnet. Videre feilsøking kan utføres ved hjelp av en VSG, for eksempel den som vises i materialtabellen, som har et alternativ for å generere falmingssimuleringer, som kan brukes til å teste systemet ved hjelp av simulerte bølgeformer i ulike falmingsmiljøer som oppstår i virkelige forplantningsmiljøer. Når målesystemet fungerer som det skal, kan målinger gjøres i et utemiljø med tillit til at målingene vil være nøyaktige.
Et annet viktig trinn er å overvåke senderkraften gjennom hele målingen for å bekrefte at systemet fungerer som det skal. Kraftforsterkeren karakteriseres og testes separat for å forstå dens linearitet og utslippsspektra utenfor båndet. Strømforsterkeren kan valideres på benken med resten av oppsettet, men det må utvises forsiktighet for å redusere signaleffekten under den maksimale nominelle strøminngangen til VSA ved hjelp av riktig rangerte dempere. Verken GPS-antennen eller dens innstillinger bør brukes til laboratorieverifisering og validering. Siden VSAs skjerm ikke er i stand til å gi sanntidsovervåking av miljøet, bidrar tillegg av en sikkerhetstilordning som en sanntidsmonitor til å bestemme systemets nåværende tilstand. Det finnes flere typer kanallydende målesystemer for å fange kanalkarakteristikker for radiosystemer: CW, direkte puls, frekvensdomene ved hjelp av en VNA, korrelasjonsbasert, feidetidsforsinkelse krysskorrelasjon.
En begrensning i dette systemet er at et faktisk vekt-signal som undersøker det lokale miljøet, ikke inneholder tidsdomeneinformasjon, for eksempel tidsforsinkelsesprofiler. En tidsforsinkelsesprofil gir informasjon om tidspunktet for kilderefleksjoner av signalet i lokalmiljøet. En fordel med å bruke et CW-signal er imidlertid at det er lettere å få tillatelse til å overføre på en frekvens i forskjellige bånd ved hjelp av CW-signalet for smalt bånd i stedet for å prøve å overføre et bredbåndssignal. Faktisk vekt-systemer kan ha et større dynamisk område enn andre systemer, og signalet kan vanligvis forplante seg videre i miljøet. Et faktisk vekt-signal har også lydprøvefrekvenser som resulterer i mindre filstørrelser enn andre typer kanallydende systemer. Med dette systemet er datainnsamlinger kontinuerlige og kan vare i flere timer. CW-kanals sounder-målesystemet som er omtalt i denne artikkelen, kan brukes ved forskjellige frekvenser, avhengig av rekkevidden til de forskjellige monterte komponentene. Systemet kan brukes i et utendørs forplantningsmiljø eller et innendørs forplantningsmiljø15.
Takk til Forsvarets spektrumkontor (DSO) for å finansiere arbeidet som presenteres i denne artikkelen.
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 |