Summary
Este informe describe la configuración, validación y verificación, y los resultados de las mediciones de propagación utilizando un sistema de medición de sondeo de canales de radiofrecuencia de onda continua.
Abstract
Las sondas de canal se utilizan para medir las características del canal para sistemas de radio. Hay varios tipos de sondas de canal utilizadas hoy en día: onda continua (CW), pulso directo, dominio de frecuencia utilizando un analizador de red vectorial (VNA), correlación cruzada basado en correlación y retardo de tiempo barrido. Cada uno de estos tiene ventajas y desventajas únicas. Los sistemas CW tienen un rango dinámico más grande que otros sistemas con una señal que puede propagarse más en el medio ambiente. Como las frecuencias de muestreo de audio permiten tamaños de archivo más pequeños que otros sistemas, la recopilación de datos puede ser continua y durar varias horas. Este artículo discute un sistema de sonda de canal CW, que se ha utilizado para realizar numerosas mediciones de pérdida de propagación en varias ciudades de los Estados Unidos de América. Tales mediciones de propagación deben ser precisas, reproducibles y libres de artefactos o sesgos. Este artículo muestra cómo configurar la medición, cómo validar y verificar que el sistema está realizando mediciones confiables y, finalmente, muestra los resultados de algunas de las campañas de medición, como las mediciones de repetibilidad, las mediciones de pérdida de desorden (donde la pérdida de desorden se define como la pérdida excesiva de la pérdida de transmisión de espacio libre) y las mediciones de reciprocidad.
Introduction
El Instituto de Ciencias de las Telecomunicaciones (ITS) es el laboratorio de investigación de la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos. ITS tiene una larga historia de realización de mediciones de propagación de radiofrecuencia (RF) precisas y bien consideradas. El aumento del uso compartido del espectro ha ido acompañado de la necesidad de mediciones precisas y reproducibles que proporcionen una mejor comprensión del entorno radioeléctrico que múltiples servicios tendrán que compartir. Durante los últimos años, los servicios militares han estado desarrollando acuerdos de uso compartido del espectro con operadores inalámbricos comerciales en la banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz)1. Esto permitirá a los operadores inalámbricos comerciales utilizar la banda AWS-3 antes de eliminar gradualmente los servicios militares de la banda. El uso de la banda se coordinará tanto mediante sistemas de aislamiento geográfico como mediante el modelado de escenarios de interferencia de frecuencia. Para compartir esta banda de espectro, las mediciones de propagación son necesarias para desarrollar y mejorar los modelos de propagación para la evaluación de la interferencia de RF entre los sistemas inalámbricos militares y comerciales dentro de la banda.
La Organización del Espectro de Defensa (DSO) es responsable de la administración de la transición de AWS-3 y ha encargado a ITS y otros que realicen una serie de mediciones de sondeo de canal. Estas mediciones se utilizarán para construir nuevos modelos para el cálculo del impacto del follaje y las estructuras artificiales en el medio ambiente (conocidos colectivamente como desorden). Un modelo de propagación mejorado que tenga en cuenta el desorden podría conducir a menos restricciones en los transmisores comerciales en las cercanías de los sistemas militares. El sistema de sonda de canal CW discutido en este artículo se ha utilizado durante los últimos cinco años para recopilar datos de medición de propagación de radio y calcular la atenuación del desorden. Este sistema de medición produce resultados precisos, repetibles e imparciales, y DSO alentó a ITS a compartir sus conocimientos institucionales, incluidas las mejores prácticas de medición para la medición y el procesamiento de datos de propagación de RF, con la comunidad técnica en general.
Las mejores prácticas de medición requieren comprender un sistema desde el nivel de componente hasta el nivel de sistema ensamblado. Estas mejores prácticas de medición se han documentado en el Memorando Técnico de la NTIA TM-19-5352 recientemente publicado que describe un conjunto de mejores prácticas para la preparación y verificación de los sistemas de medición de propagación radioeléctrica. ITS completó recientemente un artículo de JoVE sobre la calibración de un VNA utilizado para medir las pérdidas de componentes e identificar componentes defectuosos para este sistema de medición3. Este artículo es una continuación de la documentación de estas mejores prácticas de medición para la comunidad en general. Aunque las mejores prácticas se discuten en este artículo para una sonda de canal CW, estas mismas técnicas se pueden utilizar para verificar otros sistemas de sonda de canal: sistemas VNA; Sistemas CW; sistemas de ancho de banda completo, basados en correlación; sistemas de pulso directo; y sistemas deslizantes basados en correladores4,5,6.
Este artículo describe en detalle cómo configurar un sistema de medición de sonda de canal CW utilizando un analizador de señal vectorial (VSA), un analizador de espectro (SA), dos osciladores de rubidio, un medidor de potencia, un generador de señal vectorial (VSG) y varios filtros y divisores de potencia para mediciones en un entorno de medición al aire libre7,8. El lado transmisor del sistema consiste en el VSG, que genera una señal CW que es impulsada por un amplificador de potencia. Esto se divide por un par direccional para desviar parte de la señal al medidor de potencia, lo que permite al usuario monitorear la salida del sistema. El resto de la señal se envía al lado receptor del sistema a través del canal de propagación. El lado receptor consiste en un filtro de paso bajo para reducir la interferencia y los armónicos producidos por el amplificador de potencia. La señal filtrada se divide en un divisor de potencia y se introduce en el SA para su monitoreo durante la medición junto con una marca de tiempo y la ubicación del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). La otra mitad de la señal se envía al VSA para ser convertida en datos de cuadratura en fase (I-Q) en el rango de 1-5 kHz. La frecuencia de muestreo está determinada por el instrumento span9 y es guiada por los cambios esperados del espectro Doppler, que son una función de la velocidad del vehículo. La serie temporal resultante se transfiere a un ordenador para el postprocesamiento y el análisis de datos.
Los relojes de rubidio se utilizan tanto en el transmisor como en el receptor para proporcionar mediciones altamente precisas y frecuencias altamente estables. El reloj de rubidio en el extremo receptor tiene un ajuste de frecuencia fino para la alineación precisa de las frecuencias transmisoras y receptoras. Por lo general, las frecuencias se ajustan para estar dentro de 0.1 Hz entre sí para las pruebas. Los relojes de rubidio son esenciales para las mediciones de propagación CW de alta precisión. Aseguran una precisión precisa de la base de tiempo en el transcurso de las mediciones y evitan la deriva de frecuencia del transmisor y el receptor. Este artículo también detalla cómo validar y verificar que un sistema está realizando mediciones precisas en un entorno de laboratorio, tanto con como sin antena, antes de realizar mediciones en un entorno al aire libre. El sistema se ha utilizado para una extensa serie de pruebas en exteriores e interiores a frecuencias que van desde 430 MHz a 5,5 GHz y para muchas potencias de transmisión diferentes7,8,10.
Protocol
NOTA: El sistema de sonda de canal ITS se muestra en la Figura 1 y la Figura 2, y una configuración de evaluación de sobremesa se muestra en la Figura 3. Haga referencia a estas figuras mientras configura la sonda de canal CW para asegurarse de que todos los componentes estén configurados correctamente. En las secciones siguientes se explica cómo verificar y validar un sistema antes de realizar mediciones.
1. Configuración del sistema de medición
NOTA: En esta sección se describe cómo se configura un sistema para las mediciones de campo. En primer lugar, las pérdidas del sistema tanto en el lado transmisor como en el receptor del sistema deben contabilizarse y medirse por separado antes de ensamblar el sistema completo. Luego, se ensambla el sistema completo y se configuran, calibran y sincronizan los instrumentos individuales para prepararse para la verificación y validación en el laboratorio.
- Mida los parámetros S, utilizando un VNA2, para componentes individuales del sistema antes de ensamblar el sistema: cables, atenuadores, divisores de potencia, acopladores direccionales y filtros de paso bajo.
NOTA: Esto caracterizará las pérdidas e identificará los cables rotos o un dispositivo fuera de especificación. - Ensamble el cable Tipo N en la salida del amplificador de potencia, el acoplador direccional, el filtro de paso de banda y el cable Tipo N que se conectará a la antena, y use el VNA para medir la cadena de componentes.
NOTA: Esta medición incluirá reflexiones internas que no se ven al medir componentes individuales con un VNA. - Registre el valor S21 , que será un número negativo, y se utilizará como pérdida del sistema transmisor. Utilice estos valores para corregir el nivel de señal recibida que se describe en la sección de resultados representativos.
- Configuración del sistema de transmisión
- Conecte todos los dispositivos a una fuente de alimentación: ya sea una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) o un conjunto de tomacorrientes protegido contra sobretensiones. Asegúrese de que todos los instrumentos estén apagados mientras conecta los componentes.
- Montar el equipo transmisor (Figura 1).
- Conecte la salida de 10 MHz del oscilador de rubidio al puerto Ref IN del VSG mediante un cable Bayonet-Neill-Concelman (BNC). Conecte el puerto RF OUT del VSG a la entrada del puerto IN del acoplador direccional mediante un cable tipo N. No se inserta ningún amplificador de potencia hasta el paso 3.2 del protocolo.
- Conecte el puerto OUT del acoplador direccional al filtro de paso de banda apropiado del puerto de entrada (si es necesario) utilizando un conector hembra a hembra tipo N.
NOTA: Se utiliza un filtro de paso de banda para minimizar las frecuencias armónicas en otras bandas.
- Ensamble el cable Tipo N que se conectará a la antena receptora, el filtro, el cable entre el filtro y el divisor de potencia, y el cable Tipo N que se conectará al VSA; utilizar el VNA para medir este sistema de componentes.
- Realice la misma medición, pero a través de los mismos componentes conectados a la SA. Registre los valores de S21 , que se utilizarán como pérdidas del sistema receptor en el lado VSA del divisor de potencia y el lado SA del divisor de potencia. Utilice estos valores para corregir el nivel de señal recibida que se describe en la sección de resultados representativos.
- Configuración del sistema receptor
- Conecte todos los dispositivos a una fuente de alimentación: ya sea un UPS o un conjunto de tomacorrientes protegido contra sobretensiones. Asegúrese de que todos los instrumentos estén apagados mientras conecta los componentes.
- Montar el equipo receptor (Figura 2).
- Conecte un cable tipo N a la entrada del filtro de paso de banda. Conecte la salida del filtro de paso de banda a la entrada del divisor de potencia (puerto 1).
- Conecte el puerto 2 del divisor de alimentación al puerto RF IN del VSA. Conecte el puerto 3 del divisor de alimentación al puerto RF IN del SA.
- Usando un cable de enchufe BNC a banana, conecte el Adj de frecuencia del oscilador de rubidio a la SALIDA DE CC de la fuente de alimentación de corriente continua (CC).
- Conecte una salida de 10 MHz del oscilador de rubidio al puerto Ext Ref In del VSA mediante un cable BNC. Conecte una salida de 10 MHz del oscilador de rubidio al puerto Ext Trig/Ref In del analizador de espectro.
- Encienda el VSG y asegúrese de que esté configurado en RF OFF. Encienda el medidor de potencia. Encienda todos los instrumentos y permita que los instrumentos se calienten durante una hora antes de realizar cualquier medición.
- Configure el VSA en modo VSA 89601B. Mientras esté en modo VSA, establezca la frecuencia central en la frecuencia CW de interés. Finalmente, seleccione el número de puntos tomados teniendo en cuenta la longitud deseada de la medición general.
NOTA: Aunque el sistema funciona con un CW, el tramo debe configurarse para capturar cualquier desplazamiento Doppler y desvanecimiento. El ancho de banda de resolución determina el filtro utilizado por el VSA para medir la potencia a medida que se extiende a través del lapso de frecuencia, por lo que seleccionar un ancho de banda de baja resolución permite una medición más precisa. Como compensación, un ancho de banda de menor resolución toma un mayor tiempo por punto. - Configure el VSA con los siguientes ajustes: seleccione el modo VSA 89601B; frecuencia central: Freq MHz (por ejemplo, 1770 MHz); span: 3 kHz; TimeLen: 1 s; ResBW: 3.81938 Hz; NumPts: max (491026 pts, 409601 pts)-depende de VSA; Rng: -42 dBm; valor de escala superior del gráfico superior: -30 dBm.
- Asegúrese de que el SA esté controlado por un software de control de instrumentos que utilice comandos estándar programables para comandos de instrumentos programables (SCPI), de modo que se puedan recopilar y guardar barridos continuos.
- Establezca el SA de tal manera que las frecuencias de inicio y parada coincidan con la frecuencia central de VSA. Como el RBW determina de manera similar el tamaño del filtro utilizado por el SA, establezca el RBW en el mismo valor que el lapso de la medición VSA.
- Establezca el ancho de banda de vídeo en el mismo valor que el ancho de banda de resolución y el modo de detección en muestra para grabar datos no comprobados. Deje la atenuación apagada, asegurándose de que el SA no se sobrecargue y mantenga el preamplificador encendido.
- Configure la SA con lo siguiente para cada barrido: StartFreq: Misma frecuencia central que en la configuración de VSA (por ejemplo, 1770 MHz); StopFreq: Misma frecuencia central que en la configuración de VSA (por ejemplo, 1770 MHz); RBW (MHz): 0,003; VBW (MHz): 0,003; detector: muestra; tiempo de barrido: 500 ms; pts/trace: 461; preamplificador ENCENDIDO; atenuación: 0; atenuación automática: Desactivado.
- En la SA, pulse Intro para acceder a los menús. Habilite Referencia externa pulsando el botón Mayús y seleccionando el botón Sistema en el analizador de espectro. A continuación, seleccione Más | Configuración del puerto | | de entrada Ext Ref usando las teclas programables cerca de la pantalla.
- Configure el VSG seleccionando una salida CW.
- Ajuste la frecuencia a 1770 MHz. Siga el procedimiento de la sección 4.22 para determinar el rango lineal del amplificador de potencia.
- Ajuste la amplitud de salida VSG a -4 dBm, el límite superior del rango lineal del amplificador de potencia.
- Calibre el medidor de potencia.
- Conecte el cabezal del medidor de potencia en el puerto de referencia (canal A o B) y el otro extremo del medidor de potencia en un puerto de medición.
- Establezca la frecuencia del medidor de potencia en 1770 MHz para el puerto de referencia utilizado anteriormente. Cero y calibra el medidor de potencia. Asegúrese de que la lectura del medidor de potencia permanezca dentro de 0.2 dB de 0 dBm.
- Desenchufe el cabezal del medidor de potencia del puerto de referencia y conecte el cabezal del medidor de potencia a la salida del atenuador que se muestra en la Figura 1.
- Calibrar el VSA: Utilidades | calibración | Calibración. Encienda rf en el VSG.
NOTA: Asegúrese de que haya una señal en el analizador de espectro. Si el nivel de señal desciende a -120 dBm, la referencia externa no está activada. Si la señal es demasiado fuerte, sobrecargará el sistema receptor y dañará el VSA o SA. Tenga en cuenta los niveles máximos de señal de entrada (que generalmente se muestran en la parte frontal del instrumento) y manténgase al menos 10 dB por debajo de este nivel. - Sincronice los osciladores de rubidio ajustando el voltaje, pero no exceda el voltaje de entrada máximo permitido en el puerto de sincronización de rubidio.
- Cambie TimeLen en el gráfico superior de la pantalla VSA a 100 ms. Establezca el eje y en la gráfica inferior en I-Q.
- Presione Corriente/Voltaje en el panel frontal de la fuente de alimentación. Cambie el voltaje un poco a la vez y observe el punto en la pantalla VSA: si gira hacia adelante y hacia atrás, no haga nada, las frecuencias están alineadas. Si gira en una dirección de manera consistente, cambie la lectura del medidor de potencia (voltaje) hasta que el punto en el gráfico I-Q comience a disminuir la velocidad y se mueva lentamente hacia adelante y hacia atrás (movimiento del péndulo) (Figura 4).
- Vuelva a establecer TimeLen en el gráfico superior de la pantalla VSA en 1 s y vuelva a establecer el eje Y en Log Magnitude.
- Tome 10 registros de adquisición en el SA para verificar que todos los parámetros se han configurado correctamente y que el nivel de señal en la pantalla SA coincide con el nivel de señal en la pantalla inferior VSA.
2. Verificación y validación de laboratorio
- Sin conectar antenas, inserte un atenuador variable entre el lado transmisor del sistema y el lado receptor del sistema (Figura 5). Retire el amplificador de potencia de la configuración de medición para esta verificación.
- Establezca la atenuación escalonada del atenuador en 0 dB y el número de registros en la > de entrada VSA Grabación en 120.
NOTA: Un registro es igual al conjunto TimeLen en el VSA. - Establezca el número de barridos en la SA en 120 registros. Cambie la amplitud de salida del VSG a 0 dBm y pulse el botón RF ON del VSG.
- Establezca un marcador de pico para encontrar el valor de la intensidad de la señal y verifique que se vea una señal en el VSA. Inicie el VSA presionando el botón Grabar en la parte superior de la pantalla. Inicie una medición SA utilizando el software de control del instrumento.
- Cambie el atenuador escalonado a 10 dB y repita los pasos 4-10. Revise todos los ajustes del atenuador escalonado y registre los valores de cada ajuste de atenuación.
NOTA: A medida que el atenuador se acerca a 90 a 110 dB, la señal se volverá más ruidosa a medida que se acerque al piso de ruido del sistema del instrumento. Los valores de medición cerca del piso de ruido del sistema serán muy variables. - Para verificar los niveles de señal recibidos de VSA, calcule un promedio de ventana de 0.5 s al registro de VSA de 120 s y promedie cada barrido del SA. Agregue el nivel de potencia de salida VSG, las pérdidas del sistema del lado transmisor y del lado receptor, y la configuración del atenuador escalonado.
NOTA: El valor de la suma antes mencionada en el paso 2.6 debe ser igual a los niveles de señal recibidos promediados registrados por el VSA y el SA dentro de 0.5 dB, para atenuaciones escalonadas inferiores a 80 dB. Si no lo hacen, regrese y vuelva a medir las pérdidas del sistema.
3. Mediciones de campo
NOTA: Siempre pruebe y verifique el sistema antes de cada campaña de medición.
- Complete los pasos 1.1-1.3 antes de cada nueva campaña de medición y configure el lado transmisor del sistema, como se describe en la sección 1.4.
NOTA: Esto generalmente se aloja en un celular sobre ruedas (COW), que permanece fijo durante las mediciones. - Conecte el amplificador de potencia entre el VSG y el acoplador direccional, como se describe en el paso 1.4.2.1.
- Utilice un acoplador direccional que pueda manejar los niveles de potencia generados por el amplificador de potencia. Agregue un atenuador de 50 dB al acoplador direccional en el puerto acoplado para permanecer dentro de los niveles de potencia de entrada especificados del medidor de potencia y conecte el medidor de potencia a este puerto. Conecte el cable de salida tipo N desde el acoplador direccional a la antena transmisora.
- Configure el lado receptor del sistema, como se describe en los pasos 1.5-1.6, dentro de un vehículo móvil. Conecte la antena receptora al cable tipo N conectado al filtro.
- Además de los pasos de configuración de SA 1.11.3-1.11.4, la antena GPS debe configurarse en sa.
- Habilite el registro GPS: Configuración de Meas | Habilitar | de registro GPS GPS estándar.
- Habilite el GPS en el analizador de espectro manteniendo pulsado el botón Mayús y seleccionando el botón Sistema en el analizador de espectro. A continuación, seleccione Más | | GPS GPS-ON & GPS Info-ON usando las teclas programables cerca de la pantalla.
- Coloque la antena GPS en el techo del vehículo receptor de medición. Asegúrese de que el software de medición también lea en cadenas NMEA del GPS para cada barrido.
- Continúe la configuración como se describe en los pasos 1.11 a 1.17 y establezca el número de registros en la entrada vsA | Registro basado en el tiempo de medición estimado. Establezca el número de registros SA en el número de registros VSA más aproximadamente 300 registros, teniendo en cuenta que el SA barre más lentamente que el VSA.
- Comience la medición iniciando primero el VSA presionando el botón Grabar en la parte superior de la pantalla. Iniciar la medición del analizador de espectro.
- Después de la medición, guarde el archivo de grabación VSA | Guardar | Guardar grabación. Opciones de guardado | Guardar encabezados con datos. Al guardar el archivo, agregue un _VSA al final del archivo. Cambie el nombre del archivo de datos del analizador de espectro para que coincida con el nombre de archivo del VSA, pero agregue _SA para el analizador de espectro.
Representative Results
Los siguientes resultados se obtuvieron durante una verificación de campo del sistema presentado. El transmisor estaba ubicado en Kohler Mesa detrás de los Laboratorios Boulder del Departamento de Comercio en Boulder, Colorado. El receptor fue conducido a través de Boulder, Colorado, en un vehículo de medición especialmente diseñado (ver Figura 6), y se tomaron mediciones continuas. El SA almacena los datos barridos como formato de magnitud de registro en una estructura de datos de eventos, mientras que los datos GPS se almacenan en una estructura de datos de eventos separada dentro del mismo archivo. En la figura 7 se muestra un ejemplo de datos para un barrido. Los datos almacenados se convierten en potencia lineal en vatios; se calcula una media para todos los puntos de ese barrido y luego se convierte de nuevo a la magnitud logarítmica. La información GPS se asigna a este valor medio para el barrido mostrado por la X roja a un valor de −71,5 dBm. Este proceso se realiza para cada barrido en el archivo.
A continuación, los datos I-Q de banda base del VSA se procesan como se muestra en la ecuación 1. La potencia en dBm se calcula para cada muestra I-Q. El VSA recopila datos de pico, que deben convertirse a dBm, durante este paso.
(1)
Durante la medición, los datos I-Q de banda base se almacenan en un archivo temporal. La VSA no adquiere información GPS. La longitud del archivo se elige de tal manera que el número de registros solicitados sea igual al número de segundos de tiempo de unidad. Una vez finalizada la medición, los datos se escriben en un archivo cuya estructura está preprogramada por los desarrolladores de software VSA. Los datos guardados en este archivo incluyen la diferencia de tiempo entre las muestras de medición, la frecuencia y las muestras de datos complejos. El paso de procesamiento implica el suavizado de la magnitud de los datos I-Q de banda base en una ventana de 500 ms para que todo el conjunto de datos se aproxime a una distancia de conducción de 40 longitudes de onda. La Figura 8 muestra cómo la potencia media suavizada se compara con los datos sin procesar para una porción más grande de una prueba de manejo. Los datos en bruto se muestran mediante la traza azul, y la potencia media suavizada se muestra mediante la traza roja.
Los conjuntos de datos VSA y SA se alinean mediante una convolución circular. El punto de datos VSA en cada segundo se alinea con las muestras SA generadas en cada segundo para transferir las coordenadas GPS del SA a los puntos de datos VSA. Un modelo de regresión lineal alinea los datos minimizando los residuos entre los niveles de potencia medidos de los dos conjuntos de datos. Los datos alineados se presentan trazando la potencia SA en dBm en el eje X y la potencia VSA en dBm en el eje Y (Figura 9). Como el piso de ruido del sistema SA es más alto que el piso de ruido del sistema VSA, el gráfico mostrará una curvatura descendente en puntos por debajo de aproximadamente -115 dBm para conjuntos de datos cercanos al piso de ruido. La Figura 9 y la Figura 10 muestran la alineación de la potencia VSA y la potencia SA frente al tiempo transcurrido en segundos. La marca de tiempo GPS de la potencia media SA se adjunta al primer punto de datos de la serie de datos de potencia suavizada promedio VSA. El desplazamiento vertical entre los dos conjuntos de datos se elimina corrigiendo la pérdida de cable desde el divisor de potencia hasta el SA; sin embargo, como solo se utilizan los datos VSA con marca de tiempo, este paso adicional es innecesario. Estos datos se guardan y utilizan en el Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 para predecir las pérdidas del terreno. Los datos de VSA se corrigen sumando las pérdidas del sistema y eliminando las ganancias del sistema para obtener la pérdida de transmisión básica (BTL) medida o la ganancia de transmisión básica (BTG) a lo largo de la ruta de accionamiento como se muestra en la Figura 11 y la Figura 12 y está dada por la ecuación 2.
(2)
donde, BTL es la pérdida de transmisión básica, Pt y Pr son las potencias transmisoras y receptoras en dBm, Gt y Gr son las ganancias de las antenas transmisoras y receptoras en dBi, respectivamente, y Lt y Lr son las pérdidas del sistema para el sistema transmisor y el sistema receptor en dB, respectivamente.
En la Figura 11, la estrella púrpura es la ubicación transmisora. Los puntos amarillos y morados representan los niveles de señal recibidos más altos y más bajos, respectivamente. En la Figura 12 se muestra una gráfica del BTG medido (x negras), el BTG modelado por ITM (azul +), la ganancia de transmisión de espacio libre (FSTG) (círculos rojos) y el piso de ruido del sistema (puntos rosas). Cuando el ITM BTG es igual al FSTG, no hay interacciones del terreno, y se puede suponer que todas las pérdidas (diferencia entre FSTG y MBTG) provienen de edificios, follaje u otras interacciones con el entorno circundante. Esto se muestra en la Figura 13, donde la línea negra es el terreno extraído de la base de datos de terrenos del USGS13, la línea roja discontinua es la línea de línea de visión (LOS) entre la antena transmisora y la antena receptora, y las líneas azules, punteadas y discontinuas son las primeras zonas de Fresnel superior e inferior14 donde se localiza la mayor parte de la energía.
Figura 1: Diagrama de componentes y conexiones transmisoras. Lado transmisor de la sonda de canal de onda continua (CW). Abreviaturas: RF = radiofrecuencia; Ref = referencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Diagrama de componentes receptores y conexiones. Lado receptor de la sonda de canal de onda continua (CW). Abreviaturas: GPS = Sistema de Posicionamiento Global; RF = radiofrecuencia; Ext Ref = referencia externa; GPS Ant = antena GPS; Ext Trig/Ref = disparador/referencia externo; TCP/IP = protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet; Freq Adj = Ajustado por frecuencia; CC = corriente continua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Sistema de sonda de canal CW en laboratorio. Un despliegue de sobremesa de la sonda de canal del Instituto de Ciencias de las Telecomunicaciones (ITS) para la validación del sistema y las pruebas de precisión que muestran los componentes principales. Abreviaturas: VSA = analizador de señal vectorial; VSG = generador de señal vectorial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Pantalla I-Q. Ajuste de frecuencia mediante diagrama en fase y cuadratura (I-Q). Abreviaturas: CW = onda continua; TimeLen = duración del tiempo; Eje I = eje en fase; Eje Q = eje cuadratura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Configuración del sistema de verificación y validación. Configuración del sistema para mediciones de verificación y validación. Abreviaturas: I-Q = cuadratura en fase; RF = radiofrecuencia; Ref = referencia; GPS = Sistema de Posicionamiento Global; Ext Trig/Ref = disparador externo/Referencia; TCP/IP = protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet; Freq Adj = frecuencia ajustada; CC = corriente continua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Celular sobre ruedas (COW) y furgoneta de medición. Foto que muestra la camioneta verde utilizada para el sistema de recepción y el sistema celular sobre ruedas (COW) utilizado para albergar el sistema de transmisión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Barrido del analizador de espectro y promedio de barrido. Barrido único para la captura de datos del analizador de espectro que consta de 461 puntos durante un tiempo de barrido de 0,5 s. Abreviatura: SA = analizador de espectro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: El analizador de señal vectorial recibió potencia y media móvil. Datos de magnitud en fase y cuadratura (I-Q) (traza azul) para una pequeña porción de una carrera más grande en comparación con la potencia media (traza roja) calculada en una ventana de 0,5 s. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Alineación de señales VSA y SA. Alineación de la potencia del analizador de señal vectorial y la potencia del analizador de espectro. Abreviaturas: VSA = analizador de señal vectorial; SA = analizador de espectro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: VSA y SA recibieron energía después de la alineación de la señal. Potencia del analizador de señal vectorial alineada y potencia del analizador de espectro frente al tiempo transcurrido en segundos. Abreviaturas: VSA = analizador de señal vectorial; SA = analizador de espectro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: Geolocalización de la ganancia de transmisión básica medida. Ganancia de transmisión básica medida a lo largo de la ruta de conducción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12: Ganancia de transmisión básica medida y modelada. Ganancia de transmisión básica medida (x azules), ganancia de transmisión básica (BTG) del modelo de terreno irregular (ITM) (negro +), ganancia de transmisión de espacio libre (círculos rojos) y piso de ruido del sistema (puntos rosas) frente al tiempo transcurrido a lo largo de la ruta de conducción. Abreviaturas: MBTG = Ganancia de transmisión básica medida; ITM = Modelo de terreno irregular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13: Perfil del terreno y primera zona de Fresnel. Perfil del terreno del Servicio Geológico de los Estados Unidos (línea negra) para el tiempo transcurrido 1636.2 s. La zona de Fresnel superior (primera) (azul, línea punteada) y la zona de Fresnel inferior (primera) (azul, línea discontinua) también se trazan junto con la línea de línea de visión (línea roja, discontinua) entre la antena transmisora y la antena receptora. Abreviaturas: USGS = Servicio Geológico de los Estados Unidos; NED = base de datos nacional de elevación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Es muy importante probar un sistema como se describe en este protocolo antes de intentar realizar mediciones en un entorno al aire libre. De esta manera, cualquier componente defectuoso o inestabilidades se puede rastrear e identificar en el sistema de medición y se puede resolver. Los pasos críticos en este protocolo son 1) probar los componentes individuales primero y verificar que estén operando dentro de su especificación, 2) ensamblar los lados transmisores y receptores por separado y probar la cadena de componentes, 3) ensamblar el lado transmisor y receptor insertando un atenuador escalonado y midiendo los niveles de señal a medida que se cambia la atenuación para asegurarse de que los niveles de señal recibidos en el VSA y SA sean los calculados. Se puede realizar una solución de problemas adicional mediante el uso de un VSG, como el que se muestra en la Tabla de materiales, que tiene la opción de generar simulaciones de desvanecimiento, que se pueden usar para probar el sistema utilizando formas de onda simuladas en varios entornos de desvanecimiento encontrados en entornos de propagación del mundo real. Una vez que el sistema de medición funciona correctamente, las mediciones se pueden realizar en un entorno al aire libre con la confianza de que las mediciones serán precisas.
Otro paso importante es monitorear la potencia de transmisión a lo largo de la medición para verificar que el sistema esté funcionando correctamente. El amplificador de potencia se caracteriza y prueba por separado para comprender su linealidad y espectros de emisiones fuera de banda. El amplificador de potencia puede validarse en la mesa de trabajo con el resto de la configuración, pero se debe tener cuidado de reducir la potencia de la señal por debajo de la entrada de potencia nominal máxima al VSA utilizando atenuadores con la clasificación adecuada. Ni la antena GPS ni su configuración deben utilizarse para la verificación y validación de laboratorio. Como la pantalla del VSA no es capaz de proporcionar monitoreo en tiempo real del entorno, la adición de un SA como monitor en tiempo real ayuda a determinar el estado actual del sistema. Existen varios tipos de sistemas de medición de sondeo de canal para capturar las características del canal para sistemas de radio: CW, pulso directo, dominio de frecuencia utilizando un VNA, correlador cruzado de retardo de tiempo barrido basado en correlación.
Una limitación de este sistema es que una señal CW que sondea el entorno local no contiene información del dominio del tiempo, como los perfiles de retardo de tiempo. Un perfil de retardo de tiempo proporciona información sobre el tiempo de las reflexiones de la fuente de la señal en el entorno local. Sin embargo, una ventaja de usar una señal CW es que es más fácil obtener permiso para transmitir en una frecuencia en varias bandas utilizando la señal CW de banda estrecha en lugar de tratar de transmitir una señal de banda ancha. Los sistemas CW pueden tener un rango dinámico más grande que otros sistemas, y la señal generalmente puede propagarse más en el entorno. Una señal CW también tiene frecuencias de muestreo de audio que dan como resultado tamaños de archivo más pequeños que otros tipos de sistemas de sondeo de canal. Con este sistema, las recopilaciones de datos son continuas y pueden durar varias horas. El sistema de medición de sonda de canal CW discutido en este artículo se puede usar a diferentes frecuencias, dependiendo del rango de los diversos componentes ensamblados. El sistema se puede utilizar en un entorno de propagación al aire libre o en un entorno de propagación interior15.
Acknowledgments
Gracias a la Oficina del Espectro de Defensa (DSO) por financiar el trabajo presentado en este artículo.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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- 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). , Pittsburgh, PA. available at https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2686.aspx 584-587 (2012).
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