Den här rapporten beskriver installationen, valideringen och verifieringen och resultatet av spridningsmätningar med hjälp av ett mätsystem för kontinuerlig våg, radiofrekvenskanalljudande.
Kanalljudare används för att mäta kanalegenskaper för radiosystem. Det finns flera typer av kanalljudare som används idag: kontinuerlig våg (CW), direktpuls, frekvensdomän med hjälp av en vektornätverksanalysator (VNA), korrelationsbaserad och svept tidsfördröjning korskorretelator. Var och en av dessa har unika fördelar och nackdelar. CW-system har ett större dynamiskt omfång än andra system med en signal som kan spridas vidare till miljön. Eftersom ljud samplings frekvensen tillåter mindre fil storlekar än andra system kan datainsamlingen vara kontinuerlig och pågå i flera timmar. Denna artikel diskuterar ett CW-kanaliserar soundersystem, som har använts för att göra talrika förökningsförlustmätningar i olika städer i Förenta staterna. Sådana förökningsmätningar bör vara exakta, reproducerbara och fria från artefakter eller fördomar. Den här artikeln visar hur du ställer in mätningen, hur man validerar och verifierar att systemet gör tillförlitliga mätningar, och slutligen visar den resultat från några av mätkampanjerna som repeatability-mätningar, mätningar av skräpförlust (där skräpförlust definieras som överskottsförlust från förlust av fritt utrymme) och ömsesidighetsmätningar.
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) är forskningslaboratoriet vid National Telecommunications and Information Administration (NTIA), en byrå vid U.S. Department of Commerce. ITS har en lång historia av att genomföra exakta, väl ansedda radiofrekvens (RF) förökningsmätningar. Ökningen av spektrumdelningen har åtföljts av behovet av exakta, reproducerbara mätningar som ger en bättre förståelse för den radiomiljö som flera tjänster måste dela. Under de senaste åren har de militära tjänsterna utvecklat spektrumdelningsarrangemang med kommersiella trådlösa operatörer i Advanced Wireless Services (AWS)-3 band (1755-1780 MHz)1. Detta kommer att göra det möjligt för kommersiella trådlösa operatörer att använda AWS-3-bandet innan de fasar ut militära tjänster ur bandet. Användningen av bandet kommer att samordnas både genom att isolera system geografiskt och genom modellering av frekvensstörningsscenarier. För att dela detta spektrumband är förökningsmätningar nödvändiga för att utveckla och förbättra förökningsmodeller för utvärdering av RF-interferens mellan de militära och kommersiella trådlösa systemen inom bandet.
Defense Spectrum Organization (DSO) ansvarar för hanteringen av AWS-3-övergången och har gett ITS och andra i uppdrag att utföra en serie kanalljudande mätningar. Dessa mätningar kommer att användas för att bygga nya modeller för beräkning av effekterna av lövverk och konstgjorda strukturer i miljön (gemensamt känd som röra). Förbättrad förökningsmodellering som står för röran kan leda till färre restriktioner för kommersiella sändare i närheten av militära system. CW-kanal-ljudsystem som diskuteras i den här artikeln har använts under de senaste fem åren för att samla in radioutbredning mätdata och beräkna röran dämpning. Detta mätsystem ger exakta, repeterbara och opartiska resultat, och DSO uppmuntrade ITS att dela med sig av sina institutionella kunskaper, inklusive bästa mätmetoder för mätning och bearbetning av RF-spridningsdata- med det bredare tekniska samfundet.
Bästa mätmetoder kräver att man förstår ett system från komponentnivå till monterad systemnivå. Dessa bästa mätmetoder har dokumenterats i det nyligen offentliggjorda NTIA Technical Memorandum TM-19-5352 som beskriver en uppsättning bästa praxis för förberedelse och kontroll av radioutbredningssystem. ITS slutförde nyligen en JoVE-artikel om kalibrering av en VNA som används för att mäta komponentförluster och identifiera dåliga komponenter för detta mätsystem3. Den här artikeln är en fortsättning på att dokumentera dessa bästa mätmetoder för samhället i stort. Även om metodtips diskuteras i den här artikeln för en CW-kanalsljudare, kan samma tekniker användas för att verifiera andra kanalljudsystem: VNA-system; CW-system; Korrelationsbaserade system med full bandbredd. Direktpulssystem. och glidande korrelatorbaserade system4,5,6.
Den här artikeln beskriver i detalj hur man ställer in ett CW-kanals ljudsystem med hjälp av en vektorsignalanalysator (VSA), en spektrumanalysator (SA), två rubidiumoscillatorer, en effektmätare, en vektorsignalgenerator (VSG) och olika filter och effektdelare för mätningar i en utomhusmätningsmiljö7,8. Den sändande sidan av systemet består av VSG, som genererar en CW-signal som förstärks av en effektförstärkare. Detta delas sedan av ett riktningspar för att avleda en del av signalen till strömmätaren, vilket gör det möjligt för användaren att övervaka systemets utgång. Resten av signalen skickas till den mottagande sidan av systemet via spridningskanalen. Den mottagande sidan består av ett lågpassfilter för att minska störningar och övertoner som produceras av effektförstärkaren. Den filtrerade signalen delas i en effektavdelare och matas in i SA för övervakning under mätningen tillsammans med en tidsstämpel och GPS-plats (Global Positioning System). Den andra halvan av signalen skickas till VSA för att nedkonverteras till I-Q-data i fas (I-Q) i intervallet 1-5 kHz. Provtagningshastigheten bestäms av instrumentets spännvidd9 och styrs av de förväntade Dopplerspektrumförskjutningarna, som är en funktion av fordonets hastighet. Den resulterande tidsserien överförs sedan till en dator för efterbearbetning och dataanalys.
Rubidiumklockor används vid både sändaren och mottagaren för att ge mycket exakta mätningar och mycket stabila frekvenser. Rubidiumklockan i mottagaränden har en fin frekvensjustering för den exakta justeringen av överförings- och mottagningsfrekvenserna. Vanligtvis justeras frekvenserna till 0,1 Hz från varandra för testning. Rubidiumklockor är nödvändiga för CW-förökningsmätningar med hög noggrannhet. De säkerställer exakt tidsbasnoggrannhet under mätningarnas gång och förhindrar frekvensavdrift hos sändaren och mottagaren. Den här artikeln beskriver också hur man validerar och verifierar att ett system gör exakta mätningar i laboratoriemiljö, både med och utan antenn, innan man gör mätningar i en utomhusmiljö. Systemet har använts för en omfattande serie utomhus- och inomhustester vid frekvenser från 430 MHz till 5,5 GHz och för många olika överföringskrafter7,8,10.
Det är mycket viktigt att testa ett system som beskrivs i detta protokoll innan du försöker göra mätningar i en utomhusmiljö. På så sätt kan alla dåliga komponenter eller instabiliteter spåras och identifieras i mätsystemet och kan lösas. De kritiska stegen i detta protokoll är att 1) testa de enskilda komponenterna först och kontrollera att de arbetar inom ramen för sin specifikation, 2) montera sändande och mottagande sidor separat och testa kedjan av komponenter, 3) montera överförings- och mottagningssidan genom att sätta in ett stegad dämpare och mäta signalnivåerna när dämpningen ändras för att se till att de mottagna signalnivåerna i VSA och SA är som beräknat. Ytterligare felsökning kan utföras med hjälp av en VSG, till exempel den som visas i tabellen av material, som har ett alternativ för att generera blekningssimuleringar, som kan användas för att testa systemet med simulerade vågformer i olika blekningsmiljöer som påträffas i verkliga spridningsmiljöer. När mätsystemet fungerar korrekt kan mätningar göras i en utomhusmiljö med förtroende för att mätningarna kommer att vara korrekta.
Ett annat viktigt steg är att övervaka överföringseffekten under hela mätningen för att verifiera att systemet fungerar korrekt. Effektförstärkaren karakteriseras och testas separat för att förstå dess linjäritet och out-of-band utsläppsspektra. Effektförstärkaren kan valideras på bänkskivan med resten av installationen, men man måste vara noga med att minska signaleffekten under den maximala nominella effektingången till VSA med hjälp av lämpligt klassade dämpare. Varken GPS-antennen eller dess inställningar bör användas för laboratorieverifiering och validering. Eftersom VSA:s skärm inte kan tillhandahålla övervakning i realtid av miljön, hjälper tillägget av en SA som en realtidsövervakare till att bestämma systemets aktuella tillstånd. Det finns flera typer av kanalljudande mätsystem för att fånga kanalegenskaper för radiosystem: CW, direktpuls, frekvensdomän med hjälp av en VNA, korrelationsbaserad, svept tidsfördröjning korskorretelator.
En begränsning av det här systemet är att en CW-signal som söker efter den lokala miljön inte innehåller tidsdomäninformation, till exempel tidsfördröjningsprofiler. En tidsfördröjningsprofil ger information om tidpunkten för källreflektioner av signalen i den lokala miljön. En fördel med att använda en CW-signal är dock att det är lättare att få tillstånd att sända på en frekvens i olika band med hjälp av smalbands-CW-signalen snarare än att försöka överföra en bredbandssignal. CW-system kan ha ett större dynamiskt omfång än andra system, och signalen kan vanligtvis spridas ytterligare i miljön. En CW-signal har också ljudprovtagningshastigheter som resulterar i mindre filstorlekar än andra typer av kanalljudsystem. Med det här systemet är datainsamlingarna kontinuerliga och kan pågå i flera timmar. CW-kanals ljudsystem som diskuteras i den här artikeln kan användas vid olika frekvenser, beroende på de olika monterade komponenternas räckvidd. Systemet kan användas i en utomhusutbredningsmiljö eller en inomhusutbredningsmiljö15.
Tack till Defense Spectrum Office (DSO) för att finansiera det arbete som presenteras i den här artikeln.
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 |