Method Article
本报告描述了设置、确认和确认,以及使用连续波、射频信道探测测量系统的传播测量结果。
信道发声器用于测量无线电系统的信道特性。目前使用的通道发声器有几种类型:连续波 (CW)、直接脉冲、使用矢量网络分析仪 (VNA) 的频域、基于相关性的和扫描时间延迟交叉相关器。其中每一种都有其独特的优点和缺点。CW系统具有比其他系统更大的动态范围,其信号可以进一步传播到环境中。由于音频采样率允许比其他系统更小的文件大小,因此数据收集可以是连续的,并且持续数小时。本文讨论了一种CW信道发声系统,该系统已用于在美国各个城市进行大量传播损耗测量。这种传播测量应该是准确的,可重复的,并且没有伪影或偏差。本文介绍如何设置测量,如何验证和确认系统是否进行可靠的测量,最后,它显示了一些测量活动的结果,例如可重复性测量,杂波损失测量(其中杂波损失定义为自由空间传输损耗的多余损耗)和互惠测量。
电信科学研究所(ITS)是美国商务部下属的国家电信和信息管理局(NTIA)的研究实验室。ITS 在进行精确、备受推崇的射频 (RF) 传播测量方面有着悠久的历史。频谱共享的增加伴随着对准确,可重复的测量的需求,以便更好地了解多个服务必须共享的无线电环境。在过去几年中,军事部门一直在与高级无线服务(AWS)-3频段(1755-1780 MHz)1的商业无线运营商制定频谱共享安排。这将允许商业无线运营商在逐步淘汰军用服务之前使用AWS-3频段。频段的使用将通过地理隔离系统和频率干扰场景建模来协调。为了共享该频段的频谱,传播测量对于开发和改进传播模型是必要的,以评估频段内军用和商业无线系统之间的RF干扰。
国防频谱组织 (DSO) 负责管理 AWS-3 过渡,并已责成 ITS 和其他机构执行一系列信道探测测量。这些测量将用于构建新的模型,以计算树叶和人造结构对环境(统称为杂波)的影响。改进的传播建模可以消除杂乱,从而减少对军事系统附近商业发射机的限制。本文中讨论的CW信道发声器系统在过去五年中一直用于收集无线电传播测量数据并计算杂波衰减。该测量系统可产生准确、可重复且无偏倚的结果,DSO鼓励ITS与更广泛的技术社区分享其机构知识,包括用于测量和处理RF传播数据的最佳测量实践。
最佳 测量 实践 需要 从 组件 级 到 组装 系统 级 了解 系统。这些最佳测量实践已记录在最近发布的NTIA技术备忘录TM-19-5352中,该备忘录描述了一套准备和验证无线电传播测量系统的最佳实践。ITS 最近完成了一篇关于校准用于测量该测量系统组件损耗和识别不良组件的 VNA 的 JoVE 文章3。本文是针对更广泛社区记录这些最佳度量实践的延续。尽管本文讨论了CW声道发声器的最佳实践,但这些相同的技术可用于验证其他声道发声器系统:VNA系统;连续波系统;全带宽、基于相关性的系统;直接脉冲系统;和基于滑动相关因子的系统4,5,6。
本文详细介绍了如何使用矢量信号分析仪 (VSA)、频谱分析仪 (SA)、两个铷振荡器、一个功率计、矢量信号发生器 (VSG) 以及各种滤波器和功分器来设置 CW 声道发声器测量系统,以便在室外测量环境中进行测量7,8。系统的发射侧由VSG组成,VSG产生由功率放大器增强的CW信号。然后将其分成一个方向耦合,将一些信号转移到功率计,允许用户监控系统输出。其余的信号通过传播通道发送到系统的接收端。接收侧由一个低通滤波器组成,以减少功率放大器产生的干扰和谐波。滤波后的信号在功率分配器中分离并馈入SA,以便在测量期间进行监控,同时提供时间戳和全球定位系统(GPS)位置。信号的另一半被发送到VSA,下变频为1-5 kHz范围内的同相正交(I-Q)数据。采样率由仪器span9 决定,并由预期的多普勒光谱偏移引导,这是车辆速度的函数。然后将生成的时间序列传输到计算机进行后处理和数据分析。
铷钟用于发射器和接收器,以提供高精度测量和高度稳定的频率。接收端的铷钟具有精细的频率调节,用于发送和接收频率的精确对准。通常,频率被调整为彼此之间的距离在0.1 Hz以内,以便进行测试。铷钟对于高精度CW传播测量至关重要。它们可确保测量过程中的精确时基精度,并防止发射器和接收器的频率漂移。本文还详细介绍了在室外环境中进行测量之前,如何验证和确认系统在实验室环境中进行精确测量,无论是否使用天线。该系统已用于一系列广泛的室外和室内测试,频率范围为430 MHz至5.5 GHz,并具有许多不同的发射功率7,8,10。
注:ITS通道发声器系统如图 1 和 图2所示,台式评估设置如图 3所示。在设置CW声道发声器时,请参考这些数字,以确保所有组件都已正确配置。以下各节说明如何在进行测量之前验证和确认系统。
1. 测量系统设置
注:本节介绍如何为现场测量设置系统。首先,在组装整个系统之前,必须单独考虑和测量系统发射侧和接收侧的系统损耗。然后,组装整个系统,并配置、校准和同步各个仪器,为实验室验证和确认做好准备。
2. 实验室验证和确认
3. 现场测量
注意:在每次测量活动之前,请务必测试并验证系统。
在对所呈现的系统进行现场验证期间获得了以下结果。发射机位于科罗拉多州博尔德市商业部博尔德实验室后面的科勒台面上。接收器在专门设计的测量车辆中穿过科罗拉多州的博尔德(见 图6),并进行了连续测量。SA 将扫描的数据存储为事件数据结构中的日志幅度格式,而 GPS 数据存储在同一文件中的单独事件数据结构中。 图 7 显示了一次扫描的数据示例。存储的数据转换为线性功率(以瓦特为单位);为该扫描中的所有点计算平均值,然后将其转换回对数大小。GPS 信息被分配到红色 X 以 −71.5 dBm 的值显示的扫描的平均值。此过程将针对文件中的每次扫描完成。
接下来,对来自VSA的基带I-Q数据进行处理,如公式1所示。计算每个I-Q样本的功率(以dBm为单位)。在此步骤中,VSA 收集峰值数据,这些数据必须转换为 dBm。
(1)
在测量过程中,基带I-Q数据存储在临时文件中。VSA 不会获取任何 GPS 信息。选择文件的长度,使请求的记录数等于驱动器时间的秒数。测量完成后,数据将写入一个文件,其结构由VSA软件开发人员预先编程。保存到此文件中的数据包括测量样本之间的时间差、频率和复杂数据样本。处理步骤涉及在500 ms窗口内平滑整个数据集的基带I-Q数据的大小,以接近40波长的驱动距离。 图8 显示了平滑平均功率与大部分驾驶测试的原始数据相比如何。原始数据由蓝色迹线显示,平滑的平均功率由红色迹线显示。
VSA 和 SA 数据集使用循环卷积对齐。每秒的 VSA 数据点与每秒生成的 SA 样本对齐,以将 GPS 坐标从 SA 传输到 VSA 数据点。线性回归模型通过最小化两个数据集的测量功率水平之间的残差来对齐数据。通过绘制 x 轴上的 SA 功率(以 dBm 为单位)和 y 轴上的 VSA 功率(以 dBm 为单位)来显示对齐数据(图 9)。由于SA系统本底噪声高于VSA系统噪底,因此对于接近本底噪声的数据集,该图将显示在低于约-115 dBm的点处的向下曲率。 图 9 和 图 10 显示了 VSA 电源和 SA 功率与经过的时间(以秒为单位)的对齐情况。然后,来自 SA 平均功率的 GPS 时间戳将附加到 VSA 平均平滑功率数据序列的第一个数据点。通过校正从功率分配器到SA的电缆损耗,消除了两个数据集之间的垂直偏移;但是,由于仅使用带时间戳的 VSA 数据,因此不需要执行此额外步骤。然后将这些数据保存并用于朗利-赖斯/不规则地形模型(ITM)11,12 中,以预测地形损失。通过添加系统损耗和除去系统增益来校正VSA数据,以获得沿驱动路径测得的基本传输损耗(BTL)或基本传输增益(BTG),如图 11 和 图12 所示,由等式2给出。
(2)
其中,BTL是基本传输损耗,Pt和Pr是以dBm为单位的发射和接收功率,Gt和Gr分别是dBi中发射和接收天线的增益,Lt和Lr是dB中发射系统和接收系统的系统损耗, 分别。
在 图11中,紫色星星是发射位置。黄色和紫色点分别表示接收的最高和最低信号电平。 图12显示了测得的BTG(黑色x)、ITM建模的BTG(蓝色+)、自由空间传输增益(FSTG)(红色圆圈)和系统噪底(粉红点)。当ITM BTG等于FSTG时,没有地形相互作用,所有损失(FSTG和MBTG之间的差异)都可以假设来自建筑物,树叶或与周围环境的其他相互作用。如图 13 所示,其中黑线是从 USGS terrain database13 中提取的地形,红色虚线是发射天线和接收天线之间的视线 (LOS) 线,蓝色、虚线和虚线是上部和下部的第一菲涅耳区域14 ,其中大部分能量被定位。
图 1:传输组件和连接图。 连续波 (CW) 声道发声器的发射侧。缩写: RF = 射频;引用 = 引用。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 2:接收组件和连接图。 连续波 (CW) 声道发声器的接收侧。缩写: GPS = 全球定位系统;射频 = 射频;Ext Ref = 外部引用;GPS 蚂蚁 = GPS 天线;Ext Trig/Ref = 外部触发/基准;TCP/IP = 传输控制协议/互联网协议;频率调整 = 频率调整;直流 = 直流电。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3:实验室中的CW声道发声系统。 电信科学研究所(ITS)信道发声器的台式部署,用于系统验证和精度测试,显示主要组件。缩写: VSA = 矢量信号分析仪;VSG = 矢量信号发生器。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4:I-Q 显示屏。 使用同相和正交 (I-Q) 图进行频率调整。缩写: CW = 连续波;TimeLen = 时间长度;I轴=同相轴;Q 轴 = 正交轴。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 5:验证和确认系统设置。 用于验证和确认测量的系统设置。缩写:I-Q = 同相正交;射频 = 射频;引用 = 引用;GPS = 全球定位系统;Ext Trig/Ref = 外部触发/基准;TCP/IP = 传输控制协议/互联网协议;频率调整 = 频率调整;直流 = 直流电。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 6:车轮上的蜂窝 (COW) 和测量车。 照片显示了用于接收系统的绿色面包车和用于容纳发射系统的车轮蜂窝(COW)。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 7:频谱分析仪扫描和扫描平均值。 频谱分析仪数据采集的单次扫描,在 0.5 秒的扫描时间内由 461 个点组成。缩写:SA = 频谱分析仪。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 8:矢量信号分析仪接收功率和移动平均线。 与在 0.5 s 窗口内计算的平均功率(红色迹线)相比,较大运行的一小段的同相和正交 (I-Q) 幅度数据(蓝色迹线)。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 9:VSA 和 SA 信号对齐。 矢量信号分析仪功率和频谱分析仪功率的对准。缩写: VSA = 矢量信号分析仪;SA = 频谱分析仪。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 10:信号对准后 VSA 和 SA 接通电源。 矢量信号分析仪功率与频谱分析仪功率与经过时间(以秒为单位)对齐。缩写: VSA = 矢量信号分析仪;SA = 频谱分析仪。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 11:测量的基本传输增益的地理位置。 沿驱动路径测量的基本传输增益。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 12:测量和建模的基本传输增益。 测量的基本传输增益(蓝色 x)、不规则地形模型 (ITM)、基本传输增益 (BTG)(黑色 +)、自由空间传输增益(红色圆圈)和系统噪底(粉红点)与驱动路线沿经过的时间的关系。缩写:MBTG = 测量的基本传输增益;ITM = 不规则地形模型。 请点击此处查看此图的放大版本。
图13:地形剖面和第一菲涅耳带。 美国地质调查局经过时间 1636.2 秒的地形剖面图(黑线)。上部(第一条)菲涅耳区(蓝色,虚线)和下部(第一条)菲涅耳区(蓝色,虚线)也与发射天线和接收天线之间的视线线(红色虚线)一起绘制。缩写: USGS = 美国地质调查局;NED = 国家高程数据库。 请点击此处查看此图的放大版本。
在尝试在室外环境中进行测量之前,按照本协议中所述测试系统非常重要。通过这种方式,可以在测量系统中跟踪和识别任何不良组件或不稳定性,并可以解决。该协议中的关键步骤是1)首先测试各个组件,并验证它们是否在其规格范围内运行,2)分别组装发送端和接收侧并测试组件链,3)通过插入阶梯衰减器来组装发送端和接收侧,并在衰减变化时测量信号电平,以确保VSA和SA中的接收信号电平与计算一样。可以使用VSG(如 材料表中所示的VSG)进行进一步的故障排除,该VSG具有生成衰落模拟的选项,可用于在实际传播环境中遇到的各种衰落环境中使用模拟波形测试系统。一旦测量系统正常运行,就可以在室外环境中进行测量,并确信测量将是准确的。
另一个重要步骤是在整个测量过程中监控发射功率,以验证系统是否正常运行。功率放大器单独进行表征和测试,以了解其线性度和带外发射光谱。功率放大器可以在台面上进行设置其余部分的验证,但必须注意使用适当额定衰减器将信号功率降低到VSA的最大额定功率输入以下。GPS 天线及其设置均不得用于实验室验证和确认。由于 VSA 的屏幕无法提供对环境的实时监视,因此添加 SA 作为实时监视器有助于确定系统的当前状态。有几种类型的信道探测测量系统来捕获无线电系统的信道特性:CW、直接脉冲、使用VNA的频域、基于相关性的扫描时间延迟交叉相关器。
该系统的一个限制是探测本地环境的CW信号不包含时域信息,例如时滞配置文件。延时配置文件提供有关信号在本地环境中的源反射时间的信息。但是,使用 CW 信号的一个优点是,使用窄带 CW 信号更容易获得在不同频段的一个频率上进行传输的许可,而不是尝试传输宽带信号。CW系统可以具有比其他系统更大的动态范围,并且信号通常可以在环境中进一步传播。CW 信号还具有音频采样率,导致文件大小小于其他类型的通道探测系统。使用此系统,数据收集是连续的,可以持续数小时。本文中讨论的CW声道发声器测量系统可以在不同的频率下使用,具体取决于各种组装组件的范围。该系统可用于室外传播环境或室内传播环境15。
感谢国防频谱办公室(DSO)为本文中介绍的工作提供资金。
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 |
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。