Name: continuous-wave propagation channel-sounding measurement system - testing, verification, and measurements
Uploaded: 2021-06-25T14:00:00
Duration: 9 min 36 s
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この記事で紹介した作業に資金を提供してくれた国防スペクトルオフィス(DSO)に感謝します。

メモ: ITS チャネルサウンダシステムを図 1 と図 2 に示し、ベンチトップ評価セットアップを図 3 に示します。CWチャネル・サウンダのセットアップ時にこれらの図を参照して、すべてのコンポーネントが正しく構成されていることを確認します。以下のセクションでは、測定を行う前にシステムを検証および検証する方法について説明します。
1. 測定システムのセットアップ
メモ: このセクションでは、フィールド測定用にシステムを設定する方法について説明します。まず、システム全体を組み立てる前に、システムの送信側と受信側の両方でシステム損失を別々に説明し、測定する必要があります。その後、システム全体が組み立てられ、個々の機器が構成、較正、および同期され、ラボでの検証と検証の準備が行われます。
<ol><li>システムを組み立てる前に、VNA2を使用して個々のシステムコンポーネント(ケーブル、アッテネータ、パワースプリッタ、方向性結合器、ローパスフィルタ)のSパラメータを測定します。 メモ:これにより、損失を特徴付け、破損したケーブルや仕様外のデバイスが特定されます。</li>
	<li>パワーアンプ、方向性結合器、バンドパスフィルタ、およびアンテナに接続されるタイプNケーブルの出力にタイプNケーブルを組み立て、VNAを使用してコンポーネントチェーンを測定します。 メモ: この測定には、VNA で個々のコンポーネントを測定しても見られない内部反射が含まれます。</li>
	<li>負の数になるS21 値を記録し、送信システム損失として使用されます。これらの値を使用して、代表的な結果のセクションで説明した受信信号レベルを修正します。</li>
	<li>セットアップシステムの送信<ol>
<li>すべてのデバイスを電源 (無停電電源装置 (UPS) またはサージで保護されたコンセントのセット) に接続します。コンポーネントをフックしている間、すべての計測器の電源がオフ状態であることを確認してください。</li>
		<li>送信装置を組み立てます(図1)。<ol>
<li>ベヨネット・ニール・コンセルマン(BNC)ケーブルを使用して、ルビジウム発振器の10MHz出力をVSGの Ref IN ポートに接続します。VSGの RF OUT ポートをタイプNケーブルを使用してディレクショナルカプラ IN ポートの入力に接続します。プロトコルステップ3.2までパワーアンプは挿入されません。</li>
			<li>指向性結合器の OUT ポートを、タイプNメス-メスコネクタを使用して、必要に応じて入力ポートの適切なバンドパスフィルタに接続します。 メモ: バンドパスフィルタは、他の帯域の高調波周波数を最小限に抑えるために使用されます。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>受信アンテナに接続するタイプNケーブル、フィルタ、フィルタとパワースプリッタ間のケーブル、VSAに接続するタイプNケーブルを組み立てます。VNA を使用して、このコンポーネント システムを測定します。</li>
	<li>SAに接続された同じコンポーネントを使用して、同じ測定を行います。パワースプリッタのVSA側とパワースプリッタのSA側の受信システム損失として使用されるS21 値を記録します。これらの値を使用して、代表的な結果のセクションで説明した受信信号レベルを修正します。</li>
	<li>システムのセットアップの受信<ol>
<li>すべてのデバイスを電源(UPSまたはサージで保護されたコンセントのセット)に接続します。コンポーネントをフックしている間、すべての計測器の電源がオフ状態になっていることを確認してください。</li>
		<li>受信機器を組み立てます(図2)。<ol>
<li>タイプNケーブルをバンドパスフィルタの入力に接続します。バンドパスフィルタの出力を電力分配器(ポート1)の入力に接続します。</li>
			<li>電源分配器のポート 2 を VSA の RF IN ポートに接続します。電力分配器のポート 3 を SA の RF IN ポートに接続します。</li>
			<li>BNCからバナナプラグコードまでを使用して、ルビジウム発振器の 周波数調整 を直流(DC)電源のDC OUT に接続します。</li>
			<li>BNCケーブルを使用して、ルビジウム発振器の10MHz出力をVSAの Ext Ref Inポートに接続します。ルビジウム発振器の10MHz出力をスペクトラムアナライザの Ext Trig/Ref Inポートに接続します。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>VSG の電源をオンにし、 VSG が RF OFF に設定されていることを確認します。パワーメーターの電源を入れます。すべての計測器の電源を入れ、計測器を1時間ウォームアップしてから測定を行います。</li>
	<li>VSA を VSA 89601B モードで設定します。VSA モードでは、中心周波数を目的の CW 周波数に設定します。最後に、測定全体の希望する長さを念頭に置いて撮影されたポイントの数を選択します。 メモ:システムはCWを使用して動作しますが、ドップラーシフトとフェージングをキャプチャするようにスパンを設定する必要があります。分解能帯域幅は、VSAが周波数スパンをスイープするときに電力を測定するために使用するフィルタを決定するため、低分解能帯域幅を選択すると、より正確な測定が可能になります。トレードオフとして、解像度の低い帯域幅はポイントあたりの時間がかかります。</li>
	<li>次の設定でVSAを構成します:VSA 89601Bモードを選択します。中心周波数: 周波数MHz (例:1770MHz)。スパン: 3 kHz;タイムレン: 1 秒;レスBW: 3.81938 ヘルツ;NumPts:最大(491026ポイント、409601ポイント)-VSAに依存します。Rng: -42 dBm;トップグラフの上限スケール値: -30 dBm。</li>
	<li>連続的な掃引を収集して保存できるように、プログラマブル計測器(SCPI)コマンドにプログラマブル標準コマンドを使用する計測器制御ソフトウェアによってSAが制御されていることを確認します。<ol>
<li>開始周波数と停止周波数がVSAの中心周波数と一致するようにSAを設定します。RBW が SA で使用されるフィルターサイズを同様に決定するため、RBW を VSA 測定のスパンと同じ値に設定します。</li>
		<li>ビデオ帯域幅を解像度帯域幅と同じ値に設定し、検出モードをサンプリングして平均化されていないデータを記録します。SAに過負荷がかからないように減衰をオフにし、プリアンプをオンにしたままにします。</li>
		<li>各スイープに対して次のように SA を設定します: StartFreq: VSA セットアップと同じ中心周波数(例: 1770 MHz)。StopFreq: VSA セットアップと同じ中心周波数(例: 1770 MHz)。RBW (メガヘルツ): 0.003;VBW (メガヘルツ): 0.003;検出器:サンプル;掃引時間:500ミリ秒。ポイント/トレース: 461;プリアンプオン;減衰量:0;自動減衰:オフ。</li>
		<li>SA で、 Enter キーを押してメニューにアクセスします。外部参照を有効にするには、 Shift ボタンを押し、スペクトラムアナライザの [システム ]ボタンを選択します。次に、[ その他の|] を選択します。ポート設定|内線入力| 画面付近のソフトキーを使用して参照します。</li>
	</ol></li>
	<li>CW 出力を選択して VSG を設定します。<ol>
<li>周波数を 1770 MHz に設定します。セクション 4.22 の手順に従って、パワーアンプ のリニアレンジを決定します。</li>
		<li>VSG 出力振幅を -4 dBm に設定します。上限はパワーアンプの線形範囲です。</li>
	</ol></li>
	<li>パワーメーターを校正します。<ol>
<li>パワーメーターヘッドを基準ポート(チャンネルAまたはB)に差し込み、パワーメーターのもう一方の端を測定ポートに差し込みます。</li>
		<li>上記で使用したリファレンスポートのパワーメータ周波数を1770MHzに設定します。ゼロにして、パワーメーターを校正します。電力メーターの読み取り値が 0.2 dB から 0 dBm 以内に保たれていることを確認します。</li>
		<li>パワー・メータ・ヘッドをリファレンス・ポートから取り外し、パワー・メータ・ヘッドを 図1に示すアッテネータの出力に接続します。</li>
	</ol></li>
	<li>VSAのキャリブレーション: ユーティリティ|キャリブレーション|キャリブレーション。VSG で RF をオンにします。 メモ:スペクトラムアナライザに信号があることを確認してください。信号レベルが-120 dBmに低下した場合、外部リファレンスはオンになっていません。信号が強すぎると、受信システムに過負荷がかかり、VSAまたはSAのいずれかが損傷します。最大入力信号レベル(通常は計測器の前面に表示されます)に注意し、このレベルより少なくとも10dB低く抑えてください。</li>
	<li>電圧を設定してルビジウム発振器を同期させますが、ルビジウム同期ポートで許可されている最大入力電圧を超えないようにしてください。<ol>
<li>VSA画面の一番上のグラフの TimeLen を100ミリ秒に変更します。下のプロットのY軸をI-Qに設定します。</li>
		<li>電源 ユニット(PSU) の前面パネルの電流/電圧を押します。電圧を少しずつ変更し、VSA画面上のドットを見てください:それが前後に回転し、何もしないで、周波数が整列します。一方向に一貫して回転する場合は、I-Qプロット上のドットが減速し始め、ゆっくりと前後に動く(振り子の動き)まで、電力計の読み取り値(電圧)を変更します(図4)。</li>
		<li>VSA画面の一番上のグラフの TimeLen を1秒に戻し、Y軸を対数マグニチュードに戻します。</li>
	</ol></li>
	<li>SAで10レコードの集録記録を取得して、すべてのパラメータが正しく設定されていること、およびSA画面の信号レベルがVSA下部画面の信号レベルと一致することを確認します。</li>
</ol>2. ラボでの検証と検証
<ol><li>アンテナを取り付けずに、システムの送信側と受信側の間に可変減衰器を挿入します(図5)。この検証のために、測定セットアップからパワーアンプを取り外します。</li>
	<li>ステップアッテネータ減衰を0dBに設定し、VSA 入力>記録 のレコード数を120に設定します。 注: 1 つのレコードは、 VSA に設定されている TimeLen と同じです。</li>
	<li>SA のスイープ数を 120 レコードに設定します。VSG の出力振幅を 0 dBm に変更し、VSG の RF ON ボタンを押します。</li>
	<li>ピークマーカーを設定して信号強度の値を見つけ、VSAに信号が表示されることを確認します。VSAを起動するには、画面上部の 録音 ボタンを押します。計測器制御ソフトウェアを使用してSA測定を開始します。</li>
	<li>ステップアッテネータを10dBに変更し、ステップ4~10を繰り返します。ステップアッテネータのすべての設定を調べ、各減衰設定の値を記録します。 メモ:アッテネータが90~110dBに近づくと、信号が計測器のシステムノイズフロアに近づくにつれてノイズが大きくなります。システムのノイズフロア付近の測定値は、非常に変動します。</li>
	<li>VSA 受信信号レベルを確認するには、120 秒の VSA レコードに対する 0.5 秒のウィンドウ平均を計算し、SA の各スイープを平均します。VSG出力電力レベル、送信側と受信側のシステム損失、およびステップアッテネータ設定を追加します。 注: ステップ 2.6 の前述の合計の値は、ステップ減衰が 80 dB 未満の場合、VSA と SA によって記録された平均受信信号レベルと 0.5 dB 以内に等しくなければなりません。そうでない場合は、戻ってシステム損失を再測定してください。</li>
</ol>3. フィールド測定
メモ: すべての測定キャンペーンの前に、必ずシステムをテストおよび検証してください。
<ol><li>新しい測定キャンペーンの前にステップ 1.1 から 1.3 を完了し、セクション 1.4 で説明したように、システムの送信側を設定します。 注:これは通常、セルラーオンホイール(COW)に収容され、測定中は固定されたままです。</li>
	<li>ステップ 1.4.2.1 で説明するように、VSG と方向性結合器の間にパワー・アンプを接続します。<ol>
<li>パワーアンプによって生成される電力レベルを処理できる方向性結合器を使用してください。結合ポートの方向性結合器に 50 dB アッテネータを追加して、パワー メータの指定された入力電力レベル内に収まるようにし、このポートにパワー メータを接続します。出力タイプ N ケーブルを方向性結合器から送信アンテナに接続します。</li>
		<li>ステップ 1.5 から 1.6 で説明したように、システムの受信側を移動車両内にセットアップします。受信アンテナをフィルタに接続されたタイプNケーブルに接続します。</li>
		<li>SA セットアップ ステップ 1.11.3-1.11.4 に加えて、GPS アンテナは SA でセットアップする必要があります。<ol>
<li>GPSレコードを有効にする: ミース設定|GPSレコード|を有効にする標準の GPS。</li>
			<li>スペクトラムアナライザーでGPSを有効にするには、Shiftボタンを押しながらスペクトラムアナライザのシステムボタンを選択します。次に、[その他の|] を選択します。GPS|GPS-ON & GPS 画面付近のソフトキーを使った情報。</li>
			<li>GPSアンテナを受信機測定車両の屋根の上に置きます。測定ソフトウェアがスイープごとにGPSからNMEAストリングも読み取ることを確認します。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>手順 1.11-1.17 で説明したようにセットアップを続行し、VSA 入力|のレコード数を設定します。推定測定時間に基づく記録。SA レコードの数を VSA レコード数に約 300 レコードを加えたものに設定します。SA のスイープ速度は VSA よりも遅いことに注意してください。</li>
	<li>測定を開始するには、まず画面上部の 録音 ボタンを押してVSAを起動します。スペクトラムアナライザ測定を開始します。</li>
	<li>測定後、VSA記録ファイルを|保存します |を保存録音を保存します。保存オプション |ヘッダーをデータと共に保存します。ファイルを保存するときは、ファイルの末尾に _VSA を追加します。スペクトラムアナライザのデータファイルの名前をVSAのファイル名と一致するように変更しますが、スペクトラムアナライザの _SA を追加します。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Commerce Spectrum Management Advisory Commmittee. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).</li><li>Best practices for radio propagation measurements. NTIA Technical Memo TM-19-535. U.S. Dept. of Commerce Available from: <a target="_blank" href="https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3211.aspx">https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3211.aspx</a> (2018)</li><li>Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., Tran, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calibration+of+a+Vector+Network+Analyzer+for+Measurements+in+Radio+Frequency+Propagation+Channels.">Calibration of a Vector Network Analyzer for Measurements in Radio Frequency Propagation Channels.</a> Journal of Visualized Experiments. (160), e60874 (2020).</li><li>Channel sounder measurement verification: conducted tests. NTIA Joint Report JR-20-549. U.S. Department of Commerce Available from: <a target="_blank" href="https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3241.aspx">https://www.its.bldrdoc.gov/publications/3241.aspx</a> (2020)</li><li>Molisch, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Wireless communications. 2nd edition. , (2010).</li><li>Anderson, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+an+ultrabroadband+millimeter-wavelength+vector+sliding+correlator+channel+sounder+and+in-building+multipath+measurements+at+2.5+&amp;+60+GHz.">Design and implementation of an ultrabroadband millimeter-wavelength vector sliding correlator channel sounder and in-building multipath measurements at 2.5 &amp; 60 GHz.</a> Virginia Polytechnic Institute and State University. , (2002).</li><li>Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., Stange, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-performance+CW+mobile+channel+sounder.">A high-performance CW mobile channel sounder.</a> Proceedings of the 2017 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility &amp; Signal/Power Integrity (EMCSI. , (2017).</li><li>Johnk, R., Hammerschmidt, C. A., McFarland, M. A., Lemmon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fast-fading+mobile+channel+measurement+system.">A fast-fading mobile channel measurement system.</a> Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). , 584-587 (2012).</li><li>Vector signal analysis basics. Keysight Technologies Available from: <a target="_blank" href="https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-02891/application-notes/5990-7451.pdf?success=true">https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-02891/application-notes/5990-7451.pdf?success=true</a> (2020)</li><li>Johnk, R. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mobile+propagation+measurement+system.">A mobile propagation measurement system.</a> Proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC. , (2009).</li><li>. 3.5 GHz Exclusion zone analysis and methodology. NTIA Technical Report 15-517 Available from: <a target="_blank" href="https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2805.aspx">https://www.its.bldrdoc.gov/publications/2805.aspx</a> (2015)</li><li>The national map. United States Geological Survey Available from: <a target="_blank" href="https://viewer.nationalmap.gov/basic">https://viewer.nationalmap.gov/basic</a> (2017)</li><li>Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Propagation+by+diffraction.">Propagation by diffraction.</a> Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation. , 526 (2019).</li><li>Yoza, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Narrowband+5+GHz+mobile+channel+characterization.">Narrowband 5 GHz mobile channel characterization.</a> Interdisciplinary Telecommunications Program, University of Colorado at Boulder. , (2015).</li></ol>

屋外環境で測定を行う前に、このプロトコルで説明されているようにシステムをテストすることは非常に重要です。このようにして、不良成分や不安定性を追跡して測定システムで特定し、解決することができます。このプロトコルの重要なステップは、1)最初に個々のコンポーネントをテストし、それらが仕様内で動作していることを確認すること、2)送信側と受信側を別々に組み立ててコンポーネントのチェーンをテストすること、3)ステップされた減衰器を挿入し、減衰が変更されたときに信号レベルを測定して送信側と受信側を組み立て、VSAとSAの受信信号レベルが計算どおりであることを確認することです。さらにトラブルシューティングを行うには、 材料表に示すようなVSGを使用してフェージングシミュレーションを生成するオプションがあり、実際の伝搬環境で遭遇するさまざまなフェージング環境でシミュレートされた波形を使用してシステムをテストすることができます。測定システムが正しく動作すると、測定が正確であるという自信を持って屋外環境で測定を行うことができます。
もう1つの重要なステップは、測定全体を通して送信電力を監視して、システムが正しく動作していることを確認することです。パワーアンプは、その直線性と帯域外放射スペクトルを理解するために、個別に特性評価およびテストされています。パワーアンプは、残りのセットアップでベンチトップで検証できますが、適切な定格アッテネータを使用して、VSAへの最大定格電力入力よりも信号電力を低減するように注意する必要があります。GPS アンテナもその設定も、ラボでの検証と検証には使用しないでください。VSAの画面は環境のリアルタイム監視を提供できないため、リアルタイムモニタとしてSAを追加すると、システムの現在の状態を判断するのに役立ちます。無線システムのチャネル特性をキャプチャするチャネルサウンディング測定システムには、CW、ダイレクトパルス、VNAを使用した周波数領域、相関ベースの掃引時間遅延クロス相関器など、いくつかのタイプがあります。
このシステムの制限の 1 つは、ローカル環境をプローブする CW 信号に、時間遅延プロファイルなどの時間領域情報が含まれていないことです。時間遅延プロファイルは、ローカル環境における信号のソース反射のタイミングに関する情報を提供します。しかし、CW信号を使用する利点は、広帯域信号を送信しようとするよりも、狭帯域CW信号を使用して、様々な帯域の1つの周波数で送信する許可を得やすいことである。CWシステムは他のシステムよりも広いダイナミックレンジを持つことができ、信号は通常環境内でさらに伝播することができます。CW信号にはオーディオサンプリングレートもあり、他のタイプのチャンネルサウンディングシステムよりもファイルサイズが小さくなります。このシステムでは、データ収集は連続的であり、数時間続くことがあります。この記事で説明するCWチャンネルサウンダー測定システムは、組み立てられたさまざまなコンポーネントの範囲に応じて、さまざまな周波数で使用できます。このシステムは、屋外の伝搬環境または屋内の伝搬環境で使用することができる15。

電気通信科学研究所(ITS)は、米国商務省の機関である米国電気通信情報局(NTIA)の研究所です。ITSには、正確で評判の高い無線周波数(RF)伝搬測定を実施してきた長い歴史があります。スペクトル共有の増加に伴い、複数のサービスが共有しなければならない無線環境をよりよく理解するための正確で再現可能な測定の必要性が伴います。過去数年間、軍用サービスは、アドバンスト・ワイヤレス・サービス(AWS)-3バンド(1755-1780MHz)1の商用無線通信事業者とスペクトル共有の取り決めを開発してきました。これにより、商用ワイヤレスキャリアは、軍事サービスを段階的に廃止する前にAWS-3バンドを使用できるようになります。帯域の使用は、システムを地理的に絶縁することと、周波数干渉シナリオをモデル化することの両方によって調整されます。このスペクトル帯域を共有するには、帯域内の軍用無線システムと商用無線システム間のRF干渉を評価するための伝搬モデルを開発および改善するために、伝搬測定が必要です。
Defense Spectrum Organization (DSO) は AWS-3 移行の管理を担当し、ITS などに一連のチャネルサウンディング測定の実行を任せています。これらの測定値は、環境中の葉や人工構造物の影響を計算するための新しいモデルを構築するために使用されます(総称してクラッタと呼ばれます)。混乱を説明する伝搬モデリングの改善は、軍事システム付近の商用送信機に対する制限の緩和につながる可能性がある。この記事で説明するCWチャネルサウンダシステムは、過去5年間、無線伝搬測定データを収集し、クラッタ減衰を計算するために使用されてきました。この測定システムは、正確で再現性があり、偏りのない結果を生み出し、DSOはITSに、RF伝搬データの測定と処理のための最良の測定プラクティスを含む制度的知識を、より広い技術コミュニティと共有することを奨励しました。
最良の測定プラクティスでは、コンポーネントレベルからアセンブルシステムレベルまでシステムを理解する必要があります。これらの最良の測定方法は、最近公開されたNTIA技術覚書TM-19-5352に文書化されており、無線伝搬測定システムの準備と検証のための一連のベストプラクティスが説明されています。ITSは最近、この測定システムの部品損失の測定と不良部品の特定に使用されるVNAの較正に関するJoVEの記事を完了しました3。この記事は、より広いコミュニティのためのこれらのベストプラクティスを文書化する続きです。この記事ではCWチャネルサウンダのベストプラクティスについて説明しますが、これらの同じ手法を使用して他のチャネルサウンダシステムを検証することができます。CWシステム;全帯域幅、相関ベースのシステム。ダイレクトパルスシステム;スライディング相関器ベースのシステム4,5,6。
この記事では、ベクトル信号アナライザ(VSA)、スペクトラムアナライザ(SA)、2つのルビジウム発振器、パワーメータ、ベクトル信号発生器(VSG)、および屋外測定環境での測定用の各種フィルタと電力分配器を使用して、CWチャンネルサウンダ測定システムを設定する方法について詳しく説明します7,8。システムの送信側はVSGで構成され、VSGはパワーアンプによってブーストされるCW信号を生成します。次に、これを指向性カップルで分割して信号の一部をパワーメータに迂回させ、ユーザがシステム出力を監視できるようにします。残りの信号は、伝搬チャネルを介してシステムの受信側に送信されます。受信側はローパスフィルタで構成され、パワーアンプによって生成される干渉と高調波を低減します。フィルタリングされた信号は電力分配器で分割され、タイムスタンプと全地球測位システム(GPS)の位置とともに測定中に監視するためにSAに供給されます。信号の残りの半分はVSAに送信され、1〜5kHzの範囲の同相直交(I-Q)データにダウンコンバートされます。サンプリングレートは計測器span9によって決定され、車両の速度の関数である予想されるドップラースペクトルシフトによって導かれます。得られた時系列は、後処理とデータ分析のためにコンピュータに転送されます。
ルビジウムクロックは、送信機と受信機の両方で使用され、高精度の測定と非常に安定した周波数を提供します。受信側のルビジウムクロックは、送信周波数と受信周波数の正確なアライメントのための細かい周波数調整を備えています。通常、周波数はテストのために互いに0.1Hz以内に調整されます。ルビジウムクロックは、高精度のCW伝搬測定に不可欠です。測定の過程で正確なタイムベース精度を保証し、トランスミッタとレシーバの周波数ドリフトを防止します。この記事では、屋外環境で測定を行う前に、アンテナの有無にかかわらず、システムが実験室環境で正確な測定を行っていることを検証および検証する方法についても詳しく説明します。このシステムは、430MHzから5.5GHzまでの周波数での屋外および屋内の広範な一連のテストと、多くの異なる送信電力に使用されています7,8,10。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cabling</td>
			<td>Micro-Coax</td>
			<td></td>
			<td>Various lengths</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Directional Coupler</td>
			<td>Anatech Electronics, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>AM1650DC833</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter 1</td>
			<td>K&#38;L Microwave, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>8FV50-1802-T95-O/O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GPS Antenna</td>
			<td>Trimble</td>
			<td></td>
			<td>SMA connection to SA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instrument Control &#38; Processing Software</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td></td>
			<td>Used to store and process measurement data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Amplifier</td>
			<td>Ophir RF</td>
			<td></td>
			<td>5263-003</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Divider</td>
			<td>Mini-Circuits</td>
			<td></td>
			<td>ZAPD-20+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Meter and Power Sensor</td>
			<td>Keysight</td>
			<td></td>
			<td>E4417A/E4412A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiving Antenna</td>
			<td>Cobham</td>
			<td></td>
			<td>OA2-0.3-10.0V/1505</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubidium Frequency Standard</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td></td>
			<td>FS725</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SA</td>
			<td>Agilent</td>
			<td></td>
			<td>N9344C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmitting Antenna</td>
			<td>COMTELCO</td>
			<td></td>
			<td>BS1710XL6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vector Signal Generator</td>
			<td>Rohde &#38; Schwarz</td>
			<td></td>
			<td>SMIQ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VSA</td>
			<td>Keysight Technologies</td>
			<td></td>
			<td>N9030A</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

continuous-wave propagation channel-sounding measurement system - testing, verification, and measurements

チャンネルサウンダは、無線システムのチャネル特性を測定するために使用されます。今日使用されているチャンネルサウンダには、連続波(CW)、ダイレクトパルス、ベクトルネットワークアナライザ(VNA)を使用した周波数領域、相関ベース、掃引時間遅延クロス相関器など、いくつかの種類があります。これらのそれぞれには、独自の長所と短所があります。CWシステムは、他のシステムよりもダイナミックレンジが広く、信号が環境内にさらに伝播する可能性があります。オーディオサンプリングレートは他のシステムよりも小さいファイルサイズを可能にするため、データ収集は連続して数時間続くことがあります。この記事では、CWチャネルサウンダーシステムについて説明します。CWチャネルサウンダーシステムは、米国のさまざまな都市で多数の伝搬損失測定を行うために使用されています。このような伝搬測定は、正確で再現性があり、アーチファクトやバイアスがない必要があります。この記事では、測定の設定方法、システムが信頼性の高い測定を行っていることを検証および検証する方法を示し、最後に、再現性測定、クラッタ損失測定(クラッタ損失は自由空間伝送損失による過剰損失として定義される)、相互性測定などの測定キャンペーンの結果を示します。

以下の結果は、提示されたシステムのフィールド検証中に得られた。送信機はコロラド州ボルダーの商務省ボルダー研究所の後ろにあるコーラーメサにあった。受信機は、特別に設計された測定車両( 図6参照)でコロラド州ボルダーを通って駆動され、連続測定が行われました。SA は、スイープされたデータをログの大きさの形式としてイベント データ構造に格納し、GPS データは同じファイル内の別のイベント データ構造に格納されます。1 回のスイープのデータの例を 図 7 に示します。格納されたデータはワット単位の線形電力に変換されます。そのスイープ内のすべてのポイントについて平均が計算され、対数の大きさに変換されます。GPS 情報は、赤い X で示される掃引のこの平均値に -71.5 dBm の値で割り当てられます。このプロセスは、ファイル内のすべてのスイープに対して実行されます。
次に、VSAからのベースバンドI-Qデータを式1に示すように処理する。dBm単位の電力は、I-Qサンプルごとに計算されます。VSA は、このステップ中に dBm に変換する必要があるピークデータを収集します。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62124/62124eq01.jpg">(1)
測定中、ベースバンドI-Qデータは一時ファイルに保存されます。VSAはGPS情報を取得しません。ファイルの長さは、要求されたレコード数が駆動時間の秒数に等しくなるように選択されます。測定が完了すると、VSAソフトウェア開発者によって事前にプログラムされた構造を持つファイルにデータが書き込まれます。このファイルに保存されるデータには、測定サンプル間の時間差、頻度、および複雑なデータサンプルが含まれます。処理ステップでは、データセット全体のベースバンドI-Qデータの大きさを500msのウィンドウにわたって平滑化して、40波長の駆動距離を近似します。 図8 は、平滑化された平均検出力を、ドライブ・テストの大部分の生データと比較する方法を示しています。生データは青色のトレースで示され、平滑化された平均検出力は赤色のトレースで示されます。
VSA および SA データ・セットは、循環畳み込みを使用して位置合わせされます。各秒のVSAデータポイントは、毎秒生成されたSAサンプルと整列され、SAからVSAデータポイントにGPS座標を転送します。線形回帰モデルは、2 つのデータ セットの測定された電力レベル間の残差を最小化することによって、データを整列させます。アライメントされたデータは、x軸にSA電力をdBm単位で、VSA電力をy軸にdBm単位でプロットすることによって表されます(図9)。SAシステムのノイズフロアはVSAシステムのノイズフロアよりも高いため、ノイズフロアに近いデータセットについて、グラフには約-115dBm未満のポイントで下向きの曲率が表示されます。図9と図10は、VSA電力とSA電力のアライメントと経過時間(秒単位)を示しています。SA平均電力からのGPSタイムスタンプは、VSA平均平滑化電力データ系列の最初のデータポイントに接続されます。2 つのデータ・セット間の垂直オフセットは、電力分周器から SA へのケーブル損失を補正することによって除去されます。ただし、タイムスタンプ付きのVSAデータのみが使用されるため、この追加の手順は必要ありません。これらのデータは保存され、Longley-Rice/Irregular Terrain Model (ITM)11,12 で使用され、地形の損失を予測します。VSAデータは、図11と図12に示すように、システム損失を加算し、システムゲインを除去することによって補正され、ドライブルートに沿って測定された基本伝送損失(BTL)または基本伝送ゲイン(BTG)を取得し、式2で与えられます。
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62124/62124eq02.jpg">(2)
ここで、BTLは基本伝送損失、PtおよびPrはdBm単位の送信電力および受信電力、GtおよびGrはそれぞれdBi単位の送信アンテナおよび受信アンテナの利得、LtおよびLrは送信システムおよび受信システムのシステム損失(dB単位)であり、 それぞれ。
図11では、紫色の星が送信位置です。黄色と紫のドットは、それぞれ最高と最低の受信信号レベルを表します。測定されたBTG(黒いx)、ITMモデルのBTG(青い+)、自由空間の伝送利得(FSTG)(赤い円)、およびシステムノイズフロア(ピンクの点)のプロットを図12に示します。ITM BTG が FSTG と等しい場合、地形の相互作用はなく、すべての損失 (FSTG と MBTG の違い) は、建物、葉、または周囲の環境とのその他の相互作用から発生すると想定できます。これは図 13 に示されており、黒い線は USGS 地形データベースから引き出された地形13、赤い破線は送信アンテナと受信アンテナの間の見通し線 (LOS) 線、青、点線、破線はエネルギーの大部分が局在する上下の第 1 フレネル ゾーン14です。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig01.jpg"> 図1:コンポーネントと接続の送信図。連続波(CW)チャネルサウンダの送信側。略語: RF = 無線周波数;参照 = 参照。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig02.jpg"> 図 2: 受信コンポーネントと接続の図 連続波(CW)チャネルサウンダの受信側。略語: GPS = 全地球測位システム;RF = 無線周波数;内線参照 = 外部参照;GPSアリ= GPSアンテナ;内線トリグ/参照 = 外部トリガ/参照;TCP/IP = 伝送制御プロトコル/インターネット・プロトコル;Freq Adj = 周波数調整済み;DC = 直流。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig03.jpg"> 図3:実験室のCWチャネルサウンダーシステム。 電気通信科学研究所(ITS)のベンチトップ展開は、主要コンポーネントを示すシステム検証と精度テストのためのチャネルサウンダーです。略語: VSA = ベクトルシグナルアナライザ;VSG = ベクトル信号発生器。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig04.jpg"> 図4:I-Qディスプレイ 同相および直交(I-Q)プロットを使用した周波数調整。略語: CW = 連続波;TimeLen = 時間の長さ;I 軸 = 同相軸;Q 軸 = 直交軸。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig05.jpg"> 図5:検証と検証のシステムセットアップ 検証および検証測定用のシステムセットアップ。略語: I-Q = 同相直交;RF = 無線周波数;参照 = 参照;GPS = 全地球測位システム;内線トリグ/参照 = 外部トリガ/参照;TCP/IP = 伝送制御プロトコル/インターネット・プロトコル;Freq Adj = 周波数調整済み;DC = 直流。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig05large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig06.jpg"> 図6:セルラーオンホイール(COW)と測定バン 写真は、受信システムに使用される緑色のバンと、送信システムのハウジングに使用されるセルラーオンホイール(COW)を示しています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig06large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig07.jpg"> 図7:スペクトラムアナライザの掃引と掃引平均 スペクトラムアナライザのデータキャプチャ用のシングルスイープは、0.5秒のスイープ時間で461ポイントで構成されています。略語:SA =スペクトラムアナライザ。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig07large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig08.jpg"> 図8:ベクトル信号アナライザの受信電力と移動平均 0.5秒のウィンドウで計算された平均検出力(赤色のトレース)と比較した、より大きな実行の小さなスライスの同相および直交(I-Q)の大きさデータ(青色のトレース)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig08large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig09.jpg"> 図9:VSAとSAの信号アライメント ベクトル信号アナライザパワーとスペクトラムアナライザパワーのアライメント。略語: VSA = ベクトルシグナルアナライザ;SA = スペクトラムアナライザ。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig09large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig10.jpg"> 図10:VSAとSAが信号アライメント後に電力を受信 ベクトル信号アナライザのパワーとスペクトラムアナライザのパワーと経過時間(秒単位)のアライメント。略語: VSA = ベクトルシグナルアナライザ;SA = スペクトラムアナライザ。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig10large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig11.jpg"> 図11:測定された基本伝送ゲインのジオロケーション。 ドライブルートに沿った基本的な伝送ゲインを測定しました。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig11large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig12.jpg"> 図12:基本的な伝送利得を測定およびモデル化 基本伝送ゲイン(青色のx)、不規則地形モデル(ITM)、基本伝送利得(BTG)(黒の+)、自由空間の伝送利得(赤い円)、およびシステムノイズフロア(ピンクの点)をドライブルートに沿った経過時間に対して測定しました。略語: MBTG = 測定された基本的な伝送ゲイン。ITM = 不規則地形モデル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig12large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62124/62124fig13.jpg"> 図 13: 地形プロファイルと最初のフレネル ゾーン 米国地質調査所の地形プロファイル (黒い線) 経過時間 1636.2 秒上側(最初)のフレネル ゾーン(青、点線)と下側 (最初の)フレネル ゾーン(青、破線)も、送信アンテナと受信アンテナの間の見通し線 (赤、破線) と共にプロットされます。略語: USGS = 米国地質調査所;NED = 全国標高データベース。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62124/62124fig13large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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Continuous-Wave Propagation Channel-Sounding Measurement System - Testing, Verification, and Measurements

このレポートでは、連続波の無線周波数チャンネルサウンディング測定システムを使用した伝搬測定のセットアップ、検証、検証、および結果について説明します。

連続波伝搬チャンネルサウンディング測定システム - テスト、検証、測定

Channel sounders are used to measure channel characteristics for radio systems. There are several types of channel sounders used today: continuous-wave ...

伝播測定は、モデルとポリシーに情報を提供します。これらのタイプの重要な測定を行う前に、測定システムを検証および検証することが重要です。この手法を使用して、他の測定システムを検証し、測定値が一貫しているようにしました。このシステムは組み立てと使用が簡単です。このプロトコルを使用すると、より複雑な環境で測定を行う前に、システムを確実に理解できます。このプロトコルは、機器が互いの近くに置かれたときに発生する可能性のある電磁干渉または電磁適合性の問題には対処していません。これらは新しいRFエンジニアが見落とす可能性のある問題であるため、より経験豊富なエンジニアと協力することが重要です。この設定のいくつかの側面は、言葉では完全に説明することはできません。写真は、測定コンポーネントを正しく組み立てるのに役立ちます。システムを組み立てる前に、VNAを使用して、ケーブル、アッテネータ、パワースプリッタ、方向性結合器、およびローパスフィルタのSパラメータを測定します。VNAで送信システムを測定するには、パワーアンプの出力に接続するタイプNケーブル、方向性結合器、バンドパスフィルタ、およびアンテナに接続されるタイプNケーブルを組み立てます。VNA を使用してコンポーネント チェーンを測定し、S21 値 (負の数) を記録します。VNAで受信機器を測定するには、受信アンテナに接続されるタイプNケーブル、フィルタ、フィルタ間のケーブル、パワースプリッタ、およびVSAに接続されるタイプNケーブルを組み立てます。VNAを使用して受信機のVSA側のS21を測定し、スペクトラムアナライザ側をVNAに接続するケーブルを接続し、コンポーネントを再度測定してS21値を取得します。測定を行う前に、ベクトル信号発生器の電源を入れ、RFオフに設定されていることを確認し、パワーメータとパワーアンプ。測定前に機器を1時間ウォームアップさせます。計測器がウォームアップしたら、VSA 89601BモードでVSAを設定します。スペクトラムアナライザを設定した後、スペクトラムアナライザのEnterキーを押してメニューにアクセスし、Shiftボタンを押しながら[システム]ボタンを選択して外部参照を有効にします。ソフトキーを使用して、詳細、ポート設定、外部入力、および参照を選択し、連続波出力を選択します。VSG を設定するには、周波数を 1, 717 メガヘルツに設定します。VSG出力振幅をマイナス4デシベルミリワットに設定し、上限をパワーアンプの線形範囲に設定します。パワーメーターを較正するには、ヘッドをリファレンスポートに差し込み、端を測定ポートに差し込みます。パワーメーターの周波数を1,770メガヘルツとゼロに設定し、パワーメーターを較正して、パワーメーターの読み取り値がゼロデシベルミリワットの0.2デシベル以内にとどまることを確認します。次に、パワーメータヘッドをリファレンスポートから取り外し、アッテネータの出力に接続します。ルビジウム発振器を同期させるには、ルビジウム同期ポートで許可されている最大入力電圧を超えないように注意しながら電圧を設定し、タイムラインを100ミリ秒に設定し、y軸を設定して電源周波数を IQ.To に合わせ、VSA画面のドットを見ながら電源の電流電圧ボタンを押します。ドットが前後に回転すると、周波数が揃います。ドットが一方向に一貫して回転する場合は、IQプロット上のドットが振り子運動で前後に移動しながら減速し始めるまで電圧を変更します。周波数が揃ったら、タイムラインを 1 秒に戻し、Y 軸を対数の大きさに戻します。VSA をキャリブレーションするには、ユーティリティ、キャリブレーション、キャリブレーションを選択し、VSG の RF ボタンをオンに設定します。次に、スペクトラムアナライザで10レコードの集録を取得して、すべてのパラメータが正しく設定されていること、およびスペクトラムアナライザの信号レベルがVSA信号レベルと一致することを確認します。ラボを検証するには、アンテナを取り付けずにシステムの送信側と受信側の間に可変減衰器を挿入し、ステップアッテネータの減衰量をゼロデシベルに設定し、VSAのレコード数を120に設定します。スイープ数を 120 レコードに設定し、VSG の出力振幅をゼロデシベルミリワットに設定します。VSG の RF ボタンをオンに設定します。ピークマーカーを設定して、信号強度の値を見つけます。VSAで信号が観測できる場合は、記録を押して検証を開始し、計測器制御ソフトウェアでSA測定を開始します。この代表的な解析では、0.5秒の掃引時間にわたって461点からなる単一の掃引スペクトラムアナライザデータキャプチャをプロットし、GPS情報を平均値に割り当てた。次に、位相および直交マグニチュードのデータを、データセット全体の0.5秒のウィンドウにわたる滑らかな平均検出力と比較し、40波長の駆動距離を近似しました。VSAとスペクトラムアナライザのアライメントデータを経過時間の関数としてプロットすることで、地形の損失を予測できます。VSAデータは、システム損失を追加し、システムゲインを除去することによって補正され、図に示すように、測定された基本的な伝送損失またはドライブルートに沿ったゲインが得られます。この解析では、不規則な地形モデルの基本伝送ゲインと自由空間の伝送ゲインの基本伝送ゲインが等しく、地形の相互作用がないことを確認しました。不規則な地形モデルの基本伝送ゲインが自由空間伝送ゲインと等しい場合、すべての損失は建物、葉、または周囲の環境とのその他の相互作用から生じると仮定できます。測定前にシステムのすべてのコンポーネントをチェックすることは非常に重要です。ケーブルの破損は非常に一般的です。このシステムは、経路減衰の測定と計算を理解するために、ラボで最初にテストされます。施設の近くでの短い屋外測定は、複雑な環境で測定された測定値を理解するのに役立ちます。送信アンテナと受信アンテナの間のパスには、障害物のあるパスと障害物のないパスの両方を含める必要があります。これらの障害物は、樹木、建物、またはその他の構造物であり得る。このシステムは、森林地帯、都市部、農村部などのさまざまな環境での屋外伝播を研究するために使用されています。測定値に基づいて、お客様に減衰量の推定値を提供しました。その後、測定値が検証されたことを知ってモデルを開発できます。

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