UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA LABORATORIO SISTEMAS DE COMUNICACIONES

“ANTECEDENTES DE LOS EQUIPOS PARA MEDICIÓN DE UN ENLACE INALÁMBRICO FIJO A 2.5 Y 3.5 GHZ”

1. INTRODUCCIÓN Al momento de realizar mediciones, es de suma importancia saber cuán reales son, es decir, cuánto confiamos en los resultados obtenidos y cómo nos aseguramos que ellos corresponden efectivamente a lo que creemos estar midiendo. En muchos casos, es fácil identificar “derivas” o fluctuaciones en los propios equipos utilizados, por ejemplo, un receptor que necesite un tiempo de calentamiento antes de llegar a niveles estables y confiables, debiendo permanecer encendido al menos una hora antes de cada medición. En un proceso de medición existe el riesgo que después de una larga recolección de datos empíricos verifiquemos que todo lo medido contenga errores debido a alguna falla de los equipos usados, y que consecuentemente se pierda todo el tiempo y trabajo destinado a esa labor. Para evitar esto se recomienda siempre realizar un “Sanity Check” [1] que consiste básicamente en contrastar al momento de medir, si los resultados son consistentes con lo esperado teóricamente. En una experiencia de laboratorio, los valores teóricos siempre se calcularán como parte del trabajo realizado en el informe previo y se tendrán a mano al momento de realizar la experiencia. Así se pueden detectar de inmediato posibles inconsistencias y evitar proseguir el trabajo con errores que invaliden lo medido. Estas fuentes de error en una medición pueden ser múltiples:

− Los amplificadores tienen ganancia dependiente de la polarización, por lo que si la fuente por ellos utilizada posee una capacidad insuficiente, el “ripple” resultante producirá fluctuaciones, alterando los resultados.

− Las características de los dispositivos pueden diferir de las especificaciones. Si no se ha chequeado sus propiedades, el análisis de los datos tendrá errores. Por ejemplo, un amplificador con una ganancia menor a la entregada por el fabricante.

− Mal estado de cables y conectores, produciendo pérdidas que son capaces de inhabilitar el enlace.

− Sistema de medición en mal estado. Puede que todo el sistema funcione adecuadamente a excepción del medidor (ej. Analizador de Espectros descalibrado) y por lo tanto, arroje resultados ficticios.

Para la presente experiencia se dispondrá de dos sistemas de transmisión/recepción. El más elaborado opera en 3.5 [GHz] y ha sido empleado en proyectos de investigación. Este sistema está compuesto por un receptor, una base para las antenas y un transmisor. La configuración básica se describe a continuación. Dado que estos equipos son también utilizados en investigación, ocasionalmente se les introducen mejoras y modificaciones. Antes de preparar el preinforme, documéntese respecto de los posibles cambios del equipo

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asignado a su grupo (por ejemplo al equipo de 3.5GHz se le han agregado atenuadores variables que facilitan evitar saturaciones y ajustar la ganancia al rango de operación del medidor de potencia)

Figura 1: Fotografía del Receptor.

Precision Devices Inc.FTR 4030 bandpass

filter fc=70MHzBw=7.5kHz

Receptor

70MHz

MixerMini CircuitsZFM-4212

SynthesizedSource

@ 3.570 GHzNovasource G6

3.4-3.7GHz

Frankonia PMS1080

RF Power dataacquisition

system PCAmplifierMini CircuitsZJL-4G

AmplifierMini CircuitsZJL-4HG

Power S/CMini Circuits

ZFSC-2-2500

RF DetectorHP-8471E

Data acquisitioncard NationalInstruments

AmplifierMini CircuitsZFL-500

AmplifierMini CircuitsZFL-500

Integrated MicrowaveCorp. P/N 931183

bandpass filter fc=3500 MHz Bw=56 MHz

Atenuador1dB.

Multiband CoupleAtmmicrowave

2 - 8 GHzP/N C124F-10

Coupling = 10 dB

Base de antena

Figura 2: Esquemático del Receptor.

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En el receptor, la copla cumple la función de monitorear la potencia de entrada del mismo con un factor de acoplamiento de 10dB. El filtro de entrada cumple la función de limitar el ruido y traspasar la señal a la cadena de amplificadores. Posteriormente, el mixer traslada la señal de 3,5[GHz] a 70 [MHz] después de combinarse con una señal de 3,570[MHz] proveniente del oscilador NovaSource. La señal de 70[MHz] es amplificada y filtrada, para luego ser enviada al diodo detector de RF Hewlett Packard (posterior a una cadena de amplificación) y al medidor de potencia Frankonia Power Meter PMS1080 [2]. En esta experiencia solamente se utilizará la salida del medidor PMS1080. Otro módulo del sistema es la base o soporte de la antena de recepción (ver figura 3, 4). En este módulo existe una cadena de amplificación y filtraje que ingresa al cable coaxial y posteriormente al receptor [2]. Esta base es utilizada en mediciones con dipolo y antena panel de 17dBi de ganancia. [2]

Figura 3: Fotografía de la base de las antenas.

Base de antena

Integrated MicrowaveCorp. P/N 931183

bandpass filter fc=3500 MHz Bw=56 MHz

Receptor

Antena

AmplifierMini CircuitsZJL-4HG

AmplifierMini CircuitsZJL-4HG

Figura 4: Esquemático de la base de las antenas.

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El transmisor está compuesto por una NovaSource que transmite una señal de 3,5[GHz] a un amplificador y éste lo entrega a la antena de transmisión. Existe un relé que previene el encendido del transmisor posterior a un corte de energía eléctrica para evitar daños en los equipos. La copla se posiciona a la salida del transmisor para facilitar el monitoreo de la potencia transmitida (ver figura 5).

Synthesized Source@ 3.5 GHz

Novasource G63.4-3.7GHz

Transmisor

Power Amp.Mini CircuitsZHL-1042J

Multiband CoupleAtmmicrowave

2 - 8 GHzP/N C124F-10

Coupling = 10 dB

Figura 5: Esquemático del Transmisor.

A través del sistema antes descrito, será posible adquirir una gran cantidad de datos (información) mediante dos dispositivos (Frankonia Power Meter PMS1080 y diodo detector de RF HP). La información que entregan permitirá determinar algunas características del enlace, como son el “tiempo de coherencia del canal”, “factor K” [3] de una distribución Rice, y un modelo para el comportamiento de la autocovarianza. Estos factores son de suma importancia al momento de trabajar en un enlace MIMO, donde la matriz H es calculada iterativamente, debiendo conocer el tiempo de descorrrelación del canal que está haciendo uso.[6] Como complemento teórico de esta introducción se recomienda leer el documento “MarcoTeorico” disponible en la página de la asignatura. En este documento se discuten conceptos como el factor K y tiempo de coherencia. Todo el análisis de los datos se realizará en base al estudio de desvanecimientos temporales detectados mediante el sistema de medición. Los desvanecimientos temporales en un enlace inalámbrico fijo son –generalmente- menores a los sufridos en un enlace inalámbrico móvil. Estos desvanecimientos se producen por multitrayectorias que arriban a la antena en distintos momentos, generando una señal de potencia fluctuante en el tiempo. Si el enlace es de tipo “línea de vista” (“LOS”), es razonable esperar que se cumpla la ecuación de Friis. Las fluctuaciones sobre ese valor dependerán de lo que “ve” la antena en cuanto a elementos móviles que producen reflexiones cuya amplitud y fase varía en el tiempo. [2] [3] Si la antena “ve” una calle con mucho tráfico vehicular, o una gran cantidad de peatones exhibirá mayores fluctuaciones que aquella que tiene un trayecto con menor movimiento. [2] En un enlace obstruido, es probable que la señal dominante llegue producto de rebotes, junto a muchas otras componentes, no existiendo una señal tan dominante como en el caso de un enlace LOS. A medida que la señal dominante desaparece y se va haciendo cada vez más comparable con el resto de las componentes de multitrayectoria, el factor K disminuye [3], pero no necesariamente el tiempo de coherencia del canal [2].

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Existen diversas formas para calcular el tiempo de coherencia del canal. Las más utilizadas corresponden al tiempo en que la autocovarianza llega a 0,7 ó 0,5 [2]. Después de ese tiempo, es posible decir que las muestras (información) están aproximadamente descorrelacionadas. El sistema de medición a implementar en esta experiencia trabaja normalmente a más de 100 [muestras/segundo] (Frankonia Power Meter PMS1080). La tasa de muestreo dependerá del hardware (PC, Laptop) utilizado. El segundo sistema disponible para realizar la experiencia es algo menos elaborado y su aplicación está limitada a enlaces de corto alcance. Consiste solamente de una fuente Nova Source de 2.0 a 2.5GHz como transmisor y un receptor superheterodino que convierte a 70MHz. Las antenas son dipolos de λ/2. Hay que tener presente que este equipo opera en la banda de libre uso de 2.4GHz, por lo cual es más propenso a ser afectado por interferencias. La figura 6 muestra en forma esquemática el transmisor y el receptor.

Mixer MinicircuitsZFM-4212

Fuente sintetizadaNova-Source2.0-2.5GHz

PC

Precision Devices Inc.FTR 4030 bandpassfilter f c =70MHz

Bw =10kHz

AmplificadorMinicircuits

ZFL-500

Frankonia PMS1080

RF Power dataacquisition

system

Fuente sintetizadaNova-Source2.0-2.5GHz

Dipolo λ/2

2 AmplificadoresMinicircuitsZFL-2500

Dipolo λ/2

Receptor

Conjuntoantena y

amplificadores

Cable antena

Cable antena

Transmisor

Filtro Pasabanda2.4GHz, ancho

40MHz

Figura 6: Esquemático del Transmisor-Receptor para 2.4[GHz]. Ambos equipos son modulares en el sentido que es posible agregar o quitar ganancia (básicamente mediante amplificadores y atenuadores) de manera de asegurar que los

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niveles de señal recibidos estén dentro del rango de operación del Frankonia Power Meter. El análisis del enlace y la propuesta de cambios a la configuración son parte del trabajo de preinforme. Para mayores informaciones sobre los instrumentos y equipos a utilizar se recomienda ver los anexos e información adicional en la página de la asignatura. BIBLIOGRAFÍA [1] R. Feick, W.Grote, H.Hristov, “Criterios y procedimientos para mediciones de

propagación electromagnética en ambientes confinados”, SENACITEL 2002. [2] L.Ahumada, C.Morales, “Análisis de desvanecimientos temporales en un enlace de

3,5[GHz]”, Memoria de Titulación para optar al grado de Ing. Civil Electrónico, 2003.

[3] T. Rappaport, “Wireless Communications”, Ed. Prentice Hall, 1996. [4] R. Bultitude, “Measurement Characterization and Modeling of Indoor 800/900

MHz Radio Channels for Digital Communications”, IEEE Communications Magazine Vol.25 No.6, 1987.

[5] T. Rappaport, C. Mcguillem, “UHF Fading in Factories”, IEEE Journal on selected areas in communications, Vol.7 No1, 1989.

[6] P. Soma, D.S. Baum, V.Erceg, R.Krishnamoorthy and A.J.Paulraj, “Analysis and Modeling of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Radio Channel Based on Outdoor Measurements Conducted at 2.5GHz for Fixed BWA Applications”, 0-7803-7400-2/02/$17.00 © 2002 IEEE

[7] T.Wysocki, H.Zepernick, “Characterization of the indoor radio propagation channel at 2,4GHz”, Journal of Telecommunications and information Technology, 3-4 2000.

[8] L.J.Greenstein, D.G. Michelsono, V.Erceg, “Moment-Method Estimation of the Ricean K-Factor”, IEEE Communications Letters, Vol.3, No6, June 1999.

[9] A.Abdi, C.Tepedelenlioglu, M.Kaveh, G.Giannakis, “On the Estimation of the K Parameter for the Rice Fading Distribution”, IEEE Communications Letters, Vol.5, No3, March 2001.

[10] A.Papoulis, “Probability, Random Variables, and Stochastic Processes”, McGraw-Hill, Third Edition, 1991.

[11] P.Marinier, G.Delisle, Ch. Despins, “Temporal Variations of the Indoor Wireless Milimeter-Wave Channel”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 46, No. 6, June 1998.

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