ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА

Transcript

1 ЕЛЕКТРОНСКОМ ФАКУЛТЕТУ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантитативном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке. Обавезни подаци: Aутор/аутори решења: Марија Стоилковић, Зоран Станковић, Братислав Миловановић, Небојша Дончов Назив техничког решења: Аутоматизовано мерно место за карактеризацију зрачења антенских низова и просторну обраду сигнала антенским низовима Категорија техничког решења нова метода За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Електронски факултет у Нишу. Пројекат ТР Истраживање и развој решења за побољшање перформанси бежичних комуникационих система у микроталасном и милиметарском опсегу фреквенција. Ко решење користи тј. ко је прихватио примењује решење: Користи се за сада од стране истраживача за реализацију пројекта ТР Година када је решење урађено: 2012 Како су резултати верификовани (од стране кога тела): 1. Комисија за одобравање техничких решења Електронског факултета, 2. Корисник резултата истраживања: Лабораторија за Микроталасну технику и бежичне комуникације Електронског факултета На који начин се резултати користе: Користе се непосредно од стране истраживача за реализацију пројекта ТР Област на коју се техничко решење односи: Телекомуникације, Антене и простирање Проблем који се техничким решењем решава: Карактеризација зрачења антенских низова и процена праваца доласка ЕМ сигнала

2 Стање решености тог проблема у свету: Алгоритми за процену праваца доласка ЕМ сигнала представљају веома важан део адаптивних антенских система за примену у мобилним комуникацијама. Њиховом имплементацијом постиже се значајно повећање капацитета система. Уколико се посматра антенски низ једне базне станице, опремљене одговарајућим софтвером за процену праваца долазних сигнала, могуће је динамички ажурирати карактеристику зрачења низа променом тежинских коефицијената који контролишу напајање антенских елемената. На тај начин се главни лист зрачења антенског низа усмерава према жељеном кориснику, док се нулама у карактеристици потискују интерферентни сигнали. Такође, бочни листови зрачења могу се усмерити према кохерентним multipath компонентама жељених сигнала чиме се у великој мери побољшава квалитет примљених сигнала. На основу примљених сигнала на антенским елементима формира се просторна коваријансна матрица која представља фундаментални део многих алгоритама за процену праваца сигнала. Најпознатији такав алгоритам је MUSIC (MUltiple SIgnal Classification), који у циљу одређивања праваца врши декомпозицију просторне коваријансне матрице на подпросторе сигнала и шума. MUSIC је познат и као суперрезолуцијски алгоритам јер омогућава веома прецизну процену углова у азимуту и елевацији, при чему захтева да карактеристике сигнала као и укупан број ЕМ извора буду унапред познати. Поред тога, овај алгоритам не може да одреди правце корелисаних сигнала због чега се примењују посебне технике како би се сигнали декорелисали и омогућила њихова детекција. Модификација MUSIC алгоритма, тзв. MUSIC with SSP (Spatial Smoothing Preprocessing) омогућава процену праваца корелисаних сигнала али по цену смањене резолуције јер SSP редукује апертуру антенског низа. Како би се хардверски поједноставио мерни систем за верификацију алгоритама за процену праваца и избегла потреба за израдом већег броја пријемника, од којих би по један одговарао сваком антенском елементу низа, може се применити посебна мерна техника позната под називом frequency-domain channel sounding. Ова мерна техника посебно је корисна и за мерење расподеле кашњења сигнала (PDP - power delay profile) што представља једну занимљиву могућност за валидацију ray-tracing-a и осталих предикционих алата. Техника је засновано на векторском анализатору мреже (VNA - Vector Network Analyser), којим се мери фреквенцијски одзив успостављеног радио канала између предајне и пријемне антене, односно, параметар расејања S 21. Користи се само један пријемник који се посредством RF switch матрице временски дели између антенских елемената. На овај начин, сигнали за формирање просторне коваријансне матрице семпловани су у фреквенцијском домену и њихово даље процесирање је извршено MUSIC алгоритмом. Главна предност описане мерне технике је хардверска једноставност, док недостатак може бити спорост (зависи од модела VNA), као и потреба за дугачким кабловима за пренос референтног сигнала што органичава његову употребу на кратке радио-линкове са релативно стационарним каналом. За аутоматизацију процеса мерења, контролу VNA и позиционера са пријемним антенским низом, коришћен је посебан софтер развијен у MATLAB програмском окружењу. За потребе мерења антенских низова развијена је нова верзија софтвера са имплементираним делом који се односи на контролу RF switch матрице. Кодови за контролу матрице, односно бирање одговарајућег канала (антенског елемента), написан је у C-у, након чега су формиране dll библиотеке које се из MATLAB-а учитавају позивом одговарајуће функције. Верификација мерног система урађена је за више сценарија, односно, за случај једног и два извора сигнала. За верификацију су примењени MUSIC и MUSIC with SSP алгоритми.

3 Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже 1. Карактеристике анехоичне коморе и мерна опрема У циљу извођeња мерења над антенским низовима и верификације алгоритама за процену праваца, коришћена је анехоична комора димензија l=7.44 m, w=4.97 m, h=4.69 m. Анехоична комора је обложена микроталасним пирамидалним апсорбером висине 0.46 м и погодна је за мерења у фреквенцијском опсегу од 2-40 GHz. У анехоичној комори овог типа могу се изводити различита мерења као што су снимање карактеристика зрачења антена и антенских низова, мерења радарског пресека (RCS Radar Cross Section) и друга. Поставка мерног система за снимање карактеристике зрачења антене приказана је на Слици 1. Predajna antena Prijemna antena HP 8530A VNA HP 8511A Frekv. konvertor Pozicioner Test а1 b2 Referenca HP 83650B Sig. generator Pojačavač (opciono) Слика 1. Мерење карактеристике зрачења антене Мерну опрему за извођење мерења у анехоичној комори чине следећи инструменти: 1) Сигнал генератор HP 83650B (10 MHz 50 GHz) 2) Претварач фреквенције HP 8511A Opt. H41 (40 GHz) 3) Векторски анализатор мреже HP 8530A 4) Појачавач HP 83018A ( GHz) 5) Позиционер Orbit AL A Пасивна компонента 6) 16 db спрежник (2 50 GHz) Фреквенцијска ограничења - појачавач и спрежник се користе за f > 1 GHz

4 - нема појачавача за 26.5 GHz 2. Стандардна процедура за мерење карактеристика зрачења антена Антена која се испитује ради у пријемном режиму, док је предајна антена једна од референтних антена са познатим појачањем и карактеристиком зрачења. а) Калибрација система За мерења у анехоичној комори користи се софтвер разијен у MATLAB-у, SPAM 3D (S- Parameter and Amplitude Measurement 3D), где на располагању стоји процедура за мерења у фреквенцијском домену (Слика 2). Први корак при снимању карактеристике зрачења антене или S-параметара је калибрација система. Калибрација система је неопходна како би се уклониле грешке које уноси сам извор сигнала, односно, како би се елиминисали било који фреквенцијски зависни ефекти мерног система као што су рефлексије које узрокују каблови и конектори. Тачност калибрационог процеса ефикасно поставља динамички опсег мерног система. За мерење трансмисије као што је случај са карактеризацијом радио канала, користи се response калибрација. Преносна фунција S 21 целокупног система мери се у анехоичној комори са референтним антенама. Одабиром Configuration Calibrate у главном менију отвара се прозор за подешавање параметара за калибрацију: - фреквенцијски опсези у којима раде две референтне антене, број фреквенцијских тачака - учитавају се појачања антена у свим фреквенцијским тачкама - позиционер се поставља у положај (φ, θ)=(0, 0), тако да су антене постављене тачно једна наспрам друге. Након тога, покреће се калибрација чији се резултати аутоматски уписују у одређени фајл. Слика 2. Главни прозор софтвера SPAM 3D Слика 3. Опције за мерења у софтверу SPAM 3D

5 б) Мерење карактеристика антена Приликом мерења карактеристика антена, на место пријемне антене монтира се тест (антена која се испитује). Пре покретања самог поступка мерења, потребно је одредити фазни центар антене помоћу VNA и монтирати је изнад њега. Оса ротације треба да прође кроз фазни центар пријемне (тест) антене, који у суштини представља извор сферних таласа израчених из антене. Након тога, врши се одабир врсте мерења S параметри или карактеристика зрачења антене (Слика 3). Следи подешавање фреквенцијског опсега, резолуције мерења, опсега углова у азимуту и елевацији, и у опцији Post-Processing бира се калибрациони сет за калибрацију мерења и укључује калибрација. На крају мерења, појављује се опција за чување података у жељеном фајлу. 3. Модификована процедура за мерење примљених сигнала на антенским низовима На Слици 4, приказано је аутоматизовано мерно место за мерење антенских низова за потребе процене праваца ЕМ сигнала. Predajna antena Prijemna antena 1 2 RF Switch Matrica HP 8530A VNA HP 8511A Frekv. konvertor Pozicioner 16 a1 Test b2 Referenca HP 83650B Sig. generator Pojačavač (opciono) Слика 4. Мерење примљених сигнала на антенском низу Разлика у односу на основни мерни систем, приказан на Слици 1, је у RF switch матрици која се састоји од: - кућиштa NI PXI-1033, - PXI контролера PXI-PCIe8361, - пет RF мултиплексер картица PXI Матрица је погодна за мерења у фреквенцијском опсегу од GHz. Улази RF switch матрице повезани су са свим антенским елементима пријемног антенског низа, при чему се антенски елементи switch-ују један за другим. Другим речима, у једном тренутку активан је само један антенски елемент док се остали елементи посматрају као паразитски. За аутоматизацију процеса мерења, контролу VNA, позиционера у анехоичној

6 комори и RF switch матрице, софтвер SPAM 3D је модификован тако да укључује функцију RF switch матрице. У програму Measurement & Automation Explorer (MAX) дефинисана је конфигурација улазних и излазних канала матрице. Кодови за контролу матрице, односно бирање одговарајућег канала написан је у C-у, након чега су формиране су dll библиотеке које се учитавају из MATLAB-a позивом одговарајуће функције. У кодовима се може дефинисати који антенски елементи се switch-ују и којим редоследом. 4. Алгоритам за аквизицију података Слика 5. Алгоритам за аквизицију мерених резултата Мерени подаци се уписују у.mat фајлове при чему се за сваки snapshot (snapshot - switchовање свих антенских елемената) и антенски елемент уписују редом углови у елевацији, углови у азимуту, фреквенција и вредност измереног S 21 параметра (Слика 5 и 6).

7 Слика 6. Организација мерених податка у.mat фајловима 5. Експерименти у анехоичној комори а) Процена правца доласка једног ЕМ сигнала помоћу правоугаоног антенског низа На Слици 7, приказана је поставка антена и дела мерне опреме у анехоичној комори. Антене су постављене на међусобном растојању од 5.1 м, и висини од 1.90 м. На месту предајне антене монтирана је левак антена (модел бр. А6100) са радним опсегом од GHz, и појачањем од око 7 dbi на 2.44 GHz. На другој страни, на месту пријема, постављен је правоугани антенски низ, састављен од 16 (4 x 4) microstrip patch антена са резонантном фреквенцијом 2.44 GHz. Измерена вредност појачања једног антенског елемента на резонантној фреквенцији износи 6.7 dbi. Сваки mikrostrip patch елемент је коаксијалним каблом повезан са оговарајућим улазом RF switch матрице (Слика -). Мерења су урађена за неколико позиција предајне антене у азимуту и елевацији. (а) (б) Слика 7. Предајна антена (а) и пријемни антенски низ са switch матрицом (б) у анехоичној комори

8 а) Процена праваца доласка два кохерентна ЕМ сигнала помоћу правоугаоног антенског низа Поставка мерног система за случај два кохерентна извора ЕМ сигнала приказана је на Слици 8. На предајној страни налазе се две левак антене идентичних електричних карактеристика. Антене се напајају сигналом из VNA преко Wilkinson-овог делитеља снаге. На пријему се користи исти антенски низ као у сценарију са једном предајном антеном. Мерења су урађена за различита растојања између предајних антена, и њихових позиција у азимуту и елевацији. Слика 8. Предајне антене (а) и пријемни антенски низ са switch матрицом (б) у анехоичној комори 6. Постпроцесирање података а) MUSIC алгоритам Просторна коваријансна матрица одређује се на основу следећег израза R=xx H где је x вектор примљених сигнала на антенским елементима. Декомпозицијом матрице на међусобно ортогоналне подпросторе сигнала и шума могуће је одредити правце долазних ЕМ сигнала. Спектар MUSIC алгоритма може се израчунати на основу формуле P MU M * N i i K 1 1 H A (, ) A(, ) H H A (, ) E E A(, ) 2 H e A(, ) N N A H (, ) A(, ) где је P MU MUSIC spektar, A(φ, θ) steering матрица антенског низа, е i сопствени вектори, К број ЕМ сигнала, M и N су димензије правоугаоног антенског низа, док је Е N подпростор шума. Другим речима, MUSIC врши претрагу спектра за све углове у азимуту и елевацији. У случају ортогоналности, претходна једначина ће дати изразите максимуме с обзиром да је делилац једнак нули (Слика 9 ).

9 Слика 9. Верификација MUSIC алгоритма б) MUSIC with SSP алгоритам У случају корелисаних (или кохерентних) извора сигнала не може се директно применити MUSIC алгоритам. Неопходно је прво применити процедуру за декорелацију сигнала. Код модификације MUSIC алгоритма за детекцију корелисаних сигнала, примењује се тзв. Spatial Smoothing процедура. Антенски низ конфигурације 4 4 посматра се као скуп 4, међусобно преклапајућа антенска низа конфигурације 3 3. Посебно се одређују просторне коваријансне матрице сваког подниза. Њиховим усредњавањем добија се коваријансна матрица низа 4 4 на коју се може применити MUSIC алгоритам. Смањене димензије коваријансне матрице утичу на смањење резолуције процењених праваца. Екпериментални резултати примене овог алгоритма са SSP претпроцесирањем, приказани су на Слици 10, за положаје левак антена (0, 0 ) и (20, 0 ). Слика 10. Верификација MUSIC with SSP алгоритма Како је реализован и где се примењује, односно које су могућности примене Аутоматизовано мерно место за карактеризацију зрачења антенских низова и просторну обраду сигнала антенским низовима је реализовано у условима анехоичне коморе која је успостављена на Karlsruhe универзитету у Немачкој а у оквиру сарадње Лабораторија за Микроталасну технику и бежичне комуникације Електронског факултета и Института за технику хиперефреквенција и електронику при Karlsruhe универзитету. Мерени резултати добијени помоћу аутоматизованог мерног места непосредно се примењују за реализацију активности пројекта ТР које се односе на развој неуронских модела ДОА

10 естимације. Развијена архитектура мерног места као и део постојеће опреме која биће искоришћени за завршетак аутоматизованог мерног места за карактеризацију зрачења антенских низова и просторну обраду сигнала које је започето у оквиру Лабораторије за антене и простирање Електронског факултета у Нишу. Документација коју кандидати поднесу може садржати на 5-10 страница, укључујући илустрације и техничке цртеже. Подносилац пријаве