Analysis and characterization of uncertainty components in the measurement of radio-electric signals and parameters.

Abstract

En la medida de cualquier magnitud es necesario aportar, además del resultado obtenido, una indicación cuantitativa de la fiabilidad de dicho resultado, que informará de cuanto se parece el resultado al valor verdadero de la magnitud que se quiere medir. Esto implica evaluar todas las posibles fuentes de error que influyen en la medida, así como las posibles correcciones, para obtener un valor de incertidumbre, que unido al valor medido, indique en qué intervalo se encuentra el valor verdadero de la magnitud. Este valor de incertidumbre permite establecer la calidad del resultado obtenido y compararlo con valores de referencia o valores obtenidos por otros, representando el paso de una simple prueba a un proceso experimental profesional.

Cuando hablamos de la medida de señales y parámetros radioeléctricos, según su finalidad, disponemos de una enorme variedad de equipos, métodos y escenarios de medida, que además pueden adaptarse y evolucionar con los avances tecnológicos. Por ello se requiere un cuidadoso análisis de la incertidumbre asociada, acompañado por una revisión precisa de las posibles contribuciones a dicha incertidumbre.

Dentro de los posibles casos de medida, nos encontramos con algunos cuyo análisis de la incertidumbre, a pesar de llevar tiempo siendo estudiados, no parecen del todo concluidos o al menos consensuados. En otros, es necesaria una reevaluación para considerar el impacto de los últimos cambios tecnológicos. También hay situaciones que, tradicionalmente, no han conllevado un análisis detallado de la incertidumbre, confiando que sea pequeña en base a la calidad de los equipos de medida o, concretamente, al prestigio del fabricante.

Por ejemplo, en el caso de la medida de señales para la obtención de parámetros de antenas, existen unos procedimientos definidos y bastante aceptados por la comunidad internacional de la ciencia y la ingeniería para obtener la magnitud que se desea medir. Sin embargo, no es así en el caso de la estimación de la incertidumbre asociada a esa magnitud, donde no existe norma internacional ni procedimiento establecido para evaluar las incertidumbres en medida de antenas. Dicha incertidumbre es dependiente del equipamiento utilizado, del proceso de medida, del escenario…. Si bien en los últimos años se ha investigado mucho en la materia, y existen grupos de referencia, que incluso han establecido numerosas colaboraciones entre ellos, todavía no hay un consenso común y quedan aspectos por cubrir.

Por otra parte, las aplicaciones de telecomunicación actuales requieren gran precisión a la hora de medir parámetros de antenas, lo que implica una precisa identificación de las componentes que contribuyen a la incertidumbre de medida, y la necesidad de tener un control sobre ella.

En referencia a la medida de exposición a campos electromagnéticos, los nuevos esquemas de modulación en comunicaciones móviles y la evolución de los equipos de medida, unido a nuevas normativas en exposición, han vuelto a generar interés en la caracterización de la incertidumbre de medida a fin de evaluar de forma correcta el nivel de campo electromagnético existente.

En lo tocante a las medidas de propagación para la obtención de parámetros de canal, no hay estudios detallados de la propagación de las incertidumbres de los equipos de medida al cómputo de las variables de interés, cuando estas no son obtenidas directamente de la medida, sino que son resultado del procesado matemático de los valores medidos.

Este trabajo tiene como objetivo profundizar en el estudio de los factores que contribuyen a la incertidumbre en la medida de señales y parámetros radioeléctricos, mediante el análisis de casos concretos, y en como compensar o reducir la influencia de los mismos para mejorar la calidad de la medida. Con sus resultados, de ser exitosos, se cubrirían algunas lagunas en procesos de medida profesionales, estableciendo métodos más fiables y sistemáticos para determinar la incertidumbre de la medida.

Na medida de calquera magnitude faise necesario achegar, alén do resultado propiamente acadado, unha indicación cuantitativa da fiabilidade do devandito resultado, que informará de canto se asemella o resultado ao valor verdadeiro da magnitude que se desexa medir. Isto supón avaliar tódalas posibles fontes de erro que inflúen na medida, así como a existencia de posibles correccións, para acadar un valor de incerteza que xunto co valor medido nos indique en que intervalo se atopa o valor verdadeiro da magnitude. Este valor de incerteza permite establecer a calidade do resultado acadado e comparalo con valores de referencia ou valores acadados por outros, representando o paso dunha simple proba a un proceso experimental profesional.

Cando falamos da medida de sinais e parámetros radioeléctricos, segundo a finalidade para a que se realicen, dispoñemos dunha enorme variedade de equipos, métodos e escenarios de medida, que ademais poden ir adaptándose e evolucionando cos avances tecnolóxicos. Por iso requírese unha coidadosa análise da incerteza asociada, acompañada por unha revisión precisa das posibles contribucións a dita incerteza.

Dentro dos posibles casos de medida, atopámonos con algúns nos que a análise da incerteza, malia levar tempo sendo estudados, non parece que estean de todo concluídos ou polo menos consensuados. Noutros faise necesaria unha reavaliación para considerar o impacto dos últimos cambios nas tecnoloxías. E tamén hai situacións que, tradicionalmente, non levaron unha análise detallada da incerteza, confiando que esta sexa pequena en base á calidade dos equipos de medida ou, máis concretamente, ao prestixio do seu fabricante.

Por exemplo, no caso da medida de sinais para a obtención de parámetros de antenas, existen uns procedementos definidos e bastante aceptados pola comunidade internacional da ciencia e a enxeñería para acadar a magnitude que se desexa medir. Con todo, isto non é así no caso da estimación da incerteza asociada a esa magnitude, onde non existe ningunha norma internacional ou procedemento establecido para avaliar as incertezas en medida de antenas. Dita incerteza é dependente do equipamento utilizado, do proceso de medida, do escenario de medida…. Aínda que nos últimos anos investigouse moito na materia, e existen varios grupos de referencia, que mesmo estableceron numerosas colaboracións entre eles, aínda non hai un consenso común en tódolos aspectos.

Por outra banda, as aplicacións de telecomunicación actuais requiren una gran precisión á hora de medir parámetros de antenas, o que implica unha precisa caracterización da incerteza das compoñentes que contribúen á incerteza da medida, e a necesidade de ter un control sobre a mesma.

En referencia á medida de exposición a campos electromagnéticos, os novos esquemas de modulación en comunicacións móbiles e a evolución dos equipos de medida, xunto coas novas normativas en materia de exposición, volven xerar interese na caracterización da incerteza de medida coa fin de avaliar de forma correcta o nivel de campo electromagnético existente.

En canto ás medidas de propagación destinadas a obter os parámetros de canle, non hai estudos detallados da propagación das incertezas dos equipos de medida ao cómputo das variables de interese, cando estas non son datos obtidos directamente da medida, senón que son o resultado do procesado matemático dos valores medidos.

Este traballo ten como obxectivo afondar no estudo dos factores que contribúen á incerteza na medida de sinais e parámetros radioeléctricos, mediante a análise de casos concretos, e en como compensar ou reducir a influencia dos mesmos coa fin de mellorar a calidade das medidas. Cos seus resultados, de resultar con éxito, cubriríase algunhas lagoas nos procesos de medida profesionais, de xeito que se poderían establecer métodos mais fiables e sistemáticos para determinar a incerteza dos devanditos parámetros.

In the measurement of any magnitude, a quantitative indication of the reliability of the measured value should be provided in addition to the value itself in order to provide information about how much the result match the true value of the desired magnitude. This implies the assessment of all the potential sources of error in the measurement, as well as of the possible corrections existing, in order to get a value of uncertainty, which joined to the measured value, indicates the range where the true value of the magnitude lies. This value of the uncertainty allows to establish the quality of the result obtained and to compare it with reference values or values obtained by others, representing the transition from a simple test to a professional experimental process. When we talk about the measurement of radio-electric signals and parameters, depending on the purpose for which they are carried out, we have a huge variety of equipment, measurement methods and scenarios, which are also adapted and evolve with technological advances. Therefore, a careful analysis of the associated uncertainty is required, linked with an accurate review of the possible contributors to that uncertainty. Among the possible measurement cases, we find some where the analysis of uncertainty, despite having been studied for some time, do not seem to be entirely concluded or at least agreed. In others, a re-evaluation is necessary to consider the impact of the latest changes in technologies. And there are also situations that, traditionally, have not involved a detailed analysis of uncertainty, trusting that it is small based on the quality of the measurement equipment or, specifically, on the prestige of its manufacturer. For example, regarding to the measurement of the signals to obtain antenna parameters there are some defined procedures to measure the desired magnitude that are globally accepted by the international scientific and enginery community. However, this is not the case when estimating the uncertainty associated to the measured value, as no international standard or procedure exist for the evaluation of the uncertainty in antenna measurements. Such uncertainty depends on the equipment used, on the measurement process, on the measurement setup… Although in the recent years much research has been done on the topic, and there are several reference groups, that have even established many working relations among them, it still remains a lack of consensus and issues to be fulfilled. Furthermore, the current telecommunication services require a lot of precision when measuring antenna parameters that implies an accurate identification of the components contributing to the measurement uncertainty, and the need to have a control over it. With respect to electromagnetic field exposure measurements, the new modulation schemas in mobile communications and the developments in the measurement equipment, joined to the new legislation regarding exposure, has once again generated a wide interest in the characterization of measurement uncertainty in order to perform a correct assessment of the existing electromagnetic field. Regarding propagation measures intended to obtain channel parameters, there are no detailed studies of the propagation of uncertainties from the measurement equipment to the variables of interest, when these are not obtained directly from the measurements and they are the result of mathematical processing of the measured values.

This study has as objective to gain more in-depth knowledge about the factors contributing to uncertainty in the measurements of radio-electric signals and parameters, by studying some use cases, and about how to compensate or reduce their influence, with the aim of improve the quality of the measurements. With the results, if successful, some gaps in the professional measurement procedures would be filled, so that more reliable and systematic methods to estimate the measurement uncertainty could be established.