fm_spectrum_walk/artifact.3/README.md

# Dokumentation des UKW-Spektrum-Scans in urbaner Umgebung (Passau)

## Purpose

Erfassung und Charakterisierung von UKW-Signalen im Frequenzbereich 87,5–108 MHz mittels Software Defined Radio (SDR) in urbaner Umgebung.

**Problemstellung:** In urbanen Räumen überlagern sich viele Reflexions- und Störquellen. Ziel ist die messtechnische Erfassung und Differenzierung von Rausch- und Signalanteilen im UKW-Band.

**Ziele:**
- Ermittlung urbaner Rauschcharakteristik und Signalverteilung im UKW-Band.
- Vergleich städtischer und offener Messpunkte zur Identifikation multipler Reflexionsquellen.
- Validierung des Geräterausschlags und Noise Floor unter realen Außenbedingungen.

## Kontext & Hintergrund

CSV-Datei mit UKW-Messwerten (Signalstärke, Noise Floor, GPS, Zeit, Temperatur, Luftfeuchte).

**Gruppierung:**
- Standorte (z. B. Medienzentrum, Donauufer)
- Frequenzbänder (87,5–108 MHz)

**Trace-Metadaten / zusätzliche Tags:**
- GPS-Koordinaten zur Georeferenzierung
- Zeitmarken zur Synchronisierung der Scanzyklen

**Domänenkontext:**
- Urbanes HF-Spektrum
- SDR-basierte Frequenzanalyse
- Signalreflexion an metallischen und wasserführenden Oberflächen

**Outlier-Definition:**
- Methode: Signalabweichung außerhalb ±5 dB des medianen Noise Floor
- Beschreibung: Signale oberhalb der Toleranz gelten als potenzielle HF-Reflexionen oder Senderpeaks.
- Metrik: signal_dB

**Motivation:**
- Messung elektromagnetischer Aktivität nächtlicher Stadtumgebung
- Beobachtung möglicher Multipath-Effekte
- Vergleich von Messergebnissen an unterschiedlichen Standorten

## Methode / Spezifikation

**Übersicht:**
- SDR-Hardware: RTL-SDR v3, Bias‑T aktiviert.
- Antennenkonfiguration: Horizontaler Dipol (1,2 m).
- Softwarestack: GQRX zur Empfangssteuerung, Python für logbasierte Spektrumsauswertung.
- Messintervall: 87,5–108 MHz in 200 kHz-Schritten.

**Algorithmen / Verfahren:**
- Automatischer Frequenzscan mit Protokollierung jeder Kanalstufe.
- Berechnung des Noise Floors und Signaldifferenz.
- Plotten gemittelter Signalstärken pro Frequenz (mittels pandas/matplotlib).

## Input / Output

### Input-Anforderungen

**Hardware:**
- RTL‑SDR v3 Empfänger
- Laptop (Linux/Windows/macOS)
- Bias‑T Versorgung
- GPS-Modul

**Software:**
- GQRX
- Python (pandas, matplotlib)

**Konfiguration:**
- Frequenzbereich: 87,5–108 MHz
- Bandbreite pro Scan: 200 kHz
- Gain manuell eingestellt (empfohlen: moderate AGC-Abschaltung)

### Erwartete Rohdaten

**Felder pro Run:**
- timestamp
- latitude
- longitude
- frequency_MHz
- signal_dB
- noise_dB
- temperature_C
- humidity_percent

**Formatbeispiele:**
- 2024-03-14T22:59:16Z,48.570,N13.460,87.5,-92,-102,0.9,82

**Trace-Daten:**
- Format: CSV
- Hinweis: Daten pro Frequenzschritt mit zugehöriger GPS-Position.

### Analyse-Ausgaben

**Pro Gruppe / pro Governor:**
- Mittelwert Signal_dB je Frequenz
- Standardabweichung des Noise Floors
- Signalpeaks oberhalb +10 dB über Grund

**Vergleichsausgaben:**
- Medienzentrum Passau vs Donaubrücke
  - Δ: ≈ 3–5 dB

## Workflow / Nutzung

**Analyse-Workflow:**
- Bereitstellen der SDR-Hardware und Antenne.
- Durchführen des Scans in 200 kHz-Schritten per Skript.
- Loggen der Daten in CSV.
- Nachbearbeitung: Plotten und Vergleich der Messpunkte.

### Trace-Template-Anforderungen

**Ziel:** Erfassung von Frequenz, Signal, Noise und GPS zur räumlichen Interpretation.

**Erforderliche Tags & Metadaten:**
- timestamp
- frequency_MHz
- signal_dB
- noise_dB
- lat
- lon

**trace-cmd-Setup:**
- Verwende GQRX-Logfunktion oder Python-Skript mit rtl_power.
- Definiere Scanbandbreite und Schrittweite konsistent.
- Füge GNSS-Zeitstempel zur Synchronisierung hinzu.

**Run-Design für Contributors:**
- Messungen an verschiedenen urbanen Positionen.
- Wiederholungen zur Erfassung tageszeitabhängiger Variationen.
- Einhaltung rechtlicher HF-Empfangsbeschränkungen.

## Interpretation & erwartete Ergebnisse

**Kernbefunde:**
- Urbaner Noise Floor stabil bei ca. –100 dB ±2 dB.
- Dominante Signalpeaks bei 93,2 MHz, 99,4 MHz, 104,8 MHz.
- Flächennahe Wasseroberflächen (Donau) erhöhen Signalstärke um 3–5 dB.

**Implikationen für Experimente:**
- Reflexionsumgebungen können als zusätzliche Senderverstärkung wirken.
- Vertikale Antennenpolarisation könnte Differenzen reduzieren.

**Planungsziel:**
- Ziel: Verständnis städtischer Signalüberlagerungen.
- Vorgehen:
  - Vergleichende Messung zwischen reflektierenden und offenen Flächen.
  - Statistische Auswertung der Signal-Stärke-Profile.

## Limitationen & Fallstricke

**Datenbezogene Limitationen:**
- Begrenzte Frequenzauflösung durch feste 200 kHz-Schrittweite.
- Kein Spektralmittel über längere Integrationszeiten.

**Kausalität & Generalisierbarkeit:**
- Daten gelten nur für getestete Lokalität und Zeitfenster.
- Keine kausale Zuordnung zu spezifischen Senderquellen.

**Praktische Fallstricke:**
- Interferenzen durch Metallkonstruktionen (Geländer).
- Feuchtigkeitseinwirkung auf Kabel und Antennenkontakte.

## Nächste Schritte & Erweiterungen

**Geplante Experimente:**
- Wiederholung bei Morgennebel und DAB-Band III.

**Analyseziele:**
- Vergleich UKW vs. DAB-Spektren für Reflexionsanalyse.

**Regression & Modellierung:**
- Modellierung von Signalabfall und Multipath-Verstärkung über Entfernung.

**Community-Beiträge:**
- Bereitstellung anonymer Frequenz-Spektren zur gemeinsamen Auswertung.
- Dokumentierter Aufbau für Replizierbarkeit durch andere SDR-Nutzer.