From 2df14793e34b19f55396bba1f1df97e69e049578 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Mika Date: Sun, 11 Jan 2026 04:11:42 +0000 Subject: [PATCH] Add manual_documentation/README.md --- manual_documentation/README.md | 239 +++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 file changed, 239 insertions(+) create mode 100644 manual_documentation/README.md diff --git a/manual_documentation/README.md b/manual_documentation/README.md new file mode 100644 index 0000000..edd4717 --- /dev/null +++ b/manual_documentation/README.md @@ -0,0 +1,239 @@ +# Dokumentation des Radiowellen-Experiments am Donauufer + +## Purpose + +Technische Dokumentation eines Feldexperiments zur Erfassung akustischer und elektromagnetischer Eigenschaften von Radiowellen in freier Umgebung. + +**Problemstellung:** Radiowellenmessungen in offener Umgebung sind störanfällig durch Temperaturdrift, Wasserreflexion und mechanische Instabilität. Ziel ist, typische Fehlerquellen zu identifizieren und experimentell kontrollierbar zu machen. + +**Ziele:** +- Messen des Umgebungsrauschens im Frequenzbereich 30 MHz–1,8 GHz +- Ermitteln von Reflexionseffekten durch Wasseroberflächen +- Korrelieren der Ergebnisse mit Temperatur- und Standortbedingungen +- Erstellung eines sicheren, reproduzierbaren Mess-Setups + +## Kontext & Hintergrund + +Aufgezeichnete Werte umfassen SNR, Rauschboden, Frequenzdrift und Temperaturdaten. + +**Gruppierung:** +- Baseline-Messung gegen Himmel +- Reflexionstest (−5° Elevation) +- Langzeitdrift über 2 h + +**Trace-Metadaten / zusätzliche Tags:** +- Zeitstempel +- Position (Azimut, Elevation) +- Gerätekonfiguration (LNB, SDR) + +**Domänenkontext:** +- Radioastronomie +- Elektromagnetische Wellenausbreitung +- Signalverarbeitung +- Feldmesstechnik + +**Outlier-Definition:** +- Methode: manuelle Sichtung der Spektrallogs +- Beschreibung: Werte > ±2 dB vom Mittelwert des Rauschbodens gelten als Ausreißer. +- Metrik: Rauschpegelabweichung in dB + +**Motivation:** +- Charakterisierung des Umgebungsrauschens außerhalb urbaner Quellen +- Bewertung der Messstabilität bei niedrigen Temperaturen +- Prüfung von Reflexionsartefakten durch Wasserflächen + +## Methode / Spezifikation + +**Übersicht:** +- Verwendung eines passiven Empfangssystems bestehend aus LNB, Parabolspiegel und USB-SDR +- Kalibrierung durch Grundrauschmessung über 10 min +- Variation der Elevation zur Detektion von Reflexionseffekten + +**Algorithmen / Verfahren:** +- Kontinuierliche Aufzeichnung des Frequenzspektrums (30 MHz–1,8 GHz) +- Mittelwertbildung und Glättung über 2‑min‑Intervalle +- Vergleichsmessung mit −5° Elevation +- Ableitung der SNR-Werte und Frequenzdrift über Zeit + +### Bootstrap-Übersicht + +Resampling der gemessenen Pegel zum Schätzen der Streuung pro Frequenzband. + +**Zielgrößen:** +- mittlerer Rauschpegel (dB) +- SNR + +### Resampling-Setup + +- Himmel +- Wasserreflexion + +**Stichprobeneinheit:** 1‑Minuten‑Mittelwert + +**Resampling-Schema:** +- 1000 zufällige Stichproben pro Gruppe + +**Konfidenzintervalle:** +- Niveau: 0.95 +- Typ: Percentile-Bootstrap +- Ableitung: aus Verteilung der Mittelwerte über 1000 Resamples + +### Abgeleitete Effektgrößen + +**Risk Difference (Differenz der Raten):** +- Definition: Differenz der mittleren Signal-Noise-Ratio zwischen Wasser- und Himmelmessung. +- Bootstrap: Stichprobenbasierte CI-Schätzung der Mittelwertsdifferenz + +**Risk Ratio:** +- Definition: Verhältnis der Häufigkeit von Pegelsteigerungen (>1 dB) in Reflexionsbedingung gegenüber Baseline. +- Bootstrap: Konfidenzintervalle aus Resampling der Ereigniszählung + +### C-State-Kontrolle + +**Ziel:** Stabilität der Systemkomponenten und Temperaturkompensation sicherstellen. + +**Vorgehen:** +- Erfassen der LNB-Temperatur über Zeit +- Abgleich mit beobachteter Frequenzdrift +- Markieren von Abschnitten mit interner Erwärmung + +## Input / Output + +### Input-Anforderungen + +**Hardware:** +- Parabolschüssel (60 cm) +- LNB mit 1,8 GHz‑Empfangsbereich +- USB-SDR‑Dongle +- Laptop mit Datenerfassung +- Thermosensor + +**Software:** +- SDR# oder gqrx zur Spektrumaufzeichnung +- Python/Numpy zur Loganalyse + +**Konfiguration:** +- Samplingrate 2 MS/s +- Gain fixiert bei 45 dB +- Logging im CSV‑Format + +### Erwartete Rohdaten + +**Felder pro Run:** +- timestamp +- frequency_MHz +- signal_dB +- temperature_C +- azimuth_deg +- elevation_deg + +**Formatbeispiele:** +- 02:12,408.0,-97.8,3.1,180,85 + +**Trace-Daten:** +- Format: CSV oder TXT‑Log mit >10 000 Zeilen pro Stunde +- Hinweis: Daten ohne personenbezogene Inhalte, rein physikalischer Messcharakter + +### Analyse-Ausgaben + +**Pro Gruppe / pro Governor:** +- Mittelwert Rauschboden +- Standardabweichung +- SNR +- Frequenzdrift + +**Vergleichsausgaben:** +- Himmel (0°) vs Wasser (−5°) + - Δ: +1.2 dB + - CI(Δ): ±0.3 dB (95%) + - RR: 1.05 + - CI(RR): [0.98, 1.12] + +- C-State-Korrelation: Temperaturanstieg von +6.4 K korreliert mit 0.04 MHz/h Drift. +- Trace-Muster: Leichte Pegelmodulation bei Windstößen, als mechanisches Artefakt klassifiziert. + +## Workflow / Nutzung + +**Analyse-Workflow:** +- Feldaufbau prüfen und dokumentieren (Sicherheitscheck) +- Initialmessung (Grundrauschen, 10 min) +- Vergleichsmessungen (Elevation variieren) +- Datenauswertung in Python +- Ergebnisvergleich und Bootstrap-Resampling + +### Trace-Template-Anforderungen + +**Ziel:** Reproduzierbare Messung elektromagnetischer Naturrauschwerte + +**Erforderliche Tags & Metadaten:** +- Ort +- Datum +- Temperatur +- Elevation +- Rauschpegel + +**trace-cmd-Setup:** +- Samplingrate und Gain fixieren +- Frequenzbereich definieren +- Konstante Antennenausrichtung + +**Run-Design für Contributors:** +- Einzelmessungen ≥30 min +- Keine aktiven Sendequellen +- Sicherheitsabstand zum Wasser 2 m+ + +## Interpretation & erwartete Ergebnisse + +**Kernbefunde:** +- Rauschboden bei −98 dB stabil mit ±0.5 dB Schwankung. +- Messbare Reflexion vom Wasser mit Pegelzuwachs von +1.2 dB. +- Temperaturdrift beeinflusst Empfangsfrequenz signifikant. + +**Implikationen für Experimente:** +- Temperaturmonitoring essenziell für Präzisionsmessungen. +- Reflexionsquellen müssen beim Aufstellen kalibriert werden. +- Passive Radiobeobachtung ist im Nahfeld von Gewässern möglich, erfordert aber Korrekturfaktoren. + +**Planungsziel:** +- Ziel: Stabilisierte Messkette für wiederholbare SDR‑Feldmessungen entwickeln. +- Vorgehen: + - Verbesserte Fixierung gegen Wind + - Automatisches Temperaturlogging + - Vergleich unter klaren atmosphärischen Bedingungen + +## Limitationen & Fallstricke + +**Datenbezogene Limitationen:** +- Kleine Stichprobe (eine Nacht) +- Feuchte- und Temperaturschwankungen verzerren Messwerte + +**Bootstrap-spezifische Limitationen:** +- Nicht‑parametrische Unsicherheiten bei geringer Datenmenge +- Bootstrap-spreizung kann Schätzfehler unterschätzen + +**Kausalität & Generalisierbarkeit:** +- Keine kausale Trennung von atmosphärischer Dämpfung und Gerätedrift möglich +- Ergebnisse nur lokal übertragbar + +**Praktische Fallstricke:** +- Windvibrationen führen zu Resonanzartefakten +- Akku‑Kapazität begrenzt Laufzeit bei niedriger Temperatur +- Kondensation am LNB kann Dämpfung erhöhen + +## Nächste Schritte & Erweiterungen + +**Geplante Experimente:** +- Wiederholung bei klarer Witterung im Frühjahr +- Vergleichsmessung auf höherem Gelände ohne Wasserreflexion + +**Analyseziele:** +- Automatische Driftkorrektur entwickeln +- Langzeitverlauf über mehrere Nächte auswerten + +**Regression & Modellierung:** +- Temperatur vs. Frequenzdrift lineare Regression +- Modellierung des Rauschpegels nach Umgebungsparametern + +**Community-Beiträge:** +- Offene Datenveröffentlichung der Logs +- Bereitstellung von Mess-Templates und Sicherheitschecklisten