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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