radiowellen_experiment/manual_documentation/README.md

# 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