Exposure EMF measurements with spectrum analyzer using free and open source software.

Abstract

The modern lifestyle combined with the growing need of people for fast, immediate and reliable communication, have led to the evolution of wireless communications. At the same time, public concerns about potential adverse effects of exposure to Electromagnetic Fields (EMF) have also been increased. This is one of the main reasons that proper and reliable measurements of EMF in wireless communications are an important object of study by scientists. These measurements should be performed based on existing measurement protocols and comply with the Greek Legislation and other national and international recommendations and standards. The process of EMF exposure measurements is a difficult and complicated procedure, because different instrument settings for each particular frequency area are required. Moreover, the mathematical computations for calculating the necessary quantities and comparing them with the existing limits, is a time-consuming process. By automating both the procedure of taking measurements and the post processing of the measurement data, the measurement process is simplified and can be significantly accelerated. This can highly contribute to its effectiveness and reliability. The aim of this Master Thesis is the design and develop of special purpose open source software, which in operation with Spectrum Analyzers will fully automates the electromagnetic radiation measurement procedures at multiple frequency fields such as UMTS, GSM, Wi-Fi, TETRA, etc. The software will contain default settings adapted to these frequency fields. Furthermore, it will provide to the user the ability to customize the measurement settings according to his personal requirements. In addition, selection of different types of antennas, cables and spectrum analyzer models which adopt the SCPI standard will be allowed and new elements will be possible to be imported with a simple update. Also, storage of measurement data for their further processing and comparison with the protection limits will be enabled. Furthermore, a relevant report with the results and conclusions of the measurements will be generated. Finally, real measurements will follow, with the use of the existing equipment of the "Non-Ionizing Radiation Laboratory of TEI of Crete" (spectrum analyzer and appropriate antennas) in combination with the developed open source software.

Ο σύγχρονος τρόπος ζωής, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ανάγκη των ανθρώπων για γρήγορη, άμεση και αξιόπιστη επικοινωνία, οδήγησαν στην εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών. Ταυτόχρονα, αυξήθηκαν και οι ανησυχίες του κοινού σχετικά με πιθανές δυσμενείς επιπτώσεις της έκθεσης σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία (ΗΜΠ). Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους οι σωστές και αξιόπιστες μετρήσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στις ασύρματες επικοινωνίες αποτελούν σημαντικό αντικείμενο μελέτης από τους επιστήμονες. Αυτές οι μετρήσεις θα πρέπει να εκτελούνται με βάση τα υπάρχοντα πρωτόκολλα μέτρησης και να συμμορφώνονται με την Ελληνική Νομοθεσία και άλλες εθνικές και διεθνείς συστάσεις και πρότυπα. Η διαδικασία των μετρήσεων έκθεσης σε ΗΜΠ είναι μια δύσκολη και περίπλοκη διαδικασία, επειδή απαιτούνται διαφορετικές ρυθμίσεις οργάνων για κάθε συγκεκριμένη περιοχή συχνότητας. Επιπλέον, οι μαθηματικοί υπολογισμοί για τον υπολογισμό των αναγκαίων ποσοτήτων και τη σύγκρισή τους με τα υπάρχοντα όρια είναι μια χρονοβόρα διαδικασία. Με την αυτοματοποίηση τόσο της διαδικασίας λήψης μετρήσεων όσο και της μεταγενέστερης επεξεργασίας των δεδομένων μέτρησης, η διαδικασία μέτρησης απλοποιείται και μπορεί να επιταχυνθεί σημαντικά. Αυτό μπορεί να συμβάλει εξαιρετικά στην αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία της.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ειδικού σκοπού λογισμικού ανοικτού κώδικα, το οποίο σε λειτουργία με τους αναλυτές φάσματος θα αυτοματοποιήσει πλήρως τις διαδικασίες μέτρησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε πολλαπλά πεδία συχνότητας όπως UMTS, GSM, Wi-Fi, TETRA κλπ. Το λογισμικό θα περιέχει προεπιλεγμένες ρυθμίσεις, προσαρμοσμένες σε αυτά τα πεδία συχνότητας. Επιπροσθέτως, θα παρέχει στον χρήστη τη δυνατότητα να προσαρμόζει τις ρυθμίσεις μέτρησης σύμφωνα με τις προσωπικές του απαιτήσεις. Επιπλέον, θα επιτρέπεται η επιλογή διαφορετικών τύπων κεραιών, καλωδίων και μοντέλων αναλυτών φάσματος που υιοθετούν το πρότυπο SCPI και θα είναι δυνατή η εισαγωγή νέων στοιχείων με απλή ενημέρωση. Επίσης, θα παρέχεται η δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων μέτρησης για περαιτέρω επεξεργασία και σύγκριση με τα όρια προστασίας. Επιπλέον, θα δημιουργείται σχετική έκθεση με τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα των μετρήσεων. Τέλος, θα ακολουθήσουν πραγματικές μετρήσεις με τη χρήση του υφιστάμενου εξοπλισμού του Εργαστηρίου Μη-Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας του ΤΕΙ Κρήτης (αναλυτής φάσματος και κατάλληλες κεραίες) σε συνδυασμό με το αναπτυγμένο λογισμικό ανοικτού κώδικα.