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Self-triggering of radio signals from cosmic ray air showers [Elektronische Ressource] / Thomas Asch

119 pages
.Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftWissenschaftliche BerichteFZKA 7459Self-Triggering ofRadio Signals fromCosmic Ray Air ShowersT. AschInstitut für Prozessdatenverarbeitung und ElektronikFebruar 2009Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7459 Self-Triggering of Radio Signals from Cosmic Ray Air Showers Thomas Asch Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe genehmigte Dissertation Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 2009 Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 urn:nbn:de:0005-074594 d =(137±18)m0tsexpsameerimenthetsinonresultsthemeasuredobservofationMonoftheradioedemissionofeldultrawithinhighyenergyypenrawithinys.erallAbsolutelytedandmeasuremenptsofinthedselectricteldFstrengthofwithevthescaleLOPESSTSTulationsARtoweredel.
Voir plus Voir moins

.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7459
Self-Triggering of
Radio Signals from
Cosmic Ray Air Showers
T. Asch
Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik
Februar 2009Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7459




Self-Triggering of Radio Signals from
Cosmic Ray Air Showers



Thomas Asch
Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik





von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe genehmigte
Dissertation

Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2009






















































Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe
Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)
ISSN 0947-8620
urn:nbn:de:0005-074594 d =(137±18)m0
ts
exp
same
erimen
the
ts
in
on
results
the
measured
observ
of
ation
Mon
of
the
radio
ed
emission

of
eld
ultra
within
high
y
energy
yp

en
ra
within
ys.
erall
Absolutely
ted

and
measuremen
p
ts

of
in
the
ds
electric
t
eld
F
strength
of
with
ev
the
scale
LOPES
ST
ST
ulations
AR
t

o
w

ere
del.
p
the
erformed
few
in
algorithms

system
with
standard
the
the
w
and
ell-established
ed
air
ert
sho
w
w
an
er
Both

in
KASCADE-Grande.
dep
The
v
exp

erimen
the
tal
radio

high
allo
w
w
ts
ed
most
a
of
sim
is
ultaneous

observ
Carlo
ation
an
of
y-ev
east-w
p
est
a
and

north-south
giv
p
and
olarised
hrotron

o
onen
resolution
ts
al
of
only
the
The
electric
ds
eld
dev
p
the
er
the
an
no
tenna
ols
used.
analysis
This

thesis
erformed
discusses

in
k
detail
to
the
v

the
of
ra

data
kground
to

electric
on
strength.
the
metho

result

the
as
frequency
w
enden
ell

as
alues
the
their
resulting
ties.
self-trigger
urthermore,
system.
analysis
The
the
implemen
emission
ted
ten
trigger
qualit
sup-
sho
presses
er
strong
en

results
kground
the
signals
probable
from
parameter

e
future
for
protot
a
The
AR
of
LOPES
ev
ts
the
.
industrial

en

vironmen
en
t
with
on
te
the
sim
site
on
of
ev
the
t-b
F
en
orsc
basis
h
oin
ungszen
out
trum
go
Karlsruhe
d
(rejection
ondence
>
the
99.9
en
%)
ties
and

is

the
mo
basis
The
for
v
a
angular
hardw
of
are
arriv
self-

trigger.
in
Therefore,
a
the
degrees.
system
presen
is
metho
adequate
and
for
are
an
elop
y
for
other
trigger

and
site.
analysis
T
are
w
w
o
to
dieren
for
t
data

in
metho
LOPES
ds
oration.
are 40−80MHz
2300×350m
16E > 10 eV
18 2E < 10 eV 700×700m
23000km
1810 eV
◦θ >60
geometrisc
Radiosignale,
Luftsc
eine
eine
absolute
tin
Kalibration
tinien
des
on
Messaufbaues
on
so
dab
wie
tisc
ein
un
b
KASCADE-Grande
esseres

V
t
erst?ndnis
hritt
der
und
K
Die
orrelation
geneigten

Rahmen
hen
Un
Radiosignalen
die
und
fallen
rek
atorium
onstruierten

Sc

hauergr??en
En
etablierter
Selbsttriggerung
Luftsc
Soft
hauerexp

erimen
mit
te.
elte
Zu
arameter
diesem
tergrundsignale
Zw
oinzidenzb
ec
Im
k
drei
wurden
Observ
10
dort
logarithmisc
Um
h-p
zeigte
erio
Un
disc
Amplitudensp
he
industriell
Dip
Das
olan
eine
tennen
eines
auf
ideale
der
zur
Fl?c
der
he
Energien
des
stehen
b
Optimierung
ew
wurde
?hrten
v
Luftsc
In
hauerexp
ten
erimen
so
tes
und
KASCADE-Grande
tiert
installiert.
en
Jede
gerung
An
plausib
tenne
P
detektiert
Luftsc

ter
hzeitig
der
die
separiert.
Nord-S?d
wink
und
ein
die
Messaufbau
Ost-W
tennen
est
Pierre
p
in
olarisierte
um
K
orherrsc
omp
grundeekte
onen
eltein?sse
te
hen.
des
h,
elek-


im
hen
ung
F
geringer
eldes
auf
in
Gebiet
einem
erimen
F
Auger
requenzb
edec

he
h
T
v
und
on
bietet
emission
f?r
Radio
An
der
on
eis
De-
w
emission
h
b

er
zum
ei
.
Die
Die
klung
P
Strategie
ositionen
Radiosig-
der
Basis
An
getriggerten
tennen
KASCADE-Grande
auf
are
dem
ersten
Gel?nde
die
des
v
F
hen
orsc
k
h
he
ungszen
Signale,
trums
Messaufbau
Karlsruhe
erden,
bilden
harakterisiert.
die

Punkte
zur
eines


durc
hseiti-
motivierte
gen
innerhalb
Dreiec
h
ks,
Radiosignale
w
und

erden
hes
utzung
zur
Anordn

tennen
h
w
tungsb
aus
estimm
hauern
ung
ordergrund
durc
wurde
h
iden
T
her
riangulation
mit
b
An
en
im
utzt
des
wird.
Auger
Alle
atoriums
An
Argen
tennen
installiert,
b
die
edec
v
k
henden
en
ter-
zusammen
und
eine
w
Fl?c
zu
he
tersuc
v
Es
on

ungef?hr
dass
te
t
erimen
hen
Exp
tergrundeekte
zuk?nftige
Mittel
f?r
Gr??enordn
Detektor
im
yp
ektrum
Protot
aus-
ein
als
und
dem
sind
gepr?gten
in
des
zw
Exp
ei
tes.
Grupp
Pierre
en
Observ
mit
b
vier
kt
An
Fl?c
tennen
v
und
ungef?hr
einer
unabh?ngigen
w
Optimierung
eiteren
klung
Grupp
und
e
damit
mit
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zw
ein
ei
higes
An
tennenfeld
tennen
k
organisiert.
tin
Ein
hen
v
tektion
on
Radio
KASCADE-Grande
aus
gesendetes
hauern
Signal
ei
startet
?b
automatisc
t
h
die
die
dab
Datenauslese
.
aller
En
10

An
und
tennen,
einer
falls
zur
ein
f?r
Luftsc
nale
hauer
auf
mit
v
einer
extern
Energie
Daten
ist
on
t
in
erimen
w
Exp
realisiert.
AR
einem
ST
Sc
LOPES
wurden
Das
transien
detektiert
St?rsignale
wurde.
on


hzeitig
Anlagen
w
wie
erden
on
die


Radio
haften
TV
der
die

dem
hen
detek-
bis
w
zu
analysiert
einer

Energie
Das
v
t
on
k
Strahlung
System
osmischer
Selbsttrig-
k
un
aus
kt
Radiosignale
ei
f?r
h
riggersystem
el
T
P
erden
St?rsignale
diese
einer
eise


tung.
v
akzeptierten
on
aus
KASCADE-Grande
hauern
auf
Un-
einer
w
Fl?c
un
he
Ausn
v
der
on
hen
der
ung
hauern
An
Luftsc
(K
f?r
edingung)
riggersystems
eiter
so
Radiosignale
zivilisationsb
sehr
St?rungen
Luftsc
Zusammenfassung
(Zenit

el
hgewiesen.
V

h
aus
)

wie
h?
edingte
hsten
w
Energien.
auf
am
W
Erdb
un-
o
kt.
den17 18510 eV < E < 10 eV
σ =7.2%~|E|
α
E
d d =0 0
(137± 18)m
◦ϕ θ Δϕ ≈ Δθ ≈ 7
◦ ◦Δϕ≈2 Δθ≈−1
estimm
zu
w
?b
v
er
tersuc
90
der
%.
Luftsc
Die
geomagnetisc
Reinheit
oh?ren
eines
Annahme
Datensatzes
und
ist
h
deniert
hzeitig
als
und
das
Energie
V
ergibt
erh?ltnis
F
der
zw
akzep-

tierten
KASCADE-Grande
Sc
einer
hauerereignisse
zehn
zu
Abh?ngigk
der
Ergebnisse
Anzahl
Geometrie
aller
b
akzeptierten
Radiosignale
Ereignisse
hen

Sk
hauer-
on
und
Bezieh
Un
elau?sung
tergrundereignisse)
und
und
erlaubt
ergibt
Bei

h
h
h
zu
zur
6
elau?sung
%.
implemen
Das
die
T
resultierende
riggersystem
w
zeigt
arametrisierung
eine
harakteristisc
gute
V
Re-
Exp
duktion
Einzelereignisse
v

on

Un

tergrundereignissen
eine
so
Abh?ngigk
wie
on
eine
Sc
gute
v
Akzeptanz
.
v
ein
on
Un
Sc
den
hauerereignissen
des
un
Die
ter
h
den
au?sung
gegeb
utzten
enen
erw
Messb
der
edingungen

im
de
Rahmen
Sc
v
h
on
angenommen.
KASCADE-Grande.
die
Mit
t
dieser
h
Arb

eit
ut
ist
Selbsttriggers
die
An

ersc
h
IV
bark
gestellt.
eitsstudie
en
des
hauerereignisse
v
Un
orgestellten
Eine
Selbsttriggers
Radiosignals
erbrac
der
h
Gr??en
t.
erlaubt
Eine
h
absolute
ersc
Kalibration
te.
des
ann
Messaufbaues
rek
ist
Energie
not
abgesc
w
Un
endig,
h
um
P
die
tungen
Rohdaten
est)
in
arametrisierung
ADC-
hgef?hrt:
W
v
erten
Wink
in
el
eine
magnetfeld

hse),
he

F
dem
eldst?rk
St?rsignalen
e
den
zu
ungen
k
alenparameter
on
kung
v
h
ertieren.
?hlten
Dies
eine
bildet
zur
die
hens
Grundlage
Radio
f?r
der
die
erden
V
ersc
erik
wie
ation
der
der
der
erzielten
tennen,
Resultate
Der
aus
dete
der
Bestimm
K
elau?sung
orrelationsanalyse.
un
Zw
Metho
ei
ersten
unabh?ngige
un
Metho
eb
den
t
wurden
e
durc
f?r
hgef?hrt,
und
um
wird
die
rian-
absolute
h
Kalibration
b
des
die
LOPES
onstruierten
ST
v
AR
Daraus
Detek-
eine
tors
den
zu
el
v
wink
erizieren.
on
Zum
endung
einen

wurden
hen
die
v


harakteristisc

hen
AR

Der
haften
Datensatz
aller
th?lt
v
Sc
er-
f?r
w
eitere
endeten
tersuc
Einzelk
ungen.
omp
P
onen
des
ten
in
pr?zise
eit
im

Lab
hen
or
eines
v
hauers
ermessen
ein
und


der
h
v
so
hiedener
k
erimen
om-

biniert,
k
dass
f?r
das
mit
Gesam
onstruierter
tsystem
die
b
des

hens
hrieb
h?tzt
en
erden.
wird.
ter
Zum
ksic
anderen
tigung
wurde
eider
eine
olarisations-
externe
h
Referenzan
(Nord-S?d
tenne
Ost-W
b
wurde
en
P
utzt,
der
w
durc

in
he
eit
ein
om
w
hen
ohldeniertes
el
Signalsp
(Wink
ektrum

emittiert.
Erd-
Ein
und
en

tsprec
der
hender
des
V
hens

und
h
lateralen
der
alenparameter
erzielten
on
frequenzabh?ngigen
Aus
Kalibrationsk
Un
onstan
h
ten
folgt
zeigte
Sk
eine
v
sehr
v
gute

?b
eine
ereinstimm

ung
Datensatz
b
ausgew
eider
und
Metho
lineare
den
ung
innerhalb
Energie
ihrer

F
(k
ehlergrenzen.
te
Der
emission).
resultierende
Grenzen
Gesam
Wink
tfehler
w
auf
durc
die
v
gemessene
hiedene
F
aktoren,
eldst?rk
Zeit-
e
o
k
Abstand
ann
Anzahl
damit
gen
zu
An
des
b
h
t.

v
b
en-
Energie-
Aufbau
einen
eine
F?r
ung
%.
Wink
99,9
auf
er
ei
f?r

das
he
LOPES
den.
ST
der
AR
Metho
Exp
wird
erimen
ter
t
einer
angegeb
enen
en
hauerfron
w

erden.
dieselb
Die

gew
tung
?hlte
Sc
N?he
hse
des
Radiosignal
LOPES
Es
ST
durc
AR
T
Exp
gulation
erimen

tes
tung
zum
Radiosignale
Luftsc
estimm
?b
und
.
Dierenz
zw
rek
Metho

n
tung
k?nstlic
on
erzeugte
gebildet.
die
ergibt
hk
h
zu
Wink
aufw
f?r
V
Azim
orfene
wink
tergrundsignale
auf
strenge
Zenit
Bedingungen
el
an
v
die
tierten
Qualit?t
des
der
w
Rek
h
onstruktion
mit
v

on
V
Sc
hiebung
hauerereignissen
on
durc
h
Ezienz
ergibt
KASCADE-Grande
und
und
hens
LOPES
on
ST
h
hauerexp
Die
erimen
eite
t
de
KASCADE-Grande
utzt
bietet
h
b
St?rsignale,
este
?hnlic
V
eit
oraussetzungen
Radiosignalen
f?r
eisen.
K
erw
orrelationsanalysen.
Un
Es
wurden◦θ≈90
◦Δϕ≈0.6
St?rk
erden
bietet
b
v
en
hrotron
utzt,
her
um
des
die
der
H?ugk
Eine
eitsv
repro
erteilung

des
diese
Azim
atoriums
ut-
on
wink
hauerparametern
els
Mo
zu
Sc
un
hiedenen
tersuc
k
hen.

Diese
aus
Metho
in
de
b
k
ansc
ann
tennen
dab
eines
ei
Dies
k
K
eine
?nnen.
Aussage
mit
?b
darauf
er
ei
die

Wink
in
elge-
e
nauigk
AR
eit
Radiosignale
des
orgestellte
Zenit
und
wink
akzeptiert
els
Zeit
geb
AR
en,

da
ersion
dieser
zuerst
als
ungszen
k
des
onstan
estumgebung
t
eriziert.
angenommen
oraussetzungen,
wird.
in
Setzt
n?her
man
endig,
v
Luftsc
oraus,
Vielzahl
dass
tersuc
die
t
Quellen
v
dieser

sc
und

Sim
hen
bilden
Signale
nahe
w
hse.
?hrend
wird
der
der
Messdauer
v
w
olarisationen
eder
h
ihre
LOPES
P
ein
osition
Detektor
no
k

Das
h
riggersystem
ihre
transien
Signalform
on
?ndern,
St?rsignale
dann
ei
erreic
hauern.
h
im
t
LOPES
man
Hardw
mit
genommen,
dem
eine
LOPES
angepasste
ST
T
AR
Dieser
Detektor
dem
mit
orsc
mindestens
Karlsruhe
drei
im
und
Auger
h?
einer

drei
hstens
und
vier
ST
An
ideale
tennen
dem
eine
ten-
Wink
Gr??e
elau?sung
zehn
v
k
on
not
w
den
mit
emission
einem
und
Zenit
mit
wink
on
el
esser
Arb
zu
w
in
ten
erzielten
V
im
Pierre
exp
umgesetzt
Rahmen
b
Observ
.
tragen
Eine
das
w
dell
eitere
ung
Un
dem
tersuc
hrotron
h
dell
ung
den
der
aufbauenden
Sc
ulationen.
hauereigensc
Ausnahme
haften
dab
der
Signalen
gew
der
?hlten

zehn
Jedo
Sc
h
hauer-
die
ereignisse
e
zeigt
Radiosignale
ein
den
klares
ersc
Dezit
P
aus
qualitativ
s?dlic

her
tig

duziert.
h
ST
tung.
ist
Luftsc
absolut
hauer
alibrierter
aus
f?r
dieser
aus

osmisc
h
Strahlung.
tung
v
w
T
eisen
un
einen
kt
geringen
te
geomagnetisc
k
hen
tin
Wink
he
el
und
auf
dab
und
Radiosignale
emittieren
Luftsc
gem??
Zur
dem
wird
Geosyn-
Rahmen

on
hrotron
ST
Mo
ein
dell,
aretrigger
ein
Betrieb
Mo
w
dell
her
zur
auf
Besc
Elektronik
hreibung
V
der
des
Radio
riggersystems
emission
einhaltet.
aus
wird
Luftsc
auf
hauern,
Gel?nde
n
F
ur
h
sc
trums
h
und
w
hlie?end
ac
Rahmen
he
Pierre
Radiosignale.
Observ
W?hrend
in
der
T
zur
mit
V
An
erf?gung
installiert
stehenden
v
Messdauer
LOPES
wurden
AR
zw
damit
ei
V
Luftsc
um
hauer
Ziel
v
An
on
nenfeldes
allen
der
zehn
v
installierten
mehreren
An
Quadratkilometern
tennen
zu
detektiert.
ommen.
Diese
ist
Sc
w
hauer
um
wurden
Eekt
ausgew
Radio
?hlt,
aus
um
hauern
die
deren
Lateralv
orrelation
erteilung
einer
auf
v
Basis
Luftsc
v
b
on
un
Einzelereignissen
hen
mit
k
deren
Die
Mon
dieser
te
eit
Carlo
Ergebnisse
Sim
erden
ulationen
geplan
zu
Radio
v
erimen

im
hen.
des
Es
Auger
zeigt
atoriums

und
h
dazu
hierb
ei,
ei

eine
Mo
gute
zu
?b
erizieren.
ereinstimm In
Contents
.
1
.
Intro
.

.
1
.
2
.
High
AR
Energy
.
Cosmic
.
Ra
.
ys
.
3
72
2.1
.
Cosmic
.
Ra
.
y
.
Flux
.
.
.
.
.
.
Results
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
ok
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
kground
.
.
.
Data
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Data
.
.
.
.
.
.
.
.
.
arametrisation
3
.
2.2
.
Extensiv
.
e
.
Air
.
Sho
.
w
97
ers
.
.
.
.
.
.
Calibration
.
.
.
.
.
.
.
Self-T
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
T
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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5
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2.3
.
Radio
In
Emission
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Strength
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er
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Results
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Summa
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Figures
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41
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LOPES
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8
.
3
.
LOPES
.
ST
.
AR
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15
43
3.1
45
In

tro
.

.
.
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5.2
.
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47
.
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51
.
Strategy
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52
.
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15
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3.2
.

.
La
.
y
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out
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60
.
69
.

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6.2
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6.3
.
the
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.
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.
Sho
.
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15
.
3.3
.
Signal
.
Chain
.
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77
.
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91
.
and
.
List
.
T
.
103
.
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4.7
.
of
20
ST
3.4
.
Digital
.
Data
.
Analysis
.
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5
.
rigger
.
5.1
.
tro
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.
22
.
4
.
Calib
45
ration

31
Situation
4.1
.
In
.
tro
.

.
.
.
.
.
.
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.
.
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5.3
.

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.
.
5.4
.
rigger
.
.
.
.
.
.
.
.
31
.
4.2
.

.
Description
.
.
.
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.
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5.5
.
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.
.
.
.
31
.
4.3
6
End-to-End
Analysis
Calibration
6.1
.
tro
.
.
.
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.
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.
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.
69
.
Data
.
.
.
.
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.
.
.
.
.
33
.
4.4
.
Step-b
.
y-Step
.
Calibration
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
69
.
P
.
of
.
Field
.
.
.
.
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.
.
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.
.
.
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.
6.4
.
w
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
38
.
4.5
.
Comparison
.
and
.
Results
.
.
.
.
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.
6.5
.
.
.
.
.
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.
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.
.
7
.
ry
.
Outlo
.
93
40
of
4.6
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Eectiv
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Bibliography
Bandwidth
.