作为在射频和微波频谱中广泛存在的系统,无线通信系统在设计时已具有抗有限干扰的能力。但由于无线系统经常共享或重复使用频谱,其他频谱使用者产生的干扰迅速成为难题。当干扰信号的幅度与相关信号相比相对增大时,该干扰能够以各种方式降低系统性能。
例如,干扰问题通常产生于发射机向同一个或相邻频率信道中不恰当发射能量的情况。有时,无线信号可成为灵敏设备的干扰,如蜂窝发射机接近脑电图(EEG)监测器可妨碍设备的运行。因为所有无线系统都受干扰的影响,能够在无线系统及其周围快速并精确地测量频谱至关重要。
虽然可精确测量无线信号的振幅和频率内容的设备多种多样,但是,无论是在速度、精确度和便携性方面,安捷伦 N934xC 系列和 N9340B 手持式频谱分析仪(HSA)都是最佳选择。
请注意频谱分析仪的一些要点,即频谱分析仪中的等效信道滤波器被称为分辨率带宽滤波器(RBW),该 RBW 的带宽可通过仪器键盘轻松调节。此外,由于在分析仪输入端不包括前端带通滤波器,因此任何具有较大振幅的信号进入仪器,就会造成仪器过载或损坏。因此,即使将仪器调谐到可测量窄频率范围,但在其他频率中操作的大振幅信号仍可进入仪器并可能损坏电子器件。
功率电平
例如,安捷伦 N9342C HSA 中的高功率损坏电平为 +33 dBm 或 2 W, 3 分钟。被测信号的功率电平高于 +33 dBm 时,需要使用外置衰减器或将耦合器置于频谱分析仪的输入端。还要注意,HSA 系列分析仪的输入端需要使用低于 ±50 伏的直流电,通常在将 HSA 与天线连接时这不成问题,但是若将其连至可能包含直流功率和无线电传输的系统时,这可成为一个难题。
若测量幅度非常低的电平信号和干扰时,应将可变衰减器设置为 0 dB 使进入下变频器中的信号电平最大化。在部分频谱仪中,如安捷伦 N934xC 和 N9340B,其前端放大器(前置放大器)是一种选件,可以添加或去除,从而进一步增加仪器的灵敏度。当在 N934xC 和 N9340B HSA 的 [AMPTD] 菜单中选择高灵敏度性能时,前置放大器可手动或自动进行选择。
将每个框的垂直标度设置为 10 dB 可轻松地看到干扰的振幅约为 30 dB,大于主信号。进入分析仪输入端的两种信号相比,由于干扰信号较大,因此干扰信号的功率可能会过度激励频谱分析仪的前端。
动态范围的低端(下限)是由频谱分析仪本底噪声来设置的。若信号幅度低于频谱分析仪的本底噪声,将不会看到信号。本底噪声是由多种因素来确定的,其中包括前置放大器增益/衰减量和 RBW 滤波器设置。安捷伦安捷伦N934xC/B HSA 的“高灵敏度”特性可自动进行设置前置放大器和衰减器。高灵敏度模式可将输入衰减器设置为 0 dB,开启 HSA 的内部前置放大器并将参考电平设置为 -50 dBm。该模式可在 [AMPTD] 菜单下找到。
即使没有前置放大器,分析仪的本底噪声也可通过 RBW 滤波器进行优化。安捷伦 N934xC/B HSA 中的 RBW 滤波器可根据 [BW] 菜单进行调整并使用 {RBW} 设置。用于 RBW 的自动设置通常可在仪器中提供足够的本底噪声,而且可手动减小 RBW 可进一步减小可观察到的本底噪声。
图 12 显示了相似的测量结果,但信号具有更广泛的带宽。若 RBW 从 100 kHz 变成 10 kHz,本底噪声可再次降低 10 dB,但是由于此时信号带宽比 RBW 宽,因此显示为 RBW 滤波器的噪声,信号幅度信号幅度也降低 10 dB。因此在测量宽带信号时不能改善SNR。
干扰测试的流程
如果系统未按预期运行,且怀疑问题的根本原因是有干扰信号进入了系统的接收机,则应使用频谱分析仪来确定操作频率信道中是否存在无线信号。
这个检测过程可能包括对信号类型的查找,包括连续传输、出现次数、载波频率、带宽,以及干扰发射机的最新物理位置。
图 13 显示了无线系统(已将频谱分析仪连接至位于天线和收发信机间的定向耦合器)的方框图。许多无线系统(包括蜂窝基站和雷达基站)中连接收发信机和系统天线的电缆上都安装了定向耦合器。如图 13 所示,部分定向耦合器具有两个采样点,可用于监测收发信机或到达接收机的信号。频谱分析仪与耦合器连接后,可在正常系统操作过程中观察到信号和干扰。
针对在收发信机和天线间未接入无线电的情况,频谱分析仪可直接与系统天线相连,或如图 13B 所示分析仪位于发射机附近区域的情况,可将其连至外部天线。在检测过程中,全向天线是最佳选择,以便可从周围环境中测量到来自所用方向的信号。全向型天线包括rubber-ducky和拉杆天线。
捕获间歇信号
间歇信号往往很难测量。无线电性能偶尔受到干扰,似乎是随时发生。对于脉冲或间歇干扰,频谱分析仪设置为可储存大量扫描的最大迹线值。重新调用图 13 中的空中测量,GSM 850 信号的较低信道仅可在短时隙内进行传输,从而使测量的波形中显示出包络的断点。
各种安捷伦 HSA 的迹线功能可显示高达四种不同的迹线。多迹线包含最大保持、最小保持、储存内存和有源测量的组合,具有包括默认“正向峰值”的不同检波选项。有关检波器的更多信息,请参见安捷伦应用指南 “更好地进行频谱分析的 8 个提示”(文献号 5965-7009E)。
图 15 显示了具有发射机(间歇动态)的信号谱图。图中的谱图部分用红色表示具有最高信号幅度的频率组分。谱图可指示干扰定时,以及干扰时间内信号带宽可能发生改变的方式。可将谱图保存在安捷伦HSA的内置存储器中或外置 USB 闪存器件中。
谱图可记录信号迹线文件中的 1,500 组频谱数据,用户可设置其更新间隔。HSA可持续自动创建其他迹线文件以保存超过 1,500 组的频谱数据。例如,在 N9344C HSA 中扫描全 20 GHz 频率扫宽,扫描时间为 0.95 秒。因此,在单个迹线文件中,用户可将谱图设置为储存 48 分钟内的频谱数据,更新间隔为 1 秒或 300 秒的更新间隔可使用长达五天。通过 [MEAS] 菜单下的 {SPECTROGRAM} 选项可激活谱图显示屏。
提示:
若要更轻松地定位干扰源,可在 HSA 中连接一个高增益定向天线,如 yagi 或平板天线。
将定向天线360度移动,信号幅度信号幅度同时观察频谱分析仪的信号幅度,当信号幅度为最大值时定向天线的指向可能就是干扰的物理位置。但是周围环境中的多路径反射会降低定点精确度,因此在尽可能高的地方(屋顶或高建筑物)进行测量非常重要。蜂窝基站(BTS)天线通常配备了扇形天线,这种天线具有窄射束宽度并使用如图 13 所示的测量配置,这样就可提供干扰的大概方向(扇形区)。
总结
本应用指南描述了在无线环境中干扰测试的技术及流程。讨论了干扰的种类,其中包括带内干扰、同信道干扰、带外干扰和相邻信道干扰。在各种无线信号中测量频谱验证了各种便携式频谱分析仪(如安捷伦 N934xC 和 N9340B 手持式频谱分析仪)在确定和定位无线电干扰源时的有效性。
作者:安捷伦科技产品工程师--胡莹