安捷倫科技產品工程師--胡瑩
簡介
作為在射頻和微波頻譜中廣泛存在的系統，無線通信系統在設計時已具有抗有限干擾的能力。但由于無線系統經常共享或重復使用頻譜，其他頻譜使用者產生的干擾迅速成為難題。當干擾信號的幅度與相關信號相比相對增大時，該干擾能夠以各種方式降低系統性能。
諸如蜂窩網絡、廣播無線電、電視、雷達和衛星等領域的一些商業和政府機構經常需要持續監控已知和未知信號的干擾頻譜，以確保系統性能和管理層面的合規性。
例如，干擾問題通常產生于發射機向同一個或相鄰頻率信道中不恰當發射能量的情況。有時，無線信號可成為靈敏設備的干擾，如蜂窩發射機接近腦電圖（EEG）監測器可妨礙設備的運行。因為所有無線系統都受干擾的影響，能夠在無線系統及其周圍快速并精確地測量頻譜至關重要。
本應用指南介紹了使用便攜式頻譜分析儀（HSA）測量及定位無線干擾的流程及技術。由于干擾測試可能包含特定載波測量、寬帶頻譜搜索、數據記錄和尋找違規發射機，因此 HSA 需要具備多種重要特性。測試儀器需要具備：
• 廣泛的頻率范圍
• 快速掃描
• 高動態范圍
• 數據存儲
• 耐用性
• 便攜性
雖然可精確測量無線信號的振幅和頻率內容的設備多種多樣，但是，無論是在速度、精確度和便攜性方面，安捷倫 N934xC 系列和 N9340B 手持式頻譜分析儀（HSA）都是最佳選擇。
正確設置頻譜儀
當頻譜分析儀在相關頻率范圍內掃描時，其檢波器將通過信道濾波器的能量轉換為可在儀器上顯示的信號。
請注意頻譜分析儀的一些要點，即頻譜分析儀中的等效信道濾波器被稱為分辨率帶寬濾波器（RBW），該 RBW 的帶寬可通過儀器鍵盤輕松調節。此外，由于在分析儀輸入端不包括前端帶通濾波器，因此任何具有較大振幅的信號進入儀器，就會造成儀器過載或損壞。因此，即使將儀器調諧到可測量窄頻率范圍，但在其他頻率中操作的大振幅信號仍可進入儀器并可能損壞電子器件。
所以，當測量發射機附近的頻譜時應特別小心，因為發射機的功率電平通常超過了儀器輸入的額定功率。請務必仔細操作，確保所有信號與儀器連接前在額定損壞電平下都是安全的。
功率電平
例如，安捷倫 N9342C HSA 中的高功率損壞電平為 +33 dBm 或 2 W， 3 分鐘。被測信號的功率電平高于 +33 dBm 時，需要使用外置衰減器或將耦合器置于頻譜分析儀的輸入端。還要注意，HSA 系列分析儀的輸入端需要使用低于 ±50 伏的直流電，通常在將 HSA 與天線連接時這不成問題，但是若將其連至可能包含直流功率和無線電傳輸的系統時，這可成為一個難題。
對于圖 7方框中的通用頻譜分析儀，一種典型的變動就是在下變頻器前面添加一個可變衰減器。調節可變衰減器可優化輸入下變頻器的功率電平。另外一個和接收機不一樣的地方是頻譜儀一般不需要前端增益，這是為了防止測量高功率發射機時頻譜儀過載。頻譜儀的衰減器可手動增加或設置為“自動”，從而避免產生過載情況。這些功能都在N934xC/B HSA 的 [AMPTD] 菜單中。
若測量幅度非常低的電平信號和干擾時，應將可變衰減器設置為 0 dB 使進入下變頻器中的信號電平最大化。在部分頻譜儀中，如安捷倫 N934xC 和 N9340B，其前端放大器（前置放大器）是一種選件，可以添加或去除，從而進一步增加儀器的靈敏度。當在 N934xC 和 N9340B HSA 的 [AMPTD] 菜單中選擇高靈敏度性能時，前置放大器可手動或自動進行選擇。
實例：正確設置功率電平
下面舉例說明如何正確設置輸入頻譜分析儀的功率電平，圖 8 顯示了兩種寬帶信號的測量頻譜。主信號的中心頻率為 2.42 GHz，相鄰信號干擾的中心頻率為 2.444 GHz。為了在同一個顯示屏上顯示兩種波形，使用 [FREQ] 按鈕將安捷倫 HSA 的中心頻率設置為 2.432 GHz 的中點頻率，并可使用 [SPAN] 按鈕將頻率掃寬設置為 60 MHz。
圖 8. 使用具有高于所需信號的 30 dB 功率的相鄰信道干擾測量兩個寬帶信號。注意：使用 60 MHz 的頻率掃寬可輕松查看這兩個信號。
將每個框的垂直標度設置為 10 dB 可輕松地看到干擾的振幅約為 30 dB，大于主信號。進入分析儀輸入端的兩種信號相比，由于干擾信號較大，因此干擾信號的功率可能會過度激勵頻譜分析儀的前端。
圖 9 顯示了僅使用 20 MHz 窄掃寬的主信號的頻譜和 2.42 GHz 的中心頻率。雖然不能顯示 20 MHz 掃寬的干擾，但是干擾仍然可作用于分析儀的輸入，并造成分析儀前端過載。在類似應用中，必須在頻譜分析儀的輸入端安裝濾波器，以便移除任何較大振幅的信號，該信號并不是測量的一部分，但是可造成分析儀下變頻器過載。分析儀輸入端的最大信號即使不顯示在儀器的顯示屏上，但它卻決定著分析儀 “動態范圍”的上限設置。
圖 9. 測量單個寬帶信號。相鄰信道干擾仍然表示頻譜分析儀輸入端，但因采用 20 MHz 的窄頻率掃寬，該干擾并未顯示在顯示屏上。
動態范圍的低端（下限）是由頻譜分析儀本底噪聲來設置的。若信號幅度低于頻譜分析儀的本底噪聲，將不會看到信號。本底噪聲是由多種因素來確定的，其中包括前置放大器增益/衰減量和 RBW 濾波器設置。安捷倫安捷倫N934xC/B HSA 的“高靈敏度”特性可自動進行設置前置放大器和衰減器。高靈敏度模式可將輸入衰減器設置為 0 dB，開啟 HSA 的內部前置放大器并將參考電平設置為 -50 dBm。該模式可在 [AMPTD] 菜單下找到。
圖 10 顯示了具有高靈敏度模式和不具有高靈敏度模式的兩種測量的覆蓋圖。若儀器中包含前置放大器并且將輸入衰減器設置為 0 dB，則分析儀的本底噪聲可以改善約 20 dB。
圖 10. 使用安捷倫 H934xC/B系列 HSA 測量時顯示的本底噪聲改進
即使沒有前置放大器，分析儀的本底噪聲也可通過 RBW 濾波器進行優化。安捷倫 N934xC/B HSA 中的 RBW 濾波器可根據 [BW] 菜單進行調整并使用 {RBW} 設置。用于 RBW 的自動設置通常可在儀器中提供足夠的本底噪聲，而且可手動減小 RBW 可進一步減小可觀察到的本底噪聲。
圖 11 顯示了 RBW 減小 10 倍時測得本底噪聲的改進。對于該測量，RBW 可在 100 kHz 至 10 kHz 間手動調節，其本底噪聲可改進 10 dB。在該實例中，兩種情況下測得的峰值相同，這樣的測試結果也與所有窄帶信號(信號帶寬小于RBW帶寬)的測試結果相符。總之，改變本底噪聲可改善測量的 SNR。
圖 11. 將 RBW 設置降低 10 倍時頻譜儀的本底噪聲改進。針對窄帶信號，SNR 可在降低 RBW 時進行改善
圖 12 顯示了相似的測量結果，但信號具有更廣泛的帶寬。若 RBW 從 100 kHz 變成 10 kHz，本底噪聲可再次降低 10 dB，但是由于此時信號帶寬比 RBW 寬，因此顯示為 RBW 濾波器的噪聲，信號幅度信號幅度也降低 10 dB。因此在測量寬帶信號時不能改善SNR。
圖 12. 將 RBW 設置降低 10 倍時分析儀的本底噪聲改進。可見降低 RBW無法改善寬帶信號的SNR
干擾測試的流程
如果系統未按預期運行，且懷疑問題的根本原因是有干擾信號進入了系統的接收機，則應使用頻譜分析儀來確定操作頻率信道中是否存在無線信號。
干擾測試的流程
下面是測量步驟，可用于確定干擾信號的存在和位置。
1. 報告觀測到的系統性能的降低
2. 使用頻譜分析儀確認無線干擾的存在
3. 通過了解環境中其他無線信號確定干擾類型
4. 使用具有定向天線的頻譜分析儀來確定干擾信號的位置
5. 校正或移除干擾源
這個檢測過程可能包括對信號類型的查找，包括連續傳輸、出現次數、載波頻率、帶寬，以及干擾發射機的最新物理位置。
若系統可操作全雙工模式，則需對正向和反向鏈路頻率信道進行測試。如果用戶想查看系統接收機收到的信號和干擾，應將頻譜分析儀放置于同樣的接收路徑或直接與系統天線相連。
圖 13 顯示了無線系統（已將頻譜分析儀連接至位于天線和收發信機間的定向耦合器）的方框圖。許多無線系統（包括蜂窩基站和雷達基站）中連接收發信機和系統天線的電纜上都安裝了定向耦合器。如圖 13 所示，部分定向耦合器具有兩個采樣點，可用于監測收發信機或到達接收機的信號。頻譜分析儀與耦合器連接后，可在正常系統操作過程中觀察到信號和干擾。
圖 13. 圖（A）為用于測量無線干擾的頻譜分析儀配置中使用定向耦合器，圖（B）為直接與天線相連
針對在收發信機和天線間未接入無線電的情況，頻譜分析儀可直接與系統天線相連，或如圖 13B 所示分析儀位于發射機附近區域的情況，可將其連至外部天線。在檢測過程中，全向天線是最佳選擇，以便可從周圍環境中測量到來自所用方向的信號。全向型天線包括rubber-ducky和拉桿天線。
條件允許的話，關閉系統發射機，使用前述方法設置頻譜儀的的最低本底噪聲來測量帶內和同信道干擾。在本案例中，假設任何帶外和相鄰信道發射機發射的信號不會讓頻譜分析儀的前端產生過載。
捕獲間歇信號
間歇信號往往很難測量。無線電性能偶爾受到干擾，似乎是隨時發生。對于脈沖或間歇干擾，頻譜分析儀設置為可儲存大量掃描的最大跡線值。重新調用圖 13 中的空中測量，GSM 850 信號的較低信道僅可在短時隙內進行傳輸，從而使測量的波形中顯示出包絡的斷點。
將頻譜分析儀置于“最大保持”模式，儀器將在多次掃描后進入間隙。可根據各種安捷倫 HSA 的 [TRACE] 菜單找到 {Max Hold} 部分，使用最大保持的 GSM 850 信號的測量結果顯示在圖 14 中。此時可在圖 14 中明顯看到兩個信道中的信號具有相似的頻譜和功率分布。
圖 14. 使用具有選定的跡線“最大保持” 安捷倫 N934xC HSA 對 GSM 850 下行鏈路傳輸進行空中測量。
各種安捷倫 HSA 的跡線功能可顯示高達四種不同的跡線。多跡線包含最大保持、最小保持、儲存內存和有源測量的組合，具有包括默認“正向峰值”的不同檢波選項。有關檢波器的更多信息，請參見安捷倫應用指南 “更好地進行頻譜分析的 8 個提示”（文獻號 5965-7009E）。
安捷倫 HSA 的另一個重要的顯示功能是譜圖。譜圖是在同一個顯示屏中檢測頻率、時間和振幅的獨特方式。譜圖可顯示頻譜隨時間變化的過程，其中顏色比例表示信號幅度。在一個譜圖中，每個頻率跡線占用一個信號，即顯示屏上的水平線（高為 1 個像素）。持續時間顯示在縱軸上，結果顯示為隨時間進行向上滾動。
圖 15 顯示了具有發射機（間歇動態）的信號譜圖。圖中的譜圖部分用紅色表示具有最高信號幅度的頻率組分。譜圖可指示干擾定時，以及干擾時間內信號帶寬可能發生改變的方式。可將譜圖保存在安捷倫HSA的內置存儲器中或外置 USB 閃存器件中。
圖 15. 雙顯示頻部分顯示了譜圖和間歇傳輸信號的頻譜
譜圖可記錄信號跡線文件中的 1,500 組頻譜數據，用戶可設置其更新間隔。HSA可持續自動創建其他跡線文件以保存超過 1,500 組的頻譜數據。例如，在 N9344C HSA 中掃描全 20 GHz 頻率掃寬，掃描時間為 0.95 秒。因此，在單個跡線文件中，用戶可將譜圖設置為儲存 48 分鐘內的頻譜數據，更新間隔為 1 秒或 300 秒的更新間隔可使用長達五天。通過 [MEAS] 菜單下的 {SPECTROGRAM} 選項可激活譜圖顯示屏。
估計干擾位置
用頻譜分析儀觀察到干擾后，了解信號類型，如 WIFI、蜂窩或其他有助于估計干擾的位置。例如，無線設備操作員在維護蜂窩網絡時可觀測到從相鄰頻率信道發生“頻譜外”傳輸。知道干擾是來自其他蜂窩系統是一個很好的線索，直放站即附近的直放站可能向相鄰頻帶傳輸了不恰當的能量。
提示：
若要更輕松地定位干擾源，可在 HSA 中連接一個高增益定向天線，如 yagi 或平板天線。
檢測過程的最后一步是定位干擾源。在該步驟中，最好在頻譜分析儀上連接定向天線，因為這些高增益天線可在無線環境中提供定向功能。定向天線類型包括 yagi 和平板天線。在該本應用中推薦使用 5 dBi 的天線增益或更高。例如，安捷倫 N9311X-508 定向天線可在 700 MHz 至 8 GHz 的頻率范圍內提供 5 dBi 的增益。
將定向天線360度移動，信號幅度信號幅度同時觀察頻譜分析儀的信號幅度，當信號幅度為最大值時定向天線的指向可能就是干擾的物理位置。但是周圍環境中的多路徑反射會降低定點精確度，因此在盡可能高的地方（屋頂或高建筑物）進行測量非常重要。蜂窩基站（BTS）天線通常配備了扇形天線，這種天線具有窄射束寬度并使用如圖 13 所示的測量配置，這樣就可提供干擾的大概方向（扇形區）。
在環境中的多個位置結合定向測量，可通過三角函數計算出干擾發射機的大體位置。確定干擾源的精確位置需要使便攜式頻譜分析儀在更小的區域內移動以搜索最大信號幅度。確定干擾源的位置后，最后一步是校正或移除令人頭痛的發射機。
總結
本應用指南描述了在無線環境中干擾測試的技術及流程。討論了干擾的種類，其中包括帶內干擾、同信道干擾、帶外干擾和相鄰信道干擾。在各種無線信號中測量頻譜驗證了各種便攜式頻譜分析儀（如安捷倫 N934xC 和 N9340B 手持式頻譜分析儀）在確定和定位無線電干擾源時的有效性。
粵公網安備 44030902003195號