安捷倫科技產(chǎn)品工程師--胡瑩

 

作為在射頻和微波頻譜中廣泛存在的系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)在設(shè)計時已具有抗有限干擾的能力。但由于無線系統(tǒng)經(jīng)常共享或重復(fù)使用頻譜，其他頻譜使用者產(chǎn)生的干擾迅速成為難題。當(dāng)干擾信號的幅度與相關(guān)信號相比相對增大時，該干擾能夠以各種方式降低系統(tǒng)性能。

 

諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、廣播無線電、電視、雷達(dá)和衛(wèi)星等領(lǐng)域的一些商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)經(jīng)常需要持續(xù)監(jiān)控已知和未知信號的干擾頻譜，以確保系統(tǒng)性能和管理層面的合規(guī)性。

 

例如，干擾問題通常產(chǎn)生于發(fā)射機(jī)向同一個或相鄰頻率信道中不恰當(dāng)發(fā)射能量的情況。有時，無線信號可成為靈敏設(shè)備的干擾，如蜂窩發(fā)射機(jī)接近腦電圖（EEG）監(jiān)測器可妨礙設(shè)備的運(yùn)行。因為所有無線系統(tǒng)都受干擾的影響，能夠在無線系統(tǒng)及其周圍快速并精確地測量頻譜至關(guān)重要。

本應(yīng)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(shù)。由于干擾測試可能包含特定載波測量、寬帶頻譜搜索、數(shù)據(jù)記錄和尋找違規(guī)發(fā)射機(jī)，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(tài)范圍

• 數(shù)據(jù)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(nèi)容的設(shè)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。

 

當(dāng)頻譜分析儀在相關(guān)頻率范圍內(nèi)掃描時，其檢波器將通過信道濾波器的能量轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。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(jìn)入儀器，就會造成儀器過載或損壞。因此，即使將儀器調(diào)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(jìn)入儀器并可能損壞電子器件。

 

所以，當(dāng)測量發(fā)射機(jī)附近的頻譜時應(yīng)特別小心，因為發(fā)射機(jī)的功率電平通常超過了儀器輸入的額定功率。請務(wù)必仔細(xì)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。

 

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?qū)Ⅰ詈掀髦糜陬l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?shù)南到y(tǒng)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(diào)節(jié)可變衰減器可優(yōu)化輸入下變頻器的功率電平。另外一個和接收機(jī)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(fā)射機(jī)時頻譜儀過載。頻譜儀的衰減器可手動增加或設(shè)置為“自動”，從而避免產(chǎn)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(yīng)將可變衰減器設(shè)置為 0 dB 使進(jìn)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(jìn)一步增加儀器的靈敏度。當(dāng)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(jìn)行選擇。

 

下面舉例說明如何正確設(shè)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(shè)置為 2.432 GHz 的中點頻率，并可使用 [SPAN] 按鈕將頻率掃寬設(shè)置為 60 MHz。

 

 

 

將每個框的垂直標(biāo)度設(shè)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(jìn)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(yīng)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(tài)范圍”的上限設(shè)置。

 

 

 

動態(tài)范圍的低端（下限）是由頻譜分析儀本底噪聲來設(shè)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(shè)置。安捷倫安捷倫N934xC/B HSA 的“高靈敏度”特性可自動進(jìn)行設(shè)置前置放大器和衰減器。高靈敏度模式可將輸入衰減器設(shè)置為 0 dB，開啟 HSA 的內(nèi)部前置放大器并將參考電平設(shè)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(shè)置為 0 dB，則分析儀的本底噪聲可以改善約 20 dB。

 

 

 

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(jìn)行優(yōu)化。安捷倫 N934xC/B HSA 中的 RBW 濾波器可根據(jù) [BW] 菜單進(jìn)行調(diào)整并使用 {RBW} 設(shè)置。用于 RBW 的自動設(shè)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(jìn)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(jìn)。對于該測量，RBW 可在 100 kHz 至 10 kHz 間手動調(diào)節(jié)，其本底噪聲可改進(jìn) 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(jié)果也與所有窄帶信號(信號帶寬小于RBW帶寬)的測試結(jié)果相符。總之，改變本底噪聲可改善測量的 SNR。

 

 

 

圖 12 顯示了相似的測量結(jié)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。

 

 

 

如果系統(tǒng)未按預(yù)期運(yùn)行，且懷疑問題的根本原因是有干擾信號進(jìn)入了系統(tǒng)的接收機(jī)，則應(yīng)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。

 

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(tǒng)性能的降低

2. 使用頻譜分析儀確認(rèn)無線干擾的存在

3. 通過了解環(huán)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(xù)傳輸、出現(xiàn)次數(shù)、載波頻率、帶寬，以及干擾發(fā)射機(jī)的最新物理位置。

 

若系統(tǒng)可操作全雙工模式，則需對正向和反向鏈路頻率信道進(jìn)行測試。如果用戶想查看系統(tǒng)接收機(jī)收到的信號和干擾，應(yīng)將頻譜分析儀放置于同樣的接收路徑或直接與系統(tǒng)天線相連。

 

圖 13 顯示了無線系統(tǒng)（已將頻譜分析儀連接至位于天線和收發(fā)信機(jī)間的定向耦合器）的方框圖。許多無線系統(tǒng)（包括蜂窩基站和雷達(dá)基站）中連接收發(fā)信機(jī)和系統(tǒng)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(jiān)測收發(fā)信機(jī)或到達(dá)接收機(jī)的信號。頻譜分析儀與耦合器連接后，可在正常系統(tǒng)操作過程中觀察到信號和干擾。

 

 

 

針對在收發(fā)信機(jī)和天線間未接入無線電的情況，頻譜分析儀可直接與系統(tǒng)天線相連，或如圖 13B 所示分析儀位于發(fā)射機(jī)附近區(qū)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(huán)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(guān)閉系統(tǒng)發(fā)射機(jī)，使用前述方法設(shè)置頻譜儀的的最低本底噪聲來測量帶內(nèi)和同信道干擾。在本案例中，假設(shè)任何帶外和相鄰信道發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號不會讓頻譜分析儀的前端產(chǎn)生過載。

 

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(fā)生。對于脈沖或間歇干擾，頻譜分析儀設(shè)置為可儲存大量掃描的最大跡線值。重新調(diào)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(nèi)進(jìn)行傳輸，從而使測量的波形中顯示出包絡(luò)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(jìn)入間隙。可根據(jù)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(jié)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。

 

 

 

各種安捷倫 HSA 的跡線功能可顯示高達(dá)四種不同的跡線。多跡線包含最大保持、最小保持、儲存內(nèi)存和有源測量的組合，具有包括默認(rèn)“正向峰值”的不同檢波選項。有關(guān)檢波器的更多信息，請參見安捷倫應(yīng)用指南 “更好地進(jìn)行頻譜分析的 8 個提示”（文獻(xiàn)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(xù)時間顯示在縱軸上，結(jié)果顯示為隨時間進(jìn)行向上滾動。

 

圖 15 顯示了具有發(fā)射機(jī)（間歇動態(tài)）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(nèi)信號帶寬可能發(fā)生改變的方式。可將譜圖保存在安捷倫HSA的內(nèi)置存儲器中或外置 USB 閃存器件中。

 

 

譜圖可記錄信號跡線文件中的 1,500 組頻譜數(shù)據(jù)，用戶可設(shè)置其更新間隔。HSA可持續(xù)自動創(chuàng)建其他跡線文件以保存超過 1,500 組的頻譜數(shù)據(jù)。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(shè)置為儲存 48 分鐘內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)，更新間隔為 1 秒或 300 秒的更新間隔可使用長達(dá)五天。通過 [MEAS] 菜單下的 {SPECTROGRAM} 選項可激活譜圖顯示屏。

 

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(shè)備操作員在維護(hù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時可觀測到從相鄰頻率信道發(fā)生“頻譜外”傳輸。知道干擾是來自其他蜂窩系統(tǒng)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(dāng)?shù)哪芰俊?/DIV>