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(wú)線通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)已具有抗有限干擾的能力。但由于無(wú)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(hào)的幅度與相關(guān)信號(hào)相比相對(duì)增大時(shí)，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(wú)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(hào)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(gè)或相鄰頻率信道中不恰當(dāng)發(fā)射能量的情況。有時(shí)，無(wú)線信號(hào)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(cè)器可妨礙設(shè)備的運(yùn)行。因?yàn)樗袩o(wú)線系統(tǒng)都受干擾的影響，能夠在無(wú)線系統(tǒng)及其周圍快速并精確地測(cè)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(cè)量及定位無(wú)線干擾的流程及技術(shù)。由于干擾測(cè)試可能包含特定載波測(cè)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(cè)試儀器需要具備：

• 廣泛的頻率范圍

• 快速掃描

• 高動(dòng)態(tài)范圍

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

• 耐用性

• 便攜性

 

雖然可精確測(cè)量無(wú)線信號(hào)的振幅和頻率內(nèi)容的設(shè)備多種多樣，但是，無(wú)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(shí)，其檢波器將通過(guò)信道濾波器的能量轉(zhuǎn)換為可在儀器上顯示的信號(hào)。

 

請(qǐng)注意頻譜分析儀的一些要點(diǎn)，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(guò)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(hào)進(jìn)入儀器，就會(huì)造成儀器過(guò)載或損壞。因此，即使將儀器調(diào)諧到可測(cè)量窄頻率范圍，但在其他頻率中操作的大振幅信號(hào)仍可進(jìn)入儀器并可能損壞電子器件。

 

所以，當(dāng)測(cè)量發(fā)射機(jī)附近的頻譜時(shí)應(yīng)特別小心，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)的功率電平通常超過(guò)了儀器輸入的額定功率。請(qǐng)務(wù)必仔細(xì)操作，確保所有信號(hào)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(cè)信號(hào)的功率電平高于 +33 dBm 時(shí)，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(shí)這不成問題，但是若將其連至可能包含直流功率和無(wú)線電傳輸?shù)南到y(tǒng)時(shí)，這可成為一個(gè)難題。

 

對(duì)于圖 7方框中的通用頻譜分析儀，一種典型的變動(dòng)就是在下變頻器前面添加一個(gè)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(gè)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(cè)量高功率發(fā)射機(jī)時(shí)頻譜儀過(guò)載。頻譜儀的衰減器可手動(dòng)增加或設(shè)置為“自動(dòng)”，從而避免產(chǎn)生過(guò)載情況。這些功能都在N934xC/B HSA 的 [AMPTD] 菜單中。

 

若測(cè)量幅度非常低的電平信號(hào)和干擾時(shí)，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(hào)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(shí)，前置放大器可手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行選擇。

 

下面舉例說(shuō)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(hào)的測(cè)量頻譜。主信號(hào)的中心頻率為 2.42 GHz，相鄰信號(hào)干擾的中心頻率為 2.444 GHz。為了在同一個(gè)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(diǎn)頻率，并可使用 [SPAN] 按鈕將頻率掃寬設(shè)置為 60 MHz。

 

 

 

將每個(gè)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(hào)。進(jìn)入分析儀輸入端的兩種信號(hào)相比，由于干擾信號(hào)較大，因此干擾信號(hào)的功率可能會(huì)過(guò)度激勵(lì)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(hào)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(guò)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(hào)，該信號(hào)并不是測(cè)量的一部分，但是可造成分析儀下變頻器過(guò)載。分析儀輸入端的最大信號(hào)即使不顯示在儀器的顯示屏上，但它卻決定著分析儀 “動(dòng)態(tài)范圍”的上限設(shè)置。

 

 

 

動(dòng)態(tài)范圍的低端（下限）是由頻譜分析儀本底噪聲來(lái)設(shè)置的。若信號(hào)幅度低于頻譜分析儀的本底噪聲，將不會(huì)看到信號(hào)。本底噪聲是由多種因素來(lái)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(dòng)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(cè)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(guò) 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(dòng)設(shè)置通常可在儀器中提供足夠的本底噪聲，而且可手動(dòng)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(shí)測(cè)得本底噪聲的改進(jìn)。對(duì)于該測(cè)量，RBW 可在 100 kHz 至 10 kHz 間手動(dòng)調(diào)節(jié)，其本底噪聲可改進(jìn) 10 dB。在該實(shí)例中，兩種情況下測(cè)得的峰值相同，這樣的測(cè)試結(jié)果也與所有窄帶信號(hào)(信號(hào)帶寬小于RBW帶寬)的測(cè)試結(jié)果相符。總之，改變本底噪聲可改善測(cè)量的 SNR。

 

 

 

圖 12 顯示了相似的測(cè)量結(jié)果，但信號(hào)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(shí)信號(hào)帶寬比 RBW 寬，因此顯示為 RBW 濾波器的噪聲，信號(hào)幅度信號(hào)幅度也降低 10 dB。因此在測(cè)量寬帶信號(hào)時(shí)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(hào)進(jìn)入了系統(tǒng)的接收機(jī)，則應(yīng)使用頻譜分析儀來(lái)確定操作頻率信道中是否存在無(wú)線信號(hào)。

 

下面是測(cè)量步驟，可用于確定干擾信號(hào)的存在和位置。

1. 報(bào)告觀測(cè)到的系統(tǒng)性能的降低

2. 使用頻譜分析儀確認(rèn)無(wú)線干擾的存在

3. 通過(guò)了解環(huán)境中其他無(wú)線信號(hào)確定干擾類型

4. 使用具有定向天線的頻譜分析儀來(lái)確定干擾信號(hào)的位置

5. 校正或移除干擾源

 

這個(gè)檢測(cè)過(guò)程可能包括對(duì)信號(hào)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(duì)正向和反向鏈路頻率信道進(jìn)行測(cè)試。如果用戶想查看系統(tǒng)接收機(jī)收到的信號(hào)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(wú)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(wú)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(gè)采樣點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)收發(fā)信機(jī)或到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)。頻譜分析儀與耦合器連接后，可在正常系統(tǒng)操作過(guò)程中觀察到信號(hào)和干擾。

 

 

 

針對(duì)在收發(fā)信機(jī)和天線間未接入無(wú)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(cè)過(guò)程中，全向天線是最佳選擇，以便可從周圍環(huán)境中測(cè)量到來(lái)自所用方向的信號(hào)。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(lái)測(cè)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(hào)不會(huì)讓頻譜分析儀的前端產(chǎn)生過(guò)載。

 

間歇信號(hào)往往很難測(cè)量。無(wú)線電性能偶爾受到干擾，似乎是隨時(shí)發(fā)生。對(duì)于脈沖或間歇干擾，頻譜分析儀設(shè)置為可儲(chǔ)存大量掃描的最大跡線值。重新調(diào)用圖 13 中的空中測(cè)量，GSM 850 信號(hào)的較低信道僅可在短時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸，從而使測(cè)量的波形中顯示出包絡(luò)的斷點(diǎn)。

 

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(hào)的測(cè)量結(jié)果顯示在圖 14 中。此時(shí)可在圖 14 中明顯看到兩個(gè)信道中的信號(hào)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(chǔ)存內(nèi)存和有源測(cè)量的組合，具有包括默認(rèn)“正向峰值”的不同檢波選項(xiàng)。有關(guān)檢波器的更多信息，請(qǐng)參見安捷倫應(yīng)用指南 “更好地進(jìn)行頻譜分析的 8 個(gè)提示”（文獻(xiàn)號(hào) 5965-7009E）。

 

安捷倫 HSA 的另一個(gè)重要的顯示功能是譜圖。譜圖是在同一個(gè)顯示屏中檢測(cè)頻率、時(shí)間和振幅的獨(dú)特方式。譜圖可顯示頻譜隨時(shí)間變化的過(guò)程，其中顏色比例表示信號(hào)幅度。在一個(gè)譜圖中，每個(gè)頻率跡線占用一個(gè)信號(hào)，即顯示屏上的水平線（高為 1 個(gè)像素）。持續(xù)時(shí)間顯示在縱軸上，結(jié)果顯示為隨時(shí)間進(jìn)行向上滾動(dòng)。

 

圖 15 顯示了具有發(fā)射機(jī)（間歇?jiǎng)討B(tài)）的信號(hào)譜圖。圖中的譜圖部分用紅色表示具有最高信號(hào)幅度的頻率組分。譜圖可指示干擾定時(shí)，以及干擾時(shí)間內(nèi)信號(hào)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(chǔ)器中或外置 USB 閃存器件中。

 

 

譜圖可記錄信號(hào)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(dòng)創(chuàng)建其他跡線文件以保存超過(guò) 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(shí)間為 0.95 秒。因此，在單個(gè)跡線文件中，用戶可將譜圖設(shè)置為儲(chǔ)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(zhǎng)達(dá)五天。通過(guò) [MEAS] 菜單下的 {SPECTROGRAM} 選項(xiàng)可激活譜圖顯示屏。

 

用頻譜分析儀觀察到干擾后，了解信號(hào)類型，如 WIFI、蜂窩或其他有助于估計(jì)干擾的位置。例如，無(wú)線設(shè)備操作員在維護(hù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)可觀測(cè)到從相鄰頻率信道發(fā)生“頻譜外”傳輸。知道干擾是來(lái)自其他蜂窩系統(tǒng)是一個(gè)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>