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頻譜分析-無線網(wǎng)干擾源定位和識別方法
2016-03-28
在極為復(fù)雜的訊號環(huán)境下，無線通訊系統(tǒng)中的干擾顯然不可避免。本文分析了訊號干擾及其對無線網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)面影響，簡要介紹了通訊接收器和天線的基本原理，然后分析了定位并識別干擾訊號的方法。
隨著無線系統(tǒng)的普及，訊號干擾也日益成為無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和業(yè)務(wù)供貨商的頭號大敵。訊號干擾不僅影響了無線系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，而且還限制了現(xiàn)有系統(tǒng)和新興系統(tǒng)的效能。在極為復(fù)雜的訊號環(huán)境下，無線通訊系統(tǒng)中的干擾顯然不可避免。這些環(huán)境由多種無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括行動通訊業(yè)務(wù)系統(tǒng)、專用行動無線電設(shè)備和傳呼/廣播系統(tǒng)。同時(shí)，WLAN和DVB等新技術(shù)和新訊號源的導(dǎo)入也成為無線通訊業(yè)務(wù)的潛在威脅。本文分析了訊號干擾及其對無線網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)面影響。文章首先簡要介紹了通訊接收器和天線的基本原理，然后分析了定位并識別干擾訊號的方法。
訊號干擾的來源很廣，包括區(qū)域內(nèi)授權(quán)或未授權(quán)的各種發(fā)射器。無論授權(quán)與否，干擾源都將產(chǎn)生相同的結(jié)果求求影響系統(tǒng)的性能。唯一的區(qū)別在于，在未授權(quán)頻帶上，潛在的未受控制的干擾源無疑更多。
頻帶內(nèi)(In-band)發(fā)射器
下面描述了一些典型的干擾訊號源及其影響。盡管受影響的系統(tǒng)可以利用設(shè)計(jì)避免指定頻帶外訊號的影響，但頻帶外的發(fā)射器仍然可能影響頻帶內(nèi)的發(fā)射器性能。
減敏效應(yīng)：附近存在高功率發(fā)射器時(shí)，即便干擾訊號完全在頻帶以外(如圖1a所示)，受影響的接收器仍將進(jìn)入射頻過載狀態(tài)。當(dāng)受影響接收器的預(yù)選濾波器無法滿足要求時(shí)，這種情況就會出現(xiàn)。滲透到受影響接收器的高功率訊號將使前端放大器的作業(yè)點(diǎn)超出其動態(tài)特性范圍。這不僅破壞了常規(guī)的線性放大流程，還導(dǎo)入了互調(diào)失真和嚴(yán)重的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
非線性功率放大器的互調(diào)訊號：現(xiàn)代無線系統(tǒng)可以在一個(gè)公共基地臺中接收、發(fā)送并處理成百上千條訊息信道的語音或數(shù)據(jù)。多訊息信道訊號在最終功率級前端混合并放大。最終功率級放大器對線性度的要求非常高，因?yàn)榉蔷€性特性可能產(chǎn)生并發(fā)送交叉頻率訊號(cross-frequency signal)，而這些交頻訊號可能引發(fā)自身系統(tǒng)作業(yè)頻帶內(nèi)的干擾或與其它系統(tǒng)交叉干擾。
非線性外部組件的互調(diào)干擾：這種干擾稱為‘生銹柵欄(rusty fence)’綜合癥。如果兩個(gè)高功率的發(fā)射訊號f1和f2隨機(jī)撞擊到生銹的組件(如鐵柵欄、生銹的鐵屋頂甚至腐蝕的同軸電纜)，那么將可能發(fā)生電效應(yīng)。受腐蝕的接合部如同一個(gè)整流二極管，可以混合撞擊到接合部的發(fā)送訊號。這將產(chǎn)生一系列重復(fù)傳送的新訊號，稱為互調(diào)分量。
帶外發(fā)射器
非授權(quán)WLAN利用FHSS或DSSS技術(shù)，可以在更寬的頻帶上對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)變。這些技術(shù)工作在ISM頻帶上，這也是典型家用微波爐的工作頻率(參見圖1b)。微波爐工作在水分子2.4GHz諧振頻率上，盡管擴(kuò)頻調(diào)變方案可以防止微波爐訊號滲透產(chǎn)生的干擾，而滲透訊號的位置和功率級仍然有可能使其突破干擾抑制防線。
諧波和寄生輸出：如果寬頻輸出功率放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，訊號將開始壓縮，因而導(dǎo)致包含互調(diào)干擾在內(nèi)的諸多負(fù)面效應(yīng)。由于訊號削波將在寬頻傳輸訊號中產(chǎn)生諧波，因此天線發(fā)射的偽訊號將干擾其它接收器的通頻帶。當(dāng)功率放大器的訊號衰落至隨機(jī)振蕩模式，寄生訊號將不可避免。
干擾識別
干擾訊號的頻率是識別干擾源的最常用參數(shù)，因此，通常可以根據(jù)頻率特性對干擾訊號進(jìn)行分類。需要指出的是，不管干擾訊號在頻帶內(nèi)還是在頻帶外，訊號都必然經(jīng)由天線、電纜，然后進(jìn)入受影響的接收器。因此，連接至OS天線的頻譜分析儀可以作為顯示并識別不期望訊號的測量接收器。
干擾通常只影響接收器的性能。盡管干擾源在實(shí)體上靠近發(fā)射器，但發(fā)射訊號的特性則完全可能不受任何影響。因此，識別干擾接收器的訊號的關(guān)鍵是了解受影響系統(tǒng)待接收訊號的特性。
系統(tǒng)的作業(yè)指南可以幫助我們分析接收的調(diào)變訊號。利用頻譜分析儀分析頻域特性，可以非常簡便地測量訊號的頻率、功率、諧波含量、調(diào)變品質(zhì)、訊號失真、噪音或干擾。如果干擾覆蓋了期望接收的訊號，那么頻譜分析儀上的顯示將相對明顯。分析儀顯示的干擾‘指紋’包含了重要的識別特征，而根據(jù)調(diào)變方式的不同，調(diào)變訊號的特征也不同。
頻率范圍：頻率范圍是最簡單的準(zhǔn)則，因?yàn)槲覀兛梢猿浞至私庀到y(tǒng)的頻率頻寬以及期望觀察的頻帶范圍。需要明確的是，可以透過設(shè)定足夠?qū)挼念l率范圍將受影響的接收器訊號及鄰近的干擾訊號均包含在內(nèi)，因而使自己具有充分的顯示頻寬。
靈敏度：靈敏度的意義盡管已相當(dāng)明確，但仍會產(chǎn)生混淆。關(guān)鍵在于理解系統(tǒng)規(guī)格以及測量期望接收器輸入所需的靈敏度等級。例如，如果系統(tǒng)的接收器訊號強(qiáng)度指針約為-60dBm，那么通常只需要20dB至30dB的額外測量范圍。因此，具有-80dBm至-90dBm靈敏度的頻譜分析儀可以很好地完成這項(xiàng)工作。
頻率分辨率、動態(tài)范圍和掃描時(shí)間：這些特性相互關(guān)聯(lián)。可以將分辨率視為掃描未知訊號頻帶的‘掃描窗’的波形，掃描窗的波形與圖2所示的波形相似。頻譜分析儀能提供可選的分辨率，這稱為分辨率頻寬(RBW)。RBW表現(xiàn)出了分析儀中頻(IF)放大器通路的-3dB帶通頻寬。在測量頻率接近的訊號中，分辨率至關(guān)重要，因?yàn)樾枰梅直媛蕝^(qū)分這些訊號。
可選性；在一些干擾應(yīng)用中，訊號可以具有完全不同的幅度。這種情況下，‘可選性’將成為重要指針，因?yàn)閮蓷l訊號中較弱的訊號將很可能湮滅在較強(qiáng)訊號的過濾器邊緣中。
波形因子：頻譜分析儀的波形因子定義了中頻放大器的-60dB頻寬與-3dB頻寬比。在圖2中，10kHz RBW濾波器的常規(guī)波形因子為11:1，110kHz下頻寬約為-60dB，而60kHz下的頻寬值則減半。如果兩條訊號之間的間隔為60kHz，但其中一條訊號的幅度比另一條低-60dB，那么該訊號將被湮滅在主要訊號的選擇邊緣中。
測量精密度：任何頻譜分析儀的測量精密度都與分析儀使用的各種組件的精密度有關(guān)。在將未知訊號測量值與待測系統(tǒng)的測量規(guī)格進(jìn)行比較時(shí)，測量精密度發(fā)揮了重要作用。在進(jìn)行典型的干擾測試時(shí)，用戶往往需要確定一些比率，如C/I表現(xiàn)出了相同工作頻寬下，期望載波相對于干擾訊號的工作裕量。因此，絕對精密度往往不如相對精密度重要。
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