频谱分析-无线网干扰源定位和识别方法
2016-03-28
在极为复杂的讯号环境下，无线通讯系统中的干扰显然不可避免。本文分析了讯号干扰及其对无线网络性能的负面影响，简要介绍了通讯接收器和天线的基本原理，然后分析了定位并识别干扰讯号的方法。
随着无线系统的普及，讯号干扰也日益成为无线系统设计人员和业务供货商的头号大敌。讯号干扰不仅影响了无线系统的覆盖范围和容量，而且还限制了现有系统和新兴系统的效能。在极为复杂的讯号环境下，无线通讯系统中的干扰显然不可避免。这些环境由多种无线网络构成，包括行动通讯业务系统、专用行动无线电设备和传呼/广播系统。同时，WLAN和DVB等新技术和新讯号源的导入也成为无线通讯业务的潜在威胁。本文分析了讯号干扰及其对无线网络性能的负面影响。文章首先简要介绍了通讯接收器和天线的基本原理，然后分析了定位并识别干扰讯号的方法。
讯号干扰的来源很广，包括区域内授权或未授权的各种发射器。无论授权与否，干扰源都将产生相同的结果求求影响系统的性能。唯一的区别在于，在未授权频带上，潜在的未受控制的干扰源无疑更多。
频带内(In-band)发射器
下面描述了一些典型的干扰讯号源及其影响。尽管受影响的系统可以利用设计避免指定频带外讯号的影响，但频带外的发射器仍然可能影响频带内的发射器性能。
减敏效应：附近存在高功率发射器时，即便干扰讯号完全在频带以外(如图1a所示)，受影响的接收器仍将进入射频过载状态。当受影响接收器的预选滤波器无法满足要求时，这种情况就会出现。渗透到受影响接收器的高功率讯号将使前端放大器的作业点超出其动态特性范围。这不仅破坏了常规的线性放大流程，还导入了互调失真和严重的数据错误。
非线性功率放大器的互调讯号：现代无线系统可以在一个公共基地台中接收、发送并处理成百上千条讯息信道的语音或数据。多讯息信道讯号在最终功率级前端混合并放大。最终功率级放大器对线性度的要求非常高，因为非线性特性可能产生并发送交叉频率讯号(cross-frequency signal)，而这些交频讯号可能引发自身系统作业频带内的干扰或与其它系统交叉干扰。
非线性外部组件的互调干扰：这种干扰称为‘生锈栅栏(rusty fence)’综合症。如果两个高功率的发射讯号f1和f2随机撞击到生锈的组件(如铁栅栏、生锈的铁屋顶甚至腐蚀的同轴电缆)，那么将可能发生电效应。受腐蚀的接合部如同一个整流二极管，可以混合撞击到接合部的发送讯号。这将产生一系列重复传送的新讯号，称为互调分量。
带外发射器
非授权WLAN利用FHSS或DSSS技术，可以在更宽的频带上对有效数据进行扩频调变。这些技术工作在ISM频带上，这也是典型家用微波炉的工作频率(参见图1b)。微波炉工作在水分子2.4GHz谐振频率上，尽管扩频调变方案可以防止微波炉讯号渗透产生的干扰，而渗透讯号的位置和功率级仍然有可能使其突破干扰抑制防线。
谐波和寄生输出：如果宽频输出功率放大器进入饱和状态，讯号将开始压缩，因而导致包含互调干扰在内的诸多负面效应。由于讯号削波将在宽频传输讯号中产生谐波，因此天线发射的伪讯号将干扰其它接收器的通频带。当功率放大器的讯号衰落至随机振荡模式，寄生讯号将不可避免。
干扰识别
干扰讯号的频率是识别干扰源的最常用参数，因此，通?？梢愿萜德侍匦远愿扇叛逗沤蟹掷?。需要指出的是，不管干扰讯号在频带内还是在频带外，讯号都必然经由天线、电缆，然后进入受影响的接收器。因此，连接至OS天线的频谱分析仪可以作为显示并识别不期望讯号的测量接收器。
干扰通常只影响接收器的性能。尽管干扰源在实体上靠近发射器，但发射讯号的特性则完全可能不受任何影响。因此，识别干扰接收器的讯号的关键是了解受影响系统待接收讯号的特性。
系统的作业指南可以帮助我们分析接收的调变讯号。利用频谱分析仪分析频域特性，可以非常简便地测量讯号的频率、功率、谐波含量、调变品质、讯号失真、噪音或干扰。如果干扰覆盖了期望接收的讯号，那么频谱分析仪上的显示将相对明显。分析仪显示的干扰‘指纹’包含了重要的识别特征，而根据调变方式的不同，调变讯号的特征也不同。
频率范围：频率范围是最简单的准则，因为我们可以充分了解系统的频率频宽以及期望观察的频带范围。需要明确的是，可以透过设定足够宽的频率范围将受影响的接收器讯号及邻近的干扰讯号均包含在内，因而使自己具有充分的显示频宽。
灵敏度：灵敏度的意义尽管已相当明确，但仍会产生混淆。关键在于理解系统规格以及测量期望接收器输入所需的灵敏度等级。例如，如果系统的接收器讯号强度指针约为-60dBm，那么通常只需要20dB至30dB的额外测量范围。因此，具有-80dBm至-90dBm灵敏度的频谱分析仪可以很好地完成这项工作。
频率分辨率、动态范围和扫描时间：这些特性相互关联?？梢越直媛适游栉粗逗牌荡?lsquo;扫描窗’的波形，扫描窗的波形与图2所示的波形相似。频谱分析仪能提供可选的分辨率，这称为分辨率频宽(RBW)。RBW表现出了分析仪中频(IF)放大器通路的-3dB带通频宽。在测量频率接近的讯号中，分辨率至关重要，因为需要用分辨率区分这些讯号。
可选性；在一些干扰应用中，讯号可以具有完全不同的幅度。这种情况下，‘可选性’将成为重要指针，因为两条讯号中较弱的讯号将很可能湮灭在较强讯号的过滤器边缘中。
波形因子：频谱分析仪的波形因子定义了中频放大器的-60dB频宽与-3dB频宽比。在图2中，10kHz RBW滤波器的常规波形因子为11:1，110kHz下频宽约为-60dB，而60kHz下的频宽值则减半。如果两条讯号之间的间隔为60kHz，但其中一条讯号的幅度比另一条低-60dB，那么该讯号将被湮灭在主要讯号的选择边缘中。
测量精密度：任何频谱分析仪的测量精密度都与分析仪使用的各种组件的精密度有关。在将未知讯号测量值与待测系统的测量规格进行比较时，测量精密度发挥了重要作用。在进行典型的干扰测试时，用户往往需要确定一些比率，如C/I表现出了相同工作频宽下，期望载波相对于干扰讯号的工作裕量。因此，绝对精密度往往不如相对精密度重要。
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