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頻譜分析-無(wú)線網(wǎng)干擾源定位和識(shí)別方法
2016-03-28
在極為復(fù)雜的訊號(hào)環(huán)境下，無(wú)線通訊系統(tǒng)中的干擾顯然不可避免。本文分析了訊號(hào)干擾及其對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)面影響，簡(jiǎn)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(shí)別干擾訊號(hào)的方法。
隨著無(wú)線系統(tǒng)的普及，訊號(hào)干擾也日益成為無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和業(yè)務(wù)供貨商的頭號(hào)大敵。訊號(hào)干擾不僅影響了無(wú)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(hào)環(huán)境下，無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括行動(dòng)通訊業(yè)務(wù)系統(tǒng)、專用行動(dòng)無(wú)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(hào)源的導(dǎo)入也成為無(wú)線通訊業(yè)務(wù)的潛在威脅。本文分析了訊號(hào)干擾及其對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)面影響。文章首先簡(jiǎn)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(shí)別干擾訊號(hào)的方法。
訊號(hào)干擾的來(lái)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(wú)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(wú)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(hào)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(hào)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(hào)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(guò)載狀態(tài)。當(dāng)受影響接收器的預(yù)選濾波器無(wú)法滿足要求時(shí)，這種情況就會(huì)出現(xiàn)。滲透到受影響接收器的高功率訊號(hào)將使前端放大器的作業(yè)點(diǎn)超出其動(dòng)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(hào)：現(xiàn)代無(wú)線系統(tǒng)可以在一個(gè)公共基地臺(tái)中接收、發(fā)送并處理成百上千條訊息信道的語(yǔ)音或數(shù)據(jù)。多訊息信道訊號(hào)在最終功率級(jí)前端混合并放大。最終功率級(jí)放大器對(duì)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(hào)(cross-frequency signal)，而這些交頻訊號(hào)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(hào)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(hào)。這將產(chǎn)生一系列重復(fù)傳送的新訊號(hào)，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(duì)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(jiàn)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(hào)滲透產(chǎn)生的干擾，而滲透訊號(hào)的位置和功率級(jí)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(hào)將開(kāi)始?jí)嚎s，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(hào)削波將在寬頻傳輸訊號(hào)中產(chǎn)生諧波，因此天線發(fā)射的偽訊號(hào)將干擾其它接收器的通頻帶。當(dāng)功率放大器的訊號(hào)衰落至隨機(jī)振蕩模式，寄生訊號(hào)將不可避免。
干擾識(shí)別
干擾訊號(hào)的頻率是識(shí)別干擾源的最常用參數(shù)，因此，通?？梢愿鶕?jù)頻率特性對(duì)干擾訊號(hào)進(jìn)行分類。需要指出的是，不管干擾訊號(hào)在頻帶內(nèi)還是在頻帶外，訊號(hào)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(shí)別不期望訊號(hào)的測(cè)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(hào)的特性則完全可能不受任何影響。因此，識(shí)別干擾接收器的訊號(hào)的關(guān)鍵是了解受影響系統(tǒng)待接收訊號(hào)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(hào)。利用頻譜分析儀分析頻域特性，可以非常簡(jiǎn)便地測(cè)量訊號(hào)的頻率、功率、諧波含量、調(diào)變品質(zhì)、訊號(hào)失真、噪音或干擾。如果干擾覆蓋了期望接收的訊號(hào)，那么頻譜分析儀上的顯示將相對(duì)明顯。分析儀顯示的干擾‘指紋’包含了重要的識(shí)別特征，而根據(jù)調(diào)變方式的不同，調(diào)變訊號(hào)的特征也不同。
頻率范圍：頻率范圍是最簡(jiǎn)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(guò)設(shè)定足夠?qū)挼念l率范圍將受影響的接收器訊號(hào)及鄰近的干擾訊號(hào)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(huì)產(chǎn)生混淆。關(guān)鍵在于理解系統(tǒng)規(guī)格以及測(cè)量期望接收器輸入所需的靈敏度等級(jí)。例如，如果系統(tǒng)的接收器訊號(hào)強(qiáng)度指針約為-60dBm，那么通常只需要20dB至30dB的額外測(cè)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(dòng)態(tài)范圍和掃描時(shí)間：這些特性相互關(guān)聯(lián)?？梢詫⒎直媛室暈閽呙栉粗嵦?hào)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(cè)量頻率接近的訊號(hào)中，分辨率至關(guān)重要，因?yàn)樾枰梅直媛蕝^(qū)分這些訊號(hào)。
可選性；在一些干擾應(yīng)用中，訊號(hào)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(hào)中較弱的訊號(hào)將很可能湮滅在較強(qiáng)訊號(hào)的過(guò)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(hào)之間的間隔為60kHz，但其中一條訊號(hào)的幅度比另一條低-60dB，那么該訊號(hào)將被湮滅在主要訊號(hào)的選擇邊緣中。
測(cè)量精密度：任何頻譜分析儀的測(cè)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(hào)測(cè)量值與待測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量規(guī)格進(jìn)行比較時(shí)，測(cè)量精密度發(fā)揮了重要作用。在進(jìn)行典型的干擾測(cè)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(duì)于干擾訊號(hào)的工作裕量。因此，絕對(duì)精密度往往不如相對(duì)精密度重要。
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