頻譜分析-無線網干擾源定位和識別方法
2016-03-28
在極為復雜的訊號環境下，無線通訊系統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絡性能的負面影響，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。
隨著無線系統的普及，訊號干擾也日益成為無線系統設計人員和業務供貨商的頭號大敵。訊號干擾不僅影響了無線系統的覆蓋范圍和容量，而且還限制了現有系統和新興系統的效能。在極為復雜的訊號環境下，無線通訊系統中的干擾顯然不可避免。這些環境由多種無線網絡構成，包括行動通訊業務系統、專用行動無線電設備和傳呼/廣播系統。同時，WLAN和DVB等新技術和新訊號源的導入也成為無線通訊業務的潛在威脅。本文分析了訊號干擾及其對無線網絡性能的負面影響。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，包括區域內授權或未授權的各種發射器。無論授權與否，干擾源都將產生相同的結果求求影響系統的性能。唯一的區別在于，在未授權頻帶上，潛在的未受控制的干擾源無疑更多。
頻帶內(In-band)發射器
下面描述了一些典型的干擾訊號源及其影響。盡管受影響的系統可以利用設計避免指定頻帶外訊號的影響，但頻帶外的發射器仍然可能影響頻帶內的發射器性能。
減敏效應：附近存在高功率發射器時，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入射頻過載狀態。當受影響接收器的預選濾波器無法滿足要求時，這種情況就會出現。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點超出其動態特性范圍。這不僅破壞了常規的線性放大流程，還導入了互調失真和嚴重的數據錯誤。
非線性功率放大器的互調訊號：現代無線系統可以在一個公共基地臺中接收、發送并處理成百上千條訊息信道的語音或數據。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，因為非線性特性可能產生并發送交叉頻率訊號(cross-frequency signal)，而這些交頻訊號可能引發自身系統作業頻帶內的干擾或與其它系統交叉干擾。
非線性外部組件的互調干擾：這種干擾稱為‘生銹柵欄(rusty fence)’綜合癥。如果兩個高功率的發射訊號f1和f2隨機撞擊到生銹的組件(如鐵柵欄、生銹的鐵屋頂甚至腐蝕的同軸電纜)，那么將可能發生電效應。受腐蝕的接合部如同一個整流二極管，可以混合撞擊到接合部的發送訊號。這將產生一系列重復傳送的新訊號，稱為互調分量。
帶外發射器
非授權WLAN利用FHSS或DSSS技術，可以在更寬的頻帶上對有效數據進行擴頻調變。這些技術工作在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，盡管擴頻調變方案可以防止微波爐訊號滲透產生的干擾，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入飽和狀態，訊號將開始壓縮，因而導致包含互調干擾在內的諸多負面效應。由于訊號削波將在寬頻傳輸訊號中產生諧波，因此天線發射的偽訊號將干擾其它接收器的通頻帶。當功率放大器的訊號衰落至隨機振蕩模式，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，因此，通常可以根據頻率特性對干擾訊號進行分類。需要指出的是，不管干擾訊號在頻帶內還是在頻帶外，訊號都必然經由天線、電纜，然后進入受影響的接收器。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。盡管干擾源在實體上靠近發射器，但發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鍵是了解受影響系統待接收訊號的特性。
系統的作業指南可以幫助我們分析接收的調變訊號。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、調變品質、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，而根據調變方式的不同，調變訊號的特征也不同。
頻率范圍：頻率范圍是最簡單的準則，因為我們可以充分了解系統的頻率頻寬以及期望觀察的頻帶范圍。需要明確的是，可以透過設定足夠寬的頻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，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明確，但仍會產生混淆。關鍵在于理解系統規格以及測量期望接收器輸入所需的靈敏度等級。例如，如果系統的接收器訊號強度指針約為-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工作。
頻率分辨率、動態范圍和掃描時間：這些特性相互關聯。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，分辨率至關重要，因為需要用分辨率區分這些訊號。
可選性；在一些干擾應用中，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，因為兩條訊號中較弱的訊號將很可能湮滅在較強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。在將未知訊號測量值與待測系統的測量規格進行比較時，測量精密度發揮了重要作用。在進行典型的干擾測試時，用戶往往需要確定一些比率，如C/I表現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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