使用手持式频谱分析仪进行干扰测试
微波射频网 2022-11-29
安捷伦科技产品工程师--胡莹
简介
作为在射频和微波频谱中广泛存在的系统,无线通信系统在设计时已具有抗有限干扰的能力。但由于无线系统经常共享或重复使用频谱,其他频谱使用者产生的干扰迅速成为难题。当干扰信号的幅度与相关信号相比相对增大时,该干扰能够以各种方式降低系统性能。
诸如蜂窝网络、广播无线电、电视、雷达和卫星等领域的一些商业和政府机构经常需要持续监控已知和未知信号的干扰频谱,以确保系统性能和管理层面的合规性。
例如,干扰问题通常产生于发射机向同一个或相邻频率信道中不恰当发射能量的情况。有时,无线信号可成为灵敏设备的干扰,如蜂窝发射机接近脑电图(EEG)监测器可妨碍设备的运行。因为所有无线系统都受干扰的影响,能够在无线系统及其周围快速并精确地测量频谱至关重要。
本应用指南介绍了使用便携式频谱分析仪(HSA)测量及定位无线干扰的流程及技术。由于干扰测试可能包含特定载波测量、宽带频谱搜索、数据记录和寻找违规发射机,因此 HSA 需要具备多种重要特性。测试仪器需要具备:
• 广泛的频率范围
• 快速扫描
• 高动态范围
• 数据存储
• 耐用性
• 便携性
虽然可精确测量无线信号的振幅和频率内容的设备多种多样,但是,无论是在速度、精确度和便携性方面,安捷伦 N934xC 系列和 N9340B 手持式频谱分析仪(HSA)都是最佳选择。
正确设置频谱仪
当频谱分析仪在相关频率范围内扫描时,其检波器将通过信道滤波器的能量转换为可在仪器上显示的信号。
请注意频谱分析仪的一些要点,即频谱分析仪中的等效信道滤波器被称为分辨率带宽滤波器(RBW),该 RBW 的带宽可通过仪器键盘轻松调节。此外,由于在分析仪输入端不包括前端带通滤波器,因此任何具有较大振幅的信号进入仪器,就会造成仪器过载或损坏。因此,即使将仪器调谐到可测量窄频率范围,但在其他频率中操作的大振幅信号仍可进入仪器并可能损坏电子器件。
所以,当测量发射机附近的频谱时应特别小心,因为发射机的功率电平通常超过了仪器输入的额定功率。请务必仔细操作,确保所有信号与仪器连接前在额定损坏电平下都是安全的。
功率电平
例如,安捷伦 N9342C HSA 中的高功率损坏电平为 +33 dBm 或 2 W, 3 分钟。被测信号的功率电平高于 +33 dBm 时,需要使用外置或将耦合器置于频谱分析仪的输入端。还要注意,HSA 系列分析仪的输入端需要使用低于 ±50 伏的直流电,通常在将 HSA 与天线连接时这不成问题,但是若将其连至可能包含直流功率和无线电传输的系统时,这可成为一个难题。
对于图 7方框中的通用频谱分析仪,一种典型的变动就是在下变频器前面添加一个可变衰减器。调节可变衰减器可优化输入下变频器的功率电平。另外一个和接收机不一样的地方是频谱仪一般不需要前端增益,这是为了防止测量高功率发射机时频谱仪过载。频谱仪的衰减器可手动增加或设置为“自动”,从而避免产生过载情况。这些功能都在N934xC/B HSA 的 [AMPTD] 菜单中。
若测量幅度非常低的电平信号和干扰时,应将可变衰减器设置为 0 dB 使进入下变频器中的信号电平最大化。在部分频谱仪中,如安捷伦 N934xC 和 N9340B,其前端放大器(前置放大器)是一种选件,可以添加或去除,从而进一步增加仪器的灵敏度。当在 N934xC 和 N9340B HSA 的 [AMPTD] 菜单中选择高灵敏度性能时,前置放大器可手动或自动进行选择。
实例:正确设置功率电平
下面举例说明如何正确设置输入频谱分析仪的功率电平,图 8 显示了两种宽带信号的测量频谱。主信号的中心频率为 2.42 GHz,相邻信号干扰的中心频率为 2.444 GHz。为了在同一个显示屏上显示两种波形,使用 [FREQ] 按钮将安捷伦 HSA 的中心频率设置为 2.432 GHz 的中点频率,并可使用 [SPAN] 按钮将频率扫宽设置为 60 MHz。
8. 使用具有高于所需信号的 30 dB 功率的相邻信道干扰测量两个宽带信号。注意:使用 60 MHz 的频率扫宽可轻松查看这两个信号。
将每个框的垂直标度设置为 10 dB 可轻松地看到干扰的振幅约为 30 dB,大于主信号。进入分析仪输入端的两种信号相比,由于干扰信号较大,因此干扰信号的功率可能会过度激励频谱分析仪的前端。
图 9 显示了仅使用 20 MHz 窄扫宽的主信号的频谱和 2.42 GHz 的中心频率。虽然不能显示 20 MHz 扫宽的干扰,但是干扰仍然可作用于分析仪的输入,并造成分析仪前端过载。在类似应用中,必须在频谱分析仪的输入端安装滤波器,以便移除任何较大振幅的信号,该信号并不是测量的一部分,但是可造成分析仪下变频器过载。分析仪输入端的最大信号即使不显示在仪器的显示屏上,但它却决定着分析仪 “动态范围”的上限设置。
9. 测量单个宽带信号。相邻信道干扰仍然表示频谱分析仪输入端但因采用 20 MHz 的窄频率扫宽该干扰并未显示在显示屏上。
动态范围的低端(下限)是由频谱分析仪本底噪声来设置的。若信号幅度低于频谱分析仪的本底噪声,将不会看到信号。本底噪声是由多种因素来确定的,其中包括前置放大器增益/衰减量和 RBW 滤波器设置。安捷伦安捷伦N934xC/B HSA 的“高灵敏度”特性可自动进行设置前置放大器和衰减器。高灵敏度模式可将输入衰减器设置为 0 dB,开启 HSA 的内部前置放大器并将参考电平设置为 -50 dBm。该模式可在 [AMPTD] 菜单下找到。

图 10 显示了具有高灵敏度模式和不具有高灵敏度模式的两种测量的覆盖图。若仪器中包含前置放大器并且将输入衰减器设置为 0 dB,则分析仪的本底噪声可以改善约 20 dB。
10. 使用安捷伦 H934xC/B系列 HSA 测量时显示的本底噪声改进
即使没有前置放大器,分析仪的本底噪声也可通过 RBW 滤波器进行优化。安捷伦 N934xC/B HSA 中的 RBW 滤波器可根据 [BW] 菜单进行调整并使用 {RBW} 设置。用于 RBW 的自动设置通常可在仪器中提供足够的本底噪声,而且可手动减小 RBW 可进一步减小可观察到的本底噪声。
图 11 显示了 RBW 减小 10 倍时测得本底噪声的改进。对于该测量,RBW 可在 100 kHz 至 10 kHz 间手动调节,其本底噪声可改进 10 dB。在该实例中,两种情况下测得的峰值相同,这样的测试结果也与所有窄带信号(信号带宽小于RBW带宽)的测试结果相符。总之,改变本底噪声可改善测量的 SNR。
11. RBW 设置降低 10 倍时频谱仪的本底噪声改进。针对窄带信号SNR 可在降低 RBW 时进行改善
图 12 显示了相似的测量结果,但信号具有更广泛的带宽。若 RBW 从 100 kHz 变成 10 kHz,本底噪声可再次降低 10 dB,但是由于此时信号带宽比 RBW 宽,因此显示为 RBW 滤波器的噪声,信号幅度信号幅度也降低 10 dB。因此在测量宽带信号时不能改善SNR。
12. RBW 设置降低 10 倍时分析仪的本底噪声改进。可见降低 RBW无法改善宽带信号SNR
干扰测试的流程
如果系统未按预期运行,且怀疑问题的根本原因是有干扰信号进入了系统的接收机,则应使用频谱分析仪来确定操作频率信道中是否存在无线信号。
干扰测试的流程
下面是测量步骤,可用于确定干扰信号的存在和位置。
1. 报告观测到的系统性能的降低
2. 使用频谱分析仪确认无线干扰的存在
3. 通过了解环境中其他无线信号确定干扰类型
4. 使用具有定向天线的频谱分析仪来确定干扰信号的位置
5. 校正或移除干扰源
这个检测过程可能包括对信号类型的查找,包括连续传输、出现次数、载波频率、带宽,以及干扰发射机的最新物理位置。
若系统可操作全双工模式,则需对正向和反向链路频率信道进行测试。如果用户想查看系统接收机收到的信号和干扰,应将频谱分析仪放置于同样的接收路径或直接与系统天线相连。
图 13 显示了无线系统(已将频谱分析仪连接至位于天线和收发信机间的定向耦合器)的方框图。许多无线系统(包括蜂窝基站和雷达基站)中连接收发信机和系统天线的电缆上都安装了定向耦合器。如图 13 所示,部分定向耦合器具有两个采样点,可用于监测收发信机或到达接收机的信号。频谱分析仪与耦合器连接后,可在正常系统操作过程中观察到信号和干扰。
13. A为用于测量无线干扰的频谱分析仪配置中使用定向耦合器B为直接与天线相连
针对在收发信机和天线间未接入无线电的情况,频谱分析仪可直接与系统天线相连,或如图 13B 所示分析仪位于发射机附近区域的情况,可将其连至外部天线。在检测过程中,全向天线是最佳选择,以便可从周围环境中测量到来自所用方向的信号。全向型天线包括rubber-ducky和拉杆天线。
条件允许的话,关闭系统发射机,使用前述方法设置频谱仪的的最低本底噪声来测量带内和同信道干扰。在本案例中,假设任何带外和相邻信道发射机发射的信号不会让频谱分析仪的前端产生过载。
捕获间歇信号
间歇信号往往很难测量。无线电性能偶尔受到干扰,似乎是随时发生。对于脉冲或间歇干扰,频谱分析仪设置为可储存大量扫描的最大迹线值。重新调用图 13 中的空中测量,GSM 850 信号的较低信道仅可在短时隙内进行传输,从而使测量的波形中显示出包络的断点。
将频谱分析仪置于“最大保持”模式,仪器将在多次扫描后进入间隙。可根据各种安捷伦 HSA 的 [TRACE] 菜单找到 {Max Hold} 部分,使用最大保持的 GSM 850 信号的测量结果显示在图 14 中。此时可在图 14 中明显看到两个信道中的信号具有相似的频谱和功率分布。
14. 使用具有选定的迹线最大保持安捷伦 N934xC HSA GSM 850 下行链路传输进行空中测量。
各种安捷伦 HSA 的迹线功能可显示高达四种不同的迹线。多迹线包含最大保持、最小保持、储存内存和有源测量的组合,具有包括默认“正向峰值”的不同检波选项。有关检波器的更多信息,请参见安捷伦应用指南 “更好地进行频谱分析的 8 个提示”(文献号 5965-7009E)。
安捷伦 HSA 的另一个重要的显示功能是谱图。谱图是在同一个显示屏中检测频率、时间和振幅的独特方式。谱图可显示频谱随时间变化的过程,其中颜色比例表示信号幅度。在一个谱图中,每个频率迹线占用一个信号,即显示屏上的水平线(高为 1 个像素)。持续时间显示在纵轴上,结果显示为随时间进行向上滚动。
图 15 显示了具有发射机(间歇动态)的信号谱图。图中的谱图部分用红色表示具有最高信号幅度的频率组分。谱图可指示干扰定时,以及干扰时间内信号带宽可能发生改变的方式。可将谱图保存在安捷伦HSA的内置存储器中或外置 USB 闪存器件中。

15. 双显示频部分显示了谱图和间歇传输信号的频谱
谱图可记录信号迹线文件中的 1,500 组频谱数据,用户可设置其更新间隔。HSA可持续自动创建其他迹线文件以保存超过 1,500 组的频谱数据。例如,在 N9344C HSA 中扫描全 20 GHz 频率扫宽,扫描时间为 0.95 秒。因此,在单个迹线文件中,用户可将谱图设置为储存 48 分钟内的频谱数据,更新间隔为 1 秒或 300 秒的更新间隔可使用长达五天。通过 [MEAS] 菜单下的 {SPECTROGRAM} 选项可激活谱图显示屏。
估计干扰位置
用频谱分析仪观察到干扰后,了解信号类型,如 WIFI、蜂窝或其他有助于估计干扰的位置。例如,无线设备操作员在维护蜂窝网络时可观测到从相邻频率信道发生“频谱外”传输。知道干扰是来自其他蜂窝系统是一个很好的线索,直放站即附近的直放站可能向相邻频带传输了不恰当的能量。
提示
若要更轻松地定位干扰源可在 HSA 中连接一个高增益定向天线 yagi 或平板天线。
检测过程的最后一步是定位干扰源。在该步骤中,最好在频谱分析仪上连接定向天线,因为这些高增益天线可在无线环境中提供定向功能。定向天线类型包括 yagi 和平板天线。在该本应用中推荐使用 5 dBi 的天线增益或更高。例如,安捷伦  N9311X-508 定向天线可在 700 MHz 至 8 GHz 的频率范围内提供 5 dBi 的增益。
将定向天线360度移动,信号幅度信号幅度同时观察频谱分析仪的信号幅度,当信号幅度为最大值时定向天线的指向可能就是干扰的物理位置。但是周围环境中的多路径反射会降低定点精确度,因此在尽可能高的地方(屋顶或高建筑物)进行测量非常重要。蜂窝基站(BTS)天线通常配备了扇形天线,这种天线具有窄射束宽度并使用如图 13 所示的测量配置,这样就可提供干扰的大概方向(扇形区)。
在环境中的多个位置结合定向测量,可通过三角函数计算出干扰发射机的大体位置。确定干扰源的精确位置需要使便携式频谱分析仪在更小的区域内移动以搜索最大信号幅度。确定干扰源的位置后,最后一步是校正或移除令人头痛的发射机。
总结
本应用指南描述了在无线环境中干扰测试的技术及流程。讨论了干扰的种类,其中包括带内干扰、同信道干扰、带外干扰和相邻信道干扰。在各种无线信号中测量频谱验证了各种便携式频谱分析仪(如安捷伦 N934xC 和 N9340B 手持式频谱分析仪)在确定和定位无线电干扰源时的有效性。
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