頻譜儀在無線電干擾測(cè)試中的應(yīng)用分析

申時(shí)喜

（桂林空管站，桂林 541106）

0 引言

無線電干擾是某一設(shè)備或者系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過傳導(dǎo)干擾或者輻射干擾將電磁能量傳播到其他設(shè)備或者系統(tǒng)中，并影響其運(yùn)行質(zhì)量。無線電干擾具有極大危害，會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)接收信號(hào)質(zhì)量下降甚至通信中斷，也可能影響設(shè)備使用壽命。由此可見，科學(xué)的評(píng)估防護(hù)無線電干擾在現(xiàn)代的工業(yè)體系中具有重要的意義。頻譜儀在其掃頻范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確顯示信號(hào)在各個(gè)頻點(diǎn)的特征，在無線電干擾分析中具有重要作用。

1 無線電干擾

無線電干擾一般分為同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調(diào)干擾等。

（1）同頻干擾。同頻干擾是指干擾源信號(hào)的頻率與被干擾信號(hào)的頻率相同，造成通信失效或者中斷。在早期的移動(dòng)通信中，才用了頻分復(fù)用技術(shù)來提高頻率利用率。基站服務(wù)區(qū)不斷分裂，不同小區(qū)可以使用相同的頻率，可能會(huì)存在同頻干擾的情況。這種情況的處理措施一般有兩種，一方面降低發(fā)射功率，另外一方面增加相同頻率小區(qū)的距離。對(duì)于民航來說，同頻干擾存在兩種情況。一種是各種非法廣播的頻率設(shè)在了民航VHF 頻段（118–137MHz），恰好對(duì)某個(gè)在用VHF 頻點(diǎn)干擾了。第二種是由于VHF 設(shè)備設(shè)置按照同頻異址的原則，某個(gè)臺(tái)站的某臺(tái)VHF 發(fā)射機(jī)故障一直在發(fā)射，會(huì)對(duì)其他臺(tái)站該頻率的設(shè)備造成影響。

（2）鄰頻干擾。鄰頻干擾一般指干擾源發(fā)射信號(hào)的帶寬比較寬，被干擾的接收機(jī)選擇性較差，導(dǎo)致干擾信號(hào)經(jīng)過變頻進(jìn)入被干擾接收機(jī)中頻內(nèi)。一般處理措施有，提高發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定性；改善接收機(jī)頻率選擇性，對(duì)于民航VHF 接收機(jī)來說，有必要的情況下犧牲插損來改善阻帶的衰減；增加相鄰信道的頻率間隔。

（3）帶外干擾。帶外干擾是指由于發(fā)射機(jī)內(nèi)部電路非線性的原因產(chǎn)生了高次諧波落在了相應(yīng)頻率的接收機(jī)上。發(fā)射機(jī)的本振信號(hào)一般是由晶振多次倍頻得到的，然后通過鎖相環(huán)得到一個(gè)穩(wěn)定頻率。然而由于元器件的非線性和不穩(wěn)定，高次諧波有可能隨著本振信號(hào)一起輻射出去?，F(xiàn)在調(diào)頻廣播一般都在88-108MHz 之間，靠近民航VHF 頻段。如果調(diào)頻廣播設(shè)備老化或者設(shè)置不規(guī)范，很容易產(chǎn)生高次諧波。這些諧波如果落在民航VHF 頻段，功率又很大，極有可能產(chǎn)生干擾。

（4）互調(diào)干擾。互調(diào)干擾是指兩個(gè)或者兩個(gè)以上不同頻率的信號(hào)同時(shí)耦合進(jìn)入發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)，由于電路的非線性作用而產(chǎn)生一個(gè)新的頻率信號(hào)。這個(gè)新的信號(hào)頻率與有用信號(hào)的頻率相同或者接近，通過發(fā)射機(jī)一起發(fā)射出去或者一起進(jìn)入接收機(jī)，從而對(duì)有用信號(hào)造成了干擾。對(duì)于民航VHF 通信來說，三階互調(diào)是最主要互調(diào)干擾，這是由于三階互調(diào)中產(chǎn)生的干擾信號(hào)功率最大。假設(shè)兩個(gè)基帶信號(hào)f1和f2，進(jìn)入混頻器后相互作用得到兩個(gè)三階互調(diào)信號(hào)2 f1- f2、2 f2- f1。這兩個(gè)信號(hào)與基帶信號(hào)接近，很容易產(chǎn)生干擾。

2 頻譜儀工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

圖1 超外差頻譜分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

觀察與測(cè)量信號(hào)可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度出發(fā)，使用示波器可以直觀看到信號(hào)時(shí)域與幅度的關(guān)系。現(xiàn)實(shí)信號(hào)非常復(fù)雜，一個(gè)信號(hào)往往由多個(gè)信號(hào)矢量疊加而成。示波器難以精確的測(cè)量這種復(fù)雜信號(hào)。根據(jù)傅里葉變換可知，大多數(shù)信號(hào)都可以由多個(gè)適當(dāng)頻率、相位、幅度的正弦信號(hào)疊加而成。所以說時(shí)域信號(hào)可以變換為頻域信號(hào)，使用頻譜儀就可以觀察各個(gè)頻率點(diǎn)上信號(hào)功率分布，把復(fù)雜的信號(hào)清晰的呈現(xiàn)出來。頻譜儀主要有FFT分析儀和超外差掃頻式調(diào)諧分析儀兩種類型。FFT 分析儀是指信號(hào)經(jīng)過高速A/D 轉(zhuǎn)換后FFT 計(jì)算后得到頻譜分布，具有計(jì)算快、精度高等特點(diǎn)，但是不適合寬帶信號(hào)。本文主要分析超外差掃頻式調(diào)諧分析儀，圖1是其典型結(jié)構(gòu)。[1]

輸入信號(hào)首先通過衰減器，再進(jìn)入低通濾波器。衰減器可以保證輸入信號(hào)在寬頻范圍內(nèi)良好的匹配性，同時(shí)也防止強(qiáng)信號(hào)進(jìn)來損害后級(jí)電路。低通濾波器是為了防止高頻信號(hào)進(jìn)入，避免鏡像干擾。混頻器是超外差接收機(jī)核心器件，本質(zhì)上頻譜搬移。所謂“超外差”，本振信號(hào)比輸入信號(hào)高一個(gè)固定中頻。假設(shè)輸入信號(hào)為f1，本振信號(hào)為f2，兩者相互作用后混頻器輸出：f2+f1和f2-f1。中頻濾波器也是頻譜儀核心器件之一，起頻率選擇性作用。f2+f1不會(huì)落入中頻濾波器，f2-f1落入中頻濾波器后將會(huì)被放大、檢波、顯示等處理。對(duì)數(shù)放大器將以對(duì)數(shù)形式處理，擴(kuò)大了頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍。檢波器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將輸入信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換為輸出電平值。視頻濾波器對(duì)檢波器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行平滑處理，有利于檢測(cè)微弱信號(hào)。掃描發(fā)生器同時(shí)控制本振和顯示器橫軸頻率的移動(dòng)，保證兩者同步。

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）掃頻范圍。頻譜儀掃頻范圍主要是由本振決定的，可以通過設(shè)置起始頻率start frequency 和終止頻率end frequency 決定，也可以通過設(shè)置中心頻率center frequency 和掃頻寬度span 來決定。比如start frequency= 100MHz，end frequency = 200MHz 和center frequency= 150MHz，span = 100 MHz 是一樣的。如果掃頻范圍設(shè)置太大，掃頻時(shí)間會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，失去實(shí)用性。

圖2 RBW原理示意圖

（2）RBW。[2]RBW 是指頻譜儀分辨率帶寬，就是中頻濾波器的3dB 帶寬，反映了頻譜分析儀分辨區(qū)分兩個(gè)相鄰等幅信號(hào)的最小頻率間隔能力。圖2是RBW 原理示意圖，RBW 設(shè)置的越小，則頻譜分析儀區(qū)分不同頻率信號(hào)能力越強(qiáng)，頻譜分析儀本底噪聲也越小。如果span 設(shè)置太大，RBW 設(shè)置太小，則掃頻速率會(huì)降低，掃頻時(shí)間增加，有可能會(huì)遺漏一些出現(xiàn)頻率不是很高的信號(hào)信號(hào)。

（3）相位噪聲。相位噪聲是由于本振的不穩(wěn)定造成的，表現(xiàn)為信號(hào)頻譜的噪聲邊帶，反映了信號(hào)短期的穩(wěn)定性。只有待測(cè)信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的底噪時(shí)，相位噪聲才會(huì)顯示出來。相位噪聲與本振的設(shè)計(jì)有關(guān)，尤其與穩(wěn)定本振的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)。減少分辨率帶寬RBW 也會(huì)減少相位噪聲。如果相位噪聲太大，會(huì)淹沒待測(cè)信號(hào)附近的微弱信號(hào)。

圖3 頻譜分析儀相位噪聲

（4）DANL。DANL 是頻譜分析儀顯示平均噪聲電平，它是由頻譜分析儀內(nèi)部電路的噪聲決定的，反映了頻譜分析儀的靈敏度。DANL 的理論下限為：KTB=-173dBm/Hz（式中，K 為玻爾茲曼常數(shù)；T 為絕對(duì)溫度；B 為帶寬）。但是由于內(nèi)部噪聲的影響，頻譜儀的DANL值都高于此值。檢測(cè)微弱信號(hào)的時(shí)候，可以通過前置LNA 來改善信噪比提高靈敏度，也可以通過減少RBW來減少噪聲電平。

3 應(yīng)用分析

頻譜儀在無線電干擾測(cè)試分析中有著廣泛的應(yīng)用，本文以R&S FSH3 手持頻譜儀為分析工具。該頻譜儀基本參數(shù)如下：頻率范圍為100KHz～3GHz、最大 輸 入 功 率 為30dBm、RBW 為100Hz～1MHz、VBW為10 Hz～1MHz、三階截止點(diǎn)>10 dBm（典型值為15 dBm）、預(yù)放開的條件下DANL 為-130 dBm（典型值為-135dBm/100Hz）。堯 山VHF 臺(tái)站頻率132.3MHz 接收機(jī)總是收到“滋滋”聲音，天線共用系統(tǒng)其他3個(gè)頻率工作正常，其他臺(tái)站該頻率工作正常。接收機(jī)能收到管制員語音，說明接收機(jī)和傳輸工作正常。工作人員測(cè)試天線駐波比正常，檢查了天饋接口也正常。工作人員使用了R&S FSH3 測(cè)量了132.3MHz 附近底噪，發(fā)現(xiàn)底噪明顯抬升很多，在本地發(fā)射機(jī)不工作情況下，底噪可達(dá)-80 dBm，如圖4所示。[3]底噪抬高，會(huì)造成接收機(jī)信噪比下降，無法正確解調(diào)出聲音，在席位該頻率就會(huì)出現(xiàn)“滋滋”聲音。堯山VHF 臺(tái)電磁環(huán)境很復(fù)雜，有學(xué)校的廣播、電視臺(tái)發(fā)射塔、公安集群通信等，所以請(qǐng)求無委進(jìn)行排查。最后確認(rèn)由于電視臺(tái)有線電視頻率泄露導(dǎo)致，電視臺(tái)維修好設(shè)備，132.3MHz 頻率接收機(jī)工作正常。在日常測(cè)試中，頻譜儀衰減一般設(shè)置為0dB。因?yàn)橹蓄l放大器的放大系數(shù)與衰減系數(shù)是聯(lián)動(dòng)的，會(huì)把頻譜儀內(nèi)部噪聲放大，導(dǎo)致底噪抬升，不利于小信號(hào)的檢測(cè)。如果頻譜儀配合定向天線可以對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，有利于排查工作。

圖4 VHF接收頻譜圖

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，很多頻譜分析儀都具有real time模式，這種是利用FFT 計(jì)算不同頻率的號(hào)出現(xiàn)的概率，并以不同顏色表示。real time 模式還特別適合觀察方便同一頻點(diǎn)大信號(hào)下的小信號(hào)，非常有利于無線電干擾測(cè)試和EMI 測(cè)試。由于使用了FFT，SPAN 一般不超過40MHz。