频谱仪在无线电干扰测试中的应用分析

2020-08-05申时喜

数字通信世界 2020年7期

申时喜

（桂林空管站，桂林 541106）

0 引言

无线电干扰是某一设备或者系统在运行过程中，通过传导干扰或者辐射干扰将电磁能量传播到其他设备或者系统中，并影响其运行质量。无线电干扰具有极大危害，会导致接收机接收信号质量下降甚至通信中断，也可能影响设备使用寿命。由此可见，科学的评估防护无线电干扰在现代的工业体系中具有重要的意义。频谱仪在其扫频范围内，能够准确显示信号在各个频点的特征，在无线电干扰分析中具有重要作用。

1 无线电干扰

无线电干扰一般分为同频干扰、邻频干扰、带外干扰、互调干扰等。

（1）同频干扰。同频干扰是指干扰源信号的频率与被干扰信号的频率相同，造成通信失效或者中断。在早期的移动通信中，才用了频分复用技术来提高频率利用率。基站服务区不断分裂，不同小区可以使用相同的频率，可能会存在同频干扰的情况。这种情况的处理措施一般有两种，一方面降低发射功率，另外一方面增加相同频率小区的距离。对于民航来说，同频干扰存在两种情况。一种是各种非法广播的频率设在了民航VHF 频段（118–137MHz），恰好对某个在用VHF 频点干扰了。第二种是由于VHF 设备设置按照同频异址的原则，某个台站的某台VHF 发射机故障一直在发射，会对其他台站该频率的设备造成影响。

（2）邻频干扰。邻频干扰一般指干扰源发射信号的带宽比较宽，被干扰的接收机选择性较差，导致干扰信号经过变频进入被干扰接收机中频内。一般处理措施有，提高发射机频率稳定性；改善接收机频率选择性，对于民航VHF 接收机来说，有必要的情况下牺牲插损来改善阻带的衰减；增加相邻信道的频率间隔。

（3）带外干扰。带外干扰是指由于发射机内部电路非线性的原因产生了高次谐波落在了相应频率的接收机上。发射机的本振信号一般是由晶振多次倍频得到的，然后通过锁相环得到一个稳定频率。然而由于元器件的非线性和不稳定，高次谐波有可能随着本振信号一起辐射出去。现在调频广播一般都在88-108MHz 之间，靠近民航VHF 频段。如果调频广播设备老化或者设置不规范，很容易产生高次谐波。这些谐波如果落在民航VHF 频段，功率又很大，极有可能产生干扰。

（4）互调干扰。互调干扰是指两个或者两个以上不同频率的信号同时耦合进入发射机或者接收机，由于电路的非线性作用而产生一个新的频率信号。这个新的信号频率与有用信号的频率相同或者接近，通过发射机一起发射出去或者一起进入接收机，从而对有用信号造成了干扰。对于民航VHF 通信来说，三阶互调是最主要互调干扰，这是由于三阶互调中产生的干扰信号功率最大。假设两个基带信号f1和f2，进入混频器后相互作用得到两个三阶互调信号2 f1- f2、2 f2- f1。这两个信号与基带信号接近，很容易产生干扰。

2 频谱仪工作原理及主要技术参数

图1 超外差频谱分析仪结构示意图

观察与测量信号可以从时域和频域两个角度出发，使用示波器可以直观看到信号时域与幅度的关系。现实信号非常复杂，一个信号往往由多个信号矢量叠加而成。示波器难以精确的测量这种复杂信号。根据傅里叶变换可知，大多数信号都可以由多个适当频率、相位、幅度的正弦信号叠加而成。所以说时域信号可以变换为频域信号，使用频谱仪就可以观察各个频率点上信号功率分布，把复杂的信号清晰的呈现出来。频谱仪主要有FFT分析仪和超外差扫频式调谐分析仪两种类型。FFT 分析仪是指信号经过高速A/D 转换后FFT 计算后得到频谱分布，具有计算快、精度高等特点，但是不适合宽带信号。本文主要分析超外差扫频式调谐分析仪，图1是其典型结构。[1]

输入信号首先通过衰减器，再进入低通滤波器。衰减器可以保证输入信号在宽频范围内良好的匹配性，同时也防止强信号进来损害后级电路。低通滤波器是为了防止高频信号进入，避免镜像干扰。混频器是超外差接收机核心器件，本质上频谱搬移。所谓“超外差”，本振信号比输入信号高一个固定中频。假设输入信号为f1，本振信号为f2，两者相互作用后混频器输出：f2+f1和f2-f1。中频滤波器也是频谱仪核心器件之一，起频率选择性作用。f2+f1不会落入中频滤波器，f2-f1落入中频滤波器后将会被放大、检波、显示等处理。对数放大器将以对数形式处理，扩大了频谱仪动态范围。检波器对中频信号进行解调，将输入信号的功率转换为输出电平值。视频滤波器对检波器输出的视频信号进行平滑处理，有利于检测微弱信号。扫描发生器同时控制本振和显示器横轴频率的移动，保证两者同步。

主要技术参数：

（1）扫频范围。频谱仪扫频范围主要是由本振决定的，可以通过设置起始频率start frequency 和终止频率end frequency 决定，也可以通过设置中心频率center frequency 和扫频宽度span 来决定。比如start frequency= 100MHz，end frequency = 200MHz 和center frequency= 150MHz，span = 100 MHz 是一样的。如果扫频范围设置太大，扫频时间会相对较长，失去实用性。

图2 RBW原理示意图

（2）RBW。[2]RBW 是指频谱仪分辨率带宽，就是中频滤波器的3dB 带宽，反映了频谱分析仪分辨区分两个相邻等幅信号的最小频率间隔能力。图2是RBW 原理示意图，RBW 设置的越小，则频谱分析仪区分不同频率信号能力越强，频谱分析仪本底噪声也越小。如果span 设置太大，RBW 设置太小，则扫频速率会降低，扫频时间增加，有可能会遗漏一些出现频率不是很高的信号信号。

（3）相位噪声。相位噪声是由于本振的不稳定造成的，表现为信号频谱的噪声边带，反映了信号短期的稳定性。只有待测信号强度远大于系统的底噪时，相位噪声才会显示出来。相位噪声与本振的设计有关，尤其与稳定本振的锁相环结构相关。减少分辨率带宽RBW 也会减少相位噪声。如果相位噪声太大，会淹没待测信号附近的微弱信号。

图3 频谱分析仪相位噪声

（4）DANL。DANL 是频谱分析仪显示平均噪声电平，它是由频谱分析仪内部电路的噪声决定的，反映了频谱分析仪的灵敏度。DANL 的理论下限为：KTB=-173dBm/Hz（式中，K 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；B 为带宽）。但是由于内部噪声的影响，频谱仪的DANL值都高于此值。检测微弱信号的时候，可以通过前置LNA 来改善信噪比提高灵敏度，也可以通过减少RBW来减少噪声电平。

3 应用分析

频谱仪在无线电干扰测试分析中有着广泛的应用，本文以R&S FSH3 手持频谱仪为分析工具。该频谱仪基本参数如下：频率范围为100KHz～3GHz、最大输入功率为30dBm、RBW 为100Hz～1MHz、VBW为10 Hz～1MHz、三阶截止点>10 dBm（典型值为15 dBm）、预放开的条件下DANL 为-130 dBm（典型值为-135dBm/100Hz）。尧山VHF 台站频率132.3MHz 接收机总是收到“滋滋”声音，天线共用系统其他3个频率工作正常，其他台站该频率工作正常。接收机能收到管制员语音，说明接收机和传输工作正常。工作人员测试天线驻波比正常，检查了天馈接口也正常。工作人员使用了R&S FSH3 测量了132.3MHz 附近底噪，发现底噪明显抬升很多，在本地发射机不工作情况下，底噪可达-80 dBm，如图4所示。[3]底噪抬高，会造成接收机信噪比下降，无法正确解调出声音，在席位该频率就会出现“滋滋”声音。尧山VHF 台电磁环境很复杂，有学校的广播、电视台发射塔、公安集群通信等，所以请求无委进行排查。最后确认由于电视台有线电视频率泄露导致，电视台维修好设备，132.3MHz 频率接收机工作正常。在日常测试中，频谱仪衰减一般设置为0dB。因为中频放大器的放大系数与衰减系数是联动的，会把频谱仪内部噪声放大，导致底噪抬升，不利于小信号的检测。如果频谱仪配合定向天线可以对干扰信号进行测向，有利于排查工作。