基于頻譜分析的無線通信系統(tǒng)干擾源識(shí)別方法的研究

摘要：隨著通信的日益發(fā)展，無線通信手段也悅來越豐富。而通信手段的豐富同時(shí)也意味著通信環(huán)境的日益復(fù)雜，在極為復(fù)雜的通信環(huán)境下，無線通訊系統(tǒng)中的干擾顯然不可避免。

關(guān)鍵詞：頻譜；無線通信；干擾源

無線系統(tǒng)的普及，通信信號(hào)干擾也日益成為無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和業(yè)務(wù)供應(yīng)商的頭號(hào)大敵。信號(hào)干擾不僅影響了無線系統(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。這些環(huán)境由多種無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括移動(dòng)通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)、專用移動(dòng)無線電設(shè)備和傳呼/廣播系統(tǒng)。同時(shí)，WLAN和DVB等新技術(shù)和新信號(hào)源的導(dǎo)入也成為無線通信業(yè)務(wù)的潛在威脅。本文分析了信號(hào)干擾及其對(duì)無線網(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)別干擾信號(hào)的方法。

1 信號(hào)的干擾

信號(hào)干擾的來源很廣，主要來自包括區(qū)域內(nèi)授權(quán)或未授權(quán)的各種發(fā)射器。無論授權(quán)與否，干擾源都將產(chǎn)生相同的結(jié)果以求影響系統(tǒng)的性能。它們之間唯一的區(qū)別在于是否在未授權(quán)頻帶上，潛在的未受控制的干擾源無疑更多。

頻帶內(nèi)(In-band)發(fā)射器

下面，描述了一些典型的干擾信號(hào)源及其影響。盡管受影響的系統(tǒng)可以利用設(shè)計(jì)避免指定頻帶外信號(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)，即便干擾信號(hào)完全在頻帶以外，受影響的接收器仍將進(jìn)入射頻過載狀態(tài)。當(dāng)受影響接收器的預(yù)選濾波器無法滿足要求時(shí)，這種情況就會(huì)出現(xiàn)。滲透到受影響接收器的高功率信號(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)信號(hào)：現(xiàn)代無線系統(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音或數(shù)據(jù)。多訊息信道信號(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)送交叉頻率信號(hào)(cross-frequency signal)，而這些交頻信號(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)射信號(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)送信號(hào)。這將產(chǎn)生一系列重復(fù)傳送的新信號(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。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信號(hào)滲透產(chǎn)生的干擾，而滲透信號(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)，信號(hào)將開始?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)。由于信號(hào)削波將在寬頻傳輸信號(hào)中產(chǎn)生諧波，因此天線發(fā)射的偽信號(hào)將干擾其它接收器的通頻帶。當(dāng)功率放大器的信號(hào)衰落至隨機(jī)振蕩模式，寄生信號(hào)將不可避免。

2 干擾識(shí)別

干擾信號(hào)的頻率是識(shí)別干擾源的最常用參數(shù)，因此，通常可以根據(jù)頻率特性對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分類。需要指出的是，不管干擾信號(hào)在頻帶內(nèi)還是在頻帶外，信號(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)別不期望信號(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)射信號(hào)的特性則完全可能不受任何影響。因此，識(shí)別干擾接收器的信號(hào)的關(guān)鍵是了解受影響系統(tǒng)待接收信號(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)變信號(hào)。利用頻譜分析儀分析頻域特性，可以非常簡(jiǎn)便地測(cè)量信號(hào)的頻率、功率、諧波含量、調(diào)變品質(zhì)、信號(hào)失真、噪音或干擾。如果干擾覆蓋了期望接收的信號(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)變信號(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，可以透過設(shè)定足夠?qū)挼念l率范圍將受影響的接收器信號(hào)及鄰近的干擾信號(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)的接收器信號(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)。可以將分辨率視為掃描未知信號(hào)頻帶的“掃描窗”的波形，掃描窗的波形與圖所示的波形相似。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)量頻率接近的信號(hào)中，分辨率至關(guān)重要，因?yàn)樾枰梅直媛蕝^(qū)分這些信號(hào)。

可選性；在一些干擾應(yīng)用中，信號(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信號(hào)中較弱的信號(hào)將很可能湮滅在較強(qiáng)信號(hào)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。如果兩條信號(hào)之間的間隔為60kHz，但其中一條信號(hào)的幅度比另一條低-60dB，那么該信號(hào)將被湮滅在主要信號(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)。在將未知信號(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)于干擾信號(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。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁玉美，高全西，彭學(xué)愚編，數(shù)字信號(hào)處理，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994

[2] 吳湘淇編著，信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理，北京：電子工業(yè)出版社，1996

[3] 鄒理和編，數(shù)字濾波器，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982