頻譜儀在無線電干擾測試中的應用分析

申時喜

（桂林空管站，桂林 541106）

0 引言

無線電干擾是某一設備或者系統在運行過程中，通過傳導干擾或者輻射干擾將電磁能量傳播到其他設備或者系統中，并影響其運行質量。無線電干擾具有極大危害，會導致接收機接收信號質量下降甚至通信中斷，也可能影響設備使用壽命。由此可見，科學的評估防護無線電干擾在現代的工業體系中具有重要的意義。頻譜儀在其掃頻范圍內，能夠準確顯示信號在各個頻點的特征，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、互調干擾等。

（1）同頻干擾。同頻干擾是指干擾源信號的頻率與被干擾信號的頻率相同，造成通信失效或者中斷。在早期的移動通信中，才用了頻分復用技術來提高頻率利用率。基站服務區不斷分裂，不同小區可以使用相同的頻率，可能會存在同頻干擾的情況。這種情況的處理措施一般有兩種，一方面降低發射功率，另外一方面增加相同頻率小區的距離。對于民航來說，同頻干擾存在兩種情況。一種是各種非法廣播的頻率設在了民航VHF 頻段（118–137MHz），恰好對某個在用VHF 頻點干擾了。第二種是由于VHF 設備設置按照同頻異址的原則，某個臺站的某臺VHF 發射機故障一直在發射，會對其他臺站該頻率的設備造成影響。

（2）鄰頻干擾。鄰頻干擾一般指干擾源發射信號的帶寬比較寬，被干擾的接收機選擇性較差，導致干擾信號經過變頻進入被干擾接收機中頻內。一般處理措施有，提高發射機頻率穩定性；改善接收機頻率選擇性，對于民航VHF 接收機來說，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射機內部電路非線性的原因產生了高次諧波落在了相應頻率的接收機上。發射機的本振信號一般是由晶振多次倍頻得到的，然后通過鎖相環得到一個穩定頻率。然而由于元器件的非線性和不穩定，高次諧波有可能隨著本振信號一起輻射出去。現在調頻廣播一般都在88-108MHz 之間，靠近民航VHF 頻段。如果調頻廣播設備老化或者設置不規范，很容易產生高次諧波。這些諧波如果落在民航VHF 頻段，功率又很大，極有可能產生干擾。

（4）互調干擾。互調干擾是指兩個或者兩個以上不同頻率的信號同時耦合進入發射機或者接收機，由于電路的非線性作用而產生一個新的頻率信號。這個新的信號頻率與有用信號的頻率相同或者接近，通過發射機一起發射出去或者一起進入接收機，從而對有用信號造成了干擾。對于民航VHF 通信來說，三階互調是最主要互調干擾，這是由于三階互調中產生的干擾信號功率最大。假設兩個基帶信號f1和f2，進入混頻器后相互作用得到兩個三階互調信號2 f1- f2、2 f2- f1。這兩個信號與基帶信號接近，很容易產生干擾。

2 頻譜儀工作原理及主要技術參數

圖1 超外差頻譜分析儀結構示意圖

觀察與測量信號可以從時域和頻域兩個角度出發，使用示波器可以直觀看到信號時域與幅度的關系。現實信號非常復雜，一個信號往往由多個信號矢量疊加而成。示波器難以精確的測量這種復雜信號。根據傅里葉變換可知，大多數信號都可以由多個適當頻率、相位、幅度的正弦信號疊加而成。所以說時域信號可以變換為頻域信號，使用頻譜儀就可以觀察各個頻率點上信號功率分布，把復雜的信號清晰的呈現出來。頻譜儀主要有FFT分析儀和超外差掃頻式調諧分析儀兩種類型。FFT 分析儀是指信號經過高速A/D 轉換后FFT 計算后得到頻譜分布，具有計算快、精度高等特點，但是不適合寬帶信號。本文主要分析超外差掃頻式調諧分析儀，圖1是其典型結構。[1]

輸入信號首先通過衰減器，再進入低通濾波器。衰減器可以保證輸入信號在寬頻范圍內良好的匹配性，同時也防止強信號進來損害后級電路。低通濾波器是為了防止高頻信號進入，避免鏡像干擾。混頻器是超外差接收機核心器件，本質上頻譜搬移。所謂“超外差”，本振信號比輸入信號高一個固定中頻。假設輸入信號為f1，本振信號為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不會落入中頻濾波器，f2-f1落入中頻濾波器后將會被放大、檢波、顯示等處理。對數放大器將以對數形式處理，擴大了頻譜儀動態范圍。檢波器對中頻信號進行解調，將輸入信號的功率轉換為輸出電平值。視頻濾波器對檢波器輸出的視頻信號進行平滑處理，有利于檢測微弱信號。掃描發生器同時控制本振和顯示器橫軸頻率的移動，保證兩者同步。

主要技術參數：

（1）掃頻范圍。頻譜儀掃頻范圍主要是由本振決定的，可以通過設置起始頻率start frequency 和終止頻率end frequency 決定，也可以通過設置中心頻率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。如果掃頻范圍設置太大，掃頻時間會相對較長，失去實用性。

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分兩個相鄰等幅信號的最小頻率間隔能力。圖2是RBW 原理示意圖，RBW 設置的越小，則頻譜分析儀區分不同頻率信號能力越強，頻譜分析儀本底噪聲也越小。如果span 設置太大，RBW 設置太小，則掃頻速率會降低，掃頻時間增加，有可能會遺漏一些出現頻率不是很高的信號信號。

（3）相位噪聲。相位噪聲是由于本振的不穩定造成的，表現為信號頻譜的噪聲邊帶，反映了信號短期的穩定性。只有待測信號強度遠大于系統的底噪時，相位噪聲才會顯示出來。相位噪聲與本振的設計有關，尤其與穩定本振的鎖相環結構相關。減少分辨率帶寬RBW 也會減少相位噪聲。如果相位噪聲太大，會淹沒待測信號附近的微弱信號。

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；T 為絕對溫度；B 為帶寬）。但是由于內部噪聲的影響，頻譜儀的DANL值都高于此值。檢測微弱信號的時候，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 應用分析

頻譜儀在無線電干擾測試分析中有著廣泛的應用，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>10 dBm（典型值為15 dBm）、預放開的條件下DANL 為-130 dBm（典型值為-135dBm/100Hz）。堯 山VHF 臺站頻率132.3MHz 接收機總是收到“滋滋”聲音，天線共用系統其他3個頻率工作正常，其他臺站該頻率工作正常。接收機能收到管制員語音，說明接收機和傳輸工作正常。工作人員測試天線駐波比正常，檢查了天饋接口也正常。工作人員使用了R&S FSH3 測量了132.3MHz 附近底噪，發現底噪明顯抬升很多，在本地發射機不工作情況下，底噪可達-80 dBm，如圖4所示。[3]底噪抬高，會造成接收機信噪比下降，無法正確解調出聲音，在席位該頻率就會出現“滋滋”聲音。堯山VHF 臺電磁環境很復雜，有學校的廣播、電視臺發射塔、公安集群通信等，所以請求無委進行排查。最后確認由于電視臺有線電視頻率泄露導致，電視臺維修好設備，132.3MHz 頻率接收機工作正常。在日常測試中，頻譜儀衰減一般設置為0dB。因為中頻放大器的放大系數與衰減系數是聯動的，會把頻譜儀內部噪聲放大，導致底噪抬升，不利于小信號的檢測。如果頻譜儀配合定向天線可以對干擾信號進行測向，有利于排查工作。

圖4 VHF接收頻譜圖

4 結束語

隨著技術的發展，很多頻譜分析儀都具有real time模式，這種是利用FFT 計算不同頻率的號出現的概率，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大信號下的小信號，非常有利于無線電干擾測試和EMI 測試。由于使用了FFT，SPAN 一般不超過40MHz。