使用实时频谱分析仪应对外场射频与微波干扰的挑战

随着通信网络中采用的无线技术越来越多，不可避免会产生干扰问题。无论是何种类型的网络，系统噪声都会影响网络性能。噪声可以自内部或外部产生。

管理干扰的水平决定了服务品质。例如，控制 LTE 网络中的上行链路噪声可以显著改善网络性能。在企业无线局域网 LAN 中，适当的信道分配和复用可以确保网络达到预定的连接速度；而卫星地面站中优化的天线位置/方向图则有助于增强各种气象条件下的通信可靠性。

为了检测要求严格的信号以及诊断网络问题，测试人员在外场必须拥有实时信号分析 (RTSA) 能力。在本文中，我们将介绍各种网络中可能遇到的干扰、RTSA 技术及其关键性能指标，并探索可以诊断和解决雷达、电子战 (EW) 和通信网络中干扰问题的应用。

回顾射频和微波干扰问题

无线干扰的挑战

商用数字无线网络面临的一大难题是如何在可用频谱内提供尽量高的容量。在这一设计目标的推动下， 业界着手实施更严格的频率复用和更广泛的信道部署。由于蜂窝站点相互之间非常接近，并且基站同时 发射信号，因此在下行链路（从基站到移动设备的方向）上产生了非常大的噪声。移动天线下行链路上的这种较大噪声会导致移动设备增大输出功率，以克服该噪声的影响。这反过来又会导致基站天线上行链路（从移动设备到基站的方向）的噪声增加。基站收发信机 (BTS) 天线上的噪声过大，会使得蜂窝基站的容量下降。这些情况都属于网络内部干扰。

除了内部干扰之外，外部干扰也变得越来越普遍。造成外部干扰的原因主要是网络运营商之间的保护频带过小，欠缺网络规划和网络优化，以及非法使用频谱。

LTE网络中的干扰问题

LTE网络受到噪声的很大限制。它的频率复用比为1，这意味着每个蜂窝站点使用同一个频道。LTE网络要想正常运行，必须采用复杂而高效的干扰管理方案。

在下行链路上，LTE基站依靠来自移动设备的信道质量指示符 (CQI) 报告来估计覆盖区域内的干扰。CQI衡量的是下行链路信道或某些资源块上的信号干扰比。根据这个重要信息，基站可以调度带宽并确定向移动设备提供的吞吐量。干扰既包括蜂窝站点内部产生的噪声，又包括外部发射机产生的干扰。如果下行链路上有外部干扰，那么 CQI 就会下降，需要重新传输数据，从而导致网络速度大幅下降。下行链路干扰是最难处理的问题之 一，因为基站不会直接反馈表示存在干扰。

图1.  LTE功率控制和资源块分配

在 LTE 干扰管理中，由于服务小区和相邻小区共享同一频道，因此精确的功率控制非常重要。网络需要尽量降低小区边缘的干扰，同时还要为边缘用户提供足够的功率，使其可以获得出色的服务质量。LTE 基站在小区中心在整个频谱上提供较低功率。在小区边缘，它会分配较少的资源块（子载波），但会提供更大功率（图 1）。这种方法改善了小区的整体吞吐量并将干扰降至最低。

无论系统的信道带宽是多少，LTE控制信道始终位于信道的中心，带宽为1.08 MHz。关键的下行链路控制信道包括主同步信道、辅同步信道和广播信道。主同步信道和辅同步信道将移动设备与小区同步，并解码系统信息。靠近 LTE 信道中心的窄带干扰主要会影响移动设备的同步过程，有时也会阻塞整个小区。例如，某些模拟700 MHz FM无线麦克风就很容易阻塞LTE小区，因此美国联邦通信委员会 (FCC) 禁止使用这些麦克风。

微波回程干扰问题

全球大约 50%的基站通过微波无线信号进行回程信号传输。随着微波千兆以太网的最新发展，将微波无线信号用作 4G/LTE 部署的回程方案颇具吸引力。

与其他无线技术一样，这种网络也始终存在着干扰。对于微波无线电网络而言，主要的干扰来自以下领域。

反射和折射

在移动网络中，微波无线电台广泛用于建立点对点连接和城区内的部署。如果传输路径被阻塞，信号会 发生回弹，损失一部分传播给远程接收机的能量，这种情况称为反射；信号弯折并改变方向则形成折射。这两种情况都会造成系统中断。

免许可频段上的干扰

近年来，移动回程广泛采用了点对点以太网微波链路，它们不仅操作方便，而且成本较低。点对点微波链路可以在许可或免许可频段上运行，如5.3 GHz、5.4 GHz和5.8 GHz。在免许可频段中，系统中断更多地与干扰有关。这些频段非常接近802.11n或802.11ac无线局域网 (WLAN) 所使用的频率，因此我们看到这两个系统之间开始出现干扰。例如，当5.8 GHz微波无线电台附近有WLAN在工作时，WLAN可能会提高微波无线电台接收机的功率电平，这会使微波无线电台误认为自己需要降低链路上的发射功率，因此不会发射足够的功率来维持所需的实际信号电平，从而造成中断。

5G信号和潜在干扰

5G部署极大地扩展了无线通信使用的频段。当前的蜂窝频段 (< 2 GHz)、中频段（3.5 至 4.5 GHz）和毫米波频段 (> 24 GHz) 都可供5G使用。

图2.  5G频段和频谱分配

这是地面通信第一次使用毫米波频段，因此给部署带来了独特的挑战。第三代 合作伙伴计划 (3GPP) 标准机构将6 GHz以下频段称为频率范围1 (FR1)，将24 GHz以上的毫米波频段称为频率范围 2 (FR2)。5G信道带宽从 10 MHz 到 400 MHz 不等，可以提供灵活的信道分配并支持不同的业务，例如超低时延和移动 宽带通信。

除了FR1和FR2工作频段之外，5G还引入了独立组网 (SA) 和非独立组网 (NSA) 两种部署模式。独立组网模式意味着5G网络完全独立运行；从空中接口的角度来看，用户设备 (UE) 或移动设备只在5G网络上交换控制信息和流量信息。虽然独立组网模式支持5G的全部优势，但用它来搭建5G网络的成本也最高。与之相反，非独立组网部署模式会尽量利用现有的LTE网络，让LTE充当网络锚点。控制信道位于LTE网络上，用户设备也支持5G。用户设备在5G数据信道上发送和接收流量，如果5G无法提供足够的覆盖范围，那么用户设备会退回到LTE。在5G部署的初始阶段，非独立组网模式更加可靠，而且比独立组网模式更早支持无线运营商提供5G业务。当然，在非独立组网模式下，如果LTE网络受到干扰或破坏，5G网络也同样会受到影响。

航空航天与国防 (A/D) 和公共安全领域的干扰问题

大多数常见的航空航天与国防通信系统包括卫星、雷达、电子战系统以及安全通信（公共安全）网络。随着商用和航空航天与国防领域的无线技术迅猛发展，越来越多的干扰也蔓延到了航空航天与国防系统中。 为了解决这些问题，航空航天与国防系统向更高频率转移，部署更窄的雷达脉冲，并采取高度加密的数字无线系统进行通信。

这些技术手段可以抵御外部干扰，但它们也会加大外场故障诊断的难度。有效维护航空航天与国防通信系统需要使用新的工具和测量方法。

公共安全无线系统被两大问题困扰：一个是邻道干扰，另一个是互调失真。公共安全无线通信通常采用窄带系统，带宽为 25/12.5/6.25 kHz 等，其发射功率远高于商用系统。它要求 80 到 100 dB 的信道抑制。 如果双工器或双信器调谐不当，基站的工作信道之间会产生邻道干扰，导致覆盖范围缩小。

由于公共安全发射机是以更高的功率电平运行，如果其功率放大器饱和，则会发生互调，并且其谐波很可能落在相邻频段上。当这些谐波产物落到LTE控制频率上时（参见图3），网络服务就会中断。

卫星地面站的干扰问题 航空航天与国防网络中通常会部署有卫星通信系统。这个领域的一个发展趋势是为军事机构提供大容量的通信链路。增加系统容量主要有两个途径：一个是将工作频率从C和Ku频段提高到Ka频段，另一个是使用多个波束来部署频率复用。

频率越高，波束就越小。这就需要更精确的天线对准。如果没有对准，可能会产生同道干扰和邻道干扰。多波束频率复用使得相邻区域可以共享同一个频率规划和极化。如果系统没有经过适当优化，则可能会产生强烈的同道干扰、邻道干扰和交叉极化干扰。

图4.  卫星地面站工作中的干扰类型

传统干扰分析方法面临的挑战

与目标地面站相同的极化 干扰的分类方式不止一种。从信号交互的角度来看，干扰可以分为同道干扰、邻道干扰和互调（无源和 有源）。从网络运行的角度来看，干扰可以分为下行链路干扰（基站到移动设备）、上行链路干扰（移动设备到基站）和外部干扰。

如果网络中存在干扰，系统性能监测工具会报告这些问题，例如上行链路本底噪声在没有明显流量的情况下增加、连接故障、信噪比过高等等。下一步是检测干扰的来源。配有定向天线的频谱分析仪通常是侦测和定位干扰的首选工具。

传统的扫描调谐频谱分析仪和快速傅立叶变换 (FFT) 频谱分析仪可以有效检测常发信号，并可使用“最大 保持”功能检测间歇信号。传统的分析仪要么静寂时间较长，在回扫过程中不会捕获数据，要么静寂时间无法预测。因此在处理随机猝发信号、窄脉冲（如雷达信号）或持续时间由网络流量条件决定的信号时，分析的有效性会打折扣。

鉴于无线宽带网络中的猝发信号不断增加，现在需要找到一种互补性工具来提高频谱分析的有效性。

实时频谱分析仪 (RTSA) 介绍

我们在侦测干扰时面临两大挑战：一个是由于数字无线信号本质上是时分复用信号，而正在调查的干扰更偏向于猝发信号；另一个是频谱分析仪的静寂时间过长，导致错过一些信号。

要克服这些挑战，最有效的方法是尽量缩短（最好是消除）传统频谱分析仪中存在的静寂时间。我们需要 一种新工具来侦测最有挑战性的信号，这就是无间隙频谱分析或实时频谱分析 (RTSA)。

频谱分析仪接收机体系结构概述

为了更好地理解RTSA的功能，我们务必要看一看传统的频谱分析仪接收机的体系结构及其优缺点。

扫描调谐接收机

图 5.  超外差频谱分析仪/扫描调谐频谱接收机

外差意味着要进行混频。在超外差（也称为扫描调谐）频谱分析仪中，射频输入信号与本地振荡器 (LO)  信号混频，将输入信号从较高频率转换为较低频率 —— 中频 (IF)。包络检波器可以检测信号幅度并将其显示为垂直点。

为了控制水平频率轴的显示，我们使用斜坡/扫描发生器来控制本振的调谐动作，使其达到预期频率。通过设置扫描时间和频率扫宽，我们可以控制 LO调谐速率。频谱分析仪的前端包含由衰减器和预选器（低通滤波器）组成的信号调理电路。这些电路的作用是确保输入信号在到达混频器之前处于**电平。前端预选器有助于阻止带外噪声，从而改善接收机的动态范围和灵敏度。调谐本振让接收机具有更好的选择性。它可以很自然地阻止不需要的带外信号，这就是超外差接收机具有出色动态范围的原因。

由于斜坡发生器以固定速率进行扫描，因此可以在频率扫宽上精确控制扫描时间。通过控制扫描速率， 接收机能够以超过 FFT 分析仪的扫描速度扫描超大扫宽。  

超外差接收机的最大缺点是它可能会错过间歇性信号，尤其是宽带数字调制信号。另一个问题是， 在窄分辨率带宽 (RBW) 下它的扫描时间会显著变长。

实时频谱分析仪是一种没有静寂时间的 FFT 分析仪。接收机停留在感兴趣的频率带宽内，该带宽受到实时频率带宽的限制，没有调谐或步进。它具有足够大的信号缓冲区、FFT 引擎和显示引擎，可先处理完上一个数据帧并清空存储器，再让后续数据帧进入。

在其捕获带宽内，它可以检测各种瞬态信号、动态信号和射频脉冲。

但是，RTSA受到带宽的限制。如果接收机试图测量超出其实时带宽的信号时，则必须调谐本振。此时它不再是实时的或无间隙的。

由于 RTSA 没有调谐，要检测的信号可能不会位于中心频率，并且它检测到的信号电平可能不像使用传统频谱分析仪时那么准确，因此我们不建议使用RTSA来进行精确的功率测量。