了解RF如何潜在地干扰WiFi、蓝牙和雷达传感器等信号的接收是值得的。
我们生活在一个无线电频谱越来越拥挤的世界,射频信号只会越来越多。对于最初为工业、科学和医疗目的保留的ISM频谱波段内的频率尤其如此。当然,现在这部分频谱被WiFi、蓝牙和许多其他新兴的通信方案所利用。这些系统集中在2.4 GHz左右,但其他频段也包含信号源。例如,LTE蜂窝网络的载波频率通常低于2 GHz,而直接广播卫星的下行链路为12 GHz,上行链路为17 GHz。
在千兆赫范围内工作的电路中,电磁干扰(EMI)的可能性更高,部分原因是在如此高的频率下,很难压制信号反射。更复杂的是,一些国家正在重新分配目前由更专业的系统占据的部分频谱,以供消费者使用。例如,美国政府的目标是重新利用部分频谱,为移动和宽带应用开放500 MHz的新频谱。现有的系统,从使用1.755到1.850 GHz频段开始,将不得不转移。这种转变可能会在多年的时间内发生。在换挡期间,现有系统和新系统之间的干扰可能性很高。
举一个具体的例子,C频段(3.7到4.2 GHz之间)已经被卫星运营商用于将电视节目发回有线电视公司40多年了。一个建议是重新分配频段中较低的200 MHz的频率,这样就可以将较高的300 MHz拍卖给无线运营商。
针对消费者使用的射频系统标准通常内置一些抗干扰保护。例如,基于IEEE 802.11的系统通常试图在“先听后说”协议中传输之前,通过测量信道能量来避免淹没其他信号。这些特性有助于减少干扰的机会,但并不能保证不会出现问题。
对信号进行分类
了解干扰源如何分类是有帮助的。无线行业将干扰分为六个一般领域:带内干扰、同信道干扰、带外干扰、相邻信道干扰、下行干扰和上行干扰。带内干扰包括来自发射机的不受欢迎的发射,这些发射落在当前系统的工作带宽内。这种干扰会通过接收器的前端。当干扰与感兴趣的信号如此接近时,就存在挑战。
如果干扰的幅度相对于所期望的信号较大,则所期望的信号将被损坏。如果带内干扰幅值与感兴趣信号的幅值大致相同,则可能很难区分哪些是干扰,哪些是信号。因此,可能需要暂时关闭所需的信号来量化干扰。
当干扰测量是在现场而不是在测试实验室中进行时,可能无法关闭目标发射机。在这里,通常的做法是将测试仪器(通常是频谱分析仪)物理移动到干扰振幅足够大的地方进行测量。使用高增益定向天线有助于精确定位干扰源。
同信道干扰来自同一无线系统内的另一个无线电。例如,蜂窝基站在物理上相距很远的情况下将在同一频率信道上传输。但是偶尔从一个基站发出的信号会到达邻近的小区区域。对第二个基站来说,这个信号是同信道干扰。当两个无线电同时发射并在同一频率信道中碰撞时,无线局域网网络也会经历同信道干扰。WLAN试图通过让WLAN发射机在传输之前监听开放信道来减少这种可能性,但是仍然存在同时传输的可能性。
同信道干扰是最常见的无线电干扰类型之一,因为大量无线用户占用相对较少的频率信道。观察同信道干扰的通常方法是关闭感兴趣的发射机,并将频谱分析仪调到适当的频率信道。
带外干扰源于无线系统,由于不适当的滤波、非线性和/或信号泄漏,也在其预期用途之外的频带内传输能量。一个例子是当一个设计不佳或滤波不佳的发射机辐射出处于更高频带的谐波。
谐波水平的测量通常使用频率范围至少为谐波基频三倍的频谱分析仪进行。例如,考虑验证工作在802.11b信道14、2.4835 GHz的发射机的性能的情况。第二和第三次谐波分别为4.967和7.4505 GHz。测量仪器的带宽必须超过7.5 GHz才能看到这些谐波。
相邻信道干扰的结果是在期望频率信道上的传输在其他附近信道中产生不必要的能量。这种类型的干扰是常见的,主要是由能量溅射出指定的频率通道并进入周围的上下通道而产生的。能量飞溅(也称为开关噪声)是指由于传输信号的突然变化而导致的杂散发射,通常是在传输启动或停止时。它也可以由调制和互调制失真产生。
互调失真,或频谱再增长,是由电路中的非线性引起的包含两个或两个以上不同频率的信号的振幅调制。由于电力电子学中的非线性效应,它通常产生于发射机的功率放大器中。
无源元件——包括天线、电缆和连接器——也会产生互调干扰。通常被称为无源互调(PIM),它可以发生在由两个或多个高功率信号激发的无源组件中。具有非线性特性的电路会使基频分量失真,并产生一系列衰减的高阶谐波频率分量。这些产生的谐波可能是有问题的,如果他们落在系统的接收波段感兴趣。如果它们足够大,它们可以有效地阻塞信道,使接收器认为有载波存在,而实际上没有。
一般来说,需要关注的成分是第三级、第五级和第七级,其中第三级最强。为了理解什么地方会出现互调频率,假设基频是f1和f2, m和n的和是乘积的阶数。互调产物由(mf1nf2)和(mf)2nf1).例如,有两个三阶互调产物:m=1和n=2,以及m=2和n=1。因此,可能的三阶互调产物为(2f1- f2)和(2f2- f1).
无源器件中PIM的主要原因包括不良的接触接点、污染以及会表现出某种程度迟滞的材料或镀层。当载流触点分离时,接触非线性产生。典型的原因是接触压力不足,接触面不规则,氧化导致金属/氧化物结,以及接触杂质或腐蚀。接触面之间的微小分离可以产生电压势,其中电子隧穿(称为二极管效应)或微观电弧可能导致非线性电压电流比。铁磁材料,如镍或钢,在电流路径上也可以产生非线性的电压电流比。间歇非线性的另一个来源是污染物,如加工中的金属颗粒,接触电流携带表面。
下行和上行干扰通常与移动电话和卫星有关。下行链路干扰通常会破坏基站收发信站(BTS)和移动设备之间的下行链路连接。移动设备之间的距离通常很宽,因此下行链路干扰通常只会影响其中的一些设备,并且只会最小程度地降低整个系统的通信质量。应该注意的是下行干扰也是同信道干扰。
最后,上行链路干扰或反向链路干扰会影响从移动设备发送到BTS接收机或从基站发送回卫星的通信。在蜂窝网络中,上行链路的干扰决定了每个小区站点的容量。如果BTS被破坏,可能会导致小区站点业务区域性能下降。
测量注意事项
除了简单的带宽之外,还有一些仪器质量会影响干扰信号可以被观察到的程度。也许最重要的是通常所说的仪器的分辨率带宽(RBW)设置。这是一种测量两个频率分量之间的最小间隔,以使它们作为单独的信号出现在屏幕上。
通常,测量仪器的噪声底限(有时称为显示平均噪声级(DANL))在窄RBW设置时是最低的。缺点是窄RBW设置会减慢分析仪扫描时间,特别是对于谐波测试常见的宽频率范围。
一般来说,空中干扰测量通常需要使用具有低DANL的频谱分析仪。一个经验法则是,将RBW降低10倍将降低约10 dB的噪声下限。由于分析仪测量扫描时间是RBW的逆函数,较小的RBW设置强制较长的扫描时间。
另一点需要注意的是,低电平信号显示是分析仪检测器信噪比(SNR)的函数。因此,尽管看起来很明显,减少输入衰减量可以提高信号电平。探测器上的测量信号电平也可以通过使用外部前置放大器来提高。减少输入衰减的缺点是,大幅信号会使分析仪前端过载,导致内部产生失真和谐波。这些内部生成的信号似乎是感兴趣信号的一部分。因此,衰减器设置足够低以显示低水平干扰,但又不能低到在预期的高振幅信号存在时引起问题,这一点很重要。DW
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