运用实时频谱分析解决干扰问题

Addressing Interference Problems Using Real-Time Spectrum Analysis

是德科技，美国加利福尼亚州圣罗莎

随着当今商业、航空航天和国防（A&D）应用中无线技术的普及，干扰问题也变得日益普遍而严峻。许多航空航天与国防系统和一些早期的5G设计正朝着更高频率（包括毫米波频段）转移，以期缓解这些问题。相应的设计改进包括使用窄雷达脉冲和高度加密的通信信号。这些技术虽然可以抵御来自外部的干扰，但也增加了现场故障诊断的难度。因此，我们需要新的工具和测量技术，以有效地维护部署的系统。实时频谱分析（RTSA）就是其中一种工具，它对干扰侦测和信号监测特别有效。在手持式频谱分析仪或综合分析仪中加入这些运行快、无间隙的测量工具之后，现场人员使用一台仪器就能检测、定位和解决干扰问题。

为了将这些功能扩展到Ka波段，是德科技现在将RTSA作为其众多FieldFox手持式射频和微波分析仪的可选功能提供，从而在高达50GHz的频率下提供最高为10MHz的实时带宽（N995xA和N996xA）。

实时分析的意义

“实时分析”一词及其所代表的功能因人而异。所幸的是，其核心概念并没有多大区别，可以定义如下：在具有数字中频（IF）部分的频谱或信号分析仪中，实时操作是指在没有任何时间采集间隙的情况下，对所有信号样本进行处理以便获得某种测量结果的一种状态（图1）。要实现更高的实时分析带宽，需要更高的采样率和处理速率。因此，对于给定的计算能力，需要有一个最大带宽，如果超出这个带宽，信号处理硬件就跟不上样本流。另外一个密切相关的术语是实时带宽（RTBW），它是分析仪能保持实时操作的最大测量扫宽。

图1、当仪器的运算速度快到足以保证对采样数据进行无间隙分析时，可以实现实时操作，这些操作包括运算、平均和显示更新(a)。如果时间采集(b)之间出现间隙，那就不是实时操作。

随着信号环境变得越来越复杂，在单一屏幕上呈现大量测量数据也变得越加重要。这对于RSTA非常必要，RSTA每秒生成数千个频谱，远超出人眼可以分辨的数量。举例来说，配备RTSA的FieldFox每秒可生成超过120,000个频谱，而人眼每秒平均只能检测30个。因此，为了充分利用实时分析结果，每次更新显示界面需要显示大约4000×30个结果。通过收集统计数据和显示特殊测量值（例如特定频率上的特定幅度）出现的频次，可以得到信息量最大的显示界面。以密度显示为例，它是一种增强的光谱测量，用于显示发生频次，可以理解为概率的回溯。这些显示界面使用颜色或迹线亮度进行编码，并可添加余辉功能，使显示的旧数据逐渐变暗，让用户集中注意力查看更新事件（图2）。迹线数据（例如最近的一次显示更新或平均值）也可像传统频谱测量一样叠加为迹线。现场人员能够查看并重点关注偶发事件或瞬态，并把它们和其它事件区分开来。通过改变余辉和色彩的权重，可以对特定特性进行高亮显示。

图2、采用用户选择的余辉时间进行密度显示，有助于表达多个信号的特性，这些信号占用相同的频率通道。

RTSA还可以显示信号内的信号。在高动态环境下，当低占空比的小信号的频率内容与更宽、更大或更频繁的信号重叠时，很难看到这些小信号。幸运的是，通过调整余辉时间，可以放大两者的微弱差别，从而分辨出这些难以捕获的信号。这种方法还适用于通过出现频次隔离信号的情况（图3）。

图3、“隐藏”在WCDMA信号下的一个窄带射频信号（红圈）。

在现场实施精确测量

Keysight FieldFox手持式分析仪能进行精确的微波和毫米波测量，其关键特性可支持从日常维护到深层次故障诊断的几乎所有任务：

★   频率范围从5kHz到最大50GHz

★   丰富功能，包括电缆和天线测试仪（CAT）、前置放大频谱分析仪、RTSA、矢量网络分析仪（VNA）、功率计，独立信号源、频率计数器和GPS接收机

★   坚固耐用的设计，符合MIL PRF28800 F2级要求，通过IP53和MIL STD810G511.5过程1（爆炸性环境）型试验

★   重3.2kg，电池续航时间长达四小时，适合现场使用。

内置的干扰分析仪能记录并回放捕获的信号。FieldFox还可以使用其频谱分析仪模式和USB峰值功率传感器进行脉冲测量。FieldFox的关键RTSA技术指标在现场测试中具有得天独厚的优势。对于大多数空中（OTA）应用而言，10MHz的最大RTBW绰绰有余，因为外部干扰通常在窄得多的频段内发生。另一个关键技术指标是截获概率（POI），它是指能够以100%的概率检测所需信号的最小持续时间，其测量幅度精度与观察连续波信号时的幅度精度相同。配备RTSA的FieldFox具有低于12.2μs的POI性能，能检测窄至22ns的脉冲。

在现场搜索干扰时，动态范围和杂散性能也很重要。可用动态范围与前端增益压缩、前置放大器性能和分析仪接收机的本底噪声相关。这些因素同时决定了可检测的最低功率电平。图4所示为配备RTSA的FieldFox分析仪的性能：本底噪声为-93dBm，无可见毛刺，在2.45GHz的中心频率和300MHz扫宽下的可用动态范围约为67dB。在一般情况下，如果激活前置放大器并采用窄分辨率带宽（RBW）设置，FieldFox可以检测到低至-150dBm的信号。

图4、以RTSA模式测量2.45GHz的信号，显示出本底噪声、无杂散和可用动态范围。

提升实际测量能力

FieldFox的能力让它们跻身于现实世界中的各种测量场合。现场雷达信号的表征就是一个很好的例子。在脉冲雷达系统上，分析仪必须提供不同的RBW和扫宽设置，以便进行各种特性测量，如脉冲重复频率（PRF）、脉冲宽度、占空比和峰值功率。OTA测试需要精确的触发功能来捕获所需的特定脉冲。当FieldFox以RTSA模式运行时，用户只需输入中心频率，分析仪就能立即捕获脉冲信号。脉冲宽度和峰值功率可以很容易测定，用户可以调整频率扫宽来放大或缩小。测量占空比或PRF只需简单地转换到零扫宽模式。通过频谱显示可以查看一段时间内的整个脉冲串，可以选择单独的频谱（即频谱图上的一行）在单独的迹线中查看（图5）。采用扫频或“快照”频谱分析仪无法进行这种类型的测量。

图5、频谱图（上）使用频谱与时间（y轴）的彩色编码俯视图，展示不同宽度的脉冲。各个频谱显示（下）所示为特定的瞬间。

随着当今无线技术呈现多样化的趋势，我们需要先进的测量工具，以有效地维护部署的A&D和商业系统。在毫米波FieldFox手持式频谱或综合分析仪中，RTSA尤其适用于干扰搜索和信号监测。现场人员就可以长期使用单一仪器来检测、定位和修复干扰问题，这些问题出现的场景包括雷达测试、LTE分析、信号监测和IED干扰。

是德科技

美国加利福尼亚州圣罗莎

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