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破译电磁干扰的基础知识

通过李Teschler|2020年2月24日

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了解RF如何可能干扰WiFi、蓝牙和雷达传感器等信号的接收是有好处的。

我们生活在一个无线电频谱越来越拥挤的世界,它只可能变得越来越充满射频信号。对于ISM频段内最初为工业、科学和医疗目的保留的频率尤其如此。现在,当然,这部分频谱被WiFi、蓝牙和许多其他新兴通信方案所使用。这些系统聚集在2.4 GHz附近,但其他频段也打包了信号源。例如,LTE蜂窝网络的载波频率通常低于2ghz,而直接广播卫星的下行链路为12ghz,上行链路为17ghz。

2.4 GHz渠道

当查看用于WiFi信道的16.25到22 MHz的信道分离时,很容易看到潜在的干扰。有一个2mhz的间隙作为通道之间的保护频带。原因是带有调制解调器芯片组的老路由器倾向于跨整个信道传输。虽然在一个地点有多个重叠频率的WiFi发射器通常可以工作,但重叠的传输也可能造成干扰,导致速度变慢,有时严重,特别是在大量使用时。

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抑制信号反射会更困难。更复杂的是,一些国家正在重新分配部分频谱供消费者使用,这些频谱现在被更专门的系统所占据。例如,美国政府打算重新利用部分频谱,为移动和宽带应用开辟500兆赫的新频谱。现有的系统,从使用1.755到1.850 GHz频段开始,将不得不迁移。这种转变可能会持续多年。在转换期间,现有系统和新系统之间的干扰可能性很大。

na频道

在802.11诸如WiFi的无线协议中,某些频率子集可以在任何一个位置同时运行而不会干扰。但是当发射器未绑定时所需的精确频率间距取决于协议,数据速率,涉及的距离和电磁环境。总体效果是当在其频率相当重叠时,相邻通道发射器通常会彼此干扰。通过在它们之间删除三个或四个通道来使用每四个或第五通道的做法可能导致比共享通道较少的干扰。

为了引用一个具体的示例,C频段(在3.7和4.2GHz之间)已被卫星运营商使用超过40年,用于将电视节目发送回电缆公司。一个提议是将频段的低200 MHz中的频率重新分配,因此可以拍卖300 MHz到无线载波。

针对消费者使用的射频系统标准通常会建立一些抗干扰保护。例如,基于IEEE 802.11的系统通常通过在“先听后说”协议传输之前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,但它们并不能保证不会出现麻烦。

分类信号

了解如何对干扰源进行分类是有帮助的。无线产业把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希望的发射,而发射机的发射位于系统的操作带宽之内。这种类型的干扰将通过接收器的前端。当干扰与感兴趣的信号如此接近时,就会面临挑战。

如果干扰的幅度相对于所需信号很大,则所需的信号将被损坏。如果带内干扰幅度大致是感兴趣的信号,则可能是难以区分的,这是干扰并且是信号。因此可能有必要临时关闭所需的信号以量化干扰。

当干扰测量发生在字段中而不是测试实验室中时,可能无法关闭目标发射器。这里通常的做法是将测试仪器(通常是频谱分析仪)物理地移动到干扰的幅度足够大的位置。使用高增益方向天线可以帮助确定干扰源。

干扰类型

如何经常对干扰进行分类。如果通道1表示所需的信号,此处显示的其他信号可能会降低它的性能。带内、带外(包括其相关的谐波)和邻接信道干扰(由信道1和信道2之间的重叠表示)都可能干扰信道1。

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较远时,将在同一频率信道上传输信号。但偶尔一个基站的信号会到达邻近的蜂窝区。对于第二个基站,这个信号是同信道干扰。无线局域网网络也会经历同信道干扰,当两个无线电同时发射和碰撞在同一频率信道。WLAN试图通过让WLAN发射器在传输之前监听开放信道来尽量减少这种可能性,但仍然有同时传输的可能性。

共信道干扰是最常见的无线电干扰之一,因为大量的无线用户占用相对较少的频率信道。通常的观察共信道干扰的方式是关闭感兴趣的发射机并将频谱分析仪调谐到适当的频道。

带外干扰来源于无线系统,由于不适当的滤波、非线性和/或信号泄漏,该系统也在其预期使用的频段之外传输能量。一个例子是,当一个设计不良或过滤不良的发射机辐射谐波落入一个更高的频带。

谐波水平的测量通常使用频谱分析仪进行频谱分析仪,频谱分析仪至少三倍的谐波的频率范围。例如,考虑验证在802.11b通道14,204835 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。测量仪器必须具有超过约7.5GHz的带宽,以查看这些谐波。

当期望频道的传输在其他附近信道中产生不需要的能量时,相邻的信道干扰会导致相邻的信道干扰。这种类型的干扰是常见的并且主要由分配的频道和围绕上下通道中的能量飞溅而产生的。能量飞溅(也称为开关噪声)是指由发送信号中突然变化导致的寄生发射,通常在传输开始或停止时。它也可以通过调制和互调失真来生成。

intermod.

当两个频率f1和F.2intermodulate。

互调失真,或频谱重新增长,是包含两个或两个以上不同频率的信号的幅度调制,由电路中的非线性引起。由于电力电子学中的非线性效应,在发射机的功率放大器中经常出现。

被动组件 - 包括天线,电缆和连接器 - 也可以产生互调干扰。通常被称为被动互调(PIM),它可以发生在由两个或更多个高功率信号激发的被动组件中。具有非线性特性的电路可以扭曲基本频率分量并产生衰减系列的高阶谐波频率分量。如果它们落在感兴趣系统的接收频段内,这些产生的谐波可能是有问题的。如果它们足够大,他们可以通过使接收器认为当一个不是时,通过制造接收器来有效地阻止渠道。

一般来说,关注的成分是第三、第五和第七阶,其中第三阶最强。为了理解互调频率可能出现的位置,假设基频是f1和F.2,M和N的总和是产品订单。互调产物由(MF)给出1nf2)和(mf2nf1).因此,例如,有两个三阶互调产品:m = 1和n = 2,并且m = 2且n = 1。因此,可能的三阶互调产品是(2f1-F2(2f2-F1).

被动装置中PIM的主要原因包括差的接触结,污染和材料或电镀,这将表现出一定程度的滞后。当电流携带的触点分离时,出现接触非线性。典型的原因是接触压力不足,不规则的接触表面,氧化,导致金属/氧化物结,以及接触杂质或腐蚀。接触表面之间的微小分离可以产生电压电位,其中电子隧道(称为二极管效应)或微观电弧可能导致非线性电压与电流比。在电流路径中的铁磁材料如镍或钢,也可以产生非线性电压与电流比。另一个间歇非线性的源极是污染物,例如金属颗粒加工触摸电流承载表面。

下行和上行干扰通常与移动电话和卫星有关。下行链路干扰会破坏下行链路连接,通常是在基站收发站(BTS)和移动设备之间。移动设备的间隔通常很宽,因此下行干扰通常只影响其中的少数设备,并且只最低程度地降低整个系统的通信质量。需要注意的是,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接收器或从基站发送回卫星的通信。在蜂窝网络中,上行干扰决定了每个蜂窝基站的容量。如果BTS被破坏,小区站点业务区域的性能可能会下降。

测量考虑因素

除了简单的带宽之外,存在几种仪器质量,这些带宽会影响可以查看干扰信号的程度。也许最重要的是仪器的分辨率带宽(RBW)设置的最重要。这是它们在屏幕上显示为单独信号所需的两个频率分量之间的最小分离的量度。

范围显示

频谱分析仪包含了一些有助于寻找电磁干扰来源的特性。一个例子是Keysight Technologies的FieldFox频谱分析仪中的MaxHold显示模式。在这种模式下,分析器可以存储并显示多次扫描的最大迹值。这个例子显示了用配置了两个有源轨迹的分析器测量跳频载波。跟踪1(黄色)配置为MaxHold模式,而跟踪2(蓝色)配置为标准扫描“clear/write”(Clr/Wr)模式。经过几次扫频后,MaxHold迹线相对稳定,而Clr/Wr迹线则反映了跳频信号不断变化的性质。在左边可见的第二个载波是一个固定频率的信号,当两个信号最终碰撞时,它可能代表一个跳跃信号的干扰源。

通常,测量仪器的噪音底限,有时被称为显示平均噪音电平(DANL),在狭窄的RBW设置下是最低的。这种折衷是窄的RBW设置减慢了分析仪扫描时间,特别是对于宽频率范围的谐波测试。

通常,干扰的过空气测量通常需要使用具有低DAN1的频谱分析仪。拇指规则是将RBW减少10倍将降低噪声地板约10dB。因为分析仪测量扫描时间是RBW的逆功能,所以RBW的逆功能,较小的RBW设置力较长的扫描时间。

另一个要约点是低级信号显示是分析仪检测器处的​​信噪比(SNR)的函数。因此,虽然它看起来很明显,但减少输入衰减量可以改善信号电平。通过使用外部前置放大器也可以改善检测器处的​​测量信号电平。降低输入衰减的缺点是大幅度信号可以过度驱动分析仪前端,导致内部产生的失真和谐波。这些内部生成的信号可能看起来好像它们是感兴趣的信号的一部分。因此,重要的是衰减器设置足够低,以显示低电平干扰,但在存在预期的高幅度信号时它不会导致问题。DW

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