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运用实时频谱分析解决干扰问题
录入时间:2016/12/27 13:41:36

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

www.keysight.com/find/fieldfox


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