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無線通訊網路中的射頻干擾成因與對策

上網時間: 2003年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RF interference  射頻干擾  Intermodulation  互調 

如今可能造成射頻干擾的原因正不斷增多,有些顯而易見容易跟蹤,有些則非常細微,很難識別發現。雖然仔細設計基地台可以提供一定的保護,但多數情況下對干擾信號只能在源頭處進行控制。本文討論射頻干擾的各種可能成因,了解其根源後將有助於工程師對其進行測量跟蹤和排除。

射頻干擾信號會給無線通訊基地台覆蓋區域內的行動通訊帶來許多問題,如電話斷線、連接出現噪音、通道丟失以及接收語音品質很差等,而造成干擾的各種可能原因則正以驚人的速度在成長。

如今最新最先進的複雜電訊技術還必須與舊行動通訊系統(如專用無線通訊或尋呼等)共存於一個複雜環境中,其中多數舊系統在以後若干年?還將一直用下去;與此同時,其它無線RF設備如數位視頻廣播和無線區域網等又會產生新的可能使通訊服務中斷的信號。由於環境限制越來越大,眾多新業務競相擠佔有限的蜂巢式站點,使得蜂巢式信號發射台上豎滿了各種天線。而隨著我們使用行動電話聯繫愈來愈頻繁、同時也更常在網際網路上觀看多媒體表演和進行商業貿易,甚至不久我們的汽車、冰箱和烤箱也將使用RF信號互相交流,通訊的天空將變得更加擁擠(圖1)。

引起RF干擾的原因

大多數干擾都是無意造成的,只是其它正常營運活動的副產品。干擾信號只影響接收器,即使它們在物理上接近發射器,發射也不會受其影響。下面列出一些最常見的干擾源,可以讓你知道在實際情況下應該從何處著手,要注意的是大多數干擾源來自於基地台的外部,也即在你直接控制範圍之外。

◆發射器配置不正確

另一個服務商也在你的頻率上發射信號。多數情況下這是因為故障或設置不正確造成的,產生衝突的發射器服務商會更急於糾正這個問題,以便恢復其服務。

◆未經許可的發射器

在這種情況下,其它服務商是故意在與你同一個頻段上發射,通常是因為他根本沒有拿到許可。他可能在一個頻段上沒有發現信號,於是假定沒有人在使用該頻段,於是擅自加以利用。發放許可的政府機構通常有助於趕走這類無照經營者。

◆覆蓋區域重疊

你的網路或其它網路的覆蓋區域在一個或多個通道上超過規定範圍。天線傾斜不正確、發射功率過大或環境變化等都會引起覆蓋區域重疊,如某人砍掉了一片樹林或推倒一個建築物,而這些原本可以阻擋另一位置上所發出的信號。

◆自身信號互調

兩個或兩個以上信號混在一起後會形成新調制信號,但卻不是任何所希望的信號。最常見互調是三次信號,例如兩個間隔為1MHz的信號會在原高頻信號之上1MHz和低頻信號之下1MHz各產生一個新信號,如果原來兩個信號分別處於800和801MHz頻段,則將在799和802MHz出現三次信號。

◆與另一發射器信號互調

互調干擾也可能是由於一個或多個外部無線信號透過天線饋送同軸電纜,然後進入造成衝突的發射器非線性終端放大器造成,外來信號相互混雜並與發射器自己的信號混在一起,形成一個看上去像是通訊頻段中的‘新’頻率互調信號(經常都是不希望的)。

也可能由兩個外部信號產生干擾信號,而造成衝突的發射器本身的信號沒有參加,外部信號只是正好用到發射器的非線性級而混在了一起。在這種情況下,混在一起的兩個信號沒有一個有問題,肇事者是發射器。

解決這個問題有點難度,因為它要求對看上去工作正常的發射器進行改動。需要增加一個窄頻濾波器以儘可能衰減外面的信號,再加一個鐵氧體絕緣子使RF從發射器傳送到天線並衰減饋線上返回的信號。在同時使用多個不同頻率的發射台上,業主經常要求所有發射器都安裝這類濾波器和絕緣子。

◆生鏽的圍牆?房頂等造成的互調

發射器並不是互調信號的唯一滋生地,非線性連接也可能是附近生鏽的白鐵皮房頂或圍牆。當無線發射功率很大時,房頂各部份之間生鏽部份將起到非線性二極體的作用,像這種來自物理結構的互調影響很難阻止,因為它們因天氣狀況而異,風會把金屬生鏽部份壓在一起或分開,雨則改變鐵鏽特性。嚴重影響通訊的必須進行維修或替換,以恢復可靠的通訊連接。

◆天線或連接器中的互調

有時即使同軸電纜或天線本身一點很小的腐蝕也會產生問題,儘管還不足以引起信號丟失或VSWR問題,但腐蝕會像一個品質很差的二極體一樣造成細微互調。如果附近有幾個大功率發射器,那麼產生的互調會強到足以干擾行動手機與基地台之間的微弱通訊信號。找出這類問題根源最難的地方在於鬆開天線系統一個連接器會打亂氧化程度並暫時使問題中止,此時你必須花更多時間認真記錄旋鬆或擰緊的是哪一個連接器並在每步之後進行試驗以確定它是否就是罪魁禍首。

◆正規發射器超載

發射器發出的任何頻率強信號都會使鄰近系統超載,唯一解決辦法是在接收器天線電纜上安裝一個濾波器,使希望通過的信號順利通過,而將超載信號衰減。

◆鄰近發射器上相鄰通道功率

隨著分配的頻譜越來越擁擠,互相競爭的無線業務所分到的頻率越來越接近,從而使一個系統發射通道噪音邊帶出現在或阻止另一個臨近接收通道的風險增加。如果發射器符合技術規範要求,則需要更改通道或增加發射器和接收器之間的物理分隔。

◆廣播發射器諧波

大功率源如商業廣播電台等會產生大功率信號諧波,例如一個5MW發射器很容易產生5W諧波,足以干擾附近的行動通訊。如果該發射器符合所有規範和政府規定,那麼唯一的解決方法可能只有遷移通訊天線以避開發射器,或者重新分配頻率方案使得造成衝突發射器附近的通訊基地台使用的是不受其諧波能量影響的通道。

◆‘老爺’級STL用戶

在蜂巢式系統出現之前,900MHz和1,400∼2,200MHz波段通常分配用於廣播電台的演播室與發射器連接(STL)。政府現已將這些頻率重新分配給蜂巢式營運商,但是他們常常又沒有限制老用戶,而讓他們繼續在沒有衝突的頻率上營運。當在這些頻段開展新的蜂巢式業務時,那些發射器應該轉向新頻率,但有些還需要加以‘提醒’。

◆音頻整流

在極個別地方,基地台控制器端還在使用模擬音頻輸入傳送給無線輸出,因此會受到附近AM廣播或短波電台強信號的影響。AM信號可能進入音頻電路後並被整流,使得電話交談中混入廣播音頻信號。在與基地台連接的音頻部份周圍進行良好屏蔽應能解決這個問題。

認識干擾源類型

干擾可以按其自身特性進行分類,也可以按它對基地台和手機通訊的影響來分,衝突頻率是顯示干擾源和干擾結果最常用的指示器。

◆頻外干擾源

這是一種主要干擾,包括一些與接收器頻率相近而不相同的強信號,強度很大足以影響輸入。這些信號通常很接近預定頻率,因為接收器輸入濾波器會濾掉其它相差太遠的信號。

讓我們來看一看接收器受到的兩種影響。一種是前端阻塞,它由於強信號進入接收器使第一級(前置放大器或混頻器)過載完全飽和引起,這樣會使更強信號無法接收。另一個影響是減感效應,附近的信號進入接收器後被AGC(自動增益控制)發現或者啟動限制器電路,造成增益下降。接收器表現得就像是靈敏度降低,因此微弱信號會丟失,對強信號的信噪比也將減小。

◆頻內干擾源

第二類干擾包括和預定通訊信號頻率一樣的信號(無論強弱),通常由下列情況引起:


•正常手機信號超出其預定範圍


•發射器故障或配置不當


•正常發射器的信號諧波


•其它電氣裝置輻射出的無意干擾信號

◆頻外干擾源產生的頻內影響

這類干擾源最難跟蹤,看上去是在頻率內的信號,但卻沒有明顯的干擾源,例如兩個或以上在其自己頻率上完全正常的信號在非線性元件內混合後形成的互調信號。

◆有意干擾

不懷好意的故意干擾通常是在信號頻率內,表現得更像是一個配置不當的發射器。我們將它單獨分類是因為它通常具有特別難以捉摸和有害的特性。

有這樣一個有意干擾的例子,有人在叢林山上某處遠距離攻擊一個雙向無線轉發器系統。系統開始時在其輸入頻率上收到一個非常微弱的信號(其中正確的音頻解碼激活了轉發器),只在夜間出現,該信號一直留在空中,最後使轉發器超時繼電器失效並使系統癱瘓直到早晨信號消失。干擾源特別難查找是因為信號太弱而無法發現,並且它只在夜?發射。最後找到時才發現干擾源是位於轉發器天線桿附近一棵樹頂上的一個帶小型太陽能電池板的微型發射器,發射器白天關閉,其太陽能電池板則利用此時為電池充電。

◆諧波

上面幾種還是指相對乾淨的原始信號,在實際情況下,信號中還有強到能產生干擾的基頻諧波,例如美國甚高頻電視發射器就要求安裝一個濾波器將其諧波至少減小到主載波60dB以下。最麻煩的諧波是三次諧波,因為它很容易由發射器中小的非線性元件產生。一個在621.25MHz下工作的5MW電視信號發射器,其三次諧波為1863.75MHz,即使在60dB以下(濾波之後)三次諧波還有5W!從俯瞰城市的高處發出這種頻率和功率信號很容易為全城蜂巢式行動通訊信號帶來極大破壞。

諧波信號還有一個特性使它更難辨識其來源。產生諧波的乘法過程會改變頻譜圖,其寬度和偏差都要乘以和載波頻率一樣的因數。例如一個位於157.54MHz下13kHz寬的雙向無線FM信號的10次諧波為130kHz寬,基波只有5kHz偏移在諧波頻率1575.4MHz下會變成50kHz。如果這種發射器與一個基地台共用一個發射台,其10次諧波將完全覆蓋GPS接收器,使基地台癱瘓。對一個100W FM發射器,總共需要約195dB的衰減才能避免這種干擾,要用天線隔離和濾波器抑制才能實現。

本文結論

我們討論了行動通訊系統中常見RF干擾產生的原因,並提出一些排除故障的方法。有了比較多的了解後,工程師就能更好地應用新的干擾測量工具來認識和跟蹤干擾源。

作者:Tom Hill


無線測試首席工程師


太克公司




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