依照ITU建議的無線電監(jiān)測抉擇

　　監(jiān)測接收機(jī)還是頻譜儀？

前言

　　無線電頻譜是無線電通信的基本物質(zhì)條件之一，是有限的自然資源。故而，高效地利用頻率資源是頻譜管理的基本任務(wù)。實施頻譜管理的重要依據(jù)來源于有效的頻譜監(jiān)測。為了保障頻譜監(jiān)測的數(shù)據(jù)的有效性、可靠性和權(quán)威性，一個有效的途徑就是依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)—ITU建議。

　　ITU建議的無線電監(jiān)測

　　事實上，一個完整的監(jiān)測站應(yīng)包含監(jiān)測、測向和實時/后臺數(shù)據(jù)分析。由于篇幅所限，這里我們只討論信號監(jiān)測部分。

　　在ITU建議中指出了一個無線電監(jiān)測站所要實現(xiàn)的功能（ITU-R SM.1537）:

— 監(jiān)測、解調(diào)和解碼;

— 解調(diào)音錄制;

— 技術(shù)測量和技術(shù)分析，包括頻率、頻偏、電平/場強、調(diào)制參數(shù)（包括AM調(diào)制深度和FM頻率偏置）、帶寬及頻譜分析;

— 頻譜占用度;

— ……

　　監(jiān)測站設(shè)備（包括天線、接收機(jī)、測向機(jī)和處理器）的質(zhì)量直接關(guān)系到監(jiān)測站的性能�，F(xiàn)代的監(jiān)測接收機(jī)特別適用于依據(jù)ITU建議的頻譜監(jiān)測，無線電調(diào)研部門應(yīng)能實現(xiàn)以下功能（ITU頻譜監(jiān)測手冊，第131至135頁）:

— 掃描預(yù)定義的頻段;

— 可存儲掃描多達(dá)幾百信道的頻率表;

— 可解調(diào)、監(jiān)聽 FM, AM, CW, SSB, ISB, ASK, FSK, PSK, IQ 和pulse發(fā)射信號;

— 信號識別;

— 存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)用于后臺分析或下載。

　　在ITU頻譜監(jiān)測手冊附錄中的“模擬和數(shù)字接收機(jī)的典型推薦技術(shù)規(guī)格”，列舉了VLF/LF/HF和VHF/UHF接收機(jī)的最低推薦技術(shù)規(guī)格。

　　依據(jù)ITU建議的標(biāo)準(zhǔn)，毫無疑問將選用監(jiān)測接收機(jī)實現(xiàn)頻譜監(jiān)測。但是，事情并不這么簡單，一些便攜化的頻譜儀甚或是基于虛擬設(shè)備（Virtual Instruments）的信號分析儀現(xiàn)身于市場。它們?nèi)�新的外觀（較大的彩顯或獨特的機(jī)架）以及較低的價格，引出了一個完全可以理解的想法:我們能否選用這類設(shè)備實現(xiàn)頻譜監(jiān)測呢？

答案是“可以，但是有條件”:

* 您已經(jīng)基本了解所要監(jiān)測的信號;

* 所監(jiān)測的信號駐留時間相對較長;

* 所要監(jiān)測的信號不能太弱;

* 所要監(jiān)測的信號不能太強;

* 監(jiān)測的頻段信號不能太密集;

* 通常不需要解調(diào);

* 對監(jiān)測時間的要求不苛刻。

　　為什么這類設(shè)備有這些苛刻的限制呢？這是由于它們是設(shè)計用于其它用途的，而不是用于頻譜監(jiān)測的！

　　頻譜儀/信號分析儀的設(shè)計理念

　　這類設(shè)備是設(shè)計用于典型的測量:

— 無預(yù)選器;

— 輸入信號直接進(jìn)入第一混頻器;

— 高測量精度;

— 對于測試和測量任務(wù)而優(yōu)化的操作;

— 對于AM調(diào)制信號無控制 (AGC和MGC);

— 無AFC （對于頻率不穩(wěn)定的信號）;

— 基于測試和測量任務(wù)而優(yōu)化的濾波器 (CISPR);

— 定期校準(zhǔn) (完全校準(zhǔn));

— 標(biāo)準(zhǔn)化顯示和評估;

— 特殊的標(biāo)記功能和限制線;

— IEC/IEEE 總線控制;

— 特殊的任務(wù)導(dǎo)引功能;

— 無ITU建議的測量。

　　它們在測量領(lǐng)域是很好的設(shè)備，故而:

— 在大多數(shù)應(yīng)用中，它們采用饋纜與被測器件直接連接;

— 已經(jīng)基本了解所要監(jiān)測的信號;

— 基于系統(tǒng)安裝的目的而測量網(wǎng)絡(luò)或基站，如GSM、電纜系統(tǒng)等，這些測量包括信道功率的測量、電纜壞點測量和反射測量（失配）;

— 附加的測量功能，如雙端口測量和功率測量。

　　監(jiān)測接收機(jī)與頻譜儀的區(qū)別

　　深入地研究接收機(jī)和頻譜儀也許需要一部專著，所以本文只提供一個兩者之間差異的概要。分下述幾部分介紹:

— 預(yù)選器;

— 靈敏度/噪聲系數(shù);

— 線性度;

— 合成器相位噪聲;

— 搜索信號并解調(diào)。

　　3.1 預(yù)選器

　　預(yù)選器的作用在于降低接收機(jī)接收信號的總負(fù)載并可改善接收機(jī)的技術(shù)參數(shù)，包括:

— 本振再輻射(監(jiān)測接收機(jī)為-107 dBm,信號分析儀為-87 dBm);

— 噪聲系數(shù)-NF(監(jiān)測接收機(jī)為10 dB,信號分析儀為36 dB);

— 二階截斷點-IP2;

— 鏡頻抑制;

— 中頻抑制。

　　預(yù)選器（輸入濾波器）是一套亞倍頻程濾波器和/或跟蹤濾波器。通過電子開關(guān)，預(yù)選器可將接收頻段分為若干子段，從而選通那些需要分析的子頻段而將其它子頻段抑制于帶外。這樣，即可在極大程度上消除互調(diào)產(chǎn)物。

　　預(yù)選器還包含:

— 提高靈敏度的放大器;

— 提高動態(tài)范圍的衰減器;

— 預(yù)防過載的保護(hù)電路;

— 輸入自檢所需的測試信號;

— 自檢所需的測試點;

— 天線選通 (如果需要)。

　　下一章我們將舉例說明監(jiān)測接收機(jī)和頻譜儀的不同性能。

　　3.2 靈敏度/噪聲系數(shù)

　　正是由于信號/頻譜分析儀在硬件設(shè)計上的理念，使得它們在頻譜監(jiān)測領(lǐng)域具有并不理想的性能。就噪聲系數(shù)這一指標(biāo)而言:監(jiān)測接收機(jī)的典型值大約在10dB至15dB，而信號/頻譜分析儀卻高達(dá)數(shù)十分貝（如36dB）——這將導(dǎo)致這類設(shè)備具有較差的靈敏度。

　　由于接收機(jī)和頻譜儀在靈敏度指標(biāo)定義上存在差異:頻譜儀的定義為平均噪聲電平(DANL);接收機(jī)的定義為在特定帶寬和信噪比條件下，解調(diào)信號的最低電平。

　　我們可以采用如下公式將上述兩種定義相互變換:

NF(dB) = Pin(dBm) - Pnoise (dBm/Hz)

- 10logBW(Hz) - S/N(dB) + 20logm

其中 Pin—— 最小輸入功率

Pnoise—— 噪聲常數(shù)，此處取為 -174 dBm/Hz

BW—— 測量時的實際帶寬

S/N—— 信噪比

m—— 調(diào)制度 (如果測量的是 AM 信號)

在頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)中，噪聲密度取為 -138 dBm/Hz typ。

采用上述公式可得- NF=36 dB typ。

圖1顯示了靈敏度、噪底和掃描性能。



　　3.3 線性度

　　在兩個或兩個以上信號同時輸入到天線端時，由于有源器件的非線性特征（放大器/混頻器），會產(chǎn)生一些多余的信號——互調(diào)產(chǎn)物。這些多余的信號應(yīng)被盡可能地抑制。這抑制的能力體現(xiàn)在IP2/IP3技術(shù)指標(biāo)上。圖2顯示了互調(diào)產(chǎn)物干擾中頻的過程。



　　例如:

　　信號分析儀的三階截斷點（IP3）為10dBm, 而監(jiān)測接收機(jī)EM050 的IP3為20dBm。那么，接收兩個電平為 90dBμV的信號:信號分析儀產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物的電平值為36 dBμV，而監(jiān)測接收機(jī)的僅為16 dBμV。

　　3.4 合成器相位噪聲

　　合成器的相位噪聲晶體震蕩器短期穩(wěn)定程度的量。應(yīng)用于不同的中頻變換。它也描述了在一個鄰近強信號的微弱信號的檢測能力的量。

　　在圖3中, 在相位噪聲很高的情況下, 一個強信號(fin1) 旁邊一個微弱信號(fin2) 不能被檢測到。



　　例如:

　　在10 kHz偏置下信號分析儀的頻率合成器的相位噪聲為 -90 dBc/Hz,而監(jiān)測接收機(jī)EM050在10 kHz偏置下的相位噪聲為-120 dBc/Hz。當(dāng)一個電平為-10 dBm正弦波信號出現(xiàn)在信號分析儀和監(jiān)測接收機(jī)的輸入端時, 那么當(dāng)分辨率帶寬為1 kHz時，在10 kHz偏置上可檢測到信號的最小電平是多少？

解:

對于信號分析儀,由于1 kHz的分辨率帶寬所顯示的噪聲電平LN為

LN = -90 dBc (1 Hz) + 10·log(1 kHz/1Hz)

= -60 dBc (1 kHz)

這意味著第二輸入信號的電平LS,min至少必須是

LS,min = -10 dBm - 60 dBc (1 Hz)

= -70 dBm (37 dBμV)

在相同條件下, 監(jiān)測接收機(jī)的第二輸入信號的最小電平只需要

LS,min = -100 dBm (7 dBμV)

圖4給出了在監(jiān)測接收機(jī)EB200和頻譜分析儀FSH3上顯示的不同的實際頻譜。




　　3.5 搜索信號和解調(diào)

　　在無線電調(diào)查業(yè)務(wù)中, 通常需要在未知的電磁環(huán)境中做探測:

— 非法或未經(jīng)認(rèn)證的發(fā)射機(jī)或頻率;

— 未被授權(quán)的工作時段或地點;

— 非法發(fā)射類型或不合格的調(diào)制質(zhì)量;

— 頻率偏移超標(biāo);

— 無呼號或呼號不完整;

— 占用帶寬超標(biāo);

— 功率超標(biāo) (場強超標(biāo)）。

　　針對這些目的, 需要:

— 快速搜索和檢測幾乎所有類型的已知或未知的信號;

— 快速搜索頻率躍變的信號, 比如跳頻、突發(fā)、短促發(fā)射等;

— 快速搜索微弱的信號;

— 在最佳的上升和降落時間對模擬信號的解調(diào) (AM, FM, CW, SSB, PULS)。

　　需要注意的是: 這種信號的搜索必須借助于門限電平的設(shè)置。（用來辨別噪聲或信號）以及不同的解調(diào)器（對于數(shù)字信號是IQ, 對于模擬信號是AM、FM、CW、SSB、PULSE）作信號分析。

　　結(jié)論

　　監(jiān)測接收機(jī)是在軍用或民用應(yīng)用中典型用于作信號探測、 頻譜監(jiān)測和解調(diào), 并對一些信號作分析（比如中頻顯示、ITU測量）。

　　頻譜/信號分析儀是典型應(yīng)用于已知信號的測量,比如信號帶內(nèi)功率、鄰道功率、帶寬占用度、相位噪聲等等。

　　鑒于以上原因，監(jiān)測接收機(jī)和頻譜/信號分析儀是按不同的應(yīng)用所設(shè)計的不同的設(shè)備。