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无线通讯网路中的射频干扰成因与对策

上网时间：2003年02月08日

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如今可能造成射频干扰的原因正不断增多，有些显而易见容易跟踪，有些则非常细微，很难识别发现。虽然仔细设计基地台可以提供一定的保护，但多数情况下对干扰信号只能在源头处进行控制。本文讨论射频干扰的各种可能成因，了解其根源后将有助于工程师对其进行测量跟踪和排除。
射频干扰信号会给无线通讯基地台覆盖区域内的行动通讯带来许多问题，如电话断线、连接出现噪音、信道丢失以及接收语音质量很差等，而造成干扰的各种可能原因则正以惊人的速度在成长。
如今最新最先进的复杂电讯技术还必须与旧行动通讯系统(如专用无线通讯或寻呼等)共存于一个复杂环境中，其中多数旧系统在以后若干年里还将一直用下去；与此同时，其它无线RF设备如数字视频广播和无线区域网等又会产生新的可能使通讯服务中断的信号。由于环境限制越来越大，众多新业务竞相挤占有限的蜂巢式站点，使得蜂巢式信号发射台上竖满了各种天线。而随着我们使用行动电话联系愈来愈频繁、同时也更常在因特网上观看多媒体表演和进行商业贸易，甚至不久我们的汽车、冰箱和烤箱也将使用RF信号互相交流，通讯的天空将变得更加拥挤(图1)。
引起RF干扰的原因
大多数干扰都是无意造成的，只是其它正常营运活动的副产品。干扰信号只影响接收器，即使它们在物理上接近发射器，发射也不会受其影响。下面列出一些最常见的干扰源，可以让你知道在实际情况下应该从何处着手，要注意的是大多数干扰源来自于基地台的外部，也即在你直接控制范围之外。
◆发射器配置不正确
另一个服务商也在你的频率上发射信号。多数情况下这是因为故障或设置不正确造成的，产生冲突的发射器服务商会更急于纠正这个问题，以便恢复其服务。
◆未经许可的发射器
在这种情况下，其它服务商是故意在与你同一个频段上发射，通常是因为他根本没有拿到许可。他可能在一个频段上没有发现信号，于是假定没有人在使用该频段，于是擅自加以利用。发放许可的政府机构通常有助于赶走这类无照经营者。
◆覆盖区域重迭
你的网络或其它网络的覆盖区域在一个或多个通道上超过规定范围。天线倾斜不正确、发射功率过大或环境变化等都会引起覆盖区域重迭，如某人砍掉了一片树林或推倒一个建筑物，而这些原本可以阻挡另一位置上所发出的信号。
◆自身信号互调
两个或两个以上信号混在一起后会形成新调制信号，但却不是任何所希望的信号。最常见互调是三次信号，例如两个间隔为1MHz的信号会在原高频信号之上1MHz和低频信号之下1MHz各产生一个新信号，如果原来两个信号分别处于800和801MHz频段，则将在799和802MHz出现三次信号。
◆与另一发射器信号互调
互调干扰也可能是由于一个或多个外部无线信号透过天线馈送同轴电缆，然后进入造成冲突的发射器非线性终端放大器造成，外来信号相互混杂并与发射器自己的信号混在一起，形成一个看上去像是通讯频段中的‘新’频率互调信号(经常都是不希望的)。
也可能由两个外部信号产生干扰信号，而造成冲突的发射器本身的信号没有参加，外部信号只是正好用到发射器的非线性级而混在了一起。在这种情况下，混在一起的两个信号没有一个有问题，肇事者是发射器。
解决这个问题有点难度，因为它要求对看上去工作正常的发射器进行改动。需要增加一个窄频滤波器以尽可能衰减外面的信号，再加一个铁氧体绝缘子使RF从发射器传送到天线并衰减馈在线返回的信号。在同时使用多个不同频率的发射台上，业主经常要求所有发射器都安装这类滤波器和绝缘子。
◆生锈的围墙／房顶等造成的互调
发射器并不是互调信号的唯一滋生地，非线性连接也可能是附近生锈的白铁皮房顶或围墙。当无线发射功率很大时，房顶各部份之间生锈部份将起到非线性二极管的作用，像这种来自物理结构的互调影响很难阻止，因为它们因天气状况而异，风会把金属生锈部份压在一起或分开，雨则改变铁锈特性。严重影响通讯的必须进行维修或替换，以恢复可靠的通讯连接。
◆天线或连接器中的互调
有时即使同轴电缆或天线本身一点很小的腐蚀也会产生问题，尽管还不足以引起信号丢失或VSWR问题，但腐蚀会像一个质量很差的二极管一样造成细微互调。如果附近有几个大功率发射器，那么产生的互调会强到足以干扰行动手机与基地台之间的微弱通讯信号。找出这类问题根源最难的地方在于松开天线系统一个连接器会打乱氧化程度并暂时使问题中止，此时你必须花更多时间认真记录旋松或拧紧的是哪一个连接器并在每步之后进行试验以确定它是否就是罪魁祸首。
◆正规发射器超载
发射器发出的任何频率强信号都会使邻近系统超载，唯一解决办法是在接收器天线电缆上安装一个滤波器，使希望通过的信号顺利通过，而将超载信号衰减。
◆邻近发射器上相邻通道功率随着分配的频谱越来越拥挤，互相竞争的无线业务所分到的频率越来越接近，从而使一个系统发射信道噪音边带出现在或阻止另一个临近接收通道的风险增加。如果发射器符合技术规范要求，则需要更改通道或增加发射器和接收器之间的物理分隔。
◆广播发射器谐波
大功率源如商业广播电台等会产生大功率信号谐波，例如一个5MW发射器很容易产生5W谐波，足以干扰附近的行动通讯。如果该发射器符合所有规范和政府规定，那么唯一的解决方法可能只有迁移通讯天线以避开发射器，或者重新分配频率方案使得造成冲突发射器附近的通讯基地台使用的是不受其谐波能量影响的通道。
◆‘老爷’级STL用户
在蜂巢式系统出现之前，900MHz和1,400～2,200MHz波段通常分配用于广播电台的演播室与发射器连接(STL)。政府现已将这些频率重新分配给蜂巢式营运商，但是他们常常又没有限制老用户，而让他们继续在没有冲突的频率上营运。当在这些频段开展新的蜂巢式业务时，那些发射器应该转向新频率，但有些还需要加以‘提醒’。
◆音频整流
在极个别地方，基地台控制器端还在使用模拟音频输入传送给无线输出，因此会受到附近AM广播或短波电台强信号的影响。AM信号可能进入音频电路后并被整流，使得电话交谈中混入广播音频信号。在与基地台连接的音频部份周围进行良好屏蔽应能解决这个问题。
认识干扰源类型
干扰可以按其自身特性进行分类，也可以按它对基地台和手机通讯的影响来分，冲突频率是显示干扰源和干扰结果最常用的指示器。
◆频外干扰源
这是一种主要干扰，包括一些与接收器频率相近而不相同的强信号，强度很大足以影响输入。这些信号通常很接近预定频率，因为接收器输入滤波器会滤掉其它相差太远的信号。
让我们来看一看接收器受到的两种影响。一种是前端阻塞，它由于强信号进入接收器使第一级(前置放大器或混频器)过载完全饱和引起，这样会使更强信号无法接收。另一个影响是减感效应，附近的信号进入接收器后被AGC(自动增益控制)发现或者启动限制器电路，造成增益下降。接收器表现得就像是灵敏度降低，因此微弱信号会丢失，对强信号的信噪比也将减小。
◆频内干扰源
第二类干扰包括和预定通讯信号频率一样的信号(无论强弱)，通常由下列情况引起：
‧正常手机信号超出其预定范围
‧发射器故障或配置不当
‧正常发射器的信号谐波
‧其它电气装置辐射出的无意干扰信号
◆频外干扰源产生的频内影响这类干扰源最难跟踪，看上去是在频率内的信号，但却没有明显的干扰源，例如两个或以上在其自己频率上完全正常的信号在非线性组件内混合后形成的互调信号。
◆有意干扰
不怀好意的故意干扰通常是在信号频率内，表现得更像是一个配置不当的发射器。我们将它单独分类是因为它通常具有特别难以捉摸和有害的特性。
有这样一个有意干扰的例子，有人在丛林山上某处远距离攻击一个双向无线转发器系统。系统开始时在其输入频率上收到一个非常微弱的信号(其中正确的音频解碼激活了转发器)，只在夜间出现，该信号一直留在空中，最后使转发器超时继电器失效并使系统瘫痪直到早晨信号消失。干扰源特别难查找是因为信号太弱而无法发现，并且它只在夜里发射。最后找到时才发现干扰源是位于转发器天线杆附近一棵树顶上的一个带小型太阳能电池板的微型发射器，发射器白天关闭，其太阳能电池板则利用此时为电池充电。
◆谐波
上面几种还是指相对干净的原始信号，在实际情况下，信号中还有强到能产生干扰的基频谐波，例如美国甚高频电视发射器就要求安装一个滤波器将其谐波至少减小到主载波60dB以下。最麻烦的谐波是三次谐波，因为它很容易由发射器中小的非线性组件产生。一个在621.25MHz下工作的5MW电视信号发射器，其三次谐波为1863.75MHz，即使在60dB以下(滤波之后)三次谐波还有5W！从俯瞰城市的高处发出这种频率和功率信号很容易为全城蜂巢式行动通讯信号带来极大破坏。
谐波信号还有一个特性使它更难辨识其来源。产生谐波的乘法过程会改变频谱图，其宽度和偏差都要乘以和载波频率一样的因子。例如一个位于157.54MHz下13kHz宽的双向无线FM信号的10次谐波为130kHz宽，基波只有5kHz偏移在谐波频率1575.4MHz下会变成50kHz。如果这种发射器与一个基地台共享一个发射台，其10次谐波将完全覆盖GPS接收器，使基地台瘫痪。对一个100W FM发射器，总共需要约195dB的衰减才能避免这种干扰，要用天线隔离和滤波器抑制才能实现。
本文结论
我们讨论了行动通讯系统中常见RF干扰产生的原因，并提出一些排除故障的方法。有了比较多的了解后，工程师就能更好地应用新的干扰测量工具来认识和跟踪干扰源。
作者：Tom Hill
无线测试首席工程师
太克公司