依照ITU建议的无线电监测抉择

 
监测接收机还是频谱仪？ 前言 　　无线电频谱是无线电通信的基本物质条件之一，是有限的自然资源。 故而，高效地利用频率资源是频谱管理的基本任务。实施频谱管理的重要依据来源于有效的频谱监测。为了保障频谱监测的数据的有效性、可靠性和权威性，一个有效的途径就是依据统一的标准—ITU建议。　　ITU建议的无线电监测　　事实上，一个完整的监测站应包含监测、测向和实时/后台数据分析。由于篇幅所限，这里我们只讨论信号监测部分。　　在ITU建议中指出了一个无线电监测站所要实现的功能（ITU-R SM.1537）:— 监测、解调和解码;— 解调音录制;— 技术测量和技术分析，包括频率、频偏、电平/场强、调制参数（包括AM调制深度和FM频率偏置）、带宽及频谱分析;— 频谱占用度;— ……　　监测站设备（包括天线、接收机、测向机和处理器）的质量直接关系到监测站的性能。现代的监测接收机特别适用于依据ITU建议的频谱监测，无线电调研部门应能实现以下功能（ITU频谱监测手册，第131至135页）:— 扫描预定义的频段;— 可存储扫描多达几百信道的频率表;— 可解调、监听 FM, AM, CW, SSB, ISB, ASK, FSK, PSK, IQ 和PULSe发射信号;— 信号识别;— 存储监测数据用于后台分析或下载。　　在ITU频谱监测手册附录中的“模拟和数字接收机的典型推荐技术规格”，列举了VLF/LF/HF和VHF/UHF接收机的最低推荐技术规格。　　依据ITU建议的标准，毫无疑问将选用监测接收机实现频谱监测。但是，事情并不这么简单，一些便携化的频谱仪甚或是基于虚拟设备（Virtual INSTRUMENTS）的信号分析仪现身于市场。它们全新的外观（较大的彩显或独特的机架）以及较低的价格，引出了一个完全可以理解的想法:我们能否选用这类设备实现频谱监测呢？答案是“可以，但是有条件”:* 您已经基本了解所要监测的信号;* 所监测的信号驻留时间相对较长;* 所要监测的信号不能太弱;* 所要监测的信号不能太强;* 监测的频段信号不能太密集;* 通常不需要解调;* 对监测时间的要求不苛刻。　　为什么这类设备有这些苛刻的限制呢？这是由于它们是设计用于其它用途的，而不是用于频谱监测的！　　频谱仪/信号分析仪的设计理念　　这类设备是设计用于典型的测量:— 无预选器;— 输入信号直接进入第一混频器;— 高测量精度;— 对于测试和测量任务而优化的操作;— 对于AM调制信号无控制 (AGC和MGC);— 无AFC （对于频率不稳定的信号）;— 基于测试和测量任务而优化的滤波器 (CISPR);— 定期校准 (完全校准);— 标准化显示和评估;— 特殊的标记功能和限制线;— IEC/IEEE 总线控制;— 特殊的任务导引功能;— 无ITU建议的测量。　　它们在测量领域是很好的设备，故而:— 在大多数应用中，它们采用馈缆与被测器件直接连接;— 已经基本了解所要监测的信号;— 基于系统安装的目的而测量网络或基站，如GSM、电缆系统等，这些测量包括信道功率的测量、电缆坏点测量和反射测量（失配）;— 附加的测量功能，如双端口测量和功率测量。　　监测接收机与频谱仪的区别　　深入地研究接收机和频谱仪也许需要一部专著，所以本文只提供一个两者之间差异的概要。分下述几部分介绍:— 预选器;— 灵敏度/噪声系数;— 线性度;— 合成器相位噪声;— 搜索信号并解调。　　3.1 预选器　　预选器的作用在于降低接收机接收信号的总负载并可改善接收机的技术参数，包括:— 本振再辐射(监测接收机为-107 dBm,信号分析仪为-87 dBm);— 噪声系数-NF(监测接收机为10 dB,信号分析仪为36 dB);— 二阶截断点-IP2;— 镜频抑制;— 中频抑制。　　预选器（输入滤波器）是一套亚倍频程滤波器和/或跟踪滤波器。通过电子开关，预选器可将接收频段分为若干子段，从而选通那些需要分析的子频段而将其它子频段抑制于带外。这样，即可在极大程度上消除互调产物。 　　预选器还包含:— 提高灵敏度的放大器;— 提高动态范围的衰减器;— 预防过载的保护电路;— 输入自检所需的测试信号;— 自检所需的测试点;— 天线选通 (如果需要)。　　下一章我们将举例说明监测接收机和频谱仪的不同性能。　　3.2 灵敏度/噪声系数　　正是由于信号/频谱分析仪在硬件设计上的理念，使得它们在频谱监测领域具有并不理想的性能。就噪声系数这一指标而言:监测接收机的典型值大约在10dB至15dB，而信号/频谱分析仪却高达数十分贝（如36dB）——这将导致这类设备具有较差的灵敏度。　　由于接收机和频谱仪在灵敏度指标定义上存在差异:频谱仪的定义为平均噪声电平(DANL);接收机的定义为在特定带宽和信噪比条件下，解调信号的最低电平。　　我们可以采用如下公式将上述两种定义相互变换:NF(dB) = Pin(dBm) - Pnoise (dBm/Hz) - 10logBW(Hz) - S/N(dB) + 20logm其中 Pin—— 最小输入功率Pnoise—— 噪声常数，此处取为 -174 dBm/HzBW—— 测量时的实际带宽 S/N—— 信噪比m—— 调制度 (如果测量的是 AM 信号) 在频谱仪的技术指标中，噪声密度取为 -138 dBm/Hz typ。采用上述公式可得- NF=36 dB typ。图1显示了灵敏度、噪底和扫描性能。　　3.3 线性度　　在两个或两个以上信号同时输入到天线端时，由于有源器件的非线性特征（放大器/混频器），会产生一些多余的信号——互调产物。这些多余的信号应被尽可能地抑制。这抑制的能力体现在IP2/IP3技术指标上。图2显示了互调产物干扰中频的过程。　　例如:　　信号分析仪的三阶截断点（IP3）为10dBm, 而监测接收机EM050 的IP3为20dBm。那么，接收两个电平为 90dBμV的信号:信号分析仪产生的互调产物的电平值为36 dBμV，而监测接收机的仅为16 dBμV。　　3.4 合成器相位噪声　　合成器的相位噪声晶体震荡器短期稳定程度的量。应用于不同的中频变换。它也描述了在一个邻近强信号的微弱信号的检测能力的量。　　在图3中, 在相位噪声很高的情况下, 一个强信号(fin1) 旁边一个微弱信号(fin2) 不能被检测到。　　例如:　　在10 kHz偏置下信号分析仪的频率合成器的相位噪声为 -90 dBc/Hz,而监测接收机EM050在10 kHz偏置下的相位噪声为-120 dBc/Hz。当一个电平为-10 dBm正弦波信号出现在信号分析仪和监测接收机的输入端时, 那么当分辨率带宽为1 kHz时，在10 kHz偏置上可检测到信号的最小电平是多少？ 解:对于信号分析仪,由于1 kHz的分辨率带宽所显示的噪声电平LN为LN = -90 dBc (1 Hz) + 10·log(1 kHz/1Hz)= -60 dBc (1 kHz)这意味着第二输入信号的电平LS,min至少必须是LS,min = -10 dBm - 60 dBc (1 Hz) = -70 dBm (37 dBμV)在相同条件下, 监测接收机的第二输入信号的最小电平只需要LS,min = -100 dBm (7 dBμV)图4给出了在监测接收机EB200和频谱分析仪FSH3上显示的不同的实际频谱。　　3.5 搜索信号和解调　　在无线电调查业务中, 通常需要在未知的电磁环境中做探测:— 非法或未经认证的发射机或频率;— 未被授权的工作时段或地点;— 非法发射类型或不合格的调制质量;— 频率偏移超标;— 无呼号或呼号不完整;— 占用带宽超标;— 功率超标 (场强超标）。　　针对这些目的, 需要:— 快速搜索和检测几乎所有类型的已知或未知的信号;— 快速搜索频率跃变的信号, 比如跳频、突发、短促发射等;— 快速搜索微弱的信号;— 在最佳的上升和降落时间对模拟信号的解调 (AM, FM, CW, SSB, PULS)。　　需要注意的是: 这种信号的搜索必须借助于门限电平的设置。（用来辨别噪声或信号）以及不同的解调器（对于数字信号是IQ, 对于模拟信号是AM、FM、CW、SSB、PULSE）作信号分析。　　结论　　监测接收机是在军用或民用应用中典型用于作信号探测、 频谱监测和解调, 并对一些信号作分析（比如中频显示、ITU测量）。　　频谱/信号分析仪是典型应用于已知信号的测量,比如信号带内功率、邻道功率、带宽占用度、相位噪声等等。　　鉴于以上原因，监测接收机和频谱/信号分析仪是按不同的应用所设计的不同的设备。