外接滤波器对提升频谱仪测试效能的应用综述 - 图文

外接滤波器对提升频谱仪测试效能的应用综述

■ 涂鸿渐 戴顺民 唐纯桃 陈开仁

一、频谱分析仪的基本构造及灵敏度

频谱分析仪的基本构造（图1）

（一）频谱仪的灵敏度定义

简言之，频谱仪的灵敏度（也叫作显示的平均噪声电平（DANL）或本底噪声）决定了仪器可以测量的最小信号。对于在室温下的1Hz噪声带宽，理论上DANL的下限为KTB或-174dBm。DANL与中频滤波器带宽和衰减器的大小是有关系的，所以在各个厂家数据手册中提到DANL这个指标时需要注明在该指标下中频滤波器带宽和衰减器的大小。特别是中频滤波器带宽的大小如果没有特别说明则默认是1Hz。这个时候需要注意的是，该频谱仪的中频滤波器的最小带宽是否能够达到1Hz，如果不是则实际测量时无法测到其标称的信号。假设数据手册上只写着DANL为-140dBm，且中频滤波器带宽最小值为1kHz，可知该频谱仪最小能够测到-110dBm 的信号，而不是标称的-140dBm。以安捷伦手持式频谱分析仪N9340B为例，其最小RBW为30Hz，此时DANL为-124dBm，使用前置放大器（20dB增益）后是－144dBm。

（二）影响频谱仪灵敏度的设置条件

在测量低电平信号时，特别是测量信号接近频谱分析仪本底噪声时，应减小频谱分析仪的射频衰减和分辨带宽（RBW），从而提高频谱分析仪的灵敏度，以及测量低电平信号的精度。越窄的RBW，越能检测频率间隔很近的信号与低电平信号。在测量小信号的时候，一般应该把衰减值设置为0，以便提高灵敏度，如果灵敏度还是不够，则可以打开前置放大器（灵敏度大约提高数十dB）。另外，减少视频带宽（VBW）和采用视频平均技术，虽然不影响

频谱分析仪的灵敏度，但可以改善小信号测量精度。 （三）频谱仪的测试效能

一方面，由于频谱仪的灵敏度水平在很大程度上受制于其自身因素，因此在条件允许时尽可能选择使用DANL低的分析仪，同时设值合适的衰减、RBW、VBW以及前放功能，以取得尽可能低的底噪。另一方面，在使用频谱仪进行测量时，输入口往往会同时引入各种电磁信号，在一定的条件下，它们可能在频谱仪内部抬高仪器底噪水平或者干扰到测试者的判断与测定。这时，需要借助一些外接器件如滤波器，连接在频谱仪的前端，以阻断无关信号、消除潜在干扰；客观上，这一方法也起到了提高测试灵敏度，弥补一些频谱仪抑制内部失真/干扰能力不足的作用。本文根据一些实践案例，对此类方法进行综述。 二、使用滤波器提升频谱仪测试效能的应用 （一）隔离干扰，提升测量精度

在电磁环境测量中，除了希望测量的信号之外，周边的其他无线信号也会不可避免的同时落入频谱仪，如果这些干扰信号足够大，则会引起频谱仪产生二次谐波，更为严重的是引起互调产物，这些都会导致测量误差。并建议在频谱仪或LNA输入端加上滤波器来滤除干扰信号，从而避免上述误差的产生。 （二）验证杂散输出

对CDMA直放站带外输出杂散进行了探讨和测试。CDMA直放站下行输出的多个频点全部在870～880MHz频段内。测试时在频谱分析仪输入端接衰减器，以使频谱分析仪的射频输入信号小于所允许的安全电平。在频谱仪安捷伦E9340B的前端还加入了一个带阻滤波器（870MHz～880MHz），用于滤除直放站输出工作频段内的全部信号。其效用是便于清晰地观察杂散，又能防止直放站工作频点在频谱仪内部产生三阶互调产物，以免影响观测、误判为杂散。

测试方框图：（直放站未加装870-880带通滤波器）

测试结果：图2中杂散明晰地显示了出来。

直放站输出加带阻滤波器（图2） （三）验证不同系统天线的空间间隔

为验证同站址移动通信直放站与GSM-R系统的天线隔离度，需要观测直放站对GSM-R系统的上行干扰情况。如将频谱仪直接接在GSM-R天线后面，由于附近其他较强的移动通信下行信号也会一并接收，进入频谱仪的信号多而杂，有可能导致在频谱仪内部作用产生互调信号，形成内生干扰而无法区分验证其来源。因此，在GSM-R收信天线机房馈线口输出加885-909带通滤波器（885-909MHz是GSM-R系统的上行工作频段），以屏蔽其它所有的信号。

收信天线口加带通滤波器（图3）

图3中信号是GSM-R手机开机时的信号，可以明显看出，GSM-R信噪比高达30dB。经885-909带通滤波器滤除所有移动通信（2G、3G）下行信号后，底噪很小（-105dBm）。同时对比直放站开启和关闭情况，测试图形没有变化，说明不同系统间天线隔离度没有引入底噪。

（四）查找小干扰信号

普通频谱仪如鸟牌SH-36S仪表，其标称DANL为-135dBm，最小分辨带宽为100Hz，前放增益24dB。指出，实际测量底噪时，在不打开内置前放的情况下，即使分辨率带宽只设3KHz，受其性能限制，仪表显示的内部噪声高达-83dBm（含八木天线增益），这意味着低于该电平的干扰信号将不能被测出；而若开启内置前放，则仪表内部产生的非线性失真信号可高达-60dBm以上，完全淹没了需要捕捉的微弱信号，这将大大限制此类频谱仪的应用。 为改进此问题，采用在频谱仪前串接滤波器、再开启内置前放的方法，可将灵敏度提高到-115dBm，极大地提升了频谱仪的性能。也就是说，如果距离干扰源较近，且干扰信号强（大于频谱仪的灵敏度），可直接用频谱仪和八木天线扫描定位，否则可在频谱仪前加滤波器，以滤掉带外信号，消除频谱仪内部互调，提高测试灵敏度。

以CDMA移动通信系统为例，对于上行干扰测试可将滤波器的825MHz～835MHz输出口连接至频谱仪，再打开频谱仪的前放，则灵敏度可达-110dBm左右，极大地增强了测试小干扰信号的能力。连接方法参见图4：

借助外置滤波器测试干扰源设备连接图（图4）

如灵敏度仍达不到测试极小干扰的要求，则可增加一级外部放大器测试。

关于借助滤波器增强频谱仪性能、排查干扰的案例：2010年8月份，常德下南门电信基站1、2扇区因受附近高层一废弃无线直放站微弱的干扰，底噪一直较高，受限于频谱仪本身的功能不强，虽经查找问题一直未解决，期间更换过2个扇区的天线，并多次更换馈线电缆头。后来通过频谱仪外接滤波器，提高了跟踪捕捉微弱干扰信号的能力（由于干扰信号在-100dBm左右，此前根本无法测试到），只用一天左右时间，就准确地定位到干扰来源，并最终排查解决。 三、总结与注意事项

可见，在频谱仪前端按需要引入各种滤波器，除开能隔离无用信号，便于干净地观察目标频段，还能抑制内部失真，增强灵敏度，降低测量误差，提高测量精度，从而提升频谱仪的观测效能。这在复杂信号条件下验证干扰或查找弱信号时往往能起到良好的作用。需要注意的是：

1、对不同的仪表，通过外加滤波器所提高的灵敏程度不一样，性能越高的仪表越不明显，性能越差的仪表越明显。

2、频谱仪加滤波器后，只能测试到带内的信号，主要便于判断干扰方向和来源，此时仪表所显示的频谱并不是真正的干扰信号频谱。

3、滤波器可以定制，也可以从退网报废的直放站中拆下来再利用，但需要保证滤波器功能的完好性。

（作者单位：湖南电信省网络运行维护公司）

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