行動網路干擾的基本原理 認識射頻干擾信號的來源和影響

2004-11-01
很多時候,站台內的裝備都檢查過了,但仍有一些東西破壞通信頻道,我們可以列出一長串可能產生信號干擾的干擾源清單,這些可能是有意或是無意的干擾...
很多時候,站台內的裝備都檢查過了,但仍有一些東西破壞通信頻道,我們可以列出一長串可能產生信號干擾的干擾源清單,這些可能是有意或是無意的干擾。  

能夠產生信號干擾無線射頻信號,與擾亂格式通信系統的可能干擾源不勝枚舉。本應用將說明會導致通信系統產生問題之干擾來源和處所,並討論干擾源間的互動作用,以協助您進一步瞭解干擾源,用新的量測工具和技術來識別它們。  

干擾的影響正不斷在擴大,且已到了警戒的地步。先進的新電信技術必須與前幾代的行動系統,如2代行動電話和呼叫器(這些設備大多數在未來幾年仍會繼續使用)共同存在而構成複雜的無線電環境。其他像是數位電視廣播及區域網路的無線射頻裝置也不斷發出新的信號來源,而可能威脅到現有無線電服務,因受干擾而中斷。  

受到環境限制不斷增加的影響,無線電收發塔上各式天線林立,參與競逐許多新型態的無線電服務與爭取數量有限的合適收發站台。目前通訊的天空已經變得更為擁擠,因為我們使用行動電話交談、觀賞多媒體表演和在網際網路上交易股票買賣。不久,甚至我們的車子、冰箱、和烤麵包機也會因為我們的設定而也能彼此溝通。  

干擾的可能來源  

大多數的干擾都不是蓄意造成的,而是受其他合法的無線電發射所連帶產生的。這裡舉一些最常見的干擾源,讓您有一些概念能夠在實際發生干擾情況時,知道由哪裡去找出干擾的來源。請注意多數的來源是在基地台之外而且超出您可掌控。  

發射機組態設定不正確  

另一個業者正在使用和您相同的頻率發射無線電波。通常這些都是錯誤或不正確的設定所造成;而一般業者也都樂意將它修正以回復他所使用的正確發射頻率。  

非法發射  

這種情況是非法業者因為根本就沒有執照而蓄意在相同的頻段上作業。或許是他發現頻段上有人發射而認為有人使用它,就展開他的作業。發放執照的政府單位如果嚴加取締,可以幫忙擺脫這類的干擾。  

細胞重疊(Cell Overlap)  

在您的發射網路,或其他的發射網路中,有一個收發管在1個或多個頻道中發射了超出指定的頻率涵蓋範圍,因而造成了收發重疊。不正確的天線傾斜、過量發射功率,或是因環境上的改變皆可能導致重疊,例如有人砍掉一片阻礙發射站信號的樹林。  

由別的發射器造成交互調變  

交互調變干擾(Intermodulation)的肇因可能是由1個或多個外來射頻信號進入天線饋送軸(antenna feeder coax),並使得被干擾發射機之終級放大器進入非線性區。外來信號混波及發射機本身信號相互混合,在通信頻段中產生像是「新訊號」(而通常是非常不受歡迎的)頻率之交互調變信號。兩個皆非來自被干擾發射機的其他外來信號,僅僅因為非線性信號混合在一起也可能產生干擾信號。在此情況下,兩個混合的信號都沒有錯,而發射機則可能是代罪羔羊。  

這個問題的解決有點棘手,因為它可能需要修改1部看來功能正常的發射機。可以加上1個窄頻濾波器來將外界信號儘量篩減,它允許信號通過發射機至天線,而將由饋線返回的信號沿著隔絕器篩減。使用許多不同頻率的共用站台天線塔業主,常需在所有的發射機上安裝這種濾波器和隔絕器。  

生鏽物產生交互調變  

發射機可不是唯一會產生交互調變的地方。附近生鏽的鐵皮屋頂或柵欄,其非線性接合處也可能是產生交互調變的地方。在有高功率無線電發射之處,個別的屋頂面間的生鏽物,可以如非線性二極體般作用。  

來自實體結構之類的交互調變效應甚難捉摸,因為會隨天氣狀況而變,像風會將生鏽金屬吹到一起或將其分開,而雨會改變鏽的特性。嚴重的干擾結構必須修理或更換,以恢復可靠的通信。  

在天線或連接器的交互調變  

有時,即使在同軸連接器或天線本身輕微的腐蝕也會產生問題。儘管尚不足以造成信號遺失或駐波比(VSWR)問題,腐蝕可以形成劣質的二極體並造成細微的交互調變。在附近有許多高功率發射機的環境下,其所產生的交互調變足以影響到由行動台發出與手機通連的微弱信號。  

找出問題最困難的地方,在於當鬆開一個天線系統的接頭,試圖想檢視問題是否出在這裡,但同時也擾亂了接頭氧化體並讓問題因而停止下來。它可能幾個月都不再發生交互調變的情形。這種情況下,須花額外的時間仔細記住有哪些接頭已重新鬆開過或上緊過,並將每個接頭都測試一段時間。如果在動過某一接頭後問題便消失,那就可能是這個接頭造成的問題。只有靠時間的延長來告訴我們真相。  

合法的發射器過載  

偶爾,來自1發射機之任何頻率的強力信號,可能使鄰近系統過載。唯一的解決方法是在接收天線纜線上安裝濾波器,讓所要的信號通過,以使過載的信號衰減。  

頻譜分配擁擠  

當分配的頻譜變得日益擁擠,競爭的無線電服務被分配在接近的頻率,因而增加由1系統發射頻道的邊波雜訊(Sideband Noise),或遮敝掉另一個鄰近的接收頻道。如果發射機要符合要求規格,可能需要更改頻道或增加發射機和接收機的間隔。  

廣播台產生諧波能量  

高功率的發射源,比方說像商業用的廣播站台,通常可在其信號的諧波上產生實質的能量。舉例而言,1個5MWatt的發射機,將可以輕易地產生5Watts 的諧波能量,而產生高過足以影響附近行動通信之能量。如果問題發射機符合其所有規格及政府的法規,則唯一實際的解決方法可能是移動天線,或重新分配頻率,而使收發站台使用的頻道,不受附近問題發射機諧波能量的影響。  

STL的繼續使用  

在細胞通訊系統發明前,900MHz和1400至2200MHz頻帶常被分派給廣播站,作為廣播室至發射機間的連線(STL)。政府雖已將這些頻率大部分重新分配給行動通訊系統業者,但常仍沿用老的法規對待那些原始老用戶,允許他們繼續營運。在新的行動通訊系統建立運作以後,這些原始發射機應當要更改頻率。雖大部份已更改頻率,但有些仍需要有人提醒他們這樣做。  

音頻整流(Audio Rectification)  

在很少的情形下,基地台控制器端仍使用類比音訊輸入至無線電,這個站台可能受到鄰近AM廣播或短波站台強力信號的影響。AM信號有可能進入音頻線路並被整流,在電話交談聲裡加進廣播的音頻。在音頻連接器至基地無線電的四周加上良好的防護,應能解決這個問題。  

認識干擾源的種類  

干擾可以根據其本身特性及其在通訊上造成之效應來分類。它可能出現在基地台,和其與手機的空氣介面中。干擾信號只影響接收機,即使它們實體上接近發射機,而發射是不會受到影響的。干擾者的頻率是干擾來源和干擾結果最常的指示訊號。  

頻外干擾源(Off-Frequency Sources)  

這是一種主要的干擾,這強力信號雖不是接收機的正確頻率,但卻強得足以影響輸入訊號。這些信號通常很接近所欲接收的頻率,儘管接收機的輸入濾波器應該要消除其他不合的頻率。  

試圖找出接收機中的兩種效應之一。前端阻塞(front end blocking)是肇因於強力信號進入接收機,使前級(放大器或是混頻器)滿溢至完全飽和。這類干擾常能使相當強的信號無法接收。另一種效應是降低敏感度,一個鄰近信號進入接收機並被自動增益控制(AGC)所偵測,或促使限制線路作用,降低了增益。此時接收機表現得比較不敏感,使微弱信號遺失,較強的信號其信號雜訊比變低。  

在頻干擾源(On-Frequency Sources)  

第2級干擾包含與目的通信信號相同頻率的信號(弱或強)。這些干擾最常受下列因素所致:  

.合法行動通訊系統信號超出其設定範圍  

.發射機功能失效或設定不正確  

.其他電子裝置發出非預定之干擾  

.合法發射機信號的諧波  

產生在頻效應的頻外干擾源  

最難追蹤的應屬這種在頻率上看起來沒有明顯來源的干擾類型,產生它的信號實際上是不同的頻率,但已被合併成1個新信號。這種類別的例子就是由2或多個在各自頻率皆為正常之信號,但卻在1非線性元件中交互調變所生成者。  

蓄意干擾  

蓄意惡意的干擾通常是在頻率上干擾,扮演像是一個設定錯誤的發射機一樣。我們將其單獨歸類,因為它常有特別難解而惡質的特性。  

舉個極端的例子,在遙遠森林山區裏干擾一個雙向增益器;系統開始在其輸入頻率接收到一個很微弱的信號(包含校準頻調編碼以啟動增益器),但僅在夜間如此。信號持續保持著,它造成了增益器的定時開關跳脫而使系統失效,直到早晨這個信號消失為止。由於信號太弱難以在地平位準上偵測,而且它只在晚間發射,因此源頭非常難找。但終於被找到時,發現干擾源是一個有小太陽能面板的微型發射機,被放在接近增益器天線桅的樹稍。發射機在日間時關閉,但其太陽能面板吸收日光給電池充電。  

諧波  

前述類別講的都是純淨的原始信號。真實世界裡信號包含強度足以引起干擾的基頻諧波。如在美國,1個超高頻(UHF)電視發射機需有個濾波器,以將其諧波降低至主載波至少60dB以下。最惱人的諧波通常是第3次諧波,因為它可以靠發射機內很小的非線性部分輕易產生。1個在621.25MHz作業的5M瓦電視發射機,其第3次諧波在1863.75MHz。即使降低60dB(濾波後)將仍可產生5瓦的第3次諧波。1個以這個頻率和功率等級且由俯視全市的高處發射的信號,可輕易使全市的行動通訊信號造成混亂。且來源不易找出。  

產生諧波的增生過程,也改變了頻譜的特性─其寬度和偏差皆要乘上與載波頻率相同的因素。1個13kHz寬157.54MHz頻率的雙向無線FM信號,將有一個130kHz寬的第10次諧波。此外,1個基頻的5kHz偏差在1575.4MHz諧波處將變成50kHz。如一個發射機與基地台共用天線塔其諧波可完全覆蓋GPS接收機使該台癱瘓。1個100瓦FM發射機約需195dB的衰減以避免干擾,可藉由絕緣天線和抑制濾波器來達成。表1所列信號,其諧波可產生廣大影響的能量,產生局部干擾。  

交互調變  

許多信號可能混合而產生新的非如預期類型的調變生成。最常見的交互調變生成是第3次諧波。2個相隔1MHz的信號會產生1個新的生成信號,位於原始信號中較高者之上1MHz處,而第2個新生成信號在原較低者之下1MHz處(原始信號800和801MHz將會有第3次生成信號,位於799和802MHz 處)。在量測交互調變干擾時,要確保量測工具沒有失真。任何頻譜分析儀或其他射頻量測工具,都有其本身動態範圍或「第3次諧波截去」。若量測工具造成交互調變,將無法辨別其所觀測到的是進來所生成或其本身所生成。解決方法是使用外部濾波器讓其只通過所要找的交互調變信號,而排除造成交互調變的強烈信號。  

(本文作者目前任職於太克科技)  

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