ITU 频谱手册相关部分

手册

频谱监测

2011年版

无线电通信局

4.2.1总则

数字信号处理（例如：FFT、IFM…）目前已在测量设备中得到了普及，这已经导致测量

精度、调整的简易性，进而是测量速度的大幅提升。关于频率测量可参考ITU-RSM.377建

议书。

实际上,监测站开展的所有频率测量均为远程测量,该测量必须借助于接收机才能进行。

为了获得无可争议的结果，接收机应具有下列特性：

高输入灵敏度；

满意的镜像频率抑制；

低交调和互调；

适合的输入滤波器（预选器）以保护测量使用的频段免于干扰频率；

一个外部的频率标准输入；

内部振荡器的低相位噪声；

人工的或远程控制的或自动的增益控制；

可供附加测量的透明IF输出。

接收机中合路器使用的内部载波必须来自一个频率标准。

用于频率测量的外部或者内部的信号发生器应具有下列特性：

其频率必须是由一个频率标准合成的；

其内部频率标准对于频率本身及所有的频率阶跃的误差应小于107

最小的步长应为1Hz或者更小；

应有一个外部的频率标准输入，1、5或10MHz；

其内部频率标准应可能待机运行：

其频率范围应覆盖要测量频率的范围；

谐波应至少衰减30dB；

非谐波应至少衰减80dB；

低相位噪声（载波偏移10kHz处的相位噪声小于-100dBc/Hz）；

输出电压并联50。电阻应从1mV至UlV变化。

频率测量要考虑的影响量是：

基准振荡器；

测量程序；

读数的分辨率（例如：限制的数字位数）；

要测量信号的稳定性；

与要测量的信号有关的测量时间。

下面描述的测量程序或者或少是人工的方法,尽管此时它们已经部分地被自动化方法所

取代，但它们仍然重要：

由于简单和低成本的测量装置；

用于训练监测操作员；

用于起初运行时的监测业务；

必须要测量微弱的和/或者受到干扰的信号的情况,由于自动化的系统经常会在

这些情况下失效。

频率测量通常意味着一个未知频率和一个已知频率（参考频率）之间进行比较的过程。

根据这个比较的过程，以下频率测量方法在监测站被采用（为了便于参考，一些专设的缩写

词仅在表4.2-1中使用）：

常规方法有：

-拍频（BF）法。

偏移频率（OF）法。

直接利萨如（DL）法。

-频率计数器（FC）法。

-鉴频器（FD）法。

相位记录（PR）法。

扫频式频谱分析仪（SSA）法。

基于DSP的方法有：

-瞬时频率测量（IFM）法。

-FFT方法。

注1一在国际监测站，DSP方法应更为可取。

表4.2.-1显示的是随发射类型而变化的实用的频率测量方法。

表421

频率测量方法

BFOFDLFCFDPRSSAIFMFFT

连续载波（NON）XXXXXXXXX

莫尔斯电报（Alx）XXXXXXX

莫尔斯电报（A2x：H2x）XXXXXXXXX

无线电报（FIB；F7B）XXXXXXX

传真(F1C)XXXXXXX

广播和无线电话（A3E）XXXXXXXXX

广播和无线电话（H3E；R3E；B3E）XXXXXXXX

广播和无线电话（F3E）XXXXX

无线电电话（J3E）XX

数字广播（COFDM）XX

模拟电视广播（C3F）XXXXXXXXX

FDD无线电中继（F8E）XXXX

脉冲雷达信号XXXX

无绳电话系统(FID,F2x,F3E,G3E)XXX

点对多点TDMA系统XXX

蜂窝电话系统XXX

决定频率测量准确度的方法应满足下列条件:

测量应在最佳的接收条件下进行，以免引入由衰落或干扰产生的新的变数。

应尽可能地不让操作员知道被测量频率的准确数值，他可能会试图去纠正所获

得的结果。

为了使上述条件得到满足，应使用本地产生的已知频率，而不是已经传播的标

准频率发射。

该方法应产生测量方法的误差（不包括由标准产生的误差），不应产生部分误

差。

由于误差可能会因发射的不同类别而不同，必须要确定每类发射的误差。

由于对于某一特定类别的发射，误差会随每次测量而变化，并且由于误差不可

能小于测量设备的分辨率，其结果可能要进行统计处理。

对于特定类别的发射，获得的结果应指出误差或者所采用的方法，然而，不应

包含由标准产生的误差C

在描述测量系统的准确度时（频率标准以及测量仪器和方法），应给出每一种

相关因素的误差，于是整个系统的最大误差将是频率标准产生的误差和测量方

法产生误差的绝对值之和。

与所有其它的测量一样，频率测量会存在误差，必须考虑以下方面：

由测量方法产生的误差（颂,力；

由被测信号的调制产生的误差（%所；

测量设备基准频率误差（AW）；

由测量设备技术特性产生的误差，包括读数不准确（V修）；

传输路径上的误差（见下面）（妨协。

最大误差能由各个误差之和估算得到：

(4.2-1)

在/波段（H卜）以及极少地甚至在6（Mb）、5（L卜）和4（VL卜）波段，频率测量的准

确度不仅受限于发射机调制类型的测量方法，而且受限于由传输路径引入的频率变化，当在

7波段（HF）进行测试时，晚上在超过1000km的传输路径上，输入频率和辐射频率之间会

出现可达IO】?分之±3的偏差。还存在频率的平均昼夜变化，当发射机和接收机都在日光区

内时，可以预料频率差最小，在这种情况下，频率漂移通常会小于分之三。在5波段和

4波段内也能发现发射频率的昼夜变化，假如传输距离不超过数百公里，此时频率变化的数

量级通常是IO,分之一，然而在许多情况下，这些限制并不那么重要c

4.2.2国际监测站采用的最常见的常规频率测量法

4.2.2.1直接利萨如法

这种测量方法被用于接收机的IF输出端，如果由晶体控制的频宓合成器设置接收机振

荡器的频率，则IF距离标称值的偏移量等于接收机频率距离设定频束的偏移量。对于频率

测量，接收机IF段的输出被连接至丫放大器，晶体控制的频率（对IF标称值相对应）连接

至X放大器（见图4.2-1）。

这会形成一个显示在屏幕上的椭圆，如果频率合成器有内插刻度，则有必要在椭圆稳定

显示时进行测量。

图4.2-1

直接利萨如法

频谱K201

4.2.3国际监测站采用的基于DSP的频率测量方法

4.2.3.1瞬时频率测量法

由于数字技术给测量带来的好处，以及信号捕获和处理技术的进步，今后有可能在监测

站取得较高的准确度，同时保留可观的测量速度。

特别地，通过使用数字测量接收机例如装备有数字信号处理的传感器，以及使用诸如瞬

时频率测量（IFM）之类的测量技术，准确度和速度性能指标均能得到保证，而且同时具有

几个优点：测量的高逼真度/可重复性，取平均功能、滤波、测量自动化等。

4.2.3.1.1原理

IFM技术的原理之一是对捕获到信号进行自相关处理。在滤波之后，将操作的结果数字

化，采用DSP进行处理以确定信号的准确频率。

基本原理可用下图进行说明：

图4.2-3

IFM技术的基本原理

频谙42Q3

时域内的信号处理是将输入信号分为两个信号。

然后信号本身和经过延迟的相同信号混合在一起，这会产生两个数学项：

=J[cO^COoT)+CO^COQZ-COO-ZT)](4.2-3)

第一项与频率和对信号施加的时延成正比，第二项是被低通滤波器抑制的信号的二次谐

波。

在数字化之后，能够由DSP根据以下关系式估算瞬时频率：

fM-Lanxos(4.2-4)

0N**)]

IFM的另一个原理可以被称作是信号相位分析。

输入信号在I/Q通路被数字化、滤波和解调。

对于每一个样本，信号的瞬时相位(p被认为是Arctg(Q/I),瞬时频率可由以下关系式

导出：

6邈二也』(4.2-5)

2TCT5

”是采样的持续时间。

通过对计算得到的瞬时频率取平均，能计算出输入信号的中心频率。

4.2.3.1.2IFM技术的性能

典型地，对于纯载波或者幅度调制信号的载波，有可能获得每一秒甚至小于1秒(200

ms)的测量结果，同时保持数量级为1Hz甚至更高的准确度。

这些测量时间适合于中心频率缓慢漂移的信号，也使得通过连续测量证实漂移特性成为

可能。

数字信号处理技术使得以合理的成本开展具有高准确度和逼真度/可重复性的测量成为

可能，假设测量设备参考一个合适的频率标准，对于纯载波可以容易地达到数量级为IO-10

的准确度，现在能以过去锄钟价格的几分之一获得GPS锁定的频率标准，因此固定的的和

移动监测站现在均能在不过度花费的情况下获得较高的准确度,GPS频率标准的使用还解决

了测量的可追溯性以及频繁检查接收机合成器精度的问题。

因此对于9kHz以上到更高的UHF频率（3GHz）的纯载波，现代监测站上频率测量

的准确度能够达到大约1Hz。这项性能是适合的并且是必需的，只要检查ITU-R建议书中

描述的最严格频率准确度要求中的某一条，该建议书即高密度网络中模拟TV广播发射机的

频率设置（ITU-RBT.655建议书），

对随机调制信号频率测量的准确度取决于信号的统计数字和采样持续时间。通常，随机

调制信号的测量准确度要比纯正弦波低一个数量级（当锁定在10」°频率标准时，准确度为土

10Hz）,然而，经验和仿真表明，对于《无线电规则》规定的各种业务类型，上面推荐的测

量持续时间数值可以确保频率测量准确度至少要比要求的发射机精度高出一个数量级，即便

是对于随机调制的信号。

为了获得监测站性能的可重复表示，应针对纯正弦信号进行校准和准确度检验。

对于监测站上的频率测量，还应推荐一个最小的瞬时捕获带宽，这样能够将被测信号与

测量滤波器完全地匹配，实际上，测量应在这样的滤波器内进行，该滤波器应足够的宽以包

含要测量的发射，而且应足够窄以抑制来自邻近发射的影响。

现代接收机包括大量的滤波器（典型地为10个或者更多），这些滤波器通常足以提供

对常见信号的良好滤波；然而，应仔细选择拥有足够的带宽可以容纳被监测信号的设备，最

常见的被监测信号之一是FM广播，FM广播应呈现出不超过±75kHz的频率偏移，要求监

测站至少拥有大约

±200kHz到±300kHz的瞬时捕获带宽。±300kHz的带宽适合于许多现代数字信号，包括

GSM,但不适合于诸如DAB、IS95或者一些高速的点对点或点对多点系统之类的信号，例

如使用3GHz以下频率的乡村电话设备，对于这些系统，2MHz的带宽通常就足够了。考虑

到更宽的带宽需要更加昂贵的数字转换器和处理器，根据监测站的目标，建议用于测量的瞬

时捕获带宽应达到：

对于覆盖9kHz到3GHz的低级监测站，大约为±200kHz；

对于覆盖9kHz到3GHz的高级监测站，大约为±2MHz。

在某些情况下，可能需要更宽的瞬时带宽，例如±8到±10MHz,特别是监测3GHz以

上频率或者监测数字视频广播或者W/CDMA信号时。

4.23.2FFT方法

FFT是一种将数字幅度相对时间记录转换为幅度相对频谱显示的有效方法，适合由微处

理器实现的方法。

用于频率测量的FFT分析仪应具有以下特性：

在使用接收机IF端的ZOOMFFT能力，或者接收机的高频分辨率；

汉（汉明）窗口能力；

一个外部频率标准输入，5或10MHz；

至少16比特的分辨率；

其频率范围应覆盖要测量的接收机IF频率的范围；

远程控制接口；

为了测量有噪声的信号的频率，对所有可能的情况取平均。

现在，FFT已在测量设备（接收机或者频谱分析仪）中普遍使用，为了获得更高的频率

准确度，测量设备可以在频率标准的驱动下，例如这可以通过嵌入在设备中的GPS接收机

来实现。通过使用具有汉明加权（窗口）功能的ZOOM-FFT可以获得极高的频率分辨率（第

6.7段）。

频率估算是由功率谱中被检测到的峰值周围的功率谱线计算正确的频率,这可能会提高

基于FFT的频率测量的分辨率。

Z（Power0-iA/）

估算的频算=上匕兀---------------（4.2-6）

£PowerQ

/»j-3

其中：

j:所关注频率明显峰值的序列下标

Af=FJN

其中：

E：采样频率，

N:获得的时域信号的点数。

范围/±3是合理的，因为它代表一个比通常采用的汉明窗口的二波瓣更宽的范围，这

个计算能够显著地减少测量时间。

基于FFT的测量系统的优点是：

非常高的频率分辨率和准确度；

有可能测量公共信道信号的频率；

适合窄分辨带宽的更高速度；

与模拟接收机相比（采用可比拟的条件以及被分析的信号），接收机灵敏度和

信号分辨率得到了提高,

在一个特定的设备中，可以实现以下附加的优点：

容易调谐和调整到要监测的频段（通过计算机终端）；

关于采用各种频段有较高的灵活性；

频谱数据的数字存储；

由减少机械部件的数量带来的高可靠性；

由数字处理带来的所有系统设置的可重复性；

有可能通过电话线将数据传送到频谱用户、集中式办公室等，用于进一步的评

估和/或处理。

注1一在计算正确的频率时必须考虑在接收机IF输出端频谱的位置。

关于FFT处理的更多细节见第67段："快速傅里叶变换”o

图4.2-2所示的是稳定信号的频率测量，甚至采用了非常小的频率间隔（分隔）。

4.3RF电平的测量

4.3.8采用FFT分析仪的测量

现代FFT或者实时分析仪通常捕获信号的带宽总是要宽于信号的带宽，并使用FFT算法

计算频谱和总电平。使用者在捕获时间、带宽和分析长度上有很大的灵活性。缺省地，指示

电平是与RMS电平相对应的捕获时间内的平均功率。

可以通过选择可能最短的捕获时间，并使用涉及多个连续FFT的最大保存跟踪功能来测

量峰值电平。

加上有可能在猝发脉冲开始时触发捕获，可变化的捕获时间使得同步设备成为可能，这

样就能够去除间歇、只分析猝发脉冲。不同于扫频式频谱分析仪，其最小扫描时间由RBW

滤波器决定，FFT分析仪能够显示信号的真正频谱，即使只能够获得极短的瞬态图。必需的

捕获时间通常要比数字调制信号的猝发脉冲长度短得多，因此，FFT分析仪也能使用触发的

信道功率测量功能测量频域中的平均猝发电平。

图4.3-4所示的是来自采用COFDM调制的802.11gWLAN路由器的一个猝发脉冲，左

手窗口(时间纵览)显示整个捕捉或捕获的信号幅度对比时间，上面的蓝线表示分析信号的

时间(50ps),该时间只是整个捕获时间的一部分。

分析时间已经置于捕获时间窗口中，这样只有猝发脉冲会被分析，图4.3-4的右边显示

的是频域内的信道功率测量。

图4.3-4

采用FFT分析仪的频域内平均猝发脉冲测量

频谱43-04

该方法适合FFT分析仪，因为实际测量只在分析时间(二猝发脉冲时间)期间进行，因

此，指示的信道功率(-25.5dBm)实际上是平均猝发功率。

应注意到一些现代的宽带监测接收机也能完成FFT分析仪的功能,这类设备同样适合于

本节中描述的测量。

4.6.3模拟调制

4.6.3.1调幅

模拟幅度调制（AM）中要测量的关键参数是调制深度：

m（°/o）=Enuix~EminxlOO

Emax+

正常情况下该数值在0到100%之间，能够从标准量度的接收机直接读出。

当载波被过调制且m>100%时会出现临界状态，若圆<0也会出现临界状态，然而，

测量接收机不会显示临界状态，而调制深度的另一个定义为：

m±（%）=%一*疝〃*10G

2EC

£为能够使用的平均电平，例如，可以采用测量接收机和频谱分析仪测量得到E—E