Spektrale Reinheit Messung von Funkstörungen

Allerlei elektromagnetische Wellen werden von unseren haushaltsüblichen drahtlosen Kommunikationssystemen und anderen elektronischen Anwendungen erzeugt, die häufig im selben Frequenzband nebeneinander arbeiten. Bedingt durch diese Koexistenz können Interferenzen entstehen, die den Betrieb der einzelnen Systeme und deren Funkabdeckung beeinträchtigen können. Es ist demnach sehr wichtig, über die »spektrale Reinheit« der Umwelt und die Übertragungsqualität im Funkkanal nachzudenken, um Erkenntnisse über die beteiligten Störfaktoren und deren Einflüsse zu gewinnen.

Die Mittenfrequenz eines überlagernden Störsignals ist der wichtigste Parameter, den es zu bestimmen gilt, wenn man den Ursprung identifizieren möchte. Das Signal, das den Empfang einer Übertragung stört, kann dabei entweder innerhalb oder außerhalb des Bandes liegen, welches das Signal selbst beinhaltet. Es breitet sich über die Antenne zum Empfänger aus. Da der Empfänger eines Übertragungssystems Frequenzen abseits der Nutzfrequenz nicht empfangen kann, sollte im Rahmen der Überwachung statt des Empfängers ein Spektrumanalysator Verwendung finden.

Der Spektrumanalysator »sieht« über die Antenne des Übertragungssystems auch die abseits liegenden Frequenzbänder, wodurch Rückschlüsse auf mögliche Störparameter, deren Pegel und Einfallsrichtung möglich sind. Die Analyse des Frequenzspektrums erlaubt es, eine Reihe von essenziellen Parametern zu ermitteln, darunter die Frequenz des Signals, die Feldstärke, der Oberschwingungsanteil, die Qualität und die Modulationsart, Verzerrung oder Rauschen.

Im Folgenden soll es um vier essenzielle Aspekte und die damit verbundenen Hard- und Softwareoptionen der Spektrumanalysatoren von Anritsu (»Spectrum Master«, »BTS-«, »Cell-«, »LMR-Master« sowie »VNA Master«) gehen:

  • Identifizieren von Störsignalen und Interferenzen,
  • Identifizieren unbekannter Signale,
  • Orten von Störsignalen und Interferenzen sowie
  • Messen des Signal-Interferenz-Verhältnisses.

Wer stört?

Störungen und Interferenzen können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen stammen. Dazu zählen versteckte Sender, unlizenzierte Aussendungen in zugewiesenen Frequenzbändern, Aussendungen, die sich in unmittelbarer Nähe der Trägerfrequenz des Nutzsignals befinden und somit in der Nutzbandbreite liegen, elektronische Störmaßnahmen zur Unterbrechung und Störung von Nutzsignalen sowie unbeabsichtigte Aussendungen. In all diesen Fällen ist der erste Schritt die Detektion der unerwünschten Signale, was nicht immer einfach ist.

Nun hat man zwar Kenntnisse über das Signal an sich, die größte Herausforderung liegt jedoch in der Lokalisierung der Quelle beziehungsweise dem eigentlichen Grund für die Störausstrahlung. Moderne Spektrumanalysatoren bringen zahlreiche Softwareoptionen mit, um Interferenzen zu analysieren beziehungsweise zu orten. Zu den Voraussetzungen für die Detektion von Störern gehören eine hohe Empfindlichkeit, also niedriger DANL (Displayed Average Noise Level), um Aussendungen mit kleinen Pegeln selbst noch im Rauschen zu identifizieren, ein hoher Dynamikbereich, also die Möglichkeit, unmittelbar nebeneinander liegende relativ hohe und kleine Pegel verzerrungsfrei darzustellen, und ein geringes Phasenrauschen des Lokaloszillators zur Auflösung unmittelbar nebeneinander liegender spektraler Komponenten.

Neben diesen unabdingbaren Grundvoraussetzungen für die Spektralanalyse bieten Anritsus Instrumente eine spezielle Betriebsart für die Identifikation bekannter, unbekannter, permanenter oder zufälliger Signale. Diese Option bietet folgende Messmöglichkeiten:

  • Spektrogramm (Wasserfalldarstellung),
  • RSSI (Received Signal Strength Indicator), also Messung des Signalpegels über der Zeit im Zero-Span-Betrieb auf einer fest eingestellten Frequenz,
  • Feldstärkemessung (Momentanwertanzeige) im Zero-Span-Betrieb auf einer fest eingestellten Frequenz und akustische Überwachung des demodulierten Signals,
  • Signalidentifikation im Hinblick auf Mittenfrequenz, Bandbreite, Kanalnummer, SNR und Modulationsart (FM, CDMA, GSM, WCDMA, WLAN).
Bilder: 3

Spektrale Reinheit

Spektrale Reinheit

Mit der »Wasserfalldarstellung« lassen sich Störaussendungen intermittierender Signale einfach analysieren. Teile des Spektrums oder der gesamte Frequenzbereich des Gerätes können bis zu einer Dauer von maximal 72 Stunden in zuvor definierten Zeitintervallen aufgezeichnet werden. Das Post-Processing, also die Analyse der Messdaten, kann mit den kostenlos verfügbaren »Master Software Tools« durchgeführt werden.

Die zwei- oder dreidimensionale Darstellung erlaubt Messungen im Zeit- und Frequenzbereich. Das in Bild 1 (siehe Bilderstrecke) gezeigte 3D-Spektrogramm macht Störungen leicht erkennbar. Anstatt der zuvor angeführten »Wiedergabe« aller erfassten Spektren sieht man nun das Frequenzgeschehen auf einen Blick.

Ortung des Unbekannten

Sind mehrere Signale eng miteinander verwoben, ist es schwierig die darin enthaltenen Signaltypen zu unterscheiden. Die Signal-ID-Funktion stellt dabei in Listenform die identifizierten Signale hinsichtlich Mittenfrequenz, Bandbreite, Kanalnummer, SNR und Modulationsart (FM, CDMA, GSM, WCDMA, WLAN) im Bereich der gesetzten Start- und Stoppfrequenz dar.

Daneben lassen sich mit einer Cursorfunktion auch einzelne Frequenzbereiche analysieren. Wenn das Gerät den Signaltyp erkennt, erscheint ein blauer Balken (Bilder 2 und 3 in der Bilderstrecke) zur Identifizierung des durch das Messsignal belegten Bereiches.

Die Ortung von Störsignalen ist mit der der »Interference Analyzer Option« in Verbindung mit der GPS-Empfänger-Option recht einfach.

Der Anwender schließt eine Richtantenne (Bild 4) an das Gerät an und peilt auf der in das Gerät hochgeladenen georeferenzierten Karte (etwa aus »GoogleMaps«) den vermuteten Senderstandort an.

Die akustische Überwachung des zu peilenden Signals mit der Feldstärkemessoption erlaubt die Ermittlung der Einfallsrichtung.

Wiederholte Messungen von zwei oder drei verschiedenen Standorten ermöglicht es, die ungefähre geographische Position zu triangulieren (siehe Bild 5).

Die Feldstärkemessfunktion ist auch im Nahbereich des vermuteten Senders hilfreich.

Mittels akustischer Auswertung des Signals findet der Anwender die Richtung mit Hilfe der Richtantenne und dem Gehör.

Bei einer Veränderung der Ausrichtung der Antenne wird der Signalton, abhängig von Herkunftsort und Stärke der Quelle, lauter oder leiser.

Signale und Interferenzen

Die Qualität von Übertragungssys-temen nach dem WLAN-Standard IEEE 802.11x oder den GSM- beziehungsweise CDMA-Mobilfunkstandards und deren Robustheit hängt letztendlich vom Verhältnis Signalpegel (C) zu Interferenz (I) ab, dem so genannten C/I-Ratio. Es ist daher wichtig, im Funkfeld C/I-Abschätzungen vornehmen zu können. Das Ergebnis erlaubt eine Aussage darüber, ob das Übertragungssystem unter den jeweiligen Bedingungen vor Ort (Kanaldispersion, Delay-Spread und den damit einhergehenden Intersymbol-Interferenzen) erfolgreich arbeiten kann.

Die C/I-Messung wird in zwei Stufen durchgeführt: Erst wird der Pegel des modulierten Sig-nals gemessen, dann das Signal ausgeschaltet, sodass nun der Summenpegel von Interferenz und Rauschen gemessen werden kann. Im Anschluss ist das C/I-Verhältnis direkt auf dem Analysebildschirm zu sehen. Mit einer ebenfalls als Option erhältlichen Betriebsart »Scanner« können zuvor definierte Frequenzkanäle in Form einer Balkengrafik oder im Listenformat überwacht werden. Das Display stellt bis zu 20 Kanäle dar.

Die Software »Script ScanMaster« überwacht maximal 1200 Kanäle, wobei die zu überwachenden Frequenzen ein kontinuierliches Spektrum abdecken oder beliebig angeordnet sein können.

Flugverkehr

Ein Beispiel: Auf einem realen Flughafenstandort befinden sich neun lokale Sendestationen. Ein UKW-Rundfunksender auf 106,50 MHz, Bandbreite 80 kHz; ein ERMES-Paging-Sender auf UKW 169,50 MHz, Bandbreite 25 kHz, 4-PAM; drei Mobilfunksektoren, GSM 1800 auf 1805,2 MHz (Kanal 512), Bandbreite 200 kHz, 8-PSK, AMP/EIA auf UKW 885,75 MHz (Kanal 553), Bandbreite 30 kHz und PCS 1900 auf 1932,5 MHz (Kanal 50), Bandbreite 200 kHz, GMSK; außerdem ein Amateurfunk-Repeater auf UKW 147,36 MHz, Bandbreite 12,5 kHz nebst Amateurfunk-Packet-Radio-Repeater auf 485,5625 MHz, Bandbreite 20 kHz, FSK; ein LMR (Land Mobile Radio) auf 451,7875 MHz, Bandbreite 12,5 kHz, C4FM sowie das Flight-Information-System auf 121,4 MHz, Bandbreite 25 kHz, AM (A3E).

Zur Überwachung oder Kontrolle möglicher Interferenzen erlaubt es die Option »27«, für jeden Sender beziehungsweise den aus dem Frequenzgemisch resultierenden Intermodulationsprodukten einen »Überwachungskanal« zu definieren. Die gezielte Überwachung einzelner Frequenzkanäle ist damit durchaus relativ einfach und schnell geworden.

 

Über die Autoren:

Cyril Noger ist Product Specialist, Ferdinand Gerhardes ist Program Manager Research, beide bei Anritsu.