移動(dòng)通信系統(tǒng)中互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)制與干擾排查

1 概述

互調(diào)（IM，InterModulation）是指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)頻率信號經(jīng)過具有非線性特征的器件時(shí)產(chǎn)生的與原信號有和差關(guān)系的射頻信號，又稱互調(diào)產(chǎn)物、交調(diào)或交調(diào)產(chǎn)物。為了提升系統(tǒng)容量，通信系統(tǒng)中同時(shí)采用多個(gè)載波（頻點(diǎn)）的現(xiàn)象非常普遍，而且載波功率也有逐漸加大的趨勢；考慮到實(shí)際電路通常都具備非線性特點(diǎn)，互調(diào)及互調(diào)干擾成為常見現(xiàn)象，在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、集群移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、艦船通信系統(tǒng)等系統(tǒng)、民航通信系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有發(fā)現(xiàn)并引起廣泛注意。

互調(diào)一般分成有源互調(diào)和無源互調(diào)兩種。鑒于所產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物的嚴(yán)重程度，傳統(tǒng)上人們主要關(guān)注有源互調(diào)，但隨著更大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用和接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，因此越來越被運(yùn)營商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關(guān)注。文獻(xiàn)[1]對比了有源互調(diào)和無源互調(diào)的特征：

有源互調(diào)的特點(diǎn)：（1）有源電路的非線性相對固定，不隨時(shí)間而變化；（2）分析理論相對成熟；指標(biāo)明確，規(guī)范均能給出明確指標(biāo)要求；（3）傳輸方向相對穩(wěn)定；（3）可通過增加帶通／帶阻濾波器或改善濾波器性能加以抑制，高階互調(diào)干擾幾近忽略。

無源互調(diào)的特點(diǎn)：（1）隨功率而變，美國安費(fèi)諾公司的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，輸入功率每增大1dBm，PIM產(chǎn)生電平變化約3 dBm；（2）隨時(shí)間而變。材料表面氧化、連接處接觸壓力、電纜彎曲程度等均會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，進(jìn)而影響非線性程度。（3）研究理論滯后，仿真研究手段未有實(shí)質(zhì)突破，離工程化尚有相當(dāng)距離。（4）產(chǎn)生環(huán)節(jié)多，傳輸方向非單一，難以抑制。（5）存在高階互調(diào)。

資助信息：本文受國家“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”重大專項(xiàng)“TD-LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具開發(fā)”（2010ZX03002-008）項(xiàng)目資助

2 2 互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)制

2.1諧波的產(chǎn)生機(jī)制

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)單頻信號輸入，輸出信號和輸入信號之間的關(guān)系如下：

（1）

上式中， 為直流項(xiàng)， 為線性放大項(xiàng)， 、 等高次冪項(xiàng)系數(shù)非零時(shí)，輸出信號就會(huì)出現(xiàn)非線性增大失真，即通常所說的諧波和互調(diào)干擾。單頻信號經(jīng)過接收機(jī)等處理后，輸出信號常常會(huì)伴有N倍頻率的信號，這就是所謂的N次諧波。

假設(shè)輸入一個(gè)單頻正弦波，

代入泰勒展開式中，展開式右邊的2次冪項(xiàng)為：

（2）

上式出現(xiàn)了2倍頻信號（ ），即通常稱作的2次諧波干擾信號；同樣地，展開式右邊的3次冪項(xiàng)可以得到3次諧波干擾信號-----。

2.2互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)制

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)單頻信號輸入，那么此時(shí)產(chǎn)生的干擾除了諧波外，還有互調(diào)。

（3）

A．2階互調(diào)的推導(dǎo)

泰勒展開式展開后的2次冪項(xiàng)為：

（4）

上式中， 和 數(shù)學(xué)變換后得到的是上面已經(jīng)介紹過的2次諧波干擾信號，而 經(jīng)過三角變換后得到：

（5）

此式中的后兩項(xiàng)即是所謂的2階互調(diào)項(xiàng)，信號頻率分別是： 和 。

B．3階互調(diào)的推導(dǎo)

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號代入泰勒展開式后的3次冪項(xiàng)為：

（6）

上式中， 和 數(shù)學(xué)變換后引起的是3次諧波項(xiàng)，而 經(jīng)過三角變換后得到：

（7）

此式中的后兩項(xiàng)即是所謂的3階互調(diào)項(xiàng)，信號頻率分別是：2f0-f1和2f0+f1。

同樣， 也可以經(jīng)過三角變換得到兩個(gè)3階互調(diào)項(xiàng)，信號頻率分別是：2f1-f0和2f1+f0。

同樣地，可以得到4階互調(diào)項(xiàng)、5階互調(diào)項(xiàng)、6階互調(diào)項(xiàng)-----。

B．N階互調(diào)的一般性定義

將以上雙頻信號互調(diào)的分析推廣到多頻，即可得到互調(diào)產(chǎn)物在頻率上的一般表達(dá)式為 ， 、 、---、 為任意整數(shù)值， 即互調(diào)產(chǎn)物的階數(shù)。

一般地，每一對互調(diào)產(chǎn)物中的加號項(xiàng)（如f0+f1、2f0+f1）通常超出工作帶寬，只有減號項(xiàng)（如2f0-f1、3f0-2f1）才可能落在工作帶寬附近；并且對于偶數(shù)階的互調(diào)產(chǎn)物，其減號項(xiàng)（如f0-f1、2f0-2f1）接近直流項(xiàng)，通常也位于工作帶寬之外。因此，業(yè)界主要關(guān)注奇數(shù)階減號項(xiàng)互調(diào)。

2.3互調(diào)的強(qiáng)度規(guī)律

文獻(xiàn)[4]論證了互調(diào)產(chǎn)物漸近下降的特點(diǎn)，即一般認(rèn)為高階互調(diào)產(chǎn)物的強(qiáng)度低于低階互調(diào)；但互調(diào)產(chǎn)物的強(qiáng)度預(yù)測至今仍是一個(gè)學(xué)術(shù)難題，尤其對于無源互調(diào)。文獻(xiàn)[4]提出了利用較為容易測量的低階互調(diào)產(chǎn)物來預(yù)測高階互調(diào)的方法，并給出了一組驗(yàn)證數(shù)據(jù)（表 1）。業(yè)界也有常見結(jié)論認(rèn)為，五階互調(diào)一般比三階互調(diào)低20dB左右，七階互調(diào)比五階互調(diào)低約15dB，因此習(xí)慣使用低階互調(diào)（如三階互調(diào)、五階互調(diào)和七階互調(diào)）來衡量器件的互調(diào)性能。

表1. 預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較（dBm）

2.4互調(diào)的影響因素

文獻(xiàn)[1]指出：PIM是由器件的非線性引起的。非線性有3種可能的主要模式，一類為接觸非線性，另一類為材料非線性，還有一類就是工藝非線性。接觸非線性表示任何具有非線性電流與電壓行為的接觸，如彎折不勻的同軸電纜、不盡平整的波導(dǎo)法蘭盤、松動(dòng)的調(diào)諧螺絲、松動(dòng)的鉚接、氧化和腐蝕的接觸等；材料非線性指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料和碳纖維等；后者指因加工工藝引起的電傳輸非線性。

通過對天線的互調(diào)干擾的測試過程和測試結(jié)果的分析，文獻(xiàn)[5]認(rèn)為減小天線在大功率下呈現(xiàn)的非線性以降低互調(diào)干擾，在天線及饋電的電纜上應(yīng)該不使用非線性材料，如鐵、鎳等；天線的金屬與金屬的連接應(yīng)防止松滑，盡量少使用螺紋連接，如果條件允許，最好焊接；由于所測試的天線為同軸電纜饋電，同軸電纜的彎曲程度應(yīng)該盡量低，以免在電纜的連接處造成較大的應(yīng)力，形成互調(diào)干擾產(chǎn)生的隱患。

3 互調(diào)的測試方法

目前，國際上制造三階互調(diào)整套測試設(shè)備的廠家主要有英國Summitek和德國羅森博格（Rosenberger）等，國內(nèi)廠家有杭州紫光、鎮(zhèn)江澳華和南京納特等。