移動(dòng)通信系統中互調的產(chǎn)生機制與干擾排查

1 概述

互調（IM，InterModulation）是指當兩個(gè)或多個(gè)頻率信號經(jīng)過(guò)具有非線(xiàn)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(chēng)互調產(chǎn)物、交調或交調產(chǎn)物。為了提升系統容量，通信系統中同時(shí)采用多個(gè)載波（頻點(diǎn)）的現象非常普遍，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(xiàn)性特點(diǎn)，互調及互調干擾成為常見(jiàn)現象，在蜂窩移動(dòng)通信系統、微波通信系統、集群移動(dòng)通信系統、衛星通信系統、艦船通信系統等系統、民航通信系統、有線(xiàn)電視系統等系統中都有發(fā)現并引起廣泛注意。

互調一般分成有源互調和無(wú)源互調兩種。鑒于所產(chǎn)生互調產(chǎn)物的嚴重程度，傳統上人們主要關(guān)注有源互調，但隨著(zhù)更大功率發(fā)射機的應用和接收機靈敏度的不斷提高，無(wú)源互調產(chǎn)生的系統干擾日益嚴重，因此越來(lái)越被運營(yíng)商、系統制造商和器件制造商所關(guān)注。文獻[1]對比了有源互調和無(wú)源互調的特征：

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

無(wú)源互調的特點(diǎn)：（1）隨功率而變，美國安費諾公司的實(shí)驗證實(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(xiàn)性程度。（3）研究理論滯后，仿真研究手段未有實(shí)質(zhì)突破，離工程化尚有相當距離。（4）產(chǎn)生環(huán)節多，傳輸方向非單一，難以抑制。（5）存在高階互調。

資助信息：本文受?chē)?ldquo;新一代寬帶無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)”重大專(zhuān)項“TD-LTE網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化工具開(kāi)發(fā)”（2010ZX03002-008）項目資助

2 2 互調的產(chǎn)生機制

2.1諧波的產(chǎn)生機制

假設網(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， 為線(xiàn)性放大項， 、 等高次冪項系數非零時(shí)，輸出信號就會(huì )出現非線(xiàn)性增大失真，即通常所說(shuō)的諧波和互調干擾。單頻信號經(jīng)過(guò)接收機等處理后，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。

假設輸入一個(gè)單頻正弦波，

代入泰勒展開(kāi)式中，展開(kāi)式右邊的2次冪項為：

（2）

上式出現了2倍頻信號（ ），即通常稱(chēng)作的2次諧波干擾信號；同樣地，展開(kāi)式右邊的3次冪項可以得到3次諧波干擾信號-----。

2.2互調的產(chǎn)生機制

假設網(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。

（3）

A．2階互調的推導

泰勒展開(kāi)式展開(kāi)后的2次冪項為：

（4）

上式中， 和 數學(xué)變換后得到的是上面已經(jīng)介紹過(guò)的2次諧波干擾信號，而 經(jīng)過(guò)三角變換后得到：

（5）

此式中的后兩項即是所謂的2階互調項，信號頻率分別是： 和 。

B．3階互調的推導

兩個(gè)標準正弦信號代入泰勒展開(kāi)式后的3次冪項為：

（6）

上式中， 和 數學(xué)變換后引起的是3次諧波項，而 經(jīng)過(guò)三角變換后得到：

（7）

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

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

同樣地，可以得到4階互調項、5階互調項、6階互調項-----。

B．N階互調的一般性定義

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

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

2.3互調的強度規律

文獻[4]論證了互調產(chǎn)物漸近下降的特點(diǎn)，即一般認為高階互調產(chǎn)物的強度低于低階互調；但互調產(chǎn)物的強度預測至今仍是一個(gè)學(xué)術(shù)難題，尤其對于無(wú)源互調。文獻[4]提出了利用較為容易測量的低階互調產(chǎn)物來(lái)預測高階互調的方法，并給出了一組驗證數據（表 1）。業(yè)界也有常見(jiàn)結論認為，五階互調一般比三階互調低20dB左右，七階互調比五階互調低約15dB，因此習慣使用低階互調（如三階互調、五階互調和七階互調）來(lái)衡量器件的互調性能。

表1. 預測結果與實(shí)測結果的比較（dBm）

2.4互調的影響因素

文獻[1]指出：PIM是由器件的非線(xiàn)性引起的。非線(xiàn)性有3種可能的主要模式，一類(lèi)為接觸非線(xiàn)性，另一類(lèi)為材料非線(xiàn)性，還有一類(lèi)就是工藝非線(xiàn)性。接觸非線(xiàn)性表示任何具有非線(xiàn)性電流與電壓行為的接觸，如彎折不勻的同軸電纜、不盡平整的波導法蘭盤(pán)、松動(dòng)的調諧螺絲、松動(dòng)的鉚接、氧化和腐蝕的接觸等；材料非線(xiàn)性指具有固有非線(xiàn)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(xiàn)性。

通過(guò)對天線(xiàn)的互調干擾的測試過(guò)程和測試結果的分析，文獻[5]認為減小天線(xiàn)在大功率下呈現的非線(xiàn)性以降低互調干擾，在天線(xiàn)及饋電的電纜上應該不使用非線(xiàn)性材料，如鐵、鎳等；天線(xiàn)的金屬與金屬的連接應防止松滑，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(xiàn)為同軸電纜饋電，同軸電纜的彎曲程度應該盡量低，以免在電纜的連接處造成較大的應力，形成互調干擾產(chǎn)生的隱患。

3 互調的測試方法

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