三階互調的計算及IP3測試原理和方法

三階交截點(diǎn)(IP3)是衡量通信系統線(xiàn)性度的一個(gè)重要指標，他反映了系統受到強信號干擾時(shí)互調失真的大小。當系統的IP3較高時(shí)，要精確測試IP3 會(huì )比較困難，因為測試環(huán)境中各種因素(如測試配件的隔離度、線(xiàn)性度和匹配性等)都容易影響高IP3的測試。下面將簡(jiǎn)略介紹IP3的測試原理，詳細分析高 IP3的測試方法。

1　IP3測試原理

在無(wú)線(xiàn)通信設 備中，器件(如放大器、混頻器、調制/解調器等)的非線(xiàn)性通常會(huì )使同時(shí)侵入2個(gè)或多個(gè)強干擾信號發(fā)生相互調制，并產(chǎn)生新的頻率成分，這種現象稱(chēng)為互調?；?調干擾不僅能降低有用信號的功率，引起信號失真，降低系統選擇性，還能破壞鄰近信道的性能。因此，互調性能是系統常檢指標，通常用IP3來(lái)表示。

IP3是工作頻率信號在理想線(xiàn)性系統中的輸出信號與三階互調分量幅值相等時(shí)的交點(diǎn)，是一個(gè)固定點(diǎn)。如圖1所示［1］。該點(diǎn)是虛交點(diǎn)，實(shí)際系統中無(wú)法直接測出，但可以通過(guò)相關(guān)的測量值計算出來(lái)。下面將簡(jiǎn)單介紹IP3計算式的原理。

雖 然侵入系統的強信號可能有2個(gè)或2個(gè)以上，但為了測試的方便，假設只有2個(gè)強的等幅單音信號侵入了系統。若用一個(gè)冪級數來(lái)表示器件的非線(xiàn)性作用，并假設單 音信號的頻率分別為f1和f2，那么不難推出三階互調分量的頻率為(2f1－f2)或(2f2－f1)。IP3(IIP3，OIP3)的計算式為［2］：

其中：IIP3為輸入IP3，是IP3的橫坐標；
OIP3為輸出IP3，是IP3的縱坐標；
Pin為單音信號的輸入功率電平；
Pout為單音信號的輸出功率電平；
G為被測件(Device Under Test - DUT)的小信號增益。
IMD3為三階互調失真，他等于干擾信號的輸出功率電平減去三階互調量功率電平的值，即：

式(2)中各元素的關(guān)系如圖2所示。由式(1)和(2)可知，如果測出單音信號的輸入/輸出功率和三階互調分量的電平值，就可求出輸入/輸出IIP3的值。

2　高IP3的測試方法

IP3的一般測試方法是按照圖3搭建測試環(huán)境，向DUT輸入2個(gè)強的單音信號，測出DUT輸出端單音信號的電平和三階互調產(chǎn)物的電平，再利用式(1)和式(2)計算出IP3的大小。

當 DUT的線(xiàn)性度較好時(shí)，其IP3較高。測試這種IP3有2個(gè)特點(diǎn)：一是輸入的單音信號很強；二是產(chǎn)生的三階互調分量很弱。由于強信號輸入容易使測試系統其 他器件也進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)，產(chǎn)生同頻的互調分量或其他雜波；弱互調分量容易被大信號掩蓋，所以高IP3的測試工作不能簡(jiǎn)單按照一般測試方法進(jìn)行，需做一些改進(jìn)：

(1)選用高質(zhì)量的信號源
信號源本身具有非線(xiàn)性，有一定的動(dòng)態(tài)范圍。當信號源輸出大功率信號時(shí)，一些器件進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)，使得輸出信號質(zhì)量大大降低，如含有各種雜波或多次諧波。因此需選用高質(zhì)量的信號源，如合成信號源，他的線(xiàn)性度較高，噪聲比較低。

(2) 隔離2個(gè)信號源，減小他們的相互作用　　如果不隔離2個(gè)信號源，他們的自適應邏輯電路會(huì )相互作用產(chǎn)生互調分量［3］，影響DUT弱互調分量的測試。因此最 好在每個(gè)信號源與功率合成器之間加一個(gè)隔離器。鐵氧體磁性材料隔離器是較理想的選擇，因為他的隔離度高，差損小。也可以選用10～20 dB的固定衰減器來(lái)隔離，但他們的隔離度不高，為了補償衰減器的衰減量需要加大信號源的輸出功率，因此采用固定衰減器不是理想選擇。

(3)選用線(xiàn)性好的功率合成器
功率合成器也有一定的非線(xiàn)性，遭遇強信號時(shí)也會(huì )產(chǎn)生同頻互調分量，如果他的互調分量較大，就會(huì )掩蓋DUT產(chǎn)生的弱互調分量。因此，需采用易匹配且線(xiàn)性度高的功率合成器，如阻性功率合成器。他基本上完全線(xiàn)性，自己不會(huì )產(chǎn)生互調分量，并且各個(gè)端口具有良好的匹配性。

(4)增強測試系統的匹配性
系統的匹配性非常重要，為確保系統的良好匹配，可在功率合成器與DUT之間和頻譜儀與DUT之間分別加一個(gè)6～10 dB的固定衰減器［3］。系統統一采用50Ω匹配。

(5)選用動(dòng)態(tài)范圍大的頻譜分析儀
頻 譜儀的動(dòng)態(tài)范圍是指在能以給定不確定度測量較小信號的頻譜分析儀輸入端同時(shí)存在的最大信號與最小信號之比。當測試高IP3時(shí)，輸入頻譜儀的單音信號幅度很 大而三階互調分量幅度又很小，如果頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍不夠將無(wú)法同時(shí)測出這2種信號的大小，因此需選用大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜分析儀。

(6)需判別測試結果的有效性
頻 譜分析儀的前端結構如圖4所示。頻譜分析儀的IP3通常不高，如安捷倫PSA系列頻譜儀(E444xA)在混頻器輸入電平為－30 dBm時(shí)，其IIP3小于＋20 dBm。所以測試高IP3時(shí)不能忽略頻譜儀的非線(xiàn)性，輸入DUT的強單音信號也會(huì )在頻譜儀中相互調制產(chǎn)生同頻的互調分量。當該互調分量較大時(shí)就需判斷頻譜 儀上顯示的互調分量主要是DUT產(chǎn)生的還是頻譜儀自身產(chǎn)生的，即判斷測試結果是否有效。下面總結了3種判斷方法：