移動通信系統(tǒng)中互調(diào)的產(chǎn)生機制與干擾排查 - 全文

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　　1 概述

　　互調(diào)(IM，InterModulation)是指當兩個或多個頻率信號經(jīng)過具有非線性特征的器件時產(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)中同時采用多個載波(頻點)的現(xiàn)象非常普遍，而且載波功率也有逐漸加大的趨勢;考慮到實際電路通常都具備非線性特點，互調(diào)及互調(diào)干擾成為常見現(xiàn)象，在蜂窩移動通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、集群移動通信系統(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)射機的應(yīng)用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴重，因此越來越被運營商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關(guān)注。文獻[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：(1)有源電路的非線性相對固定，不隨時間而變化;(2)分析理論相對成熟;指標明確，規(guī)范均能給出明確指標要求;(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：(1)隨功率而變，美國安費諾公司的實驗證實，輸入功率每增大1dBm，PIM產(chǎn)生電平變化約3 dBm;(2)隨時間而變。材料表面氧化、連接處接觸壓力、電纜彎曲程度等均會隨時間發(fā)生改變，進而影響非線性程度。(3)研究理論滯后，仿真研究手段未有實質(zhì)突破，離工程化尚有相當距離。(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通信網(wǎng)”重大專項“TD-LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具開發(fā)”(2010ZX03002-008)項目資助

　　2 2 互調(diào)的產(chǎn)生機制[1][2]

　　2.1諧波的產(chǎn)生機制

　　假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個單頻信號輸入，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， 為線性放大項， 、 等高次冪項系數(shù)非零時，輸出信號就會出現(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)過接收機等處理后，輸出信號常常會伴有N倍頻率的信號，這就是所謂的N次諧波。

　　假設(shè)輸入一個單頻正弦波，

　　代入泰勒展開式中，展開式右邊的2次冪項為：

　　(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次冪項可以得到3次諧波干擾信號-----。

　　2.2互調(diào)的產(chǎn)生機制

　　假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中兩個單頻信號輸入，那么此時產(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

　　泰勒展開式展開后的2次冪項為：

　　(4)

　　上式中， 和 數(shù)學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)

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

　　B.3階互調(diào)的推導

　　兩個標準正弦信號代入泰勒展開式后的3次冪項為：

　　(6)

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

　　(7)

　　此式中的后兩項即是所謂的3階互調(diào)項，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3階互調(diào)項，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、5階互調(diào)項、6階互調(diào)項-----。

　　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(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(shù)階的互調(diào)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(shù)階減號項互調(diào)。

　　2.3互調(diào)的強度規(guī)律

　　文獻[4]論證了互調(diào)產(chǎn)物漸近下降的特點，即一般認為高階互調(diào)產(chǎn)物的強度低于低階互調(diào);但互調(diào)產(chǎn)物的強度預(yù)測至今仍是一個學術(shù)難題，尤其對于無源互調(diào)。文獻[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，并給出了一組驗證數(shù)據(jù)(表 1)。業(yè)界也有常見結(jié)論認為，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。

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　　表1. 預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果的比較(dBm)

　　2.4互調(diào)的影響因素

　　文獻[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、不盡平整的波導法蘭盤、松動的調(diào)諧螺絲、松動的鉚接、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[5]認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。

　　3.1互調(diào)的兩種測試方法

　　互調(diào)指標的嚴格測試一般在專業(yè)的微波暗室進行，這是因為周邊環(huán)境尤其是鐵磁材料會對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。具體又分為正向互調(diào)(Forward IM)和反向互調(diào)(Reverse IM)兩種方式。其中正向互調(diào)又稱為傳輸互調(diào)(Transfer IM)，反向互調(diào)又稱為反射互調(diào)(Reflection IM)。這兩者的差異主要體現(xiàn)在其射頻前端模塊的不同，它們的系統(tǒng)框圖如圖 1所示[6]。

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　　圖1. 反向互調(diào)(上)和正向互調(diào)(下)測量原理

　　雙工器、濾波器、定向耦合器等器件一般采用正向互調(diào)測量方式，天線和負載等器件一般采用反向互調(diào)測量方式。對于同一器件的兩種不同測試方式，反射方式的互調(diào)產(chǎn)物通常比傳輸方式樂觀。

　　IEC推薦利用兩個連續(xù)波(CW)信號源對每一個樣本的三階互調(diào)產(chǎn)物的功率電平進行測量，在測試端每一個信號源為43dBm(20w)。顯然，這是針對早期的基站而言，直到現(xiàn)在，這個功率等級依然適用于大多數(shù)器件的測量。隨著新的數(shù)字蜂窩通信標準的不斷誕生，出現(xiàn)了更大幅度和更大范圍的功率等級。因此，除了43 dBm以外，還出現(xiàn)了小至26 dBm和大到5l dBm條件下的測量要求[7]。

　　3.2常見器件的指標要求

　　互調(diào)指標有絕對值和相對值兩種表達方式。絕對值表達方式是指以dBm為單位的互調(diào)的絕對值大小;相對值表達方式是指互調(diào)值與其中一個載頻的比值(這是因為無源器件的互調(diào)失真與載頻功率的大小有關(guān))，用dBc來表示。典型的無源互調(diào)指標是在兩個43dBm的載頻功率同時作用到被測器件DUT時，DUT產(chǎn)生-110dBm(絕對值)的無源互調(diào)失真，其相對值為-153dBc。

　　按照背景噪聲為-107dBm的標準估算，參照文獻[8]提供的材料，PIM3:<-120dBc@2*43dBm的無源器件適用于2W/每載波以下(含2W/每載波)的小功率場景，PIM3:<-150dBc@2*43dBm的無源器件適用于于2W/每載波至20W/每載波(含20W/每載波)場景，PIM3:<-160dBc@2*43dBm的無源器件適合于20W/每載波以上的超大功率環(huán)境。

　　實踐中，天線的三階互調(diào)產(chǎn)物一般要求不超過-107dBm，也即-150dBc。定向耦合器、功率分配器、雙工器、連接器和電纜組件等無源器件的其互調(diào)產(chǎn)物通常在-120～-100dBm，也即-163～-143dBc;而某些器件的互調(diào)產(chǎn)物更大，如鐵氧體器件的互調(diào)產(chǎn)物可達-60 dBc甚至更大。對于前一類器件，不要求測量系統(tǒng)的測量范圍太大。目前同類產(chǎn)品的互調(diào)測量上限是-65 dBm，也即-108 dBc。對于后一類器件，可以采用通用的頻譜分析儀測量，其測量范圍至少可以達到-150～30 dBm。

　　干放和直放站等有源設(shè)備或器件的互調(diào)指標要求分別如表 2和表 3所示。

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　　4互調(diào)在移動通信系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

　　4.1應(yīng)當注意的系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間互調(diào)干擾

　　表 4和表5列出了常見移動通信系統(tǒng)的互調(diào)干擾情況?？梢钥闯?，中國移GSM900M系統(tǒng)的五階互調(diào)和七階互調(diào)產(chǎn)物會對本系統(tǒng)形成干擾，同時也會影響到中國聯(lián)通GSM900M系統(tǒng);中國移動DCS1800系統(tǒng)的七階互調(diào)產(chǎn)物會對本系統(tǒng)形成干擾;中國電信CDMA800M系統(tǒng)的五階互調(diào)和七階互調(diào)產(chǎn)物會對中國移動和中國聯(lián)通的GSM900M系統(tǒng)形成干擾。

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　　個別情況下，二階互調(diào)產(chǎn)物(F1+F2)也會對其他系統(tǒng)造成影響，比如CDMA800系統(tǒng)的二階互調(diào)產(chǎn)物也會對聯(lián)通的GSM1800系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 在多系統(tǒng)合路的通信系統(tǒng)中，三個(含三個)以上頻點經(jīng)過合路器時也可能產(chǎn)生F1+F2-F3形式的三階互調(diào)干擾。這使得POI等多系統(tǒng)合路室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計變得困難[8]。

　　4.1實際工作中天饋線互調(diào)干擾的排查方法

　　從實際經(jīng)驗來看，移動通信系統(tǒng)中需要重點關(guān)注互調(diào)指標的器件主要有：天線、饋線、直放站、干放、電橋、負載、耦合器等。當前尤以天饋系統(tǒng)互調(diào)產(chǎn)物對網(wǎng)絡(luò)性能的影響最大。

　　互調(diào)指標的嚴格測試一般在專業(yè)的微波暗室進行，但實際工作中在定位網(wǎng)內(nèi)干擾時也會借助便攜式互調(diào)分析儀(多采用反射模式)，圖 2給出了使用便攜式互調(diào)儀現(xiàn)場排查互調(diào)干擾的檢測點示意。

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　　圖2. 使用便攜式互調(diào)儀現(xiàn)場排查互調(diào)干擾的檢測點示意

　　根據(jù)實際操作的難易程度，通常按照“1-2-3-4-5”的順序開展斷站現(xiàn)場測試。也有經(jīng)驗表明饋線的問題(如接頭制作粗糙或松動、饋線過度彎折等)往往是造成整個天饋系統(tǒng)的常見原因，因此“1-2-3-4-5”的順序也便于首先排除饋線問題?，F(xiàn)場排查時，一般按執(zhí)行比微波按時測試原為寬松的標準，比如要求測試點1的三階互調(diào)產(chǎn)物小于-80dBm?，F(xiàn)場測試時為保證測試精度，需要注意下列事項：

　　保證可靠的連接(包括足夠的接觸壓力，接頭處清潔等)。

　　測量互調(diào)盡量排除外部干擾的影響 (先掃描外部干擾)。

　　互調(diào)儀輸出信號功率不能超過器件的額定功率。

　　斷開有源器件。

　　注意天線的方向以及其覆蓋前方不能有大型金屬物體。

　　個別系統(tǒng)設(shè)備廠家還開發(fā)出互調(diào)干擾自動檢測功能，可以粗略判斷干擾惡化是否為網(wǎng)內(nèi)互調(diào)干擾所致。

　　5結(jié)束語

　　隨著移動互聯(lián)時代的到來，話務(wù)量的激增使得控制網(wǎng)內(nèi)干擾成為移動通信運營商密切關(guān)注的重要議題，而互調(diào)干擾就是同頻干擾之外的一種重要網(wǎng)內(nèi)干擾。這就要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化人員熟悉互調(diào)的產(chǎn)生機制及可能影響，在頻率規(guī)劃時不僅考慮常規(guī)的同頻復(fù)用因子外，而且會分析多載波或多系統(tǒng)共存情況下可能產(chǎn)生的互調(diào)干擾。此外，便攜式互調(diào)測試儀也可以在日常維護工作中定位互調(diào)干擾時發(fā)揮一定作用。