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(hào)經(jīng)過具有非線性特征的器件時(shí)產(chǎn)生的與原信號(hào)有和差關(guān)系的射頻信號(hào)，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(duì)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(duì)固定，不隨時(shí)間而變化；（2）分析理論相對(duì)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(duì)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(hào)輸入，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過接收機(jī)等處理后，輸出信號(hào)常常會(huì)伴有N倍頻率的信號(hào)，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(hào)（ ），即通常稱作的2次諧波干擾信號(hào)；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(hào)-----。

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(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)互調(diào)產(chǎn)物中的加號(hào)項(xiàng)（如f0+f1、2f0+f1）通常超出工作帶寬，只有減號(hào)項(xiàng)（如2f0-f1、3f0-2f1）才可能落在工作帶寬附近；并且對(duì)于偶數(shù)階的互調(diào)產(chǎn)物，其減號(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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。

3.1互調(diào)的兩種測試方法

互調(diào)指標(biāo)的嚴(yán)格測試一般在專業(yè)的微波暗室進(jìn)行，這是因?yàn)橹苓叚h(huán)境尤其是鐵磁材料會(huì)對(duì)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]。

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(fù)載等器件一般采用反向互調(diào)測量方式。對(duì)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(gè)連續(xù)波（CW）信號(hào)源對(duì)每一個(gè)樣本的三階互調(diào)產(chǎn)物的功率電平進(jìn)行測量，在測試端每一個(gè)信號(hào)源為43dBm(20w)。顯然，這是針對(duì)早期的基站而言，直到現(xiàn)在，這個(gè)功率等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的不斷誕生，出現(xiàn)了更大幅度和更大范圍的功率等級(jí)。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(biāo)要求

互調(diào)指標(biāo)有絕對(duì)值和相對(duì)值兩種表達(dá)方式。絕對(duì)值表達(dá)方式是指以dBm為單位的互調(diào)的絕對(duì)值大??；相對(duì)值表達(dá)方式是指互調(diào)值與其中一個(gè)載頻的比值（這是因?yàn)闊o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(biāo)是在兩個(gè)43dBm的載頻功率同時(shí)作用到被測器件DUT時(shí)，DUT產(chǎn)生-110dBm（絕對(duì)值）的無源互調(diào)失真，其相對(duì)值為-153dBc。

按照背景噪聲為-107dBm的標(biāo)準(zhǔn)估算，參照文獻(xiàn)[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(shí)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(dá)-60 dBc甚至更大。對(duì)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(duì)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(dá)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(biāo)要求分別如表 2和表 3所示。

4互調(diào)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

4.1應(yīng)當(dāng)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(dòng)通信系統(tǒng)的互調(diào)干擾情況?？梢钥闯觯袊艷SM900M系統(tǒng)的五階互調(diào)和七階互調(diào)產(chǎn)物會(huì)對(duì)本系統(tǒng)形成干擾，同時(shí)也會(huì)影響到中國聯(lián)通GSM900M系統(tǒng)；中國移動(dòng)DCS1800系統(tǒng)的七階互調(diào)產(chǎn)物會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)中國移動(dòng)和中國聯(lián)通的GSM900M系統(tǒng)形成干擾。

個(gè)別情況下，二階互調(diào)產(chǎn)物(F1+F2)也會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(gè)（含三個(gè)）以上頻點(diǎn)經(jīng)過合路器時(shí)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(jì)變得困難[8]。

4.1實(shí)際工作中天饋線互調(diào)干擾的排查方法

從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，移動(dòng)通信系統(tǒng)中需要重點(diǎn)關(guān)注互調(diào)指標(biāo)的器件主要有：天線、饋線、直放站、干放、電橋、負(fù)載、耦合器等。當(dāng)前尤以天饋系統(tǒng)互調(diào)產(chǎn)物對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響最大。

互調(diào)指標(biāo)的嚴(yán)格測試一般在專業(yè)的微波暗室進(jìn)行，但實(shí)際工作中在定位網(wǎng)內(nèi)干擾時(shí)也會(huì)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(diǎn)示意。

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(diǎn)示意

根據(jù)實(shí)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(yàn)表明饋線的問題（如接頭制作粗糙或松動(dòng)、饋線過度彎折等）往往是造成整個(gè)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。現(xiàn)場排查時(shí)，一般按執(zhí)行比微波按時(shí)測試原為寬松的標(biāo)準(zhǔn)，比如要求測試點(diǎn)1的三階互調(diào)產(chǎn)物小于-80dBm?，F(xiàn)場測試時(shí)為保證測試精度，需要注意下列事項(xiàng)：

 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(hào)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(gè)別系統(tǒng)設(shè)備廠家還開發(fā)出互調(diào)干擾自動(dòng)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(dòng)互聯(lián)時(shí)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(dòng)通信運(yùn)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(jī)制及可能影響，在頻率規(guī)劃時(shí)不僅考慮常規(guī)的同頻復(fù)用因子外，而且會(huì)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(hù)工作中定位互調(diào)干擾時(shí)發(fā)揮一定作用。