被動(dòng)相互調(diào)變失真

　　在發(fā)射(Tx)路徑上的相互調(diào)變失真是附加在高功率之中，它的特性很重要。由于在發(fā)射路徑上一般都沒(méi)有主動(dòng)組件存在，因此它的相互調(diào)變失真特性被稱為“被動(dòng)的相互調(diào)變失真(passive IMD;PIMD)”。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線通信電路時(shí)，PIMD在每一個(gè)功能單元中的變化不大，所以，在研發(fā)階段就會(huì)先測(cè)量PIMD。

　　雙音調(diào)相互調(diào)變測(cè)試

　　測(cè)量IMD最方便的方法是，將兩個(gè)功率相等的信號(hào)組合在一起[*故被稱為“雙音調(diào)”(two-tone)]，并彼此保持一定的頻率間隔，輸入至待測(cè)物(device under test;DUT)的輸入端。若以頻譜分析儀測(cè)量，DUT的輸出頻譜將和附圖1類似，其中，兩個(gè)最大信號(hào)是被放大的載波信號(hào);其它較小的信號(hào)分列在載波兩邊，分別是第3、5、7階(order)相互調(diào)變乘積(product)。所有信號(hào)之間的頻率間隔是相等的。

　　下列是10個(gè)有用的測(cè)量參數(shù)：

　　●載波(C)：這是載波信號(hào)的功率，單位是dBm。它和Pout參數(shù)類似，不過(guò)，C是使用頻譜分析儀來(lái)測(cè)量，Pout是使用功率表(power meter)、并只輸入一個(gè)射頻信號(hào)來(lái)測(cè)量。

　　●第3階相互調(diào)變乘積(I3)：這是寄生的第3階相互調(diào)變信號(hào)之功率，單位是dBm，使用頻譜分析儀來(lái)測(cè)量。

　　●載波對(duì)第3階相互調(diào)變的比率(C/I3)：這是載波功率對(duì)寄生的第3階相互調(diào)變信號(hào)功率之比率值，單位是dB。

　　●第3階攔截點(diǎn)(IP3)：這是待測(cè)物的最佳指針，單位是dBm。此值通常會(huì)隨著頻率微調(diào)(tuning)而改變。

　　●第5階相互調(diào)變乘積(I5)：與第3階相互調(diào)變乘積類似。

　　●載波對(duì)第5階相互調(diào)變的比率(C/I5)：與載波對(duì)第3階相互調(diào)變的比率類似。

　　●第5階攔截點(diǎn)(IP5)：與第3階攔截點(diǎn)類似。

　　●第7階相互調(diào)變乘積(I7)：與第3階相互調(diào)變乘積類似。

　　●載波對(duì)第7階相互調(diào)變的比率(C/I7)：與載波對(duì)第3階相互調(diào)變的比率類似。

　　●第7階攔截點(diǎn)(IP7)：與第3階攔截點(diǎn)類似。

　　第3階攔截點(diǎn)

　　一個(gè)裝置或系統(tǒng)的非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)(transfer function)可以利用一個(gè)“泰勒級(jí)數(shù)(Taylor series)”來(lái)表示：

　　第3階相互調(diào)變信號(hào)，是來(lái)自于上列的f(x)級(jí)數(shù)展開(kāi)式的第3階項(xiàng)，因此稱為“第3階相互調(diào)變乘積”。第3階的輸入功率會(huì)較載波的輸入功率快速增加。單位dBm表示“第3階相互調(diào)變乘積”是一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)，在數(shù)學(xué)上是取比率相對(duì)值。其實(shí)，第3階相互調(diào)變信號(hào)功率的增加速度是載波信號(hào)功率的3倍。

　　。如果“C對(duì)Pin”和“I對(duì)Pin”的線性部份之曲線能夠向外延伸，所交叉的點(diǎn)就稱作“第3階攔截點(diǎn)(intercept point)”。不過(guò)，IP3是一個(gè)理論值，在實(shí)際設(shè)計(jì)上是無(wú)法達(dá)到的，因?yàn)檫@兩個(gè)曲線在到達(dá)IP3之前就已經(jīng)飽和了(斜率趨近于0，變成水平線了)。通常IP3是被當(dāng)成射頻裝置的“優(yōu)化函式”(merit function)。大多數(shù)的電路設(shè)計(jì)程序，其實(shí)應(yīng)被稱為“最佳化程序”，由設(shè)計(jì)者決定哪些地方應(yīng)當(dāng)被最佳化、且要最佳化到什么程度?如此所得到的結(jié)果，就被稱為“最佳化函數(shù)”。

　　如果理論上，假定3：1的斜率差，則IP3可以僅從一個(gè)功率準(zhǔn)位計(jì)算出來(lái)。如果完成功率掃描(power sweep)，得出圖形，則在線性區(qū)域所求出的IP3將是固定的(當(dāng)然3：1的斜率假設(shè)必須是正確的)。當(dāng)載波和相互調(diào)變信號(hào)飽和時(shí)，IP3的值通常會(huì)下降，這就表示相互調(diào)變功率的測(cè)量結(jié)果將是錯(cuò)誤的。在較低的功率準(zhǔn)位，當(dāng)達(dá)到頻譜分析儀的噪聲下限時(shí)，IP3將會(huì)開(kāi)始改變，這也表示測(cè)量將有錯(cuò)誤產(chǎn)生。因此，正確的測(cè)量值應(yīng)該在IP3維持不變下的功率范圍內(nèi)。

　　理論上，IP3并不是功率準(zhǔn)位的函數(shù)。然而，在低功率準(zhǔn)位時(shí)，它的動(dòng)態(tài)(線性)區(qū)域被頻譜分析儀的噪聲下限所限制;在高功率準(zhǔn)位時(shí)，由于待測(cè)物的飽和，或頻譜分析儀的相互調(diào)變，也會(huì)限制它的動(dòng)態(tài)區(qū)域。因此，若將IP3當(dāng)成是功率的函數(shù)，將可以提供一個(gè)能夠確保測(cè)量結(jié)果正確的好方法 。

　　第5和第7階攔截點(diǎn)

　　求得第5和第7階攔截點(diǎn)(IP5和IP7)的方法和IP3類似。其主要差別在于：第5階相互調(diào)變輸入功率增加的速度是載波輸入功率的5倍;同理，第7階相互調(diào)變輸入功率的增加速度則是載波輸入功率的7倍。

　　測(cè)量“被動(dòng)的相互調(diào)變”(PIM)之效能

　　良好的通信品質(zhì)需要一個(gè)適當(dāng)?shù)腃/I比率來(lái)確保，而且C/I值必須保持固定。因?yàn)镃值是固定的，無(wú)法再增加，因此I必須盡量極小化。理論上，I應(yīng)該低于接收機(jī)的噪聲下限。然而實(shí)際上，被動(dòng)的相互調(diào)變正是不想要的干擾來(lái)源之一。

　　一般的規(guī)格要求是，當(dāng)兩個(gè)+43 dBm載波輸入至待測(cè)物時(shí)，PIM的功率不能大于-110 dBm。也就是說(shuō)，-153 dBc，這是相當(dāng)于1：2,000,000,000,000,000的比率。若打個(gè)比喻，這就好像要測(cè)量地球到太陽(yáng)的距離，而且精確度必須達(dá)到1/10,000米。因此，很有挑戰(zhàn)性。

　　傳統(tǒng)測(cè)量PIM的方法是采用前面介紹的“雙音調(diào)相互調(diào)變測(cè)試法”。它是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC TC46 WG6)。不過(guò)，這種方法很復(fù)雜。它需要兩個(gè)信號(hào)合成器、兩個(gè)高功率放大器，以及一組射頻組件，用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行組合、濾波、雙工作業(yè)。之后，將期望信號(hào)按預(yù)定路線發(fā)送，這會(huì)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器，最后到達(dá)頻譜分析儀，以進(jìn)行偵測(cè)和顯示。還需要一個(gè)功率表，用來(lái)設(shè)定適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率，并需時(shí)常調(diào)整功率值以補(bǔ)償功率的變動(dòng)。因?yàn)橛性S多離散組件、儀器、連接纜線存在，所以測(cè)量的結(jié)果有時(shí)很難再次呈現(xiàn)。此外，這些器材的安裝通常不是很穩(wěn)定，很容易受損;而且，此種測(cè)量方法需要很長(zhǎng)的時(shí)間，測(cè)量的結(jié)果也可能是錯(cuò)誤的。

　　因此，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有所謂的“PIM分析儀”存在。它具有高度整合設(shè)計(jì)、高速的數(shù)字接收機(jī)技術(shù)、省時(shí)省力、容易操作的優(yōu)點(diǎn)。

　　動(dòng)態(tài)測(cè)量

　　在設(shè)計(jì)和制造的階段，盡管我們盡力使產(chǎn)品的穩(wěn)定性與環(huán)境的變化因素?zé)o關(guān)。但是，組件和次系統(tǒng)的PIM反應(yīng)很可能在極度惡劣的環(huán)境下劇烈地變化。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，使用適當(dāng)?shù)拇碳ぃ员O(jiān)視其相互調(diào)變的效能變化。

　　動(dòng)態(tài)測(cè)量尤其對(duì)纜線的組裝很重要。因?yàn)?a target="_blank">連接器或纜線的接口，以及纜線內(nèi)的相互調(diào)變(這是由于實(shí)芯導(dǎo)線有細(xì)微的裂痕，或多絞線有缺口)，很容易讓它們受損。這種測(cè)試方法是將連接器、纜線固定或彎曲，以測(cè)量它們的相互調(diào)變功率。固定的方式稱為“輕敲(tap)測(cè)試”，彎曲的方式稱作“彎曲時(shí)刻的測(cè)試”(bending moment test)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基地臺(tái)的發(fā)射路徑上之所有組件，都應(yīng)該接受這兩種測(cè)試。

　　輕敲測(cè)試只是簡(jiǎn)單地將儀器連接到待測(cè)物上，然后觀察相互調(diào)變的反應(yīng)。例如：必須連接到濾波器的微調(diào)螺絲上，因?yàn)樗?jīng)常會(huì)產(chǎn)生高功率的PIM。當(dāng)停止輕敲測(cè)試之后，相互調(diào)變通常會(huì)回到它的低功率狀態(tài);不過(guò)，有時(shí)還是會(huì)維持在高功率的狀態(tài)。輕敲測(cè)試可以成功地篩檢出會(huì)在未來(lái)某時(shí)刻失效的裝置和纜線來(lái)。

　　通常這種裝置的測(cè)量是將第一個(gè)載波設(shè)為1930 MHz，第二個(gè)載波設(shè)為1990 MHz，兩個(gè)載波功率都是20 W。當(dāng)發(fā)射頻率和功率都已設(shè)定好，而且頻譜分析儀的環(huán)境組態(tài)也已經(jīng)設(shè)定好，則此測(cè)試就可以開(kāi)始。順便一提的是，當(dāng)溫度變化時(shí)，相互調(diào)變的效能會(huì)大幅地衰減。