Intermodulasjon - Intermodulation

Et frekvensspektrumplott som viser intermodulasjon mellom to injiserte signaler ved 270 og 275 MHz (de store piggene). Synlige intermodulasjonsprodukter blir sett på som små spor ved 280 MHz og 265 MHz.
Tredje ordens intermodulasjonsprodukter (D3 og D4) er et resultat av ikke -lineær oppførsel av en forsterker. Inngangseffektnivået til forsterkeren økes med 1 dB i hver påfølgende ramme. Utgangseffekten til de to bærerne (M1 og M2) øker med omtrent 1 dB i hver ramme, mens 3. ordens intermodulasjonsprodukter (D3 og D4) vokser med 3 dB i hver ramme. Intermoduleringsprodukter av høyere orden (5. orden, 7. orden, 9. orden) er synlige ved svært høye inngangseffektnivåer når forsterkeren drives forbi metning. Nær metning resulterer hver ekstra dB inngangseffekt i at proporsjonalt mindre utgangseffekt går til de forsterkede bærerne og proporsjonalt mer utgangseffekt går til de uønskede intermodulasjonsproduktene. Ved og over metning resulterer ekstra inngangseffekt i en reduksjon i utgangseffekt, med det meste av den ekstra inngangseffekten som forsvinner som varme og øker nivået til de ikke-lineære intermodulasjonsproduktene med hensyn til de to bærerne.

Intermodulasjon ( IM ) eller intermodulasjonsforvrengning ( IMD ) er amplitudemodulasjonen av signaler som inneholder to eller flere forskjellige frekvenser , forårsaket av ikke -lineariteter eller tidsvarians i et system. Den intermodulasjon mellom frekvenskomponentene vil danne tilleggskomponenter ved frekvenser som ikke bare ved harmoniske frekvenser ( heltallige multipler ) av enten, som harmonisk forvrengning , men også på sum- og differansefrekvensene for de opprinnelige frekvensene og ved summer og forskjeller i multipler av disse frekvenser.

Intermodulasjon er forårsaket av ikke-lineær oppførsel av signalbehandlingen (fysisk utstyr eller til og med algoritmer) som brukes. Det teoretiske resultatet av disse ikke-linearitetene kan beregnes ved å generere en Volterra-serie med karakteristikken, eller mer omtrentlig av en Taylor-serie .

Nesten alt lydutstyr har en del ikke-linearitet, så det vil vise en viss mengde IMD, som imidlertid kan være lav nok til å være umerkelig for mennesker. På grunn av egenskapene til det menneskelige hørselssystemet oppfattes den samme prosentandelen IMD som mer plagsom sammenlignet med samme mengde harmonisk forvrengning.

Intermodulasjon er også vanligvis uønsket i radio, da det skaper uønskede falske utslipp , ofte i form av sidebånd . For radiosendinger dette øker oppholds båndbredden, som fører til tilstøtende kanalinterferens , noe som kan redusere lyd klarheten eller økning spektrum bruk.

IMD er bare forskjellig fra harmonisk forvrengning ved at stimulussignalet er annerledes. Det samme ikke -lineære systemet vil produsere både total harmonisk forvrengning (med en enslig sinusbølgeinngang) og IMD (med mer komplekse toner). I musikk, for eksempel, IMD er med vilje anvendt til elektriske gitarer ved hjelp av overdriven forsterkere eller pedaler for å fremstille nye toner på under harmoniske av de toner som spilles på instrumentet. Se Power chord#Analysis .

IMD er også forskjellig fra forsettlig modulering (for eksempel en frekvensmikser i superheterodyne -mottakere ) hvor signaler som skal moduleres presenteres for et tilsiktet ikke -lineært element ( multiplisert ). Se ikke-lineære miksere som mikserdioder og til og med enkel- transistor oscillator-mikser kretser. Imidlertid, mens intermodulasjonsproduktene til det mottatte signalet med det lokale oscillatorsignalet er beregnet, kan superheterodyne -miksere samtidig også produsere uønskede intermoduleringseffekter fra sterke signaler nær i frekvens til det ønskede signalet som faller innenfor mottakerens passbånd. .

Årsaker til intermodulasjon

Et lineært system kan ikke produsere intermodulasjon. Hvis inngangen til et lineært tidsinvariant system er et signal på en enkelt frekvens, er utgangen et signal med samme frekvens; bare amplituden og fasen kan avvike fra inngangssignalet.

Ikke-lineære systemer genererer harmoniske som svar på sinusformet inngang, noe som betyr at hvis inngangen til et ikke-lineært system er et signal med en enkelt frekvens, er utgangen et signal som inkluderer et antall heltallsmultipler av inngangsfrekvenssignalet; (dvs. noen av ).

Intermodulasjon oppstår når inngangen til et ikke-lineært system består av to eller flere frekvenser. Betrakt et inngangssignal som inneholder tre frekvenskomponenter ved , og ; som kan uttrykkes som

hvor og er amplituder og faser av henholdsvis de tre komponentene.

Vi får utgangssignalet vårt ved å sende innspillet vårt gjennom en ikke-lineær funksjon :

vil inneholde de tre frekvenser i inngangssignalet, , , og (som er kjent som de fundamentale frekvenser), så vel som en rekke av lineære kombinasjoner av de fundamentale frekvenser, hver i form

der , og er vilkårlige hele tall som kan anta positive eller negative verdier. Dette er intermodulasjonsproduktene (eller IMPene ).

Generelt vil hver av disse frekvenskomponentene ha en annen amplitude og fase, som avhenger av den spesifikke ikke-lineære funksjonen som brukes, og også av amplituder og faser av de originale inngangskomponentene.

Mer generelt, gitt et inngangssignal som inneholder et vilkårlig antall frekvenskomponenter , vil utgangssignalet inneholde et antall frekvenskomponenter, som hver kan beskrives av

der koeffisientene er vilkårlige heltallsverdier.

Intermodulasjonsordre

Fordeling av tredje-ordens intermodulasjoner: posisjonen til de grunnleggende bærerne, i blått posisjonen til dominerende IMP-er, i grønt posisjonen til spesifikke IMP-er.

Den rekkefølge av et gitt intermodulasjon produkt er summen av de absolutte verdier av koeffisientene

For eksempel, i vårt originale eksempel ovenfor, forekommer tredje-ordens intermodulasjonsprodukter (IMP) der :

I mange radio- og lydapplikasjoner er IMP-er av ulik rekkefølge av størst interesse, ettersom de faller i nærheten av de originale frekvenskomponentene, og kan derfor forstyrre ønsket oppførsel. For eksempel kan intermodulasjonsforvrengning fra den tredje orden ( IMD3 ) i en krets sees ved å se på et signal som består av to sinusbølger , en på og en på . Når du kube summen av disse sinusbølgene, får du sinusbølger ved forskjellige frekvenser, inkludert og . Hvis og er store, men veldig tett sammen da og vil være veldig nær og .

Passiv intermodulasjon (PIM)

Som forklart i et tidligere avsnitt , kan intermodulasjon bare forekomme i ikke-lineære systemer. Ikke-lineære systemer består vanligvis av aktive komponenter, noe som betyr at komponentene må være forspent med en ekstern strømkilde som ikke er inngangssignal (dvs. at de aktive komponentene må være "slått på").

Passiv intermodulasjon (PIM) forekommer imidlertid i passive enheter (som kan omfatte kabler, antenner etc.) som utsettes for to eller flere toner med høy effekt. PIM-produktet er resultatet av de to (eller flere) tonene med høy effekt som blander seg ved enhetens ikke-lineariteter, for eksempel kryss mellom forskjellige metaller eller metall-oksidkryss, for eksempel løse korroderte kontakter. Jo høyere signalamplituder, jo mer uttalt effekt av ikke -lineæritetene, og jo mer fremtredende intermodulasjonen som oppstår - selv om systemet ved første inspeksjon ser ut til å være lineært og ute av stand til å generere intermodulasjon.

Kravet om "to eller flere kraftige toner" trenger ikke være diskrete toner. Passiv intermodulasjon kan også forekomme mellom forskjellige frekvenser (dvs. forskjellige "toner") i en enkelt bredbåndsbærer. Disse PIM -ene vil dukke opp som sidebånd i et telekommunikasjonssignal, som forstyrrer tilstøtende kanaler og hindrer mottak.

PIM -er er et stort problem i moderne kommunikasjonssystemer i tilfeller der en enkelt antenne brukes både for overføringssignaler med høy effekt og for lavt mottakssignaler (eller når en sendeantenne er i nærheten av en mottaksantenne). Selv om effekten i PIM -signalet vanligvis er mange størrelsesordener lavere enn kraften til sendesignalet, er effekten i PIM -signalet ofte ganger i samme størrelsesorden (og muligens høyere) enn mottakssignalets effekt. Derfor, hvis en PIM finner sin måte å motta banen, kan den ikke filtreres eller skilles fra mottaksignalet. Mottaksignalet ville derfor bli klumpet av PIM -signalet.

Kilder til PIM

Ferromagnetiske materialer er de vanligste materialene som skal unngås og inkluderer ferrit, nikkel, (inkludert fornikling) og stål (inkludert noen rustfritt stål). Disse materialene viser hysterese når de utsettes for reverserende magnetfelt, noe som resulterer i PIM -generering.

PIM kan også genereres i komponenter med produksjons- eller utførelsesfeil, for eksempel kalde eller sprukne loddeskjøter eller dårlig mekaniske kontakter. Hvis disse feilene utsettes for høye RF -strømmer, kan PIM genereres. Som et resultat utfører produsenter av RF -utstyr fabrikk -PIM -tester på komponenter for å eliminere PIM forårsaket av disse design- og produksjonsfeilene.

PIM kan også være iboende i utformingen av en RF -komponent med høy effekt der RF -strøm tvinges til å begrense kanaler eller begrenses.

I feltet kan PIM skyldes komponenter som ble skadet under transport til cellen, installasjonsproblemer og eksterne PIM -kilder. Noen av disse inkluderer:

  • Forurensede overflater eller kontakter på grunn av smuss, støv, fuktighet eller oksidasjon.
  • Løse mekaniske kryss på grunn av utilstrekkelig dreiemoment, dårlig justering eller dårlig forberedte kontaktflater.
  • Løse mekaniske kryss forårsaket under transport, støt eller vibrasjon.
  • Metallflak eller spon inni RF -tilkoblinger.
  • Inkonsekvent metall-til-metall-kontakt mellom RF-kontaktflater forårsaket av ett av følgende:
    • Innesluttede dielektriske materialer (lim, skum, etc.), sprekker eller forvrengninger på enden av den ytre lederen av koaksialkabler, ofte forårsaket av for stramming av bakmutteren under installasjon, solide indre ledere forvrengt i forberedelsesprosessen, hule indre ledere overdreven forstørret eller gjort oval under forberedelsesprosessen.
  • PIM kan også forekomme i kontakter, eller når ledere laget av to galvanisk umatchede metaller kommer i kontakt med hverandre.
  • Nærliggende metallgjenstander i direktestrålen og sidelappene på sendeantennen, inkludert rustne bolter, takblink, ventilasjonsrør, ventiler osv.

PIM -testing

IEC 62037 er den internasjonale standarden for PIM -testing og gir spesifikke detaljer om PIM -måleoppsett. Standarden spesifiserer bruk av to +43 dBm (20W) toner for testsignalene for PIM -testing. Dette effektnivået har blitt brukt av produsenter av RF -utstyr i mer enn et tiår for å etablere PASS / FAIL -spesifikasjoner for RF -komponenter.

Intermodulasjon i elektroniske kretser

Slew-induced distortion (SID) kan produsere intermodulasjonsforvrengning (IMD) når det første signalet svinger (endring av spenning) ved grensen for forsterkerens effektbåndbreddeprodukt . Dette induserer en effektiv reduksjon i forsterkning, delvis amplitudemodulerende det andre signalet. Hvis SID bare oppstår for en del av signalet, kalles det "forbigående" intermodulasjonsforvrengning.

Mål

Intermodulasjonsforvrengning i lyd er vanligvis spesifisert som root mean square (RMS) -verdien til de forskjellige sum-og-differens-signalene som en prosentandel av det originale signalets RMS-spenning, selv om den kan spesifiseres når det gjelder individuelle komponentstyrker, i desibel , slik det er vanlig med RF -arbeid. Audio IMD- standardtester inkluderer SMPTE-standard RP120-1994 hvor to signaler (ved 60 Hz og 7 kHz, med 4: 1 amplitudeforhold) brukes til testen; mange andre standarder (for eksempel DIN, CCIF) bruker andre frekvenser og amplitudeforhold. Meningen varierer over det ideelle forholdet mellom testfrekvenser (f.eks. 3: 4, eller nesten - men ikke akkurat - 3: 1 for eksempel).

Etter å ha matet utstyret som testes med lavforvrengningssignalbølger, kan utgangsforvrengningen måles ved hjelp av et elektronisk filter for å fjerne de originale frekvensene, eller spektralanalyse kan utføres ved hjelp av Fourier -transformasjoner i programvare eller en dedikert spektrumanalysator , eller når man bestemmer intermodulasjon effekter i kommunikasjonsutstyr, kan gjøres ved hjelp av mottakeren som testes selv.

I radioapplikasjoner kan intermodulering måles som tilstøtende kanaleffektforhold . Vanskelig å teste er intermodulasjonssignaler i GHz-området generert fra passive enheter (PIM: passiv intermodulasjon). Produsenter av disse skalære PIM-instrumentene er Summitek og Rosenberger. Den nyeste utviklingen er PIM-instrumenter for også å måle avstanden til PIM-kilden. Anritsu tilbyr en radarbasert løsning med lav nøyaktighet, og Heuermann tilbyr en frekvensomformende vektornettverksanalysatorløsning med høy nøyaktighet.

Se også

Referanser

  1. ^ Rouphael, Tony J. (2014). Trådløs mottakerarkitektur og design: Antenner, RF, Synthesizers, Mixed Signal og Digital Signal Processing . Academic Press. s. 244. ISBN 9780123786418.
  2. ^ Francis Rumsey; Tim Mccormick (2012). Lyd og innspilling: En introduksjon (5. utg.). Fokalpresse. s. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.
  3. ^ Gary Davis; Ralph Jones (1989). Lydforsterkningshåndboken (2. utg.). Yamaha / Hal Leonard Corporation. s. 85 . ISBN 978-0-88188-900-0.
  4. ^ Passiv intermoduleringsinterferens i kommunikasjonssystemer, PL Lui, Electronics & Communication Engineering Journal, år: 1990, bind: 2, utgave: 3, sider: 109 - 118.
  5. ^ "Passive Intermodulation Characteristics", M. Eron, Microwave Journal, mars 2014.
  6. ^ a b AES Pro Audio Reference for IM
  7. ^ http://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Graeme John Cohen: 3-4 Ratio; En metode for måling av forvrengningsprodukter

Offentlig domene Denne artikkelen inneholder  materiale fra offentlig eiendom fra General Services Administration -dokumentet: "Federal Standard 1037C" .(til støtte for MIL-STD-188 )

Eksterne linker