Интермодуляция 3 го порядка что это
Что такое пассивная интермодуляция (PIM)
Часто в характеристиках антенн, разъемов, переходников и кабелей можно увидеть такой показатель, как уровень интермодуляционных продуктов. Он измеряется в дБн (dBc) — мощности излучения по отношению к основной (несущей) частоте. Что это такое и чем опасны интермодуляционные искажения в системах сотовой связи? Давайте разбираться.
Линейные и нелинейные системы
На практике, работая с радиооборудованием, мы всегда имеем дело с нелинейными системами. В отличие от математических абстракций, ВЧ-сигнал, передаваемый по кабелю, проходящий по разъемам, стыкам и переходникам, подвергается множеству воздействий и искажений, нарушающих общую линейность системы.
В идеальной умозрительной системе сигнал, проходя по трассе, на выходе может отличаться лишь амплитудой (затуханием) и фазой. На практике все совсем иначе, и из-за этого в нелинейной системе возникают многочисленные побочные сигналы. К таким сигналам относятся гармоники и интермодуляционные продукты.
Гармоники
Из школьного курса физики известно, что сигналы производят дополнительные «отголоски» себя — гармоники. Гармоники всегда возникают на кратных частотах. Например, GSM-сигнал в частоте 935 МГц произведет гармонику на частоте 1870 МГц (935 x 2), 3740 МГц (935 x 4), 5610 МГц (935 x 6) и т. д.
Здесь и далее графики приведены в виде примера для иллюстрации. Масштабы не соблюдены.
Гармоники — естественный физический эффект, который принимается во внимание при проектировании радиосистем. Как правило, они не создают проблем, поскольку располагаются на большом расстоянии от несущей частоты и часто отсекаются оборудованием, рассчитанным на более узкий диапазон. Кроме того, следует помнить, что каждая последующая гармоника многократно «слабее» предыдущей.
Интермодуляция
Интермодуляция — другой тип «побочных» сигналов, возникающих, когда в системе передается как минимум два основных сигнала разной частоты. Эти побочные эффекты называются «интермодуляционными продуктами», а в случае их влияния на полезный сигнал — «интермодуляционными искажениями».
Интермодуляционные сигналы возникают на частотах, которые являются суммами или разностями основных частот и/или их гармоник. Это определение может показаться сложным, поэтому давайте вернемся к нашему примеру с частотой GSM-сигнала.
Предположим, что в момент времени передача данных происходит одновременно на частотах 935 и 960 МГц. Это две «крайние» частоты приема в стандарте GSM-900, вся же полоса частот загрузки в стандарте GSM-900 — это 935–960 МГц. В зависимости от региона России частоты 935 и 960 МГц могут принадлежать разным операторам.
Эти сигналы производят гармоники на частотах 1870 и 1920 МГц соответственно. Для простоты возьмем лишь эти значения: разумеется, в случае необходимости аналогичные расчеты можно сделать и для последующих гармоник.
Обозначим базовые частоты как f1 и f2:
«Ближайшие» гармоники этих сигналов принято обозначать следующим образом:
Несущиие частоты 935 и 960 МГц и их гармоники
Так вот, интермодуляция будет возникать на частотах, которые являются суммой и разностью всех этих значений. Проще говоря, побочные сигналы могут появиться на частотах:
f1 + f2 = 935 + 960 = 1895 МГц
2f1 + f1 = 1870 + 935 = 2805 МГц
2f1 + f2 = 1870 + 960 = 2830 МГц
2f2 + f1 = 1920 + 935 = 2855 МГц
2f1 + 2f2 = 1870 + 1920 = 3790 МГц
Некоторые интермодуляционные продукты несущих частот 935 и 960 МГц
Очевидно, что когда в расчеты добавляются последующие гармоники (3f1, 3f2, 4f1, 4f2 и т. д.), количество сочетаний многократно возрастает. И все эти интермодуляционные сигналы могут возникнуть в системе передачи данных!
Как легко заметить, многие помехи придутся на частоты, далеко отстоящие от несущих. В большинстве случаев их можно игнорировать, поскольку они фильтруются узкополосным активным оборудованием. Но в некоторых случаях с ними придется бороться, и в особенности это касается интермодуляционных продуктов третьего и пятого порядков.
Порядок интермодуляции
Порядок интермодуляции — это показатель того, насколько «далекая» гармоника участвовала в образовании побочного сигнала.
С математическиой точки зрения порядок — это сумма коэффициентов, которые в записи ставятся перед гармониками и указывают их номер. Коэффициенты берутся по модулю (без знаков «плюс» или «минус»).
Для самих несущих частот коэффициент принят за 1. Для «ближайшей» гармоники коэффициент — 2, для следующей — 3 и т. д. Это хорошо видно в записи. Например, у гармоники 2f1 — коэффициент 2, у гармоники 3f2 — коэффициент 3 и так далее.
В силу математических свойств, наиболее «опасными» в радиосвязи оказываются интермодуляционные помехи нечетного порядка, поскольку они «вплотную» подбираются к несущим частотам и могут оказывать на них воздействие. В системах сотовой связи наибольшее значение имеют интермодуляционные помехи третьего и пятого порядков.
Причины возникновения пассивной интермодуляции
Как следует из названия, пассивной интермодуляцией называются побочные сигналы, возникающие в пассивных элементах радиосистемы: антеннах, разъемах, кабелях и переходниках. Интермодуляция возникает в силу нелинейности этих элементов. Нелинейность обуславливают:
Пассивная интермодуляция и оборудование
Как правило, производители пассивного оборудования указывают уровень интермодуляционного сигнала определенного порядка. В паспорте изделия эта характеристики может быть обозначена словами PIM (Passive InterModulation) или IMP (InterModulation Products).
Сильные интермодуляционные помехи могут снизить качество связи и существенно повысить уровень нежелательного шума.
Как сократить интермодуляционные помехи?
Для сокращения интермодуляционных помех важно использовать качественные комплектующие с низкими показаниями PIM. Чтобы снизить интермодуляцию, следуйте следующим простым правилам:
Параметры, обусловленные нелинейностью тракта приема (Многосигнальная избирательность)
Интермодуляция
Интермодуляция (Intermodulation) — явление возникновения на выходе приемника помех при действии на его входе двух или более помех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема.
В результате взаимодействия помех с частотами f1 и f2 на нелинейных элементах приемного устройства возникают интермодуляционные продукты вида:
При этом в приемном тракте может получаться сигнал интермодуляционной помехи с частотой, равной частоте полезного сигнала или попадающей в полосы каналов побочного приема приемника. Такие помехи обрабатываются в приемном устройстве совместно с полезным сигналом, ухудшая качество принимаемого сообщения. Механизм возникновения спектральных составляющих подробно рассмотрен в статье диодный смеситель и в литературе [3], а продукты нелинейного преобразования вплоть до третьего порядка приведены в той же статье на рисунке 3.
Рассмотрим механизм возникновения интермодуляционных искажений. Пусть на вход радиоприемного устройства воздейтвуют две помехис частотами f1 и f2
Рисунок 1. Механизм возникновения интермодуляции
При измерении интермодуляционных помех на вход приемника подается два гармонических сигнала, настроенных на частоты второго и четвертого соседних каналов. Как это хорошо видно на спектре сигнала на выходе первого усилительного каскада, приведенном на рисунке 2, выше или ниже принимаемой частоты будут подаваться эти частоты, для возникновения интермодуляционной помехи на принимаемой частоте значения не имеет. Методика измерения интермодуляционных помех приведена в [4].
Рисунок 2. Спектр сигнала при подаче на вход приемника двух гармонических сигналов одинаковой амплитуды
Коэффициент интермодуляционных искажений второго порядка определяется как отношение амплитуды комбинационной составляющей f2 ± f1, к амплитуде одного из входных сигналов. Обычно этот коэффициент выражается в относительных едининицах (дБс) — децибеллах относительно несущей. Если диапазон принимаемых частот радиоприемного устройства достаточно узок, как это имеет место для систем УКВ мобильной связи или систем сотовой связи, то комбинационные частоты второго порядка образуются за диапазоном принимаемых частот и подавляются входным фильтром приемника.
На практике для количественной оценки интермодуляционных искажений (InterModulation Distortion, IMD) используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход приемника двух внеполосных гармонических сигналов f1 и f2 с равными амплитудами:
коэффициент интермодуляционных искажений третьего порядка — отношение амплитуды комбинационной составляющей 2∙f2 – f1 (или 2∙f1 – f2) к амплитуде одного из этих сигналов на входе.
Продукты третьего и более высоких порядков, возникающие при смешивании двух интерферирующих радиосигналов могут создавать сигнал помехи в рабочем канале. Так как полоса обрабатываемых частот обычно ограничивается в преселекторе на входе приемника, то нелинейность измеряется путем подачи на вход приемного устройства двух сигналов равной амплитуды с частотами f1 и f2, достаточно близко расположенными к частоте настройки приемника. При этом измеряется уровень продуктов интермодуляции третьего порядка 2∙f1 – f2 и 2∙f2 – f1. Другие комбинационные продукты обычно находятся вне полосы рабочих частот приемника и подавляются фильтром основной избирательности.
Подавление эффекта интермодуляции (Intermodulation response rejection) — мера способности приемника приниматьтребуемый сигнал на частоте рабочего канала в присутствии двух или более сигналов помех, которые имеют определенное соотношение частот с требуемым сигналом.
Блокирование
Нелинейные искажения принимаемого сигнала в приемном устройстве могут возникать не только в том случае, если его уровень значителен, но и при воздействии сильной внеполосной помехи. Нелинейность приемного тракта приводит к тому, что при появлении помех, воздействующих на вход приемника на частотах, которые не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема, происходит изменение уровня полезного сигнала или изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника. Воздействие мощной помехи на вход приемника приводит к снижению коэффициента усиления устройства. Такое явление называется блокированием приемника (Blocking). Численно блокирование может быть оценено с помощью коэффициента блокирования:
где: Uвых — амплитуда сигнала на выходе приемника при отсутствии помехи на входе;
Uбл — амплитуда сигнала на выходе приемника при действии помехи на входе.
Таким образом, при отсутствии блокирования в приемнике Кбл = 0. Коэффициент блокирования тем сильнее, чем больше уровень помехи на входе и чем ближе частота помехи к частоте полезного сигнала. Это влияние определяется избирательностью приемника по соседнему каналу.
Однодецибельная точка компрессии CP1
Еще одним параметром оценки линейности тракта радиоприемного устройства является однодецибельная точка компрессии, (1-dB compression point), определяемая как точка на амплитудной характеристике, в которой коэффициент усиления по мощности уменьшается на 1 дБ по сравнению с идеальным. Иллюстрация определения однодецибельной точки компрессии радиоприемного устройства приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Иллюстрация определения однодецибельной точки компрессии
Дата последнего обновления файла 09.03.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Многосигнальная избирательность» читают:
Диапазон рабочих частот радиоприемных устройств В зависимости от значения принимаемой частоты схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться.
https://digteh.ru/WLL/DiapPrmFr.php
Чувствительность приемника Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы.
https://digteh.ru/WLL/ChustvitPrm.php
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Интермодуляционные искажения в усилителях звуковой частоты и ООС — осторожно, опасные связи
На аудиофильских сайтах принято пугать посетителей интермодуляционными искажениями, однако поскольку большинство публикаций на эту тему широко использую технологию копипаста, понять почему эти искажения возникают и чем так страшны очень сложно. Сегодня я постараюсь в меру своих способностей и объёма статьи отразить именно природу этих стрРрашных ИМИ.
Тема искажений сигнала в УМЗЧ была поднята в моей предыдущей статье, но в прошлый раз мы лишь слегка коснулись линейных и нелинейных искажений. Сегодня попробуем разобраться в наиболее неприятных на слух, трудноуловимых для анализа и сложноустранимых для проектировщиков УНЧ интермодуляционных искажениях. Причинах их возникновения и взаимосвязи с обратной связью сорри за каламбур.
Операционный усилитель как белый треугольник
Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.
Назначение выводов операционного усилителя
Неинвертирующий вход: 
Инвертирующий вход:
Плюс источника питания:
Минус источника питания:
Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.
Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:
Где — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи
Поскольку наша цель не усиление постоянных напряжений, а звуковых колебаний давайте для примера рассмотрим зависимость недорогого ОУ LM324 от частоты входных синусоидальных колебаний.
На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом — ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой — 10 000 раз на постоянном токе!
Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход — ввести обратную связь.
Обратная связь — просто и сердито! Панацея от всех бед?
В данной статье не будем касаться основ теории операционных усилителей, при желании в интернете можно найти много информации на эту тему, например в цикле статей Игоря Петрова KriegeR
Ввести обратную связь в схему усилителя не просто, а очень просто. Давайте чтобы далеко не ходить рассмотрим как это можно сделать на примере из моей прошлой статьи про маленькие хитрости трассировки схем на Операционных усилителях.
Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.
Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением — индуктивную и ёмкостную.
Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?
К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.
Полученные частоты по амплитуде меньше родительских гармоник и как правило их уровень быстро убывает с увеличением целочисленных коэффициентов m и n.
Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:
и частотами гармоник третьего порядка :
В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора — гетеродина.
На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:
ИМИ (IMD) — интермодуляционные искажения
Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.
Борются с данным эффектом применяя более совершенные транзисторы, работающие в линейном режиме и с помощью местной в пределах одного каскада усиления или глубокой общей обратной связи — мастере на все руки! Однако всё хорошо в меру — если частоты паразитных гармоник сигнала лежат в области быстрого спада АЧХ усилителя, то обратная связь может не успеть компенсировать искажение сигнала и даже сама послужить источником дополнительных искажений.
Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи
Тёмная сторона обратной связи
Для того, чтобы её обнаружить соберём усилитель по представленной выше схеме на ОУ LM324, но с немного другими номиналами резисторов обратной связи так, чтобы получить единичное усиление.
А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.
Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель — весьма сложное устройство.
Он содержит массу паразитных ёмкостей, расположенных как внутри интегральных транзисторов, его составляющих, так и в межкаскадных связях. Природа паразитных ёмкостей очень разная, например обусловленная временем рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводнике. Сами транзисторы, на которых построен наш ОУ, являются усилительными приборами с большой нелинейностью. Более того, свою ёмкость имеют и элементы печатной платы, особенно если при трассировке не учитывались рекомендации, изложенные в моей предыдущей статье.
В момент прихода отрицательного фронта сигнала обратная связь обнаруживает что напряжение на входе не соответствует выходному. Она резко увеличивает потенциал инвертирующего входа относительно неинвертирующего, чтобы как можно быстрее передать скачок напряжения на входе усилителя, но не успевает этого сделать поскольку ей необходимо сначала зарядить паразитные ёмкости всего тракта усиления и мы получаем завал фронта сигнала на выходе. Далее, когда входной сигнал так же резко перестаёт меняться обратная связь вынуждена эти ёмкости разряжать. Как следствие мы получаем выброс на выходе, в дальнейшем переходящий в затухающий колебательный процесс. В особо печальных случаях этот колебательный процесс может затянуться на достаточно долгое время — усилитель перейдёт в состояние самовозбуждения. В итоге в сигнале на выходе усилителя появляются новые гармоники не присутствующие на входе — нелинейные искажения.
Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты
В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:
Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя
Перегрузочная способность усилителя это параметр, который описывает на сколько децибел номинальное выходное напряжение или мощность отличается от максимальной, когда начинаются ограничения выходного сигнала по питанию — clipping
У транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.
Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V1 может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V2 для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.
Напряжение на входе усилителя мощности V2 имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V3, действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой Vmax
Выброс в сигнале V3 может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.
В показанной схеме наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет ОУ, тем не менее он имеет неплохую перегрузочную способность — сохраняет небольшие нелинейные искажения при размахе напряжения на выходе близком к напряжению питания. Гораздо хуже дело обстоит с каскадом на транзисторах T1 и T2 — это усилители тока, которые достаточно просто вывести из нормального режима работы, а для его восстановления может потребоваться сравнительно большое время. Выбросы напряжения обратной связи усиленные ОУ и поданные на вход этих транзисторов могут иметь очень большие значения. Они приводят к перегрузке второго каскада усиления. Т1 и Т2 могут войти в режим насыщения, потерять свои усилительные свойства, причём оставаться в нём некоторое время даже после пропадания резкого фронта входного сигнала, пока не рассосётся заряд на разного рода паразитных ёмкостях. Паразитные ёмкости и возможные элементы коррекции АЧХ тут показаны с помощью элементов R и С.
Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними
Согласно стандартной методике для измерения интермодуляционных искажений на вход измеряемого объекта одновременно подаются два сигнала: низкой f1 и высокой f2 частот. К сожалению, в различных странах пользуются различными измерительными частотами. Разные стандарты предусматривают разные частоты — 100 и 5000 Гц, 50 и 1000 Гц…
Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f1 на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f2. В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f2 образуются разностные и суммарные комбинационные колебания f2 ± f1, и f2 ± 2f1 более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго порядка с частотами f2 ± f1 характеризуют квадратичные, а третьего порядка с частотами f2 ± 2f1 — кубические искажения объекта измерения.
Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.
Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.
Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:
Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма — когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному — без прослушивания перед покупкой не обойтись.
Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.
На методах борьбы с интермодуляционными искажениями мы остановимся также очень кратко: