簡介

 

眾所周知，有源器件會在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)。人們已開發(fā)出多種技術(shù)來改善此類器件在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段的性能。容易忽視的是，無源器件也可能引入非線性效應(yīng)；雖然有時(shí)相對較小，但若不加以校正，這些非線性效應(yīng)可能會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

 

PIM表示"無源交調(diào)"。它代表兩個(gè)或更多信號通過一個(gè)具非線性特性的無源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械連接部分的相互作用一般會引起非線性效應(yīng)，這在兩種不同金屬的接合處尤為明顯。實(shí)例包括：松動(dòng)的電纜連接、不干凈的連接器、性能糟糕的雙工器或老化的天線等。

 

無源交調(diào)在蜂窩通信行業(yè)是一個(gè)重大問題，而且非常難以排解。在蜂窩通信系統(tǒng)中，PIM可能引起干擾，降低接收機(jī)靈敏度，甚至完全阻塞通信。這種干擾可能影響產(chǎn)生它的蜂窩以及附近的其他接收機(jī)。例如，在LTE頻段2中，下行鏈路范圍是1930 MHz至1990 MHz，上行鏈路范圍是1850 MHz至1910 MHz。若有兩個(gè)分別位于1940 MHz和1980 MHz的發(fā)射載波從具有PIM的基站系統(tǒng)發(fā)射信號，則其交調(diào)會產(chǎn)生一個(gè)位于1900 MHz的分量，該分量落入了接收頻段，這會影響接收機(jī)。此外，位于2020 MHz的交調(diào)可能影響其他系統(tǒng)。

 

圖1.無源交調(diào)，落到接收機(jī)頻段

 

隨著頻譜變得越來越擁擠，并且天線共享方案變得越來越普遍，不同載波的交調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也在增加。利用頻率規(guī)劃避免PIM的傳統(tǒng)方法變得越來越不可行。除上述挑戰(zhàn)外，CDMA/OFDM等新型數(shù)字調(diào)制方案的采用意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也在提高，使PIM問題"雪上加霜"。

 

對服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商而言，PIM是一個(gè)突出的嚴(yán)重問題。檢測并盡可能解決該問題，可提高系統(tǒng)可靠性并降低運(yùn)行成本。本文嘗試評述PIM的來源和原因，以及予以檢測和解決的技術(shù)。

 

PIM分類

 

初步的調(diào)查顯示，PIM有三種不同類型，每類有不同的特點(diǎn)，需要不同的解決方案。我們選擇按如下類型分類：設(shè)計(jì)引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。

 

設(shè)計(jì)引入PIM

 

我們知道，某些無源器件與其傳輸線路一起會產(chǎn)生無源交調(diào)。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)根據(jù)器件制造商給出的規(guī)格，選擇PIM最小或處于可接受水平的無源元件。環(huán)行器、雙工器和開關(guān)特別容易產(chǎn)生PIM效應(yīng)。設(shè)計(jì)人員若能接受較高水平的無源交調(diào)，那么可以選擇成本較低、尺寸較小或性能較低的器件。

 

圖2.器件設(shè)計(jì)權(quán)衡：尺寸、功耗、抑制和PIM性能

 

如果設(shè)計(jì)人員真的選擇性能較低的器件，則相應(yīng)的較高水平交調(diào)可能會落回到接收機(jī)頻段內(nèi)，導(dǎo)致接收機(jī)降敏。必須注意：在這種情況下，不良頻譜輻射或功率效率損失可能不如PIM導(dǎo)致接收機(jī)降敏那樣令人關(guān)注。在小型蜂窩無線電設(shè)計(jì)中，此問題尤其重要。ADI公司目前正在研發(fā)可從接收信號中檢測、模擬、消除（抵消）雙工器等靜態(tài)無源元件PIM的技術(shù)（參見圖3）。

 

圖3.PIM的產(chǎn)生以及PIM抵消算法

 

該算法之所以有效，是因?yàn)樗獣暂d波信息，并且可以使用接收機(jī)相關(guān)性來確定交調(diào)偽像，然后從收到的信號中消除。

 

當(dāng)不再能利用相關(guān)性確定交調(diào)偽像時(shí)，該算法的局限性便開始浮現(xiàn)。圖4顯示了一個(gè)實(shí)例。在該例中，兩個(gè)不同的發(fā)射機(jī)共享一根天線。如果假設(shè)每條路徑的基帶處理是彼此獨(dú)立的，那么算法便不太可能知曉二者信息，故而它能在接收機(jī)執(zhí)行的相關(guān)性和抵消處理會受限。

 

圖4.多源共享一根天線

 

加之于PIM挑戰(zhàn)的復(fù)雜性

 

站點(diǎn)訪問和成本給服務(wù)提供商帶來了挑戰(zhàn)，我們開始發(fā)現(xiàn)越來越多這樣的事例：不同發(fā)射機(jī)共享單根寬帶天線。其架構(gòu)可以是各種頻段和格式的混合：TDD + FDD；TDD：F + A + D，F(xiàn)DD：B3，等等。圖5顯示了這種配置的概貌。在這個(gè)例子中，客戶試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜但現(xiàn)實(shí)的配置。一個(gè)分支是TDD雙頻，另一分支是FDD單頻，采用一個(gè)雙工器。信號匯合起來，共享單根天線。Tx1和Tx2信號之間的無源交調(diào)發(fā)生在來自合并器的路徑中、到天線的傳輸線路中以及天線本身中。所得的交調(diào)偽像落回到FDD接收機(jī)頻段Rx2。

 

圖5. FDD/TDD 單根天線實(shí)現(xiàn)方案

 

圖6所示為對一個(gè)雙頻系統(tǒng)的實(shí)際分析。注意在這個(gè)例子中，我們需要考慮三階以上的無源調(diào)制偽像。這種情況下，重點(diǎn)關(guān)注從一個(gè)頻段（內(nèi)部）落回到另一個(gè)接收機(jī)頻段內(nèi)的交調(diào)偽像。

 

圖6.多頻PIM問題

 

裝配PIM

 

我們把第二類PIM稱為裝配PIM。雖然系統(tǒng)在安裝后可以令人滿意地運(yùn)作，但經(jīng)過一段時(shí)間后，由于天氣或初次安裝質(zhì)量糟糕，其性能常常會下降。發(fā)生這種情況時(shí)，信號路徑中的無源元件（連接器、電纜、電纜組件、波導(dǎo)組件和元器件等）通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上，某些主要的PIM現(xiàn)象就是由連接器、連接甚至天線本身的饋線引起的。所產(chǎn)生的影響可能與上面討論的設(shè)計(jì)引入PIM相似，因此可以使用同樣的PIM測量理論，該理論專門用于尋找無源交調(diào)產(chǎn)物的存在。

 

引起裝配PIM的典型因素有：

 

1.連接器適配接口（通常是N型或DIN7/16）

 

2.電纜附件（電纜/連接器接合的機(jī)械穩(wěn)定性）

 

3.材料（建議使用黃銅和銅，鐵磁材料有非線性特性）

 

4.清潔度（塵土污染或水汽）

 

5.電纜因素（電纜的質(zhì)量和魯棒性）

 

6.機(jī)械魯棒性（風(fēng)和振動(dòng)引起撓曲）

 

7.電熱感應(yīng)PIM（原因是非恒定包絡(luò)的RF信號消耗的功率隨時(shí)間而變化，引起溫度改變，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化）。

 

溫度變化大、空氣帶有鹽分/受污染或存在過大振動(dòng)的環(huán)境往往會加重PIM問題。雖然可以使用與針對設(shè)計(jì)引入PIM相同的PIM測量技術(shù)，但可以認(rèn)為，裝配PIM的存在表明系統(tǒng)的性能和可靠性均有所降低。若不加以解決，引起PIM的缺陷因素可能會變本加厲，直至整個(gè)傳輸路徑發(fā)生故障。對裝配PIM采用PIM抵消方法更像是掩蓋問題而非解決問題。

 

可以想見，此類情況下，用戶可能并不希望抵消PIM，而是希望得知PIM的存在，以便消除根本原因。為此，首先需要確定PIM是從系統(tǒng)何處引入的，然后修理或更換特定元件。

 

我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)引入PIM是可量化且穩(wěn)定的，但上面所述的裝配PIM是不穩(wěn)定的。它可能存在于一組范圍非常窄的條件下，其幅度變化可能超過100 dB。單次離線掃描可能無法捕捉到此類事例；理想情況下，傳輸線路診斷需要與PIM事件協(xié)同進(jìn)行。

 

天線之外的PIM（銹體PIM）

 

PIM并不局限于有線傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線之外。該效應(yīng)也被稱為"銹體PIM"。這種情況下，無源交調(diào)發(fā)生在信號離開發(fā)射機(jī)天線之后，所產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收機(jī)中。"銹體"這一說法來源于這樣一個(gè)事實(shí)：很多情況下，交調(diào)源可能是生銹的金屬物件，例如鐵絲網(wǎng)、倉庫或排水管。

 

金屬物件會引起反射。但在這些情況下，金屬物件不僅會反射收到的信號，而且會產(chǎn)生并輻射交調(diào)偽像。交調(diào)的發(fā)生同在有線信號路徑中一樣，即發(fā)生在兩種不同金屬或異質(zhì)材料的接合處。電磁波產(chǎn)生的表面電流會混合并再輻射（參見圖7）。再輻射信號的幅度一般非常低。然而，如果輻射物件（生銹鐵絲網(wǎng)、倉庫或下水管等）靠近基站接收機(jī)，而且交調(diào)產(chǎn)物落在接收機(jī)頻段內(nèi)，將造成接收機(jī)降敏。

 

圖7.天線之外或銹體PIM

 

某些情況下，PIM源可通過天線定位來檢測：一邊改變天線位置，一邊監(jiān)測PIM水平。此外，也可以利用時(shí)間延遲估計(jì)來定位PIM源。如果PIM水平穩(wěn)定，則可以利用標(biāo)準(zhǔn)算法抵消技術(shù)來補(bǔ)償PIM。但更多情況下，PIM貢獻(xiàn)受到振動(dòng)、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的影響，使得抵消非常難以進(jìn)行。

 

PIM檢測：定位PIM源

 

線路掃描

 

可以實(shí)施多種線路掃描技術(shù)。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)在目標(biāo)頻段上的信號損耗和反射。我們不能認(rèn)為線路掃描總是會精確指示PIM的可能原因。線路掃描更像是一種診斷工具，可幫助識別傳輸線路上的問題。早期裝配問題可能表現(xiàn)為PIM；若不加以解決，這些裝配問題可能會升級，引起更為嚴(yán)重的傳輸線路故障。線路掃描通常分為兩個(gè)基本測試：回波損耗和插入損耗。二者均與頻率有很大關(guān)系，且在指定頻段內(nèi)均可能變化很大?；夭〒p耗衡量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。務(wù)必使反射回到發(fā)射機(jī)的功率最小。任何反射功率都可能使發(fā)射信號失真；若反射回的功率足夠大，甚至?xí)p壞發(fā)射機(jī)。20 dB的回波損耗值表示1%的發(fā)射信號被反射回發(fā)射機(jī)，99%到達(dá)天線——通常認(rèn)為這是相當(dāng)好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號被反射，表明性能不理想。如果回波損耗測量值為0 dB，則100%的功率被反射，這很可能是開路或短路導(dǎo)致的。

 

時(shí)域反射

 

可以利用高級TDR技術(shù)來提供一個(gè)最優(yōu)系統(tǒng)的參考映射，以及確定傳輸路徑上開始發(fā)生損耗的確切位置。通過這種技術(shù)，操作員可以定位PIM源，從而有針對性地、高效率地予以修復(fù)。傳輸線路映射還能提醒操作員注意一些早期故障跡象，防止其嚴(yán)重影響性能。時(shí)域發(fā)射法(TDR)測量信號經(jīng)過傳輸線路所產(chǎn)生的反射。TDR儀器讓一個(gè)脈沖通過介質(zhì)，然后將未知傳輸環(huán)境產(chǎn)生的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。圖8顯示了一個(gè)簡化TDR測量設(shè)置框圖。

 

圖8.TDR設(shè)置框圖

 

圖9顯示了一個(gè)TDR傳輸線路映射實(shí)例。

 

圖9.TDR傳輸線路映射

 

頻域反射

 

雖然TDR和FDR的工作原理均是沿著傳輸線路發(fā)送激勵(lì)信號并分析反射，但這兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法非常不同。FDR技術(shù)采用RF信號掃描，而不是TDR所用的直流脈沖。另外，F(xiàn)DR要比TDR靈敏得多，能以更高的精度定位系統(tǒng)性能故障或降低的地方。頻域反射法原理涉及源信號和反射信號（來自傳輸線路中的故障和其他反射特性）的矢量相加。TDR采用非常短的直流脈沖作為激勵(lì)信號，其本身就能覆蓋非常寬的帶寬，而FDR掃描RF信號實(shí)際上是在特定目標(biāo)頻率（通常在系統(tǒng)的預(yù)期工作范圍內(nèi)）運(yùn)行。

 

圖10.FDR原理，掃描頻率回波損耗與距離的關(guān)系

 

PIM定位

 

必須注意，雖然線路掃描可以指示阻抗不匹配，從而指示傳輸線路PIM源，但PIM和傳輸線路阻抗不匹配可以是互斥的。PIM非線性可能出現(xiàn)在線路掃描結(jié)果未指示任何傳輸線路問題的地方。因此，若要給用戶提供一種解決方案，要求不僅能指示PIM存在，而且能準(zhǔn)確識別傳輸線路上何處發(fā)生該問題，就需要采用更復(fù)雜的實(shí)施方案。

 

綜合PIM線路測試的工作模式與針對設(shè)計(jì)引入PIM抵消所述的模式相似，不同之處是算法檢查交調(diào)產(chǎn)物時(shí)間延遲估計(jì)的情況不同。應(yīng)當(dāng)注意，這些情況中的優(yōu)先事項(xiàng)并非PIM偽像的抵消，而是定位傳輸線路上何處發(fā)生交調(diào)。該概念也被稱為"PIM定位"(DTP)。例如，在一個(gè)雙音測試中，

 

信號音1：

 

 

信號音2：

 

 

w1和w2為頻率； θ1和θ2為初始相位；t0為初始時(shí)間。

 

IMD（例如低端）將為：

 

 

很多現(xiàn)有解決方案要求用戶中斷傳輸路徑，插入一個(gè)PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置（它能產(chǎn)生固定量的PIM，用來校準(zhǔn)測試設(shè)備）。使用PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置可為用戶提供一個(gè)基準(zhǔn)IMD，它在傳輸路徑的特定位置/距離處并具有已知相位。圖11(a)顯示了概況。IMD相位θ32（如圖11所示）用作基準(zhǔn)位置0。

 

圖11.PIM定位

 

一旦完成初始校準(zhǔn)，便重構(gòu)系統(tǒng)并測量系統(tǒng)PIM，如圖11(b)所示。θ32和θ''32之間的相位差可用來計(jì)算到PIM的距離。

 

 

其中，D為到PIM的距離，S為波傳播速度（取決于傳輸介質(zhì)）。

 

裝配和銹體PIM可能是一個(gè)慢速遞增的過程；完成安裝后初期，基站可以高效率工作，但經(jīng)過一段時(shí)間后，此類PIM現(xiàn)象可能會開始變得突出。振動(dòng)或風(fēng)等環(huán)境因素可能會影響PIM水平，故PIM的性質(zhì)和特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)起伏不定的。掩蓋或抵消PIM不僅可能很困難，而且可能被認(rèn)為掩蓋了更為嚴(yán)重的問題，若不加以解決，可能引發(fā)整體系統(tǒng)故障。這種情況下，運(yùn)營商會希望避免系統(tǒng)整體停機(jī)的相關(guān)成本，快速定位引起PIM的器件并予以更換。

 

PIM定位技術(shù)(DTP)還為基站運(yùn)營商提供了這樣一種可能性：跟蹤系統(tǒng)性能隨時(shí)間而降低的情況，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。有了這些信息，便可在計(jì)劃維修期間更換薄弱點(diǎn)，避免代價(jià)巨大的系統(tǒng)停機(jī)和專門維修工作。

 

結(jié)語

 

無源交調(diào)并不是什么新鮮事。這種現(xiàn)象已經(jīng)存在多年，為人所知也有段時(shí)間了。近年來，業(yè)界的兩種不同變化又把它拉回人們的視野：

 

第一，高級算法現(xiàn)在可通過一種智能方式來檢測和定位PIM，并且能酌情予以補(bǔ)償。以前的無線電設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠滿足特定PIM性能要求的器件，但在PIM抵消算法的幫助下，他們現(xiàn)在有了更大的選擇自由。他們能夠選擇企及更高的性能，或者用成本較低且尺寸較小的器件實(shí)現(xiàn)相同的性能水平。抵消算法通過數(shù)字化方式輔助硬件元件。

 

第二，隨著基站塔的密度和多樣性爆炸式增長，我們面臨著特殊系統(tǒng)設(shè)置（例如天線共享）帶來的全新挑戰(zhàn)。算法抵消取決于對主要傳輸信號的了解。在塔上空間寶貴的情況下，不同發(fā)射機(jī)可能共享單根天線，導(dǎo)致出現(xiàn)不良PIM效應(yīng)的可能性大大增加。這種情況下，算法可能知道發(fā)射機(jī)路徑某些部分的信息，并且可以有效工作。而在發(fā)射路徑某些部分信息未知的情況下，第一代高級PIM抵消算法的性能或?qū)崿F(xiàn)可能會受限。

 

隨著基站設(shè)備領(lǐng)域的挑戰(zhàn)難度不斷加大，PIM檢測和抵消算法在短期內(nèi)預(yù)計(jì)能給無線電設(shè)計(jì)人員帶來相當(dāng)大的好處和優(yōu)勢，但要求開發(fā)工作跟上未來挑戰(zhàn)的步伐。

 

 

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