Интермодуляция - Intermodulation

А частотный спектр график, показывающий интермодуляцию между двумя введенными сигналами на 270 и 275 МГц (большие пики). Видимые продукты интермодуляции видны как небольшие пики на частотах 280 МГц и 265 МГц.

Продукты интермодуляции 3-го порядка (D3 и D4) являются результатом нелинейного поведения усилителя. Уровень входной мощности усилителя увеличивается на 1 дБ в каждом последующем кадре. Выходная мощность двух несущих (M1 и M2) увеличивается примерно на 1 дБ в каждом кадре, в то время как продукты интермодуляции 3-го порядка (D3 и D4) растут на 3 дБ в каждом кадре. Продукты интермодуляции более высокого порядка (5-й, 7-й, 9-й порядок) видны при очень высоких уровнях входной мощности, когда усилитель выходит за пределы насыщения. Вблизи насыщения каждый дополнительный дБ входной мощности приводит к пропорционально меньшей выходной мощности, идущей на усиленные несущие, и пропорционально большей выходной мощности, идущей на нежелательные продукты интермодуляции. При насыщении и выше дополнительная входная мощность приводит к снижаться в выходной мощности, при этом большая часть этой дополнительной входной мощности рассеивается в виде тепла и увеличивает уровень нелинейных интермодуляционных составляющих по отношению к двум несущим.

Интермодуляция (Я) или же интермодуляционные искажения (IMD) это амплитудная модуляция из сигналы содержащие два или более разных частоты, вызванный нелинейности или отклонение во времени в системе. Интермодуляция между частотными компонентами будет формировать дополнительные компоненты на частотах, которые не просто гармонический частоты (целое число кратные ) либо, как гармоническое искажение, но также на сумме и разности частот исходных частот, а также на суммах и разностях, кратных этим частотам.

Интермодуляция вызвана нелинейным поведением обработка сигналов (физическое оборудование или даже алгоритмы). В теоретический результат этих нелинейностей может быть рассчитан путем создания Вольтерра серия характеристики, или более приблизительно на Серия Тейлор.^[1]

Практически все звуковое оборудование имеет некоторую нелинейность, поэтому оно будет демонстрировать некоторое количество интермодуляционных искажений, которое, однако, может быть достаточно низким, чтобы его не заметили люди. Из-за особенностей человека слуховая система, тот же процент IMD воспринимается как более неприятный по сравнению с таким же количеством гармонических искажений.^[2]^[3]^{[сомнительный – обсуждать]}

Интермодуляция также обычно нежелательна в радио, поскольку создает нежелательные побочные излучения, часто в виде боковые полосы. Для радиопередач это увеличивает занимаемую полосу пропускания, приводя к соседнему каналу. вмешательство, что может снизить четкость звука или увеличить использование спектра.

IMD отличается только от гармоническое искажение в том, что сигнал стимула отличается. Одна и та же нелинейная система будет производить как полное гармоническое искажение (с одиночным синусоидальным входом) и IMD (с более сложными тонами). В музыке, например, IMD намеренно применен к электрогитарам с перегрузкой усилители или же педали эффектов производить новые тона в субгармоники тонов играемых на инструменте. Видеть Пауэр-аккорд # Анализ.

IMD также отличается от преднамеренной модуляции (такой как частотный смеситель в супергетеродинные приемники ), где сигналы для модуляции подаются на преднамеренный нелинейный элемент (умноженный ). Видеть нелинейный смесители например, миксер диоды и даже одно-транзистор генераторно-смесительные схемы. Однако, хотя продукты интермодуляции принятого сигнала с сигналом гетеродина предназначены, супергетеродинные смесители могут, в то же время, также создавать нежелательные эффекты интермодуляции от сильных сигналов, близких по частоте к полезному сигналу, которые попадают в полосу пропускания приемника. .

Причины интермодуляции

Линейная система не может создавать интермодуляции. Если вход линейный инвариантный во времени система - сигнал одной частоты, тогда на выходе - сигнал той же частоты; только амплитуда и фаза может отличаться от входного сигнала.

Нелинейные системы порождают гармоники в ответ на синусоидальный вход, что означает, что если вход нелинейной системы является сигналом одной частоты, ${ displaystyle ~ f_ {a},}$ тогда на выходе получается сигнал, который включает в себя несколько целых кратных входному частотному сигналу; (т.е. некоторые из ${ displaystyle ~ f_ {a}, 2f_ {a}, 3f_ {a}, 4f_ {a}, ldots}$ ).

Интермодуляция возникает, когда вход в нелинейную систему состоит из двух или более частот. Рассмотрим входной сигнал, содержащий три частотных компонента при ${ displaystyle ~ f_ {a}}$ , ${ displaystyle ~ f_ {b}}$ , и ${ displaystyle ~ f_ {c}}$ ; что может быть выражено как

{ displaystyle x (t) = M_ {a} sin (2 pi f_ {a} t + phi _ {a}) + M_ {b} sin (2 pi f_ {b} t + phi _ {b}) + M_ {c} sin (2 pi f_ {c} t + phi _ {c})}

где ${ Displaystyle M}$ и ${ displaystyle phi}$ - амплитуды и фазы трех компонентов соответственно.

Получаем наш выходной сигнал, ${ Displaystyle у (т)}$ , передав наши входные данные через нелинейную функцию ${ displaystyle G}$ :

{ Displaystyle у (т) = г влево (х (т) вправо) ,}

${ Displaystyle у (т)}$ будет содержать три частоты входного сигнала, ${ displaystyle ~ f_ {a}}$ , ${ displaystyle ~ f_ {b}}$ , и ${ displaystyle ~ f_ {c}}$ (которые известны как фундаментальный частот), а также ряд линейные комбинации основных частот, каждая из которых имеет вид

{ displaystyle k_ {a} f_ {a} + k_ {b} f_ {b} + k_ {c} f_ {c}}

куда ${ displaystyle ~ k_ {a}}$ , ${ displaystyle ~ k_ {b}}$ , и ${ displaystyle ~ k_ {c}}$ - произвольные целые числа, которые могут принимать положительные или отрицательные значения. Эти продукты интермодуляции (или же IMP).

В общем, каждая из этих частотных составляющих будет иметь различную амплитуду и фазу, что зависит от конкретной используемой нелинейной функции, а также от амплитуд и фаз исходных входных составляющих.

В более общем смысле, учитывая входной сигнал, содержащий произвольное число ${ displaystyle N}$ частотных составляющих ${ displaystyle f_ {a}, f_ {b}, ldots, f_ {N}}$ , выходной сигнал будет содержать ряд частотных составляющих, каждая из которых может быть описана как

{ displaystyle k_ {a} f_ {a} + k_ {b} f_ {b} + cdots + k_ {N} f_ {N}, ,}

где коэффициенты ${ displaystyle k_ {a}, k_ {b}, ldots, k_ {N}}$ - произвольные целые числа.

Порядок интермодуляции

Распределение интермодуляций третьего порядка: синим цветом - положение основных несущих, красным - положение доминирующих IMP, зеленым - положение конкретных IMP.

В порядок ${ Displaystyle O}$ данного интермодуляционного продукта является суммой абсолютных значений коэффициентов,

{ Displaystyle O = left | k_ {a} right | + left | k_ {b} right | + cdots + left | k_ {N} right |,}

Например, в нашем исходном примере выше, продукты интермодуляции третьего порядка (IMP) встречаются там, где ${ Displaystyle | k_ {a} | + | k_ {b} | + | k_ {c} | = 3}$ :

${ displaystyle f_ {a} + f_ {b} -f_ {c}}$
${ displaystyle f_ {a} + f_ {c} -f_ {b}}$
${ displaystyle f_ {b} + f_ {c} -f_ {a}}$
${ displaystyle 2f_ {a} -f_ {b}}$
${ displaystyle 2f_ {a} -f_ {c}}$
${ displaystyle 2f_ {b} -f_ {a}}$
${ displaystyle 2f_ {b} -f_ {c}}$
${ displaystyle 2f_ {c} -f_ {a}}$
${ displaystyle 2f_ {c} -f_ {b}}$

Во многих радио- и аудиоприложениях наибольший интерес представляют IMP нечетного порядка, поскольку они находятся в непосредственной близости от исходных частотных компонентов и поэтому могут мешать желаемому поведению. Например, интермодуляционные искажения третьего порядка (IMD3) схемы можно увидеть, посмотрев на сигнал, состоящий из двух синусоидальные волны, один в ${ displaystyle f_ {1}}$ и один в ${ displaystyle f_ {2}}$ . Когда вы кубите сумму этих синусоид, вы получите синусоиды в различных частоты включая ${ displaystyle 2 times f_ {2} -f_ {1}}$ и ${ displaystyle 2 times f_ {1} -f_ {2}}$ . Если ${ displaystyle f_ {1}}$ и ${ displaystyle f_ {2}}$ большие, но очень близко друг к другу, тогда ${ displaystyle 2 times f_ {2} -f_ {1}}$ и ${ displaystyle 2 times f_ {1} -f_ {2}}$ будет очень близко к ${ displaystyle f_ {1}}$ и ${ displaystyle f_ {2}}$ .

Пассивная интермодуляция (PIM)

Как объяснено в предыдущий раздел интермодуляция может возникать только в нелинейных системах. Нелинейные системы обычно состоят из активный компоненты, что означает, что компоненты должны быть смещены с помощью внешнего источника питания, который не является входным сигналом (т.е. активные компоненты должны быть «включены»).

Однако пассивная интермодуляция (PIM) возникает в пассивных устройствах (которые могут включать в себя кабели, антенны и т. Д.), Которые подвергаются воздействию двух или более тонов высокой мощности.^[4] Продукт PIM является результатом смешения двух (или более) мощных тонов на нелинейностях устройства, таких как переходы разнородных металлов или переходы металл-оксид, такие как незакрепленные корродированные соединители. Чем выше амплитуда сигнала, тем более выражено влияние нелинейностей и более заметна возникающая интермодуляция - даже если при первоначальном осмотре система может показаться линейной и неспособной генерировать интермодуляцию.

Также возможно, что одна широкополосная несущая будет генерировать PIM, если она проходит через поверхность генерирования PIM или дефект. Эти искажения проявляются в виде боковых лепестков в телекоммуникационном сигнале, создают помехи для соседних каналов и затрудняют прием.

PIM может стать серьезной проблемой в современных системах связи. Пути, которые совместно используют как передачу высокой мощности, так и принимаемый сигнал, наиболее восприимчивы к такого рода помехам. Как только помехи PIM попадают в тракт приема, их нельзя фильтровать или разделять.^[5]

Источники PIM

Ферромагнитные материалы являются наиболее распространенными материалами, которых следует избегать, и включают ферриты, никель (включая никелирование) и стали (включая некоторые нержавеющие стали). Эти материалы демонстрируют гистерезис при воздействии реверсивных магнитных полей, что приводит к генерации PIM.

PIM также может образовываться в компонентах с производственными дефектами или дефектами изготовления, такими как холодные или потрескавшиеся паяные соединения или плохо выполненные механические контакты. Если эти дефекты подвергаются воздействию высоких радиочастотных токов, может возникнуть PIM. В результате производители радиочастотного оборудования проводят заводские тесты PIM на компонентах, чтобы устранить PIM, вызванный этими конструктивными и производственными дефектами.

PIM также может быть неотъемлемой частью конструкции ВЧ-компонента высокой мощности, где ВЧ-ток принудительно сужает каналы или ограничивается.

В полевых условиях PIM может быть вызван компонентами, которые были повреждены при транспортировке к базовой станции, проблемами при установке и внешними источниками PIM. Некоторые из них включают:

Загрязнение поверхностей или контактов из-за грязи, пыли, влаги или окисления.
Слабые механические соединения из-за недостаточного крутящего момента, плохой центровки или плохо подготовленных контактных поверхностей.
Слабые механические соединения, возникшие при транспортировке, ударах или вибрации.
Металлические хлопья или стружки внутри ВЧ-разъемов.
Непостоянный контакт металла с металлом между поверхностями радиочастотного разъема, вызванный одним из следующих факторов:
- Захваченные диэлектрические материалы (клеи, пена и т. Д.), Трещины или деформации на конце внешнего проводника коаксиальных кабелей, часто вызванные чрезмерным затягиванием задней гайки во время установки, жесткие внутренние проводники деформированы в процессе подготовки, полые внутренние проводники чрезмерно увеличены или сделана овальной в процессе подготовки.
PIM также может возникать в соединителях или когда проводники состоят из двух частей. гальванически непревзойденные металлы контактируют друг с другом.
Ближайшие металлические предметы в прямом луче и боковых лепестках передающей антенны, включая ржавые болты, кровлю, вентиляционные трубы, растяжки и т. Д.

PIM-тестирование

IEC 62037 - это международный стандарт для тестирования PIM, в котором подробно описаны настройки измерения PIM. Стандарт определяет использование двух тонов +43 дБм (20 Вт) для тестовых сигналов для тестирования PIM. Этот уровень мощности уже более десяти лет используется производителями радиочастотного оборудования для установления требований «ПРОШЕЛ / ОТКАЗ» для радиочастотных компонентов.

Интермодуляция в электронных схемах

Искажения, вызванные поворотом (SID) может вызвать интермодуляционные искажения (IMD), когда первый сигнал вращается (изменяется напряжение) на пределе усилителя. полоса пропускания мощности товар. Это приводит к эффективному снижению усиления, частично амплитудно-модулирующий второй сигнал. Если SID возникает только для части сигнала, это называется «переходным» интермодуляционным искажением.^[6]

Измерение

Интермодуляционные искажения в аудио обычно указываются как среднеквадратичное значение (RMS) значение различных сумм-разностных сигналов в процентах от среднеквадратичного напряжения исходного сигнала, хотя оно может быть указано в терминах силы отдельных компонентов, в децибелы, как это обычно бывает с РФ работай. Аудио IMD стандартные тесты включают стандарт SMPTE RP120-1994^[6] где для испытания используются два сигнала (с частотой 60 Гц и 7 кГц, с соотношением амплитуд 4: 1); многие другие стандарты (например, DIN, CCIF) используют другие частоты и амплитудные отношения. Мнения разнятся в зависимости от идеального соотношения тестовых частот (например, 3: 4,^[7] или почти - но не совсем - например, 3: 1).

После подачи на тестируемое оборудование входных синусоид с низким уровнем искажений, выходные искажения можно измерить с помощью электронный фильтр для удаления исходных частот или спектральный анализ может быть выполнен с использованием Преобразования Фурье в программном обеспечении или специальном анализатор спектра или при определении эффектов интермодуляции в коммуникационном оборудовании, может быть выполнено с использованием самого тестируемого приемника.

В радио приложения, интермодуляция может быть измерена как коэффициент мощности соседнего канала. Трудно проверить интермодуляционные сигналы в диапазоне ГГц, генерируемые пассивными устройствами (PIM: пассивная интермодуляция). Производителями этих скалярных PIM-инструментов являются Summitek и Rosenberger. Новейшие разработки - это PIM-инструменты для измерения также расстояния до PIM-источника. Anritsu предлагает решение на основе радара с низкой точностью, а Heuermann предлагает решение векторного анализатора цепей с преобразованием частоты с высокой точностью.

Смотрите также

Beat (акустика)
Измерения аудиосистемы
Точка пересечения второго порядка
Точка перехвата третьего порядка, показатель усилителя или системы, связанный с интермодуляцией.
Эффект Люксембург – Горького

внешняя ссылка

Ллойд Батлер (1997). «Интермодуляционные характеристики и измерение интермодуляционных составляющих». VK5BR. "Радиолюбитель", август 1997 г.. Получено 30 января 2012.
Измерение различных интермодуляционных искажений (IMD, TD + N, DIM) с использованием нескольких приборов

[1] Руфаэль, Тони Дж. (2014). Архитектура и конструкция беспроводных приемников: антенны, ВЧ, синтезаторы, смешанный сигнал и цифровая обработка сигналов. Академическая пресса. п. 244. ISBN 9780123786418.

[RumseyMccormick2012-2] Фрэнсис Рамси; Тим Маккормик (2012). Звук и запись: введение (5-е изд.). Focal Press. п. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.

[DavisDavis1989-3] Гэри Дэвис; Ральф Джонс (1989). Справочник по звукоизоляции (2-е изд.). Корпорация Yamaha / Hal Leonard. п.85. ISBN 978-0-88188-900-0.

[4] Пассивные интермодуляционные помехи в системах связи, П. Л. Луи, Журнал «Электроника и техника связи», Год: 1990, Том: 2, Выпуск: 3, Страницы: 109 - 118.

[5] «Характеристики пассивной интермодуляции», М. Эрон, Microwave Journal, март 2014 г.

[AES-6] а ^б Справочник по AES Pro Audio для IM

[7] ttp://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Грэм Джон Коэн: соотношение 3-4; Метод измерения продуктов искажения

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]