Интермодуляция

Нелинейный эффект при амплитудной модуляции

График частотного спектра , показывающий интермодуляцию между двумя введенными сигналами на частотах 270 и 275 МГц (большие выбросы). Видимые продукты интермодуляции выглядят как небольшие выбросы 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, а продукты интермодуляции 3-го порядка (D3 и D4) растут на 3 дБ в каждом кадре. Продукты интермодуляции более высокого порядка (5-го, 7-го и 9-го порядка) видны при очень высоких уровнях входной мощности, когда усилитель выходит за пределы насыщения. Вблизи насыщения каждый дополнительный дБ входной мощности приводит к пропорциональному уменьшению выходной мощности, поступающей в усиленные несущие, и к пропорциональному увеличению выходной мощности, поступающей в нежелательные продукты интермодуляции. При насыщении и выше дополнительная входная мощность приводит к уменьшению выходной мощности, при этом большая часть этой дополнительной входной мощности рассеивается в виде тепла и увеличивает уровень продуктов нелинейной интермодуляции по отношению к двум несущим.

Интермодуляция ( IM ) или интермодуляционные искажения ( IMD ) — это амплитудная модуляция сигналов , содержащих две или более разных частот , вызванная нелинейностями или изменениями во времени в системе. Интермодуляция между частотными компонентами будет формировать дополнительные компоненты на частотах, которые находятся не только на частотах гармоник ( целочисленных кратных ) любой из них, как гармоническое искажение , но также на суммах и разностях частот исходных частот, а также на суммах и разностях кратных этих частот. частоты.

Интермодуляция вызвана нелинейным поведением используемой обработки сигнала (физического оборудования или даже алгоритмов). Теоретический результат этих нелинейностей можно рассчитать путем создания ряда Вольтерра характеристики или, более приблизительно, ряда Тейлора . ^[1]

Практически все аудиооборудование имеет некоторую нелинейность, поэтому оно будет демонстрировать некоторую величину IMD, которая, однако, может быть достаточно низкой, чтобы быть незаметной для человека. Из-за особенностей слуховой системы человека тот же процент IMD воспринимается как более неприятный по сравнению с тем же количеством гармонических искажений. ^{[2] [3] [ сомнительно ]}

Интермодуляция также обычно нежелательна в радиосвязи, поскольку она создает нежелательные побочные излучения , часто в виде боковых полос . Для радиопередач это увеличивает занимаемую полосу пропускания, что приводит к помехам в соседних каналах , что может снизить четкость звука или увеличить использование спектра.

IMD отличается от гармонических искажений только тем, что стимулирующий сигнал отличается. Одна и та же нелинейная система будет производить как полные гармонические искажения (с одиночной синусоидальной волной на входе), так и IMD (с более сложными тонами). В музыке, например, IMD намеренно применяется к электрогитарам с использованием усилителей с перегрузкой или педалей эффектов для создания новых тонов на субгармониках тонов, воспроизводимых на инструменте. См. Power chord # Анализ .

IMD также отличается от преднамеренной модуляции (например, частотного смесителя в супергетеродинных приемниках ), где модулируемые сигналы подаются преднамеренно нелинейному элементу ( умножаются ). См . нелинейные смесители , такие как смесительные диоды и даже однотранзисторные схемы генератора-смесителя. 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 стационарная система не может создавать интермодуляцию. Если вход линейной стационарной системы представляет собой сигнал одной частоты, то выходной сигнал представляет собой сигнал той же частоты; только амплитуда и фаза могут отличаться от входного сигнала.

Нелинейные системы генерируют гармоники в ответ на синусоидальный входной сигнал, а это означает, что если входной сигнал нелинейной системы представляет собой сигнал одной частоты, то выходной сигнал представляет собой сигнал, который включает в себя несколько целых кратных входного частотного сигнала; (т.е. некоторые из ). ${\displaystyle ~f_{a},}$ ${\displaystyle ~f_{a},2f_{a},3f_{a},4f_{a},\ldots }$

Интермодуляция возникает, когда входной сигнал нелинейной системы состоит из двух или более частот. Рассмотрим входной сигнал, который содержит три частотных компонента при , и ; что может быть выражено как ${\displaystyle ~f_{a}}$ ${\displaystyle ~f_{b}}$ ${\displaystyle ~f_{c}}$

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

где и – амплитуды и фазы трех компонент соответственно. ${\displaystyle \ M}$ ${\displaystyle \ \phi }$

Мы получаем выходной сигнал, пропуская входные данные через нелинейную функцию : ${\displaystyle \ y(t)}$ ${\displaystyle G}$

${\displaystyle \ y(t)=G\left(x(t)\right)\,}$

${\displaystyle \ y(t)}$будет содержать три частоты входного сигнала, , и (которые известны как основные частоты), а также ряд линейных комбинаций основных частот, каждая в виде ${\displaystyle ~f_{a}}$ ${\displaystyle ~f_{b}}$ ${\displaystyle ~f_{c}}$

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

где , , и — произвольные целые числа, которые могут принимать положительные или отрицательные значения. Это продукты интермодуляции (или IMP ). ${\displaystyle ~k_{a}}$ ${\displaystyle ~k_{b}}$ ${\displaystyle ~k_{c}}$

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

В более общем смысле, если входной сигнал содержит произвольное количество частотных составляющих , выходной сигнал будет содержать несколько частотных составляющих, каждая из которых может быть описана формулой ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle f_{a},f_{b},\ldots ,f_{N}}$

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

где коэффициенты представляют собой произвольные целые значения. ${\displaystyle k_{a},k_{b},\ldots ,k_{N}}$

Порядок интермодуляции

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

Порядок данного продукта интермодуляции представляет собой сумму абсолютных значений коэффициентов, ${\displaystyle \ O}$

${\displaystyle \ O=\left|k_{a}\right|+\left|k_{b}\right|+\cdots +\left|k_{N}\right|,}$

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

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

Во многих радио- и аудиоприложениях наибольший интерес представляют IMP нечетного порядка, поскольку они находятся вблизи исходных частотных компонентов и, следовательно, могут мешать желаемому поведению. Например, интермодуляционные искажения третьего порядка ( IMD3 ) схемы можно увидеть, взглянув на сигнал, состоящий из двух синусоидальных волн , одной на и одной на . Когда вы возведете в куб сумму этих синусоид, вы получите синусоидальные волны на различных частотах, включая и . Если и большие, но очень близко друг к другу, то и будут очень близки к и . ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$ ${\displaystyle 2\times f_{2}-f_{1}}$ ${\displaystyle 2\times f_{1}-f_{2}}$ ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$ ${\displaystyle 2\times f_{2}-f_{1}}$ ${\displaystyle 2\times f_{1}-f_{2}}$ ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$

Пассивная интермодуляция (PIM)

Как объяснялось в предыдущем разделе, интермодуляция может возникать только в нелинейных системах. Нелинейные системы обычно состоят из активных компонентов, а это означает, что компоненты должны быть смещены внешним источником 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 смешивания двух (или более) мощных тонов на нелинейностях устройства, таких как соединения разнородных металлов или соединения оксидов металлов, таких как незакрепленные корродированные разъемы. Чем выше амплитуды сигнала, тем более выражен эффект нелинейностей и тем более заметна возникающая интермодуляция, хотя при первоначальном осмотре система может показаться линейной и неспособной генерировать интермодуляцию.

Требование «двух или более тонов высокой мощности» не обязательно должно быть дискретным. Пассивная интермодуляция также может возникать между разными частотами (т.е. разными «тонами») в пределах одной широкополосной несущей. Эти PIM будут отображаться как боковые полосы телекоммуникационного сигнала, которые мешают соседним каналам и затрудняют прием.

Пассивные интермодуляции представляют собой серьезную проблему в современных системах связи в тех случаях, когда одна антенна используется как для сигналов передачи высокой мощности, так и для сигналов приема малой мощности (или когда передающая антенна находится в непосредственной близости от приемной антенны). Хотя мощность пассивного интермодуляционного сигнала обычно на много порядков ниже мощности передаваемого сигнала, мощность пассивного интермодуляционного сигнала часто на тот же порядок (а возможно, и выше) мощности приемного сигнала. сигнал. Следовательно, если пассивная интермодуляция попадает на путь приема, ее невозможно отфильтровать или отделить от принимаемого сигнала. Таким образом, принимаемый сигнал будет заглушен пассивным интермодуляционным сигналом. ^[5]

Источники пассивной интермодуляции

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

Пассивная интермодуляция также может возникать в компонентах с дефектами изготовления или изготовления, такими как холодные или треснутые паяные соединения или плохо выполненные механические контакты. Если эти дефекты подвергаются воздействию высокочастотных токов, может возникнуть пассивная интермодуляция. В результате производители радиочастотного оборудования проводят заводские PIM-тесты компонентов, чтобы устранить пассивную интермодуляцию, вызванную этими конструктивными и производственными дефектами.

Пассивная интермодуляция также может быть присуща конструкции мощного радиочастотного компонента, где радиочастотный ток вынужден сужать каналы или ограничиваться.

В полевых условиях пассивная интермодуляция может быть вызвана компонентами, которые были повреждены при транспортировке к сотовой станции, проблемами при монтаже, а также внешними источниками пассивной интермодуляции. Некоторые из них включают в себя:

• Загрязнение поверхностей или контактов из-за грязи, пыли, влаги или окисления.
• Ослабленные механические соединения из-за недостаточного момента затяжки, плохой центровки или плохой подготовки контактных поверхностей.
• Ослабленные механические соединения, возникшие во время транспортировки, ударов или вибрации.
• Металлические хлопья или стружка внутри радиочастотных соединений.
• Нестабильный контакт металла с металлом между поверхностями радиочастотного разъема, вызванный любой из следующих причин:
  • Захваченные диэлектрические материалы (клей, пенопласт и т. д.), трещины или деформации на концах внешнего проводника коаксиальных кабелей, часто вызванные чрезмерным затягиванием контргайки во время установки, сплошные внутренние проводники деформируются в процессе подготовки, полые внутренние проводники чрезмерно увеличены или сделать овал в процессе приготовления.
• Пассивная интермодуляция также может возникать в разъемах или при контакте друг с другом проводников, изготовленных из двух гальванически несогласованных металлов.
• Близлежащие металлические предметы в прямом луче и боковых лепестках передающей антенны, включая ржавые болты, оклад крыши, вентиляционные трубы, растяжки и т. д.

Пассивное тестирование интермодуляции

IEC 62037 является международным стандартом тестирования пассивной интермодуляции и содержит подробную информацию о схемах измерения пассивной интермодуляции. Стандарт определяет использование двух тонов +43 дБм (20 Вт) для тестовых сигналов при тестировании пассивной интермодуляции. Этот уровень мощности уже более десяти лет используется производителями радиочастотного оборудования для установления характеристик «Годен/Не пройден» для радиочастотных компонентов.

Интермодуляция в электронных схемах

Нарастающее искажение (SID) может вызвать интермодуляционные искажения (IMD), когда первый сигнал нарастает (меняется напряжение) на пределе произведения мощности полосы пропускания усилителя . Это вызывает эффективное снижение усиления, частично модулируя амплитуду второго сигнала. Если SID возникает только для части сигнала, это называется «переходным» интермодуляционным искажением. ^[6]

Измерение

Интермодуляционные искажения в аудио обычно определяются как среднеквадратичное значение (RMS) различных сигналов суммы и разности в процентах от среднеквадратического напряжения исходного сигнала, хотя оно может быть указано в терминах мощности отдельных компонентов, в децибелы , как это обычно бывает при работе на радиочастотах . Измерения аудиосистемы (Audio IMD) включают стандарт SMPTE RP120-1994 ^[6] , где для испытаний используются два сигнала (60 Гц и 7 кГц, с соотношением амплитуд 4:1); многие другие стандарты (например, DIN, CCIF) используют другие частоты и соотношения амплитуд. Мнения относительно идеального соотношения тестовых частот расходятся (например, 3:4, ^[7] или почти, но не точно, 3:1).

После подачи на тестируемое оборудование входных синусоидальных сигналов с низкими искажениями выходные искажения можно измерить с помощью электронного фильтра для удаления исходных частот или выполнить спектральный анализ с использованием преобразований Фурье в программном обеспечении или специального анализатора спектра , или при определении интермодуляции. воздействие на оборудование связи может быть произведено с использованием самого испытуемого приемника.

В радиоприложениях интермодуляцию можно измерить 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. Новейшими разработками являются PIM-инструменты для измерения также расстояния до PIM-источника. Anritsu предлагает решение на основе радара с низкой точностью, а Heuermann предлагает решение для векторного анализатора цепей с преобразованием частоты с высокой точностью.

Смотрите также

• Бит (акустика)
• Замеры аудиосистемы
• Точка пересечения второго порядка (SOI)
• Точка пересечения третьего порядка (TOI), показатель усилителя или системы, связанный с интермодуляцией.
• Эффект Люксембурга-Горького

Рекомендации

1. Руфаэль, Тони Дж. (2014). Архитектура и проектирование беспроводных приемников: антенны, РЧ, синтезаторы, смешанный сигнал и цифровая обработка сигналов. Академическая пресса . п. 244. ИСБН 978-0-12378641-8. Проверено 11 июля 2022 г.
2. Рамси, Фрэнсис; Маккормик, Тим (2012). Звук и запись: Введение (5-е изд.). Фокальная пресса . п. 538. ИСБН 978-1-136-12509-6.
3. Дэвис, Гэри; Джонс, Ральф (1989). Справочник по звукоусилению (2-е изд.). Корпорация Yamaha/ Hal Leonard . п. 85. ИСБН 978-0-88188-900-0.
4. Луи, PL (1990). «Пассивные интермодуляционные помехи в системах связи». Журнал электроники и техники связи . 2 (3): 109–118. doi : 10.1049/ecej: 19900029. eISSN  2051-218X. ISSN  0954-0695.
5. Эрон, Мурат (14 марта 2014 г.). «Характеристики пассивной интермодуляции». Микроволновой журнал . 57 : 34–38. Архивировано из оригинала 11 июля 2022 г. Проверено 11 июля 2022 г.
6. «Справочник по AES Pro Audio для обмена мгновенными сообщениями» .
7. Коэн, Грэм Джон (июль 2008 г.), Соотношение Коэна 3-4: метод измерения продуктов искажений. (PDF) , Аделаида, Австралия, заархивировано (PDF) из оригинала 7 апреля 2022 г. , получено 1 июля 2022 г.{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )(5 страниц)

•  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

дальнейшее чтение

• Батлер, Ллойд (август 1997 г.). «Характеристики интермодуляции и измерение интермодуляционных составляющих». Любительское радио . ВК5БР . Проверено 30 января 2012 г.