簡(jiǎn)介

 

眾所周知，有源器件會(huì )在系統中產(chǎn)生非線(xiàn)性效應。人們已開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)來(lái)改善此類(lèi)器件在設計和運行階段的性能。容易忽視的是，無(wú)源器件也可能引入非線(xiàn)性效應；雖然有時(shí)相對較小，但若不加以校正，這些非線(xiàn)性效應可能會(huì )嚴重影響系統性能。

 

PIM表示"無(wú)源交調"。它代表兩個(gè)或更多信號通過(guò)一個(gè)具非線(xiàn)性特性的無(wú)源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調產(chǎn)物。機械連接部分的相互作用一般會(huì )引起非線(xiàn)性效應，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(xiàn)等。

 

無(wú)源交調在蜂窩通信行業(yè)是一個(gè)重大問(wèn)題，而且非常難以排解。在蜂窩通信系統中，PIM可能引起干擾，降低接收機靈敏度，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。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的基站系統發(fā)射信號，則其交調會(huì )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(huì )影響接收機。此外，位于2020 MHz的交調可能影響其他系統。

 

圖1.無(wú)源交調，落到接收機頻段

 

隨著(zhù)頻譜變得越來(lái)越擁擠，并且天線(xiàn)共享方案變得越來(lái)越普遍，不同載波的交調產(chǎn)生PIM的可能性也在增加。利用頻率規劃避免PIM的傳統方法變得越來(lái)越不可行。除上述挑戰外，CDMA/OFDM等新型數字調制方案的采用意味著(zhù)通信系統的峰值功率也在提高，使PIM問(wèn)題"雪上加霜"。

 

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

 

PIM分類(lèi)

 

初步的調查顯示，PIM有三種不同類(lèi)型，每類(lèi)有不同的特點(diǎn)，需要不同的解決方案。我們選擇按如下類(lèi)型分類(lèi)：設計引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。

 

設計引入PIM

 

我們知道，某些無(wú)源器件與其傳輸線(xiàn)路一起會(huì )產(chǎn)生無(wú)源交調。因此，當設計系統時(shí)，開(kāi)發(fā)團隊應根據器件制造商給出的規格，選擇PIM最小或處于可接受水平的無(wú)源元件。環(huán)行器、雙工器和開(kāi)關(guān)特別容易產(chǎn)生PIM效應。設計人員若能接受較高水平的無(wú)源交調，那么可以選擇成本較低、尺寸較小或性能較低的器件。

 

圖2.器件設計權衡：尺寸、功耗、抑制和PIM性能

 

如果設計人員真的選擇性能較低的器件，則相應的較高水平交調可能會(huì )落回到接收機頻段內，導致接收機降敏。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導致接收機降敏那樣令人關(guān)注。在小型蜂窩無(wú)線(xiàn)電設計中，此問(wèn)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(wú)源元件PIM的技術(shù)（參見(jiàn)圖3）。

 

圖3.PIM的產(chǎn)生以及PIM抵消算法

 

該算法之所以有效，是因為它知曉載波信息，并且可以使用接收機相關(guān)性來(lái)確定交調偽像，然后從收到的信號中消除。

 

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

 

圖4.多源共享一根天線(xiàn)

 

加之于PIM挑戰的復雜性

 

站點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)和成本給服務(wù)提供商帶來(lái)了挑戰，我們開(kāi)始發(fā)現越來(lái)越多這樣的事例：不同發(fā)射機共享單根寬帶天線(xiàn)。其架構可以是各種頻段和格式的混合：TDD + FDD；TDD：F + A + D，FDD：B3，等等。圖5顯示了這種配置的概貌。在這個(gè)例子中，客戶(hù)試圖實(shí)現一個(gè)復雜但現實(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(lái)，共享單根天線(xiàn)。Tx1和Tx2信號之間的無(wú)源交調發(fā)生在來(lái)自合并器的路徑中、到天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)路中以及天線(xiàn)本身中。所得的交調偽像落回到FDD接收機頻段Rx2。

 

圖5. FDD/TDD 單根天線(xiàn)實(shí)現方案

 

圖6所示為對一個(gè)雙頻系統的實(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(wú)源調制偽像。這種情況下，重點(diǎn)關(guān)注從一個(gè)頻段（內部）落回到另一個(gè)接收機頻段內的交調偽像。

 

圖6.多頻PIM問(wèn)題

 

裝配PIM

 

我們把第二類(lèi)PIM稱(chēng)為裝配PIM。雖然系統在安裝后可以令人滿(mǎn)意地運作，但經(jīng)過(guò)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(huì )下降。發(fā)生這種情況時(shí)，信號路徑中的無(wú)源元件（連接器、電纜、電纜組件、波導組件和元器件等）通常會(huì )開(kāi)始表現出非線(xiàn)性行為。事實(shí)上，某些主要的PIM現象就是由連接器、連接甚至天線(xiàn)本身的饋線(xiàn)引起的。所產(chǎn)生的影響可能與上面討論的設計引入PIM相似，因此可以使用同樣的PIM測量理論，該理論專(zhuān)門(mén)用于尋找無(wú)源交調產(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/連接器接合的機械穩定性）

 

3.材料（建議使用黃銅和銅，鐵磁材料有非線(xiàn)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.機械魯棒性（風(fēng)和振動(dòng)引起撓曲）

 

7.電熱感應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)而導致電導率發(fā)生變化）。

 

溫度變化大、空氣帶有鹽分/受污染或存在過(guò)大振動(dòng)的環(huán)境往往會(huì )加重PIM問(wèn)題。雖然可以使用與針對設計引入PIM相同的PIM測量技術(shù)，但可以認為，裝配PIM的存在表明系統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(huì )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(wèn)題而非解決問(wèn)題。

 

可以想見(jiàn)，此類(lèi)情況下，用戶(hù)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是從系統何處引入的，然后修理或更換特定元件。

 

我們可以認為設計引入PIM是可量化且穩定的，但上面所述的裝配PIM是不穩定的。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(guò)100 dB。單次離線(xiàn)掃描可能無(wú)法捕捉到此類(lèi)事例；理想情況下，傳輸線(xiàn)路診斷需要與PIM事件協(xié)同進(jìn)行。

 

天線(xiàn)之外的PIM（銹體PIM）

 

PIM并不局限于有線(xiàn)傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線(xiàn)之外。該效應也被稱(chēng)為"銹體PIM"。這種情況下，無(wú)源交調發(fā)生在信號離開(kāi)發(fā)射機天線(xiàn)之后，所產(chǎn)生的交調反射回接收機中。"銹體"這一說(shuō)法來(lái)源于這樣一個(gè)事實(shí)：很多情況下，交調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(huì )引起反射。但在這些情況下，金屬物件不僅會(huì )反射收到的信號，而且會(huì )產(chǎn)生并輻射交調偽像。交調的發(fā)生同在有線(xiàn)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(huì )混合并再輻射（參見(jiàn)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，而且交調產(chǎn)物落在接收機頻段內，將造成接收機降敏。

 

圖7.天線(xiàn)之外或銹體PIM

 

某些情況下，PIM源可通過(guò)天線(xiàn)定位來(lái)檢測：一邊改變天線(xiàn)位置，一邊監測PIM水平。此外，也可以利用時(shí)間延遲估計來(lái)定位PIM源。如果PIM水平穩定，則可以利用標準算法抵消技術(shù)來(lái)補償PIM。但更多情況下，PIM貢獻受到振動(dòng)、風(fēng)和機械運動(dòng)的影響，使得抵消非常難以進(jìn)行。

 

PIM檢測：定位PIM源

 

線(xiàn)路掃描

 

可以實(shí)施多種線(xiàn)路掃描技術(shù)。線(xiàn)路掃描測量傳輸系統在目標頻段上的信號損耗和反射。我們不能認為線(xiàn)路掃描總是會(huì )精確指示PIM的可能原因。線(xiàn)路掃描更像是一種診斷工具，可幫助識別傳輸線(xiàn)路上的問(wèn)題。早期裝配問(wèn)題可能表現為PIM；若不加以解決，這些裝配問(wèn)題可能會(huì )升級，引起更為嚴重的傳輸線(xiàn)路故障。線(xiàn)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，且在指定頻段內均可能變化很大?；夭〒p耗衡量天線(xiàn)系統的功率傳輸效率。務(wù)必使反射回到發(fā)射機的功率最小。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，甚至會(huì )損壞發(fā)射機。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，99%到達天線(xiàn)——通常認為這是相當好的性能。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(kāi)路或短路導致的。

 

時(shí)域反射

 

可以利用高級TDR技術(shù)來(lái)提供一個(gè)最優(yōu)系統的參考映射，以及確定傳輸路徑上開(kāi)始發(fā)生損耗的確切位置。通過(guò)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。傳輸線(xiàn)路映射還能提醒操作員注意一些早期故障跡象，防止其嚴重影響性能。時(shí)域發(fā)射法(TDR)測量信號經(jīng)過(guò)傳輸線(xiàn)路所產(chǎn)生的反射。TDR儀器讓一個(gè)脈沖通過(guò)介質(zhì)，然后將未知傳輸環(huán)境產(chǎn)生的反射與標準阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化TDR測量設置框圖。

 

圖8.TDR設置框圖

 

圖9顯示了一個(gè)TDR傳輸線(xiàn)路映射實(shí)例。

 

圖9.TDR傳輸線(xiàn)路映射

 

頻域反射

 

雖然TDR和FDR的工作原理均是沿著(zhù)傳輸線(xiàn)路發(fā)送激勵信號并分析反射，但這兩種技術(shù)的實(shí)現方法非常不同。FDR技術(shù)采用RF信號掃描，而不是TDR所用的直流脈沖。另外，FDR要比TDR靈敏得多，能以更高的精度定位系統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(lái)自傳輸線(xiàn)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)際上是在特定目標頻率（通常在系統的預期工作范圍內）運行。

 

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

 

綜合PIM線(xiàn)路測試的工作模式與針對設計引入PIM抵消所述的模式相似，不同之處是算法檢查交調產(chǎn)物時(shí)間延遲估計的情況不同。應當注意，這些情況中的優(yōu)先事項并非PIM偽像的抵消，而是定位傳輸線(xiàn)路上何處發(fā)生交調。該概念也被稱(chēng)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：

 

 

很多現有解決方案要求用戶(hù)中斷傳輸路徑，插入一個(gè)PIM標準裝置（它能產(chǎn)生固定量的PIM，用來(lái)校準測試設備）。使用PIM標準裝置可為用戶(hù)提供一個(gè)基準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）用作基準位置0。

 

圖11.PIM定位

 

一旦完成初始校準，便重構系統并測量系統PIM，如圖11(b)所示。θ32和θ''32之間的相位差可用來(lái)計算到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(guò)程；完成安裝后初期，基站可以高效率工作，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，此類(lèi)PIM現象可能會(huì )開(kāi)始變得突出。振動(dòng)或風(fēng)等環(huán)境因素可能會(huì )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，而且可能被認為掩蓋了更為嚴重的問(wèn)題，若不加以解決，可能引發(fā)整體系統故障。這種情況下，運營(yíng)商會(huì )希望避免系統整體停機的相關(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)還為基站運營(yíng)商提供了這樣一種可能性：跟蹤系統性能隨時(shí)間而降低的情況，提前發(fā)現潛在問(wèn)題。有了這些信息，便可在計劃維修期間更換薄弱點(diǎn)，避免代價(jià)巨大的系統停機和專(zhuān)門(mén)維修工作。

 

結語(yǔ)

 

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

 

第一，高級算法現在可通過(guò)一種智能方式來(lái)檢測和定位PIM，并且能酌情予以補償。以前的無(wú)線(xiàn)電設計人員必須選擇能夠滿(mǎn)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)現相同的性能水平。抵消算法通過(guò)數字化方式輔助硬件元件。

 

第二，隨著(zhù)基站塔的密度和多樣性爆炸式增長(cháng)，我們面臨著(zhù)特殊系統設置（例如天線(xiàn)共享）帶來(lái)的全新挑戰。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)射機可能共享單根天線(xiàn)，導致出現不良PIM效應的可能性大大增加。這種情況下，算法可能知道發(fā)射機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抵消算法的性能或實(shí)現可能會(huì )受限。

 

隨著(zhù)基站設備領(lǐng)域的挑戰難度不斷加大，PIM檢測和抵消算法在短期內預計能給無(wú)線(xiàn)電設計人員帶來(lái)相當大的好處和優(yōu)勢，但要求開(kāi)發(fā)工作跟上未來(lái)挑戰的步伐。

 

 

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