移动通信系统中互调的产生机制与干扰排查

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1 概述
互调（IM，InterModulation）是指当两个或多个频率信号经过具有非线性特征的器件时产生的与原信号有和差关系的射频信号，又称互调产物、交调或交调产物。为了提升系统容量，通信系统中同时采用多个载波（频点）的现象非常普遍，而且载波功率也有逐渐加大的趋势；考虑到实际电路通常都具备非线性特点，互调及互调干扰成为常见现象，在蜂窝移动通信系统、微波通信系统、集群移动通信系统、卫星通信系统、舰船通信系统等系统、民航通信系统、有线电视系统等系统中都有发现并引起广泛注意。
互调一般分成有源互调和无源互调两种。鉴于所产生互调产物的严重程度，传统上人们主要关注有源互调，但随着更大功率发射机的应用和接收机灵敏度的不断提高，无源互调产生的系统干扰日益严重，因此越来越被运营商、系统制造商和器件制造商所关注。文献[1]对比了有源互调和无源互调的特征：
有源互调的特点：（1）有源电路的非线性相对固定，不随时间而变化；（2）分析理论相对成熟；指标明确，规范均能给出明确指标要求；（3）传输方向相对稳定；（3）可通过增加带通／带阻滤波器或改善滤波器性能加以抑制，高阶互调干扰几近忽略。
无源互调的特点：（1）随功率而变，美国安费诺公司的实验证实，输入功率每增大1dBm，PIM产生电平变化约3 dBm；（2）随时间而变。材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变，进而影响非线性程度。（3）研究理论滞后，仿真研究手段未有实质突破，离工程化尚有相当距离。（4）产生环节多，传输方向非单一，难以抑制。（5）存在高阶互调。
资助信息：本文受国家“新一代宽带无线移动通信网”重大专项“TD-LTE网络优化工具开发”（2010ZX03002-008）项目资助

2 2    互调的产生机制[1][2]
2.1谐波的产生机制
假设网络中只有一个单频信号输入，输出信号和输入信号之间的关系如下：
（1）  
上式中， 为直流项， 为线性放大项，  、 等高次幂项系数非零时，输出信号就会出现非线性增大失真，即通常所说的谐波和互调干扰。单频信号经过接收机等处理后，输出信号常常会伴有N倍频率的信号，这就是所谓的N次谐波。
假设输入一个单频正弦波，
代入泰勒展开式中，展开式右边的2次幂项为：
（2）            
上式出现了2倍频信号（ ），即通常称作的2次谐波干扰信号；同样地，展开式右边的3次幂项可以得到3次谐波干扰信号-----。
2.2互调的产生机制
假设网络中两个单频信号输入，那么此时产生的干扰除了谐波外，还有互调。
（3）                    
A．2阶互调的推导
泰勒展开式展开后的2次幂项为：
（4）
上式中， 和 数学变换后得到的是上面已经介绍过的2次谐波干扰信号，而 经过三角变换后得到：
（5）
此式中的后两项即是所谓的2阶互调项，信号频率分别是： 和 。
B．3阶互调的推导
两个标准正弦信号代入泰勒展开式后的3次幂项为：
（6）
上式中， 和 数学变换后引起的是3次谐波项，而 经过三角变换后得到：
（7）
此式中的后两项即是所谓的3阶互调项，信号频率分别是：2f0-f1和2f0+f1。
同样，  也可以经过三角变换得到两个3阶互调项，信号频率分别是：2f1-f0和2f1+f0。
同样地，可以得到4阶互调项、5阶互调项、6阶互调项-----。
B．N阶互调的一般性定义
将以上双频信号互调的分析推广到多频，即可得到互调产物在频率上的一般表达式为 ，  、 、---、 为任意整数值， 即互调产物的阶数。
一般地，每一对互调产物中的加号项（如f0+f1、2f0+f1）通常超出工作带宽，只有减号项（如2f0-f1、3f0-2f1）才可能落在工作带宽附近；并且对于偶数阶的互调产物，其减号项（如f0-f1、2f0-2f1）接近直流项，通常也位于工作带宽之外。因此，业界主要关注奇数阶减号项互调。
2.3互调的强度规律
文献[4]论证了互调产物渐近下降的特点，即一般认为高阶互调产物的强度低于低阶互调；但互调产物的强度预测至今仍是一个学术难题，尤其对于无源互调。文献[4]提出了利用较为容易测量的低阶互调产物来预测高阶互调的方法，并给出了一组验证数据（表 1）。业界也有常见结论认为，五阶互调一般比三阶互调低20dB左右，七阶互调比五阶互调低约15dB，因此习惯使用低阶互调（如三阶互调、五阶互调和七阶互调）来衡量器件的互调性能。

表1. 预测结果与实测结果的比较（dBm）
2.4互调的影响因素
文献[1]指出：PIM是由器件的非线性引起的。非线性有3种可能的主要模式，一类为接触非线性，另一类为材料非线性，还有一类就是工艺非线性。接触非线性表示任何具有非线性电流与电压行为的接触，如弯折不匀的同轴电缆、不尽平整的波导法兰盘、松动的调谐螺丝、松动的铆接、氧化和腐蚀的接触等；材料非线性指具有固有非线性电特性的材料，如铁磁材料和碳纤维等；后者指因加工工艺引起的电传输非线性。
通过对天线的互调干扰的测试过程和测试结果的分析，文献[5]认为减小天线在大功率下呈现的非线性以降低互调干扰，在天线及馈电的电缆上应该不使用非线性材料，如铁、镍等；天线的金属与金属的连接应防止松滑，尽量少使用螺纹连接，如果条件允许，最好焊接；由于所测试的天线为同轴电缆馈电，同轴电缆的弯曲程度应该尽量低，以免在电缆的连接处造成较大的应力，形成互调干扰产生的隐患。
3 互调的测试方法
目前，国际上制造三阶互调整套测试设备的厂家主要有英国Summitek和德国罗森博格（Rosenberger）等，国内厂家有杭州紫光、镇江澳华和南京纳特等。
3.1互调的两种测试方法
互调指标的严格测试一般在专业的微波暗室进行，这是因为周边环境尤其是铁磁材料会对结果产生较大影响。具体又分为正向互调（Forward IM）和反向互调（Reverse IM）两种方式。其中正向互调又称为传输互调（Transfer IM），反向互调又称为反射互调（Reflection IM）。这两者的差异主要体现在其射频前端模块的不同，它们的系统框图如图 1所示[6]。

图1. 反向互调（上）和正向互调（下）测量原理
双工器、滤波器、定向耦合器等器件一般采用正向互调测量方式，天线和负载等器件一般采用反向互调测量方式。对于同一器件的两种不同测试方式，反射方式的互调产物通常比传输方式乐观。
IEC推荐利用两个连续波（CW）信号源对每一个样本的三阶互调产物的功率电平进行测量，在测试端每一个信号源为43dBm(20w)。显然，这是针对早期的基站而言，直到现在，这个功率等级依然适用于大多数器件的测量。随着新的数字蜂窝通信标准的不断诞生，出现了更大幅度和更大范围的功率等级。因此，除了43 dBm以外，还出现了小至26 dBm和大到5l dBm条件下的测量要求[7]。
3.2常见器件的指标要求
互调指标有绝对值和相对值两种表达方式。绝对值表达方式是指以dBm为单位的互调的绝对值大小；相对值表达方式是指互调值与其中一个载频的比值（这是因为无源器件的互调失真与载频功率的大小有关），用dBc来表示。典型的无源互调指标是在两个43dBm的载频功率同时作用到被测器件DUT时，DUT产生-110dBm（绝对值）的无源互调失真，其相对值为-153dBc。
按照背景噪声为-107dBm的标准估算，参照文献[8]提供的材料，PIM3:<-120dBc@2*43dBm的无源器件适用于2W/每载波以下（含2W/每载波）的小功率场景，PIM3:<-150dBc@2*43dBm的无源器件适用于于2W/每载波至20W/每载波（含20W/每载波）场景，PIM3:<-160dBc@2*43dBm的无源器件适合于20W/每载波以上的超大功率环境。
实践中，天线的三阶互调产物一般要求不超过-107dBm，也即-150dBc。定向耦合器、功率分配器、双工器、连接器和电缆组件等无源器件的其互调产物通常在-120～-100dBm，也即-163～-143dBc；而某些器件的互调产物更大，如铁氧体器件的互调产物可达-60 dBc甚至更大。对于前一类器件，不要求测量系统的测量范围太大。目前同类产品的互调测量上限是-65 dBm，也即-108 dBc。对于后一类器件，可以采用通用的频谱分析仪测量，其测量范围至少可以达到-150～30 dBm。
干放和直放站等有源设备或器件的互调指标要求分别如表 2和表 3所示。


4互调在移动通信系统中的实际应用
4.1应当注意的系统内与系统间互调干扰
表 4和表5列出了常见移动通信系统的互调干扰情况。可以看出，中国移GSM900M系统的五阶互调和七阶互调产物会对本系统形成干扰，同时也会影响到中国联通GSM900M系统；中国移动DCS1800系统的七阶互调产物会对本系统形成干扰；中国电信CDMA800M系统的五阶互调和七阶互调产物会对中国移动和中国联通的GSM900M系统形成干扰。

个别情况下，二阶互调产物(F1+F2)也会对其他系统造成影响，比如CDMA800系统的二阶互调产物也会对联通的GSM1800系统产生影响。 在多系统合路的通信系统中，三个（含三个）以上频点经过合路器时也可能产生F1+F2-F3形式的三阶互调干扰。这使得POI等多系统合路室内分布系统的设计变得困难[8]。
4.1实际工作中天馈线互调干扰的排查方法
从实际经验来看，移动通信系统中需要重点关注互调指标的器件主要有：天线、馈线、直放站、干放、电桥、负载、耦合器等。当前尤以天馈系统互调产物对网络性能的影响最大。
互调指标的严格测试一般在专业的微波暗室进行，但实际工作中在定位网内干扰时也会借助便携式互调分析仪（多采用反射模式），图 2给出了使用便携式互调仪现场排查互调干扰的检测点示意。

图2. 使用便携式互调仪现场排查互调干扰的检测点示意
根据实际操作的难易程度，通常按照“1-2-3-4-5”的顺序开展断站现场测试。也有经验表明馈线的问题（如接头制作粗糙或松动、馈线过度弯折等）往往是造成整个天馈系统的常见原因，因此“1-2-3-4-5”的顺序也便于首先排除馈线问题。现场排查时，一般按执行比微波按时测试原为宽松的标准，比如要求测试点1的三阶互调产物小于-80dBm。现场测试时为保证测试精度，需要注意下列事项：
保证可靠的连接（包括足够的接触压力，接头处清洁等）。
测量互调尽量排除外部干扰的影响 (先扫描外部干扰）。
互调仪输出信号功率不能超过器件的额定功率。
断开有源器件。
注意天线的方向以及其覆盖前方不能有大型金属物体。
个别系统设备厂家还开发出互调干扰自动检测功能，可以粗略判断干扰恶化是否为网内互调干扰所致。
5结束语
随着移动互联时代的到来，话务量的激增使得控制网内干扰成为移动通信运营商密切关注的重要议题，而互调干扰就是同频干扰之外的一种重要网内干扰。这就要求网络规划和优化人员熟悉互调的产生机制及可能影响，在频率规划时不仅考虑常规的同频复用因子外，而且会分析多载波或多系统共存情况下可能产生的互调干扰。此外，便携式互调测试仪也可以在日常维护工作中定位互调干扰时发挥一定作用。